Área 3 Relação entre Estrutura e Propriedades

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1 Área 3 Relação entre Estrutura e Propriedades Propriedades Mecânicas Diagrama tensão-deforma deformação Propriedades mecânicas estabelecidas por ensaios carga aplicada - tração - compressão - cisalhamento Diagrama σ x ε forma de aplicação variável com o tempo Fadiga tempo de aplicação - curto - longo Impacto Fluência condições do meio - constante com o tempo Fluência - temperatura -umidade Fadiga Fadiga estática

2 σ σ max Informações importantes a partir do diagrama σ x ε Plástica escoamento σ ruptura escoamento σ 4Tensão máxima Elástica ruptura Resiliência Ductilidade ε Tenacidade 4Deformação 4Ductilidade 4Tenacidade elástica plástica 4Resiliência 4Módulo de Elasticidade (E) Informações importantes a partir do diagrama σ x ε Deformação Elástica Precede à deformação plástica É reversível Desaparece quando a tensão é removida Épraticamente proporcional à tensão aplicada (obedece a lei de Hooke) Deformação Plástica É provocada por tensões que ultrapassam o limite de elasticidade É irreversível porque é resultado do deslocamento permanente dos átomos e portanto não desaparece quando a tensão é removida Plástica Elástica

3 Região elástica 1 a REGIÃO DO DIAGRAMA σ x ε Região elástica: Deformação elástica Módulo de elasticidade Limite de elasticidade Região elástica Módulo de elasticidade E = σ/ε Relação com níveis da estrutura - atômica energia de ligação - cristalina deslocamento regiões povoadas - microestrutural homogeneidade imperfeições Relação com o processo de fabricação Relação com outras propriedades

4 Região elástica Relação E com a estrutura atômica Forças atrativas e repulsivas na ligação entre dois elementos. Diferentes somatório de forças na ligação entre dois elementos, obtendo-se diferentes módulos de elasticidade. Região elástica Relação E com a microestrutura ANISOTROPIA Dependendo do grão (sua orientação, forma,...) o valor do módulo de elasticidade varia.

5 Região elástica Relação E com o ambiente TEMPERATURA Al Cu Fe Mg relação de E com temperatura Este comportamento é observado em materiais cerâmicos e materiais metálicos. E x temperatura para diferentes metais Região elástica Relação E com a microestrutura POROSIDADE Figura mostrando o comportamento acentuado da diminuição da rigidez em relação a porosidade para materiais cerâmicos, metálicos e poliméricos. E=E 0 (1-1,9P+0,9P 2 ) Relação de E com a porosidade

6 Região elástica Relação E com a deformação plástica ocorre em metais E x deformação plástica Não modifica o módulo de elasticidade (a rigidez) do material Modifica a Tensão de escoamento Ductilidade 2 a REGIÃO DO DIAGRAMA σ x ε Transição elásticoplástica: Resistência ao escoamento Região plástica: Deformação plástica Resistência máxima Ductilidade Ponto de ruptura

7 COMO OS MATERIAIS DEFORMAM (e ROMPEM)? 1 a Hipótese: ruptura ao mesmo tempo de todas as ligações. A resistência mecânica seria extremamente elevada comparada à obtida na prática (1000 x!). 2 a Hipótese: deslizamento de planos até a ruptura. Deslizamento materiais podem ser solicitados por tração, compressão ou cisalhamento solicitações de tração e compressão podem ser decompostas em tensões de cisalhamento puras Componentes de cisalhamento (a) tração; (b) compressão

8 Deslizamento Cristais apresentam menor resistência ao cisalhamento que à tração e compressão, logo esta é a solicitação responsável pela deformação destes materiais CRISTAIS DEFORMAM-SE PELO DESLIZAMENTO DE PLANOS CRISTALINOS EM RELAÇÃO AOS DEMAIS Escala microscópica: - deformação plástica é o resultado do movimento dos átomos devido à tensão aplicada - durante este processo ligações são quebradas e outras refeitas. Deslizamento em monocristal O deslizamento ocorre mais facilmente ao longo de certas direções e planos MAIS POVOADOS SISTEMA DE DESLIZAMENTO PLANO DE DESLIZAMENTO DIREÇÃO DE DESLIZAMENTO O NÚMERO DE SISTEMAS (plano + direção) ATRAVÉS DOS QUAIS PODE OCORRER O DESLIZAMENTO VARIA COM A ESTRUTURA CRISTALINA

9 Deslizamento em monocristal Em monocristais dúcteis o deslizamento ocorre em múltiplos planos, em conseqüência observa-se bandas de deslizamento na superfície destes metais. deslizamento provocado pela deformação plástica, devido à força aplicada Linhas de deslizamento no interior das bandas de deslizamento (ampliado) Deslizamento em monocristal LEI DE SCHMID (a) frágil (b) dúctil tensão de cisalhamento τ = F cos λ A/cos ϕ τ= F. cos λ. cos ϕ A τ= σ.cos λ. cos ϕ

10 Deslizamento em monocristal LEI DE SCHMID Tensão de cisalhamento resolvida crítica (τ tcrc ): tensão de cisalhamento mínima exigida para iniciar o escorregamento. σ y = τ crss /(cosφ cosλ) max Para φ = λ = 45 o σ e = 2τ crss Mecanismo hipotético de deslizamento simplificado Assumindo o mecanismo abaixo e calculando o limite de resistência dos metais, obtémse um valor na ordem de 20x Metais não são tão resistentes Deve existir outro mecanismo (a) (b) (c) Mecanismo hipotético simplificado, na verdade os metais se deformam com uma tensão de cisalhamento menor que a exigida por este mecanismo.

11 COMO OS MATERIAIS DEFORMAM (e ROMPEM)? 1 a Hipótese: ruptura ao mesmo tempo de todas as ligações. A resistência mecânica seria extremamente elevada comparada à obtida na prática (1000 x!). 2 a Hipótese: deslizamento de planos até a ruptura. A resistência mecânica ainda bastante elevada (20x!). 3 a Hipótese: deslizamento facilitado por movimento de discordâncias. A resistência mecânica da mesma ordem de grandeza da prática. Materiais sólidos cristalinos apresentam menor resistência ao cisalhamento que à tração e compressão, logo esta é a solicitação responsável pela deformação destes materiais CRISTAIS DEFORMAM-SE PELO DESLIZAMENTO DE PLANOS CRISTALINOS EM RELAÇÃO AOS DEMAIS O DESLIZAMENTO DE PLANOS ATÔMICOS (CRISTALINOS) ENVOLVE O MOVIMENTO DE DISCORDÂNCIAS

12 Deformação plástica e discordâncias O que é discordância? Defeito linear da estrutura cristalina: Deformação plástica e discordâncias Esquema mostrando como o movimento de discordância em cunha origina um degrau unitário de deslizamento.

13 Discordâncias e Mecanismos de Aumento de Resistência A deformação plástica corresponde ao movimento de uma grande quantidade de discordâncias; O movimento de uma discordância se dá de forma discreta (pequenos deslocamentos por vez). O movimento de um plano inteiro de uma vez exigiria uma imensa quantidade de energia para ser realizado. Sistemas de Escorregamento Existe um plano (plano de escorregamento) e uma direção preferenciais, nas quais ocorrerá mais facilmente um escorregamento; A esta combinação é dada o nome de sistema de escorregamento.

14 Sistemas de Escorregamento O plano preferencial é o de maior densidade planar; A direção preferencial é a que apresenta a maior densidade linear. Para o caso de discordâncias de aresta, esta direção é dada pelo vetor de burgers. Plano de escorregamento (menor densidade planar) Plano de escorregamento (maior densidade planar) Distância de deslocamento Sistemas de Escorregamento Geralmente, metais com maior número de sistemas de escorregamento são mais dúcteis. Por isso, metais com estruturas dos tipos CFC e CCC são dúcteis e metais com estrutura HC são frágeis.

15 Deformação plástica e discordâncias Nos sólidos cristalinos a deformação plástica geralmente envolve: - deslizamento de planos atômicos - movimento de discordâncias - formação de maclas Formação e movimento das discordâncias têm papel fundamental para o aumento da resistência mecânica em muitos materiais A resistência mecânica pode ser aumentada restringindo-se o movimento das discordâncias Maclagem Discordâncias não são o único defeito cristalino responsável pela deformação plástica maclas também contribuem A deformação em materiais CFC, como o cobre, é comum ocorrer por maclação. Segundo mecanismo de deformação plástica em METAIS Produção de maclas: uma força cisalhante age ao longo do contorno de grão, causando a transformação dos átomos para novas posições

16 Maclagem Uma parte da rede atômica deforma-se originando a sua transformação a imagem, num espelho plano, da parte não deformada da rede que lhe fica adjacente. PLANO DE MACLA: plano cristalográfico que separa as regiões deformada e não deformada da rede. DIREÇÃO DE MACLAGEM: direção específica em que ocorre a maclagem. Maclagem Átomos se movem em distâncias proporcionais às respectivas distâncias ao plano de macla. Deslizamento Maclagem Diferença básica entre o efeito do deslizamento e da maclagem na topografia da superfície de um material metálico deformado.

17 Maclagem Produção de maclas pode ser iniciada sob a ação de uma força cisalhante, ao longo de seu contorno Contorno de maclas interfere no escorregamento e RM estrutura cristalina microestrutura Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas OBSTRUÇÃO DO DESLIZAMENTO POR: 1. Solubilização de um segundo elemento na rede 2. Precipitação de uma segunda fase 3. Contorno de grão 4. Deformação plástica (excesso de discordâncias)

18 Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas 1. Solubilização de um segundo elemento na rede - movimentação de discordâncias é dificultada - segundo elemento é a barreira para tal movimento - maior a quantidade, maior o efeito - quanto maior a diferença de tamanho de átomos, mais acentuado é o efeito Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas 1. Solubilização de um segundo elemento na rede INTERAÇÃO DE DISCORDÂNCIAS EM SOLUÇÕES SÓLIDAS Quando um átomo de uma impureza esta presente, o movimento da discordância fica restringido, ou seja, deve-se fornecer energia adicional para que continue havendo escorregamento. soluções sólidas de metais são sempre mais resistentes que metais puros de seus constituintes

19 Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas 1. Solubilização de um segundo elemento na rede Controle do deslizamento = controle de prop. mecânicas 1. Solubilização de um segundo elemento na rede Aumento daresistência mecânica do metal devido a formação de solução sólida Resistência mecânica do metal puro SOLUÇÕES SÓLIDAS SÃO MAIS RESISTENTES QUE O METAL PURO

20 2. Endurecimento por partículas de segunda fase * Aumento da resistência mecânica do metal devido a formação de eutético * Aumento da resistência mecânica do metal devido a precipitação de uma segunda fase β. *Aumento da resistência mecânica do metal devido a formação de solução sólida. Resistência mecânica do metal puro MICROESTRUTURAS POLIFÁSICAS SÃO MAIS RESISTENTES QUE O METAL PURO SOLUÇÕES SÓLIDAS SÃO MAIS RESISTENTES QUE O METAL PURO Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas 3. Contorno de grão O contorno de grão interfere no movimento das discordâncias Devido as diferentes orientações cristalinas presentes, resultantes do grande número de grãos, as direções de escorregamento das discordâncias variam de grão para grão.

21 Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas 3. Contorno de grão Grãos adjacentes tem diferentes orientações cristalográficas Contorno de grão Plano de deslizamento Grão A Grão B Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas 3. Contorno de grão - menor tamanho de grão, mais descontinuidades para travar o movimento de discordâncias EQUAÇÃO DE HALL PETCH σ y = σ o + k. d -1/2 k - constante do material σ y - resistência ao escoamento σ o - resistência inicial d - diâmetro médio do contorno de grão

22 Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas 3. Contorno de grão AUMENTO DA RESISTÊNCIA POR DIMINUIÇÃO DO TAMANHO DE GRÃO O contorno de grão funciona como uma barreira para a continuação do movimento das discordâncias devido as diferentes orientações presentes e também devido às inúmeras descontinuidades presentes no contorno de grão. Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas 4. Deformação plástica ENCRUAMENTO OU ENDURECIMENTO PELA DEFORMAÇÃO À FRIO É o fenômeno no qual um material endurece devido à deformação plástica (realizado pelo trabalho à frio) Esse endurecimento dá-se devido ao aumento de discordâncias e imperfeições promovidas pela deformação, que impedem o escorregamento dos planos atômicos A medida que se aumenta o encruamento maior é a força necessária para produzir uma maior deformação O encruamento pode ser removido por tratamento térmico (recristalização)

23 Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas 4. Deformação plástica Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas 4. Deformação plástica ENCRUAMENTO E MICROESTRUTURA Antes da deformação Depois da deformação

24 Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas 4. Deformação plástica VARIAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS EM FUNÇÃO DO ENCRUAMENTO O encruamento aumenta o limite de escoamento O encruamento aumenta a resistência mecânica O encruamento diminui a ductilidade Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas 4. Deformação plástica MECANISMO QUE OCORRE NO AQUECIMENTO DE UM MATERIAL ENCRUADO ESTÁGIOS: Recuperação Recristalização Crescimento de grão Ex: Latão

25 Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas 4. Deformação plástica RECUPERAÇÃO Há um alívio das tensões internas armazenadas durante a deformação devido ao movimento das discordâncias resultante da difusão atômica Nesta etapa há uma redução do número de discordâncias e um rearranjo das mesmas Propriedades físicas como condutividade térmica e elétrica tendem a voltar ao seu estado original (correspondente ao material não-deformado) Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas 4. Deformação plástica RECRISTALIZAÇÃO - (Processo de Recozimento) Se os metais deformados plasticamente forem submetidos a um aquecimento controlado, este aquecimento fará com que haja um rearranjo dos cristais deformados plasticamente, diminuindo a dureza dos mesmos depois da recuperação, os grão ainda estão um pouco tensionados cristais plasticamente deformados tem mais energia que os não deformados, devido a presença de discordâncias e imperfeições átomos se reacomodam sob temperatura elevada, através de recozimento ocorre um rearranjo dos átomos em grãos menos deformados em temperaturas elevadas, a recristalização, com o crescimento do grão o número de discordâncias reduz mais ainda as propriedades mecânicas voltam ao seu estado original

26 Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas 4. Deformação plástica TEMPERATURAS DE RECRISTALIZAÇÃO A temperatura de recristalização está entre 1/2 e 1/3 da temperatura absoluta de fusão Temperatura onde ocorre a diminuição significativa da dureza Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas 4. Deformação plástica CRESCIMENTO DE GRÃO Depois da recristalização se o material permanecer por mais tempo em temperaturas elevadas o grão continuará à crescer Em geral, quanto maior o tamanho de grão mais mole é o material e menor é sua resistência

27 Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas 4. Deformação plástica Recuperação da estrutura cristalina pela temperatura Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas

28 Ruptura 3 a REGIÃO DO DIAGRAMA σ x ε OCORRE DE MANEIRA DÚCTIL OU FRÁGIL E DE FORMA DIFERENCIADA PARA CADA TIPO DE MATERIAL Dúctil Frágil Ruptura Materiais metálicos Ocorre, normalmente de maneira dúctil há um aviso do material antes do rompimento A fratura pode ocorrer de maneira dúctil por: - transgranular (crescimento plástico-fratura em taça ou cone) - intergranular (presença de vazios nos contornos de grão) - cisalhamento - formação de um pescoço (deformação plástica) Se ocorrer de maneira frágil (geralmente T muito baixas): - clivagem - intergranular

29 Ruptura Materiais metálicos Etapas da formação de uma fratura dúctil em taça e cone. Fissuração interna na zona de estricção de um corpo policristalino de cobre de elevada pureza Área 3 Relação entre Estrutura e Propriedades Propriedades Mecânicas dureza, fadiga, fluência, impacto

30 Dureza A dureza é medida pela resistência a identação ou penetração por algum material duro. Valor da propriedade varia com o método empregado. Dureza dos metais Mede-se a profundidade e a largura de identação Brinell Vickers Microsureza Knoop Rockwell Dureza dos Cerâmicos Mede-se microfissuras no material Vickers Knoop Dureza

31 Fadiga Falha que ocorre em estruturas submetidas a tensões dinâmicas e flutuantes. Ocorre após ciclos de tensões repetidos. Em tensões inferiores a tensões estáticas suportáveis. Componentes onde ocorrem: Eixos, barras de ligação e engrenagens. Fadiga TRINCA DE FADIGA: INÍCIO Em pontos de concentração de tensão PROPAGAÇÃO A trinca propaga-se com tensões cíclicas. Criam-se estrias ou ondulações. Canto Entalhe Inclusão Defeito FRATURA A seção torna-se pequena e não suporta a carga aplicada.

32 Fadiga FATORES QUE AFETAM A RESISTÊNCIA À FADIGA 1. Concentração de tensões (entalhes diminuem a resistência à fadiga) 2. Rugosidade superficial (superfícies polidas tem maior resistência) 3. Estado da superfície (nitretação e cementação aumentam a resistência) 4. Efeitos de fabricação (tensão residual) 5. Ambiente (umidade diminui a resistência) Jateamento: cria tensões compressivas na superfície Fadiga ENSAIO PARA DETERMINAÇÃO DA RESISTÊNCIA À FADIGA As tensões cíclicas aplicadas podem ser: - axiais - de flexão -de torção Modos de flutuação de tensão: Variação da tensão com o tempo (a) tensões contrárias (b) tensões repetidas (valores de tensão máxima e mínima diferentes) (c) tensões aleatórias

33 Fadiga CURVA DE FADIGA S-N Alumínio, Cobre, Magnésio Aço 1020 Limite de fadiga: Representa o maior valor de tensão oscilante que não irá causar falha por fadiga. Fluência Material submetido a uma carga ou tensão constante pode sofrer uma deformação plástica ao longo do tempo em temperatura elevada. CURVA DE FLUÊNCIA Variação do comprimento do corpo-de-prova em função do tempo. Fases da Fluência I - Alongamento inicial instantâneo do corpo-de-prova. Taxa de fluência diminui ao longo do tempo. II - Inclinação da curva de fluência é a taxa de fluência (constante nesta fase). III - Velocidade de fluência aumenta rapidamente com o tempo até a ruptura.

34 Fluência Depende tensão aplicada temperatura * Maior deformação instantânea * Maior taxa de fluência na fase II * Menor tempo de vida até a ruptura Fluência

35 Fluência ônibus espacial: leve e com resistência à fluência Fluência Influência do contorno de grão na deformação DEFORMAÇÃO A BAIXAS TEMPERATURAS: Metais de granulação fina são mais resistentes a baixas temperaturas, pois os contornos de grão travam o movimento das discordâncias. Baixas temperaturas menor tamanho de grão maior resistência DEFORMAÇÃO A ALTAS TEMPERATURAS: A deformação a altas temperaturas ocorre pela deformação dos contornos de grão (difusão pelos CGs). Contorno de grão é um ponto de fraqueza do material. Altas temperaturas maior tamanho de grão maior resistência

36 Fluência Temperatura equicoesiva ( 1 a 1 da T F em K ) 2 3 TG RM mecanismo: difusão dos átomos pelos CGs T equicoesiva TG RM mecanismo: travamento das discordâncias Impacto Ensaios Charpy e Izod - Influenciado: - ENTALHE - TEMPERATURA DE TRANSIÇÃO

37 Impacto Temperatura de transição Temperatura característica onde ocorre a transição dúctilfrágil dos materiais Baixas temperaturas trinca se propaga mais velozmente que os mecanismos de deformação plástica pouca energia é absorvida Temperaturas elevadas fratura é precedida de uma deformação que consome energia Mudança brusca no comportamento característico de metais CCC Temperatura de transição varia com a taxa de carregamento Impacto Exemplos Grãos grossos Navio com fratura frágil devido a propagação de trinca. Causa: numa junta de solda devido ao crescimento de grão houve um aumento da temperatura transição. Grãos finos

38 Impacto Exemplos Efeito da temperatura na energia absorvida por diferentes tipos de materiais durante o impacto. CFC e HC CCC Teste de impacto Charpy em V, mostrando a capacidade de absorção de energia de diferentes planos em uma estrutura CCC do aço carbono, e em uma estrutura CFC no aço inoxidável. Impacto Exemplos Transição dúctil/frágil de uma mesma liga, com variações percentuais. Efeito de nódulos na microestrutura de um material, em relação a um teste de impacto. Microestruturas do ferro fundido, com grafitas em flocos e em nódulos.