28/09/2017. Ewaldo Luiz de Mattos Mehl. Departamento de Engenharia Elétrica

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1 Ewaldo Luiz de Mattos Mehl Departamento de Engenharia Elétrica 1 Agenda: Arranjos atômicos Estrutura cristalina Tipos de estruturas Influência nas propriedades Defeitos na estrutura cristalina Propriedades mecânicas 2 1

2 Estruturas Moleculares Estruturas Cristalinas Estruturas Amorfas C Metano (CH 4 ) Silício (Si) Diamante (C) Água (H 2 0) Grafite (C) Vidros (SiO 2, C...) 3 4 2

3 5 Exemplo: Estrutura cristalina do Ferro 788ºC b Curie: 770ºC 6 3

4 Ferro alfa/beta/delta (Fe-, Fe-b e Fe- ): Cúbico de CORPO centrado (CCC) 1 átomo inteiro Célula unitária 1/8 de átomo Numa célula unitária temos: 1 atomo + 8(1/8) = 2 átomos 7 7 Ferro gama (Fe- ): Cúbico de FACE centrada (CFC) 1/2 átomo Célula unitária 1/8 de átomo 8 Numa célula unitária temos: 6(1/2) átomo + 8(1/8) = 4 átomos 4

5 Influência nas propriedades: 9 Até 770ºC o Fe- é ferromagnético (atraído fortemente por um imã) e de cor cinza clara. Chamado também de ferrita alfa ( ). A partir de 770ºC o ferro torna-se paramagnético (não é atraído fortemente por um imã): Temperatura Curie. A partir de 788ºC ocorre a transição de Fe- para Fe-b, observada por uma cor azulada. A partir de 912ºC ocorre a transição de Fe-b para Fe- observada por uma CONTRAÇÃO de volume (CCC CFC). Chamado também de ferro gama ( ) ou austenita, é bastante maleável. A partir de 1394ºC corre a transição de Fe- para Fe- observada por uma súbita expansão de volume (CFC CCC). Volta a ser duro e é denominado de ferrita delta ( ). É uma imperfeição ou um "erro" no arranjo periódico regular dos átomos em um cristal. Podem envolver uma irregularidade na posição dos átomos no tipo de átomos O tipo e o número de defeitos dependem do material, do meio ambiente, e das circunstâncias sob as quais o cristal é processado. 10 5

6 DEFEITOS INTRODUÇÃO SELETIVA DE DEFEITOS CONTROLE DO NÚMERO DE DEFEITOS ARRANJO (LOCAIS) DOS DEFEITOS Permite desenhar e criar novos materiais com a combinação desejada de propriedades 11 Exemplos de efeitos da presença de imperfeições O processo de dopagem em semicondutores tem como objetivo criar imperfeições para mudar o tipo de condutividade em determinadas regiões do material. A deformação mecânica dos materiais promove a formação de imperfeições que geram um aumento na resistência mecânica (processo conhecido como encruamento). Whiskers de ferro (monocristais nanométricos, sem imperfeições do tipo discordâncias) apresentam resistência maior que 70GPa, enquanto o ferro comum rompe-se a aproximadamente 270MPa. 12 6

7 Contornos de grão ASM Handbook Vol 9 (2004) Vazios 14 7

8 Átomo intersticial 15 Defeitos da rede cristalina Discordâncias 16 8

9 solvente Há dois tipos de soluções sólidas: soluto 17 a) Solução sólida substitucional os átomos dos elementos químicos minoritários (do elemento de liga) ocupam posições regulares da rede cristalina do elemento b) Solução sólida intersticial os elementos em solução ocupam os interstícios da rede cristalina do elemento majoritário b) Distorção da rede cristalina por átomos em solução sólida: átomo maior (amarelo) e átomo menor (vermelho) 18 9

10 Torção Tração Compressão Cisalhamento Resistência Mecânica 2. Elasticidade 3. Ductilidade 4. Resilência 5. Tenacidade 20 10

11 Ensaios típicos com uma máquina de tração 21 Limite de Escoamento Tensão de Ruptura Alongamento Estricção Coeficiente de Poisson Módulo de Elasticidade (Young) Energia de Deformação Elástica Energia de Deformação Plástica Ductilidade F Célula de carga Detalhe do início da estricção do material Extensômetro Corpo de prova Gráfico de x do material ensaiado = tensão mecânica = deformação relativa 22 11

12 = tensão mecânica = deformação relativa Extensômetro (Strain gage) 23 = tensão mecânica = deformação relativa Extensômetro a laser 24 12

13 tensão 28/09/2017 = tensão mecânica = deformação relativa Fratura Fratura elástica plástica Deformação elástica: é reversível, ou seja, quando a carga é retirada, o material volta às suas dimensões originais átomos se movem, mas não ocupam novas posições na rede cristalina; numa curva de x, a região elástica é a parte linear inicial do gráfico. Deformação plástica: é irreversível, ou seja, quando a carga é retirada, o material não recupera suas dimensões originais átomos se deslocam para novas posições em relação uns aos outros. deformação 13

14 tensão 28/09/2017 Em um teste de tração, se a deformação observada no material for do tipo elástica, então a relação entre a tensão e a deformação é dada pela lei de Hook: = E. E = módulo de Young = módulo de elasticidade [ N/m 2 ] Descarga Coeficiente angular = E Carga deformação Para alguns materiais, a porção inicial da curva tensão vs. deformação não é linear, sendo necessário o uso de outros métodos para a determinação do seu módulo de elasticidade. Aneslaticidade: Para a maioria dos materiais de engenharia, existirá uma componente de deformação elástica que é dependente do tempo A deformação elástica continuará após a aplicação da tensão e alívio da carga = tensão mecânica = deformação relativa Ou seja, mesmo cessada a tensão mecânica, o material não recupera sua forma original! 14

15 Influência da Temperatura Coeficiente de Poisson ( ): razão entre as deformações lateral e axial O coeficiente de Poisson pode ser usado para estabelecer uma relação entre o módulo de elasticidade (E) e o módulo de cisalhamento (G) de um material

16 31 Módulos de elasticidade, de cisalhamento e coeficientes de Poisson para várias ligas metálicas à temperatura ambiente

17 tensão tensão Corpo de prova padrão tensão 28/09/2017 Na Deformação plástica a tensão e a deformação não são proporcionais a deformação não é reversível a deformação ocorre pela quebra e rearranjo das ligações atômicas (em materiais cristalinos, pelo movimento das discordâncias) estricção Deformação plástica uniforme fratura Deformação elástica = tensão mecânica = deformação relativa 33 Tipos de material e as curvas de tensão vs. Deformação ( x ) deformação deformação deformação 34 17

18 tensão tensão 28/09/2017 elástica plástica O ponto de escoamento (P), também chamado limite de escoamento ou limite de proporcionalidade corresponde à posição na curva onde a condição de linearidade termina, ou seja, onde a lei de Hook deixa de valer. deformação Limite superior de escoamento Limite inferior de escoamento O limite inferior de escoamento ( y ) é determinado pelo método de pré-deformação específica, geralmente de 0,002 Ou seja, y é a tensão capaz de causar uma deformação permanente de 0,2% no material deformação 18

19 tensão tensão 28/09/2017 Propriedades de tração: Ductilidade é o grau de deformação plástica suportado até a fratura do material; pode ser medida pelo alongamento percentual ou pela redução de área percentual. frágil dúctil Alongamento percentual: AL % = [(l f l 0 )/l 0 ]/x100 Redução de área percentual RA % = [(A 0 Af)/A 0 ]/x100 deformação 37 Fratura de Material frágil: baixa deformação plástica e pouca estocagem de energia antes da fratura frágil dúctil Fratura de Material dúctil: alta deformação plástica e elevada estocagem de energia antes da fratura deformação 38 19

20 Etapas da fratura: formação de uma trinca propagação da trinca. Os materiais podem fraturar de 2 modos: dúctil e frágil. A diferença se baseia na quantidade de deformação plástica que o material sofre antes de fraturar. (a) fratura altamente dúctil: material sofre longa estricção, a partir de uma determinada tensão, até um único ponto no momento da fratura (b) fratura moderamente dúctil: material fratura após sofrer alguma deformação plástica (a) fratura frágil: material fratura sem que ocorra nenhuma deformação plástica 39 Fratura dúctil: a) Início do empescoçamento b) Formação de pequenas cavidades c) Junção de cavidades para formar uma trinca d) Propagação da trinca e) Fratura por cisalhamento em um ângulo de 45 com relação à direção da carga aplicada. Na fratura dúctil a trinca é estável e só aumenta de tamanho se a carga aplicada sobre o material for aumentada

21 MPa 10 3 psi 28/09/2017 Fratura frágil: a) não há deformação plástica apreciável b) trincas se propagam rapidamente c) trincas se propagam aproximadamente perpendicularmente à direção da carga aplicada; d) propagação da trinca ocorre comumente por clivagem: quebra de ligações atômicas ao longo de planos cristalográficos específicos Na fratura frágil a trinca é instável e se propaga rapidamente mesmo sem aumento da carga aplicada. 41 Propriedades mecânicas típicas de vários metais e ligas em estado recozido Comportamento x do ferro com a temperatura. deformação 42 21

22 tensão 28/09/2017 Propriedades de tração: Resiliência: = tensão mecânica = deformação relativa capacidade de um material estocar energia quando deformado elasticamente e depois de aliviada a carga, ter essa energia recuperada. o módulo de resiliência U r representa a energia de deformação por volume necessária para tensionar um material de um estado sem carregamento até a sua tensão limite de escoamento. Na região elástica linear: ou 43 Deformação plástica: Tenacidade: Tensão de fratura representa uma medida da capacidade de um material absorver energia até a sua fratura; equivale a área sob a curva x até o ponto de fratura No diagrama de engenharia clássico de tensão vs. deformação, teremos: 1- módulo de elasticidade; 2 tensão de escoamento; 3 limite de resistência à tração; deformação 4 ductilidade: 100x fratura 5 tenacidade: d 44 22

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