Área 3 relação entre estrutura e propriedades -...
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ÁÁrea 3 rea 3 RelaRelaçção entre Estrutura e ão entre Estrutura e
PropriedadesPropriedades
Propriedades MecânicasPropriedades MecânicasDiagrama tensãoDiagrama tensão--deformadeformaççãoão
Propriedades mecânicas estabelecidas por ensaios
carga aplicada - tração- compressão- cisalhamento
forma de aplicação variável com o tempo
tempo de aplicação - curto - longo
condições do meio - constante com o tempo - temperatura- umidade
Diagrama σ x ε
Fadiga
Impacto
Fluência
Fluência
Fadiga estáticaFadiga
σescoamento
4Tensão máximaescoamentoruptura
4Deformação elásticaplástica
4Ductilidade4Tenacidade4Resiliência4Módulo de Elasticidade (E)
σ
ε
Elástica
Plásticaσmax
σruptura
Resiliência Tenacidade
Informações importantes a partir do diagrama σ x ε
Ductilidade
Deformação Elástica⇒ Precede à deformação
plástica⇒ É reversível⇒ Desaparece quando a
tensão é removida⇒ É praticamente
proporcional à tensão aplicada (obedece a lei de Hooke)
Deformação Plástica⇒ É provocada por tensões
que ultrapassam o limite de elasticidade
⇒ É irreversível porque éresultado do deslocamento permanente dos átomos e portanto não desaparece quando a tensão éremovida
Elástica
Informações importantes a partir do diagrama σ x ε
Plástica
11aa REGIÃO DO DIAGRAMA REGIÃO DO DIAGRAMA σσ xx εε
Região elástica:Deformação elásticaMódulo de elasticidadeLimite de elasticidade
Região elástica
Módulo de elasticidade E = σσ//εε
⇒⇒ 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
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
ANISOTROPIA
Relação E com a microestrutura
Dependendo do grão (sua orientação, forma,...) o valor do módulo de elasticidade varia.
Região elástica
Relação E com o ambiente TEMPERATURA
relação de E com temperatura
Este comportamento é observado em materiais cerâmicos e
materiais metálicos.
FeCu
Al
Mg
E x temperatura para diferentes metais
Região elástica
Relação de E com a porosidade
E=E0(1-1,9P+0,9P2)
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.
Região elástica
E x deformação plástica
Não modifica o módulo de elasticidade (a rigidez) do
material
Modifica aTensão de escoamento
Ductilidade
Relação E com a deformação plástica ⇒⇒ ocorre em metais
Região elástica
22aa REGIÃO DO DIAGRAMA REGIÃO DO DIAGRAMA σσ xx εε
Região plástica:
Deformação plásticaResistência máximaDuctilidadePonto de ruptura
Transição elástico-plástica:Resistência ao escoamento
Região Plástica
1a Hipótese: ruptura ao mesmo tempo de todas as ligações.
A resistência mecânica seria extremamente elevada comparada à obtida na prática (1000 x!).
2a Hipótese: deslizamento de planos até a ruptura.
COMO OS MATERIAIS COMO OS MATERIAIS DEFORMAMDEFORMAM (e ROMPEM)?(e ROMPEM)?
Região Plástica
⇒⇒ 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
Deslizamento
Região Plástica
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
Região Plástica
⇒ O deslizamento ocorre mais facilmente ao longo de certas direções e planos
MAIS POVOADOS
PLANO DE DESLIZAMENTOSISTEMA DE DESLIZAMENTO
DIREÇÃO DE DESLIZAMENTO
⇒ O NÚMERO DE SISTEMAS (plano + direção) ATRAVÉS DOS QUAIS PODE OCORRER O
DESLIZAMENTO VARIA COM A ESTRUTURA CRISTALINA
Deslizamento em monocristal
Região Plástica
deslizamento provocado pela deformação plástica, devido àforça aplicada
Linhas de deslizamento no interior das bandas de deslizamento (ampliado)
Em monocristais dúcteis o deslizamento ocorre em múltiplos planos, em conseqüência observa-se bandas de deslizamento na superfície destes metais.
Deslizamento em monocristal
Região Plástica
tensão de cisalhamentoτ = F cos λ
A/cos ϕτ= F . cos λ . cos ϕ
Aτ= σ .cos λ . cos ϕ
(a) frágil (b) dúctil
LEI DE SCHMID
Deslizamento em monocristal
Região Plástica
LEI DE SCHMID
Deslizamento em monocristal
Região Plástica
Tensão de cisalhamento resolvida crítica (τtcrc):tensão de cisalhamento mínima exigida para iniciar o escorregamento.
σy = τcrss/(cosφ cosλ)max
Para φ = λ = 45o
σe = 2τcrss
Mecanismo hipotético de deslizamento simplificado
(a) (b)
(c) Mecanismo hipotético simplificado, na verdade os metais se deformam com uma tensão
de cisalhamento menor que a exigida por este mecanismo.
Assumindo o mecanismo abaixo e calculando o limite de resistência dos metais, obtém-se um valor na ordem de 20x Metais não são tão
resistentesDeve existir outro
mecanismo
Região Plástica
1a Hipótese: ruptura ao mesmo tempo de todas as ligações. A resistência mecânica seria extremamente elevada
comparada à obtida na prática (1000 x!).
2a Hipótese: deslizamento de planos até a ruptura.A resistência mecânica ainda bastante elevada (20x!).
3a Hipótese: deslizamento facilitado por movimento de discordâncias.
A resistência mecânica da mesma ordem de grandeza da prática.
COMO OS MATERIAIS COMO OS MATERIAIS DEFORMAMDEFORMAM (e ROMPEM)?(e ROMPEM)?
Região Plástica
Materiais sólidos cristalinos apresentam menor resistência ao cisalhamento que àtração 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
Região Plástica
O que é discordância?Defeito linear da estrutura cristalina:
Deformação plástica e discordâncias
Região Plástica
Esquema mostrando como o movimento de discordância em cunha origina um degrau unitário de deslizamento.
Deformação plástica e discordâncias
Região Plástica
Discordâncias e Mecanismos de Aumento de ResistênciaDiscordâncias e Mecanismos de Aumento de Resistência
• A deformação plástica corresponde ao movimento de uma grande quantidade de discordâncias;
O movimento de uma discordância se dáde 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 EscorregamentoSistemas 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.
Sistemas de EscorregamentoSistemas 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 EscorregamentoSistemas 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.
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
Região Plástica
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
Região Plástica
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.
MaclagemRegião Plástica
Átomos se movem em distâncias proporcionais às respectivas distâncias ao plano de macla.
Diferença básica entre o efeito do deslizamento e da maclagem na topografia da superfície de um material metálico deformado.
Deslizamento Maclagem
MaclagemRegião Plástica
estrutura cristalina microestrutura
Produção de maclas pode ser iniciada sob a ação de uma força cisalhante, ao longo de seu contornoContorno de maclas interfere no escorregamento e ↑ RM
MaclagemRegião Plástica
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)
Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas
Região Plástica
- 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
Região Plástica
1. Solubilização de um segundo elemento na rede
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
INTERAÇÃO DE DISCORDÂNCIAS EM SOLUÇÕES SÓLIDAS
1. Solubilização de um segundo elemento na rede
Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas
Região Plástica
1. Solubilização de um segundo elemento na rede
Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas
Região Plástica
SOLUÇÕES SÓLIDAS SÃO MAIS RESISTENTES QUE
O METAL PURO
Resistência mecânica do metal puro
Aumento daresistência mecânica do metal devido a formação de solução sólida
Controle do deslizamento = controle de prop. mecânicas
Região Plástica
1. Solubilização de um segundo elemento na rede
2. Endurecimento por part2. Endurecimento por partíículas de segunda faseculas de segunda fase
MICROESTRUTURASPOLIFÁSICAS SÃO MAIS RESISTENTES QUE O METAL PURO
Resistência mecânica do metal puro
* 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.
* Aumento da resistência mecânica do metal devido a formação de eutético
SOLUÇÕES SÓLIDAS SÃO MAIS RESISTENTES QUE
O METAL PURO
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.
3. Contorno de grão
Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas
Região Plástica
Grãos adjacentes tem diferentes orientações cristalográficas
Grão AGrão B
Plano de deslizamento
Contorno de grão
Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas
Região Plástica
3. Contorno de grão
- menor tamanho de grão, mais descontinuidades para travar o movimento de discordâncias
EQUAEQUAÇÇÃO DE HALL PETCHÃO DE HALL PETCH
σy= σo + k . d-1/2
k - constante do materialσy - resistência ao escoamentoσo - resistência iniciald - diâmetro médio do contorno de grão
Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas
Região Plástica
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
Região Plástica
3. Contorno de grão
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)
4. Deformação plástica
Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas
Região Plástica
4. Deformação plástica
Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas
Região Plástica
ENCRUAMENTO E MICROESTRUTURA
Antes da deformação Depois da deformação
4. Deformação plástica
Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas
Região Plástica
VARIAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS EM FUNÇÃO DO ENCRUAMENTO
O encruamento aumenta a resistência mecânica
O encruamento aumenta o limite de escoamento
O encruamento diminui a ductilidade
4. Deformação plástica
Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas
Região Plástica
Ex: Latão
MECANISMO QUE OCORRE NO AQUECIMENTO DE UM MATERIAL ENCRUADO
ESTÁGIOS:⇒ Recuperação⇒ Recristalização⇒ Crescimento de grão
4. Deformação plástica
Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas
Região 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)
4. Deformação plástica
Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas
Região Plástica
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
RECRISTALIZAÇÃO - (Processo de Recozimento)
4. Deformação plástica
Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas
Região 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
4. Deformação plástica
Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas
Região 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
4. Deformação plástica
Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas
Região Plástica
Recuperação da estrutura cristalina pela temperatura
4. Deformação plástica
Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas
Região Plástica
Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas
Região Plástica
33aa REGIÃO DO DIAGRAMA REGIÃO DO DIAGRAMA σσ xx εε
OCORRE DE MANEIRA DÚCTIL OU FRÁGIL E DE FORMA DIFERENCIADA PARA CADA TIPO DE
MATERIAL
Ruptura
Dúctil Frágil
Ruptura
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
Materiais metálicos
Ruptura
Fissuração interna na zona de estricção de um corpo policristalino
de cobre de elevada pureza
Etapas da formação de uma fratura dúctil em taça e cone.
Materiais metálicos
ÁÁrea 3 rea 3 RelaRelaçção entre Estrutura e ão entre Estrutura e
PropriedadesPropriedades
Propriedades MecânicasPropriedades Mecânicasdureza, fadiga, fluência, impactodureza, fadiga, fluência, impacto
⇒ A dureza é medida pela resistência a identação ou penetração por algum material duro.
⇒ Valor da propriedade varia com o método empregado.
DurezaDureza
Dureza dos Cerâmicos
Mede-se microfissuras no material
Vickers
Knoop
Brinell
Vickers
Microsureza Knoop
Rockwell
Dureza dos metais
Mede-se a profundidade e a largura de identação
DurezaDureza
FFalha 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.
FadigaFadiga
TRINCA DE FADIGA:
INÍCIO Em pontos de concentração de tensão
PROPAGAÇÃOA trinca propaga-se com tensões cíclicas. Criam-se estrias ou ondulações.
FRATURAA seção torna-se pequena e não suporta a carga aplicada.
CantoEntalheInclusãoDefeito
FadigaFadiga
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)
FadigaFadiga
Jateamento: cria tensões compressivas na superfície
As tensões cíclicas aplicadaspodem 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
ENSAIO PARA DETERMINAÇÃO DA
RESISTÊNCIA À FADIGA
FadigaFadiga
Limite de fadiga: Representa o maior valor de tensão oscilante que não irácausar falha por fadiga.
CURVA DE FADIGA S-N
Alumínio, Cobre, Magnésio
FadigaFadiga
Aço 1020
Material submetido a uma carga ou tensão constante pode sofrer uma deformação plástica ao longo do tempo em temperatura
elevada.
CURVA DE FLUÊNCIAVariação do comprimento do corpo-de-prova em função do tempo.
Fases da FluênciaI - 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.
FluênciaFluência
Depende tensão aplicadatemperatura
* Maior deformação instantânea
* Maior taxa de fluência na fase II
* Menor tempo de vida até a ruptura
FluênciaFluência
FluênciaFluência
FluênciaFluência
ônibus espacial: leve e com resistência à 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 temperaturasmenor 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 temperaturasmaior tamanho de grão → maior resistência
FluênciaFluência
↓ TG ↑ RM
mecanismo: travamento das discordâncias
Temperatura equicoesiva
T equicoesiva
( a da TF em K ) 21
31
↑ TG ↑ RM
mecanismo: difusão dos átomos pelos CGs
FluênciaFluência
Charpy e Izod
ImpactoImpacto
EnsaiosEnsaios- Influenciado:
- ENTALHE
- TEMPERATURA DE TRANSIÇÃO
Temperatura característica onde ocorre a transição dúctil-frágil 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
Temperatura de transiTemperatura de transiççãoãoImpactoImpacto
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 grossos
Grãos finos
Exemplos
ImpactoImpacto
Efeito da temperatura na energia absorvida por diferentes tipos de materiais durante o impacto.Exemplos
ImpactoImpacto
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.
CCC
CFC e HC
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.
ImpactoImpactoExemplos