Discordancias e mecanismos de aumento de resistencia - PowerPoint PPT Presentation

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Discordancias e mecanismos de aumento de resistencia

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Discordancias e mecanismos de aumento de resistencia

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  1. Discordâncias e Mecanismos de Aumento de Resistência

  2. A deformação plástica corresponde ao movimento global de um grande numero de átomos em resposta à tensão aplicada. Importante: ligações atômicas são rompidas e formadas novamente.

  3. Resistências teóricas em cristais perfeitos eram maiores que as experimentais..... • 1930 A discrepância nos valores poderia ser explicada por defeitos cristalinos......discordâncias!!!! • 1950 Foi observado a traves de microscopia eletrônica.

  4. Aresta Espiral Mista Deformação: movimento de grande numero de discordâncias.


  5. O movimento da discordância é dado como resposta à aplicação de uma tensão de cisalhamento em direção perpendicular à sua linha Escorregamento Degraus discretos

  6. Ao final do processo, esse semiplano adicional pode emergir pela superfície à direita do cristal, formando uma aresta que possui a largura de uma distância atômica;

  7. A deformação plástica macroscópica corresponde a uma deformação permanente que resulta do movimento de discordâncias ou escorregamento Deformação plástica global é a mesma

  8. Discordância é um defeito linear (unidimensional), em torno do qual alguns átomos estão desalinhados, separando a região perfeita da região deformada do material. • As discordâncias estão associadas com a cristalização do material e principalmente a sua deformação e são de origem: térmica, mecânica e supersaturação de defeitos pontuais • A quantidade e o movimento das discordâncias podem ser controlados pelo grau de deformação (conformação mecânica) e/ou por tratamentos térmicos

  9. Cristais cuidadosamente solidificados 10^3/mm^2 • Para metais altamente deformados 10^9 ou 10^10 /mm^2 • Metal deformado com tratamento térmico pode diminuir a densidade para 10^5 e 10^6

  10. CARACTERÍSTICAS DAS DISCORDÂNCIAS IMPORTANTES PARA AS PROP. MECÂNICAS • Quando os metais são deformados plasticamente cerca de 5% da energia é retida internamente, o restante é dissipado na forma de calor. • A maior parte desta energia armazenada está associada com as tensões associadas às discordâncias

  11. INTERAÇÃO DE DISCORDÂNCIAS Os campos de deformação ao redor de discordâncias que se encontram próximas umas das outras podem interagir de tal forma que sejam impostas forças sobre cada discordância pelas interações combinadas de todas as suas discordâncias vizinhas. • ATRAÇÃO • REPULSÃO

  12. Durante a deformação plástica o numero de discordâncias aumenta drasticamente: Discordâncias existentes (Se multiplicam) Contornos de Grão Defeitos internos Irregularidades da superfície (concentradores de tensão)

  13. Planos e direções de deslizamento das discordâncias As discordâncias não se movem com o mesmo grau de facilidade sobre todos os planos cristalográficos de átomos e em todas as direções cristalográficas. Existe um plano preferencial, e neste plano existem direções específicas ao longo das quais ocorre o movimento das discordâncias.

  14. O plano de escorregamento para uma EC é aquele que possui empacotamento atômico mais denso. A direção de escorregamento para uma EC corresponde à direção, nesse plano, que se encontra mais densamente compactada com átomos. plano de escorregamento + direção de escorregamento Sistema de escorregamento

  15. Densidade planar= átomos/unidade de área (igual ao fator de empacotamento em duas dimensões)

  16. Planos e direções de deslizamento das discordâncias • Sistemas de deslizamento:conjunto de planos e direções de maior densidade atômica • No plano (111) da família {111} o escorregamento ocorre ao longo de direções do tipo110 no interior dos planos {111} • Assim, {111} 110 representa a combinação de plano e direção de escorregamento, ou seja, o sistema de escorregamento para a estrutura CFC; PARA ALGUNS MATERIAIS COM ESTRUTURAS CCC E HC O ESCORREGAMENTO DE ALGUNS PLANOS SÓ SE TORNAM OPERATIVOS A ALTAS TEMPERATURAS

  17. Geralmente, metais com maior número de sistemas de escorregamento são mais dúcteis. Por isso, metais com estruturas dos tipos CFC e CCC são dúcteis e metais com estrutura HC são frágeis.

  18. ESCORREGAMENTO EM MONOCRISTAIS Apesar de uma tensão aplicada ser puramente de tração (ou compressão), existem componentes de cisalhamento em todos os alinhamentos (com exceção daqueles paralelo e perpendicular à direção da tensão). Esses componentes são conhecidos por tensões de cisalhamento resolvidas

  19. Um sistema de escorregamento está, em geral, orientado da maneira mais favorável, isto é. possui a maior tensão de cisalhamento resolvida τR(max). O escorregamento tem seu início quando:

  20. MOVIMENTO DE DISCORDÂNCIAS EM MONOCRISTAIS • Cada degrau resulta do movimento de um grande número de discordâncias ao longo do mesmo plano de escorregamento. Sobre a superfícies de uma amostra monocristalina polida, esses degraus aparecem como linhas, chamadas de linhas de escorregamento; • Durante a deformação plástica o número de discordâncias aumenta drasticamente

  21. Ex 3 • Considere um monocristal de ferro com estrutura CCC orientado de tal modo que uma tensão de tração seja aplicada ao longo de uma direção [010]. • Calcule a tensão de cisalhamento resolvida ao longo de um plano (110) e em uma direção quando é aplicada uma tensão de tração de 52 MPa (7500 psi). • Se o escorregamentoocorre em um plano (110) e em uma direção e a tensão de cisalhamento resolvida crítica é de 30 MPa (4350 psi). calcule a magnitude da tensão de tração que deve ser aplicada para dar início ao escoamento.

  22. DEFORMAÇÃO PLÁSTICA EM MATERIAIS POLICRISTALINOS • A direção de escorregamento varia de grão para grão • Na maioria dos grãos há 2 sistemas de escorregamento operando • Embora um único grão possa estar orientado favoravelmente para o escorregamento em relação a tensão aplicada, este não pode se mover até que os grãos vizinhos, menos favoravelmente orientados, também possam sofrer escorregamento, exigindo assim um nível mais elevado de tensão aplicada. LINHAS DE ESCORREGAMENTO

  23. Maclas • Discordância não é o único defeito cristalino responsável pela deformação plástica, maclas também contribuem. • Deformação em materiais cfc, como o cobre, é comum ocorrer por maclação

  24. Defeito Planar – Contorno de Macla • Este tipo de contorno, também denominado de “Twins” (cristais gêmeos), é um tipo especial de contorno de grão, onde existe uma simetria em “espelho” da rede cristalina. • Os átomos de um lado do contorno são “imagens” dos átomos do outro lado do contorno. • A Macla ocorre num plano definido e numa direção específica, conforme a estrutura cristalina.

  25. Defeito Planar – Contorno de Macla

  26. Defeito Planar – Contorno de Macla • Maclas de deformação ocorrem em materiais com estrutura CCC e HC a baixas temperaturas e taxas elevadas de carregamento (cargas de impacto), onde o processo de escorregamento está restrito; • A quantidade de deformação plástica volumétrica é pequena em comparação aquela resultante do escorregamento; • A maclagem produz uma reorientação cristalográfica que pode colocar novos sistemas de escorregamento em orientações favoráveis. • Por exemplo, para metais com estrutura cristalina CCC, o plano e a direção da macla são (112) e [111], respectivamente.

  27. Mecanismos de aumento de resistência dos metais Alguns mecanismos que aumentam a resistência: • Aumento da resistência por adição de elemento de liga (formação de solução sólida ou precipitação de fases) • Aumento da resistência por redução do tamanho de grão • Aumento da resistência por encruamento • Aumento da resistência por tratamento térmico (transformação de fase) Se a habilidade de um metal se deformar plasticamente depende da habilidade das discordâncias para se moverem, então o aumento da resistência e da dureza destes metais ocorre através do impedimento do movimento das discordâncias.

  28. Contudo, a importância real da maclagem reside nas reorientações cristaiográficas que a acompanham; a maclagem pode colocar novos sistemas de escorregamento em orientações que são favoráveis em relação ao eixo de tensão, de tal modo que o processo de escorregamento pode então ocorrer.

  29. 1- Aumento da resistência por adição de elemento de liga (por solução sólida) • Os átomos de soluto causam deformações na rede cristalina, podendo causar tanto tração (átomos menores) como compressão (átomos maiores) na rede cristalina • Os átomos de soluto se alojam na rede próximo às discordâncias de forma a minimizar a energia total do sistema • Quando um átomo de uma impureza esta presente, o movimento da discordância fica restringido (interações dos campos de deformação), ou seja, deve-se fornecer energia adicional para que continue havendo escorregamento. Por isso soluções sólidas de metais são sempre mais resistentes que seus metais puros constituintes

  30. 2- Aumentoda resistênciapordiminuição do tamanho de grãoContorno de Grão (defeito planar) Materiais Poli-cristalinos são formados por mono-cristais com diferentes orientações.  A fronteira entre os mono-cristais é uma “parede”, que corresponde a um defeito bi-dimensional.  Este defeito refere-se ao contorno que separa dois pequenos grãos (ou cristais), com diferentes orientações cristalográficas, presentes num material poli-cristalino. Grão = Cristal No interior do grão todos os átomos estão arranjados segundo um “único modelo” e “única orientação”, caracterizada pela célula unitária.

  31. A B C D Contorno de Grão A: Formação de pequenos núcleos de cristalização (cristalitos) B:Crescimento dos cristalitos C: Formação de Grãos, com formatos irregulares, após completada a solidificação. D: Vista, num microscópio, da estrutura de Grãos (as linhas escuras são os contornos dos Grãos)

  32. 2- Aumento da resistênciapordiminuição do tamanho de grão O contorno de grão interfere no movimento das discordâncias • Dois grãos possuem diferentes orientações cristalinas, uma discordância que passa de um grão a outro terá que alterar a sua direção de movimento. O que se torna mais difícil com maiores diferenças de orientações. • O contorno de grão funciona como um barreira para a continuação do movimento das discordâncias devido as diferentes orientações presentes e também devido às inúmeras descontinuidades presentes no contorno de grão.

  33. 2- Aumento da resistênciapordiminuição do tamanho de grão • Um material com granulação fina, é mais duro e resistente do que um com granulação grosseira devido a maior área total de contornos de grãos para dificultar o movimento das discordâncias; • Para muitos materiais o limite de escoamento σe varia de acordo com o tamanho do grão conforme a equação de Hall-Petch: esc= o + Ke (d)-1/2 • o e Ke são constantes • o= tensão de atrito oposta ao movimento das discordâncias • Ke= constante relacionada com o empilhamento das discordâncias • d= tamanho de grão • Essa equação não é válida para grãos muito grosseiros ou muito pequenos

  34. Dependência do limite de escoamento com o tamanho de grão A redução do tamanho de grão aumenta também a tenacidade de muitas ligas

  35. 3- Encruamentoouendurecimentopeladeformação à frio • É o fenômeno no qual um material dúctil se torna mais duro e resistente devido à deformação plástica (realizado pelo trabalho à frio); • Esse endurecimento dá-se devido ao aumento de discordâncias e imperfeições promovidas pela deformação, que impedem o escorregamento dos planos atômicos; • A densidade de discordâncias em um metal aumenta com a deformação devido à multiplicação ou formação de novas discordâncias, consequentemente a distância média de separação entre elas diminui; • Como na média as interações de def. discordância-discordância são repulsivas, o movimento de uma discordância é então dificultado pela presença da outra; • A medida que se aumenta o encruamento maior é a força necessária para produzir uma maior deformação devido ao aumento na densidade de discordâncias; • O encruamento pode ser removido por tratamento térmico (recristalização)

  36. VARIAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS EM FUNÇÃO DO ENCRUAMENTO

  37. ENCRUAMENTO E MICROESTRUTURA • Antes da deformação • Depois da deformação

  38. TRATAMENTOS TÉRMICOS PARA A RECUPERAÇÃO DE UM MATERIAL ENCRUADO (RECOZIMENTO) • O trabalho a frio produz algumas alterações microestruturais e nas propriedades dos metais, como: alteração na forma do grão, endurecimento por deformação,aumento na densidade de discordâncias, altera a condutividade elétrica e corrosão; • O metal pode tornar ao estado anterior ao trabalho a frio mediante tratamento térmico apropriado, também chamado de recozimento. Estágios do tratamento térmico: • Recuperação • Recristalização • Crescimento de grão