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Material didático elaborado pela professora Ana Sofia C. M. d´Oliveira, da UFPr, para uso em aulas de pós-graduação da disciplina Metalurgia Física.
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A.S.D’Oliveira
Defeitos/Imperfeições
cristalinos
A.S.D’Oliveira
Defeitos cristalinos
- lacunas
- interstícios
- átomos estranhos:
-substitucionais
- intersticiais
Número de lacunas em equilíbrio: Existe um número de lacunas em equilíbriopara cada temperatura. Este número aumenta exponencialmente com atemperatura, de acordo com lei de Arrhenius:
Defeitos pontuais:
)/exp( RTQNN vv
A.S.D’Oliveira
Defeitos de linha:
São as discordâncias; podem ter
caracter em aresta, em espiral ou
mista. A discordância possui um vetor
de burguers (b), o qual tem o módulo
do deslocamento em um átomo
provocado pelo defeito.
Espiral
Aresta
Mista
A.S.D’Oliveira
Discordância em aresta ou cunha, corresponde à presença de um semi-
plano de átomos extra (termina em B).
Linha da discordância é perpendicular ao vetor de Burgers
Defeitos de linha
Determinação do vetor de Burgers da discordância.
A.S.D’Oliveira
Defeitos de linha
Discordâncias em aresta, o vetor b é perpendicular à linha da discordância
Discordâncias em espiral, o vetor de burguers é paralelo a linha da discordância.
Discordância em espiral.Discordância em aresta
A.S.D’Oliveira
b
Linha da discordância
(anel de discordância)
Discordância espiral
b//linha da
discordância (A)
Discordância em aresta
b ┴ linha da
discordância (B)
Defeitos de linha:
Região deformada
Região não deformada
A.S.D’Oliveira
Defeitos de linha:
Distorção na
rede provocada
pela presença
de uma
discordância
em aresta
Campo de tensões decorrente da
presença de uma discordância
Discordância
mista
A.S.D’Oliveira
Deslizamento de uma discordância em aresta forma um degrau decomprimento igual ao vetor b ao final do seu deslizamento.
Simplificação: a soma de múltiplos degraus compõe a deformação plásticatotal do metal.
O mesmo efeito pode ser produzido pelo deslizamento de uma discordância
em espiral
Defeitos de linha:
A.S.D’Oliveira
Uma tensão cisalhante atuando no plano e direção de deslizamento provoca amovimentação das discordâncias.
Mesmo que a tensão aplicada ao material seja uma tensão normal, ela vai possuiruma componente cisalhante que atua no plano da discordância.
Defeitos de linhaMovimento das discordâncias
Quando a tensão cisalhanteatingir um valor crítico (c), adiscordância começa a semovimentar no plano e nadireção.
O valor crítico c depende domaterial e do sistema dedeslizamento considerado(plano e direção),.
A.S.D’Oliveira
Metais CFC (deslizamento cruzado)
Planos de deslizamento
A.S.D’Oliveira
contorno de grão - separa duas regiões de orientações cristalográficasdiferentes no material.
Defeitos de superfície:
Contorno
de grão
de alto
angulo
Contorno de
grão de
baixo angulo
Os contornos de grão são criados durante a solidificação do material ou durante
processos de deformação e recristalização.
O contorno de grão é uma região de alta energia, devido à sua alta densidade de
defeitos cristalinos.
A.S.D’Oliveira
Contornos de grão
A.S.D’Oliveira
Defeitos de superfície
contornos de grão - regiões repletas de defeitos cristalinos (lacunas ediscordâncias)
Constituem obstáculos ao deslizamento de discordâncias responsável peladeformação plástica e à propagação de trincas.
Quanto mais contornos de grão, mais resistente à deformação e mais tenazfica o material metálico.
O refino de grãos constitui um eficiente mecanismo de aumento daresistência e da tenacidade.
Difusão pelos contornos de grão - mais rápida, devido à alta densidade de lacunas.
A.S.D’Oliveira
contornos de macla/ macla - região onde os átomos apresentam umasimetria de espelho em relação ao contorno
Resultam de deslocamentos atômicos produzidos por força mecânica (maclasde deformação) ou pelo recozimento (maclas de recozimento).
Defeitos de superfície
A.S.D’Oliveira
Falhas de empilhamento - comuns nos materiais cúbicos de faces centradas(CFC).
Ocorrem quando, em uma pequena região do material, há uma falha na sequênciade empilhamento dos planos compactos.
Nos cristais CFC esta sequência é do tipo ABCABCABC...,
Nos cristais hexagonais compactos (HC) ela é ABABAB...
Uma sequência ABCABABCABC... em uma região do cristal CFC, caracteriza umafalha de empilhamento, que vem a ser uma pequena região HC dentro do cristalCFC.
Defeitos de superfície
A.S.D’Oliveira
Falhas de empilhamento - podem surgir nos cristais CFC devido a dissociação dediscordâncias parciais.
O deslizamento no sistema CFC ocorre nos planos {111} segundo as direçõessupercompactas <110> destes planos. Entretanto, ocorre um “ganho energético” sea discordância se dissociar em duas para fazer este deslizamento: primeiro passapara um plano (110) superior e depois retorna ao plano (111) original. Gera-seassim uma falha de empilhamento entre as duas discordâncias parciais.
Defeitos de superfície
A.S.D’Oliveira
Falhas de empilhamento são geradas durante a deformação plástica.
Um metal CFC terá mais ou menos falhas de empilhamento de acordo com
a sua energia de falha de empilhamento (E.F.E.) - um parâmetro sensível
à composição química
A E.F.E. é uma tensão superficial que age no sentido de recombinar as
parciais e eliminar as falhas. Mas também existe, em outro sentido, a força
de repulsão entre as duas parciais.
Metais com baixa EFE desenvolvem grandes e numerosas falhas de
empilhamento no encruamento, e têm características mecânicas diferentes
dos metais com alta EFE.
Defeitos de superfície
A.S.D’Oliveira
As falhas de empilhamento influem de forma marcante nascaracterísticas mecânicas dos materiais metálicos.
Discordâncias dissociadas não podem realizar um movimentoimportante, que é o deslizamento cruzado.
Assim, metais CFC com baixa energia de falha de empilhamento têmgrande densidade de falhas, e costumam apresentar as seguintescaracterísticas:
- Produzem arranjos planares de discordâncias no encruamento;
- Possuem alta expoente de encruamento (n);
- Possuem resistência à fluência, ou seja, ao amolescimento com a temperatura;
Defeitos de superfície
A.S.D’Oliveira
Interação entre imperfeições
cristalinas
A.S.D’Oliveira
Defeitos pontuais:
- Lacunas difusão transformações de fase
- Lacunas, interstícios e átomos soluto abaixam a condutividade
elétrica e térmica
- Átomos soluto provocam endurecimento por solução sólida
Defeitos de linha (discordâncias)
Deslizamento de discordâncias nos planos atômicos mais densos permiteque o metal se deforma plasticamente.
A.S.D’Oliveira
Mecanismos de endurecimento
O que são mecanismos de endurecimento?
- Obstáculos a movimentação das discordâncias que
provocam um aumento da resistência mecânica do
metal
Quatro mecanismos de endurecimento:
- Solução sólida
- Precipitação/Partículas de segunda fase
- Refino de grão
- Encruamento
A.S.D’Oliveira
Movimento de uma discordância
Anel de
discordância
A.S.D’Oliveira
Mecanismos de endurecimento
Solução sólida
Átomos de soluto ocupam lugares da rede cristalina de um
dado metal;
Estes átomos provocam distorção na rede; para minimizar
a energia do material procuram lugares onde se
acomodam mais facilmente => junto a discordâncias....
Dificuldade de
movimentar
discordâncias
Aumento da
resistência
do material
A.S.D’Oliveira
Efeito da dimensão do átomo de
soluto
Interação do átomo
de soluto com as
discordâncias
Mecanismos de endurecimento
Solução sólida
A.S.D’Oliveira
Mecanismos de endurecimento
Acomodação dos átomos de
soluto e Interação com as
discordâncias
SS substitucional SS intersticial
Solução sólida
A.S.D’Oliveira
Mecanismos de endurecimento
Precipitação/Dispersão de partículas de segunda fase
O material exibe uma segunda fase, isto região com
composição e características distintas, dispersa na matriz.
Provocarem distorção na rede;
As discordâncias vão ter dificuldade em se movimentar
através destas partículas (ex: carbonetos)
Dificuldade de
movimentar
discordâncias
Aumento da
resistência
do material
A.S.D’Oliveira
Mecanismos de endurecimento
Precipitação/Dispersão de partículas de segunda fase
Precipitação
Dependência do tipo
de precipitado
Aumenta
resistência
Diminuiu
resistência
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Dispersão
Introdução de finas partículas de óxidos em uma matriz
(moagem de alta energia)
Mecanismos de endurecimento
Interação partículas-discordâncias
Precipitação/Dispersão de partículas de segunda fase
A.S.D’Oliveira
Mecanismos de endurecimento
Dificuldade de
movimentar
discordâncias
Aumento da
resistência
do material
Contornos de grão
Regiões que apresentam distorção na rede atrapalhando a
movimentação das discordâncias
A.S.D’Oliveira
Mecanismos de endurecimento
Contornos de grão
Contorno
de grão
de alto
angulo
Contorno de
grão de
baixo angulo
Efeito do tipo de contorno de grão
Grão refinado => maior resistência
A.S.D’Oliveira
Mecanismos de endurecimento
Encruamento
A multiplicação do número de discordâncias durante a
deformação de um metal reduz o caminho livre entre
discordâncias, isto é, sua movimentação é reduzida
Dificuldade de
movimentar
discordâncias
Aumento da
resistência
do material
A.S.D’Oliveira
Sistemas primários de deslizamento: planos e direções mais compactos de umadada estrutura cristalina
Estes são os sistemas que são acionados num processo de deformação plástica.
Deformação
plástica
número de
discordâncias é
multiplicado por
algumas ordens
de grandeza
discordâncias
passam a
interagir entre si
e o
deslizamento se
torna mais
difícil, exigindo
maior tensão.
aumento da
tensão
necessária
para deformar
o material
devido ao
aumento da
deformação
recebe o nome
de
encruamento.
Movimento das discordâncias
Mecanismos de endurecimento
A.S.D’Oliveira
Mecanismos de endurecimento
Multiplicação de discordâncias
Aumento da
resistência mecânica
A.S.D’Oliveira
Movimento de discordâncias a alta temperatura:
Escalonamento de discordâncias
Mecanismo controlado por difusão
Muito importante
em fluência
Interação entre lacunas e discodâncias
A.S.D’Oliveira
Mecanismos de endurecimento
Esquematizar curvas tensão-deformação:
1. Latão vs Cu puro
2. Latão encruado vs Latão recristalizado
3. Al puro vs Liga Al encruada vs liga de Al
Quais destes mecanismos permanecem
ativos a temperaturas elevadas?
A.S.D’Oliveira
Difusão
A.S.D’Oliveira
Movimentação dos átomos: interação átomo/lacuna
Difusão
A.S.D’Oliveira
Energia de difusão
Difusão
A.S.D’Oliveira
Difusão
Difusão substitucional
- átomos trocam de lugares com as lacunas
Taxa de difusão depende:
n. de lacunas
energia de ativação para a troca
A.S.D’Oliveira
Difusão
Difusão intersticial
- mais rápida do que a difusão das lacunas
A.S.D’Oliveira
Auto difusão ocorre em ligas homogêneas que não se tem um gradiente de
concentração
Difusão
Auto-difusão
A.S.D’Oliveira
Difusão
Auto-difusão
Metal puro
Liga metálica
A.S.D’Oliveira
Difusão
Exemplo: Recristalização
A.S.D’Oliveira
Difusão
Presença de gradientes de concentração - Interdifusão
O que determina se a partícula migra para a direita ou para a esquerda?
Cada partícula sabe a sua concentração “local”?
→Cada partícula tanto pode se movimentar para a esquerda como para a
direita
→Nas interfaces vão existir mais partículas migrando para a direita do
que para a esquerda-> fluxo médio de partículas para a direita
A.S.D’Oliveira
Difusão
A.S.D’Oliveira
Interdifusão: os átomos tem tendência a migrar das regiões de maior
concentração para as de menor concentração
Difusão
A.S.D’Oliveira
Difusão
Exemplo: Cementação
Carbono difunde do meio para o
interior da peça
Átomos de carbono reduzem a
movimentação dos planos e geram tensões
compressivas