7/22/2019 Deformao plstica dos slidos cristalinos
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Deformao plstica dosslidos cristalinos
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Deslizamento Nos metais, a deformao plstica ocorre atravs de deslizamentode "blocos" do cristal,
uns sobre os outros, ao longo de planos cristalogrficos definidos (planos dedeslizamento);
Ocorre quando a tenso cisalhante atinge um valor crtico;
Da a simetria da estrutura cristalina, essa perfeitamente restaurada aps a ocorrncia
do deslizamento, pois cada tomo move-se na regio deslizada o mesmo nmero deespaos na rede;
O deslizamento ocorre preferencialmente segundo planos e direes cristalogrficas demaior densidade atmica:
- planos de maior densidade atmica;
- direes cristalogrficas mais compactas;
A direo e o plano de deslizamento definem o sistemadedeslizamento;2
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Deformao por deslizamento
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Nos metais hexagonaiscompactos:
- o plano basal (0001) o nico de grandedensidade atmica. Os eixos diagonais so as direes compactas;
- dado que s existe 1 plano basal por
clula e 3 direes compactas, h apenas3 sistemas de deslizamento;
- Com isso, apresentam baixa ductilidade eso extremamente dependentes daorientao;
Deformao por deslizamento
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Nos metais cbicos de face centrada:
- os planos octadricos {111} e as direes formam os sistemas compactos;
- apresentam 8 planos {111}. Mas os planosdas faces opostas so paralelos, o que, na
verdade, resulta apenas em 4 grupos deplanos octadricos. Em cada plano h 3direes , resultando em 12 sistemasde deslizamento;
- tal fato resulta em grande ductilidade dos
metais CFC;
Deformao por deslizamento
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Nos metais cbicos de corpo centrado:
- sua estrutura no to compactaquanto a HC ou CFC, no apresentandoplano de densidade atmicapredominante. No entanto, a direo to compacta quanto do
CFC ou do HC;
- o deslizamento pode ocorrer nos planos{110}, {112} ou {123}, sendo sempre adireo [111];
- dessa forma, h 48 sistemas dedeslizamento possveis;
- contudo, como no so planos tocompactos, so necessrias maiorestenses de cisalhamentopara produzirseu deslizamento;
Deformao por deslizamento
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Alguns metais apresentam planos de deslizamento adicionais medida que atemperatura aumenta;
O deslizamento em cermicos, com ligaes covalentes ou inicas, requer que sesatisfaam interaes entre tomos de mesma natureza e natureza diferente. Com isso,nesses materiais h muito menos direes de baixa tenso cisalhante, em comparaoaos cristais cbicos;
Deformao por deslizamento
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Deslizamento por discordncias Considerando-se uma rede cristalina perfeita, podem ser feitas estimativas da tenso de
cisalhamento necessria para o deslizamento;
Os valores tericos so da ordem de 102-103kgf/mm". Contudo, os valores experimentaisnos materiais metlicos so da ordem de 0,1-10 kgf/mm";
Essa diferena dada pela atuao das discordnciasno processo de deslizamento:
- o movimento de uma discordncia pela rede requer uma tenso de cisalhamento beminferior ao valor terico;
- o movimento dessa discordncia produz um degrau - ou banda de deslizamento- nasuperfcie livre do metal;
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Quando h uma discordncia, os tomos distantes permanecem em posio de energiamnima. Prximo mesma, necessrio apenas de um pequeno movimento atmico
para que a discordncia se mova;
Quando o semiplano atinge a superfcie livre, formado um degrau de deslizamento;
Deslizamento por discordncias
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A tenso para movimentar uma discordncia pode ser dada pela equao de Peierls-Nabarro:
A tenso necessria para movimentar uma discordncia muito baixa;
Nas direes compactas, b minimizado, reduzindo ainda mais o valor de #P;
Quando a estrutura cristalina complexa e no apresenta planos e direes muitocompactas, as discordncias tendem a ser imveis, ocasionando sua alta dureza efragilidade;
A deformao plstica macroscpica total dada pela soma de todas as pequenasdeformaes pela passagem de discordncias individuais;
Deslizamento por discordncias
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A deformao cisalhante macroscpica de um cristal pelo efeito da movimentao dediscordncias de ser dado por:
A densidade dediscordncias () o
comprimento total de linhasde discordncias porunidade de volume ou onmero de linhas quecortam uma reatransversal unitria.
Deslizamento por discordncias
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A extenso do deslizamento num monocristal depender de:
- magnitude da tenso cisalhante produzida pela ao de cargas externas;
- geometria da estrutura cristalina;
- orientao dos planos de deslizamento ativos em relao s tenses de cisalhamento;
O deslizamento se inicia quando a tenso cisalhante no plano de deslizamento atinge umvalor limite, a tenso cisalhante resolvida crtica (TCRC);
Este valor o equivalente para os monocristais do limite de escoamento para os
policristais. a tenso que causa o movimento de um grande nmero de discordncias,resultando em deformao mensurvel;
Um carregamento em trao de uma monocristal induz tenses cisalhantes no mesmo euma relao entre a tenso trativa e a TCRC pode ser estabelecida;
#crtica para o deslizamento
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#crtica para o deslizamento
A TCCR (#R) ser dada por:
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A equao fornece a tenso cisalhante resolvida na direo e plano de deslizamento;
A tenso ser mxima para $=%=45, onde #R=0,5 P/A;
Se o eixo de trao for normal ou paralelo ao plano de cisalhamento, #R=0, o que significaquero deslizamento no ocorre. Os cristais prximos a essa orientao tendem a fraturarem vez de deslizar;
A magnitude da TCRC de um cristal determinada pela interao entre a populao dediscordncias e com defeitos como lacunas e intersticiais;
Essa tenso maior que a tenso para movimentar uma nica discordncia, mas muito
menor que a necessria para produzir deslizamento numa rede cristalina perfeita;
#crtica para o deslizamento
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Nos metais, com a deformao plstica, h um aumento contnuo da tenso cisalhantenecessria para produzir deslizamento;
Tal aumento da tenso por efeito da deformao plstica prvia o encruamento;
causado pela interao entre as discordncias entre si e com barreiras que impedemseu movimento pela rede;
O nmero de discordncias aumenta com a deformao 105- 106para 1010- 1012;
A multiplicao de discordncias pode advir de:
- condensao de lacunas;
- fontes regenerativas que atuam sob a tenso aplicada (ex. fonte de Frank Read oumecanismo de deslizamento cruzado mltiplo);
- emisso de discordncias em um contorno de alto ngulo;
Encruamento
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As discordncias se empilham nos planos de deslizamento, quando bloqueadas porbarreiras;
Tais empilhamentos produzem uma tenso de reao, que se ope tenso aplicada noplano de deslizamento;
Encruamento
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Define a magnitude e direo de deslizamento:
- discordncia em aresta: b perpendicular a linha da discordncia e paralelo aomovimento da mesma;
- discordncia em espiral: b paralelo a linha da discordncia e perpendicular aomovimento da mesma;
Vetor de Burgers (b)
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Nos cristais reais, as discordncias so raramente linhas retas e raramente se encontramem apenas um plano;
Em geral, a discordncia ser parcialmente aresta e parcialmente espiral, tornando aforma curvada ou de anel, formando uma rede interconectada;
Ao se considerar um anel de discordncia no plano de deslizamento, qualquer segmento
poder ser resolvido em componentes aresta e espiral;
Anel de discordncia
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Ocorre para discordncias em espiral, que podem mudar de plano de deslizamento, seeste contiver a direo de b;
Deslizamento cruzado
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Na rede CFC, o deslizamento ocorre no plano {111} e na direo [110];
O deslocamento bdos tomos pode ser simplificado pela formao de discordnciasparciais, que representam a movimentao em duas etapas dos tomos,energeticamente mais favorveis;
Discordncias na rede CFC
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Uma discordncia perfeitaquebra-se em duas discordncias parciais, reduzindo aenergia da rede;
Discordncias na rede CFC
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Como as discordncias parciais tem deformaes na rede aproximadamente iguais, huma fora repulsiva entre elas. Isso forca a adio de outros planos de tomos;
Isso leva a formao de discordncias extendidas;
Discordncias na rede CFC
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Entre as discordncias parciais h uma falha de empilhamento;
A separao entre as duas discordncias parciais um balano entre a energiarepulsiva das discordncias e a energia superficial da falha;
A dissociao de uma discordncia em parciais independente de seu carter: aresta,espiral ou mista;
A separao de equilbrio entre as discordncias parciais dada pela energia de falhade empilhamento (EFE):
- alta EFE: tende a formar falhas de empilhamento estreitas. Ex: Al;
- baixa EFE: forma falhas de empilhamento mais largas. Ex: Cu;
Discordncias na rede CFC
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Outro tipo de discordncia parcial pode existir na rede, na qual h a falta de um pedaodo plano. Uma discordncia em aresta formada (discord. parcial de Frank);
b perpendicular falha de empilhamento. Como o deslizamento restrito ao plano dafalha de empilhamento e b normal ao mesmo, a discordncia parcial imvel;
So conhecidas como discordncias bloqueadas (sessiledislocations dislocations). As
discordncias que podem se movimentar so conhecidas como discordncias mveis(glissile dislocations) ;
S pode se mover pela difuso de tomos ou lacunas para a falha (escalagem);
Esses tipos de discordncias parciais promovem obstculos movimentao de outrasdiscordncias;
Discordncias na rede CFC
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A interseo de discordncias pertencentes a dois planos {111} durante o deslizamentoduplex pode produzir discordncias bloqueadas;
Tais discordncias formam as barreiras da Lomer-Cottrell;
Forma uma discordncia em aresta com bno plano (100). Como (100) no o planomais compacto, a discordncia no deslizar livremente;
A barreira de Lomer-Cottrell pode ser superada com altas tenses e/ou temperaturas.Constitui um importante mecanismo de encruamento;
Discordncias na rede CFC
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O deslizamento ocorre no plano basal (0001), segundo a direo ;
As discordncias no plano basal podem reduzir a sua energia pela dissociao emdiscordncias parciais;
A falha de empilhamento produzida nessa reao se encontra no plano basal;
A discordncia estendida formada tem seu deslizamento confinado a esse plano;
Discordncias na rede HC
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Na rede CCC, odeslizamento ocorre na
direo ;
As linhas de deslizamentono Fe ocorrem em {110},{112} e {123} e, em outrosmetais CCC ocorrepredominantemente nosplanos {110};
Discordncias extendidasno so normalmente
observadas nos metaisCCC;
Discordncias na rede CCC
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Uma discordncia rodeada por campos de tenses elsticas que atuam sobre outrasdiscordncias e tomos soluto;
Para as discordncias em aresta h campos de tenso trativo e compressivo e a tensocisalhante mxima dada em seu plano de deslizamento;
Para as discordncias em espiral, no h um plano extra de tomos, no induzindo
assim campos de trao e compresso. O campo de tenses simplesmente decisalhamento;
A energia total de deformao de uma discordncia a soma da deformao elstica,acrescida da energia do ncleo da discordncia e pode ser simplificada para:
Tenso e energia de discordncias
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Quando uma fora externa suficiente for aplicada a um cristal, promover amovimentao das discordncias no mesmo. Tal fora sobre a linha da discordncia
dada por:
Uma discordncia possui uma tenso de linhaque tende a minimizar a sua energia pela
reduo de seu comprimento;
Portanto, uma discordncia pura s permanecer curva se houver uma tenso cisalhanteproduzindo uma fora sobre a mesma;
Interaes das discordncias
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Discordncias com sinais opostos em um mesmo plano de deslizamento iro se atrair,anulando-se mutuamente e fazendo com que o plano extra desaparea;
Discordncias com sinais iguais num mesmo plano de deslizamento repelir-se-omutuamente;
Quando discordncias de sinais opostos se encontram em planos vizinhos muito
prximos, no possvel ocorrer anulao total. Se combinam dando origem a:
- fileira de lacunas se:
- tomo intersticial se:
Foras entre discordncias
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Discordncias em espiral:
Discordncias em aresta:
Foras entre discordncias
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Uma discordncia em aresta s pode deslizar no plano de deslizamento definido pelalinha de discordncia e seu vetor de Burgers;
Sob cotas condies, essa pode sair de seu planos de deslizamento para um planoparalelo, acima ou abaixo, pelo processo de escalagem de discordncia;
Ocorre por meio da difuso de lacunas ou tomos intersticiais daou paraa base da
discordncia;
A escalagem controlada pela difuso e, consequentemente, termicamente ativada.Com isso, mais freqente em altas temperaturas:
- escalagem positiva: so retirados os tomos pertencentes ao semiplano atmico deuma discordncia em aresta positiva;
- escalagem negativa: adicionada uma fileira de tomos abaixo do semiplano extra;
Escalagem de discordncias
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a existncia de uma tenso de compresso na direo de deslizamento causa uma foramotriz para a escalagem positiva, enquanto;
uma tenso de trao normal ao semiplano induz uma fora no sentido da escalagemnegativa;
Dependendo do tipo de escalagem, a discordncia pode atuar como um sorvedourooufontede discordncias;
Na escalagem, dificilmente so inseridos ou retirados planos inteiros de tomos. Naverdade, h a formao de pequenos degrausao longo da linha da discordncia;
Escalagem de discordncias
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freqente que uma discordncia, movimentando-se emseu plano de deslizmento, intercepte outras discordncias;
Tais intersees tm papel importante nos processos deencruamento dos metais;
A interseo de duas discordncias aresta forma degraus
com orientao em espiral;
Quando os degraus esto no plano de deslizamento originalda discordncia, so conhecidos como dobras, sendoinstveis e podem se alinhar com o resto da discordncia;
Interseo de discordncias
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A interseo entre discordncias espiral e aresta produz degraus com orientao arestaem ambas as discordncias;
Degraus produzidos por duas discordncias em aresta podem deslizar livremente, poisse encontram nos planos de deslizamento das discordncias originais;
Com isso, as discordncias em aresta pura no tem seu movimento afetado pela
presena de degraus;
Para os discordncias em espiral, todos os degraus formados presentes tm orientaoem aresta. Como uma discordncia em aresta s pode se mover em plano contendo alinha e vetor de Burgers, sua nica forma de se movimentar por escalagem;
Interseo de discordncias
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Mesmo em metais completamente recozidos ou cuidadosamente solidificados h aformao de discordncias;
Todos os metais apresentam um considervel nmero inicial de discordncias,produzidas durante o crescimento do cristal;
Discordncias podem surgir nos metais a partir de:
- desalinhamento entre os braos dedrticos durante a solidificao;
- formao de anis de discordncias devido a agregao ou colapso de lacunas;
- nucleao heterognea de discordncias, resultante de altas tenses localizadas empartculas de segunda fase, contornos de gro ou transformao de fases;
Fontes de discordncias
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Novas discordncias podem ser produzidas durante o processo de deslizamento, partir de fontes presentes nos metais;
Tal mecanismo necessrio para explicar o deslocamento da superfcie em uma bandade deslizamento, que decorre do movimento de cerca de 1000 discordncias;
O nmero inicial de discordncias no seria suficiente para promover tais deslocamentos
e espaamentos;
Caso no existissem as fontes, a deformao a frio promoveria a reduo o nmero totalde discordncias e no o seu aumento;
O mecanismo conhecido como fonte de Frank-Read;
Multiplicao de discordncias
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Multiplicao de discordncias
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Interaes de discordncias com
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tomos soluto isolados e e lacunas so centros de distoro elstica (assim como as
discordncias);
Com isso, os defeitos pontuais e e discordncias interagiro-se elasticamente e exercerforas mutuamente;
Para uma discordncia em aresta interagindo com um defeito pontual:
- soluto > solvente: ser repelido pela regio compressiva da discordncia e atradopela regio trativa;
- soluto < solvente: ser atrado pela regio compressiva;
Lacunassero atradas pela regio de compressoe intersticiaissero atrados pelaregio trativa;
Interaes de discordncias comdefeitos pontuais
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Interaes de discordncias com
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Como os campos de deformao ao redor de um defeito pontual so esfericamente
simtricos, no produz fora numa discordncia em espiral;
Isso porque uma discordncia em espiral no apresenta campos de tenso trativos ecompressivos, somente cisalhante;
Entretanto, em alguns casos pode haver a formao de uma distoro no esfrica queinduza interaes com defeitos pontuais (como tomos de C em uma matriz CCC);
Dada a interao de um defeito pontual com uma discordncia, esperada que aconcentrao de defeitos seja diferente nos arredores de uma discordncia;
Quando h uma maior concentrao ao redor da discordncia, dito haver umaatmosfera de impurezas;
A interao de discordncias com tomos soluto importante para explicar fenmenoscomo limite de escoamento descontnuo, envelhecimento dinmico e endurecimento por
soluo slida;
Interaes de discordncias comdefeitos pontuais
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Discordncias so freqentemente empilhadas nos planos de deslizamento em barreirascomo contornos de gro, fases secundrias e discordncias imveis;
Na primeira discordncia h no apenas a interao com a tenso cisalhante aplicada,mas tambm a fora de de interao com as outras discordncias no empilhamento;
Quando muitas discordncias so contidas em um empilhamento, a tenso na
discordncia da ponta pode se aproximar da tenso terica de cisalhamento do cristal;
Tal alta tenso pode iniciar escoamento no outro lado da barreira ou nuclear uma trincana prpria barreira;
Empilhamento de discordncias
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As discordncias no empilhamento sero empacotadas prximo ponta da discordnciae mais espaadas afastando-se da ponta;
Empilhamento de discordncias
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Empilhamento de discordncias
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O nmero de discordncias que podem ser empilhadas antes de um obstculodepender de:
- tipo de barreira;
- relaes de orientao entre o plano de deslizamento e as caractersticas estruturaisda barreira;
- material;
- temperatura;
A ultrapassagem de uma barreira pode ocorrer por:
- deslizamento em outro plano por escalagem da discordncia em torno da barreira;
- gerao de tenso trativa suficiente para induzir uma trinca na barreira;
Empilhamento de discordncias
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