Interação entre imperfeições cristalinas

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Material didático elaborado pela professora Ana Sofia C. M. d´Oliveira, da UFPr, para uso em aulas de pós-graduação da disciplina Metalurgia Física.

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Interação entre imperfeições cristalinas

  1. 1. Defeitos/Imperfeições cristalinos A.S.D’Oliveira
  2. 2. Defeitos cristalinos Defeitos pontuais: - lacunas - interstícios - átomos estranhos: -substitucionais - intersticiais Número de lacunas em equilíbrio: Existe um número de lacunas em equilíbrio para cada temperatura. Este número aumenta exponencialmente com a temperatura, de acordo com lei de Arrhenius: N v  N  exp( Qv / RT ) A.S.D’Oliveira
  3. 3. Defeitos de linha: São as discordâncias; podem ter caracter em aresta, em espiral ou mista. A discordância possui um vetor de burguers (b), o qual tem o módulo do deslocamento em um átomo provocado pelo defeito. Aresta Mista Espiral A.S.D’Oliveira
  4. 4. Defeitos de linha Determinação do vetor de Burgers da discordância. Discordância em aresta ou cunha, corresponde à presença de um semi- plano de átomos extra (termina em B). Linha da discordância é perpendicular ao vetor de Burgers A.S.D’Oliveira
  5. 5. Defeitos de linha Discordâncias em aresta, o vetor b é perpendicular à linha da discordância Discordâncias em espiral, o vetor de burguers é paralelo a linha da discordância. Discordância em aresta Discordância em espiral. A.S.D’Oliveira
  6. 6. Defeitos de linha: Linha da discordância (anel de discordância) Discordância em aresta b ┴ linha da discordância (B) b Discordância espiral b//linha da discordância (A) Região deformada Região não deformada A.S.D’Oliveira
  7. 7. Defeitos de linha: Discordância Distorção na mista rede provocada pela presença de uma discordância em aresta Campo de tensões decorrente da presença de uma discordância A.S.D’Oliveira
  8. 8. Defeitos de linha: Deslizamento de uma discordância em aresta forma um degrau de comprimento igual ao vetor b ao final do seu deslizamento. Simplificação: a soma de múltiplos degraus compõe a deformação plástica total do metal. O mesmo efeito pode ser produzido pelo deslizamento de uma discordância em espiral A.S.D’Oliveira
  9. 9. 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 (c), a discordância começa a se movimentar no plano e na direção. O valor crítico c depende do material e do sistema de deslizamento considerado (plano e direção),. A.S.D’Oliveira
  10. 10. Planos de deslizamento Metais CFC (deslizamento cruzado) A.S.D’Oliveira
  11. 11. Defeitos de superfície: contorno de grão - separa duas regiões de orientações cristalográficas diferentes no material. Contorno de grão de baixo angulo Contorno de grão de alto angulo Os contornos de grão são criados durante a solidificação do material ou durante processos de deformação e recristalização. O contorno de grão é uma região de alta energia, devido à sua alta densidade de defeitos cristalinos. A.S.D’Oliveira
  12. 12. Contornos de grão A.S.D’Oliveira
  13. 13. Defeitos de superfície contornos de grão - regiões repletas de defeitos cristalinos (lacunas e discordâncias) Constituem obstáculos ao deslizamento de discordâncias responsável pela deformação plástica e à propagação de trincas. Quanto mais contornos de grão, mais resistente à deformação e mais tenaz fica o material metálico. O refino de grãos constitui um eficiente mecanismo de aumento da resistência e da tenacidade. Difusão pelos contornos de grão - mais rápida, devido à alta densidade de lacunas. A.S.D’Oliveira
  14. 14. Defeitos de superfície contornos de macla/ macla - região onde os átomos apresentam uma simetria de espelho em relação ao contorno Resultam de deslocamentos atômicos produzidos por força mecânica (maclas de deformação) ou pelo recozimento (maclas de recozimento). A.S.D’Oliveira
  15. 15. Defeitos de superfície 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. A.S.D’Oliveira
  16. 16. Defeitos de superfície Falhas de empilhamento - podem surgir nos cristais CFC devido a dissociação de discordâncias parciais. O deslizamento no sistema CFC ocorre nos planos {111} segundo as direções supercompactas <110> destes planos. Entretanto, ocorre um “ganho energético” se a discordância se dissociar em duas para fazer este deslizamento: primeiro passa para um plano (110) superior e depois retorna ao plano (111) original. Gera-se assim uma falha de empilhamento entre as duas discordâncias parciais. A.S.D’Oliveira
  17. 17. Defeitos de superfície Falhas de empilhamento são geradas durante a deformação plástica. Um metal CFC terá mais ou menos falhas de empilhamento de acordo com a sua energia de falha de empilhamento (E.F.E.) - um parâmetro sensível à composição química A E.F.E. é uma tensão superficial que age no sentido de recombinar as parciais e eliminar as falhas. Mas também existe, em outro sentido, a força de repulsão entre as duas parciais. Metais com baixa EFE desenvolvem grandes e numerosas falhas de empilhamento no encruamento, e têm características mecânicas diferentes dos metais com alta EFE. A.S.D’Oliveira
  18. 18. Defeitos de superfície As falhas de empilhamento influem de forma marcante nas características mecânicas dos materiais metálicos. Discordâncias dissociadas não podem realizar um movimento importante, que é o deslizamento cruzado. Assim, metais CFC com baixa energia de falha de empilhamento têm grande densidade de falhas, e costumam apresentar as seguintes características: - Produzem arranjos planares de discordâncias no encruamento; - Possuem alta expoente de encruamento (n); - Possuem resistência à fluência, ou seja, ao amolescimento com a temperatura; A.S.D’Oliveira
  19. 19. Interação entre imperfeições cristalinas A.S.D’Oliveira
  20. 20. Defeitos pontuais: - Lacunas  difusão transformações de fase - Lacunas, interstícios e átomos soluto abaixam a condutividade elétrica e térmica - Átomos soluto provocam endurecimento por solução sólida Defeitos de linha (discordâncias) Deslizamento de discordâncias nos planos atômicos mais densos permite que o metal se deforma plasticamente. A.S.D’Oliveira
  21. 21. Mecanismos de endurecimento O que são mecanismos de endurecimento? - Obstáculos a movimentação das discordâncias que provocam um aumento da resistência mecânica do metal Quatro mecanismos de endurecimento: - Solução sólida - Precipitação/Partículas de segunda fase - Refino de grão - Encruamento A.S.D’Oliveira
  22. 22. Anel de discordância Movimento de uma discordância A.S.D’Oliveira
  23. 23. Mecanismos de endurecimento Solução sólida Átomos de soluto ocupam lugares da rede cristalina de um dado metal; Estes átomos provocam distorção na rede; para minimizar a energia do material procuram lugares onde se acomodam mais facilmente => junto a discordâncias.... Dificuldade de Aumento da movimentar resistência discordâncias do material A.S.D’Oliveira
  24. 24. Mecanismos de endurecimento Solução sólida Efeito da dimensão do átomo de soluto Interação do átomo de soluto com as discordâncias A.S.D’Oliveira
  25. 25. Mecanismos de endurecimento Solução sólida Acomodação dos átomos de soluto e Interação com as discordâncias SS substitucional SS intersticial A.S.D’Oliveira
  26. 26. Mecanismos de endurecimento Precipitação/Dispersão de partículas de segunda fase O material exibe uma segunda fase, isto região com composição e características distintas, dispersa na matriz. Provocarem distorção na rede; As discordâncias vão ter dificuldade em se movimentar através destas partículas (ex: carbonetos) Dificuldade de Aumento da movimentar resistência discordâncias do material A.S.D’Oliveira
  27. 27. Mecanismos de endurecimento Precipitação/Dispersão de partículas de segunda fase Precipitação Dependência do tipo de precipitado Aumenta Diminuiu resistência resistência A.S.D’Oliveira
  28. 28. Mecanismos de endurecimento Precipitação/Dispersão de partículas de segunda fase Dispersão Introdução de finas partículas de óxidos em uma matriz (moagem de alta energia) Interação partículas-discordâncias A.S.D’Oliveira
  29. 29. Mecanismos de endurecimento Contornos de grão Regiões que apresentam distorção na rede atrapalhando a movimentação das discordâncias Dificuldade de Aumento da movimentar resistência discordâncias do material A.S.D’Oliveira
  30. 30. Mecanismos de endurecimento Contornos de grão Grão refinado => maior resistência Efeito do tipo de contorno de grão Contorno de grão de baixo angulo Contorno de grão de alto angulo A.S.D’Oliveira
  31. 31. Mecanismos de endurecimento Encruamento A multiplicação do número de discordâncias durante a deformação de um metal reduz o caminho livre entre discordâncias, isto é, sua movimentação é reduzida Dificuldade de Aumento da movimentar resistência discordâncias do material A.S.D’Oliveira
  32. 32. Mecanismos de endurecimento Movimento das discordâncias Sistemas primários de deslizamento: planos e direções mais compactos de uma dada estrutura cristalina Estes são os sistemas que são acionados num processo de deformação plástica. aumento da tensão discordâncias necessária número de passam a para deformar discordâncias é interagir entre si o material Deformação multiplicado por eo devido ao plástica algumas ordens deslizamento se aumento da de grandeza torna mais deformação difícil, exigindo recebe o nome maior tensão. de encruamento. A.S.D’Oliveira
  33. 33. Mecanismos de endurecimento Aumento da Multiplicação de discordâncias resistência mecânica A.S.D’Oliveira
  34. 34. Movimento de discordâncias a alta temperatura: Escalonamento de discordâncias Interação entre lacunas e discodâncias Mecanismo controlado por difusão Muito importante em fluência A.S.D’Oliveira
  35. 35. Mecanismos de endurecimento  Esquematizar curvas tensão-deformação: 1. Latão vs Cu puro 2. Latão encruado vs Latão recristalizado 3. Al puro vs Liga Al encruada vs liga de Al  Quais destes mecanismos permanecem ativos a temperaturas elevadas? A.S.D’Oliveira
  36. 36. Difusão A.S.D’Oliveira
  37. 37. Difusão Movimentação dos átomos: interação átomo/lacuna A.S.D’Oliveira
  38. 38. Difusão Energia de difusão A.S.D’Oliveira
  39. 39. Difusão Difusão substitucional - átomos trocam de lugares com as lacunas Taxa de difusão depende: n. de lacunas energia de ativação para a troca A.S.D’Oliveira
  40. 40. Difusão Difusão intersticial - mais rápida do que a difusão das lacunas A.S.D’Oliveira
  41. 41. Difusão Auto-difusão Auto difusão ocorre em ligas homogêneas que não se tem um gradiente de concentração A.S.D’Oliveira
  42. 42. Difusão Auto-difusão Metal puro Liga metálica A.S.D’Oliveira
  43. 43. Difusão Exemplo: Recristalização A.S.D’Oliveira
  44. 44. Difusão Presença de gradientes de concentração - Interdifusão O que determina se a partícula migra para a direita ou para a esquerda? Cada partícula sabe a sua concentração “local”? →Cada partícula tanto pode se movimentar para a esquerda como para a direita →Nas interfaces vão existir mais partículas migrando para a direita do que para a esquerda-> fluxo médio de partículas para a direita A.S.D’Oliveira
  45. 45. Difusão A.S.D’Oliveira
  46. 46. Difusão Interdifusão: os átomos tem tendência a migrar das regiões de maior concentração para as de menor concentração A.S.D’Oliveira
  47. 47. Difusão Exemplo: Cementação Carbono difunde do meio para o interior da peça Átomos de carbono reduzem a movimentação dos planos e geram tensões compressivas A.S.D’Oliveira

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