Deformação e mecanismos de endurecimento · Adapted from Fig. 7.1, Callister & Rethwisch 8e....
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Deformação e
mecanismos de endurecimento
1º semestre / 2016
Universidade Estadual de Ponta Grossa Departamento de Engenharia de Materiais Disciplina: Ciência dos Materiais 1
2
Questões para tratar...
• Por que o número de discordâncias presentes é maior
em metais?
• Como resistência e mobilidade de discordâncias estão
relacionadas?
• Por que o aquecimento altera a resistência e outras
propriedades?
Deformação e mecanismos de
endurecimento
3
Discordâncias e classes de materiais
• Cerâmicas covalentes
(Diamante): Movimentação
dificultada
- ligação direcional
• Cerâmicas iônicas (NaCl):
Movimentação dificultada
- necessidade de evitar vizinhos
mais próximos de mesmo
sinal (- e +)
+ + + +
+ + +
+ + + +
- - -
- - - -
- - -
• Metais (Cu, Al):
Movimentação mais fácil
de discordâncias
- ligações não direcionais
- direçoes compactas
para escorregamento
nuvem de
elétrons
núcleo
+
+
+
+
+ + + + + + +
+ + + + + +
+ + + + + + +
4
Movimento de discordâncias Momvimento de discordâncias & deformação plástica
• Metais – deformação plástica ocorre pelo
escorregamento – uma discordância em cunha (meio
plano extra de átomos) escorrega sobre meio planos
de átomos adjacentes
• Se as discordâncias não podem se movimentar,
deformação plástica não pode ocorrer! Adapted from Fig. 7.1,
Callister & Rethwisch 8e.
Tensão de
cisalhamento
Tensão de
cisalhamento
Tensão de
cisalhamento
Plano de
escorre-
gamento
Linha da
discordância
em cunha
Degrau
unitário de
escorrega-
mento
5
Movimento de discordâncias • Uma discordância se move ao longo de um plano de
escorregamento em uma direção de escorregamento perpendicular à linha de discordância
• A direção de escorregamento é a mesma direção do vetor de Burgers
Discordância
em cunha
Discordância
em hélice
Adapted from Fig. 7.2,
Callister & Rethwisch 8e.
6
Sistema de escorregamento
– Plano de escorregamento – plano no qual escorregamento
mais fácil ocorre
• Planos de densidade planar mais elevada (e grande
espaçamento interplanar)
– Direções de escorregamento – direções do movimento
• Densidades lineares mais elevadas
Mecanismos de deformação
Adapted from Fig.
7.6, Callister &
Rethwisch 8e.
– Escorregamento na CFC ocorre nos planos {111} (compactos) nas direções <110> (compactas)
=> total de 12 sistemas de escorregamento na CFC
– Para CCC e HC existem outros sistemas de escorregamento.
7
Tensão e movimento de discordâncias
• Tensão de cisalhamento resolvida, tR
– resulta de tensões de tração aplicadas
plano de escorregamento
normal, ns
Tensão de cisalhamento resolvida: tR = F s /A s
AS
tR
tR
FS
Relação entre s e tR
tR = FS /AS
F cos l A / cos f
l F
FS
f nS
AS A
Tensão de tração aplicada: = F/A s
F A
F
flst coscosR
8
• Condição para movimento de discordâncias: tcrcR tt
• Facilidade do movimento de discordâncias
depende da orientação cristalográfica 10-4 GPa a 10-2 GPa
valores típicos
flst coscosR
Tensão de cisalhamento resolvida crítica
(TCRC)
t máxima em l = f = 45º
tR = 0
l = 90°
s
tR = s /2 l = 45° f = 45°
s
tR = 0
f = 90°
s
9
Escorregamento em
monocristais
Adapted from Fig. 7.8,
Callister & Rethwisch 8e.
Adapted from Fig.
7.9, Callister &
Rethwisch 8e.
Direção
da força
Plano de
escorregamento
10
Ex: Deformação de um monocristal
A tensão aplicada de 45 MPa não causará escorregamento no cristal.
t s cosl cosf
s 45 MPa
l = 35°
f = 60° ttcrc = 20.7 MPa
a) Ocorrerá escorregamendo no monocristal?
b) Caso não ocorra, qual a tensõ necessária?
s = 45 MPa
Adapted from
Fig. 7.7,
Callister &
Rethwisch 8e.
MPa MPa
( MPa)
( MPa)
tcrc 720418
41045
603545
,,
),(
))(coscos(
tt
t
11
Ex: Deformação de um monocristal
Qual tensão é necessária (isto é, qual é o
limite de escoamento, sy)?
),(coscos, 410720 yytcrc MPa sflst
MPa 0,5MPa 0,7tcrc
y 5410
2
,coscos fl
ts
MPa y 550,ss
Para a deformação ocorrer a tensão aplicada deve
ser maior ou igual ao limite de escoamento
12
Adapted from Fig.
7.10, Callister &
Rethwisch 8e.
(Fig. 7.10 is
courtesy of C.
Brady, National
Bureau of
Standards [now the
National Institute of
Standards and
Technology,
Gaithersburg, MD].)
Escorregamento em Policristais s
300 mm
• Policristais são mais fortes que
monocristais – contornos de
grão são barreiras para a
movimentação das
discordâncias.
• Planos de escorregamento &
direções (l, f) mudam de um
grão para outro.
• tR irá variar de um grão
para outro.
• O grão com maior tR
escoa primeiro.
• Outros (orientados menos
favoravelmente) grãos
escoam posteriormente.
13
• Pode ser induzida pela laminação de um metal policristalino
- antes da laminação
235 mm
- depois da laminação
- anisotrópico
laminação afeta orientação
e forma dos grãos.
direção de laminação
Adapted from Fig. 7.11,
Callister & Rethwisch 8e.
(Fig. 7.11 is from W.G. Moffatt,
G.W. Pearsall, and J. Wulff,
The Structure and Properties
of Materials, Vol. I, Structure,
p. 140, John Wiley and Sons,
New York, 1964.)
Anisotropia no limite de escoamento
- isotrópico
grãos equiaxiais
& orientados
aleatoriamente.
14
Estratégias para aumento de
resistência em metais:
1: Reduzir tamanho de grão
• Contornos de grão são
barreiras para o
escorregamento.
• Barreira aumento
com o aumento da
da diferença de
orientação
cristalográfica.
• Menor tamanho de grão:
mais barreiras para o
escorregamento.
• Equação de Hall-Petch: 21/ dk yoescoamento ss
Adapted from Fig. 7.14, Callister & Rethwisch
8e. (Fig. 7.14 is from A Textbook of Materials
Technology, by Van Vlack, Pearson Education,
Inc., Upper Saddle River, NJ.)
Contorno de grão
Plano de
escorregamento
Grão A
15
Estratégias para aumento de
resistência em metais:
2: Formação de soluções sólidas
• Pequena impureza
substitucional
Impureza gera tensão local em A e B
que se opõe à movimentação da
discordância para a direita.
A
B
• Grande impureza
substitucional
Impureza gera tensão local em C e D
que se opõe à movimentação da
discordância para a direita.
C
D
• Átomos de impureza distorcem a rede e geram deformação
na rede.
• Estas deformações podem atuar como barreiras para a
movimentação de discordâncias .
16
Deformações na rede ao redor de
discordâncias
Adapted from Fig. 7.4,
Callister & Rethwisch 8e.
Compressão
Tração
17
Aumento de resistência por
solução sólida • Impurezas pequenas tendem a se concentrar nas
discordâncias (regiões de deformação por compressão) – cancelamento parcial da deformação por compressão da discordância e da tensão de tração do átomo de impureza
• Reduz a mobilidade das discordâncias e aumenta a resistência
Adapted from Fig. 7.17,
Callister & Rethwisch 8e.
18
• Impurezas grande tendem a se concentrar
nas discordâncias (regiões de deformação
por tração)
Adapted from Fig. 7.18,
Callister & Rethwisch 8e.
Aumento de resistência por
solução sólida
Aumento de resistência – Solução Sólida
19
Metal puro
Impureza grande
Impureza pequena
Intersticial
20
Ex: Solução sólida
Aumento de resistência no cobre
• LRT e LE aumentam com a concentração de Ni
• Relação empírica:
• Formação de liga aumenta LE e LRT.
2/1 ~ Cys
Adapted from Fig.
7.16(a) and (b),
Callister &
Rethwisch 8e.
LR
T (
MP
a)
wt.% Ni
200
300
400
0 10 20 30 40 50
LE
(M
Pa
) wt.%Ni
60
120
180
0 10 20 30 40 50
21
• Precipitados duros são difíceis de cisalhar Ex: Intermetálicos em matrizes metálicas
• Resultado: S
LE1
~
Estratégias para aumento de resistência
em metais:
3: Aumento de resistência pro precipitação
Grande tensão de cisalhamento necessária para mover a discordância em direção ao precipitado e cisalhá-lo.
Discordância “avança” mas precipitados agem como “pinos” com
S espaçamento
Vista lateral
precipitado
Vista superior
Parte escorregada
Parte não escorregada
S
22
• Estrutura interna da asa no Boeing 767
• Alumínio é endurecido com precipitados formados.
Adapted from Fig. 11.26,
Callister & Rethwisch 8e.
(Fig. 11.26 is courtesy of
G.H. Narayanan and A.G.
Miller, Boeing Commercial
Airplane Company.)
1.5mm
Aplicação:
Aumento de resistência por precipitação
Adapted from chapter-
opening photograph,
Chapter 11, Callister &
Rethwisch 3e. (courtesy of
G.H. Narayanan and A.G.
Miller, Boeing Commercial
Airplane Company.)
23
Estratégias para aumento de
resistência em metais :
4: Trabalho a frio (Encruamento)
• Deformação em temperatura ambiente (maioria dos metais).
• Operações comuns de conformação reduzem a área
de seção transversal:
Adapted from Fig.
11.8, Callister &
Rethwisch 8e.
-Forjamento
A o A d
força
matriz
blank
força -Trefilação
força de tração
A o
A d matriz
-Extrusão
tarugo força
matriz
A o
A d
100 x A
AA FT%
o
do
-Laminação
A o
A d
matriz
24
• Estrutura de discordâncias no Ti depois do trabalho a frio
• Discordâncias se emaranham
durante trabalho a frio.
• Movimento de discordâncias
se tornar mais difícil.
Fig. 4.6, Callister &
Rethwisch 8e.
(Fig. 4.6 is courtesy
of M.R. Plichta,
Michigan
Technological
University.)
Mudança na estrutura de discordâncias
durante o trabalho a frio
25
Densidade de discordâncias
aumenta durante o trabalho a frio
Densidade de discordâncias=
– Monocristais crescidos controladamente
103 mm-2
– Amostra deformada a frio
109-1010 mm-2
– Tratamento térmico reduz a densidade de discordâncias
105-106 mm-2
• Limite de escoamento aumenta com o aumento de rd
comprimento total de discordâncias
unidade de volume
26
Interação da deformação da rede
entre discordâncias
Adapted from Fig.
7.5, Callister &
Rethwisch 8e.
Repulsão
Atração
Anulação de
discordâncias
(Cristal perfeito)
TF
27
Impacto do Trabalho a Frio
Adapted from Fig. 7.20,
Callister & Rethwisch 8e.
• Limite de escoamento (LE) aumenta
• Limite de resistência à tração (LRT) aumenta
• Ductilidade (%AL ou %RA) diminui.
Quando trabalho a frio aumenta
aço de baixo carbono
TF
TF
Tensão (
MP
a)
Deformação
• Quais são os valores limite de escoamento, limite de
resistência à tração e ductilidade após cobre ser trabalhado
a frio?
100
4
442
22
x D
DD
%TFo
do
Alterações de propriedades mecânicas
devido ao trabalho a frio
Do = 15.2 mm
Trabalho
a frio
Dd = 12.2 mm
Cobre
% x mm)
mm) mm) FT%
2
22
635100215
212215.
.(
.(.(
100 x 2
22
o
do
D
DD
28
Alterações de propriedades mecânicas
devido ao trabalho a frio
% Trabalho a frio
100
300
500
700
Cu
20 0 40 60
LE = 300 MPa
300 MPa
% Trabalho a frio
200
Cu
0
400
600
800
20 40 60 % Trabalho a frio
20
40
60
20 40 60 0 0
Cu 340 MPa
LRT = 340 MPa
7%
%AL = 7%
• Quais são os valores limite de escoamento, limite de resistência
à tração e ductilidade para cobre após %TF = 35,6%?
Lim
ite d
e e
scoam
ento
(M
Pa)
Lim
ite d
e r
esis
tência
à t
ração
(MP
a)
Du
ctilid
ad
e (
%A
L)
29
Adapted from Fig. 7.19, Callister & Rethwisch 8e. (Fig. 7.19 is adapted from Metals Handbook: Properties
and Selection: Iron and Steels, Vol. 1, 9th ed., B. Bardes (Ed.), American Society for Metals, 1978, p. 226;
and Metals Handbook: Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Pure Metals, Vol. 2, 9th ed., H.
Baker (Managing Ed.), American Society for Metals, 1979, p. 276 and 327.)
30
• 1 hora de tratamento na Trecozimento...
diminui LRT e aumenta %AL.
• Efeitos do trabalho a frio são anulados!
Adapted from Fig. 7.22, Callister & Rethwisch
8e. (Fig. 7.22 is adapted from G. Sachs and
K.R. van Horn, Practical Metallurgy, Applied
Metallurgy, and the Industrial Processing of
Ferrous and Nonferrous Metals and Alloys,
American Society for Metals, 1940, p. 139.)
Efeito do tratamento térmico
após trabalho a frio L
RT
(M
Pa)
Ductilid
ade (
%E
L)
LRT
ductilidade
600
300
400
500
60
50
40
30
20
Temperatura de recozimento (ºC) 200 100 300 400 500 600 700 • Três estágios de
recozimento:
1. Recuperação
2. Recristalização
3. Crescimento de grão
31
Três estágios durante tratamento térmico:
1. Recuperação
• Cenário 1 Resulta da
difusão
• Cenário 2
4. opposite dislocations
meet and annihilate
Discordâncias se aniquilam e formam um plano atômico perfeito.
meio plano extra de átomos
meio plano extra de átomos
átomos se difundem para regiões de tração
2 átomos se movem por difusão de lacunas permitindo a escalada da
discordância
tR
1. discordância bloqueada; não pode se mover para
a direita
Obstacle dislocation
3 . Após escalada, disc. pode se
mover num novo plano de esc.
Redução da densidade de discordâncias por aniquilação
32
Adapted from
Fig. 7.21(a),(b),
Callister &
Rethwisch 8e.
(Fig. 7.21(a),(b)
are courtesy of
J.E. Burke,
General Electric
Company.)
latão com 33%
de TF
Novos cristais se
nucleiam depois de
3 s a 580C.
0,6 mm 0,6 mm
Três estágios durante tratamento térmico:
2. Recristalização • Novos grãos são formados que: -- possuem baixa densidade de discordâncias
-- são menores
-- consomem e substituem grãos trabalhados a frio
33
• Todos os grãos trabalhados a frio são eventualmente consumidos/substituídos
Adapted from
Fig. 7.21(c),(d),
Callister &
Rethwisch 8e.
(Fig. 7.21(c),(d)
are courtesy of
J.E. Burke,
General Electric
Company.)
depois de 4
segundos
depois de 8
segundos
0,6 mm 0,6 mm
Quando a recristalização
continua…
34
Adapted from
Fig. 7.21(d),(e),
Callister &
Rethwisch 8e.
(Fig. 7.21(d),(e)
are courtesy of
J.E. Burke,
General Electric
Company.)
Três estágios durante tratamento térmico:
3. Crescimento de grão • Para longos tempos, tamanho médio de grão aumenta
depois de 8 s,
580ºC
depois de 15 min,
580ºC
0,6 mm 0,6 mm
• Relação empírica:
Ktdd n
o
n tempo
coeficiente dependente
do material e temperatura
diam. do grão
no tempo t.
expoente típico ~ 2
-- Grãos pequenos retraem (e por fim desaparecem)
-- Grãos grandes continuam a crescer
35
TR
Adapted from Fig. 7.22,
Callister & Rethwisch 8e.
TR = temperatura de
recristalização
º
Temperatura de recozimento (ºF)
Temperatura de recozimento (ºC)
Lim
ite
de
re
sis
tên
cia
à t
raçã
o (
MP
a)
Ductilid
ad
e (
%A
L)
Grãos submetidos ao
trabalho a frio e
à recuperação
LRT
Ductilidade
Recuperação Recristalização Cresc. de grão
Novos
grãos
Ta
ma
nh
o d
e
grã
o (
mm
)
36
Temperatura de recristalização
TR = temperatura de recristalização = temperatura
na qual a recristalização se completa em 1 h.
0,3Tm < TR < 0,6Tm
Para um metal/liga específico(a), TR depende da:
• %TF -- TR diminui com o aumento da %TF
• Pureza do metal -- TR diminui com o aumento
da pureza
37
Procedimento de redução de
diâmetro- Problema Um bastão cilíndrico de latão originalmente com 10
mm (0,39 pol.) de diâmetro deve ser deformado a frio
mediante estiramento. A seção transversal circular
será mantida durante a deformação. É necessário
que o limite de resistência à tração após trabalho a
frio seja de no mínimo 380 MPa (55,000 psi) e que a
ductilidade seja superior a 15 %AL. Além disso, é
necessário que o diâmetro final seja de 7,5 mm (0,30
pol.). Explique como esse procedimento pode ser
executado.
38
Procedimento de redução de
diâmetro- Solução Quais são as consequências do estiramento
direto para o diâmetro final?
%100 x 100 x D
D
x A
A100 x
A
AA%TF
o
f
o
f
o
fo
84310
571
4
41
1001
2
2
2
..
D o = 10 mm
Latão
TF
D f = 7.5 mm
Adapted from Fig. 7.19,
Callister & Rethwisch 8e.
39
Procedimento de redução de
diâmetro- Solução (cont.)
• Para %TF = 43,8%
540 420
– LE = 420 MPa
– LRT = 540 MPa > 380 MPa
6
– %AL = 6 < 15
• Critérios não satisfeitos… quais outras opções são possíveis?
40
Procedimento de redução de
diâmetro- Solução (cont.)
Adapted from Fig. 7.19,
Callister & Rethwisch 8e.
380
12
15
27
Para %AL > 15
Para LRT > 380 MPa > 12 %TF
< 27 %TF
a faixa de trabalho está limitada a 12 < %TF < 27
41
Procedimento de redução de
diâmetro- Solução (cont.) Trabalho a frio, recozimento, novo trabalho a frio
• Necessita-se de trabalho a frio de 12 < %TF < 27
– Usar 20 %TF
• Diâmetro depois do 1º estágio de TF (mas antes do 2º
estágio de TF) é calculado como segue:
10011001
2
02
2
2
2
02
2
2 %TF
D
D x
D
D%TF ff
50
02
2
1001
.
%TF
D
Df 50
202
1001
.
%TF
DD f
mm 39.8100
201mm 5.7
5.0
021
DDfDiâmetro intermediário =
42
Procedimento de redução de
diâmetro – Resumo
Estágio 1: Trabalho a frio – reduz diâmetro de 10 mm a 8,39 mm
Estágio 2: Tratamento térmico (permite recristalização)
Estágio 3: Trabalho a frio– reduz diâmetro de 8,39 mm a 7,5 mm
Todos os critérios são satisfeitos
20100498
571
2
2
x %TF
.
.
24
400
340
AL%
MPa LRT
MPa LE
62910010
3981
2
1 ..
x
mm
mm %TF
Fig 7.19
43
Trabalho a frio vs. trabalho a quente
• Trabalho a quente deformação acima de
TR
• Trabalho a frio deformação abaixo de TR
Tamanho de grão influencia
propriedades
• Metais com grãos pequenos – relativamente
resistentes e tenazes em baixas
temperaturas
• Metais com grãos grandes – boa resistência
à fluência em temperaturas relativamente
elevadas
45
• Discordâncias são observadas principalmente em metais e ligas.
• Resistência é aumentada dificultando a movimentação de
discordâncias.
Resumo
• Resistência de metais pode ser aumentada por:
-- diminuição do tamanho de grão
-- formação de solução sólida
-- precipitação
-- trabalho a frio
• Um metal trabalhado a frio que for tratado termicamente
pode experimentar recuperação, recristalização e
crescimento de grão – suas propriedades serão alteradas