TM 704 - Metalurgia Fisica PIPE e PG-MEC Ana Sofia C. M. d Oliveira, Ph.D. Profa Titular/DEMEC
Principais estruturas cristalinas dos metais
Estruturas cristalinas Sistema cristalino Triclinico Monoclinico Ortorrômbico Tetragonal Cúbico Hexagonal Romboédrico Parâmetros lineares a b c a b c a b c a = b c a = b = c a = b c a = b= c Parâmetros angulares = = 90 = =90 = = =90 = = =90 = = =90 = =90 ; =120 = = 120 7 sistemas cristalinos, que em função da distribuição dos átomos dão origem a 14 redes de Bravais
Empilhamento de planos compactos
Estrutura HC
Estrutura HC HEXAGONAL COMPACTO: - Parâmetros cristalinos: a e c - 6 átomos por célula - Fator de empacotamento: 74% - Direções supercompactas: 3 - Planos supercompactos: 1 (plano basal) - Sistemas primários de deslizamento: 3 (plano basal e direções supercompactas) - Exemplos de metais que apresentam esse sistema cristalino: Ti, Zn
Estrutura CFC
Estrutura CFC
Estrutura CFC CÚBICO DE FACES CENTRADAS: - Parâmetros cristalinos: a (aresta do cubo) - 4 átomos por célula - Fator de empacotamento: 74% - Direções supercompactas: 3 (direções <110>) - Planos supercompactos: 4 (planos {111}) - Sistemas primários de deslizamento: 12 (planos {111}, nas direções <110> pertencentes a cada plano) - Exemplos de metais que apresentam esse sistema cristalino: Fe-, Al, Cu e Ni
Estrutura CCC
Estrutura CCC CÚBICO DE CORPO CENTRADO: - Parâmetros cristalinos: a (aresta do cubo) - 2 átomos por célula - Fator de empacotamento: 68% - Direções supercompactas: 4 (direções <111>) - Planos supercompactos: 0 - Sistemas secundários de deslizamento: 48 (planos {110}, {112} e {123}, nas direções <111>) - Exemplos de metais que apresentam esse sistema cristalino: Fe-, Cr, Mo e Nb
Estrutura cristalina Redes não são compactas - Intersticiais Interstícios de C na rede de Fe interstício octaédrico Fe CFC interstício octaédrico Fe CCC interstício tetraédrico Fe CCC.
Estrutura cristalina Exercício A estrutura do Fe muda de CCC-> CFC quando aquecido acima de 910 C. De quanto se altera 1m de arame de ferro que sofra esta transformação? (ignore qualquer variação no raio do arame e que o raio de atomo de Fe na estrutura CCC é de 0.1258nm e de 0.1292nm na estrutura CFC. CCC 2 átomos ; CFC 4 átomos 2 células CCC se transformam em 1 célula CFC No sistema CCC a (aresta do cubo)=2d/ 3=4r/ 3 No sistema CFC a (aresta do cubo)= D 2=2r 2 O volume de duas células de CCC {(4 x 0.1258x10-9 ) 3 /3 3} x 2 = 49.04 x10-30 m 3 se transforma no volume de uma célula CFC (2 x 0.1292x10-9 x 2) 3 = 48.80x10-30 m 3 A variação de volume é de (49.04-48.80)/49.04= 0.0049 O arame contraiu 0.0049m-4.9mm
Defeitos/Imperfeições cristalinos
Imperfeições cristalinas Imperfeições pontuais: - lacunas - interstícios - átomos estranhos: -substitucionais - intersticiais Número de lacunas em equilíbrio: Existe um número de lacunas em equilíbrio para cada temperatura. Este número aumenta exponencialmente com a temperatura, de acordo com lei de Arrhenius: N v N exp( Q v / RT )
Defeitos de linha: São as discordâncias; podem ter caráter 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. Mista Aresta Espiral
Defeitos de linha Determinação do vetor de Burgers da discordância. Discordância em aresta ou cunha, corresponde à presença de um semiplano de átomos extra (termina em B). Linha da discordância é perpendicular ao vetor de Burgers
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 aresta Discordância em espiral.
Defeitos de linha: Linha da discordância (anel de discordância) Discordância em aresta b linha da discordância (B) b Região deformada Região não deformada Discordância espiral b//linha da discordância (A)
Defeitos de linha: Distorção na rede provocada pela presença de uma discordância em aresta Discordância mista Campo de tensões decorrente da presença de uma discordância
Defeitos de linha: Deslizamento de uma discordância em aresta forma um degrau de comprimento igual ao vetor b ao final do seu deslizamento. Simplificação: a soma de múltiplos degraus compõe a deformação plástica total do metal. O mesmo efeito pode ser produzido pelo deslizamento de uma discordância em espiral
Defeitos de linha Movimento das discordâncias Uma tensão cisalhante atuando no plano e direção de deslizamento provoca a movimentação das discordâncias. Mesmo que a tensão aplicada ao material seja uma tensão normal, ela vai possuir uma componente cisalhante que atua no plano da discordância. Quando a tensão cisalhante atingir um valor crítico ( c ), a discordância começa a se movimentar no plano e na direção. O valor crítico c depende do material e do sistema de deslizamento considerado (plano e direção),.
Planos de deslizamento Metais CFC (deslizamento cruzado)
Defeitos de superfície: contorno de grão - separa duas regiões de orientações cristalográficas diferentes no material. Contorno de grão de baixo angulo Contorno de grão de alto 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.
Contornos de grão
Defeitos de superfície contornos de grão - discordâncias) regiões repletas de defeitos cristalinos (lacunas e Constituem obstáculos ao deslizamento de discordâncias responsável pela deformação plástica e à propagação de trincas. Quanto mais contornos de grão, mais resistente à deformação e mais tenaz fica o material metálico. O refino de grãos constitui um eficiente mecanismo de aumento da resistência e da tenacidade. Difusão pelos contornos de grão - mais rápida, devido à alta densidade de lacunas.
Defeitos de superfície contornos de macla/ macla - região onde os átomos apresentam uma simetria de espelho em relação ao contorno Resultam de deslocamentos atômicos produzidos por força mecânica (maclas de deformação) ou pelo recozimento (maclas de recozimento).
Defeitos de superfície Falhas de empilhamento - comuns nos materiais cúbicos de faces centradas (CFC). Ocorrem quando, em uma pequena região do material, há uma falha na sequência de 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 uma falha de empilhamento, que vem a ser uma pequena região HC dentro do cristal CFC.
Defeitos de superfície Falhas de empilhamento - podem surgir nos cristais CFC devido a dissociação de discordâncias parciais. O deslizamento no sistema CFC ocorre nos planos {111} segundo as direções supercompactas <110> destes planos. Entretanto, ocorre um ganho energético se a discordância se dissociar em duas para fazer este deslizamento: primeiro passa para um plano (110) superior e depois retorna ao plano (111) original. Gera-se assim uma falha de empilhamento entre as duas discordâncias parciais.
Defeitos de superfície 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 As falhas de empilhamento influenciam de forma marcante as características mecânicas dos materiais metálicos. Discordâncias dissociadas não podem realizar um movimento importante, que é o deslizamento cruzado. Assim, metais CFC com baixa energia de falha de empilhamento têm grande densidade de falhas, e costumam apresentar as seguintes características: - Produzem arranjos planares de discordâncias no encruamento; - Possuem alta expoente de encruamento (n); - Possuem resistência à fluência, ou seja, ao amolescimento com a temperatura;
Interação entre imperfeições cristalinas
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 permite que o metal se deforma plasticamente.
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
Anel de discordância Movimento de uma discordância
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
Mecanismos de endurecimento Solução sólida Efeito da dimensão do átomo de soluto Interação do átomo de soluto com as discordâncias
Mecanismos de endurecimento Solução sólida Acomodação dos átomos de soluto e Interação com as discordâncias SS substitucional SS intersticial
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
Mecanismos de endurecimento Precipitação/Dispersão de partículas de segunda fase Precipitação Dependência do tipo de precipitado Aumenta resistência Diminuiu resistência
Mecanismos de endurecimento Precipitação/Dispersão de partículas de segunda fase Dispersão Introdução de finas partículas de óxidos em uma matriz (moagem de alta energia) Interação partículas-discordâncias
Mecanismos de endurecimento Contornos de grão Regiões que apresentam distorção na rede atrapalhando a movimentação das discordâncias Dificuldade de movimentar discordâncias Aumento da resistência do material
Mecanismos de endurecimento Contornos de grão Grão refinado => maior resistência Efeito do tipo de contorno de grão Contorno de grão de baixo angulo Contorno de grão de alto angulo
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
Mecanismos de endurecimento Movimento das discordâncias Sistemas primários de deslizamento: planos e direções mais compactos de uma dada 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.
Mecanismos de endurecimento Multiplicação de discordâncias Aumento da resistência mecânica
Movimento de discordâncias a alta temperatura: Escalonamento de discordâncias Interação entre lacunas e discodâncias Mecanismo controlado por difusão Muito importante em fluência
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?
Difusão
Difusão Movimentação dos átomos: interação átomo/lacuna
Difusão Energia de difusão
Difusão Difusão substitucional - átomos trocam de lugares com as lacunas Taxa de difusão depende: n. de lacunas energia de ativação para a troca
Difusão Difusão intersticial - mais rápida do que a difusão das lacunas
Difusão Auto-difusão Auto difusão ocorre em ligas homogêneas que não se tem um gradiente de concentração
Difusão Auto-difusão Metal puro Liga metálica
Difusão Exemplo: Recristalização
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
Difusão
Difusão Interdifusão: os átomos tem tendência a migrar das regiões de maior concentração para as de menor concentração
Difusão Exemplo: Cementação Carbono difunde do meio para o interior da peça Átomos de carbono reduzem a movimentação dos planos e geram tensões compressivas