Capítulo 07

Discordâncias e Mecanismos de Aumento de Resistência
• Por que a resistência medida dos materiais é muito menor do que
aquela predita pelos cálculos teóricos, baseados na força de ligação dos
átomos de um cristal perfeito do material?
 Ex: a resistência ao cisalhamento teórica do cobre é mecânica maior que 1000 MPa,
mas o valor medido é de uma ordem de grandeza menor que este.
• Por que os metais se deformam plasticamente?
• Por que a deformação plástica dos metais pode resultar em profundas
alterações nas propriedades mecânicas do material?
Por conta da
existência de discordâncias na
rede cristalina dos materiais;
• Resposta:
Discordâncias e Mecanismos de Aumento de Resistência
• Escorregamento e plano de escorregamento:
 O processo pelo qual uma discordância se move para causar uma deformação
no material é chamado escorregamento;
 O plano cristalográfico ao longo do qual a linha da discordância se movimenta
é conhecido como plano de escorregamento.
• Densidade de discordâncias: Número de discordâncias expresso como o
comprimento total de discordâncias por unidade de volume.
Tensão de cisalhamento
Plano de
escorregamento
Plano extra de átomos
Linha de discordância
Vetor de Burgers
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.
Discordâncias e Mecanismos de Aumento de Resistência
Discordância de aresta: o
movimento da linha de
discordância é paralelo ao da
força de cisalhamento
Discordância em espiral: o
movimento da linha de
discordância é perpendicular
ao da força de cisalhamento
Discordâncias : Esforços Envolvidos
Repulsão
Atração e
aniquilamento
Regiões de tração e compressão
ao redor da discordância
Interação entre discordâncias
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.
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.
Escorregamento em Monocristais
 Tensão de cisalhamento resolvida (R): produz deformações plásticas. Para
o caso de um carregamento simples de tração:
 Tensão de cisalhamento resolvida crítica (tcrc):
tensão de cisalhamento mínima exigida para iniciar
o escorregamento.
y = crss/(cos cos)max
 Para  =  = 45o
e = 2crss
Escorregamento em Monocristais
Direção da força
Plano de
escorregamento
Cada degrau mostrado nas imagens
resulta da geração de um grande
número de discordâncias e suas
propagações ao longo de um sistema
de escorregamento com a máxima
tensão de cisalhamento resolvida
Deformação Plástica de Materiais Policristalinos
 Orientação dos cristais nos grãos é aleatória;
 Discordâncias precisam passar de grão em grão;
 Em alguns grãos o sistema de escorregamento será favoravelmente orientado, em outros não;
 Escorregamento só ocorre quando todos os grãos são capazes de escorregar.
Linhas de escorregamento
em grãos deformados
Antes da deformação: grãos
equiaxiais
Após deformação:
alongados
grãos
Deformação Plástica de Materiais Policristalinos
• Deformação por maclagem: Em adição ao
escorregamento a deformação plástica em
alguns materiais metálicos pode ocorrer pela
formação de maclas de deformação, ou
maclagem.
Planos da
macla
maclas
As orientações cristalográficas acima e abaixo do
escorregamento são as mesmas antes e depois da
deformação. Mas, no caso de maclagem, haverá
uma reorientação no plano de maclagem, no qual
poderá tomar lugar um novo sistema de
escorregamento para que escorregamentos
ocorram.
fronteira
fronteira
Deformação Plástica de Materiais Policristalinos
 As direções de escorregamento podem variar de cristal para cristal. Alguns grãos
possuem orientação menos favoráveis com respeito a carga aplicada (ex: cos
cos baixo);
 Mesmo os grãos para os que cos cos é alto podem ser limitados na deformação
pelos grãos adjacentes que não podem se deformar facilmente;
 Discordâncias não podem facilmente atravessar contornos de grão devido às
mudanças de direção do plano de escorregamento e à desordem no contorno de
grão;
 Como resultado, os materiais policristalinos são mais resistentes que os
monocristalinos (exceto os monocristais perfeitos, sem defeito algum)
Mecanismos do aumento de resistência em metais
 A habilidade de um metal se deformar depende da facilidade com que as
discordâncias podem se mover;
 A restrição de uma discordância se mover torna o material mais resistente;
 Mecanismos de aumento de resistência em materiais monofásicos:
 diminuição do tamanho do grão;
 por solução sólida;
 encruamento
Tamanho do grão
1)
Uma discordância cruzando um grão poderá
ter que mudar sua direção de movimentação
quando encontrar outro grão, logo o contorno
de grão torna-se um obstáculo;
2)
A desordem de um contorno de grão resultará
em uma descontinuidade dos planos de
escorregamento de um grão para outro;
3)
A redução do tamanho de grão ou o aumento
do contorno de grão resultará em um
aumento da resistência de materiais metálicos
policristalinos.
Onde: 0 e Ky são constantes
Solução Sólida
e (psi)
Discordância de aresta
Tensão causada por átomos substitucionais
menores que os do metal hospedeiro
Discordância de aresta
Compressão
causada
por
átomos
substitucionais maiores que os do metal
hospedeiro
% elemento de liga
Encruamento
Um
material
é
tracionado além do seu
limite de escoamento
antes de ser aliviado
Agora o material possui
um
limite
de
escoamento maior, mas
uma ductilidade menor.
Repetindo-se
o
procedimento
várias
vezes, o material vai
aumentar seu limite de
escoamento e diminuir
sua
ductilidade
continuamente
até
tornar-se frágil.
Encruamento
Trabalho a frio:
Encruamento
Recuperação, Recristalização e Crescimento de Grão
a)Trabalho a frio; b) Após recuperação; c) Após recristalização; d) Após crescimento de
grão.
 Tratamentos térmicos são tratamentos feitos a altas temperaturas para
eliminar os efeitos da deformação a frio:
 Recuperação: liberação de parte da energia interna de deformação de um
material deformado a frio;
 Recristalização: formação de um novo conjunto de grãos livres de
deformação, dentro de um material deformado a frio;
 Crescimento de grão: aumento do tamanho médio de grão de um
material policristalino.
Recuperação, Recristalização e Crescimento de Grão
a) Trabalho a frio;
b) Estágio inicial de
recristalização (3s a
580oC);
c) Substituição parcial
de
grãos
deformados
por
recristalizados (4s a
580oC);
d) Recristalização
completada (5s a
580oC);
e) Crescimento
de
grão após 15 min a
5800C;
f) Crescimento
de
grão após 10 min a
700oC.
Crescimento de Grão
dn - don = Kt