UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA ECIÊNCIA E
ENGENHARIA DE MATERIAIS
ENGENHARIA DE MATERIAIS
CIÊNCIA DOS MATERIAIS CIÊNCIA DOS MATERIAIS
FRANC
FRANCINÉ ALVINÉ ALVES ES DA COSTADA COSTA NATAL/RN
NATAL/RN 2009.2 2009.2
DISCORDNCIAS E MECANISMOS DE AUMENTO
DISCORDNCIAS E MECANISMOS DE AUMENTO
DE RESISTÊNCIA
DE RESISTÊNCIA
O!"ETIVOS#
O!"ETIVOS#
Estudar as características das discordâncias e o
Estudar as características das discordâncias e o
seu envolvimento em um processo de deformação
seu envolvimento em um processo de deformação
plástica e no aum
plástica e no aumento da resistência de ento da resistência de metais.metais.
Adicionalmente, verificar como ocorrem os
Adicionalmente, verificar como ocorrem os
processos
processos de de recuperação, recuperação, recristalização recristalização ee
crescimento de grão de metais submetidos a
crescimento de grão de metais submetidos a
deformação plástica.
DISCORDNCIAS E MECANISMOS DE AUMENTO
DISCORDNCIAS E MECANISMOS DE AUMENTO
DE RESISTÊNCIA
DE RESISTÊNCIA
O!"ETIVOS#
O!"ETIVOS#
Estudar as características das discordâncias e o
Estudar as características das discordâncias e o
seu envolvimento em um processo de deformação
seu envolvimento em um processo de deformação
plástica e no aum
plástica e no aumento da resistência de ento da resistência de metais.metais.
Adicionalmente, verificar como ocorrem os
Adicionalmente, verificar como ocorrem os
processos
processos de de recuperação, recuperação, recristalização recristalização ee
crescimento de grão de metais submetidos a
crescimento de grão de metais submetidos a
deformação plástica.
C$%&$'()%*+ C$%&$'()%*+($ *,(*'+$ ($ *,(*'+$ $$ %*() 1() %)3'$34&13)5 %*() 1() %)3'$34&13)5
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M*36+13)
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M*()1
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D*7*1($ C'1()1+$ D13$'6+31)5=D*7*1($ C'1()1+$ D13$'6+31)5= M*3)+1%$ * ):%*+($ * R*1(>+31)=M*3)+1%$ * ):%*+($ * R*1(>+31)= M*1$ &)') '*($'+$ ) *(':(:') )$ *: *()$M*1$ &)') '*($'+$ ) *(':(:') )$ *: *()$ $'1?1+)= $'1?1+)=INTRODUÇÃO
INTRODUÇÃO
A deformação plástica é permanente, e a
A deformação plástica é permanente, e a
resistência e a dureza são medidas da resistência de um
resistência e a dureza são medidas da resistência de um
material a esta deformação.
material a esta deformação.
A deformação plástica corresponde ao
A deformação plástica corresponde ao
movimento líuido ou global de um grande n!mero de
movimento líuido ou global de um grande n!mero de
átomos em resposta " aplicação de uma tensão.
átomos em resposta " aplicação de uma tensão.
#os
#os s$lidos s$lidos cristalinos, cristalinos, a a deformação deformação plásticaplástica
envolve na maioria das vezes o movimento de
envolve na maioria das vezes o movimento de
discordâncias, as uais são defeitos cristalinos lineares.
DEFEITOS CRISTALINOS C)1713)8$ $ D*7*1($ C'1()1+$ D*7*1($ &:+(17$'%* )$31)$ 3$% :%) $: :) &$18@* )(%13)5= E,# )36+31)B 1+(*'(31$. D*7*1($ * 1+;) *7*1($ :+11%*+1$+)15= E,# 13$'6+31). D*7*1($ 11%*+1$+)1 7'$+(*1') *+('* :) '*?1@* 3$% 17*'*+(* *(':(:') 3'1()1+) $: 17*'*+(* $'1*+()8@* 3'1()$?'713)5= E,# 3$+($'+$ * ?'$B 1+(*'7)3*B :&*'731* 1'*B 3$+($'+$ * %)3). D*7*1($ $:%('13$ *7*1($ ('11%*+1$+)15= E,# &$'$B ('1+3) * 1+3:@*.
CONCEITOS !SICOS D13$'6+31)# D*7*1($ 3'1()1+$ 1+*)' )$ '*$' $ :) *,1(* :% *)1+;)%*+($ )(%13$. E,1(*% $1 (1&$ 7:+)%*+()1 * 13$'6+31)# E% 1+;) )'*()5 E% ;13* *&1')5
% processo pelo ual a deformação plástica é produzida mediante o movimento de uma discordância
é c&amado de escorregamento.
A deformação plástica macrosc$pica é na verdade uma deformação permanente resultante do movimento de discordâncias ou escorregamento em resposta " aplicação de uma tensão de cisal&amento.
densidade de discordâncias ' comprimento total de discordâncias unidade de volume
()* mm+ cristais metálicos cuidadosamente solidificados
MOVIMENTO DAS DISCORDNCIAS
etal deformado pode ter sua densidade de discordância diminuída até uma ordem de ()/ a ()0 mm+
CARACTERSTICAS DAS DISCORDNCIAS 1ompressão 2ração 1isal&amento C)')3(*'(13) C)%&$ * *7$'%)8$ )$ '*$' ) 13$'6+31) J *(*'%1+)% ) %$11)* * :) ;)11)* * * %:(1&13)'
SISTEMA DE ESCORREGAMENTO
131 e 111 4 metais d!cteis 5 sistemas de escorregamento61 4 materiais frágeis pouco sistemas de escorregamento
T*+@* * 31);)%*+($ '*$1)
ESCORREGAMENTO EM MONOCRISTAIS
7m sistema de escorregamento apresenta a orientação mais favorável, ou se8a, possui a maior tensão de cisal&amento resolvida.
R%,5 3$ 3$ 5%,
% monocristal se deforma ou escoa
R%,5 (3'3
A tensão aplicada necessária para dar início ao escoamento é dada por
* 3$ 3$ 5
%, (3'3
A tensão cisal&ante resolvido crítica é o valor má9imo, acima do ual o cristal começa a cisal&ar, escoar.
#o entanto, os valores te$ricos são muito maiores do ue os valores obtidos e9perimentalmente.
Esta discrepância s$ foi entendida uando se descobriu a presença das discordâncias.
As discordâncias reduzem a tensão necessária para o cisal&amento, ao introduzir um processo se:encial, e não simultâneo, para o rompimento das ligaç;es at<micas no plano de deslizamento.
DEFORMAÇÃO PLSTICA DE MATERIAL POLICRISTALINO
M$+$3'1()1=
P)+$=
D1'*8@*.
aior comple9idade no comportamento de deformação do material.
etais policristalinos são 5 resistentes ue os monocristais, o ue significa = tensão e9igida para iniciar o escorregamento e conse:ente escoamento.
ESCORREGAMENTO
ESCORREGAMENTO
M$1%*+($ ) D13$'6+31)
M$1%*+($ ) D13$'6+31)
D*7*1($ !11%*+1$+)1
D*7*1($ !11%*+1$+)1
>nterface>nterface? contorno entre duas fases diferentes.? contorno entre duas fases diferentes.
1ontornos de grão1ontornos de grão? contornos entre dois cristais? contornos entre dois cristais
s$lidos da mesma fase.
s$lidos da mesma fase.
@uperfície ivre@uperfície ivre? superfície entre o cristal e o meio? superfície entre o cristal e o meio
ue o circunda.
ue o circunda.
1ontorno de macla1ontorno de macla? tipo especial de contorno de grão? tipo especial de contorno de grão
ue separa duas regi;es com uma simetria tipo
ue separa duas regi;es com uma simetria tipo
Bespel&oB.
Bespel&oB.
3ronteiras entre duas regi;es com diferentes estruturas
3ronteiras entre duas regi;es com diferentes estruturas
cristalinas ou diferentes orientaç;es
F'$+(*1') * G'$ D*7*1($
F'$+(*1') * G'$ D*7*1($ !11%*+1$+)15!11%*+1$+)15
7m material poli+cristalino é formado por 7m material poli+cristalino é formado por muitos mono+cristaismuitos mono+cristais em orientaç;es diferentes.
em orientaç;es diferentes.
A fronteira entre os monocristais é uma parede, ueA fronteira entre os monocristais é uma parede, ue corresponde a um defeito bi+dimensional.
corresponde a um defeito bi+dimensional.
Este defeito refere+se ao contorno ue separa dois peuenos Este defeito refere+se ao contorno ue separa dois peuenos grãos Cou cristaisD, com diferentes orientaç;es cristalográficas, grãos Cou cristaisD, com diferentes orientaç;es cristalográficas, presentes num material poli+cristalino.
F'$+(*1') * G'$ D*7*1($ !11%*+1$+)15 A ! C D A# F$'%)8$ * &*:*+$ +3*$ * 3'1()1Q)8$ 3'1()1($5 !#C'*31%*+($ $ 3'1()1($ C# F$'%)8$ * G'$B 3$% 7$'%)($ 1''*?:)'*B )&4 3$%&*()) ) $11713)8$. D# V1()B +:% %13'$34&1$B ) *(':(:') * G'$ as linhas
escuras são os contornos dos Grãos5
C$+($'+$ * G'$#
N$ 1+(*'1$' $ ?'$ ($$ $ ($%$ *($ )'')+<)$ *?:+$ :% +13$ %$*$ * +13) $'1*+()8$B 3)')3(*'1Q)) &*) 3:) :+1('1).
A macla é um tipo de defeito cristalino ue pode ocorrer durante a solidificação, deformação plástica, recristalização ou crescimento de grão.
2ipos de macla? maclas de recozimento e maclas de deformação.
A maclação ocorre em um plano cristalográfico determinado segundo uma direção cristalográfica específica. 2al con8unto planodireção depende do tipo de estrutura cristalina.
MECANISMOS DE AUMENTO DE RESISTÊNCIA
% importante para a compreensão dos mecanismos de aumento de resistência é a relação entre o movimento das discordâncias e o comportamento mecânico dos metais.
A &abilidade de um metal para se deformar plasticamente depende da sua &abilidade de
movimentação das discordâncias.
Fureza e resistência depende Feformação Glástica induzida pela mobilidade das discordâncias.
R*:8$ +$ T)%)+;$ * ?'$
S$:8$ S41) E+3':)%*+($
P$' R*:8$ +$ T)%)+;$ * G'$
P'$&'1*)* D13$'6+31) C$+($'+$ * ?'$ T)%)+;$ * ?'$
P$' R*:8$ +$ T)%)+;$ * G'$
Gara muitos materiais o * depende do taman&o de grão segundo a relação
* $ K *-/2
%nde representa o diâmetro médio do grão, enuanto
$ * * são constantes para cada material específico.
Essa e9pressão é con&ecida por Equação de Hall-Petch.
Ela não é válida para materiais policristalinos com grãos mistos.
P$' R*:8$ +$ T)%)+;$ * G'$
1ontornos de macla bloueiam o escorregamento e resistência do material. 1ontornos entre fases diferentes impedem o movimento das discordâncias. 2aman&o de grão resistência e a tenacidade de muitas ligas.
3ig. A influência do taman&o do grão sobre o limite de escoamento de uma liga de latão com composição H)1u+*)In.
P$' S$:8$ S41) D*7*1($ P$+(:)5
3ormação de ligas com átomos de impurezas através de solução s$lida substitucional ou intersticional.
E(':(:') D*7$'%)) ) F'1$
A deformação plástica ue é realizada numa região de temperatura, e sobre um intervalo de tempo tal ue o encruamento não é aliviado, é c&amada trabal&o a frio Cdeformação a frioD.
% nJ de discordâncias é aumentado durante a deformação plástica, e devido "s suas interaç;es provocam um estado de elevadas tens;es internas.
A maior parte da energia gasta na deformação de um metal por trabal&o a frio é convertido em calor. 2odavia, cerca de ()K da energia gasta são armazenados na estrutura causando um aumento na energia interna.
A grandeza da energia armazenada aumenta com o ponto de fusão do metal e com a adição de soluto.
Gara um dado metal, a uantidade de energia armazenada depende do tipo de processo de deformação Ctrefilação ou traçãoD.
A maior parte da energia armazenada é devida " geração e " interação das discordâncias durante o trabal&o a frio.
3al&as de empil&amento e maclas são provavelmente responsáveis por uma peuena fração
A energia de deformação elástica contribui apenas para uma insignificante parte da energia armazenada.
E+3':)%*+($
Fefinição? é o fen<meno pelo ual um metal d!ctil se torna mais duro e mais resistente uando ele é submetido a uma deformação plástica.
2ambém pode ser c&amado de endurecimento por trabalho ou por trabal&o a frio.
TF A0 J A / A05 , 00 G'): * *7$'%)8$
Encruamento ou trabal&o a frio é um importante processo industrial ue é usado para endurecer ligas ou
#ormalmente, a ta9a de encruamento é menor para metais 6.1. do ue para metais c!bicos.
% aumento da temperatura de deformação pode também diminuir a ta9a de encruamento.
% trabal&o a frio produz a elongação dos grãos na direção principal de trabal&o. Então, grandes deformaç;es produzem uma reorientação dos grãos numa orientação preferencial.
Além das mudanças das propriedades em tração, o trabal&o a frio produz também mudanças em outras propriedades físicas.
#ormalmente ocorre uma peuena redução na
densidade, uma diminuição apreciável da
condutividade elétrica e um peueno aumento do coeficiente de e9pansão térmica.
Fevido ao aumento da energia interna no estado de trabal&o a frio, a reatividade uímica é também aumentada.
>sto leva a uma diminuição geral na resistência " corrosão e, em certas ligas, introduz a possibilidade do aparecimento de trincas de corrosão sob tensão.
Fensidade de discordâncias com deformação ou encruamento, devido a formação de novas discordâncias.
MEIOS PARA RETORNO DA ESTRUTURA DO MATERIAL AO SEU ESTADO ORIGINAL
A deformação plástica produz alteraç;es
microestruturais e mudanças nas propriedades dos materiais?
Alteração na forma do grãoL
Endurecimento por deformação plástica a frio, e Aumento na densidade das discordâncias.
R*3$Q1%*+($ * M*()1 T'));)$ ) F'1$
% estado de trabal&o a frio é uma condição de maior energia interna do ue o material não+deformado. Embora a estrutura celular de discordâncias do material trabal&ado a frio se8a mecanicamente estável, ela não é termodinamicamente estável.
% recozimento é comercialmente muito importante porue restaura a ductilidade de um metal ue ten&a sido severamente encruado.
% processo de recozimento pode ser dividido em três processos distintos?
+ MecuperaçãoL
+ MecristalizaçãoL e
R*3:&*')8$
O normalmente definida como a restauração das propriedades físicas do metal trabal&ado a frio sem ue ocorra alguma mudança visível na microestrutura.
iberação de uma parte da energia interna de deformação armazenadaL
Medução do n!mero de discordânciasL
1onfiguraç;es de discordâncias com bai9as energias de deformação.
3ig. ( Fesen&o esuemático indicando a recuperação, recristalização, crescimento de grão e as mudanças importantes nas propriedades em cada região.
R*3'1()1Q)8$
O o processo de formação de um novo con8unto de grãos livres de deformação e ue são euia9iais, com bai9as densidades de discordâncias, e com característicos das condiç;es anterior ao processo de trabal&o a frio.
#ucleação crescimento do n!cleo formação do grão crescimento de grão
A recristalização é facilmente detectada por métodos metalográficos e é evidenciada por uma diminuição da dureza ou da resistência e um aumento na ductilidade.
A densidade de discordâncias diminui consideravelmente na recristalização e todos os efeitos do encruamento são eliminados.
A energia armazenada no trabal&o a frio é a força motriz tanto para a recuperação uanto para a recristalização.
@e os novos grãos livres de deformação forem auecidos a temperaturas maiores ue a reuerida para causar a recristalização, ocorrerá um crescimento gradativo no taman&o de grão.
A força motriz para o crescimento de grão é a diminuição da energia livre resultante da diminuição da área de contorno de grão devido ao crescimento de grão.
% processo de recristalização consiste na nucleação de uma região livre de deformação, cu8o contorno pode transformar a matriz deformada em um material livre de deformação conforme vai se movendo.
As variáveis mais importantes ue influenciam o comportamento da recristalização são?
(. :)+(1)* * &'-*7$'%)8$? é necessário uma uantidade mínima de deformação para provocar a recristalizaçãoL
. (*%&*')(:')? uanto menor o grau de deformação, maior a temperatura reuerida para provocar a recristalizaçãoL
*. (*%&$? o aumento do tempo de recozimento diminui a temperatura de recristalização. 2odavia, a temperatura é muito mais importante do ue o tempo. Fobrar o tempo de recozimento euivale apro9imadamente a aumentar a temperatura de recozimento de ()J1.
P. ()%)+;$ * ?'$ 1+131)? o taman&o de grão final depende grandemente do grau de deformação e, em menor escala, da temperatura de recozimento. Quanto maior o grau de deformação e menor a temperatura de recristalização, menor é o taman&o de grão recristalizadoL
% crescimento de grão irá ocorrer lentamente em temperaturas nas uais a recristalização ocorre imediatamente devido " força matriz para o crescimento de grão ser apreciavelmente mais bai9a do ue a força motriz para a recristalização.
% crescimento de grão é fortemente dependente da temperatura e será logo alcançada uma região de crescimento de grão na ual os grãos aumentam de taman&o muito rapidamente.
etais puros recristalizam a temperatura de ),*2 f .
#ível crítico de deformação plástica a frio abai9o do ual a recristalização não ocorre Centre e )K de 23D
3ig H.* A variação da temperatura de recristalização em função do percentual de trabal&o a frio para o ferro. Gara deformaç;es menores do ue a crítica Cpr$9imo de /K23D, a recristalização não irá ocorrer. C1allister, ))D.
C'*31%*+($ * G'$
Gara muitos materiais policristalinos, o diâmetro do grão d varia
em função do tempo t de acordo com a relação
d n
-
d on
kt%nde d o representa o diâmetro inicial do grão em t ' ), e k e n são
E7*1($ !):3;1+?*'
#o estudo do encruamento de monocristais observou+se ue geralmente a tensão necessária para reverter a direção de deslizamento num certo plano de deslizamento é mais bai9a do ue a necessária para continuar o deslizamento na direção original.
A direcionalidade do encruamento é c&amada de efeito Rausc&inger.
A uantidade do efeito Rausc&inger pode ser descrita pela deformação de Bauschinger W, ue
e9pressa a diferença na deformação entre as curvas de tração e compressão numa dada tensão.
% efeito Rausc&inger pode ter importantes conse:ências na conformação de metais.
Gode ser importante no dobramento de placas de aço, e resulta num amolecimento uando metais severamente trabal&ados a frio são submetidos a cargas de sinal contrário.
% mel&or e9emplo disto é o desempen&o de barras estiradas ou fol&as laminadas pela passagem
através de rolos ue aplicam no material tens;es de dobramento alternadas.
ESCORREGAMENTO EM MONOCRISTAIS GM%R+ESEG% H.(
1onsidere um monocristal de ferro com estrutura 111 orientado de tal modo ue uma tensão de tração se8a aplicada ao longo de uma direção T)()U. CaD 1alcule a tensão de cisal&amento resolvida ao longo de um plano C(()D e em uma direção T(+((U uando é aplicada uma tensão de tração de /
Ga. CbD @e o escorregamento ocorre em um plano C(()D e em uma direção T(+((U e a tensão de cisal&amento resolvida crítica é
de *) Ga, calcule a magnitude da tensão ue deve ser aplicada para dar início ao escoamento.
ESCORREGAMENTO EM MONOCRISTAIS GM%R+ESEG% H.(
1onsidere um monocristal de prata ue está orientado de tal modo ue uma tensão de tração é aplicada ao longo de uma direção T))(U. @e ocorre escorregamento em um plano C(((D e em uma direção T+()(U, e o escorregamento é iniciado uando é
aplicada um tensão de tração de (,( Ga, calcule a tensão de cisal&amento resolvida crítica.
