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Engenharia de Transporte e Logística ·
Ciência dos Materiais
· 2021/2
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Profa Viviane Lilian Soethe Joinville SC 07122021 1 Universidade Federal de Santa Catarina Centro Tecnológico de Joinville A compreensão da natureza e do papel que as discordâncias desempenham nos processos de deformação plástica permitem compreender algumas das técnicas empregadas para aumento de resistência e dureza dos materiais metálicos e ligas Distribuição das discordâncias de um monocristal de LiF atacado quimicamente Possibilidade de adaptação das propriedades mecânicas dos materiais tenacidade e resistência em um compósito em uma liga metálica Fonte Callister WD 2008 Temos dois tipos de deformação plástica e elástica A deformação plástica é relacionada com o movimento de um grande número de átomos em resposta a aplicação de uma tensão ligações interatômicas devem ser rompidas e formadas novamente Nos sólidos cristalinos geralmente a deformação plástica envolve o movimento de discordâncias Estudo das características da deformação plástica com relação as discordâncias e apresentação das técnicas para aumento de resistência de metais monofásicos bem como processos de recristalização e recuperação de metais deformados Inicialmente os valores de resistências teóricas medidas eram discrepantes com relação aos obtidos experimentalmente 1930 Discordâncias 1950 visualizadas por MEV Desde então foi utilizada para explicar muitos dos fenômenos físicos e mecânicos que ocorrem nos metais Dois tipos de discordâncias aresta e espiral Com uma tensão de cisalhamento sendo aplicada perpendicularmente ao plano da discordância verificase que a mesma é transferida de uma posição a outra podendo emergir da estrutura Antes e depois do movimento de uma discordância através de uma região específica do cristal há um arranjo ordenado e perfeito de átomos somente durante a passagem do semiplano extra a estrutura é rompida Fonte Callister WD 2008 Escorregamento processo pelo qual uma deformação plástica é produzida pelo movimento de uma discordância Plano de escorregamento Direção de escorregamento Uma distância interatômica Fonte Callister WD 2008 adaptado Há um plano preferencial para o movimento das discordâncias e uma direção neste plano para este movimento plano e direção de escorregamento Plano de escorregamento possui o empacotamento atômico mais denso O deslizamento ocorre em planos e direções mais compactas pois nestes a distância de deslocamento da rede cristalina é reduzida Este deslizamento pode ocorrer em diferentes direções e planos equivalentes família de direções e planos PARA ALGUNS MATERIAIS COM ESTRUTURAS CCC E HC O ESCORREGAMENTO DE ALGUNS PLANOS SÓ SE TORNAM OPERACIONAIS A ALTAS TEMPERATURAS Estas diferenças em termos de número de sistemas de escorregamento reflete por exemplo nas diferenças de rigidez mecânica dos materiais CCC CFC e HC Fonte Callister WD 2008 A deformação plástica macroscópica corresponde simplesmente à deformação permanente que resulta do movimento das discordâncias ou do escorregamento em resposta a aplicação de uma tensão de cizalhamento Fonte Callister WD 2008 Similar ao movimento de uma lagarta movimento de discordâncias Metais e ligas discordâncias introduzidas durante o processo de solidificação deformação plástica ou devido a tensões térmicas por resfriamento rápido Densidade de discordâncias comprimento total de discordâncias por unidade de volume Metais deformados 109 a 1010 mm2 Cerâmicas 102 a 104 mm2 Fonte Callister WD 2008 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 Fonte Callister WD 2008 Campos de deformação que se irradiam a partir da linha de discordância As deformações se estendem aos átomos vizinhos e sua magnitude se reduz com a distância á discordância Os campos de deformação podem interagir promovendo o surgimento de forças sobre cada discordância Fonte Callister WD 2008 Estes campos de deformação e as forças associadas são importantes mecanismos de aumento de resistência dos metais Durante a deformação plástica o número de discordâncias aumenta drasticamente Discordâncias existentes que se multiplicam contornos de grão defeitos internos e irregularidades da superfície riscos entalhes aumentam a concentração de tensões e atuam como sítios para formação de discordâncias No caso de materiais policristalinos a direção de escorregamento varia de um grão para outro O escorregamento vai ocorrer na direção que possui orientação mais favorável Amostra de Cu policristalino dois sistemas de escorregamento Durante a deformação a integridade mecânica e a coesão são mantidas ao longo dos contornos de grão não se abrem ou rompem Limitado pela vizinhança Fonte Callister WD 2008 Antes da deformação grãos equiaxiais mesma dimensão em todas as direções Após deformação alongamento dos grãos na direção de deformação Fonte Callister WD 2008 Geralmente buscase ligas com altas resistências com alguma ductilidade e tenacidade normalmente sacrificase a ductilidade com o aumento da resistência Existem várias técnicas de aumento de resistência e a seleção da liga depende da capacidade de um material em se adaptar as exigências mecânicas de uma certa aplicação Comportamento mecânico x movimento das discordâncias A habilidade de um metal se deformar plasticamente depende da habilidade de as discordâncias se moverem Como a dureza e a resistência estão relacionadas com a facilidade à deformação plástica reduzindose a mobilidade das discordâncias podese alterar a resistência de um material As técnicas de aumento de resistência se baseiam no princípio Restrição ou impedimento do movimento das discordâncias torna o material mais duro e mais resistênte Metais monofásicos mediante redução do tamanho do grão formação de ligas por solução sólida e encruamento redução tamanho do grão O tamanho médio de um grão influe nas propriedades mecânicas Durante as deformações plásticas o escorregamento ou movimento de discordâncias deve ocorrer através deste contorno comum Fonte Callister WD 2008 O contorno de grão atua como uma barreira ao movimento de discordâncias Como dois grãos possuem orientações cristalográficas diferentes a discordância terá de modificar sua direção mais difícil quanto maior for a diferença na orientação cristalográfica A fronteira é desordenada fazendo com que os planos de delizamentos sofram descontinuidades redução tamanho do grão Materiais com grãos menores apresentamse mais duros e resistentes que aqueles com grãos maiores diferença na área de contornos que impedem o movimento das discordâncias Fonte httpqualitecrblogspotcom201308refinodegraoemligasdealuminiohtml Relação entre o tamanho do grão e a tensão de escoamento equação de HallPetch Constantes dependente do material Tamanho médio do grão O tamanho do grão pode ser alterado durante o processo de solidificação e com tratamentos térmicos apropridados redução tamanho do grão Fonte Callister WD 2008 solução sólida A introdução de impurezas seja por solução sólida intersticial ou substitucional promove um aumento na dureza e resistência dos metais Metais com alta pureza geralmente são mais deformáveis e menos resistentes que ligas compostas deste metal base O aumento de impurezas eleva o limite de resistência a tração e de escoamento Fonte Callister WD 2008 solução sólida A presença de impurezas promove uma distorção na rede cristalina Ocorre a interação do campo de deformação da rede cristalina entre as discordâncias e esses átomos de impurezas restringe o movimento das discordâncias No caso de átomos intersticiais promove deformações de tração na rede cristalina vizinha e os substituicionais compressão Menor tamanho compressão Maior tamanho tração Fonte Callister WD 2008 encruamento Fenômeno no qual um metal dúctil se torna mais duro e mais resistente quando deformado plasticamente endurecimento por trabalho ou trabalho a frio A maioria dos metais encrua a temperatura ambiente A porcentagem de trabalho a frio é dada por A0 área original Ad área após a deformação encruamento Limite de escoamento e resistência a tração do aço latão e cobre Fonte Callister WD 2008 encruamento O aumento na dureza promove uma redução na ductilidade do material Fonte Callister WD 2008 Gráfico tensãodeformação para materiais com diferentes graus de encruamento Valor relativo a porcentagem de encruamento httpswwwyoutubecomwatchv3kDqg u5u6vg Fonte Callister WD 2008 Recuperação Recristalização Crescimento de grão Em resumo a deformação plástica produz alterações microestruturais e de propriedades nos metais que incluem Alteração na forma do grão Endurecimento por encruamento Aumento na densidade de discordâncias Propriedades como condutividade elétrica e resistência a corrosão podem ser alteradas em função da deformação plástica Para recuperar a estrutura anterior a este processo de deformação utilizase tratamentos térmicos a temperaturas elevadas recuperação e recristalização seguida de crescimento de grão Recuperação a altas temperaturas ocorre um aumento da difusão atômica e consequentemente das discordâncias promovendo uma liberação da energia armazenada na rede Propriedades físicas como condutividade elétrica e térmica são recuperadas a seus estados anteriores Recristalização formação de um novo conjunto de grãos equiaxiais e livres de deformação com baixa densidade de discordâncias e característicos das condições anteriores ao processo de trabalho a frio Este processo é gerado devido a diferença energética entre o material deformado e não deformado Recuperação Recristalização Crescimento de grão Recuperação Recristalização Crescimento de grão Fonte Callister WD 2008 adaptado A recristalização depende do tempo e da temperatura Figura limite de resistência a tração e a ductilidade de uma liga de latão em função da temperatura para TT de 1h Temperatura recristalização temperatura na qual a recristalização atinge seu término em 1h Ocorre mais facilmente em metais puros que em ligas Recuperação Recristalização Crescimento de grão Fonte Callister WD 2008 Crescimento do grão após o processo de recristalização deixandose a amostra exposta a uma temperatura elevada verificase o crescimento do novo grão formado A medida que os grãos aumentam de tamanho a área total do contornos diminui promovendo uma redução na energia total força motriz para o crescimento do grão Os grãos crescem pela migração dos contornos de grão Os grãos maiores aumentam as custas dos menores que se extinguem Recuperação Recristalização Crescimento de grão Fonte Callister WD 2008 O diâmetro do grão varia em função do tempo de acordo com a relação Este crescimento é dependente do tempo e da temperatura Recuperação Recristalização Crescimento de grão Fonte Callister WD 2008 Revisão d Resumindoonceitos Deformacao Plástica Encruamento Recuperação Temperatura Recristalização Temperatura e tempo Nucleação Crescimento de grãos Microestrutura grosseira Temperatura e tempo Microestrutura refinada Resfriamento Tensão Diferentes propriedades mecânicas Casos aplicações industriais Processo de laminação processo de conformação de metais que reduz a espessura de uma lâmina bruta httpsyoutubeM98xHGalX0 Fonte httpswwwopetroleocombrregistrode producaodeacoatingidonachina Laminação a quente acima da temperatura de recristalização Encruamento e recristalização simultâneos Utilizada para materiais que tenham baixa plasticidade a frio Permite grandes reduções de espessura Forças de laminação menores que as da laminação a frio FOCO NA PROVA
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Profa Viviane Lilian Soethe Joinville SC 07122021 1 Universidade Federal de Santa Catarina Centro Tecnológico de Joinville A compreensão da natureza e do papel que as discordâncias desempenham nos processos de deformação plástica permitem compreender algumas das técnicas empregadas para aumento de resistência e dureza dos materiais metálicos e ligas Distribuição das discordâncias de um monocristal de LiF atacado quimicamente Possibilidade de adaptação das propriedades mecânicas dos materiais tenacidade e resistência em um compósito em uma liga metálica Fonte Callister WD 2008 Temos dois tipos de deformação plástica e elástica A deformação plástica é relacionada com o movimento de um grande número de átomos em resposta a aplicação de uma tensão ligações interatômicas devem ser rompidas e formadas novamente Nos sólidos cristalinos geralmente a deformação plástica envolve o movimento de discordâncias Estudo das características da deformação plástica com relação as discordâncias e apresentação das técnicas para aumento de resistência de metais monofásicos bem como processos de recristalização e recuperação de metais deformados Inicialmente os valores de resistências teóricas medidas eram discrepantes com relação aos obtidos experimentalmente 1930 Discordâncias 1950 visualizadas por MEV Desde então foi utilizada para explicar muitos dos fenômenos físicos e mecânicos que ocorrem nos metais Dois tipos de discordâncias aresta e espiral Com uma tensão de cisalhamento sendo aplicada perpendicularmente ao plano da discordância verificase que a mesma é transferida de uma posição a outra podendo emergir da estrutura Antes e depois do movimento de uma discordância através de uma região específica do cristal há um arranjo ordenado e perfeito de átomos somente durante a passagem do semiplano extra a estrutura é rompida Fonte Callister WD 2008 Escorregamento processo pelo qual uma deformação plástica é produzida pelo movimento de uma discordância Plano de escorregamento Direção de escorregamento Uma distância interatômica Fonte Callister WD 2008 adaptado Há um plano preferencial para o movimento das discordâncias e uma direção neste plano para este movimento plano e direção de escorregamento Plano de escorregamento possui o empacotamento atômico mais denso O deslizamento ocorre em planos e direções mais compactas pois nestes a distância de deslocamento da rede cristalina é reduzida Este deslizamento pode ocorrer em diferentes direções e planos equivalentes família de direções e planos PARA ALGUNS MATERIAIS COM ESTRUTURAS CCC E HC O ESCORREGAMENTO DE ALGUNS PLANOS SÓ SE TORNAM OPERACIONAIS A ALTAS TEMPERATURAS Estas diferenças em termos de número de sistemas de escorregamento reflete por exemplo nas diferenças de rigidez mecânica dos materiais CCC CFC e HC Fonte Callister WD 2008 A deformação plástica macroscópica corresponde simplesmente à deformação permanente que resulta do movimento das discordâncias ou do escorregamento em resposta a aplicação de uma tensão de cizalhamento Fonte Callister WD 2008 Similar ao movimento de uma lagarta movimento de discordâncias Metais e ligas discordâncias introduzidas durante o processo de solidificação deformação plástica ou devido a tensões térmicas por resfriamento rápido Densidade de discordâncias comprimento total de discordâncias por unidade de volume Metais deformados 109 a 1010 mm2 Cerâmicas 102 a 104 mm2 Fonte Callister WD 2008 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 Fonte Callister WD 2008 Campos de deformação que se irradiam a partir da linha de discordância As deformações se estendem aos átomos vizinhos e sua magnitude se reduz com a distância á discordância Os campos de deformação podem interagir promovendo o surgimento de forças sobre cada discordância Fonte Callister WD 2008 Estes campos de deformação e as forças associadas são importantes mecanismos de aumento de resistência dos metais Durante a deformação plástica o número de discordâncias aumenta drasticamente Discordâncias existentes que se multiplicam contornos de grão defeitos internos e irregularidades da superfície riscos entalhes aumentam a concentração de tensões e atuam como sítios para formação de discordâncias No caso de materiais policristalinos a direção de escorregamento varia de um grão para outro O escorregamento vai ocorrer na direção que possui orientação mais favorável Amostra de Cu policristalino dois sistemas de escorregamento Durante a deformação a integridade mecânica e a coesão são mantidas ao longo dos contornos de grão não se abrem ou rompem Limitado pela vizinhança Fonte Callister WD 2008 Antes da deformação grãos equiaxiais mesma dimensão em todas as direções Após deformação alongamento dos grãos na direção de deformação Fonte Callister WD 2008 Geralmente buscase ligas com altas resistências com alguma ductilidade e tenacidade normalmente sacrificase a ductilidade com o aumento da resistência Existem várias técnicas de aumento de resistência e a seleção da liga depende da capacidade de um material em se adaptar as exigências mecânicas de uma certa aplicação Comportamento mecânico x movimento das discordâncias A habilidade de um metal se deformar plasticamente depende da habilidade de as discordâncias se moverem Como a dureza e a resistência estão relacionadas com a facilidade à deformação plástica reduzindose a mobilidade das discordâncias podese alterar a resistência de um material As técnicas de aumento de resistência se baseiam no princípio Restrição ou impedimento do movimento das discordâncias torna o material mais duro e mais resistênte Metais monofásicos mediante redução do tamanho do grão formação de ligas por solução sólida e encruamento redução tamanho do grão O tamanho médio de um grão influe nas propriedades mecânicas Durante as deformações plásticas o escorregamento ou movimento de discordâncias deve ocorrer através deste contorno comum Fonte Callister WD 2008 O contorno de grão atua como uma barreira ao movimento de discordâncias Como dois grãos possuem orientações cristalográficas diferentes a discordância terá de modificar sua direção mais difícil quanto maior for a diferença na orientação cristalográfica A fronteira é desordenada fazendo com que os planos de delizamentos sofram descontinuidades redução tamanho do grão Materiais com grãos menores apresentamse mais duros e resistentes que aqueles com grãos maiores diferença na área de contornos que impedem o movimento das discordâncias Fonte httpqualitecrblogspotcom201308refinodegraoemligasdealuminiohtml Relação entre o tamanho do grão e a tensão de escoamento equação de HallPetch Constantes dependente do material Tamanho médio do grão O tamanho do grão pode ser alterado durante o processo de solidificação e com tratamentos térmicos apropridados redução tamanho do grão Fonte Callister WD 2008 solução sólida A introdução de impurezas seja por solução sólida intersticial ou substitucional promove um aumento na dureza e resistência dos metais Metais com alta pureza geralmente são mais deformáveis e menos resistentes que ligas compostas deste metal base O aumento de impurezas eleva o limite de resistência a tração e de escoamento Fonte Callister WD 2008 solução sólida A presença de impurezas promove uma distorção na rede cristalina Ocorre a interação do campo de deformação da rede cristalina entre as discordâncias e esses átomos de impurezas restringe o movimento das discordâncias No caso de átomos intersticiais promove deformações de tração na rede cristalina vizinha e os substituicionais compressão Menor tamanho compressão Maior tamanho tração Fonte Callister WD 2008 encruamento Fenômeno no qual um metal dúctil se torna mais duro e mais resistente quando deformado plasticamente endurecimento por trabalho ou trabalho a frio A maioria dos metais encrua a temperatura ambiente A porcentagem de trabalho a frio é dada por A0 área original Ad área após a deformação encruamento Limite de escoamento e resistência a tração do aço latão e cobre Fonte Callister WD 2008 encruamento O aumento na dureza promove uma redução na ductilidade do material Fonte Callister WD 2008 Gráfico tensãodeformação para materiais com diferentes graus de encruamento Valor relativo a porcentagem de encruamento httpswwwyoutubecomwatchv3kDqg u5u6vg Fonte Callister WD 2008 Recuperação Recristalização Crescimento de grão Em resumo a deformação plástica produz alterações microestruturais e de propriedades nos metais que incluem Alteração na forma do grão Endurecimento por encruamento Aumento na densidade de discordâncias Propriedades como condutividade elétrica e resistência a corrosão podem ser alteradas em função da deformação plástica Para recuperar a estrutura anterior a este processo de deformação utilizase tratamentos térmicos a temperaturas elevadas recuperação e recristalização seguida de crescimento de grão Recuperação a altas temperaturas ocorre um aumento da difusão atômica e consequentemente das discordâncias promovendo uma liberação da energia armazenada na rede Propriedades físicas como condutividade elétrica e térmica são recuperadas a seus estados anteriores Recristalização formação de um novo conjunto de grãos equiaxiais e livres de deformação com baixa densidade de discordâncias e característicos das condições anteriores ao processo de trabalho a frio Este processo é gerado devido a diferença energética entre o material deformado e não deformado Recuperação Recristalização Crescimento de grão Recuperação Recristalização Crescimento de grão Fonte Callister WD 2008 adaptado A recristalização depende do tempo e da temperatura Figura limite de resistência a tração e a ductilidade de uma liga de latão em função da temperatura para TT de 1h Temperatura recristalização temperatura na qual a recristalização atinge seu término em 1h Ocorre mais facilmente em metais puros que em ligas Recuperação Recristalização Crescimento de grão Fonte Callister WD 2008 Crescimento do grão após o processo de recristalização deixandose a amostra exposta a uma temperatura elevada verificase o crescimento do novo grão formado A medida que os grãos aumentam de tamanho a área total do contornos diminui promovendo uma redução na energia total força motriz para o crescimento do grão Os grãos crescem pela migração dos contornos de grão Os grãos maiores aumentam as custas dos menores que se extinguem Recuperação Recristalização Crescimento de grão Fonte Callister WD 2008 O diâmetro do grão varia em função do tempo de acordo com a relação Este crescimento é dependente do tempo e da temperatura Recuperação Recristalização Crescimento de grão Fonte Callister WD 2008 Revisão d Resumindoonceitos Deformacao Plástica Encruamento Recuperação Temperatura Recristalização Temperatura e tempo Nucleação Crescimento de grãos Microestrutura grosseira Temperatura e tempo Microestrutura refinada Resfriamento Tensão Diferentes propriedades mecânicas Casos aplicações industriais Processo de laminação processo de conformação de metais que reduz a espessura de uma lâmina bruta httpsyoutubeM98xHGalX0 Fonte httpswwwopetroleocombrregistrode producaodeacoatingidonachina Laminação a quente acima da temperatura de recristalização Encruamento e recristalização simultâneos Utilizada para materiais que tenham baixa plasticidade a frio Permite grandes reduções de espessura Forças de laminação menores que as da laminação a frio FOCO NA PROVA