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Mecanismos de aumento de resistência dos metais 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. 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 2
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 3
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.
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)
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.
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
Dependência do limite de escoamento com o tamanho de grão A redução do tamanho de grão aumenta também a tenacidade de muitas ligas
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) 10
VARIAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS EM FUNÇÃO DO ENCRUAMENTO
ENCRUAMENTO E MICROESTRUTURA • Antes da deformação • Depois da deformação
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
RECUPERAÇÃO Há um alívio das tensões internas armazenadas durante a deformação devido ao movimento das discordâncias resultante da difusão atômica Nesta etapa há uma redução do número de discordâncias e um rearranjo das mesmas Propriedades físicas como condutividade térmica e elétrica voltam ao seu estado original (correspondente ao material não-deformado)
RECRISTALIZAÇÃO A recristalização é o processo de formação de um novo conjunto de grãos livres de deformação, equiaxiais (dimensões aprox. iguais em todas as direções) e com baixas densidades de discordâncias A força motriz para produzir esta nova estrutura de grão é a diferença existente entre as energias internas do material deformado e daquele sem deformação. As propriedades mecânicas voltam ao seu estado original
RECRISTALIZAÇÃO Forma-se um novo conjunto de grãos que são equiaxiais, estes se constituem na forma de núcleos muito pequenos e crescem até que substituam totalmente o material de origem Esta técnica pode ser utilizada para refinar a estrutura do grão de um metal previamente trabalhado a frio a) como deformado, b) recozido por 3s a 580 oC, c) recozido por 4s a 580 oC, d) recozido por 8s a 580 oC, e) recozido por 15 min a 580 oC e f) recozido por 10 min a 700 oC
RECRISTALIZAÇÃO • O processo depende tanto do tempo quanto da temperatura, ou seja, o grau de recristalização aumenta em função do tempo; • A temperatura de recristalização é aquela onde a recristalização atinge seu término em exatamente 1 hora; • A temperatura de recristalização está entre 1/3 e 1/2 da temperatura de fusão;
CRESCIMENTO DE GRÃO Depois da recristalização estar completa, os grãos livres de deformação continuarão a crescer se o material permanecer por mais tempo em temperaturas elevadas; A medida que os grãos crescem, a área total de contornos diminui, produzindo uma redução na energia total, a qual é a força motriz para o crescimento do grão; Em geral, quanto maior o tamanho de grão mais mole é o material e menor é sua resistência;
CRESCIMENTO DE GRÃO • O crescimento do grão ocorre por migração dos contornos; • Os grãos maiores crescem a custa dos menores que encolhem; • O tamanho médio do grão aumenta ao longo do tempo;
Causas: • Seleção e o processamento dos materiais de uma maneira não apropriada. • Projeto inadequado do componente ou a sua má utilização.
O engenheiro deve antecipar e planejar considerando as possíveis falhas
A engenharia e ciência dos materiais tem papel importante na prevenção e análise de falhas em peças ou componentes mecânicos.
FRATURA Consiste na separação do material em 2 ou mais partes em resposta a uma aplicação de uma tensão estática à temperaturas relativamente baixas em relação ao ponto de fusão do material
FRATURA • Dúctil a deformação plástica continua até uma redução na área para posterior ruptura • Frágil não ocorre deformação plástica, requerendo menos energia que a fratura dúctil que consome energia para o movimento de discordâncias e imperfeições no material. O tipo de fratura que ocorre em um dado material depende da temperatura
FRATURAEx: Materiais submetidos ao ensaio de tração Fratura frágil Fraturas dúcteis
FRATURA DÚCTILE ASPECTO MACROSCÓPICO fratura taça e cone Fratura após ensaio de tração
MECANISMO DA FRATURA DÚCTIL a- formação do pescoço b- formação de cavidades c- coalescimento das cavidades para promover uma trinca ou fissura d- formação e propagação da trinca em um ângulo de 45 graus em relação à tensão aplicada e- rompimento do material por propagação da trinca Esse tipo de trinca é frequentemente chamado de estável Material dúctil submetido ao ensaio de tração
FRATURA FRÁGILASPECTO MACROSCÓPICO Material frágil submetido ao ensaio de tração Tais trincas podem ser chamadas de instáveis, A fratura frágil ocorre com a formação e propagação de uma trinca que ocorre a uma direção perpendicular à aplicação da tensão
FRATURA FRÁGILASPECTO MACROSCÓPICO marcas de sargento Início da fratura por formação de trinca padrão em forma de leque
A fratura frágil em materiais amorfos, tais como vidros cerâmicos, produz uma superfície relativamente brilhante e lisa.
FRATURA TRANSGRANULAR E INTERGRANULAR INTERGRANULAR TRANSGRANULAR A fratura se dá no contorno de grão A fratura passa através do grão
FRATURA TRANSGRANULAR E INTERGRANULAR TRANSGRANULAR INTERGRANULAR A fratura passa através do grão A fratura se dá no contorno de grão
CONCENTRAÇÃO DE TENSÃO • A resistência à fratura depende da coesão entre os átomos • Segundo a teoria a resistência coesiva para um material frágil=E/10 • Na prática é entre 10-1000 X menor • A.A. Griffith (1920) explicou essa diferença: a presença de microdefeitos ou microtrincas presentes no material faz com que as tensões sejam amplificadas. A magnitude da amplificação depende da orientação e da geometria da trinca.
Resistências à fratura medidas para materiais frágeis são menores devido à presença de defeitos ou trincas microscópicas denominados concentradores de tensões.
A tensão critica para necessária para a propagação de uma trinca em um material frágil pode ser descrita por: O tamanho máximo admissível para um defeito será: E = Modulo de elasticidade γ = Energia de superfície especifica a = metade do cumprimento da trinca Y = Parâmetro o função adimensional K1c = Tenacidade à fratura
Ex 1 Uma placa relativamente grande de vidro é submetida a uma tensão de tração de 40 Mpa. Se a energia de superfície especifica e o modulo de elasticidade para esse vidro são de 0,3 J/m2 e 69 Gpa, respectivamente, determine o cumprimento máximo que um defeito de superfície pode ter sem que haja fratura.
Tenacidade à Fratura A tenacidade à fratura é uma medida da resistência de um material à fratura frágil quando uma trinca está presente. Y representa um parâmetro ou função adimensional que depende tanto dos tamanhos quanto das geometrias da trinca e da amostra
A tenacidade à fratura em deformação plana Kic é uma propriedade fundamental dos materiais que depende de muitos fatores, sendo os de maior influência a temperatura, a taxa de deformação e a microestrutura. A magnitude de Kic diminui com o aumento da taxa de deformação e a diminuição da temperatura
ENSAIOS DE FRATURA POR IMPACTO Próxima semana apresentação de ensaio por impacto. • Charpy • Curva tensão deformação Pesquisar o que é transição dúctil-frágil.
FADIGA A fadiga é uma forma de falha que ocorre em estruturas que estão sujeitas a tensões dinâmicas e oscilantes. A falha se dá em um nível de tensão consideravelmente inferior ao limite de resistência à tração ou ao limite de escoamento
A fadiga é importante no sentido de que ela é a maior causa individual de falhas em metais. A falha por fadiga é de natureza frágil, mesmo em metais dúcteis, no sentido de que existe muito pouca, se alguma, deformação plástica generalizada associada com a falha
TENSÕES CÍCLICAS ciclo de tensões alternadas.
TENSÕES CÍCLICAS ciclo de tensões repetidas
