Deformação plástica dos sólidos cristalinos

7/22/2019 Deformao plstica dos slidos cristalinos

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Deformao plstica dosslidos cristalinos

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Deslizamento Nos metais, a deformao plstica ocorre atravs de deslizamentode "blocos" do cristal,

uns sobre os outros, ao longo de planos cristalogrficos definidos (planos dedeslizamento);

Ocorre quando a tenso cisalhante atinge um valor crtico;

Da a simetria da estrutura cristalina, essa perfeitamente restaurada aps a ocorrncia

do deslizamento, pois cada tomo move-se na regio deslizada o mesmo nmero deespaos na rede;

O deslizamento ocorre preferencialmente segundo planos e direes cristalogrficas demaior densidade atmica:

- planos de maior densidade atmica;

- direes cristalogrficas mais compactas;

A direo e o plano de deslizamento definem o sistemadedeslizamento;2


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Deformao por deslizamento

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Nos metais hexagonaiscompactos:

- o plano basal (0001) o nico de grandedensidade atmica. Os eixos diagonais so as direes compactas;

- dado que s existe 1 plano basal por

clula e 3 direes compactas, h apenas3 sistemas de deslizamento;

- Com isso, apresentam baixa ductilidade eso extremamente dependentes daorientao;


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Nos metais cbicos de face centrada:

- os planos octadricos {111} e as direes formam os sistemas compactos;

- apresentam 8 planos {111}. Mas os planosdas faces opostas so paralelos, o que, na

verdade, resulta apenas em 4 grupos deplanos octadricos. Em cada plano h 3direes , resultando em 12 sistemasde deslizamento;

- tal fato resulta em grande ductilidade dos

metais CFC;


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Nos metais cbicos de corpo centrado:

- sua estrutura no to compactaquanto a HC ou CFC, no apresentandoplano de densidade atmicapredominante. No entanto, a direo to compacta quanto do

CFC ou do HC;

- o deslizamento pode ocorrer nos planos{110}, {112} ou {123}, sendo sempre adireo [111];

- dessa forma, h 48 sistemas dedeslizamento possveis;

- contudo, como no so planos tocompactos, so necessrias maiorestenses de cisalhamentopara produzirseu deslizamento;


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Alguns metais apresentam planos de deslizamento adicionais medida que atemperatura aumenta;

O deslizamento em cermicos, com ligaes covalentes ou inicas, requer que sesatisfaam interaes entre tomos de mesma natureza e natureza diferente. Com isso,nesses materiais h muito menos direes de baixa tenso cisalhante, em comparaoaos cristais cbicos;


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Deslizamento por discordncias Considerando-se uma rede cristalina perfeita, podem ser feitas estimativas da tenso de

cisalhamento necessria para o deslizamento;

Os valores tericos so da ordem de 102-103kgf/mm". Contudo, os valores experimentaisnos materiais metlicos so da ordem de 0,1-10 kgf/mm";

Essa diferena dada pela atuao das discordnciasno processo de deslizamento:

- o movimento de uma discordncia pela rede requer uma tenso de cisalhamento beminferior ao valor terico;

- o movimento dessa discordncia produz um degrau - ou banda de deslizamento- nasuperfcie livre do metal;

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Quando h uma discordncia, os tomos distantes permanecem em posio de energiamnima. Prximo mesma, necessrio apenas de um pequeno movimento atmico

para que a discordncia se mova;

Quando o semiplano atinge a superfcie livre, formado um degrau de deslizamento;

Deslizamento por discordncias

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A tenso para movimentar uma discordncia pode ser dada pela equao de Peierls-Nabarro:

A tenso necessria para movimentar uma discordncia muito baixa;

Nas direes compactas, b minimizado, reduzindo ainda mais o valor de #P;

Quando a estrutura cristalina complexa e no apresenta planos e direes muitocompactas, as discordncias tendem a ser imveis, ocasionando sua alta dureza efragilidade;

A deformao plstica macroscpica total dada pela soma de todas as pequenasdeformaes pela passagem de discordncias individuais;


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A deformao cisalhante macroscpica de um cristal pelo efeito da movimentao dediscordncias de ser dado por:

A densidade dediscordncias () o

comprimento total de linhasde discordncias porunidade de volume ou onmero de linhas quecortam uma reatransversal unitria.


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A extenso do deslizamento num monocristal depender de:

- magnitude da tenso cisalhante produzida pela ao de cargas externas;

- geometria da estrutura cristalina;

- orientao dos planos de deslizamento ativos em relao s tenses de cisalhamento;

O deslizamento se inicia quando a tenso cisalhante no plano de deslizamento atinge umvalor limite, a tenso cisalhante resolvida crtica (TCRC);

Este valor o equivalente para os monocristais do limite de escoamento para os

policristais. a tenso que causa o movimento de um grande nmero de discordncias,resultando em deformao mensurvel;

Um carregamento em trao de uma monocristal induz tenses cisalhantes no mesmo euma relao entre a tenso trativa e a TCRC pode ser estabelecida;

#crtica para o deslizamento

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A TCCR (#R) ser dada por:

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A equao fornece a tenso cisalhante resolvida na direo e plano de deslizamento;

A tenso ser mxima para $=%=45, onde #R=0,5 P/A;

Se o eixo de trao for normal ou paralelo ao plano de cisalhamento, #R=0, o que significaquero deslizamento no ocorre. Os cristais prximos a essa orientao tendem a fraturarem vez de deslizar;

A magnitude da TCRC de um cristal determinada pela interao entre a populao dediscordncias e com defeitos como lacunas e intersticiais;

Essa tenso maior que a tenso para movimentar uma nica discordncia, mas muito

menor que a necessria para produzir deslizamento numa rede cristalina perfeita;


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Nos metais, com a deformao plstica, h um aumento contnuo da tenso cisalhantenecessria para produzir deslizamento;

Tal aumento da tenso por efeito da deformao plstica prvia o encruamento;

causado pela interao entre as discordncias entre si e com barreiras que impedemseu movimento pela rede;

O nmero de discordncias aumenta com a deformao 105- 106para 1010- 1012;

A multiplicao de discordncias pode advir de:

- condensao de lacunas;

- fontes regenerativas que atuam sob a tenso aplicada (ex. fonte de Frank Read oumecanismo de deslizamento cruzado mltiplo);

- emisso de discordncias em um contorno de alto ngulo;

Encruamento

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As discordncias se empilham nos planos de deslizamento, quando bloqueadas porbarreiras;

Tais empilhamentos produzem uma tenso de reao, que se ope tenso aplicada noplano de deslizamento;

Encruamento

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Define a magnitude e direo de deslizamento:

- discordncia em aresta: b perpendicular a linha da discordncia e paralelo aomovimento da mesma;

- discordncia em espiral: b paralelo a linha da discordncia e perpendicular aomovimento da mesma;

Vetor de Burgers (b)

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Nos cristais reais, as discordncias so raramente linhas retas e raramente se encontramem apenas um plano;

Em geral, a discordncia ser parcialmente aresta e parcialmente espiral, tornando aforma curvada ou de anel, formando uma rede interconectada;

Ao se considerar um anel de discordncia no plano de deslizamento, qualquer segmento

poder ser resolvido em componentes aresta e espiral;

Anel de discordncia

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Ocorre para discordncias em espiral, que podem mudar de plano de deslizamento, seeste contiver a direo de b;

Deslizamento cruzado

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Na rede CFC, o deslizamento ocorre no plano {111} e na direo [110];

O deslocamento bdos tomos pode ser simplificado pela formao de discordnciasparciais, que representam a movimentao em duas etapas dos tomos,energeticamente mais favorveis;

Discordncias na rede CFC

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Uma discordncia perfeitaquebra-se em duas discordncias parciais, reduzindo aenergia da rede;


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Como as discordncias parciais tem deformaes na rede aproximadamente iguais, huma fora repulsiva entre elas. Isso forca a adio de outros planos de tomos;

Isso leva a formao de discordncias extendidas;


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Entre as discordncias parciais h uma falha de empilhamento;

A separao entre as duas discordncias parciais um balano entre a energiarepulsiva das discordncias e a energia superficial da falha;

A dissociao de uma discordncia em parciais independente de seu carter: aresta,espiral ou mista;

A separao de equilbrio entre as discordncias parciais dada pela energia de falhade empilhamento (EFE):

- alta EFE: tende a formar falhas de empilhamento estreitas. Ex: Al;

- baixa EFE: forma falhas de empilhamento mais largas. Ex: Cu;


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Outro tipo de discordncia parcial pode existir na rede, na qual h a falta de um pedaodo plano. Uma discordncia em aresta formada (discord. parcial de Frank);

b perpendicular falha de empilhamento. Como o deslizamento restrito ao plano dafalha de empilhamento e b normal ao mesmo, a discordncia parcial imvel;

So conhecidas como discordncias bloqueadas (sessiledislocations dislocations). As

discordncias que podem se movimentar so conhecidas como discordncias mveis(glissile dislocations) ;

S pode se mover pela difuso de tomos ou lacunas para a falha (escalagem);

Esses tipos de discordncias parciais promovem obstculos movimentao de outrasdiscordncias;


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A interseo de discordncias pertencentes a dois planos {111} durante o deslizamentoduplex pode produzir discordncias bloqueadas;

Tais discordncias formam as barreiras da Lomer-Cottrell;

Forma uma discordncia em aresta com bno plano (100). Como (100) no o planomais compacto, a discordncia no deslizar livremente;

A barreira de Lomer-Cottrell pode ser superada com altas tenses e/ou temperaturas.Constitui um importante mecanismo de encruamento;


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O deslizamento ocorre no plano basal (0001), segundo a direo ;

As discordncias no plano basal podem reduzir a sua energia pela dissociao emdiscordncias parciais;

A falha de empilhamento produzida nessa reao se encontra no plano basal;

A discordncia estendida formada tem seu deslizamento confinado a esse plano;

Discordncias na rede HC

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Na rede CCC, odeslizamento ocorre na

direo ;

As linhas de deslizamentono Fe ocorrem em {110},{112} e {123} e, em outrosmetais CCC ocorrepredominantemente nosplanos {110};

Discordncias extendidasno so normalmente

observadas nos metaisCCC;

Discordncias na rede CCC

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Uma discordncia rodeada por campos de tenses elsticas que atuam sobre outrasdiscordncias e tomos soluto;

Para as discordncias em aresta h campos de tenso trativo e compressivo e a tensocisalhante mxima dada em seu plano de deslizamento;

Para as discordncias em espiral, no h um plano extra de tomos, no induzindo

assim campos de trao e compresso. O campo de tenses simplesmente decisalhamento;

A energia total de deformao de uma discordncia a soma da deformao elstica,acrescida da energia do ncleo da discordncia e pode ser simplificada para:

Tenso e energia de discordncias

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Quando uma fora externa suficiente for aplicada a um cristal, promover amovimentao das discordncias no mesmo. Tal fora sobre a linha da discordncia

dada por:

Uma discordncia possui uma tenso de linhaque tende a minimizar a sua energia pela

reduo de seu comprimento;

Portanto, uma discordncia pura s permanecer curva se houver uma tenso cisalhanteproduzindo uma fora sobre a mesma;

Interaes das discordncias

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Discordncias com sinais opostos em um mesmo plano de deslizamento iro se atrair,anulando-se mutuamente e fazendo com que o plano extra desaparea;

Discordncias com sinais iguais num mesmo plano de deslizamento repelir-se-omutuamente;

Quando discordncias de sinais opostos se encontram em planos vizinhos muito

prximos, no possvel ocorrer anulao total. Se combinam dando origem a:

- fileira de lacunas se:

- tomo intersticial se:

Foras entre discordncias

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Discordncias em espiral:

Discordncias em aresta:

Foras entre discordncias

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Uma discordncia em aresta s pode deslizar no plano de deslizamento definido pelalinha de discordncia e seu vetor de Burgers;

Sob cotas condies, essa pode sair de seu planos de deslizamento para um planoparalelo, acima ou abaixo, pelo processo de escalagem de discordncia;

Ocorre por meio da difuso de lacunas ou tomos intersticiais daou paraa base da

discordncia;

A escalagem controlada pela difuso e, consequentemente, termicamente ativada.Com isso, mais freqente em altas temperaturas:

- escalagem positiva: so retirados os tomos pertencentes ao semiplano atmico deuma discordncia em aresta positiva;

- escalagem negativa: adicionada uma fileira de tomos abaixo do semiplano extra;

Escalagem de discordncias

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a existncia de uma tenso de compresso na direo de deslizamento causa uma foramotriz para a escalagem positiva, enquanto;

uma tenso de trao normal ao semiplano induz uma fora no sentido da escalagemnegativa;

Dependendo do tipo de escalagem, a discordncia pode atuar como um sorvedourooufontede discordncias;

Na escalagem, dificilmente so inseridos ou retirados planos inteiros de tomos. Naverdade, h a formao de pequenos degrausao longo da linha da discordncia;

Escalagem de discordncias

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freqente que uma discordncia, movimentando-se emseu plano de deslizmento, intercepte outras discordncias;

Tais intersees tm papel importante nos processos deencruamento dos metais;

A interseo de duas discordncias aresta forma degraus

com orientao em espiral;

Quando os degraus esto no plano de deslizamento originalda discordncia, so conhecidos como dobras, sendoinstveis e podem se alinhar com o resto da discordncia;

Interseo de discordncias

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A interseo entre discordncias espiral e aresta produz degraus com orientao arestaem ambas as discordncias;

Degraus produzidos por duas discordncias em aresta podem deslizar livremente, poisse encontram nos planos de deslizamento das discordncias originais;

Com isso, as discordncias em aresta pura no tem seu movimento afetado pela

presena de degraus;

Para os discordncias em espiral, todos os degraus formados presentes tm orientaoem aresta. Como uma discordncia em aresta s pode se mover em plano contendo alinha e vetor de Burgers, sua nica forma de se movimentar por escalagem;


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Mesmo em metais completamente recozidos ou cuidadosamente solidificados h aformao de discordncias;

Todos os metais apresentam um considervel nmero inicial de discordncias,produzidas durante o crescimento do cristal;

Discordncias podem surgir nos metais a partir de:

- desalinhamento entre os braos dedrticos durante a solidificao;

- formao de anis de discordncias devido a agregao ou colapso de lacunas;

- nucleao heterognea de discordncias, resultante de altas tenses localizadas empartculas de segunda fase, contornos de gro ou transformao de fases;

Fontes de discordncias

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Novas discordncias podem ser produzidas durante o processo de deslizamento, partir de fontes presentes nos metais;

Tal mecanismo necessrio para explicar o deslocamento da superfcie em uma bandade deslizamento, que decorre do movimento de cerca de 1000 discordncias;

O nmero inicial de discordncias no seria suficiente para promover tais deslocamentos

e espaamentos;

Caso no existissem as fontes, a deformao a frio promoveria a reduo o nmero totalde discordncias e no o seu aumento;

O mecanismo conhecido como fonte de Frank-Read;

Multiplicao de discordncias

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Multiplicao de discordncias

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Interaes de discordncias com


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tomos soluto isolados e e lacunas so centros de distoro elstica (assim como as

discordncias);

Com isso, os defeitos pontuais e e discordncias interagiro-se elasticamente e exercerforas mutuamente;

Para uma discordncia em aresta interagindo com um defeito pontual:

- soluto > solvente: ser repelido pela regio compressiva da discordncia e atradopela regio trativa;

- soluto < solvente: ser atrado pela regio compressiva;

Lacunassero atradas pela regio de compressoe intersticiaissero atrados pelaregio trativa;

Interaes de discordncias comdefeitos pontuais

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Interaes de discordncias com


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Como os campos de deformao ao redor de um defeito pontual so esfericamente

simtricos, no produz fora numa discordncia em espiral;

Isso porque uma discordncia em espiral no apresenta campos de tenso trativos ecompressivos, somente cisalhante;

Entretanto, em alguns casos pode haver a formao de uma distoro no esfrica queinduza interaes com defeitos pontuais (como tomos de C em uma matriz CCC);

Dada a interao de um defeito pontual com uma discordncia, esperada que aconcentrao de defeitos seja diferente nos arredores de uma discordncia;

Quando h uma maior concentrao ao redor da discordncia, dito haver umaatmosfera de impurezas;

A interao de discordncias com tomos soluto importante para explicar fenmenoscomo limite de escoamento descontnuo, envelhecimento dinmico e endurecimento por

soluo slida;

Interaes de discordncias comdefeitos pontuais

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Discordncias so freqentemente empilhadas nos planos de deslizamento em barreirascomo contornos de gro, fases secundrias e discordncias imveis;

Na primeira discordncia h no apenas a interao com a tenso cisalhante aplicada,mas tambm a fora de de interao com as outras discordncias no empilhamento;

Quando muitas discordncias so contidas em um empilhamento, a tenso na

discordncia da ponta pode se aproximar da tenso terica de cisalhamento do cristal;

Tal alta tenso pode iniciar escoamento no outro lado da barreira ou nuclear uma trincana prpria barreira;

Empilhamento de discordncias

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As discordncias no empilhamento sero empacotadas prximo ponta da discordnciae mais espaadas afastando-se da ponta;


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O nmero de discordncias que podem ser empilhadas antes de um obstculodepender de:

- tipo de barreira;

- relaes de orientao entre o plano de deslizamento e as caractersticas estruturaisda barreira;

- material;

- temperatura;

A ultrapassagem de uma barreira pode ocorrer por:

- deslizamento em outro plano por escalagem da discordncia em torno da barreira;

- gerao de tenso trativa suficiente para induzir uma trinca na barreira;


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