MarcaInstituição
Ensino
Cap.4 Imperfeições nos SólidosCap.7 Discordâncias e Mecanismos de Aumento de Resistência em Metais (Mecanismos de Endurecimento)CAP.5 Difusão
CIÊNCIA DOS MATERIAIS - CALLISTER
Prof.: M.Sc. Antonio Fernando de Carvalho Mota
DEFORMAÇÕES DOS METAIS
(a) Tração (b) Compressão
A Metalurgia da Deformação
Deformação: Cisalhamento de planos de maior densidade atômica, segundo uma direção compacta
BtA
A Metalurgia da Deformação
Sistemas de deslizamento
CFC
{111} 110
CCC
{110} 111
Plano Basal{0001} 1120
HC
Deformação plástica• Deformação plástica ou permanente de um cristal
perfeito (isento de defeitos cristalinos) pode ocorrer pelo deslocamento de planos de átomos em relação aos planos paralelos adjacentes.
5
Deformações dos metais
(a) Tração (b) Compressão
Microscopia Eletrônica de Transmissão
Pesquisa e caracterizaçãomicroestrutural
Defeitos de empilhamento em Um aço inoxidável austenítico.Aumento 35000X . Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais da EPUSP.
8
IMPERFEIÇÕES CRISTALINAS
- Defeitos pontuais
- Defeitos de linha (discordâncias)
- Formação das discordâncias
- Estrutura dos metais e aplicações
Prof.: Antonio Fernando de Carvalho Mota
Discordância
Auto-intersticialLacunas Intersticial Pequeno
Defeitos Pontuais nas Estruturas
Solutos intersticiais
Solutos substitucionais
DEFEITOS DE LINHADISCORDÂNCIAS EM CUNHA
O CIRCUITO E O VETOR DE BURGERS
INTERAÇÕES ENTRE
DISCORDÂNCIAS
DISCORDÂNCIA EM CUNHA
MOVIMENTAÇÃO DE DISCORDÂNCIAS
Discordância (“dislocation”):
Defeito em linha intracristalino responsável pela deformação plástica de metais.
DISCORDÂNCIA HELICOIDAL
Tipos de discordância
Discordância em cunha
Discordância em hélice
17
MOVIMENTO DE DISCORDÂNCIAS EM CUNHA E EM HÉLICE
• vem
Fonte: Prof. Sidnei/ DCMM/PUCRJ
FORMAÇÃO DE DISCORDÂNCIA POR CISALHAMENTO
(a) Discordância em Cunha. (b) Discordância Helicoidal. (c) Discordância Mista.
MULTIPLICAÇÃO DE DISCORDÂNCIAS
20
O material deformado a frio apresenta ENCRUAMENTO, representado pelo aumento do limite de escoamento.
Descarregamento, obtendo aumento de comprimento (deformação plástica) e conseqüentemente aumento da
densidade de discordâncias.
Deformação até ~8%, em tração uniaxial
Escoamento descontínuo e “Bandas de Lüders”
Deformação plástica, durante o patamar de escoamento
descontínuo, ocorre em bandas
Campos de tensão associados às discordâncias indicam o aumento de energia do sistema metálico. Esta energia foi fornecida durante a deformação plástica.
Deformação plástica:
Durante a deformação plástica, há aumento da densidade de discordâncias.Quanto maior a densidade de discordâncias, maior a chance de interações entre estas, bloqueando seu movimento.
Assim, QUANTO MAIOR A DEFORMAÇÃO PLÁSTICA APLICADA A UM METAL, MAIOR A DIFICULDADE EM CONTINUAR ESTA DEFORMAÇÃO.
Unidade de densidade de discordância
• Densidade de discordância : Comprimento de discordâncias (milimetros)
Volume de material (milimetro3)
• Metais recozidos e cuidadosamente preparados: 103 mm-2
• Metais altamente deformados: entre 109 e 1010 mm-2 (1000 km em 1 mm3)• (1 mm3 de Cu apresenta 8.493.1019 átomos)
• Metais deformados e submetidos a tratamento térmico:105 106 mm-2
25
As densidades de discordâncias estimadas em (a) e (b) foram 3 e 7 × 1013 m-2, respectivamente. Em (a) é possível observar o contorno do grão apresentando as franjas que foram usadas na determinação da espessura da amostra Aumento: 50.000 X
Micrografias mostrando Discordâncias em Grãos de Ferrita
Deformação por discordâncias Deformação por maclação
Maclas (“twins”): Ocorrem em metais CFC
(a exceção do Al)
DEFORMAÇÃO DOS METAIS
28
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
29
ORIGENS DOS TWINSMACLAS OU CRISTAIS GÊMEOS
• O seu aparecimento está geralmente associado com A PRESENÇA DE:
- tensões térmicas e mecânicas
- impurezas
- Etc.
RESULTADO DA MOVIMENTAÇÃO DAS DISCORDÂNCIAS
Deformação Plástica do alumínio – Estampagem profunda
ATMOSFERAS DE COTTREL
Depois de um tratamento de envelhecimentoas discordâncias são ancoradas por uma nuvemde impurezas
FRATURA POR CLIVAVEM Várias discordâncias paralelas sob tensão, podem produzir uma
pequena trinca
Microestrutura de grãos equiaxiais e maclas em
metais CFC
Na MICROESTRUTURA de materiais metálicos monofásicos existem GRÃOS e CONTORNOS DE GRÃO
Microestrutura de grãos equiaxiais em metais CCC
34
DETERMINAÇÃO DO TAMANHO DE GRÃO (ASTM)Segundo Mecanismo de Endurecimento
Principal Variável Metalúrgica
• Tamanho: 1-10• Aumento: 100 X
N= 2 n-1
N= número médio de grãos por polegada quadrada n= tamanho de grão
Quanto maior o número menor o tamanho de grão da amostra
(a) Grain Size, n =1 (b) Grain Size, n =4
Quanto menor o tamanho médio de grão, maior a quantidade de contornos de grão, que dificultam o movimento de discordâncias.
0 e k são constantes do materiald = diâmetro médio dos grãos é a principal variável metalúrgica.
0 é a tensão exigida para movimentar discordâncias.ky em kgf/mm3/2 bloqueamento das discordâncias livres pelos átomos do soluto
dkoLE2
1.
Relação de Hall-Petch
IMPORTÂNCIA DO REFINO DE GRÃOSEGUNDO MECANISMO DE ENDURECIMENTOPRINCIPAL VARIÁVEL METALÚRGICA
dados para latão 7030UNS C26000
DIFUSÃO ATÔMICA
DIFUSÃO ATÔMICA
• O aumento na temperatura de um metal ou liga metálica no estado sólido, implica em uma maior vibração dos átomos.
• Está vibração proporciona a possibilidade de uma movimentação atômica no estado sólido.
Modelo sólido tradicionalmente aceito
DIFUSÃO ATÔMICA
Movimentos atômicos: (a) Mecanismo de vazios (b) Mecanismo intersticial
(a) (b)
DIFUSÃO ATÔMICA
Difusão em anel:(a) Anel em três átomos(b) Anel de quatro átomos
(a) (b)
AUTODIFUSÃO
Autodifusão: Neste exemplo, níquel radiativo (Ni59) foi depositado sobreUma superfície de níquel não radiativo.(a) Tempo t = t0 (b) Gradiente de difusão, t0< t < t. (c) Homogenizado, t = t
Ao unir dois metais (A e B) é possível a ocorrência de DIFUSÃO para diminuir a energia total do sistema, causando a formação de uma solução sólida AB.
Neste exemplo, A é soluto substitucional a B, e vice-versa.
DIFUSÃO ATÔMICA
Antes do tratamento térmico em alta temperatura
após o tratamento térmico em alta temperatura
EFEITO KIRKENDAL
PRIMEIRA LEI DE FICK
SEGUNDA LEI DE FICK
x
CD
xt
C.
2
2
.x
CD
t
C
eDD TRQ
o
d..
Eq. ArrenheniusDo ... pré-exponencial independente
da temperatura, [m²/s]Qd ... Energia de ativação para
difusão, [J/mol] ou [cal/mol] R ..... constante universal dos gases
(8,31J/mol.K = 1,987 cal/mol.K)T ..... temperatura absoluta [K]
Tabela do coeficiente de difusão do Carbono no Ferro-, a diferentes temperaturas. R = 8,314 J/(mol.K)
COEFICIENTE DE DIFUSÃO (D)
EXEMPLO PRÁTICOS DE PROCESSOS BASEADOS EM DIFUSÃO:
Dopagem em materiais semicondutores para controlar a condutividade;Cementação e nitretação dos aços para endurecimento superficial;Alguns processos de soldagem.
Hannover
Austenita (CFC)
Ferrita + Cementita (CCC) (Ortorrômbica)
Dopagem em materiais semicondutores para controlar a condutividade
• Apenas uma pequena fração dos sítios atômicos são imperfeitos
Menos de 1 em 1 milhão• Menos sendo poucos eles influenciam muito nas propriedades dos
materiais e nem sempre de forma negativa
Aceitadores Si (4) e B (3)
Doadores Si (4) e P (5)
FATORES QUE FAVORECEM A DIFUSÃO:
• Baixo empacotamento atômico.• Baixo ponto de fusão.• Ligações fracas (Van der
Waals).• Baixa densidade.• Raio atômico pequeno.• Presença de imperfeições
Aplicação típica: Cementação
(aumento do teor de carbono da superfície de aços)
FATORES QUE DIFICULTAM A DIFUSÃO:• Alto empacotamento atômico
• Alto ponto de fusão• Ligações fortes (iônica ou covalente)• Alta densidade• Raio atômico grande• Alta qualidade cristalina
Aplicação típica: Cementação
(aumento do teor de carbono da superfície de aços)
SOLDA POR FRICÇÃO - SOLDA NO ESTADO SÓLIDO
Girando uma peça com outra parada, desenvolve-se atritosuficiente para aquecê-las até o ponto próximo de fusão.A pressão aplicada em seguida assegura uma união perfeita com o mínimo de alterações estruturais
Solda por fricção – solda no estado sólido
Soldagem por fricção FW(Friction Welding), utililiza energia mecânica: (a) Um membro é colocado em rotação, (b) inicia-se a força de compressão, (c) inicia-se a formação da solda e (d) a solda é completada.
Soldagem por Fricção Soldagem em Estado Sólido
• Soldagem no estado sólido que produz coalescência dos materiais através do calor obtido pelo deslizamento obtido mecanicamente através do movimentação entre as superfícies de atrito na soldagem.
O ferro passa de ccc para cfc a 910 ºC. Nesta temperatura os raios atômicos são respectivamente , 1,258Å e 1,292Å. Qual a percentagem de variação de volume percentual provocada pela mudança de estrutura?
Vccc= 2a3 Vcfc= a3
accc= 4R/ (3)1/2 acfc = 2R (2)1/2
Vccc= 49,1 Å3 Vcfc= 48,7 Å3
V%= 48,7 - 49,1 /48,7 = - 0,8% de variação
EXERCÍCIO
Obs.:Para o cálculo foi tomado como base 2 células unitárias ccc, por isso Vccc = 2a3 uma vez que na passagem do sistema ccc para cfc há uma contração de volume
Soldagem por difusão• A soldagem por difusão (Diffusion Welding, DFW) é um processo de
união no estado sólido que produz a solda pela aplicação de pressão a elevada temperatura sem a deformação macroscópica das peças.
• Um metal de adição pode ser colocado entre as superfícies da junta.
• A soldagem por difusão é um processo especializado de soldagem de aplicação restrita quando deseja-se: (a) evitar problemas metalúrgicos associados com a soldagem por fusão, (b) fabricar componentes de dimensões e forma próximas das desejadas no produto final (“net shape”), e (c) produzir peças espessas com propriedades uniformes ao longo da espessura.
• O processo só é economicamente viável quando materiais especiais e de elevado custo são utilizados ou quando existe uma grande exigência quanto às dimensões da peça soldada, tendo suas aplicações sido, até o presente, limitadas, em geral, às indústrias eletrônica e aero-espacial.
Solda por difusão
Difusão em estado não constante
(“non steady-state diffusion”) O gradiente de concentração em função da posição, e o fluxo de difusão, variam com o
tempo!
2ª Lei de FICK
Se D não depender da concentração de cada ponto....
Resolução fornece concentração em função da posição e do tempo!
x
CD
xt
C.
2
2
.x
CD
t
C
Microcópio Òtico – 2.000xMicroscópio Eletrônico de Varredura (MEV) – Superfície de fratura – 300.000xMicroscópio Eletrônico de Transmissão (MET)Observa as discordâncias – 1.000.000x
Observação da macro e microestrutura
Lupa - Macrografia
Microcópio Òtico Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV)
Microscópio Eletrônico de Transmissão (MET)
MEDIÇÃO DO TAMANHO DE GRÃO (T.G.): OU
N = 2 n-1
onde:
N = número de grãos/ pol2 com aumento de 100 vezesn ou G= número de Tamanho de Grão ASTM (1 n 12)
TAMANHO DE GRÃO – PRINCIPAL VARIÁVEL METALÚRGICA