Atividade Estruturas 3 de Fevereiro

14
Estrutura e Propriedades dos Materiais Solidificação e Imperfeições Cristalinas UFPA – ITEC – FEM Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 99 O número de discordâncias que podem ser bloqueadas por um obstáculo dependerá do tipo de barreira, da relação de orientação entre o plano de deslizamento e as características estruturais da barreira, do material e da temperatura. O colapso da barreira pode ocorrer através de deslizamento em um novo plano, escalagem de discordâncias contornando a barreira, ou pela geração de tensões suficientemente grandes capazes de produzir uma trinca. 4.4.2.10 Outras considerações sobre discordâncias A quantidade e o movimento das discordâncias podem ser controlados pelo grau de deformação (conformação mecânica) e/ou por tratamentos térmicos. Com o aumento da temperatura há um aumento na velocidade de deslocamento das discordâncias, favorecendo o aniquilamento mútuo das mesmas e formação de discordâncias únicas. Impurezas tendem a difundir-se e concentrar-se em torno das discordâncias formando uma atmosfera de impurezas. A densidade das discordâncias depende da orientação cristalográfica, pois o cisalhamento se dá mais facilmente nos planos de maior densidade atômica. As discordâncias geram lacunas, como também influem nos processos de difusão, e a sua formação contribui para a deformação plástica dos materiais. 4.5 Defeitos superficiais Os cristais também apresentam defeitos em duas dimensões que se estendem ao longo de sua estrutura, formando superfícies que são denominadas de imperfeições de superfície ou fronteiras. Os principais tipos de defeitos cristalinos nessa categoria são: superfícies livres, contornos de grão, falhas de empilhamento e maclas. a) Superfícies livres As dimensões exteriores do material representam superfícies onde o cristal termina rapidamente, ou seja, a superfície externa é o término da estrutura cristalina (Figura 4.31). Entretanto, os átomos da superfície não são completamente comparáveis aos do interior do cristal, pois possuem vizinhos de apenas um lado; portanto, têm energia mais alta que os átomos internos e estão ligados a estes mais fragilmente (átomos fora da posição de equilíbrio).

description

atividades estruturas materiais ciencias dos materiais

Transcript of Atividade Estruturas 3 de Fevereiro

Estrutura e Propriedades dos Materiais Solidificação e Imperfeições Cristalinas

UFPA – ITEC – FEM Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 99

O número de discordâncias que podem ser bloqueadas por um obstáculo dependerá

do tipo de barreira, da relação de orientação entre o plano de deslizamento e as

características estruturais da barreira, do material e da temperatura. O colapso da barreira

pode ocorrer através de deslizamento em um novo plano, escalagem de discordâncias

contornando a barreira, ou pela geração de tensões suficientemente grandes capazes de

produzir uma trinca.

4.4.2.10 Outras considerações sobre discordâncias

A quantidade e o movimento das discordâncias podem ser controlados pelo grau de

deformação (conformação mecânica) e/ou por tratamentos térmicos. Com o aumento da

temperatura há um aumento na velocidade de deslocamento das discordâncias,

favorecendo o aniquilamento mútuo das mesmas e formação de discordâncias únicas.

Impurezas tendem a difundir-se e concentrar-se em torno das discordâncias

formando uma atmosfera de impurezas.

A densidade das discordâncias depende da orientação cristalográfica, pois o

cisalhamento se dá mais facilmente nos planos de maior densidade atômica.

As discordâncias geram lacunas, como também influem nos processos de difusão, e a

sua formação contribui para a deformação plástica dos materiais.

4.5 Defeitos superficiais

Os cristais também apresentam defeitos em duas dimensões que se estendem ao

longo de sua estrutura, formando superfícies que são denominadas de imperfeições de

superfície ou fronteiras. Os principais tipos de defeitos cristalinos nessa categoria são:

superfícies livres, contornos de grão, falhas de empilhamento e maclas.

a) Superfícies livres

As dimensões exteriores do material representam superfícies onde o cristal termina

rapidamente, ou seja, a superfície externa é o término da estrutura cristalina (Figura 4.31).

Entretanto, os átomos da superfície não são completamente comparáveis aos do interior do

cristal, pois possuem vizinhos de apenas um lado; portanto, têm energia mais alta que os

átomos internos e estão ligados a estes mais fragilmente (átomos fora da posição de

equilíbrio).

Estrutura e Propriedades dos Materiais Solidificação e Imperfeições Cristalinas

UFPA – ITEC – FEM Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 100

A Tabela 4.2 lista os valores da energia de superfície de alguns metais. A energia

superficial é expressa em erg/cm2 ou J/m2.

Figura 4.31 – Átomos da superfície do cristal.

Tabela 4.2 – Energia de superfície de alguns metais.

Material Energia de superfície

(mJ/m2) Alumínio Ouro Cobre Ferro (CCC) Ferro (CFC) Platina Tungstênio Magnésio Alumina (Al2O3)

1100 1400 1750 2100 2200 2100 2800 1200

2500 a 3000 Fonte: Padilha (2000)

b) Contornos de grão

Durante a solidificação do material, vários núcleos sólidos surgem no interior do

líquido. Em uma fase seguinte, denominada de crescimento, esses núcleos crescem e se

juntam, formando nestas juntas, uma região conhecida como contorno de grão. Como os

diversos grãos formados não apresentam a mesma orientação cristalográfica, o encontro

dos mesmos cria superfícies de contato dentro do cristal, formadas por átomos

desordenados (Figura 4.32).

Superfície externa

Estrutura e Propriedades dos Materiais Solidificação e Imperfeições Cristalinas

UFPA – ITEC – FEM Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 101

Figura 4.32 – Formação de contornos de grãos.

A estrutura de muitos materiais cerâmicos e metálicos consiste de muitos grãos

(Figura 4.33).

Figura 4.33 – Estrutura mostrando os grãos e seus contornos.

Um grão é uma porção do material, na qual todos os átomos estão arranjados

segundo um único modelo e uma única orientação, caracterizada pela célula unitária;

b a

c d

Líquido

Núcleo

Contorno de grão

Grão

Contorno de grão

Grão

Estrutura e Propriedades dos Materiais Solidificação e Imperfeições Cristalinas

UFPA – ITEC – FEM Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 102

entretanto, a orientação do arranjo de átomos, ou a estrutura cristalina, é diferente para

cada grão.

Um contorno de grão é a superfície que separa os grãos individuais, e é uma zona de

transição restringida onde os átomos não estão apropriadamente espaçados, ou seja, é uma

zona entre grãos, a qual não está alinhada com nenhum dos grãos; isto causa, nessas zonas,

o surgimento de regiões de compressão em algumas áreas e de regiões de tração em outras.

Portanto, os átomos ao longo do contorno têm uma energia mais elevada que aqueles

do interior do grão, conforme pode ser observado na Tabela 4.3.

Tabela 4.3 – Energia de contorno de alguns metais.

Material Energia de contorno (mJ/m2)

Alumínio Ouro Cobre Ferro (CCC) Ferro (CFC) Platina Tungstênio Alumina (Al2O3)

600 400 530 800 790 780

1070 1900

Fonte: Padilha (2000)

A forma do grão é controlada pela presença dos grãos circunvizinhos; o tamanho de

grão é controlado pela composição e pela taxa de cristalização ou solidificação.

É importante o conhecimento do tamanho de grão de um material policristalino, visto

que o número de grãos tem papel significativo em muitas propriedades dos materiais,

especialmente na resistência mecânica; logo, um método de controlar as propriedades de

um material é controlando o tamanho dos grãos que o formam.

Pela redução do tamanho de grão, o número de grãos crescerá e, conseqüentemente,

haverá um aumento da quantidade de áreas de contornos de grão:

• Em baixas temperaturas, até a metade da temperatura de fusão, os contornos de grãos

aumentam a resistência do material por meio da limitação do movimento de

discordâncias, ou seja, o movimento de uma discordância fica restringido, pois logo

encontrará um contorno de grão que a travará.

• Em temperaturas acima de cerca da metade do ponto de fusão, a deformação pode

ocorrer por deslizamento ao longo dos contornos de grão. Isto se torna mais

proeminente com o aumento da temperatura e com a diminuição da taxa de deformação,

Estrutura e Propriedades dos Materiais Solidificação e Imperfeições Cristalinas

UFPA – ITEC – FEM Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 103

assim como em fluência (o mecanismo de deformação plástica nestas temperaturas é o

de fratura intergranular); este mecanismo é um dos responsáveis pela diminuição da

resistência mecânica do material em temperaturas elevadas.

A equação de Hall-Petch relaciona o tamanho de grãos com o limite de escoamento

do material (ASKELAND & PHULÉ, 2003):

21

oy KD−+= σσ

onde σy é o limite de escoamento, D é o diâmetro médio dos grãos, e σo e K são constantes

do material.

Tamanho de grão

A padronização do tamanho de grão pode ser feita por meio do número de tamanho

de grão da ASTM, que é determinado pela equação:

1n

2N−=

onde n é o número inteiro definido como o número do tamanho de grão da ASTM, N é o

número de grãos por polegada quadrada, em um material polido, atacado quimicamente e

observado com o aumento de 100X.

Um número do tamanho de grão elevado indica muitos grãos ou um tamanho de grão

pequeno, que é correlacionado com alto limite de escoamento para metais. A Tabela 4.4

apresenta a padronização do tamanho de grão cristalino segundo a ASTM, cuja ilustração

encontra-se na Figura 4.34.

Estrutura e Propriedades dos Materiais Solidificação e Imperfeições Cristalinas

UFPA – ITEC – FEM Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 104

Tabela 4.4 – Padronização do tamanho de grão segundo a ASTM.

Número do tamanho de grão (n)

Quantidade média de grãos (N)

Diâmetro de grão

médio (mm)

por mm2 x 1 por pol2 x 100

1 2 3 4 5 6 7 8 9

10

16 32 64

128 256 512

1024 2048 4096 8200

1 2 4 8

16 32 64

128 256 512

0,75 0,50 0,35 0,25 0,18

0,125 0,062 0,044 0,032 0,022

Figura 4.34 – Ilustração esquemática do tamanho de grão segundo a ASTM.

A microscopia ótica é uma técnica usada para revelar detalhes microestruturais que

necessitam de amplificações menores que 2000 vezes, como os contornos de grão. A

Figura 4.35 mostra uma micrografia de um aço inoxidável austenítico.

Estrutura e Propriedades dos Materiais Solidificação e Imperfeições Cristalinas

UFPA – ITEC – FEM Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 105

Figura 4.35 – Micrografia de um aço austenítico.

Nos contornos de grão há um empacotamento atômico menos eficiente e uma energia

mais elevada, como também ocorre o favorecimento da nucleação de novas fases

(segregação), o favorecimento a difusão e a ancoragem do movimento das discordâncias.

Contornos de pequeno ângulo

Uma subestrutura definida pode existir dentro dos grãos envolvidos por contornos de

grão de alta energia. Os contornos dessa subestrutura são denominados de contornos de

pequeno ângulo, porque a diferença de orientação entre esses contornos (desorientação) é

pequena (da ordem de apenas uns poucos minutos de arco ou, no máximo, uns poucos

graus).

Um contorno de pequeno ângulo é formado pelo alinhamento de discordâncias;

portanto, é um arranjo de discordâncias que produz uma desorientação entre cristais

adjacentes, conforme mostra a Figura 4.36.

Estrutura e Propriedades dos Materiais Solidificação e Imperfeições Cristalinas

UFPA – ITEC – FEM Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 106

Figura 4.36 – Desenho esquemático da formação de um contorno de pequeno ângulo (DIETER, 1982).

Como a energia superficial dos contornos de pequeno ângulo é menor que a do

contorno de grão regular, eles não são eficazes como um bloqueador de discordâncias e,

também, são menos atacados quimicamente do que os contornos de grãos.

A situação mais simples é o caso do contorno de empilhamento de discordâncias em

aresta, denominado contorno inclinado (“tilt boundary”), mostrado na Figura 4.36, onde se

verifica:

• A pequena diferença entre os grãos é indicada pelo ângulo θ;

• Os dois cristais se juntam formando um contorno de pequeno ângulo;

• Ao longo do contorno os átomos ajustam suas posições por uma deformação localizada

para produzir uma suave transição de um grão para outro; entretanto, uma deformação

elástica não pode acomodar todo o desarranjo, de maneira que alguns planos de átomos

devem terminar no contorno.

• Onde um plano de átomos termina existe uma discordância em cunha; portanto,

contornos de pequeno ângulo podem ser considerados como um arranjo de

discordâncias em cunha.

• A relação entre θ e o espaçamento das discordâncias é dada por

Estrutura e Propriedades dos Materiais Solidificação e Imperfeições Cristalinas

UFPA – ITEC – FEM Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 107

D

b

D2

btan2 1 ≈= −θ

onde b é o tamanho do vetor de Burgers da discordância.

Um contorno de pequeno ângulo formado por discordâncias em hélice é denominado

de contorno torcido (“twist boundary”).

Contornos de pequeno ângulo podem ser formados de várias maneiras: durante o

crescimento do cristal, durante deformação em fluência a alta temperatura, ou como

resultado de uma transformação de fase.

Um dos métodos mais comuns para produzir uma rede de subestruturas é pela

introdução de pequenos graus de deformação (de cerca de 1 a 10% de pré-deformação)

seguida de um tratamento de recozimento para rearranjar as discordâncias em contornos de

subgrão. A quantidade de deformação e a temperatura devem ser baixas o bastante para

evitar a formação de novos grãos por recristalização. Esse processo é chamado de

recristalização localizada ou poligonização.

O termo poligonização foi usado originalmente para descrever a situação que ocorre

quando um cristal é dobrado com um raio de curvatura relativamente pequeno e depois

recozido. O dobramento produz um excessivo número de discordâncias de mesmo sinal.

Estas discordâncias ficam distribuídas nos planos de dobramento, como mostra a Figura

4.37-a. Quando o cristal é aquecido elas se agrupam em configuração de mais baixa

energia, como as de um contorno de pequeno ângulo, onde é envolvido o processo de

escalagem. A estrutura resultante é uma rede de aspecto poligonal de contornos de pequeno

ângulo, mostrada na Figura 4.37-b.

Figura 4.37 – Movimento de discordâncias para produzir poligonização

(DIETER, 1982).

Estrutura e Propriedades dos Materiais Solidificação e Imperfeições Cristalinas

UFPA – ITEC – FEM Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 108

c) Falha de empilhamento

São defeitos superficiais que ocorrem em metais CFC e HC e representam um erro

na seqüência regular de empilhamento de planos compactos.

Nos metais CFC a seqüência de empilhamento regular produzida é

...ABCABCABC..., e nos metais HC a seqüência regular é ...ABABAB...; entretanto, estas

seqüências podem ser localmente alteradas por deformação plástica e aglomerado de

defeitos puntiformes criados por irradiação do material por partículas pesadas de alta

energia ou têmpera, dando origem aos defeitos de empilhamento, mostrados a seguir:

CFC: ...ABCABABC...

HC: ...ABABBAB...

A energia associada à falha de empilhamento é fornecida na Tabela 4.5, para alguns

materiais.

Tabela 4.5 – Energia de falha de empilhamento para alguns materiais.

Material Estrutura Energia de falha de

empilhamento (mJ/m2)

Tungstênio Molibdênio Tântalo Nióbio Níquel Alumínio Cobre Ouro Prata Aço AISI 304L Latão (30%Zn) Zinco Magnésio Cádmio

CCC CCC CCC CCC CFC CFC CFC CFC CFC CFC CFC HC HC HC

1860 1450 942 537 220 163 62 50 22 19 12

140 125 175

Fonte: Padilha (2000)

Defeito de empilhamento: Na porção indicada da seqüência, um plano A aparece onde um plano C

deveria estar normalmente localizado.

Defeito de empilhamento: Na porção indicada da seqüência, um plano B aparece onde um plano A deveria estar normalmente localizado.

Estrutura e Propriedades dos Materiais Solidificação e Imperfeições Cristalinas

UFPA – ITEC – FEM Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 109

d) Maclas

Ocorrem quando parte da rede cristalina é deformada, de modo a formar uma

imagem especular da parte não deformada (Figura 4.38).

Figura 4.38 – Plano de macla.

O plano cristalográfico de simetria entre as regiões deformada e não deformada é

chamado de plano de maclação ou contorno de macla.

As maclas podem ser produzidas em certos materiais metálicos, a partir de tensões

mecânicas ou térmicas oriundas de processos de deformação ou tratamento térmico, pela

produção de uma força de cisalhamento atuando ao longo do contorno de macla, causando

a mudança de posição dos átomos.

Esses defeitos ocorrem durante a deformação ou tratamento térmico de certos

materiais metálicos.

Os contornos de macla interferem com o processo de deslizamento e,

conseqüentemente, aumentam a resistência do material.

Também ocorrem em alguns materiais cerâmicos (zircônia monoclínica e silicato de

cálcio).

Em função da alta energia associada, os contornos de grão são mais eficazes no

bloqueio de discordâncias do que falhas de empilhamento ou contornos de maclas,

conforme comparação feita na Tabela 4.6.

Planos de espelho (contornos de macla)

Macla

Estrutura e Propriedades dos Materiais Solidificação e Imperfeições Cristalinas

UFPA – ITEC – FEM Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 110

Tabela 4.6 – Quadro comparativo das energias associadas aos defeitos superficiais

Imperfeição superficial Energia de superfície (J/m2)

Alumínio Cobre Platina Ferro Falha de empilhamento Contorno de macla Contorno de grão

200 120 625

75 45

645

95 195

1000

- 190 780

A Figura 4.39 refere-se a uma micrografia obtida por microscopia ótica de um aço

inoxidável duplex envelhecido, onde várias maclas podem ser observadas.

Figura 4.39 – Micrografia onde várias maclas são visíveis (LOPES, 2006).

4.6 Defeitos volumétricos ou de massa

Os materiais sólidos apresentam outros tipos de defeitos que são muito maiores do

que aqueles que foram estudados até aqui, tais como poros, trincas, inclusões e outras

fases.

Estes defeitos são normalmente introduzidos durantes as etapas de processamento do

material e/ou na fabricação do componente. As figuras subseqüentes ilustram alguns

defeitos volumétricos.

a) Inclusões

São impurezas estranhas ao material, tais como óxidos e sulfetos, dentre outros. A

Figura 4.40 mostra inclusões como observadas no microscópio.

Macla

Estrutura e Propriedades dos Materiais Solidificação e Imperfeições Cristalinas

UFPA – ITEC – FEM Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 111

Figura 4.40 – Micrografia apresentando inclusões.

b) Precipitados

São aglomerados de partículas cuja composição difere da matriz (Figura 4.41).

Figura 4.41 – Micrografias ótica e eletrônica de varredura de uma amostra de aço

inoxidável duplex envelhecido (LOPES, 2006)

c) Fases

Forma-se devido à presença de impurezas ou elementos de liga, e ocorrem quando o

limite de solubilidade é ultrapassado (Figura 4.41).

Precipitados Precipitados

Fase austenita Fase ferrita

Estrutura e Propriedades dos Materiais Solidificação e Imperfeições Cristalinas

UFPA – ITEC – FEM Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 112

d) Porosidade

Origina-se devido à presença ou formação de gases. Por exemplo, a superfície de

material puro durante o seu processamento por metalurgia do pó (Figura 4.42).

Figura 4.42 – Micrografia mostrando regiões de porosidade.

4.7 Referências bibliográficas

ASKELAND, Donald R.; PHULÉ, Pradeep P. The science and engineering of materials. 4.ed. California: Brooks/Cole-Thomson Learning, 2003. DIETER, G.E. Metalurgia mecânica. 2a Ed. Rio de Janeiro: Ed. Guanabara Dois, 1981. CALLISTER JR., William D. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 5.ed. Rio de Janeiro: LTC, 2002. CARAM JR., Rubens. Estrutura e propriedades dos materiais. Apostilha de aula. Campinas: Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP), 2000. FREIRE, J.M. Materiais de construção mecânica: Fundamentos de tecnologia mecânica. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., 1983. LOPES, Jorge Teófilo de Barros. Influência da presença de fases frágeis e da temperatura

nas propriedades de propagação de trinca por fadiga do aço inoxidável duplex UNS

S31803. Campinas: Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Estadual de Campinas, 2006. 155p. Tese (Doutorado). PADILHA, Angelo F. Materiais de engenharia: microestrutura e propriedades. Curitiba: Hemus, 2000. SMITH, William F. Princípios de ciência e engenharia de materiais. 3.d. New York: McGraw-Hill, 1998. VAN VLACK, L.H. Princípios de ciência dos materiais. 3.d. São Paulo: Edgard Blücher, 1977.