UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS

CIÊNCIA DOS MATERIAIS

FRANCINÉ ALVES DA COSTA

NATAL/RN

2009.2

DISCORDÂNCIAS E MECANISMOS DE AUMENTO DE RESISTÊNCIA

OBJETIVOS:

Estudar as características das discordâncias e o seu envolvimento em um processo de deformação plástica e no aumento da resistência de metais.

Adicionalmente, verificar como ocorrem os processos de recuperação, recristalização e crescimento de grão de metais submetidos a deformação plástica.

Comportamento externo do metal (vista macroscópica)

Propriedades Mecânicas Deformação Discordâncias

Comportamento interno do metal (vista microscópica)

Aula passada Aula de hoje

MetaisDefeitos Cristalinos (Discordâncias);

Mecanismos de aumento de Resistência;

Meios para retorno da estrutura ao seu estado original;

INTRODUÇÃO

A deformação plástica é permanente, e a resistência e a dureza são medidas da resistência de um material a esta deformação.

A deformação plástica corresponde ao movimento líquido ou global de um grande número de átomos em resposta à aplicação de uma tensão.

Nos sólidos cristalinos, a deformação plástica envolve na maioria das vezes o movimento de discordâncias, as quais são defeitos cristalinos lineares.

DEFEITOS CRISTALINOSClassificação dos Defeitos CristalinosDefeitos puntiformes (associados com uma ou duas posições atômicas); Ex: vacâncias, interstícios.

Defeitos de linha (defeitos unidimensionais); Ex: discordâncias.

Defeitos bidimensionais (fronteiras entre duas regiões com diferentes estruturas cristalinas ou diferentes orientações cristalográficas); Ex: contornos de grão, interfaces, superfícies livres, contornos de macla.

Defeitos volumétricos (defeitos tridimensionais); Ex: poros, trincas e inclusões.

CONCEITOS BÁSICOS

Discordâncias:

Defeito cristalino linear ao redor do qual existe um desalinhamento atômico.

Existem dois tipos fundamentais de discordâncias:

Em linha (aresta)

Em hélice (espiral)

DISCORDÂNCIAS EM LINHA OU ARESTA

O circuito e o vetor de Burgers

DISCORDÂNCIAS EM ESPIRAL OU HÁLICE

DISCORDÂNCIAS MISTAS

DISCORDÂNCIAS E DEFORMAÇÃO MECÂNICA

O processo pelo qual a deformação plástica é produzida mediante o movimento de uma discordância é chamado de escorregamento.

A deformação plástica macroscópica é na verdade uma deformação permanente resultante do movimento de discordâncias ou escorregamento em resposta à aplicação de uma tensão de cisalhamento.

densidade de discordâncias = comprimento total de discordâncias unidade de volume

103 mm-2 cristais metálicos cuidadosamente solidificados

109 a 1010 mm-2 metais altamente deformados

MOVIMENTO DAS DISCORDÂNCIAS

Metal deformado pode ter sua densidade de discordância diminuída até uma ordem de 105 a 106 mm-2

CARACTERÍSTICAS DAS DISCORDÂNCIAS

Compressão

Tração

Cisalhamento

Características

Campos de deformação ao redor das discordâncias –

determinam a mobilidade e sua habilidade de se multiplicar

CARACTERÍSTICAS DAS DISCORDÂNCIAS

SISTEMA DE ESCORREGAMENTO

CFC e CCC – metais dúcteis + sistemas de escorregamentoHC – materiais frágeis pouco sistemas de escorregamento

Tensões de cisalhamento resolvidasESCORREGAMENTO EM MONOCRISTAIS

+ λ ≠ 90º

Um sistema de escorregamento apresenta a orientação mais favorável, ou seja, possui a maior tensão de cisalhamento resolvida.

R(máx) = (cos cos λ)máx

O monocristal se deforma ou escoa

R(máx) = tcrc

A tensão aplicada necessária para dar início ao escoamento é dada por

e = (cos cos λ)máx

tcrc

ESCORREGAMENTO EM MONOCRISTAIS

A tensão cisalhante resolvido crítica é o valor máximo, acima do qual o cristal começa a cisalhar, escoar.

No entanto, os valores teóricos são muito maiores do que os valores obtidos experimentalmente.

Esta discrepância só foi entendida quando se descobriu a presença das discordâncias.

As discordâncias reduzem a tensão necessária para o cisalhamento, ao introduzir um processo seqüencial, e não simultâneo, para o rompimento das ligações atômicas no plano de deslizamento.

DEFORMAÇÃO PLÁSTICA DE MATERIAL POLICRISTALINO

Monocristais;

Planos;

Direções.

Maior complexidade no comportamento de deformação do material.

Metais policristalinos são + resistentes que os monocristais, o que significa > tensão exigida para iniciar o escorregamento e conseqüente escoamento.

ESCORREGAMENTO

Discordâncias vistas em um material através do TEM

Movimento das Discordâncias

Discordâncias vistas em um material através do MEV

Defeitos Bidimensionais

Interface: contorno entre duas fases diferentes.

Contornos de grão: contornos entre dois cristais sólidos da mesma fase.

Superfície Livre: superfície entre o cristal e o meio que o circunda.

Contorno de macla: tipo especial de contorno de grão que separa duas regiões com uma simetria tipo ”espelho”.

Fronteiras entre duas regiões com diferentes estruturas cristalinas ou diferentes orientações

Fronteiras de Grão (Defeitos Bidimensionais)

Um material poli-cristalino é formado por muitos mono-cristais

em orientações diferentes.

A fronteira entre os monocristais 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.

Fronteiras de Grão (Defeitos Bidimensionais)

A B

C D

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)

Contorno de Grão:

No interior do grão todos os átomos estão arranjados segundo um “único modelo” e “única orientação”, caracterizada pela célula unitária.

A macla é um tipo de defeito cristalino que pode

ocorrer durante a solidificação, deformação plástica,

recristalização ou crescimento de grão.

Tipos de macla: maclas de recozimento e maclas de

deformação.

A maclação ocorre em um plano cristalográfico

determinado segundo uma direção cristalográfica

específica. Tal conjunto plano/direção depende do tipo de

estrutura cristalina.

MECANISMOS DE AUMENTO DE RESISTÊNCIA

O 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 habilidade de um metal para se deformar plasticamente depende da sua habilidade de movimentação das discordâncias.

Dureza e resistência depende Deformação Plástica induzida pela mobilidade das discordâncias.

Redução no Tamanho de grão

Solução Sólida

Encruamento

Restringir ou impedir o movimento de discordâncias

Por Redução no Tamanho de Grão

Propriedades Discordâncias Contorno de grão Tamanho de grão

Por Redução no Tamanho de Grão

Para muitos materiais o e depende do tamanho de grão segundo a relação

e = o + ked-1/2

Onde d representa o diâmetro médio do grão, enquanto o e ke são constantes para cada material específico. Essa expressão é conhecida por Equação de Hall-Petch.

Ela não é válida para materiais policristalinos com grãos mistos.

Por Redução no Tamanho de Grão

Contornos de macla bloqueiam o escorregamento e resistência do material.

Contornos entre fases diferentes impedem o movimento das discordâncias.

Tamanho de grão resistência e a tenacidade de muitas ligas.

Fig. A influência do tamanho do grão sobre o limite de escoamento de uma liga de latão com composição 70Cu-30Zn.

Por Solução Sólida (Defeito Pontual)

Formação de ligas com átomos de impurezas através de solução sólida substitucional ou intersticional.

Por Solução Sólida (Defeito Pontual)

Por Solução Sólida

Por Solução Sólida

Estrutura Deformada a Frio

A deformação plástica que é realizada numa

região de temperatura, e sobre um intervalo de tempo

tal que o encruamento não é aliviado, é chamada

trabalho a frio (deformação a frio).

O nº de discordâncias é aumentado durante a

deformação plástica, e devido às suas interações

provocam um estado de elevadas tensões internas.

A maior parte da energia gasta na deformação de

um metal por trabalho a frio é convertido em calor.

Todavia, cerca de 10% 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.

Para um dado metal, a quantidade de energia

armazenada depende do tipo de processo de

deformação (trefilação ou tração).

A maior parte da energia armazenada é devida à

geração e à interação das discordâncias durante o

trabalho a frio.

Falhas de empilhamento e maclas são

provavelmente responsáveis por uma pequena fração

da energia armazenada.

A energia de deformação elástica contribui

apenas para uma insignificante parte da energia

armazenada.

Encruamento

Definição: é o fenômeno pelo qual um metal dúctil se

torna mais duro e mais resistente quando ele é

submetido a uma deformação plástica.

Também pode ser chamado de endurecimento

por trabalho ou por trabalho a frio.

%TF = (A0 – Ad / A0) x 100Grau de deformação

Encruamento ou trabalho a frio é um importante

processo industrial que é usado para endurecer ligas ou

metais que não são sensíveis a tratamento térmicos.

Normalmente, a taxa de encruamento é menor

para metais H.C. do que para metais cúbicos.

O aumento da temperatura de deformação pode

também diminuir a taxa de encruamento.

O trabalho a frio produz a elongação dos grãos

na direção principal de trabalho. Então, grandes

deformações produzem uma reorientação dos grãos

numa orientação preferencial.

Além das mudanças das propriedades em tração,

o trabalho a frio produz também mudanças em outras

propriedades físicas.

Normalmente ocorre uma pequena redução na

densidade, uma diminuição apreciável da

condutividade elétrica e um pequeno aumento do

coeficiente de expansão térmica.

Devido ao aumento da energia interna no estado

de trabalho a frio, a reatividade química é também

aumentada.

Isto leva a uma diminuição geral na resistência à

corrosão e, em certas ligas, introduz a possibilidade do

aparecimento de trincas de corrosão sob tensão.

Densidade de discordâncias com deformação ou encruamento, devido a

formação de novas discordâncias.

As interações de deformação discordâncias- discordâncias são repulsivas.

MEIOS PARA RETORNO DA ESTRUTURA DO MATERIAL AO SEU ESTADO ORIGINAL

A deformação plástica produz alterações

microestruturais e mudanças nas propriedades dos

materiais:

Alteração na forma do grão;

Endurecimento por deformação plástica a frio, e

Aumento na densidade das discordâncias.

Recozimento de Metais Trabalhados a Frio

O estado de trabalho a frio é uma condição de

maior energia interna do que o material não-deformado.

Embora a estrutura celular de discordâncias do

material trabalhado a frio seja mecanicamente estável,

ela não é termodinamicamente estável.

O recozimento é comercialmente muito

importante porque restaura a ductilidade de um metal

que tenha sido severamente encruado.

O processo de recozimento pode ser dividido em

três processos distintos:

- Recuperação;

- Recristalização; e

- Crescimento de Grão.

Recuperação

É normalmente definida como a restauração das

propriedades físicas do metal trabalhado a frio sem

que ocorra alguma mudança visível na microestrutura.

Liberação de uma parte da energia interna de

deformação armazenada;

Redução do número de discordâncias;

Configurações de discordâncias com baixas

energias de deformação.

Fig. 1 Desenho esquemático indicando a recuperação, recristalização, crescimento de grão e as mudanças importantes nas propriedades em cada região.

Recristalização

É o processo de formação de um novo conjunto

de grãos livres de deformação e que são equiaxiais,

com baixas densidades de discordâncias, e com

característicos das condições anterior ao processo de

trabalho a frio.

Nucleação crescimento do núcleo 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 trabalho a frio é a

força motriz tanto para a recuperação quanto para a

recristalização.

Se os novos grãos livres de deformação forem

aquecidos a temperaturas maiores que a requerida para

causar a recristalização, ocorrerá um crescimento

gradativo no tamanho 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.

O processo de recristalização consiste na

nucleação de uma região livre de deformação, cujo

contorno pode transformar a matriz deformada em um

material livre de deformação conforme vai se movendo.

As variáveis mais importantes que influenciam o

comportamento da recristalização são:

1. quantidade de pré-deformação: é necessário uma

quantidade mínima de deformação para provocar a

recristalização;

2. temperatura: quanto menor o grau de deformação,

maior a temperatura requerida para provocar a

recristalização;

3. tempo: o aumento do tempo de recozimento diminui

a temperatura de recristalização. Todavia, a

temperatura é muito mais importante do que o tempo.

Dobrar o tempo de recozimento equivale

aproximadamente a aumentar a temperatura de

recozimento de 10ºC.

4. tamanho de grão inicial: o tamanho 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 tamanho de grão

recristalizado;

O crescimento de grão irá ocorrer lentamente

em temperaturas nas quais a recristalização ocorre

imediatamente devido à força matriz para o

crescimento de grão ser apreciavelmente mais baixa

do que a força motriz para a recristalização.

O crescimento de grão é fortemente dependente

da temperatura e será logo alcançada uma região de

crescimento de grão na qual os grãos aumentam de

tamanho muito rapidamente.

Metais puros recristalizam a temperatura de 0,3Tf.

Em algumas ligas comerciais, ela pode alcançar 0,7Tf.

Nível crítico de deformação plástica a frio abaixo do qual a

recristalização não ocorre (entre 2 e 20% de TF)

Fig 7.23 A variação da temperatura de recristalização em função do percentual de trabalho a frio para o ferro. Para deformações menores do que a crítica (próximo de 5%TF), a recristalização não irá ocorrer. (Callister, 2002).

Crescimento de Grão

Para muitos materiais policristalinos, o diâmetro do grão d varia

em função do tempo t de acordo com a relação

dn - don = kt

Onde do representa o diâmetro inicial do grão em t = 0, e k e n são

constantes independentes do tempo (n é geralmente = ou > 2).

Efeito Bauschinger

No estudo do encruamento de monocristais

observou-se que geralmente a tensão necessária para

reverter a direção de deslizamento num certo plano de

deslizamento é mais baixa do que a necessária para

continuar o deslizamento na direção original.

A direcionalidade do encruamento é chamada

de efeito Bauschinger.

Fig. Efeito de Bauschinger e circuito de histerese.

A quantidade do efeito Bauschinger pode ser

descrita pela deformação de Bauschinger β, que

expressa a diferença na deformação entre as curvas de

tração e compressão numa dada tensão.

O efeito Bauschinger pode ter importantes

conseqüências na conformação de metais.

Pode ser importante no dobramento de placas

de aço, e resulta num amolecimento quando metais

severamente trabalhados a frio são submetidos a

cargas de sinal contrário.

O melhor exemplo disto é o desempenho de

barras estiradas ou folhas laminadas pela passagem

através de rolos que aplicam no material tensões de

dobramento alternadas.

ESCORREGAMENTO EM MONOCRISTAIS

PROB-EXEMPLO 7.1

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]. (a) Calcule a tensão de

cisalhamento resolvida ao longo de um plano (110) e em uma

direção [1-11] quando é aplicada uma tensão de tração de 52

MPa. (b) Se o escorregamento ocorre em um plano (110) e em

uma direção [1-11] e a tensão de cisalhamento resolvida crítica é

de 30 MPa, calcule a magnitude da tensão que deve ser aplicada

para dar início ao escoamento.

ESCORREGAMENTO EM MONOCRISTAIS

PROB-EXEMPLO 7.1

Considere um monocristal de prata que está orientado de

tal modo que uma tensão de tração é aplicada ao longo de uma

direção [001]. Se ocorre escorregamento em um plano (111) e

em uma direção [-101], e o escorregamento é iniciado quando é

aplicada um tensão de tração de 1,1 MPa, calcule a tensão de

cisalhamento resolvida crítica.

ENCRUAMENTO OU TRABALHO A FRIO

PROB. – EXEMPLO 7.2 CALLISTER

Calcule o limite de resistência à tração e à ductilidade (AL%) de

um bastão cilíndrico de cobre quando ele é trabalhado a frio de

tal modo que o seu diâmetro seja reduzido de 15,2 mm para 12,2

mm.