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DISCORDÂNCIAS E DEFORMAÇÃO
         PLÁSTICA


                 Andrey Mello
                 Bárbara Grillo
                 Jaime Ocanã
                 Luiza Benedetti
                 Marcelo Augusto
                 Rosania Coutinho
Mundo Atômico
Organização dos Átomos




                                                             http://wikiciencias.casadasciencias.org/index.
                                                             php/Liga%C3%A7%C3%A3o_i%C3%B3nica
http://www.marcoscassiano.com/eng/index.php/painel/ci        17/07/2012
encia-dos-materiais/797-estruturas-cristalinas-reticulado-
cristalino.html 17/07/2012
Principais Estruturas Cristalinas
PRINCIPAIS ESTRUTURAS
     CRISTALINAS
Principais Estruturas Cristalinas
Empilhamento
Empilhamento
NADA É PERFEITO...

 INDEPENDENTES DA DEPENDENTE DA
 ESTRUTURA            ESTRUTURA
 Constantes elásticas Condutividade elétrica
 Ponto de fusão            Propriedades
                           semicondutoras
 Densidade                 Limite de escoamento
 Calor específico          Resistência à fratura
 Coeficiente de expansão   Resistência à fluência
 térmica
Defeitos
DEFEITOS
Defeitos
Defeitos
Defeitos em linha

• Definem um plano atômico específico onde há
  uma interface entre uma região deformada e
  outra não deformada do cristal.
• São as discordâncias: aresta,espiral e mistas
• Nos materiais cristalinos o principal mecanismo
  de deformação plástica geralmente consiste no
  escorregamento de planos atômicos através da
  movimentação de discordâncias.
Discordâncias vistas no MET
Discordância aresta




       Analogia entre a movimentação de uma
       lagarta e de uma discordância.
Discordância em espiral




                 DISCORDÂNCIA EM HÉLICE NA
                 SUPERFÍCIE DE
                 UM MONOCRISTAL DE SiC. AS LINHAS
                 ESCURAS SÃO DEGRAUS DE
                 ESCORREGAMENTO
                 SUPERFICIAIS.
Discordância Mista   Anel de discordância visto em
                     corte mostrando regiões de:
                     (a) discordância em cunha
                      􀃎 vetor de Burgers
                     perpendicular à linha
                     (b) discordância em hélice
                      􀃎 vetor de Burgers paralelo
                     à linha
Discordâncias em aresta e espiral
Campos de deformação:
Interação entre as discordâncias
   • ATRAÇÃO         • REPULSÃO




                                   20
Sistemas de Escorregamento:

• 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
Grupo Discordâncias e deformação plástica
Vetor de Burgers (b): expressa a magnitude e direção
da distorção da rede associada a uma discordância




  cunha ou aresta:
  vetor de Burgers ⊥
  discordância
                               hélice ou helicoidal:
                               vetor de Burgers // discordância
Densidade de discordâncias:
 Número de discordâncias que interceptam uma
  área unitária:
• Cristais metálicos solidificados com cuidado:
  10³mm-2
• Metais altamente deformados: 10^10 mm-2
• Cerâmicos: 10^2 e 10^4 mm-2
• Monocristais de silício: 0,1 a 1mm-2
Ductilidade x Movimento de
discordâncias
                         Metais CFC e CCC
                          possuem diversos
                              sistemas de
                          escorregamento,
                            assim possuem
                              deformação
                          plástica ao longo
                         dos vários sistemas.
                           O que, em geral,
                           lhes confere alta
    Perfil de Alumínio        ductilidade
O Movimento das Discordâncias
O Movimento das Discordâncias
                 Plano extra de átomos




Plano de                    Linha de discordância
escorregamento
O Movimento das Discordâncias
Cristais Reais x Cristais Perfeitos

 • Por que a resistência medida dos materiais é
   muito menor que a prevista teoricamente tendo-
   se em vista as ligações atômicas?
 • Em geral a resistência teórica é 100x maior que a
   real!
 • Isto ocorre por causa da presença das
   discordâncias.
Cristais Reais x Cristais Perfeitos
Cristais Reais x Cristais Perfeitos
 • A energia para romper ligações atômicas é maior
   que para movimentar uma discordância. A
   pergunta é: que energia é essa? E qual é a tensão
   necessária?
A Termodinâmica da Deformação
                    Largura da discordância (w)
                    Discordância




  Quanto maior w,
   maior será a
      energia
    interfacial e
   menor será a
      elástica
A Termodinâmica da Deformação

• Discordância = separação de regiões não
  deslizadas (G grande) das regiões deslizadas (G
  pequeno).
• Num processo espontâneo: G tende a diminuir.
• Balanço energético: energia interfacial + energia
  elástica.
A Termodinâmica da Deformação
A Termodinâmica da Deformação
Cristais Reais x Cristais Perfeitos
• Tensão de Peierls-Nabarro:




                               a = distância
                               entre os planos
Cristais Reais x Cristais Perfeitos
                         Quanto menor b, menor Tp
                         (direção + compacta).
                         Quanto maior a, menor Tp
                         (plano + compacto)
Orientação e Deformação

          Tensão Resolvida (Tr) =
          Análoga à tensão de
          escoamento.


          Tensão resolvida 



          Tensão de escoamento 
Orientação e Deformação
Direção da força

                                     CONCLUSÃO:

              Plano de               Se ϕ = λ = 45 ,
              escorregamento         então a tensão
                                     resolvida é máxima,
                                     ou seja, precisa-se de
                                     menor tensão axial
                                     para provocar a
Cada degrau mostrado nas imagens     deformação nessa
resulta da geração de um grande
número de discordâncias e suas
                                     orientação!
propagações ao longo de um sistema
de escorregamento com a máxima
tensão de cisalhamento resolvida
Condições para o Deslizamento

• Presença de discordâncias;

• Direções mais compactas;

• Planos mais compactos;

• Orientação de 45°.
Degraus
• Interseção de duas discordâncias em cunha
Um degrau se forma quando o vetor de Burgers de uma das discordâncias é normal à
linha da outra que a corta. O degrau possui orientação em cunha e pode deslizar com
 o resto da discordância.




                  Fonte: http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/def_en/kap_5/backbone/r5_3_1.html e Padilha (2000), Materiais de
                                                                                                 Engenharia, Angelo Fernando.
Fonte: http://web.nchu.edu.tw/~jyuan/handout/3_3%20Dislocation.pdf e
http://ocw.mit.edu/courses/materials-science-and-engineering/3-40j-physical-metallurgy-fall-
                                               2009/lecture-notes/MIT3_40JF09_lec07.pdf
•Interseção de duas discordâncias em cunha com vetores de Burgers
paralelos. Os degraus estão nos planos de deslizamento originais das
discordâncias. Esses degraus são instáveis pois podem se realinhar com a
discordância durante o movimento.
• Interseção de duas discordâncias em hélice
Degraus de orientação em cunha são formados em ambas as discordâncias.
A discordância em hélice só pode se movimentar para uma nova
posição(A’QQ’B) levando junto seu degrau por meio de escalagem. Logo, esse
movimento depende da temperatura já que a escalagem é um processo
termicamente ativado.




                      Fonte: Padilha (2000), Materiais de Engenharia, Angelo Fernando
Fonte: Padilha (2000), Materiais de Engenharia, Angelo Fernando
Fonte:http://homepage18.seed.net.tw/web@1/naclli/Physical%20Metallurgy/Chapter04.pdf
Fontes de Discordâncias

A maior parte dos materiais cristalinos, principalmente os metais,
possuem discordâncias no seu estado inicial geradas por tensões
relacionadas com o processo de formação. O número de discordâncias
aumenta durante a deformação plástica.

• Gradiente de temperatura e composição.
• Formação de anéis de discordâncias
• Nucleação heterogênea de discordâncias
Multiplicação de discordâncias
Fonte de Frank-Read
 A fonte de Frank-Read é o mecanismo pelo qual discordâncias já existentes
 geram novas discordâncias.




                             Fonte: www.pmt.usp.br/pmt5783/discordancias.pdf
Grupo Discordâncias e deformação plástica
Fonte de Frank-Read em um
cristal de Si




           Fonte:http://www.pmt.usp.br/pmt5783/discordancias.pdf
Grupo Discordâncias e deformação plástica
Empilhamento de discordâncias
 O movimento de uma discordância pode ser impedido por contornos de grãos,
 precipitados e outras discordâncias.




                                                                      Fonte:
                           http://pt.scribd.com/doc/58676101/ENCRUAMENTO-E-
                                                    ANISOTROPIA-DO-ACO-1020
Fonte:http://www.dalmolim.com.br/EDUCACAO/MATERIAIS/Biblimat/defeitos.pd
                                                                       f
Grupo Discordâncias e deformação plástica
Grupo Discordâncias e deformação plástica
Grupo Discordâncias e deformação plástica
Discordância em

    Esquema
                                                         Aresta



                       Defeito de Linha              Discordância em
                                                         Espiral


                                                   Discordâncias Mistas


Imperfeições da Rede
                                                         Contornos de Baixo
                                                              Ângulo


                                                          Contornos de Grão
                       Defeitos de Superfície ou
                               Planares
                                                             Falhas de
                                                           Empilhamento

                                                              Maclação
Grupo Discordâncias e deformação plástica
Deformação por Maclação
É um defeito de superfície decorrente de tensões
mecânicas e térmicas (recozimento) que alteram a
orientação do cristal, fazendo com que a região
deformada se oriente simetricamente à rede cristalina,
criando dois planos “espelhos” que facilitam o
escorregamento de planos
Plano de Maclação
É o plano de simetria que separa a rede cristalina em
área deformada e não deformada. O plano de maclação
é perpendicular ao papel - assim, ao ser aplicada uma
tensão cisalhante, o cristal apresentará maclação em
torno deste plano.                        Deformação por
                                           maclagem




Deformação por escorregamento
É possível visualizar a macla somente em uma
superfície polida, devido à diferença de orientação
cristalográfica entre as regiões deformada e não
deformada, o que ocasiona uma variação de nível
da superfície.
Tipos de Maclas
Maclas Mecânicas: são facilmente observadas em microscópio
com pequenos aumentos. Possuem contornos de macla de alta
energia (comparáveis as dos contornos de grão) e são produzidas
em metais CCC e HC sob rápida taxa de carregamento e baixas
temperaturas. Os metais com estrutura Cristalina CFC
Raramente se deformam por maclação.




          Fratura por maclação em implante
          cranio-facial de Titânio puro causado
          por fadiga em meio salino, MEV.
Tipos de Maclas
Maclas de Recozimento: são mais largas e apresentam
 contornos mais retos que as maclas mecânicas. A energia dos
 contornos destas maclas são cerca de 5% da energia média de
 contorno de grão. Cristais CFC apresentam a formação de
 maclas de recozimento.




Micrografia ótica do aço inoxidável
austenítico como recebido: grãos de
austenita maclados. Ataque: glicerégia.
Deslizamento                  X          Macla
A orientação do crital acima   Acarreta em uma diferença
 e abaixo do plano de            de orientação do cristal
 deslizamento é a mesma          através do plano da macla.
 antes e depois da sua
 ocorrência                     Os movimentos atômicos
Ocorre      em    distâncias    são muito inferiores a uma
 múltiplas ao espaçamento        distância atômica
 atômico                        Cada plano atômico está
Verifica-se    em     planos    envolvido na deformação
 relativamente espalhados       Formam-se em tempos
É necessário um tempo de        curtíssimos
 vários milissegundos para       (microssegundos)
 que se forme uma banda de
 deslizamento.
Características
A maclação varia com a direção e o plano cristalográfico
 específico da estrutura cristalina.

Não é um mecanismo de deformação dominante.
 Geralmente acontece quando os sistemas de deslizamento
 são restritos ou a tensão de cisalhamento crítica é
 aumentada.

Em um ensaio de tração, a
ocorrência de maclação dá origem
ao aparecimento de serrilhados na
curva tensão-deformação.
Características
É muito importante no
 processo total de deformação
 dos metais que possuem
 poucos        sistemas       de
 deslizamento, como os metais
 HC.
A formação de uma região
 martensítica também é uma
 característica relacionada com
 a formação de maclação que
 envolve um cisalhamento da
 rede cristalina.
Grupo Discordâncias e deformação plástica
Discordância em Aresta
    Esquema
                       Defeito de Linha               Discordância em
                                                          Espiral


                                                    Discordâncias Mistas


Imperfeições da Rede
                                                           Contornos de
                                                           Baixo Ângulo


                                                          Contornos de Grão
                       Defeitos de Superfície ou
                               Planares
                                                              Falhas de
                                                            Empilhamento

                                                               Maclação
Falhas de Empilhamento
  É o defeito de superfície responsável por ocasionar o
escorregamento de planos atômicos, alterando assim o
comportamento da deformação plástica dos metais.
   Plano menos
      denso




   Plano mais
     denso
A força de cisalhamento age na direção do vetor
de Burgers, movimentando as discordâncias. Este
movimento ocorre no plano e direção mais
compacta (plano de escorregamento), onde a energia para
movimentar uma discordância é mínima. Assim, as
propriedades mecânicas variam com a estrutura cristalina
do metal.




                                         Escorregamento do
                                         plano mais denso em
                                         uma célula HC
Planos de Escorregamento

CFC Muitos planos de escorregamentos (12)    Alta compactação



CCC Muitos planos de escorregamentos (48)    Pouca compactação


HC    Poucos planos de escorregamentos (3)   Alta compactação
CFC: Estrutura mais propícia ao
            escorregamento

As falhas de empilhamento
em metais CFC podem ser
consideradas como maclas
Submicroscópicas de
espessura praticamente
atômica.

                            Estrutura Cristalina CFC
CFC: Estrutura mais propícia ao
            escorregamento
Média da energia de falha de
empilhamento em metais CFC:
aproximadamente duas vezes a
energia de um contorno coerente de
uma macla de recozimento.

Cu: 40 erg/cm2
Ni: 80 erg/cm2
Al: 200 erg/cm2
                       Estrutura CFC
Estrutura Cristalina HC

Nas estruturas HC, a falha por empilhamento se
apresenta como um deslizamento entre dois
planos, gerando uma pequena região CFC em sua
  estrutura.
Estrutura Cristalina CCC
Em cristais CCC, por serem menos densos e portanto
com planos menos compactos, dificilmente apresentam
falhas de empilhamento.




        Estrutura Cristalina CCC
Metais com falhas de empilhamento largas encruam
mais rapidamente, maclam facilmente no recozimento e
dependem da relação da tensão de escoamento com a
temperatura de uma maneira diferente dos metais com
falhas de empilhamento estreitas.




                                          Estrutura com presença
                                          de discordâncias e falhas
                                          de empilhamento
Deformação em policristais
• Para cada grão, o movimento da discordância
  ocorre ao longo do sistema de escorregamento que
  possui a orientação mais favorável. A variação na
  orientação do grão é indicada pela diferença no
  alinhamento das linhas de escorregamento.




• Antes da deformação, os grãos são equiaxiais, ou seja,
  possuem aproximadamente a mesma dimensão em
  todas as direções
Deformação em policristais
 Durante a deformação, a integridade mecânica e a coesão
 são mantidas ao longo dos contornos dos grãos; isto é, os
 contornos dos grãos geralmente não se separam ou se
 abrem (eles constituem barreiras para as discordâncias.
Deformação em policristais
Ao serem tracionados ou laminados, por exemplo, os grãos começam a
se alongar paralelamente ao esforço.

Metais policristalinos são mais resistentes do que seus equivalentes
monocristalinos, o que significa que maiores tensões são exigidas para
dar início ao escorregamento.



                     Explicação


O inicio da deformaçao de um grao orientado favoravelmente ao
escorregamento depende da capacidade dos graos adjacentes (com
orientaçao menos favoravel) escorregarem.
Deformação em policristais




Análise de uma amostra realizada em um microscópio eletrônico de varredura Philips XL-30 acoplado a
um hardware de EBSD/OIM.
Deformação em policristais
Propriedades Mecânicas
Propriedades que apresentam anisotropia em monocristais podem ser
isotrópicas em policristais. Isto ocorre porque todas as direções são
equivalentes, pois em todas elas há um grande número de grãos
aleatoriamente orientados.




As propriedades físicas dos monocristais de algumas substâncias
dependem da direção cristalográfica na qual as medições são
tomadas.
Propriedades Mecânicas
Como a deformação plástica, na prática, é baseada no movimento das discordâncias
sobre os planos de deslizamento, pode-se concluir que qualquer coisa que dificulte o
movimento das discordâncias (contorno de grão, precipitado, etc.) dificulta a
deformação, aumentando, consequentemente, a resistência mecânica do material.




A temperaturas elevadas, pode ocorrer o escorregamento ao longo dos contornos de
grão e estes tornam-se regiões de fraqueza nos metais policristalinos. Pode ainda haver
o aparecimento de novos planos de deslizamento com o aumento da temperatura
(porém as direções permanecem as mesmas)
Propriedades Mecânicas




O Titânio (HC) possui apenas 3 sistemas de deslizamento   Diferentes
O Alumínio (CFC) possui 12 sistemas de deslizamento       ductilidades
O Ferro (CCC) possui 48 sistemas de deslizamento.
Transição Dúctil-Frágil
A ductilidade anteriormente discutida depende também da
temperatura. Por isso, a realização de um ensaio de
impacto (charpy ou izod) é importante. Quanto maior a
energia absorvida no ensaio, mais tenaz é o material.
Transição Dúctil-Frágil
O aumento da temperatura facilita o movimento das
discordâncias, o que aumenta a zona plástica. Materiais
CCC são mais susceptíveis a esse fenômeno.

Os metais CFC de média
e baixa resistência e os
metais HC não apresentam
temperatura de transição
dúctil-frágil (TTDF).
Exercícios
1)   Boa parte dos materiais apresentam estrutura cristalina, ou seja, uma
     organização atômica de longas distâncias. Quais são as duas formas
     mais utilizadas para representar essas organizações? Descreva as
     principais.
Estrutura Cristalina e Empilhamento
2) A tabela a seguir mostra o alongamento percentual de dois
  materiais policristalinos, de mesma granulometria e no estado
  recozido, durante um ensaio de tração realizado à temperatura
  ambiente.
          Material           Alongamento       Estrutura
                                               Cristalina
               Titânio             30%                HC
                Ouro               45%                CFC

a)   É possível, a partir da estrutura cristalina destes metais, elaborar
     uma justificativa para os valores de alongamento obtidos?
     Justifique.
b)   Se um material hipotético de estrutura cristalina CCC fosse
     ensaiado nas mesmas condições, você esperaria um alongamento
     percentual menor que 30%, maior que 45% ou entre 30% e 45%?
RESPOSTA:
a) Sim, pois como numa estrutura cristalina CFC há mais
   sistemas de escorregamento, e tendo em vista que os
   mesmos são mais densos, espera-se que o ouro, nas
   mesmas condições que o titânio, seja mais dúctil.
b) Espera-se um valor intermediário ou menor que 30%,
   pois a estrutura CCC apresenta muitos sistemas de
   escorregamento, mas os mesmos não são formados por
   planos e direções tão densas como no caso da estrutura
   CFC.
3) Por que a resistência teórica dos metais, isto é,
 aquela prevista de acordo com as ligações
 atômicas, é muito maior do que as tensões de
 escoamento obtidas via ensaios mecânicos?
RESPOSTA: Porque nos cristais reais existem defeitos
 denominados discordâncias, as quais são responsáveis
 pelo mecanismo de deformação plástica. A tensão
 necessária para iniciar movimento das mesmas é menor
 do que a tensão resolvida crítica dos cristais perfeitos.
Referências Bibliográficas

CALLISTER, W. D. Ciência e Engenharia de
 Materiais: uma Introdução. LTC ed. Rio de
 Janeiro: [s.n.], 2002. p. 589

DIETER, G. E. Mechanical Metallurgy. 3. ed.
 New York: [s.n.], 1986. p. 751

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Grupo Discordâncias e deformação plástica

  • 1. DISCORDÂNCIAS E DEFORMAÇÃO PLÁSTICA Andrey Mello Bárbara Grillo Jaime Ocanã Luiza Benedetti Marcelo Augusto Rosania Coutinho
  • 3. Organização dos Átomos http://wikiciencias.casadasciencias.org/index. php/Liga%C3%A7%C3%A3o_i%C3%B3nica http://www.marcoscassiano.com/eng/index.php/painel/ci 17/07/2012 encia-dos-materiais/797-estruturas-cristalinas-reticulado- cristalino.html 17/07/2012
  • 5. PRINCIPAIS ESTRUTURAS CRISTALINAS
  • 9. NADA É PERFEITO... INDEPENDENTES DA DEPENDENTE DA ESTRUTURA ESTRUTURA Constantes elásticas Condutividade elétrica Ponto de fusão Propriedades semicondutoras Densidade Limite de escoamento Calor específico Resistência à fratura Coeficiente de expansão Resistência à fluência térmica
  • 13. Defeitos em linha • Definem um plano atômico específico onde há uma interface entre uma região deformada e outra não deformada do cristal. • São as discordâncias: aresta,espiral e mistas • Nos materiais cristalinos o principal mecanismo de deformação plástica geralmente consiste no escorregamento de planos atômicos através da movimentação de discordâncias.
  • 15. Discordância aresta Analogia entre a movimentação de uma lagarta e de uma discordância.
  • 16. Discordância em espiral DISCORDÂNCIA EM HÉLICE NA SUPERFÍCIE DE UM MONOCRISTAL DE SiC. AS LINHAS ESCURAS SÃO DEGRAUS DE ESCORREGAMENTO SUPERFICIAIS.
  • 17. Discordância Mista Anel de discordância visto em corte mostrando regiões de: (a) discordância em cunha 􀃎 vetor de Burgers perpendicular à linha (b) discordância em hélice 􀃎 vetor de Burgers paralelo à linha
  • 20. Interação entre as discordâncias • ATRAÇÃO • REPULSÃO 20
  • 21. Sistemas de Escorregamento: • 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
  • 23. Vetor de Burgers (b): expressa a magnitude e direção da distorção da rede associada a uma discordância cunha ou aresta: vetor de Burgers ⊥ discordância hélice ou helicoidal: vetor de Burgers // discordância
  • 24. Densidade de discordâncias: Número de discordâncias que interceptam uma área unitária: • Cristais metálicos solidificados com cuidado: 10³mm-2 • Metais altamente deformados: 10^10 mm-2 • Cerâmicos: 10^2 e 10^4 mm-2 • Monocristais de silício: 0,1 a 1mm-2
  • 25. Ductilidade x Movimento de discordâncias Metais CFC e CCC possuem diversos sistemas de escorregamento, assim possuem deformação plástica ao longo dos vários sistemas. O que, em geral, lhes confere alta Perfil de Alumínio ductilidade
  • 26. O Movimento das Discordâncias
  • 27. O Movimento das Discordâncias Plano extra de átomos Plano de Linha de discordância escorregamento
  • 28. O Movimento das Discordâncias
  • 29. Cristais Reais x Cristais Perfeitos • Por que a resistência medida dos materiais é muito menor que a prevista teoricamente tendo- se em vista as ligações atômicas? • Em geral a resistência teórica é 100x maior que a real! • Isto ocorre por causa da presença das discordâncias.
  • 30. Cristais Reais x Cristais Perfeitos
  • 31. Cristais Reais x Cristais Perfeitos • A energia para romper ligações atômicas é maior que para movimentar uma discordância. A pergunta é: que energia é essa? E qual é a tensão necessária?
  • 32. A Termodinâmica da Deformação Largura da discordância (w) Discordância Quanto maior w, maior será a energia interfacial e menor será a elástica
  • 33. A Termodinâmica da Deformação • Discordância = separação de regiões não deslizadas (G grande) das regiões deslizadas (G pequeno). • Num processo espontâneo: G tende a diminuir. • Balanço energético: energia interfacial + energia elástica.
  • 34. A Termodinâmica da Deformação
  • 35. A Termodinâmica da Deformação
  • 36. Cristais Reais x Cristais Perfeitos • Tensão de Peierls-Nabarro: a = distância entre os planos
  • 37. Cristais Reais x Cristais Perfeitos Quanto menor b, menor Tp (direção + compacta). Quanto maior a, menor Tp (plano + compacto)
  • 38. Orientação e Deformação Tensão Resolvida (Tr) = Análoga à tensão de escoamento. Tensão resolvida  Tensão de escoamento 
  • 39. Orientação e Deformação Direção da força CONCLUSÃO: Plano de Se ϕ = λ = 45 , escorregamento então a tensão resolvida é máxima, ou seja, precisa-se de menor tensão axial para provocar a Cada degrau mostrado nas imagens deformação nessa resulta da geração de um grande número de discordâncias e suas orientação! propagações ao longo de um sistema de escorregamento com a máxima tensão de cisalhamento resolvida
  • 40. Condições para o Deslizamento • Presença de discordâncias; • Direções mais compactas; • Planos mais compactos; • Orientação de 45°.
  • 41. Degraus • Interseção de duas discordâncias em cunha Um degrau se forma quando o vetor de Burgers de uma das discordâncias é normal à linha da outra que a corta. O degrau possui orientação em cunha e pode deslizar com o resto da discordância. Fonte: http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/def_en/kap_5/backbone/r5_3_1.html e Padilha (2000), Materiais de Engenharia, Angelo Fernando.
  • 43. •Interseção de duas discordâncias em cunha com vetores de Burgers paralelos. Os degraus estão nos planos de deslizamento originais das discordâncias. Esses degraus são instáveis pois podem se realinhar com a discordância durante o movimento.
  • 44. • Interseção de duas discordâncias em hélice Degraus de orientação em cunha são formados em ambas as discordâncias.
  • 45. A discordância em hélice só pode se movimentar para uma nova posição(A’QQ’B) levando junto seu degrau por meio de escalagem. Logo, esse movimento depende da temperatura já que a escalagem é um processo termicamente ativado. Fonte: Padilha (2000), Materiais de Engenharia, Angelo Fernando
  • 46. Fonte: Padilha (2000), Materiais de Engenharia, Angelo Fernando
  • 48. Fontes de Discordâncias A maior parte dos materiais cristalinos, principalmente os metais, possuem discordâncias no seu estado inicial geradas por tensões relacionadas com o processo de formação. O número de discordâncias aumenta durante a deformação plástica. • Gradiente de temperatura e composição. • Formação de anéis de discordâncias • Nucleação heterogênea de discordâncias
  • 49. Multiplicação de discordâncias Fonte de Frank-Read A fonte de Frank-Read é o mecanismo pelo qual discordâncias já existentes geram novas discordâncias. Fonte: www.pmt.usp.br/pmt5783/discordancias.pdf
  • 51. Fonte de Frank-Read em um cristal de Si Fonte:http://www.pmt.usp.br/pmt5783/discordancias.pdf
  • 53. Empilhamento de discordâncias O movimento de uma discordância pode ser impedido por contornos de grãos, precipitados e outras discordâncias. Fonte: http://pt.scribd.com/doc/58676101/ENCRUAMENTO-E- ANISOTROPIA-DO-ACO-1020
  • 58. Discordância em Esquema Aresta Defeito de Linha Discordância em Espiral Discordâncias Mistas Imperfeições da Rede Contornos de Baixo Ângulo Contornos de Grão Defeitos de Superfície ou Planares Falhas de Empilhamento Maclação
  • 60. Deformação por Maclação É um defeito de superfície decorrente de tensões mecânicas e térmicas (recozimento) que alteram a orientação do cristal, fazendo com que a região deformada se oriente simetricamente à rede cristalina, criando dois planos “espelhos” que facilitam o escorregamento de planos
  • 61. Plano de Maclação É o plano de simetria que separa a rede cristalina em área deformada e não deformada. O plano de maclação é perpendicular ao papel - assim, ao ser aplicada uma tensão cisalhante, o cristal apresentará maclação em torno deste plano. Deformação por maclagem Deformação por escorregamento
  • 62. É possível visualizar a macla somente em uma superfície polida, devido à diferença de orientação cristalográfica entre as regiões deformada e não deformada, o que ocasiona uma variação de nível da superfície.
  • 63. Tipos de Maclas Maclas Mecânicas: são facilmente observadas em microscópio com pequenos aumentos. Possuem contornos de macla de alta energia (comparáveis as dos contornos de grão) e são produzidas em metais CCC e HC sob rápida taxa de carregamento e baixas temperaturas. Os metais com estrutura Cristalina CFC Raramente se deformam por maclação. Fratura por maclação em implante cranio-facial de Titânio puro causado por fadiga em meio salino, MEV.
  • 64. Tipos de Maclas Maclas de Recozimento: são mais largas e apresentam contornos mais retos que as maclas mecânicas. A energia dos contornos destas maclas são cerca de 5% da energia média de contorno de grão. Cristais CFC apresentam a formação de maclas de recozimento. Micrografia ótica do aço inoxidável austenítico como recebido: grãos de austenita maclados. Ataque: glicerégia.
  • 65. Deslizamento X Macla A orientação do crital acima Acarreta em uma diferença e abaixo do plano de de orientação do cristal deslizamento é a mesma através do plano da macla. antes e depois da sua ocorrência Os movimentos atômicos Ocorre em distâncias são muito inferiores a uma múltiplas ao espaçamento distância atômica atômico Cada plano atômico está Verifica-se em planos envolvido na deformação relativamente espalhados Formam-se em tempos É necessário um tempo de curtíssimos vários milissegundos para (microssegundos) que se forme uma banda de deslizamento.
  • 66. Características A maclação varia com a direção e o plano cristalográfico específico da estrutura cristalina. Não é um mecanismo de deformação dominante. Geralmente acontece quando os sistemas de deslizamento são restritos ou a tensão de cisalhamento crítica é aumentada. Em um ensaio de tração, a ocorrência de maclação dá origem ao aparecimento de serrilhados na curva tensão-deformação.
  • 67. Características É muito importante no processo total de deformação dos metais que possuem poucos sistemas de deslizamento, como os metais HC. A formação de uma região martensítica também é uma característica relacionada com a formação de maclação que envolve um cisalhamento da rede cristalina.
  • 69. Discordância em Aresta Esquema Defeito de Linha Discordância em Espiral Discordâncias Mistas Imperfeições da Rede Contornos de Baixo Ângulo Contornos de Grão Defeitos de Superfície ou Planares Falhas de Empilhamento Maclação
  • 70. Falhas de Empilhamento É o defeito de superfície responsável por ocasionar o escorregamento de planos atômicos, alterando assim o comportamento da deformação plástica dos metais. Plano menos denso Plano mais denso
  • 71. A força de cisalhamento age na direção do vetor de Burgers, movimentando as discordâncias. Este movimento ocorre no plano e direção mais compacta (plano de escorregamento), onde a energia para movimentar uma discordância é mínima. Assim, as propriedades mecânicas variam com a estrutura cristalina do metal. Escorregamento do plano mais denso em uma célula HC
  • 72. Planos de Escorregamento CFC Muitos planos de escorregamentos (12) Alta compactação CCC Muitos planos de escorregamentos (48) Pouca compactação HC Poucos planos de escorregamentos (3) Alta compactação
  • 73. CFC: Estrutura mais propícia ao escorregamento As falhas de empilhamento em metais CFC podem ser consideradas como maclas Submicroscópicas de espessura praticamente atômica. Estrutura Cristalina CFC
  • 74. CFC: Estrutura mais propícia ao escorregamento Média da energia de falha de empilhamento em metais CFC: aproximadamente duas vezes a energia de um contorno coerente de uma macla de recozimento. Cu: 40 erg/cm2 Ni: 80 erg/cm2 Al: 200 erg/cm2 Estrutura CFC
  • 75. Estrutura Cristalina HC Nas estruturas HC, a falha por empilhamento se apresenta como um deslizamento entre dois planos, gerando uma pequena região CFC em sua estrutura.
  • 76. Estrutura Cristalina CCC Em cristais CCC, por serem menos densos e portanto com planos menos compactos, dificilmente apresentam falhas de empilhamento. Estrutura Cristalina CCC
  • 77. Metais com falhas de empilhamento largas encruam mais rapidamente, maclam facilmente no recozimento e dependem da relação da tensão de escoamento com a temperatura de uma maneira diferente dos metais com falhas de empilhamento estreitas. Estrutura com presença de discordâncias e falhas de empilhamento
  • 78. Deformação em policristais • Para cada grão, o movimento da discordância ocorre ao longo do sistema de escorregamento que possui a orientação mais favorável. A variação na orientação do grão é indicada pela diferença no alinhamento das linhas de escorregamento. • Antes da deformação, os grãos são equiaxiais, ou seja, possuem aproximadamente a mesma dimensão em todas as direções
  • 79. Deformação em policristais Durante a deformação, a integridade mecânica e a coesão são mantidas ao longo dos contornos dos grãos; isto é, os contornos dos grãos geralmente não se separam ou se abrem (eles constituem barreiras para as discordâncias.
  • 80. Deformação em policristais Ao serem tracionados ou laminados, por exemplo, os grãos começam a se alongar paralelamente ao esforço. Metais policristalinos são mais resistentes do que seus equivalentes monocristalinos, o que significa que maiores tensões são exigidas para dar início ao escorregamento. Explicação O inicio da deformaçao de um grao orientado favoravelmente ao escorregamento depende da capacidade dos graos adjacentes (com orientaçao menos favoravel) escorregarem.
  • 81. Deformação em policristais Análise de uma amostra realizada em um microscópio eletrônico de varredura Philips XL-30 acoplado a um hardware de EBSD/OIM.
  • 83. Propriedades Mecânicas Propriedades que apresentam anisotropia em monocristais podem ser isotrópicas em policristais. Isto ocorre porque todas as direções são equivalentes, pois em todas elas há um grande número de grãos aleatoriamente orientados. As propriedades físicas dos monocristais de algumas substâncias dependem da direção cristalográfica na qual as medições são tomadas.
  • 84. Propriedades Mecânicas Como a deformação plástica, na prática, é baseada no movimento das discordâncias sobre os planos de deslizamento, pode-se concluir que qualquer coisa que dificulte o movimento das discordâncias (contorno de grão, precipitado, etc.) dificulta a deformação, aumentando, consequentemente, a resistência mecânica do material. A temperaturas elevadas, pode ocorrer o escorregamento ao longo dos contornos de grão e estes tornam-se regiões de fraqueza nos metais policristalinos. Pode ainda haver o aparecimento de novos planos de deslizamento com o aumento da temperatura (porém as direções permanecem as mesmas)
  • 85. Propriedades Mecânicas O Titânio (HC) possui apenas 3 sistemas de deslizamento Diferentes O Alumínio (CFC) possui 12 sistemas de deslizamento ductilidades O Ferro (CCC) possui 48 sistemas de deslizamento.
  • 86. Transição Dúctil-Frágil A ductilidade anteriormente discutida depende também da temperatura. Por isso, a realização de um ensaio de impacto (charpy ou izod) é importante. Quanto maior a energia absorvida no ensaio, mais tenaz é o material.
  • 87. Transição Dúctil-Frágil O aumento da temperatura facilita o movimento das discordâncias, o que aumenta a zona plástica. Materiais CCC são mais susceptíveis a esse fenômeno. Os metais CFC de média e baixa resistência e os metais HC não apresentam temperatura de transição dúctil-frágil (TTDF).
  • 89. 1) Boa parte dos materiais apresentam estrutura cristalina, ou seja, uma organização atômica de longas distâncias. Quais são as duas formas mais utilizadas para representar essas organizações? Descreva as principais. Estrutura Cristalina e Empilhamento
  • 90. 2) A tabela a seguir mostra o alongamento percentual de dois materiais policristalinos, de mesma granulometria e no estado recozido, durante um ensaio de tração realizado à temperatura ambiente. Material Alongamento Estrutura Cristalina Titânio 30% HC Ouro 45% CFC a) É possível, a partir da estrutura cristalina destes metais, elaborar uma justificativa para os valores de alongamento obtidos? Justifique. b) Se um material hipotético de estrutura cristalina CCC fosse ensaiado nas mesmas condições, você esperaria um alongamento percentual menor que 30%, maior que 45% ou entre 30% e 45%?
  • 91. RESPOSTA: a) Sim, pois como numa estrutura cristalina CFC há mais sistemas de escorregamento, e tendo em vista que os mesmos são mais densos, espera-se que o ouro, nas mesmas condições que o titânio, seja mais dúctil. b) Espera-se um valor intermediário ou menor que 30%, pois a estrutura CCC apresenta muitos sistemas de escorregamento, mas os mesmos não são formados por planos e direções tão densas como no caso da estrutura CFC.
  • 92. 3) Por que a resistência teórica dos metais, isto é, aquela prevista de acordo com as ligações atômicas, é muito maior do que as tensões de escoamento obtidas via ensaios mecânicos? RESPOSTA: Porque nos cristais reais existem defeitos denominados discordâncias, as quais são responsáveis pelo mecanismo de deformação plástica. A tensão necessária para iniciar movimento das mesmas é menor do que a tensão resolvida crítica dos cristais perfeitos.
  • 93. Referências Bibliográficas CALLISTER, W. D. Ciência e Engenharia de Materiais: uma Introdução. LTC ed. Rio de Janeiro: [s.n.], 2002. p. 589 DIETER, G. E. Mechanical Metallurgy. 3. ed. New York: [s.n.], 1986. p. 751