AULA 07 DEFORMAÇÃO PLÁSTICA DOS METAIS

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1 AULA 07 DEFORMAÇÃO PLÁSTICA DOS METAIS

2 Conceitos fundamentais σ Os materiais experimentam dois tipos de deformação: elástica e plástica. Elástica: retornável. Plástica: permanente. ε Em uma escala microscópica: a. Deformação elástica é associada ao alongamento das ligações atômicas; b. Deformação plástica corresponde ao movimento de um grande número de átomos em resposta à aplicação de uma tensão.

3 Conceitos fundamentais Quando a tensão em aplicação supera a tensão de escoamento iniciam-se as rupturas das ligações químicas e os movimentos atômicos no interior dos materiais. Espécie de rolamento de átomos. Mesmo os esforços externos aplicados sendo de tração ou compressão, as tensões responsáveis pela deformação plástica são de cisalhamento.

4 Conceitos fundamentais Por que a resistência medida dos materiais é muito menor do que aquela predita pelos cálculos teóricos, baseados na força de ligação dos átomos de um cristal perfeito do material? Ø Ex: a resistência mecânica do cobre é algo em torno de 1000 MPa, mas o valor medido é muito menor que este. Devido a existência de discordâncias na rede cristalina dos materiais.

5 Revisão Dois tipos de discordâncias: Discordância em aresta/cunha Discordância em espiral/hélice Mista

6 Conceitos fundamentais A deformação plástica corresponde ao movimento de um grande números de discordâncias. Uma discordância se move em resposta a uma aplicação de uma tensão de cisalhamento.

7 Discordância em aresta Mecânica do movimento (ESCORREGAMENTO): Considere um semiplano adicional de átomos como sendo o plano A; Quando uma tensão de cisalhamento é aplicada, o plano A é forçado para a direita, empurrando assim os planos B, C, D, na mesma direção; Se a tensão de cisalhamento aplicada possui magnitude suficiente, as ligações interatômicas do plano B são rompidas, e este passa a ser o plano adicional; Este processo se repete sucessivamente para os outros planos.

8 Escorregamento e plano de escorregamento: Ø O processo pelo qual uma discordância se move para causar uma deformação plástica no material é chamado escorregamento; Ø Escorregamento O plano cristalográfico ao longo do qual a linha da discordância se movimenta é conhecido como plano de escorregamento. Tensão de cisalhamento Plano extra de átomos Plano de escorregamento Linha de discordância Vetor de Burgers

9 Conjunto plano e direção escorregamento Direções <110> Plano {111} Célula - CFC As discordâncias não se movem com o mesmo grau de facilidade sobre todos os planos e em todas as direções cristalográficos. Há um plano e direção preferencial no qual ocorre o movimento das discordâncias. No caso da figura acima, {111} <110> representa a combinação de plano e direção de escorregamento, ou, SISTEMA DE ESCORREGAMENTO.

10 Sistemas de Escorregamento Ø O plano preferencial é o de maior densidade planar; Ø A direção preferencial é a que apresenta a maior densidade linear. Plano de escorregamento (menor densidade planar) Plano de escorregamento (maior densidade planar) Distância de deslocamento

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12 Número de sistemas de escorregamento e sua influência na deformabilidade dos metais Os metais com estrutura C.F.C. tem 12 sistemas de alta densidade atômica. Ex: Cu, Al, Pb, Ag Au etc... Os metais C.C.C. tem 48 sistemas mas com menor densidade atômica. De maneira geral, esses metais deformam menos até a ruptura que os metais C.F.C. Ex: Fe α, Mo, W, Cr, Nb Os metais HC possuem planos de alta densidade atômica mas em número apenas de 3, o que os torna materiais normalmente frágeis.

13 Escorregamento Todos os materiais apresentam discordâncias que foram introduzidas durante o processo de solidificação, durante a deformação plástica e tensões térmicas geradas por resfriamento rápido. A densidade de discordâncias em um material é expresso geralmente como número de discordâncias por unidade de área de uma seção aleatória. Metais solidificados cuidadosamente: 10 3 discordâncias/mm 2 ; Metais deformados plásticamente: 10 5 a discordâncias/mm 2. Metais que sofreram tratamento térmico: 10 5 a 10 6 discordâncias/mm 2. Quando os metais são submetidos a deformação plástica, uma fração de energia de deformação é usada internamente, o restante é dissipado na forma de calor. Esta energia é utilizada para movimentar as discordâncias no reticulado cristalino.

14 Características das discordâncias: Geram tensões de tração e compressão no reticulado próximo, além disso podem se repelir (a) ou se anular (b) dependendo da localização dessas forças. Reduz a intensidade da deformação conforme se afasta da discordância.

15 Ângulo entre a normal e o plano de escorregamento Escorregamento em monocristais Ângulo entre a direção de escorregamento e de tração O mecanismo de escorregamento e de deformação plástica, pode ser mais facilmente simplificado tratando em monocristais. Quando uma tensão de tração é aplicada, existe componentes de cisalhamento em todas as direções e são conhecidos como tensão de cisalhamento resolvida. Conforme os ângulos formados pela tensão de cisalhamento e a força de tração aplicada, a tensão de cisalhamento resolvida é dada por: Quando a tensão de cisalhamento resolvida atinge o valor onde inicia o escorregamento, chama-se de tensão de cisalhamento resolvida crítica. E varia de material para material.

16 Deformação plástica em materiais policristalinos O escorregamento é mais complexo devido ao grande número de grãos com orientações diferentes. Cada grão possuirá planos e direções de escorregamentos com ângulos distintos dos vizinhos. Quando se supera a tensão de escoamento inicia o movimento das discordâncias nos grãos melhores orientados com a tensão externa aplicada em relação ao sistema de escorregamento preferencial. Os grãos vizinhos, não tão bem orientados, terminam dificultando a deformação do primeiro. Além das dificuldades das discordâncias passarem pelos contornos de grão. Essas restrições fazem dos materiais policristalinos, materiais mais resistentes que os monocristais. A deformação generalizada causa distorções também nos grãos indicando o sentido da deformação.

17 Qual o efeito dos seguintes defeitos cristalinos sobre o movimento das discordâncias? - Contorno de grão e tamanho de grão; - Precipitados; - Solução sólida.

18 Mecanismos de endurecimento (interação entre imperfeições cristalinas)

19 CRIANDO OBSTÁCULOS A SUA MOVIMENTAÇÃO Fenômeno conhecido como MECANISMO DE ENDURECIMENTO DIFICULTAR O MOVIMENTO DAS DISCORDÂNCIA RESUMINDO Leva ALTERAÇÕES NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DO MATERIAL Tal como: - Aumento da resistência mecânica; - Redução da ductilidade; - Etc,. COMO DIFICULTAR O MOVIMENTO DAS DISCORDÂNCIAS??

20 O que são mecanismos de endurecimento? Obstáculos a movimentação das discordâncias que provocam um aumento da resistência mecânica do metal. Como isto pode acontecer? Isto pode acontecer de 4 maneiras diferentes:

21 ENCRUAMENTO: fenômeno pelo qual um metal dúctil se torna mais resistente quando é submetido a uma deformação plástica. Este tipo de fenômeno também é chamado de endurecimento por trabalho. Pelo fato de a temperatura em que a deformação é efetuada a fria em relação à temperatura absoluta de fusão do metal, é também chamado de endurecimento de trabalho a frio. Impactos: Aumento da tensão máxima e redução da ductilidade. O cálculo pode ser feito pela equação: % TF = (A o A d / A o ) x 100

22 A d A o % TF = (A o A d / A o ) x 100

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24 Neste caso, há uma multiplicação do número de discordâncias durante a deformação a frio de um metal, reduzindo o caminho livre entre discordâncias, isto é, sua movimentação é reduzida. Multiplicação de discordâncias Redução da distância média de separação entre as discordâncias

25 Efeito do tamanho de grão na resistência mecânica Quando uma discordância encontra um contorno de grão ela tem que mudar de direção já que o sistema de escorregamento também muda. Quanto maior for a diferença na orientação, mais difícil a mudança de grão. Soma-se a isto, a desordenação atômica no contorno, que dificulta o escorregamento. A s s i m q u a n t o m e n o r e s o s tamanhos de grão, mais contornos e s t a r ã o n o c a m i n h o d a s discordâncias, necessitando de mais força de cisalhamento sobre os planos para realizar a deformação plástica. O material fica mais resistente mecanicamente. Tamanho de grão pode ser controlado pela taxa de solidificação a partir do resfriamento controlado Direção diferente dos grãos

26 Relação de Hall-Petch Válida para materiais monocristalinos Equação de Hall Pech Onde: d= tamanho médio do grão; σ o e k y são constantes características do material. Tensão de escoamento Não é válido para policristalinos devido a amplitude de tamanho de grão.

27 AUMENTO DA RESISTÊNCIA POR SOLUÇÃO SÓLIDA Outra técnica para aumento na resistência consiste na formação de liga com átomos de impurezas que entram em solução sólida substitucional ou intersticial. Esta técnica é chamada de aumento de resist. por solução sólida. Os metais com elevada pureza são mais macios que materiais ligados; Estes átomos de impureza entram em solução sólida e impõem deformações na rede cristalina, restringindo o movimento das discordâncias. Tensão máxima Ductilidade Ligas de Ni-Cu

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30 Exercícios

31 Letra d a) Na curva referente ao material dúctil, a tensão de ruptura é comparativamente superior à tensão de ruptura do material frágil. b) Os pontos B e B representam o máximo esforço suportado pelos materiais. c) No material dúctil a deformação sofrida no intervalo AC é inversamente proporcional à tensão aplicada. d) Para o material dúctil a tensão máxima suportada possui valor diferente da sua tensão de ruptura. e) A deformação total (após a ruptura) do material frágil é maior do que a deformação total do material dúctil.

32 a) Oxidação e normalização. b) Laminação e recozimento. c) Cementação e têmpera. d) Recozimento e normalização. e) Nitretação e oxidação.

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35 Recuperação, recristalização e crescimento de grão

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37 Trabalho a frio Ao Af

38 Processo de trefilação v=fev81dumcq4 Produto

39 Vários processos de conformação mecânica que envolvem deformação plástica Forjamento Laminação Extrusão Dobramento Matriz Estiramento Embutimento Profundo τ Cisalhamento

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41 recozimento Adequar as propriedades mecânicas a especificação de projeto

42 Recuperação, recristalização e crescimento de grão Para anular os efeitos do encruamento e voltar a ter as propriedades anteriores à deformação plástica, deve-se fazer um tratamento térmico chamado de recozimento. Este tratamento é composto de 3 etapas: Recuperação: Ocorre um alívio de parte das tensões internas. Recristalização: Nucleiam novos grãos no material com a forma anterior à deformação e as propriedades mecânicas voltam aos valores originais. Crescimento de grãos: Após a recristalização estar completa, os novos grãos continuarão a crescer, alterando as propriedades mecânicas.

43 Recuperação, Recristalização e Crescimento de Grão a) Tra b a l h o a f r i o (33% de TF. ) b) Estágio inicial de recristalização (3s a 580 o C); c) Substituição parcial d e g r ã o s deformados por recristalizados (4s a 580 o C); d) R e c r i s t a l i z a ç ã o completada (5s a 580 o C); e) Crescimento de grão após 15 min a C; f) Crescimento de grão após 10 min a 700 o C. Recristalização do latão (Cu+Zn)

44 Influencia da temperatura de recristalização Bronze Cu+Sn

45 Temperatura de recristalização (temperatura em que o material recristaliza em 1 hora) e de fusão para diversos metais e ligas

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