CONFORMAÇÃO MECÂNICA

Aula 4

Cristina Sayuri Fukugauchi

2015

Relembrando.... ..............Parâmetros de Rede

A perfeita notação dos planos cristalinos é de grande importância, pois serve para: determinação da estrutura cristalina; deformação plástica: A deformação plástica (permanente) dos metais ocorre pelo deslizamento dos átomos, escorregando uns sobre os outros no cristal. Este deslizamento tende a acontecer preferencialmente ao longo de planos e direções específicos do cristal. propriedades de transporte: em certos materiais, a estrutura atômica em determinados planos causa o transporte de elétrons e/ou acelera a condução nestes planos, e, relativamente, reduz a velocidade em planos distantes destes.

O QUE É UM DEFEITO?

É uma imperfeição ou um "erro" no arranjo periódico regular dos átomos em um cristal.

Podem envolver uma irregularidade

• na posição dos átomos

• no tipo de átomos

O tipo e o número de defeitos dependem do material, do meio ambiente, e das circunstâncias sob as quais o cristal é processado.

Exemplos de efeitos da presença de imperfeições

o O processo de dopagem em semicondutores visa criar imperfeições para mudar o tipo de condutividade em determinadas regiões do material

o A deformação mecânica dos materiais promove a formação de imperfeições que geram um aumento na resistência mecânica (processo conhecido como encruamento)

o Wiskers de ferro (sem imperfeições do tipo discordâncias) apresentam resistência maior que 70GPa, enquanto o ferro comum rompe-se a aproximadamente 270MPa.

Defeitos/Imperfeições cristalinas

Por "defeito cristalino" é entendida uma irregularidade de rede tendo uma ou mais de suas dimensões da ordem de um diâmetro atômico.

Os defeitos de rede podem ser: – Defeitos Pontuais: falhas que se estendem sobre somente alguns átomos (0-D); – Defeitos Lineares: irregularidades que se estendem através de uma única fileira de átomos (1-D); – Defeitos Planares: falhas que se estendem através de um plano de átomos (2-D); – Defeitos Volumétricos: irregularidades que se estendem sobre o conjunto 3-D dos átomos na estrutura. Além desta classificação, os defeitos podem ser categorizados como: Intrínsecos: Defeitos decorrentes das leis físicas. Extrínsecos: Defeitos presentes devido ao meio ambiente e/ou as condições de processamento.

O tipo e o número de defeitos dependem do material, do meio ambiente, e das circunstâncias sob as quais o cristal é processado.

• Apenas uma pequena fração dos sítios atômicos são imperfeitos

Menos de 1 em 1 milhão

• Mesmo sendo poucos eles influenciam muito nas propriedades dos materiais e nem sempre de forma negativa

o A deformação mecânica dos materiais promove a formação de imperfeições que geram um aumento na resistência mecânica (processo conhecido como encruamento)

Defeitos pontuais

• Vacâncias ou vazios

• Átomos Intersticiais

• Átomos estranhos: • substitucionais •intersticiais

VACÂNCIAS OU VAZIOS

• Envolve a falta de um átomo

• São formados durante a solidificação do cristal ou como resultado das vibrações atômicas (os átomos deslocam-se de suas posições normais)

INTERSTICIAIS

• Envolve um átomo extra no interstício (do próprio cristal)

• Produz uma distorção no reticulado, já que o átomo geralmente é maior que o espaço do interstício

• A formação de um defeito intersticial implica na criação de uma vacância, por isso este defeito é menos provável que uma vacância

IMPUREZAS NOS SÓLIDOS

• Um metal considerado puro sempre tem impurezas (átomos estranhos) presentes

99,9999% = 1022-1023 impurezas por cm3

• A presença de impurezas promove a formação de defeitos pontuais (soluções sólidas substitucionais/soluções sólidas

intersticiais)

LIGAS METÁLICAS

• As impurezas (chamadas elementos de liga) são adicionadas intencionalmente com a finalidade:

- aumentar a resistência mecânica

- aumentar a resistência à corrosão

- Aumentar a condutividade elétrica

- Etc.

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A ADIÇÃO DE IMPUREZAS PODE FORMAR

• Soluções sólidas < limite de solubilidade

• Segunda fase > limite de solubilidade

A solubilidade depende :

• Temperatura

• Tipo de impureza

• Concentração da impureza

SOLUÇÕES SÓLIDAS

• Nas soluções sólidas as impurezas podem ser:

- Intersticial

- Substitucional

SOLUÇÕES SÓLIDAS INTERSTICIAIS

Os átomos de impurezas ou os elementos de liga ocupam os espaços dos interstícios

Ocorre quando a impureza apresenta raio atômico bem menor que o hospedeiro

Como os materiais metálicos tem geralmente fator de empacotamento alto as posições intersticiais são relativamente pequenas

Geralmente, no máximo 10% de impurezas são incorporadas nos interstícios

INTERSTICIAL

EXEMPLO DE SOLUÇÃO SÓLIDA INTERSTICIAL

Fe + C solubilidade máxima do C no Fe é 2,1% a 910 C

O C tem raio atômico bastante pequeno se comparado com o Fe

rC= 0,071 nm= 0,71 A

rFe= 0,124 nm= 1,24 A

TIPOS DE SOLUÇÕES SÓLIDAS SUBSTITUCIONAIS

SUBSTITUCIONAL ORDENADA SUBSTITUCIONAL

DESORDENADA

Defeitos lineares: discordâncias

A capacidade de um material se deformar plasticamente está relacionado com a habilidade das discordâncias se

movimentarem

• Como a maioria dos metais são menos resistentes ao cisalhamento que à tração e

compressão, pode-se dizer que os metais se deformam pelo cisalhamento plástico

ou pelo escorregamento de um plano cristalino em relação ao outro;

• O escorregamento de planos atômicos envolve o movimento de discordâncias.

• A deformação plástica é o resultado do movimento dos átomos devido à

tensão aplicada. Durante este processo ligações são quebradas e outras

refeitas;

• Nos sólidos cristalinos a deformação plástica geralmente envolve o

escorregamento de planos atômicos e o movimento de discordâncias;

• A resistência mecânica pode ser aumentada restringindo-se o

movimento das discordâncias.

• Durante a deformação plástica o número de discordâncias aumenta drasticamente.

• As discordâncias movem-se mais facilmente nos planos de maior densidade atômica (chamados planos de escorregamento). Neste caso, a energia necessária para mover uma discordância é mínima.

• A presença deste defeito é a responsável pela deformação, falha e ruptura dos materiais

Defeitos em linha (são criados devido às condições de processamento)

Discordância em Cunha Discordância em Hélice

VETOR DE BURGER (b) Dá a magnitude e a direção de distorção da rede Corresponde à distância de deslocamento dos átomos ao redor da discordância

Defeitos de linha Movimento das discordâncias

Uma tensão cisalhante atuando no plano e direção de deslizamento provoca a movimentação das discordâncias. Mesmo que a tensão aplicada ao material seja uma tensão normal, ela vai possuir uma componente cisalhante que atua no plano da discordância.

Quando a tensão cisalhante atingir um valor crítico, a discordância começa a se movimentar no plano e na direção. O valor crítico depende do material e do sistema de deslizamento considerado (plano e direção)

Discordância em cunha ou em aresta

• Envolve um semi-plano extra de átomos

• O vetor de Burger é perpendicular à direção da linha da discordância

• Envolve zonas de tração e compressão

Distorção na rede provocada pela presença de uma discordância em aresta

• Quando os metais são deformados plasticamente cerca de

5% da energia é retida internamente, o restante é dissipado

na forma de calor;

• A presença de discordâncias promove uma distorção da rede

cristalina de modo que certas regiões sofrem tensões

compressivas e outras, tensões de tração.

A quantidade e o movimento das discordâncias podem ser controlados pelo grau de deformação (conformação mecânica) e/ou por tratamentos térmicos

Com o aumento da temperatura há um aumento na velocidade de deslocamento das discordâncias favorecendo o aniquilamento mútuo das mesmas e formação de discordâncias únicas

Impurezas tendem a difundir-se e concentrar-se em torno das discordâncias formando uma atmosfera de impurezas

O cisalhamento se dá mais facilmente nos planos de maior densidade atômica, por isso a densidade das mesmas depende da orientação cristalográfica As discordâncias geram vacâncias As discordâncias influem nos processos de difusão As discordâncias contribuem para a deformação plástica

Discordância em Hélice

Vídeo 5f

Defeitos Planares

Contornos de Grão Contornos de Macla Defeito de empilhamento Contorno de Pequeno Ângulo

Decorrem de uma variação no empilhamento dos planos atômicos através de um contorno. Tal variação pode ser tanto na orientação, quanto na sequência de empilhamento dos planos.

CONTORNO DE GRÃO

• Há um empacotamento ATÔMICO menos eficiente

• Há uma energia mais elevada

• Favorece a nucleação de novas fases (segregação)

• favorece a difusão

• O contorno de grão ancora o movimento das discordâncias

A passagem de uma discordância através do contorno de grão requer energia

CONTORNO DE PEQUENO ÂNGULO

• Ocorre quando a desorientação dos cristais é pequena

• É formado pelo alinhamento de discordâncias

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TWINS MACLAS OU CRISTAIS GÊMEOS

• É um tipo especial de contorno de grão

• Os átomos de um lado do contorno são imagens especulares dos átomos do outro lado do contorno

• A macla ocorre num plano definido e numa direção específica, dependendo da estrutura cristalina

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ORIGENS DOS TWINS MACLAS OU CRISTAIS GÊMEOS

• O seu aparecimento está geralmente associado com A PRESENÇA DE:

- tensões térmicas e mecânicas

- impurezas

- Etc.

2013 - Low cycle fatigue behavior of a high manganese austenitic twin-induced plasticity steel

Falhas de empilhamento comuns nos materiais cúbicos de faces centradas (CFC)

Ocorrem quando, em uma pequena região do material, há uma falha na sequência de empilhamento dos planos compactos.

Nos cristais CFC esta sequência é do tipo ABCABCABC..., Nos cristais hexagonais compactos (HC) ela é ABABAB... Uma sequência ABCABABCABC... em uma região do cristal CFC, caracteriza uma falha de empilhamento, que vem a ser uma pequena região HC dentro do cristal CFC.

DEFEITOS VOLUMÉTRICOS

São introduzidas no processamento do material e/ou na fabricação do componente

- Inclusões : Impurezas estranhas

- Precipitados: são aglomerados de partículas cuja composição difere da matriz

- Fases: forma-se devido à presença de impurezas ou elementos de liga (ocorre quando o limite de solubilidade é ultrapassado)

- Porosidade: origina-se devido a presença ou formação de gases

Inclusões

SULFETOS DE MANGANÊS (MnS) EM AÇO RÁPIDO.

Porosidade

COMPACTADO DE PÓ DE FERRO, COMPACTAÇÃO UNIAXIAL EM MATRIZ DE

DUPLO EFEITO, A 550 MPa

COMPACTADO DE PÓ DE FERRO APÓS SINTERIZAÇÃO

A 1150oC, POR 120min EM ATMOSFERA DE

HIDROGÊNIO

As figuras abaixo apresentam a superfície de ferro puro durante o seu processamento por metalurgia do pó. Nota-se que, embora a sinterização tenha diminuído a quantidade de poros bem como melhorado sua forma (os poros estão mais arredondados), ainda permanece uma porosidade residual.

PARTÍCULAS DE SEGUNDA FASE

A MICROESTRUTURA É COMPOSTA POR VEIOS DE GRAFITA SOBRE UMA MATRIZ PERLÍTICA. CADA GRÃO DE PERLITA, POR SUA VEZ, É CONSTITUÍDO POR LAMELAS ALTERNADAS DE

DUAS FASES: FERRITA (OU FERRO-A) E CEMENTITA (OU CARBONETO DE FERRO).

Deformação elástica e deformação plástica

3211

1

E 3122

1

E

2133

1

E

3

213 321321

E

3

3210

0

213

E

Deformação Elástica

Deformação plástica Nos materiais cristalinos o principal mecanismo de deformação plástica consiste no escorregamento de planos atômicos através da movimentação de discordâncias

É o fenômeno no qual um material endurece 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 medida que se aumenta o encruamento maior é a força

necessária para produzir uma maior deformação;

O encruamento pode ser removido por tratamento térmico

(recristalização).

ENCRUAMENTO

Variação das Propriedades Mecânicas em Função do Encruamento

O encruamento aumenta a resistência mecânica

O encruamento diminui a ductilidade

Encruamento e Microestrutura

• Antes da deformação • Depois da deformação

Fatores que Afetam a Microestrutura do Metal Deformado

EDE - energia de defeito de empilhamento

Metais de alta EDE: as discordâncias têm um livre caminho médio maior que em metais de baixa EDE, ou seja, elas migram distâncias

maiores antes de se tornarem imóveis. Átomos de Soluto Tamanho Inicial do Grão Temperatura e Velocidade de Deformação

Heterogeneidades de Deformação na Microestrutura Bandas de Transição ou Bandas de Deformação

Bandas de Cisalhamento

Maclação

Transformações de Fase Induzidas por Def. Plástica (Fe-Cr-Ni )

Amolecimento por Deformação

Encruamento e recristalização

Se os metais deformados plasticamente forem submetidos ao

um aquecimento controlado, este aquecimento fará com que

haja um rearranjo dos cristais deformados plasticamente,

diminuindo a dureza dos mesmos

Recristalização (Processo de Recozimento para Recristalização)

ESTÁGIOS:

•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

•Depois da recuperação, os grãos ainda estão tensionados; •Na recristalização, os grão se tornam novamente equiaxiais (dimensões iguais em todas as direções); •O número de discordâncias reduz mais ainda; •As propriedades mecânicas voltam ao seu estado original.

Crescimento de Grão

•Depois da recristalização, se o material permanecer por mais tempo em temperaturas elevadas, o grão continuará à crescer; •Em geral, quanto maior o tamanho de grão mais mole é o material e menor é sua resistência

Deformação a Quente e Deformação a Frio

TRABALHO À QUENTE, À MORNO E À FRIO

Geração de Calor na Conformação Mecânica - 90 a 95% convertidos em calor

Trabalho à quente – TQ

Trabalho à Frio – TF

Trabalho à Morno – TM

Jc

WT

p

máx..

TRABALHO À QUENTE

Vantagens EDE Menor energia requerida para deformar o metal; Aumento da ductilidade; Homogeneização química das estruturas brutas de fusão; Eliminação de bolhas e poros por caldeamento; Eliminação e refino da granulação grosseira e colunar do material fundido,

proporcionado grãos menores, recristalizados e equiaxiais; Aumento da tenacidade.

Desvantagens Necessidade de equipamentos especiais: fornos, manipuladores; Reações do metal com a atmosfera do forno; Formação de óxidos; Desgaste das ferramentas; Necessidade de grandes tolerâncias dimensionais; Estrutura menos uniforme.

TRABALHO À MORNO Aliar as vantagens das conformações a quente e a frio. Mais difundidos e com maiores aplicações é o forjamento

TM X TQ Melhor acabamento superficial e precisão dimensional; Diminuição da oxidação e da dilatação; Aumento do limite de escoamento; O aumento da carga de conformação X prensas mais potentes e ferramentas mais

resistentes. Tarugos podem requerer decapagem para remoção de carepa; Utilização de lubrificantes.

TM X TF Redução dos esforços de deformação; Conformação mais fácil de peças com formas complexas, em materiais com alta

resistência. Melhora a ductilidade do material e elimina a necessidade de recozimentos

intermediários.

RECUPERAÇÃO E RECRISTALIZAÇÃO

Quantidade mínima de deformação prévia;

Quanto maior a deformação prévia, menor será a temperatura de recristalização;

Quanto menor a temperatura, maior o tempo necessário à recristalização;

Quanto maior a deformação prévia, menor será o tamanho de grão resultante;

Adições de elementos de liga tendem a aumentar a temperatura de recristalização,

pois retardam a difusão X TQ

Principais, propriedades mecânicas dos materiais metálicos

Mecânicas

Resistência Mecânica: tração, compressão, flexão, torção, etc.

Resiliência (Capacidade de resistir a esforços dinâmicos)

Elasticidade

Dureza

Tecnológicas

Fusibilidade

Plasticidade: Maleabilidade e Ductilidade

Soldabilidade

Temperabilidade

Usinabilidade

Tencidade (Capacidade de absorver energia até a ruptura)

Uso Resistência ao Ar

Resistência ao Calor

Resistência à Ação Corrosiva

Resistência à Fluidez (Creep)

Outras Peso Específico

Densidade

Condutibilidade Térmica e Elétrica

Dilatação

Grau de Polimento