Discordâncias e Mecanismos de Aumento de Resistência

1. Discordâncias e Mecanismos de Aumento de Resistência • Por que a resistência medida dos materiais é muito menor do que aquela predita pelos cálculos teóricos, baseados na força de ligação dos átomos de um cristal perfeito do material? • Ex: a resistência ao cisalhamento teórica do cobre é mecânica maior que 1000 MPa, mas o valor medido é de uma ordem de grandeza menor que este. • Por que os metais se deformam plasticamente? • Por que a deformação plástica dos metais pode resultar em profundas alterações nas propriedades mecânicas do material? • Resposta:Por conta da existência de discordâncias na rede cristalina dos materiais;

2. Discordâncias e Mecanismos de Aumento de Resistência • Escorregamento e plano de escorregamento: • O processo pelo qual uma discordância se move para causar uma deformação no material é chamado escorregamento; • O plano cristalográfico ao longo do qual a linha da discordância se movimenta é conhecido como plano de escorregamento. • Densidade de discordâncias: Número de discordâncias expresso como o comprimento total de discordâncias por unidade de volume. Plano extra de átomos Tensão de cisalhamento Plano de escorregamento Linha de discordância Vetor de Burgers

3. Discordâncias e Mecanismos de Aumento de Resistência • A deformação plástica corresponde ao movimento de uma grande quantidade de discordâncias; • O movimento de uma discordância se dá de forma discreta (pequenos deslocamentos por vez). • O movimento de um plano inteiro de uma vez exigiria uma imensa quantidade de energia para ser realizado.

4. Discordâncias e Mecanismos de Aumento de Resistência Discordância de aresta: o movimento da linha de discordância é paralelo ao da força de cisalhamento Discordância em espiral: o movimento da linha de discordância é perpendicular ao da força de cisalhamento

5. Discordâncias : Esforços Envolvidos Repulsão Atração e aniquilamento Regiões de tração e compressão ao redor da discordância Interação entre discordâncias

6. Sistemas de Escorregamento • Existe um plano (plano de escorregamento) e uma direção preferenciais, nas quais ocorrerá mais facilmente um escorregamento; • A esta combinação é dada o nome de sistema de escorregamento.

7. Sistemas de Escorregamento • O plano preferencial é o de maior densidade planar; • A direção preferencial é a que apresenta a maior densidade linear. Para o caso de discordâncias de aresta, esta direção é dada pelo vetor de burgers. Plano de escorregamento (menor densidade planar) Plano de escorregamento (maior densidade planar) Distância de deslocamento

8. Sistemas de Escorregamento 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.

9. Escorregamento em Monocristais • Tensão de cisalhamento resolvida (R): produz deformações plásticas. Para o caso de um carregamento simples de tração: • Tensão de cisalhamento resolvida crítica (tcrc): tensão de cisalhamento mínima exigida para iniciar o escorregamento. y = crss/(cos cos)max • Para  =  = 45o e = 2crss

10. Escorregamento em Monocristais Direção da força Plano de escorregamento Cada degrau mostrado nas imagens resulta da geração de um grande número de discordâncias e suas propagações ao longo de um sistema de escorregamento com a máxima tensão de cisalhamento resolvida

11. Deformação Plástica de Materiais Policristalinos • Orientação dos cristais nos grãos é aleatória; • Discordâncias precisam passar de grão em grão; • Em alguns grãos o sistema de escorregamento será favoravelmente orientado, em outros não; • Escorregamento só ocorre quando todos os grãos são capazes de escorregar. Linhas de escorregamento em grãos deformados Antes da deformação: grãos equiaxiais Após deformação: grãos alongados

12. Deformação Plástica de Materiais Policristalinos • Deformação por maclagem: Em adição ao escorregamento a deformação plástica em alguns materiais metálicos pode ocorrer pela formação de maclas de deformação, ou maclagem. Planos da macla maclas As orientações cristalográficas acima e abaixo do escorregamento são as mesmas antes e depois da deformação. Mas, no caso de maclagem, haverá uma reorientação no plano de maclagem, no qual poderá tomar lugar um novo sistema de escorregamento para que escorregamentos ocorram. fronteira fronteira

13. Deformação Plástica de Materiais Policristalinos • As direções de escorregamento podem variar de cristal para cristal. Alguns grãos possuem orientação menos favoráveis com respeito a carga aplicada (ex: cos cos baixo); • Mesmo os grãos para os que cos cos é alto podem ser limitados na deformação pelos grãos adjacentes que não podem se deformar facilmente; • Discordâncias não podem facilmente atravessar contornos de grão devido às mudanças de direção do plano de escorregamento e à desordem no contorno de grão; • Como resultado, os materiais policristalinos são mais resistentes que os monocristalinos (exceto os monocristais perfeitos, sem defeito algum)

14. Mecanismos do aumento de resistência em metais • A habilidade de um metal se deformar depende da facilidade com que as discordâncias podem se mover; • A restrição de uma discordância se mover torna o material mais resistente; • Mecanismos de aumento de resistência em materiais monofásicos: • diminuição do tamanho do grão; • por solução sólida; • encruamento

15. Tamanho do grão Uma discordância cruzando um grão poderá ter que mudar sua direção de movimentação quando encontrar outro grão, logo o contorno de grão torna-se um obstáculo; A desordem de um contorno de grão resultará em uma descontinuidade dos planos de escorregamento de um grão para outro; A redução do tamanho de grão ou o aumento do contorno de grão resultará em um aumento da resistência de materiais metálicos policristalinos. Onde: 0 e Ky são constantes

16. Solução Sólida e (psi) Discordância de aresta Tensão causada por átomos substitucionais menores que os do metal hospedeiro Discordância de aresta Compressão causada por átomos substitucionais maiores que os do metal hospedeiro % elemento de liga

17. Encruamento Um material é tracionado além do seu limite de escoamento antes de ser aliviado Agora o material possui um limite de escoamento maior, mas uma ductilidade menor. Repetindo-se o procedimento várias vezes, o material vai aumentar seu limite de escoamento e diminuir sua ductilidade continuamente até tornar-se frágil.

18. Encruamento Trabalho a frio:

19. Encruamento

20. Recuperação, Recristalização e Crescimento de Grão • Trabalho a frio; b) Após recuperação; c) Após recristalização; d) Após crescimento de grão. • Tratamentos térmicos são tratamentos feitos a altas temperaturas para eliminar os efeitos da deformação a frio: • Recuperação: liberação de parte da energia interna de deformação de um material deformado a frio; • Recristalização: formação de um novo conjunto de grãos livres de deformação, dentro de um material deformado a frio; • Crescimento de grão: aumento do tamanho médio de grão de um material policristalino.

21. Recuperação, Recristalização e Crescimento de Grão Trabalho a frio; Estágio inicial de recristalização (3s a 580oC); Substituição parcial de grãos deformados por recristalizados (4s a 580oC); Recristalização completada (5s a 580oC); Crescimento de grão após 15 min a 5800C; Crescimento de grão após 10 min a 700oC.

22. Crescimento de Grão dn - don = Kt