unidade tematica4

7/23/2019 Unidade Tematica4

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Metalurgia da Soldadura II-IV-1

Estrutura e Propriedades dos Metais Puros

UNIDADE TEMÁTICA IV – ESTRUTURA E PROPRIEDADES DOS METAISPUROS

ÍNDICE TEMÁTICO

1. Algumas noções de cristalografia

2. Estrutura dos metais

3. Propriedades dos metais puros

4. Efeito de deformação na estrutura micrográfica e nas propriedadesmecânicas.

5. Mecanismos de deformação

6. Rotura dúctil e rotura frágil

7. Evolução após deformação – endurecimento por precipitação

8. Actividades / avaliação

Objectivos Específicos

No final desta unidade temática, o formando deverá estar apto a:

• Descrever e distinguir os equipamentos usados e o tipo de grandezas físicas obtidasatravés de ensaios de:• Dobragem.• Impacto.• Fadiga.• Fractura.• Fluência.

• Deve ainda identificar aplicações típicas dos ensaios acima referidos em soldadura,ou em Garantia da Qualidade / conformidade de soldaduras.





1. Algumas noções de cristalografia

Num cristal, os átomos estão agrupados de uma forma regular e periódica formando

um agregado tridimensional, que pode ser obtido através de uma repetição periódicano espaço de uma unidade estrutural.

A unidade estrutural é o átomo ou grupo de átomos associada a cada ponto de umarranjo periódico simples de pontos no espaço designado por rede cristalina. A redecristalina define a periodicidade do cristal ou o modo de repetição da unidadeestrutural. A rede é definida indicando a forma e dimensões da célula unitária,apresentando-se um exemplo na Fig. 1. O número de parâmetros necessários paracaracterizar a célula unitária depende do grau de simetria que esta apresenta. No

exemplo considerado devem ser indicados os vectores da rede ( ar

, br

, cr

) e osângulos que estes fazem entre si (α, β, γ ).

Fig. 1 Repetição espacial da rede cúbica simples

De acordo com Bravais, definem-se catorze tipos de redes espaciais agrupadas emsete sistemas cristalográficos: cúbico, hexagonal, ortorrômbico, tetragonal, trigonal,monoclinico, e triclinico. Pela sua importância no estudo dos metais, consideram-seapenas os sistemas cúbico e hexagonal. No sistema cúbico caracterizam-se asestruturas cúbicas de faces centradas (c.f.c.) e de corpo centrado (c.c.c.) e no sistemahexagonal a estrutura hexagonal compacta (h.c.).

Estrutura c.c.c.

A Fig. 2 apresenta a célula convencional com um átomo por nó da rede c.c.c. e umátomo no centro. O número de átomos equidistantes de um qualquer átomo designa-se por número de coordenação, sendo igual a 8 na estrutura c.c.c.

Fig. 2 Célula convencional da estrutura c.c.c.





São exemplos de metais que apresentam esta estrutura cristalina o crómio, otungsténio, o vanádio e as formas alotrópicas do ferro estáveis entre a temperaturaambiente e 912 ºC e entre 1358 ºC e a temperatura de fusão, respectivamente ferro α e δ.

Estrutura c.f.c.

A Fig. 3 apresenta a célula convencional com um átomo em cada nó da rede c.f.c. eum átomo no centro geométrico de cada uma das faces. O número de coordenação é12.

Fig. 3 Célula convencional da estrutura c.f.c.

Número de coordenação

Cristalizam nesta estrutura metais como o chumbo, o ouro, a prata e a forma

alotrópica do ferro estável entre 912 e 1358 ºC (Fe γ ) entre outros.Estrutura h.c.

A Fig. 4 apresenta a célula convencional da rede hexagonal compacta. O número decoordenação é 12. O mercúrio, o titânio, o zinco, o cádmio e o cobalto apresentamestruturas h.c. Num modelo de esferas rígidas esta estrutura difere da c.f.c. pelo factode ter a terceira camada colocada de tal modo que os átomos desta estão sobre osda primeira num empilhamento do tipo ABABAB... contrariamente ao empilhamentoABCABC que se observa na estrutura c.f.c.

Fig. 4 Célula convencional da estrutura h.c.





Índices de Miller

Nas estruturas cristalinas é necessário definir planos ou direcções no interior dos

cristais que contêm ou interceptam determinados grupos de átomos. É o caso, porexemplo, dos planos e direcções mais compactos, cuja importância na deformaçãodos materiais faz que sejam frequentemente referidos.

A orientação de planos ou direcções é dada pelos índices de Miller h-k-I escritos entreparêntesis. Assim, (hkl) designa um plano pertencente a uma família de planos {hkl} e[hkl] designa uma direcção de uma família de direcções <hkl>.

Na Fig. 5 ilustra-se para cada uma das estruturas consideradas, um plano de maiorcompacidade e uma direcção desse plano e as respectivas designações de acordocom os índices de Miller.

Fig. 5 Índices de Miller de planos nas estruturas c.c.c., c.f.c. e h.c.

Imperfeições da rede cristalina

Referiu-se anteriormente que o agregado cristalino era constituído por uma repetiçãoperiódica no espaço de unidades estruturais e idênticas. No entanto, isto corresponde aum cristal perfeito e na realidade, diversos problemas se põem que impedem estaregularidade e perfeição cristalina.

O primeiro destes problemas deriva do facto de os átomos não se encontrarem estáticosnas suas posições, mas vibrarem em torno de uma posição média de equilíbrio comuma frequência de vibração que depende das forças interatómicas e com umaamplitude que é função da temperatura.

O segundo problema está relacionado com a existência num cristal de átomosestranhos, adicionados, quer intencionalmente (elementos de liga), quer sob a forma deimpurezas. Num e noutro caso, estes átomos provocam distorções locais na redecristalina. No entanto, outros tipos de defeitos podem ocorrer, dividindo-se em: pontuais(lacunas, átomos de substituição, átomos intersticiais), lineares (deslocações) ebidimensionais (limites de grão, falhas de empilhamento).

Pela sua importância nas características mecânicas apresentadas pelos materiais são

descritos nos pontos seguintes os conceitos de deslocação e limite de grão.





Deslocações. Exemplos de deslocações

Considere-se a Fig. 6 em que se representa uma porção de cristal, indicando-se umplano CD e nesse plano uma linha. Admita-se que, por aplicação de uma tensão σ

(indicada na figura), se consegue fazer escorregar, de uma quantidade b, a porção docristal acima do plano, relativamente à parte inferior.

Neste caso a direcção de escorregamento é perpendicular à linha de deslocação e estadesigna-se por deslocação do tipo cunha. Na Fig. 6 apresenta-se um esquemailustrativo do aparecimento da deslocação e do arranjo atómico a ela associado.

Fig. 6 a) Esquema do aparecimento de uma deslocação cunhab) Esquema do arranjo atómico de uma deslocação do tipo cunha

Um tipo de deslocação habitualmente encontrado é a deslocação tipo parafuso cujosesquemas ilustrativos do seu aparecimento e do arranjo atómico a ele associado estãorepresentados na Fig. 7.

Fig. 7 a) Esquema ilustrativo do modo de formação de uma deslocação parafuso

b) Esquema ilustrativo do arranjo atómico associado a uma deslocação parafuso

Neste caso a direcção de escorregamento é paralela à linha de deslocação e a distânciainteratómica junto à linha de deslocação é variável em função da distância a esta.

Existência de deslocações

A existência de deslocações no seio de um cristal foi admitida por ter sido verificadoexperimentalmente que a tensão de cedência num cristal real era de 100 a 10000xinferior à tensão de cedência teórica calculada considerando um cristal perfeito.





Admitiu-se então a existência de discontinuidades responsáveis pela alteração dascaracterísticas mecânicas e estruturais dos materiais, nomeadamente a tensão decedência e a dureza.

Existem métodos experimentais para evidenciar a existência de deslocações de uma

forma directa por microscopia electrónica de transmissão e difracção de raios X, e deforma indirecta através da formação de figuras de corrosão.

Limites de grão

Com o auxílio da microscopia electrónica de transmissão, podem evidenciar-se oslimites de grão como um conjunto de deslocações, lacunas e átomos intersticiais. Aonível atómico, estas regiões são caracterizadas por uma elevada desordem, tanto maiorquanto maior for a diferença de orientação dos grãos que o compõem.

O facto destas regiões possuírem uma energia livre, superior à das regiões adjacentes,torna-as mais reactivas permitindo evidenciá-las, por exemplo, através de ataquequímico na operação de contrastação. Dada a elevada concentração de defeitos nos

limites de grão, estes desempenham um papel importante na deformação quer pelofacto de poderem gerar mais defeitos, nomeadamente deslocações, quer por permitiremescorregamentos ao longo dos limites de grão dos cristais a eles adjacentes. Esteaspecto atinge mais expressão num processo de deformação a alta temperatura. NaFig. 8 evidencia-se o arranjo atómico num limite de grão.

Fig. 8 Esquema de estrutura atómica num limite de grão

Estrutura dos metais

O aspecto da superfície de uma peça, em bruto ou sem acabamento final, podefornecer indicações úteis quanto ao tratamento térmico eventualmente sofrido. Pode-se notar, por exemplo, que as peças tratadas termicamente apresentam uma camada

superficial típica, proveniente da oxidação. Com efeito, o aspecto da superfície ou dafractura das peças, o comportamento do metal sob a acção de uma lima, de ummartelo, de um íman, a sonoridade das peças, a forma das faíscas emitidas noesmeril, etc., prestam informações preciosas sobre as propriedades do material aoobservador experimentado. Por vezes, são os únicos meios economicamente viáveis,para se obter a informação desejada, já que são expeditos e realizáveis semaparelhos especiais.

Se bem que em muitos casos verificações dessa natureza sejam suficientes, outroshá que não dispensam um controlo mais rigoroso. Por esta razão, são absolutamentenecessários instrumentos de precisão para medir a dureza das peças, ou atemperatura dos fornos de tratamento térmico, por exemplo, pois o controlo "a olho" , jamais poderia assegurar a rigorosa uniformidade de produção que certas peças

requerem.Indicações mais técnicas, mais complexas, são, fornecidas pelos ensaios de





laboratório, efectuados com o auxílio de máquinas, instrumentos e métodosadequados para cada caso. Quase todos os resultados são expressosnumericamente de modo a permitirem o seu confronto com valores consignados emnormas, especificações ou outros dados que sirvam de comparação.

Para a determinação das características de uma estrutura torna-se necessário a

utilização de métodos que tornem possíveis esta operação. Por exemplo, asmodificações estruturais de um aço que ocorrem durante a sua solidificação podemser observadas por análises macrográfica e micrográfica.

Após polimento adequado, a superfície de amostra dum metal aparecer-nos-àhomogénea e brilhante. O mesmo se verificará se observarmos com uma lupa. Estefacto deve-se fundamentalmente ao brilho natural do metal e ao facto de toda aradiação incidente ser emitida, uma vez que não há desníveis. A evidenciação daestrutura do material consegue-se utilizando um reagente químico que actua sobre asuperfície dissolvendo selectivamente os diferentes constituintes.

O conhecimento da estrutura dos metais e suas ligas permite-nos compreendermuitas das suas propriedades.

Solidificação do metal

Os metais solidificam-se sempre sob a forma cristalina. A solidificação inicia-seatravés da formação de pequenos cristais em todos os pontos onde o metal em fusãoatinge a temperatura de solidificação.

Estes pequenos cristais assim formados, também chamados núcleos ou centros decristalização, desenvolvem-se através da solidificação de novas partículas que sedepositam sobre os núcleos já existentes. Esta deposição faz-se segundo direcçõespreferenciais, denominadas eixos de cristalização.

Nas ligas ferro carbono, como aliás, em quase todos os metais, a solidificação

processa-se segundo três eixos, os quais são ortogonais entre si. A Fig. 9 pretendeilustrar a formação de um cristal.

Fig. 9 Formação de um cristal

Ao conjunto de cada eixo principal com seus eixos secundários dá-se o nome dedendrite, devido à semelhança com a ramificação das árvores (dedron, em grego). Ocrescimento da dendrite é limitado pelo encontro de seus eixos com as das dendritesvizinhas. Terminada a solidificação, cada dendrite constituí um pequeno cristal decontornos irregulares. A dendrite é, pois, um grão primário.

Como consequência do mecanismo anteriormente exposto, todos os metais, logoapós a sua completa solidificação, são constituídos de numerosíssimos grãos,fortemente unidos, cada um com orientação cristalográfica independente.

Quando as dendrites se desenvolvem no seio do líquido, longe das paredes do moldeque contém o metal, e sem obstáculos, formam-se grãos mais ou menos equiaxiais,isto é, o crescimento segundo os três eixos perpendiculares entre si é

praticamente o mesmo.

Formação decristais





Junto às paredes do molde, verifica-se que a solidificação se desenvolvepreferencialmente segundo os eixos perpendiculares aquelas paredes. Este facto édevido aos ramos laterais esbarrarem logo que começam a crescer com aquelesformados a partir dos núcleos vizinhos. Este comportamento é ilustrado nas Fig. 10 eFig. 11.

Fig. 10 Desenvolvimento de dendrites junto às paredes do molde ou lingoteira

Fig. 11 Grão colunares convergindo para um núcleo central de grãoequiaxiais

PROPRIEDADES dos metais puros

O conhecimento das estruturas cristalina e atómica dos metais, permite-nos explicaralgumas das suas características nomeadamente:

• A elevada densidade.• A variação de algumas propriedades com a direcção (anisotropia).• A estabilidade da ligação metálica.• As principais propriedades.

Densidade nos metais

A maioria dos metais cristaliza em malhas cujo número de coordenação é elevado,geralmente 8 a 12.

Como a distância entre os átomos da malha é pequena, verifica-se uma elevadaconcentração de átomos num espaço limitado, o que explica a elevada densidade damaioria dos metais.

Anisotropia e isotropia aparenteAnisotropia





A variação das propriedades com a direcção designa-se por anisotropia. Aanisotropia depende da distância entre os átomos de uma malha e dosparâmetros da malha.

Num caso em que as propriedades físicas são as mesmas segundo os três eixos, ou

seja constantes, designa-se este material por isotrópico.Normalmente, nos metais os parâmetros da malha variam com a direcção, o queocasiona que, a nível cristalino, estes materiais possam ter, para diferentes direcções,diferentes comportamentos para solicitações externas iguais.

Por exemplo, no modelo daFig. 12, o parâmetro a é maior que b. Por isso, para uma mesma área, o número deátomos no plano horizontal é maior do que no plano vertical; este facto leva a que, porexemplo, seja mais fácil “introduzir” um elemento estranho através do plano vertical doque através do plano horizontal.

Fig. 12 A facilidade de “penetração” é maior no plano vertical

Não devemos, no entanto, esquecer que os metais não são constituídos por um únicocristal, mas por pequenos grãos, constituídos por vários cristais. Estes grãosdistribuem-se geralmente de forma desordenada o que origina que as suaspropriedades apresentem valores aproximadamente constantes em todas asdirecções. É por esta razão que na generalidade dos metais se verifica uma isotropiaaparente.

Ligação metálica

A forma como os átomos metálicos se ligam entre si constituiu, durante muito tempo,um enigma, dada a dificuldade em explicar simultaneamente as característicasparticulares das suas propriedades e a grande estabilidade da ligação metálica.

Para facilitar a ligação entre átomos, admite-se que os átomos perdem os electrõesdas camadas exteriores e se transformam em iões (positivos) e que os electrões devalência se movimentam continuamente no interior da estrutura metálica.

Observemos a Fig. 13. Se num dado instante, os iões A e B estivessem isolados, elestenderiam a afastar-se. Mas, se no espaço que os separa, passar um electrão, o ião Aatrai o electrão e o mesmo se passa com o ião B. Assim o electrão funciona comouma corda que liga duas partículas.





Fig. 13 Plano da posição das partículas atómicas num metal

Como os electrões livres são em grande número, ao movimentarem-se vão seratraídos simultaneamente pelos iões que os envolvem e repelidos pelos electrõesvizinhos. Tal facto origina um elevadíssimo número de interacções opostas de tipoelectrostático, o que garante uma forte ligação entre os iões. A esta forma de ligação

dá-se o nome de ligação metálica.Condutibilidade eléctrica

A condutibilidade eléctrica mede a capacidade de os materiais se deixarem atravessarpela corrente eléctrica.

Na generalidade os metais são bons condutores eléctricos, sendo estecomportamento facilmente compreendido através do modelo que a seguir sedescreve.

A passagem dos electrões através da estrutura cristalina efectua-se facilmente, dadaa sua elevada mobilidade e as atracções opostas que os iões exercem sobre eles,

podendo admitir-se que, ao deslocarem-se, os electrões como que deslizam noespaço interatómico.

As limitações a este "deslizamento" , derivam das possibilidades de choque com osiões. A probabilidade destes “choques” depende do tipo e dos parâmetros da malhacristalina, como sejam a existência de imperfeições no seu interior bem como datemperatura.

Observando a Fig. 14 (a, b, c e d), verifica-se que os electrões nela representados sedeslocam com relativa facilidade no sentido do campo eléctrico; a probabilidade dechoque dos electrões com os iões é mínima sendo, por isso, a condutibilidademáxima.





Fig. 14 Variação da condutibilidade eléctrica dos metais com as alteraçõesestruturais

No caso da Fig. 14(b), a probabilidade de choque aumentou, relativamente a Fig.14(a), e consequentemente a condutibilidade diminuiu.

Na Fig. 14(c), o ião estranho, por ser maior, constitui um obstáculo à passagem doselectrões, o que origina uma diminuição da condutibilidade.

Na Fig. 14(d), o ião estranho intersticial produz um efeito semelhante ao indicado naFig. 14(c).

A elevação de temperatura no metal vai provocar um aumento da vibração dos iões(em volta dos pontos reticulares) com o consequente aumento do espaço ocupado, oque dificulta a passagem dos electrões, diminuindo a condutibilidade eléctrica.

Podemos dizer que a condutibilidade eléctrica é tanto maior quanto menor for aresistência à passagem dos electrões e que a resistividade eléctrica é uma medida daprobabilidade de choque dos electrões.

Condutibilidade térmica

A condutibilidade térmica mede a capacidade que os corpos têm de conduzirem ocalor.

Normalmente os metais são bons condutores térmicos, podemos definir que aelevada condutibilidade nos metais se deve às características da sua ligação,nomeadamente aos seus electrões de valência. Desta forma se compreende a razãopela qual, geralmente, nos metais os valores da condutibilidade eléctrica e térmicaestão relacionados (maior condutibilidade eléctrica corresponde a maiorcondutibilidade térmica) e variam de forma semelhante com as variações estruturaisdo metal.

Plasticidade

A plasticidade é a capacidade de os materiais se deformarem sob a acção de forçasexteriores, mantendo esta deformação após cessar a aplicação dessas forças. Trata-se de uma das propriedades mais importantes dos metais.

Condutibilidadetérmica





Ao nível microscópico, sabemos que os metais são formados por um conjunto depequenos grãos, e que cada grão é um “edifício cristalino” constituído por um elevadonúmero de células elementares.

Assim, quanto maiores forem os grãos, maior poderá ser a amplitude do deslizamento

desses mesmos grãos e consequentemente a deformação plástica. Podemos aindaconcluir que uma estrutura de grão grosseiro apresenta elevada plasticidade; umaestrutura de grão fino deforma-se plasticamente menos, mas apresenta melhorescaracterísticas de resistência mecânica.

Na prática verificamos que a plasticidade dos metais, assim como outraspropriedades que não nos referimos, não dependem apenas da estrutura cristalina,mas de outros factores em que o tamanho de grão é apenas um exemplo.

Efeito de deformação na estrutura micrográfica e nas propriedades mecânicas.Mecanismos de deformação

Quando um material policristalino é deformado plasticamente, os grãos individuais

tendem a adquirir uma orientação comum e preferencial que é desenvolvidagradualmente com o aumento da deformação desde que não se verifiquemsimultaneamente fenómenos que levem a sua anulação, como sejam a recuperação ea recristalização na deformação a quente, Fig. 15.

Fig. 15 Esquema ilustrativo da disposição e forma dos grãos

Esta diferente morfologia dos grãos tem como consequência a alteração daspropriedades mecânicas do material. Na Fig. 16 resume-se o andamento destas emfunção da percentagem de deformação a frio aplicada.

Fig. 16 Variação de algumas propriedades mecânicas com a percentagem dedeformação





A deformação plástica está associada a uma alteração permanente da posição dosátomos da rede cristalina, isto é, quando a tensão actuante é removida, os átomosnão voltam à sua posição inicial na rede, mas permanecem numa outra posição deequilíbrio, não havendo contudo, alteração nos parâmetros da rede.

Pelo contrário, na deformação elástica há uma alteração das distâncias interatómicas

(estas serão maiores ou menores consoante a tensão aplicada for de tracção oucompressão respectivamente), mas quando o esforço é removido, estes voltam à suaposição inicial não havendo, portanto, alteração permanente na sua posição na rede.

Dois mecanismos são fundamentais na deformação plástica: o escorregamento e amaclagem. A preponderância de um ou de outro no processo de deformação dependeessencialmente do material, nomeadamente da estrutura cristalina que apresenta e,em menor grau, do modo de aplicação da tensão.

Deformação por escorregamento

Designa-se por escorregamento o processo de deformação plástica que envolve odeslocamento relativo de porções da estrutura cristalina ao longo de planos

cristalográficos bem definidos designados por planos de escorregamento e segundodirecções cristalográficas específicas desses planos (Fig. 17).

Fig. 17 Sistema de escorregamento na estrutura c.f.c.

O plano de escorregamento é o plano de maior densidade atómica e a direcção deescorregamento é a direcção mais compacta desse plano. O plano e a direcção deescorregamento definem o sistema de escorregamento. É neste sistema que a tensãonecessária ao escorregamento é menor.

Na estrutura hexagonal compacta, os planos mais compactos são os planos basais dotipo {0001} e as direcções de maior capacidade <1120>. Uma vez que existe um planobasal e três direcções, <1120> por célula unitária, a estrutura hexagonal compactapossui três sistemas de escorregamento. O número limitado desses sistemas é a razão

da baixa ductilidade dos metais com estrutura h.c.Na estrutura cúbica de faces centradas, os planos octaedrais {111} e as direcções maiscompactas {110} definem os sistemas de escorregamento. Por célula unitária existemoito planos {111} contendo cada um deles três direcções <110>, existem portanto, dozesistemas de escorregamento possíveis nesta estrutura.

A estrutura cúbica de corpo centrado não é tão compacta como as anteriores. Os planos{110} têm a maior densidade atómica da estrutura c.c.c., apesar de não sersignificativamente superior à de alguns outros planos. Efectivamente, verifica-se queocorre escorregamento não só nos planos {110}, mas também nos {112} e [123}, massempre na direcção <111>, que é a direcção mais compacta. É possível definir,portanto, 48 sistemas de escorregamento, mas uma vez que os planos de

escorregamento são pouco compactos (se comparados com os da c.f.c.), as tensões decorte necessárias ao escorregamento são elevadas.





Consideremos um monocristal cilíndrico sujeito a uma tensão uniaxial de tracção.

Fig. 18 Esquema ilustrativo da deformação por escorregamento

A quantidade de escorregamento provocada num monocristal depende da intensidadedas tensões de corte produzidas pela força exterior aplicada, da estrutura cristalina eda orientação dos planos de escorregamento activos relativamente às tensões decorte. O escorregamento inicia-se quando a tensão de corte no plano deescorregamento atinge um valor designado por tensão de corte crítica resolvida edemonstra-se que esta tensão é máxima quando o plano faz um ângulo de 45º com adirecção de aplicação de força.

Num ensaio de tracção habitual, o movimento do travessão da máquina impede o

provete de deformar uniformemente por escorregamento em todos os planos, umavez que as amarras permanecem alinhadas. Assim, observa-se uma rotação dosplanos de escorregamento em torno do eixo de tracção que é mantido fixo.

Esta rotação promove uma distorção que se opõe à continuação da deformação. Sese representar graficamente o esforço aplicado em função do alongamento obtém-seuma curva do tipo da apresentada na Fig. 19, isto é, o esforço aplicado tem de serprogressivamente crescente para continuar a verificar-se deformação.

Fig. 19 Curva de variação do alongamento em função da carga aplicadaA resistência do metal à continuação da deformação, à medida que esta progride, édesignada por encruamento. Numa curva tensão - deformação, o encruamento podemedir-se pelo declive da recta tangente à curva em cada ponto.





Na deformação de um metal policristalino, o mecanismo anteriormente descrito é válidopara cada grão individualmente, no entanto, este é condicionado não só pela orientaçãoapresentada pelos sistemas de escorregamento de cada grão relativamente à direcçãode solicitação, mas também pela presença de grãos vizinhos e pelas forças de ligaçõesentre estes.

Maclagem

A maclagem é, tal como o escorregamento, um modo de deformação dos metais. Nestecaso, a região que sofre a deformação, ou que maclou, tem a mesma rede do cristal nãodeformado mas com orientação diferente, existindo entre elas uma relação semelhanteà de um objecto para a sua imagem no espelho.

A Fig. 20 ilustra a configuração atómica de uma deformação por maclagem.

Fig. 20 Configuração atómica de uma macla

Designa-se por plano de maclagem o plano de simetria entre as duas porções de

cristal maclado. Acima deste plano, os átomos estão orientados relativamente aos daparte inferior, de tal modo que o plano se assemelha a um espelho. Numa redesimples, como a representada na figura, cada átomo da região maclada move-se deuma quantidade proporcional à sua distância ao plano de maclagem.

A tensão necessária à maclagem é geralmente superior à requerida peloescorregamento e, à temperatura ambiente, a deformação ocorre preferencialmentepor escorregamento. No entanto, se a temperatura baixa, a tensão de corte críticanecessária ao escorregamento aumenta e a maclagem é facilitada.

A deformação por maclagem é mais facilmente conseguida em estruturas h.c. queapresentam poucos sistemas de escorregamento. Metais com estrutura c.c.c. podemmaclar a temperatura ambiente a velocidades de deformação elevadas ou com

velocidades de deformação mais baixas a temperaturas inferiores. Apesar do elevadonúmero de planos de escorregamento é possível observar maclagem em algumasligas c.f.c. como os aços inoxidáveis austeníticos devido à baixa energia de falha queapresentam.





Fig. 21 Fotomicrografia de maclas em aços inoxidáveis austeníticos

O nível de tensão, a velocidade de deformação, a temperatura e a orientação docristal são factores importantes na maclagem.

As maclas são visíveis sobre a superfície contrastada devido à diferença deorientação e de nível que apresentam relativamente às regiões não macladas (Fig.21).

De salientar que a macla difere do escorregamento em alguns aspectos específicos:• No escorregamento a orientação do cristal acima e abaixo do plano de

escorregamento é a mesma após a deformação, enquanto na macIagem aorientação varia ao longo do plano da macla.

• O escorregamento ocorre em múltiplos discretos de espaçamentos atómicos,enquanto o deslocamento dos átomos na maclagem é inferior a uma distânciainteratómica.

Clivagem e Rotura

A clivagem é um processo de rotura que se produz quase sem deformação, segundoos pIanos de menor densidade atómica.

Consideram-se três fases distintas neste processo:

• Ligeira deformação plástica que envolve a formação de pilhas de deslocaçõesnum obstáculo.

• Formação de tensões de corte nas extremidades destas pilhas, suficientes paranuclear microfissuras.

• Desenvolvimento das microfissuras até à rotura sem deformação plástica, porefeito da energia elástica de deformação armazenada.

Há alguns factores que desempenham um papel importante na rotura por clivagem:• A temperatura, uma vez que a tensão de cedência é função desta.• O desenvolvimento de tensões localizadas superiores à tensão de cedência.• A nucleação de fissuras em precipitados e maclas.• O tamanho de grão.





ROTURA DÚCTIL E ROTURA FRÁGIL

Uma vez que a propagação de microfissuras depende do número de barreirasencontradas, entendendo-se por barreira, por exemplo, um limite de grão, verifica-seque o tamanho do grão tem uma influência importante do tipo de rotura. Assim,

quanto menor for o grão, mais limites de grão existem e mais diversa é a orientaçãorelativa dos grãos, consequentemente maior a resistência apresentada pelo material àrotura frágil. Outro factor importante é, por exemplo, no caso de ligas contendo umafase de precipitados finamente dispersos, o espaçamento entre estas partículas.Assim, os aços temperados e revenidos apresentam maior ductilidade devido àpresença das partículas de carbonetos precipitados.

Materiais com estrutura c.c.c. apresentam elevada probabilidade de fracturarem demodo frágil devido à baixa compacidade dos planos (110), enquanto materiais comestruturas c.f.c. dificilmente apresentam rotura frágil, dada, não só à elevadacompacidade dos planos de escorregamento, mas também o número de sistemas deescorregamento.

A presença de um entalhe aumenta a tendência à rotura frágil pelo facto de:• Produzir tensões locais elevadas.• Criar um estado triaxial de tensões.• Produzir um endurecimento por deformação local elevado.• Aumentar a velocidade de deformação localizada.

Sendo a velocidade de deformação ou de aplicação da carga um factor importante nocontrolo da fractura, verifica-se que esta interactua com o efeito de entalhe no sentidode aumentar as deformações localizadas.

Os principais factores que influenciam a transição dúctil - frágil em metais c.c.c. são: oestado de tensão, a temperatura e a velocidade de deformação. Sabendo que ocomportamento na transição pode ser explicado em termos de resistência ao corte e à

clivagem e do modo como estes variam com a temperatura, Ludwik propôs uma curvado tipo da ilustrada na Fig. 22.

Fig. 22 Curva de Ludwik

De salientar que neste contexto σ é praticamente independente da temperatura. Acurva σ’ fornece indicação sobre o andamento da resistência ao corte para provetes





entalhados, verificando-se neste caso um aumento da temperatura de transição.

Esta temperatura de transição dúctil - frágil não é portanto uma propriedade dosmateriais dependendo, entre outros factores, da forma do entalhe e da temperatura epode ser determinada realizando ensaios de impacto, a diferentes temperaturas, emprovetes entalhados.

A Fig. 23 apresenta a representação gráfica da energia absorvida na rotura deprovetes entalhados do tipo Charpy V em função da temperatura.

Fig. 23 Variação da energia absorvida na rotura num ensaio de impacto em função da temperatura

Diversos critérios se admitem para a determinação da temperatura de transição. O

mais simples destes consiste em determinar a temperatura à qual a superfície defractura do provete Charpy V apresenta 50% de fractura dúctil e 50% de fractura frágil.

Numerosos dados experimentais permitem concluir que a deformação plástica sebaseia num movimento de deslocações sob a acção de uma tensão. Os ensaios detracção efectuados sobre provetes monocristalinos (Whiskers), aproximam-se dosvalores teóricos calculados para o caso de um escorregamento homogéneo.

Comparando as tensões requeridas para um escorregamento homogéneo, com astensões necessárias ao movimento de uma deslocação, as segundas sãosignificativamente inferiores.

A Fig. 24 ilustra esquematicamente a deformação elástica e plástica da rede cristalina

sem intervenção de deslocações.





Fig. 24 Deformação elástica e plástica na ausência de deslocações

O deslocamento de dois planos, um em relação ao outro, necessita de uma tensãoelevada, dado que as forças de atracção de Van der Waals entre todos os átomos dosplanos envolvidos devem ser ultrapassadas ao mesmo tempo.

Se, porém, a rede cristalina contiver uma deslocação cunha, por exemplo (Fig. 25) sóuma parte dos átomos do plano se deslocarão relativamente à "fila" correspondente doplano interior. Então, a tensão necessária a este deslocamento é nitidamente inferior àanteriormente considerada.

Fig. 25 Deformação na presença de uma deslocação do tipo cunha

Se a tensão for mantida, a deslocação avança até à superfície, aparecendo aqui um"degrau" de largura igual a uma distância interatómica.

Comparando os dois mecanismos descritos, pequeno deslocamento de filas deátomos no plano de escorregamento e translação de toda uma porção de cristal, éfácil deduzir que a força necessária não será a mesma nos dois casos. Daí que atensão efectivamente necessária para iniciar a deformação plástica sejasignificativamente mais baixa que a teoricamente calculada para um cristal perfeito.

EVOLUÇÃO após DEFORMAÇÃO – ENDURECIMENTO POR PRECIPITAÇÃO

À medida que a deformação plástica avança, o facto de serem nucleadas maisdeslocações, quer a partir dos limites do grão, quer em fontes de Frank-Reed, faz que omovimento das deslocações seja progressivamente dificultado. Então a tensãonecessária à continuação da deformação é progressivamente crescente.





Um outro tipo importante de obstáculo ao movimento de deslocações é a existência defases precipitadas que podem ocorrer por variação de solubilidade com a temperatura. Éo caso, por exemplo, do azoto nos aços e do cobre nos duralumínios, responsáveis peloaparecimento de precipitados dispersos e de pequenas dimensões que actuam comoancoradouros de deslocações.

Para que a deformação plástica continue a verificar-se, a tensão tem de aumentarverificando-se que a dimensão média dos precipitados e a distância entre eles éimportante no efeito de endurecimento por precipitação que originam.

A formação de fases precipitadas de um modo disperso confere ao material maiorestensões de rotura e cedência, mas diminui o alongamento, tornando o material maisduro e frágil, consequentemente menos deformável. Quando este facto constitui umproblema, um modo de o evitar é realizar um tratamento térmico de solubilização queconsiste em levar a liga a uma temperatura adequada à dissolução da fase precipitadana fase primária, seguido de um arrefecimento rápido evitando-se a sua precipitação.




ACTIVIDADES / AVALIAÇÃO

Exercício 1:

Quais os tipos de células cristalinas, mais comuns? _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________

Exercício 2:

Qual a forma de solidificação dos materiais metálicos? _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________

Exercício 3:

Determine o número de coordenação de uma célula cristalina cúbica centrada.

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Exercício 4:

Imagine um determinado metal constituído por uma rede cristalina em que os átomos

apresentam isotropia aparente . Como se comporta este material do ponto de vista dassuas propriedades físicas? _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________

unidade tematica4

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