3 discordancias e deformacao

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EleaniMariadaCosta-PGETEMA/PUCRS
4-PROPRIEDADES DOS METAIS
DEFORMADOS PLASTICAMENTE
A capacidade de um material se deformar plasticamente
está relacionado com a habilidade das discordâncias se
movimentarem

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7. Discordâncias e
Mecanismos de Aumento de
Resistência
- Conceitos básicos: características das
discordâncias, sistemas de escorregamento
- Aumento da resistência por diminuição do
tamanho de grão
- Aumento da resistência por solução sólida
- Encruamento, recuperação, recristalização
e crescimento de grão

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PROPRIEDADES DOS METAIS
DEFORMADOS PLASTICAMENTE
A capacidade de um material se deformar plasticamente
está relacionado com a habilidade das discordâncias se
movimentarem

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DEFORMAÇÃO PLÁSTICA
 Os materiais podem ser solicitados por tensões
de compressão, tração ou de cisalhamento.
 Como a maioria dos metais são menos
resistentes ao cisalhamento que à tração e
compressão e como estes últimos podem
ser decompostos em componentes de
cisalhamento, 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

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DISCORDÂNCIAS E
DEFORMAÇÃO PLÁSTICA
 Em uma escala microscópica 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, o
movimento de discordâncias e a formação de maclas
 Então, a formação e movimento das discordâncias
têm papel fundamental para o aumento da
resistência mecânica em muitos materiais.
A resistência Mecânica pode ser aumentada
restringindo-se o movimento das discordâncias

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MOVIMENTO DE DISCORDÂNCIAS
E A DEFORMAÇÃO PLÁSTICA
 Discordâncias em cunha
movem-se devido à aplicação
de uma tensão de
cisalhamento perpendicular à
linha de discordância
 O movimento das
discordâncias pode parar na
superfície do material, no
contorno de grão ou num
precipitado ou outro
defeito
 A deformação plástica
corresponde à deformação
permanente que resulta
principalmente do movimento
de discordâncias (em cunha
ou em hélice)

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Plano de escorregamento
Direção de escorregamento
Uma distância
interatômica

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EM CUNHA E EM HÉLICE
Fonte: Prof. Sidnei/ DCMM/PUCRJ

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DENSIDADES DE
DISCORDÂNCIAS TÍPICAS
 Materiais solidificados lentamente = 103
discord./mm2
 Materiais deformados= 109 -
1010
discord./mm2
 Materiais deformados e tratados termicamente=
105 -
106
discord./mm2

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CARACTERÍSTICAS DAS
DISCORDÂNCIAS IMPORTANTES PARA
AS PROP. MECÂNICAS
 Quando os metais são
deformados plasticamente cerca
de 5% da energia é retida
internamente, o restante é
dissipado na forma de calor.
 A maior parte desta energia
armazenada está associada
com as tensões associadas às
discordâncias
 A presença de discordâncias
promove uma distorção da rede
cristalina de modo que certas
regiões sofrem tensões
compressivas e outras tensões
de tração.

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INTERAÇÃO DE
DISCORDÂNCIAS
 ATRAÇÃO  REPULSÃO

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MOVIMENTO DE DISCORDÂNCIAS EM
MONOCRISTAIS
 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
 Então, o número de
planos nos quais pode
ocorrer o escorregamento
depende da estrutura

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DEFORMAÇÃO PLÁSTICA EM
MATERIAIS POLICRISTALINOS
A direção de escorregamento varia de
grão para grão
LINHAS DE ESCORREGAMENTO
Na maioria dos grãos há 2 sistemas de escorregamento operando

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Planos e direções de deslizamento
das discordâncias
 Sistemas de delizamento:conjunto de planos e
direções de maior densidade atômica
 CFC: {111}<110> (mínimo 12 sistemas)
 CCC: {110}<111> (mínimo 12 sistemas)
 HC: apresenta poucos sistemas de
deslizamento (3 ou 6) por isso os metais
que cristalizam nesta estrutura são
frágeis
PARA ALGUNS MATERIAIS COM ESTRUTURAS CCC E HC O
ESCORREGAMENTO DE ALGUNS PLANOS SÓ SE TORNAM
OPERATIVOS A ALTAS TEMPERATURAS

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CFC: {111}<110>
(mínimo 12 sistemas de
escorregamento)
Planos: {111}= 4
Direções: 3 para cada plano

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Maclas
 Discordâncias não é o único defeito
cristalino responsável pela
deformação plástica, maclas
também contribuem.
 Deformação em materiais cfc, como
o cobre, é comum ocorrer por
maclação

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Mecanismos de aumento de
resistência dos metais
1. Aumento da resistência por adição de elemento
de liga (formação de solução sólida ou
precipitação de fases)
2. Aumento da resistência por redução do
tamanho de grão
3. Aumento da resistência por encruamento
4. Aumento da resistência por tratamento térmico
(transformação de fase): será visto
posteriormente

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1- Aumento da resistência por
adição de elemento de liga
 Os átomos de soluto podem 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

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EleaniMariadaCosta-PGETEMA/PUCRS 1- Aumento da resistência por adição
de elemento de liga
EX: INTERAÇÃO DE DISCORDÂNCIAS EM
SOLUÇÕES SÓLIDAS SUBSTITUCIONAIS
Quando um átomo de uma impureza esta presente,
o movimento da discordância fica restringido, 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

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EleaniMariadaCosta-PGETEMA/PUCRS 2- Aumento da resistência por
diminuição do tamanho de grão
ex: DEFORMAÇÃO PLÁSTICA EM MATERIAIS
POLICRISTALINOS
O contorno de grão
interfere no
movimento das
discordâncias
 Devido as diferentes
orientações cristalinas
presentes, resultantes
do grande número de
grãos, as direções
de escorregamento
das discordâncias
variam de grão
para grão

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Aumento da resistência por
diminuição do tamanho de grão
 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.

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ESCOAMENTO E
DISCORDÂNCIAS
A tensão necessária para
mover a discordância e gerar a
deformação plástica está
relacionada não só com a
energia para mover e criar
discordâncias, mas também
para dissociá-las dos átomos
de soluto.

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 Qual das duas ligas com teores iguais
de soluto apresentará o maior limite
de escoamento?
 Al-Cu
 Al-Si

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Dependência da tensão de
escoamento com o tamanho de grão
EQUAÇÃO DE HALL-PETCH
σesc= σo + Ke (d)-1/2
 σo e Ke são constantes
 σo= 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

25
Dependência do limite de
escoamento com o tamanho
de grão

26
3- ENCRUAMENTO OU
ENDURECIMENTO PELA
DEFORMAÇÃO À FRIO
 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)

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GRAU DE DEFORMAÇÃO
PLÁSTICA EM TERMOS DE
TRABALHO À FRIO (TF)
 %TF= Ainicial-Afinal x100
Ainicial

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VARIAÇÃO DAS PROPRIEDADES
MECÂNICAS EM FUNÇÃO DO
ENCRUAMENTO
O encruamento aumenta a
resistência mecânica
O encruamento aumenta
o limite de escoamento
O encruamento
diminui a ductilidade

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ENCRUAMENTO E
MICROESTRUTURA
 Antes da
deformação
 Depois da
deformação

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RECRISTALIZAÇÃO
(Processo de Recozimento para
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

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MECANISMO QUE OCORRE NO
AQUECIMENTO DE UM MATERIAL
ENCRUADO
ESTÁGIOS:
 Recuperação
 Recristalização
 Crescimento de grão

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MECANISMO QUE OCORRE NO
AQUECIMENTO DE UM MATERIAL
ENCRUADO
Ex: Latão

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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)

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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
Forma-se um novo conjunto de grãos que são equiaxiais

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RECRISTALIZAÇÃO
Pode-se refinar o grão
de uma liga monofásica
mediante deformação
plástica e recristalização
Forma-se um novo
conjunto de grãos que
são equiaxiais

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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

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Crescimento de grão por
difusão
Pode-se refinar o grão
de uma liga monofásica
mediante deformação
plástica e recristalização

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Dependência do tamanho de grão
com o tempo de aquecimento

39
TEMPERATURAS DE
RECRISTALIZAÇÃO
 A temperatura de recristalização é
dependente do tempo
 A temperatura de recristalização
está entre 1/3 e ½ da temperatura
de fusão

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TEMPERATURAS DE
RECRISTALIZAÇÃO
 Chumbo - 4°C
 Estanho - 4°C
 Zinco 10°C
 Alumínio de alta pureza 80°C
 Cobre de alta pureza 120°C
 Latão 60-40 475°C
 Níquel 370°C
 Ferro 450°C
 Tungstênio 1200°C

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DEFORMAÇÃO À QUENTE E
 Deformação à quente: quando a
deformação ou trabalho mecânico é
realizado acima da temperatura de
recristalização do material
 Deformação à frio: quando a
deformação ou trabalho mecânico é
realizado abaixo da temperatura de
recristalização do material

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DEFORMAÇÃO À QUENTE
VANTAGENS
• Permite o emprego de menor esforço mecânico para a mesma
deformação (necessita-se então de máquinas de menor capacidade
se comparado com o trabalho a frio).
• Promove o refinamento da estrutura do material, melhorando a
tenacidade
• Elimina porosidades
• Deforma profundamente devido a recristalização
DESVANTAGENS:
• Exige ferramental de boa resistência ao calor, o que implica em
custo
• O material sofre maior oxidação, formando casca de óxidos
• Não permite a obtenção de dimensões dentro de tolerâncias estreitas

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• Aumenta a dureza e a resistência dos materiais,
mas a ductilidade diminui
• Permite a obtenção de dimensões dentro de
tolerâncias estreitas
• Produz melhor acabamento superficial

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