2.0 PROC. MAT.S -SIST. CRIST.S GRÃOS RES.16.1

(1)

Cristalografia dos Metais

Os átomos são unidades estruturais de todos os materiais.

São de tamanho microscópico, cerca de 2 a 5 Å (angström).1 Å = 10

-10

m.

Nanotecnologia: 1nm = 10

-9

_m

Átomo de Bohr em 1913

Átomo de Carbono 12

Quanto maior o raio atómico, menor a atração que o núcleo do átomo exerce sobre o elétron que vai adquirir.

(2)

GÁS

LÍQUIDO

SÓLIDO

DISPOSIÇÃO DOS ÁTOMOS NUM MATERIAL EM DIFERENTES ESTADOS

LIGAÇÕES ATÔMICAS:

Há 4 tipos de ligações que mantém os átomos dos sólidos sempre unidos. 1- IÔNICA

2-COVALENTE

3- WAN DER WAALS 4 – METÁLICA

(3)

LIGAÇÃO IÔNICA

LIGAÇÃO IÔNICA: Atração mútua entre íons positivos e negativos

(atração eletrostática)

Exemplos: NaCl, Cloreto de Sódio: Na

+

_{+ Cl}

-

_NaCl

MgCl

₂

,Cloreto de Magnésio: Mg

2+

_+2CL

-

_MgCl

2

(4)

LIGAÇÃO COVALENTE

(atração magnética)

Formada entre não metais compartilhamento de elétrons entre 2

átomos

Ex: H

₂

O e CH

₄ Molécula de água H₂O O: 2,6 H: 1 Molécula de Metano – CH₄ C: 2,4 H:1

Camadas com nº máximo: 2,8,18,32,9,2

(5)

Ligações de Van der Waals:

Polarização eletrônica das moléculas (ligações covalentes)

baixa T de fusão e resistência mecânica, mais fraca das ligações

Ligações de Van der Walls

Átomos

(6)

Devido a mobilidade dos elétrons das últimas órbitas (valência), os metais são bons condutores de calor e eletricidade

LIGAÇÕES METÁLICAS - ELÉTRONS DE VALÊNCIA

Elétrons de valência

(7)

7

7 SISTEMAS CRISTALINOS E 14 REDES BRAVAIS

Cúbico

(a=b=c e ===90°) (a=bc e ===90°) Tetragonal

ORTORRÔMBICO (abc e ===90°) (abc e ==90° e 90°)MONOCLÍNICO TRICLÍNICO (abc e 90°) HEXAGONAL (a1=a2=a3c e ==90° e =120°) ROMBOÉDRICO (a=b=c e ==90°)

(8)

CRISTALINO

= ESTRUTURA COM ÁTOMOS ORDENADOS

CÉLULA UNITÁRIA

= O MAIS SIMPLES MODELO CUJA REPETIÇÃO

NO ESPAÇO GERA A ESTRUTURA CRISTALINA

Sistema cúbico simples a=b=c

a= parâmetro da rede

Nenhum metal solidifica seguindo o sistema cúbico simples

(9)

ESTRUTURA CRISTALINA CÚBICA SIMPLES - CS

Qual a Relação de “a” com “r”?

ESTRUTURA CRISTALINA CÚBICA SIMPLES - CS

Qual a Relação de “a” com “r”?

a = parâmetro da rede

R = raio do átomo

a = 2r

Volume = a

3

= 8r

3

a

_CS

= 2r

a

_CS

= 2r

Distância atômica, angstrom, 1 Å = 10-10_{m = 10}-8_cm

Angstrom é a unidade de medida comumente utilizada para lidar

com grandezas da ordem do átomo ou dos espaçamentos entre dois planos cristalinos

(10)

10

ESTRUTURA CRISTALINA CÚBICA SIMPLES

Parâmetro da rede a

1/8



Apenas 1/8 de cada átomo cai

dentro da célula unitária, ou

seja, a célula unitária contém

apenas 1 átomo.



Essa é a razão que os metais

não cristalizam na estrutura

cúbica simples (devido ao baixo

empacotamento atômico)

Qual participação de cada átomo na célula unitária?

Quantos átomos existem na célula unitária?

(11)

11

ESTRUTURA CRISTALINA CÚBICO SIMPLES -

CS

ESTRUTURA CRISTALINA CÚBICO SIMPLES -

CS

FATOR DE EMPACOTAMENTO, FE = VOLUME DOS ÁTOMOS VOLUME DA CÉLULA UNITÁRIA

Parâmetro da rede a 1/8 FE = 8 X 1/8 X 4/3  R3 a3 FE= 4/3  R3_{= 0,52 ou 52%} 8R3

(12)

DIREÇÕES E PLANOS CRISTALOGRÁFICOS

Direção compacta Plano compacto? Plano compacto (três direções compactas) x y z

(13)

ESTRUTURA CRISTALINA CÚBICO SIMPLES- CS

3 direções compactas: x,y e z

Nenhum plano compacto

Quantas direções compactas e quantos planos compactos

existem no Cúbico Simples?

(14)

Estrutura Cristalina Cúbica de Faces Centradas - CFC

a= 3,66Aº

O parâmetro da rede do Ferro puro à temperatura de 1.200ºC é de aproximadamente de 3,66Aº.

Relação de “a” com “R”:

(4R)

2

=2a

2

a

_CFC

= 4R/

2

a

_CFC

= 4R/

2

Ou a

CFC

= 4R

2 = 2R2

(15)

ESTRUTURA CÚBICA DE FACES CENTRADAS - CFC

6 DIREÇÕES COMPACTAS (DIAGONAIS DAS FACES) 4 PLANOS COMPACTOS

Direções compactas Planos compactos

Quantas direções compactas? Quantos planos compactos?

FE = (8x1/8 +6x1/2) 4/3

R

3

_{= 0,74 ou 74%}

(4R/

2)

3

FE = volume dos átomos

volume da célula unitária

Quantos átomos na célula unitária? Resp. 4 átomos

(16)

METAIS CFC

Com tantas direções e planos compactos, o cisalhamento de

planos atômicos ocorre com facilidade, consequentemente

os metais “CFC” são menos resistentes, mais dúcteis, mais

condutores de calor e de eletricidade.

Metais “CFC” : Au, Ag, Cu, Al, Ni, Pb e Fe

.

Sequência de Empilhamento: ABC, ABC, ABC

Azul, Amarelo e Vermelho...

(17)

Material Condutividade Elétrica [(

.m)

-1

_]

Prata 6,8 x 10

7

Cobre puro 6,0 x 10

7

Ouro 4,3 x 10

7

Alumínio 3,8 x 10

7

Constantan 2,0 (S.m/mm

2

₎

Mercúrio 1,0044

Grafite 0,07

Fio de cobre

(18)

Estrutura Cristalina Cúbica de Corpo Centrado- CCC

(4R)

2

=a

2

+ 2a

2

= 3a

2

a= 2,86A°

Relação de “a” com “R”:

O parâmetro de rede do Ferro puro, a temperatura ambiente, é de 2,86Aº.

a

_CCC

= 4 R/

3

(19)

ESTRUTURA CÚBICA DE CORPO CENTRADO - CCC

Fator de Empacotamento:

FE = volume dos átomos

volume da célula unitária

FE = (8x1/8 +1) 4/3R

3

= 0,68 ou 68%

(4R/

3)

3 Direções Compactas SIM Planos Compactos NÃO

4 DIREÇÕES COMPACTAS

(DIAGONAIS DO CUBO)

NENHUM PLANO COMPACTO

1/8 de átomo

1 átomo inteiro

Quantas direções compactas?

Quantos planos compactos?

Quantos átomos na célula unitária?

Resp. 2 átomos

(20)

METAIS CCC

Como se trata de um sistema com poucas direções

compactas e nenhum plano compacto, o cisalhamento

de planos atômicos é mais difícil, conseqüentemente

os metais “CCC” são mais resistentes, menos dúcteis,

menos condutores de calor e eletricidade.

(21)

ESTRUTURA CRISTALINA HEXAGONAL COMPACTA- HC

A  B  A 

Sequência de empilhamento: AB, AB, AB...

Quantas direções compactas e planos compactos? 3 DIREÇÕES COMPACTAS

1 PLANO COMPACTO (O PLANO DA BASE)

FE = volume dos átomos ; volume da célula unitária

FE = 0,74 ou 74%

Portanto os metais “HC” são dúcteis somente no plano da base e resistente em todos os outros planos (difícil de

sofrer deformação).

Metais “HC”: Be, Mg, Zn e Ti

.

FE = 6 4/3 r3_{= 0,74}

(22)

Tabela Periódica – Aplicações - Sistemas Cristalinos

Dos 116 elementos conhecidos hoje, 81 são metálicos

Pb nº atômico 82 Au nº atômico 79 (alquimia, pedra filosofal)

(23)

ALQUIMIA

Alquimia é uma prática antiga que combina elementos de

Química, Antropologia, Astrologia, Magia, Filosofia,

Metalurgia, Matemática, Misticismo e Religião.

Existem quatro objetivos principais na sua prática. Um

deles seria a transmutação dos metais inferiores ao ouro

A transmutação do Chumbo em Ouro

Au = 2, 8, 18, 32, 18, 1

Pb = 2, 8, 18, 32, 18, 4

(24)

SISTEMAS CRISTALINOS

(terminologia)

SISTEMAS CRISTALINOS

(terminologia)

PORTUGUÊS ESPANHOL INGLÊS

CCC- Cúbico de Corpo

Centrado CC- Cúbica Centrada BCC- Body Centered Cubic CFC- Cúbico de Face

Centrada CCCCentradas- Cúbica de Caras FCC- Face Centered Cubic HC- Hexagonal

(25)

Diamante

Diamante versos Grafite

Grafite Grafite

Ambos formados pelo elemento C Ligações covalentes

(26)

Ferro

Metais

Titânio

Ti  Ti  883ºC Fe  Fe  912ºC

SiC (chega ter 20 modificações cristalinas)

Etc

Carbono (Diamante e Grafite)

Obs.: As transformações alotrópicas são acompanhadas de mudanças na densidade e mudanças de outras propriedades físicas

EXEMPLO DE MATERIAIS QUE EXIBEM

POLIMORFISMO OU ALOTROPIAS

(27)

Instrumento: Dilatômetro

ALOTROPIAS DO FERRO (TRANSFORMAÇÕES DE FASE)

T

em

p

er

at

u

ra



C

Volume (mm

3

₎

CFC

CCC

Tc

Variação brusca de volume

durante a mudança microestrutural

“É preciso

malhar o Ferro

enquanto ainda

está quente”.

(28)

A Metalurgia da Deformação

Deformação: Cisalhamento de planos de maior densidade atômica,

segundo uma direção compacta

B

t

A

Sistemas de escorregamento

CFC

{111}

110

_CCC

HC

4x3=12 sistemas

{110}

111

6x2=12 sistemas

Plano Basal

{0001}

1120

1x3=3 sistemas

(29)

DEFORMAÇÕES DOS METAIS

(a) Tração (b) Compressão

Metal Tensão máx. teórica

(N/mm2) Tensão máx. medida (N/mm2) Ferro puro 137.900 344 Alumínio puro 34.475 69 Cobre puro 68.950 172

(30)

30

IMPERFEIÇÕES CRISTALINAS

Prof.: Antonio Fernando de Carvalho Mota

Auto-intersticial

Lacunas _{Intersticial Pequeno}

MICROSCÓPIO

(31)

DEFEITOS DE LINHA

DISCORDÂNCIAS EM CUNHA OU EM ARESTAS

O circuito não se fecha.

O vetor necessário para fechar o circuito é o

vetor de Burgers

b

, que caracteriza a

discordância.

(32)

Movimento de Defeito em linha intracristalino

responsável pela deformação plástica de metais.

(33)

Movimentação de discordâncias

O esforço para arrastar um tapete é menor,

restringindo-se a região em movimento.

CARACTERÍSTICAS DAS DISCORDÂNCIAS

(34)

Atração e

aniquilamento

DISCORDÂNCIAS : ESFORÇOS ENVOLVIDOS

Regiões de tração e compressão ao redor da discordância

Interação entre discordâncias Repulsão

INTERAÇÕES ENTRE

DISCORDÂNCIAS

Regiões de tração (clara) e de compressão (escura) em uma discordância em cunha Compressão

(35)

DISCORDÂNCIA HELICOIDAL OU ESPIRAL

O vetor de Burgers b é paralelo à linha de discordância em uma discordância em espiral.

(36)

FORMAÇÃO DE DISCORDÂNCIA POR CISALHAMENTO

(a) Discordância em Cunha  Movimento na direção da tensão;

(b) Discordância Helicoidal  Movimento normal a direção da tensão;

(c) Discordância Mista

Direção do movimento

(a) Cunha: Mov. na direção da tensão

(b) Hélicoidal: Mov. normal a direção da tensão

O efeito final é o mesmo

(b)

(37)

FORMAÇÃO DE DISCORDÂNCIA POR CISALHAMENTO

(a) (b) (c)

Discordância mista num cristal.

A discordância, de linha AB, é parafuso no ponto A, à esquerda, em que entra no cristal e cunha no ponto B, à direita, onde sai do

cristal

Deformação Plástica do alumínio – Estampagem profunda

(38)

Diagrama esquemático de interação entre (a) discordância-discordância e (b) discordância-partícula

MOVIMENTAÇÃO DE DISCORDÂNCIAS

Depois de um tratamento de

envelhecimento as discordâncias são ancoradas por uma nuvem de impurezas

(39)

(40)

O material deformado a frio apresenta ENCRUAMENTO, representado pelo aumento do limite de escoamento.

Descarregamento, obtendo aumento de comprimento (deformação plástica) e consequentemente aumento

da densidade de discordâncias. Deformação até ~8%, em tração uniaxial

(41)

Escoamento descontínuo e “Bandas de Lüders”

Deformação plástica, durante o patamar de escoamento descontínuo, ocorre em bandas

(42)

CARACTERÍSTICAS DAS DISCORDÂNCIAS

Material deformado

 5%

da energia é retida na forma de energia de

deformação associada a discordâncias.

(43)

DEFORMAÇÃO PLÁSTICA:

Durante a deformação plástica, há aumento da densidade de discordâncias. Quanto maior a densidade de discordâncias, maior a chance de interações entre estas,

bloqueando seu movimento. Assim, QUANTO MAIOR A DEFORMAÇÃO PLÁSTICA APLICADA A UM METAL, MAIOR A DIFICULDADE EM CONTINUAR ESTA DEFORMAÇÃO.

(44)

IMPERFEIÇÕES ESTRUTURAIS

(45)

Densidade de discordância : Comprimento de discordâncias (milimetros) Volume de material (milimetro3)

Metais recozidos e cuidadosamente preparados: 103 mm-2

Metais altamente deformados: entre 109 e 1.010 mm-2 (1000 km em 1 mm3)

(1 mm3 de Cu apresenta 8.493.1019 átomos)

Metais deformados e submetidos a tratamento térmico:105.106 mm-2

(46)

O QUE É TENSÃO DE CISALHAMENTO

Tensão de Cisalhamento é uma tensão gerada por forças aplicadas

em sentidos opostos. A seguir podemos ver um parafuso que foi

Submetido a uma tensão de cisalhamento

O estudo do cisalhamento é de extrema importância, pois envolve

a segurança da estruturas, por exemplo. É o caso do parafuso

apresentado acima: o material não foi bem dimensionado para a

necessidade, ou o material não foi o indicado, por isso sofre o

cisalhamento e poderia se romper, colocando em risco a estrutura

que estivesse.

(47)

MECANISMOS DE DEFORMAÇÃO PLÁSTICA

Deformação por Maclação Deformação por Discordâncias Twin planes Twin Slip plane

t

O seu aparecimento está geralmente associado com a presença de:

- Tensões térmicas e mecânicas

- Impurezas. Etc.

(48)

FRATURA POR CLIVAVEM

Várias discordâncias paralelas sob tensão, podem produzir uma

pequena trinca

(A) (B)

If a number of edge dislocations of the same sign Are forced together, a smail cracklike defect results.

Basal plane

Cleavage of zinc crystal

Cleavage crack

(B) (A)

(49)

O “caldo de átomos”

Temperatura > 1500o C

SOLIDIFICAÇÃO

Pequenos cristais

começam a solidificar

R es fr ia m en to

(50)

Resfriamento mais lento = Cristais maiores

Grãos ou Cristais solidificados

R es fr ia m en to

(51)

Os grãos podem ser observados melhor com auxílio de um

microscópio metalográfico.

(52)

AVALIAÇÃO

QUE TIPO DE SOLUÇÃO SÓLIDA

O CARBONO FORMA COM O FERRO?

QUE TIPO DE SOLUÇÃO SÓLIDA

O CARBONO FORMA COM O FERRO?

F E R R I T A

F e r r o  A U S T E N I T A

F e r r o 

(53)

A – Solução sólida Substitucional

Átomos de solvente (Ni) Átomos de soluto (Cu)

B – Solução sólida Intersticial

Átomos de solvente (Fe) Átomos de soluto (C)

TIPOS DE SOLUÇÕES SÓLIDAS (LIGAS METÁLICAS)

SOLUÇÕES SÓLIDAS SUBSTITUCIONAIS

SOLUÇÕES SÓLIDAS INTERSTICIAIS Ex. Ni no Cu R_Ni= 1,246 A R_Cu = 1,278 A Ex. C no Fe R_Fe= 1,241 A (solvente) R_C = 0,77 A (sóluto)

(54)

LIMITES DE SOLIBILIZAÇÃO

Soluto Solvente Relação de raios Solubilidade máxima

% em peso % atômica Ni Cu 1,246/1,278 = 0,98 100 100 Al Cu 1,431/1,278 = 1,12 9 19 Ag Cu 1,444/1,278 = 1,14 8 6 Pb Cu 1,750/1,278 = 1,37 nil. nil. 100 50 0 1,0 1,15 1,3 S o lu b il id ad e m áx im a, át o m o s %

Quociente de raios, elemento de liga/cobre

Ni Pt

Au

Al _Ag

(55)

Ouro branco 18K

Para se obter ouro branco 18K

Acrescenta-se ao ouro (Au) 24K: 16,66% de paládio (Pd) + 16,66% de prata (Ag)

Fonte: Cracco Jóias

Quilatagem Conteúdo de Ouro Pureza

24K 100% 999 mil/milésimos

18K 75% 750 mil/milésimos

Anel cartier em ouro branco com uma pérola branca e 10 pedras abrilhantadas

Ouro puro + prata e cobre = ouro amarelo

(56)

Ferrita é uma solução sólida do Carbono no Ferro na estrutura CCC

SOLUÇÕES SÓLIDAS INTERSTICIAIS Fe-C

Na temperatura ambiente a solubilização

do Carbono no Ferro é de

1 átomo de Carbono para 10

8

átomos de Ferro

Qual a maior quantidade

de Carbono dissolvida

na Ferrita?

C

(57)

SOLUÇÕES SÓLIDAS INTERSTICIAIS Fe-C

Austenita é uma solução sólida do Carbono no Ferro na estrutura CFC

A 1.147°C a Austenita pode

dissolver até 2% em peso de Carbono

(9% em átomos)

Fe C

(58)

COMPOSTO INTERMETÁLICO Fe

₃

C

CEMENTITA – composto intermetálico do C no Fe na

estrutura ortorrômbica.

Também conhecida como Carbeto de Ferro (Fe

₃

C)

tem 6,67%C em peso.

Estrutura do Carbeto de Ferro (Fe

₃

C): A célula

unitária é ortorrômbica, com 12 átomos de Ferro e 4

átomos de Carbono.

(59)

AUSTENITA

 PERLITA

PERLITA = agregado formado por Ferrita e Cementita

No digrama de fases a Perlita é composta de 88% de Ferrita e de 12% de Cementita

DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA NO PONTO EUTETÓIDE

7 2 3 Co + C e m e n t i t a  + C e m e n t i t a  + 





T e o r d e C a r b o n o

(60)

O QUE ACONTECE COM O CARBONO?

0,022%C X CFC CCC F E R R I T A a té 0 , 2 % d e C A U S T E N I T A a té 2 , 0 % d e C C E M E N T I T A - F e C₃ F E R R I T A

(61)

SOLUÇÕES SÓLIDAS INTERSTÍCIAIS

Arranjo tetraedro (4 átomos vizinhos) Interstícios octaédricos HC CFC CCC

Obs.: Há o dobro de vazios tetraédricos do que octaédrico

Arranjo octaedro (6 átomos vizinhos)

(62)

TAMANHO DE GRÃO – PRINCIPAL VARIÁVEL METALÚRGICA

MEDIÇÃO DO TAMANHO DE GRÃO (T.G.):

N = 2

n-1

onde:

N = número de grãos/ pol2_{com aumento de 100 vezes}

n ou G= número de Tamanho de Grão ASTM (1  n  12)

(a) Grain Size, n=1 (b) Grain Size, n=4

Quanto maior o número menor o

Tamanho de Grão da amostra

Quanto maior o número menor o

Tamanho de Grão da amostra

Existem vários softwares comerciais_{de simulação e determinação do}

tamanho de grão

Determinação do TG através da análise de imagem

(63)

Equação de Hall-Petch

Equação de Hall-Petch, “σ

_y

” é o Limite de Escoamento,

“d” é o tamanho médio dos grãos,

“σ

_o

” e “k

_y

” são constantes do material.

Refino de Grão – Redução do tamanho médio dos grãos,

mecanismo de endurecimento.

(Principal variável metalúrgica)



_y

=



_o

+ k

_y

d



_y

=



_o

+ k

_y

(64)

64

Monocristal e Policristal

Monocristal

:

Material com apenas uma

orientação cristalina, ou seja, que contém

apenas um grão

Policristal

:

Material com mais de uma orientação

cristalina, ou seja, que contém vários grãos

Lingote de alumínio policristalino

Contorno de grão

(65)

Ângulo de desalinhamento Ângulo de desalinhamento Alto ângulo Baixo ângulo

CONTORNO DE GRÃO DE ALTO E BAIXO ÂNGULO ÂNGULO

Ângulos de

desalinhamento:

Em função do

desalinhamento dos planos atômicos entre os grãos

adjacentes, pode-se distinguir os contornos de grão de

baixo e alto ângulo.