DISCORDÂNCIAS E DIFUSÃO- 5

MarcaInstituição

Ensino

Cap.4 Imperfeições nos SólidosCap.7 Discordâncias e Mecanismos de Aumento de Resistência em Metais (Mecanismos de Endurecimento)CAP.5 Difusão

CIÊNCIA DOS MATERIAIS - CALLISTER

Prof.: M.Sc. Antonio Fernando de Carvalho Mota

DEFORMAÇÕES DOS METAIS

(a) Tração (b) Compressão

A Metalurgia da Deformação

Deformação: Cisalhamento de planos de maior densidade atômica, segundo uma direção compacta

BtA

A Metalurgia da Deformação

Sistemas de deslizamento

CFC

{111} 110

CCC

{110} 111

Plano Basal{0001} 1120

HC

Deformação plástica• Deformação plástica ou permanente de um cristal

perfeito (isento de defeitos cristalinos) pode ocorrer pelo deslocamento de planos de átomos em relação aos planos paralelos adjacentes.

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Deformações dos metais

(a) Tração (b) Compressão

Microscopia Eletrônica de Transmissão

Pesquisa e caracterizaçãomicroestrutural

Defeitos de empilhamento em Um aço inoxidável austenítico.Aumento 35000X . Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais da EPUSP.

8

IMPERFEIÇÕES CRISTALINAS

- Defeitos pontuais

- Defeitos de linha (discordâncias)

-  Formação das discordâncias

-  Estrutura dos metais e aplicações

Prof.: Antonio Fernando de Carvalho Mota

Discordância

Auto-intersticialLacunas Intersticial Pequeno

Defeitos Pontuais nas Estruturas

Solutos intersticiais

Solutos substitucionais

DEFEITOS DE LINHADISCORDÂNCIAS EM CUNHA

O CIRCUITO E O VETOR DE BURGERS

INTERAÇÕES ENTRE

DISCORDÂNCIAS

DISCORDÂNCIA EM CUNHA

MOVIMENTAÇÃO DE DISCORDÂNCIAS

Discordância (“dislocation”):

Defeito em linha intracristalino responsável pela deformação plástica de metais.

DISCORDÂNCIA HELICOIDAL

Tipos de discordância

Discordância em cunha

Discordância em hélice

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MOVIMENTO DE DISCORDÂNCIAS EM CUNHA E EM HÉLICE

• vem

Fonte: Prof. Sidnei/ DCMM/PUCRJ

FORMAÇÃO DE DISCORDÂNCIA POR CISALHAMENTO

(a) Discordância em Cunha. (b) Discordância Helicoidal. (c) Discordância Mista.

MULTIPLICAÇÃO DE DISCORDÂNCIAS

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O material deformado a frio apresenta ENCRUAMENTO, representado pelo aumento do limite de escoamento.

Descarregamento, obtendo aumento de comprimento (deformação plástica) e conseqüentemente aumento da

densidade de discordâncias.

Deformação até ~8%, em tração uniaxial

Escoamento descontínuo e “Bandas de Lüders”

Deformação plástica, durante o patamar de escoamento

descontínuo, ocorre em bandas

Campos de tensão associados às discordâncias indicam o aumento de energia do sistema metálico. Esta energia foi fornecida durante a deformação plástica.

Deformação plástica:

Durante a deformação plástica, há aumento da densidade de discordâncias.Quanto maior a densidade de discordâncias, maior a chance de interações entre estas, bloqueando seu movimento.

Assim, QUANTO MAIOR A DEFORMAÇÃO PLÁSTICA APLICADA A UM METAL, MAIOR A DIFICULDADE EM CONTINUAR ESTA DEFORMAÇÃO.

Unidade de densidade de discordância

• Densidade de discordância : Comprimento de discordâncias (milimetros)

Volume de material (milimetro3)

• Metais recozidos e cuidadosamente preparados: 103 mm-2

• Metais altamente deformados: entre 109 e 1010 mm-2 (1000 km em 1 mm3)• (1 mm3 de Cu apresenta 8.493.1019 átomos)

• Metais deformados e submetidos a tratamento térmico:105 106 mm-2

25

As densidades de discordâncias estimadas em (a) e (b) foram 3 e 7 × 1013 m-2, respectivamente. Em (a) é possível observar o contorno do grão apresentando as franjas que foram usadas na determinação da espessura da amostra Aumento: 50.000 X

Micrografias mostrando Discordâncias em Grãos de Ferrita

Deformação por discordâncias Deformação por maclação

Maclas (“twins”): Ocorrem em metais CFC

(a exceção do Al)

DEFORMAÇÃO DOS METAIS

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TWINS- MACLAS OU CRISTAIS GÊMEOS

• É um tipo especial de contorno de grão

• Os átomos de um lado do contorno são imagens especulares dos átomos do outro lado do contorno

• A macla ocorre num plano definido e numa direção específica, dependendo da estrutura cristalina

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ORIGENS DOS TWINSMACLAS OU CRISTAIS GÊMEOS

• O seu aparecimento está geralmente associado com A PRESENÇA DE:

- tensões térmicas e mecânicas

- impurezas

- Etc.

RESULTADO DA MOVIMENTAÇÃO DAS DISCORDÂNCIAS

Deformação Plástica do alumínio – Estampagem profunda

ATMOSFERAS DE COTTREL

Depois de um tratamento de envelhecimentoas discordâncias são ancoradas por uma nuvemde impurezas

FRATURA POR CLIVAVEM Várias discordâncias paralelas sob tensão, podem produzir uma

pequena trinca

Microestrutura de grãos equiaxiais e maclas em

metais CFC

Na MICROESTRUTURA de materiais metálicos monofásicos existem GRÃOS e CONTORNOS DE GRÃO

Microestrutura de grãos equiaxiais em metais CCC

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DETERMINAÇÃO DO TAMANHO DE GRÃO (ASTM)Segundo Mecanismo de Endurecimento

Principal Variável Metalúrgica

• Tamanho: 1-10• Aumento: 100 X

N= 2 n-1

N= número médio de grãos por polegada quadrada n= tamanho de grão

Quanto maior o número menor o tamanho de grão da amostra

(a) Grain Size, n =1 (b) Grain Size, n =4

Quanto menor o tamanho médio de grão, maior a quantidade de contornos de grão, que dificultam o movimento de discordâncias.

0 e k são constantes do materiald = diâmetro médio dos grãos é a principal variável metalúrgica.

0 é a tensão exigida para movimentar discordâncias.ky em kgf/mm3/2 bloqueamento das discordâncias livres pelos átomos do soluto

dkoLE2

1.

Relação de Hall-Petch

IMPORTÂNCIA DO REFINO DE GRÃOSEGUNDO MECANISMO DE ENDURECIMENTOPRINCIPAL VARIÁVEL METALÚRGICA

dados para latão 7030UNS C26000

DIFUSÃO ATÔMICA

DIFUSÃO ATÔMICA

• O aumento na temperatura de um metal ou liga metálica no estado sólido, implica em uma maior vibração dos átomos.

• Está vibração proporciona a possibilidade de uma movimentação atômica no estado sólido.

Modelo sólido tradicionalmente aceito

DIFUSÃO ATÔMICA

Movimentos atômicos: (a) Mecanismo de vazios (b) Mecanismo intersticial

(a) (b)

DIFUSÃO ATÔMICA

Difusão em anel:(a) Anel em três átomos(b) Anel de quatro átomos

(a) (b)

AUTODIFUSÃO

Autodifusão: Neste exemplo, níquel radiativo (Ni59) foi depositado sobreUma superfície de níquel não radiativo.(a) Tempo t = t0 (b) Gradiente de difusão, t0< t < t. (c) Homogenizado, t = t

Ao unir dois metais (A e B) é possível a ocorrência de DIFUSÃO para diminuir a energia total do sistema, causando a formação de uma solução sólida AB.

Neste exemplo, A é soluto substitucional a B, e vice-versa.

DIFUSÃO ATÔMICA

Antes do tratamento térmico em alta temperatura

após o tratamento térmico em alta temperatura

EFEITO KIRKENDAL

PRIMEIRA LEI DE FICK

SEGUNDA LEI DE FICK

x

CD

xt

C.

2

2

.x

CD

t

C

eDD TRQ

o

d..

Eq. ArrenheniusDo ... pré-exponencial independente

da temperatura, [m²/s]Qd ... Energia de ativação para

difusão, [J/mol] ou [cal/mol] R ..... constante universal dos gases

(8,31J/mol.K = 1,987 cal/mol.K)T ..... temperatura absoluta [K]

Tabela do coeficiente de difusão do Carbono no Ferro-, a diferentes temperaturas. R = 8,314 J/(mol.K)

COEFICIENTE DE DIFUSÃO (D)

EXEMPLO PRÁTICOS DE PROCESSOS BASEADOS EM DIFUSÃO:

Dopagem em materiais semicondutores para controlar a condutividade;Cementação e nitretação dos aços para endurecimento superficial;Alguns processos de soldagem.

Hannover

Austenita (CFC)

Ferrita + Cementita (CCC) (Ortorrômbica)

Dopagem em materiais semicondutores para controlar a condutividade

• Apenas uma pequena fração dos sítios atômicos são imperfeitos

Menos de 1 em 1 milhão• Menos sendo poucos eles influenciam muito nas propriedades dos

materiais e nem sempre de forma negativa

Aceitadores Si (4) e B (3)

Doadores Si (4) e P (5)

FATORES QUE FAVORECEM A DIFUSÃO:

• Baixo empacotamento atômico.• Baixo ponto de fusão.• Ligações fracas (Van der

Waals).• Baixa densidade.• Raio atômico pequeno.• Presença de imperfeições

Aplicação típica: Cementação

(aumento do teor de carbono da superfície de aços)

FATORES QUE DIFICULTAM A DIFUSÃO:• Alto empacotamento atômico

• Alto ponto de fusão• Ligações fortes (iônica ou covalente)• Alta densidade• Raio atômico grande• Alta qualidade cristalina

Aplicação típica: Cementação

(aumento do teor de carbono da superfície de aços)

SOLDA POR FRICÇÃO - SOLDA NO ESTADO SÓLIDO

Girando uma peça com outra parada, desenvolve-se atritosuficiente para aquecê-las até o ponto próximo de fusão.A pressão aplicada em seguida assegura uma união perfeita com o mínimo de alterações estruturais

Solda por fricção – solda no estado sólido

Soldagem por fricção FW(Friction Welding), utililiza energia mecânica: (a) Um membro é colocado em rotação, (b) inicia-se a força de compressão, (c) inicia-se a formação da solda e (d) a solda é completada.

Soldagem por Fricção Soldagem em Estado Sólido

• Soldagem no estado sólido que produz coalescência dos materiais através do calor obtido pelo deslizamento obtido mecanicamente através do movimentação entre as superfícies de atrito na soldagem.

O ferro passa de ccc para cfc a 910 ºC. Nesta temperatura os raios atômicos são respectivamente , 1,258Å e 1,292Å. Qual a percentagem de variação de volume percentual provocada pela mudança de estrutura?

Vccc= 2a3 Vcfc= a3

accc= 4R/ (3)1/2 acfc = 2R (2)1/2

Vccc= 49,1 Å3 Vcfc= 48,7 Å3

V%= 48,7 - 49,1 /48,7 = - 0,8% de variação

EXERCÍCIO

Obs.:Para o cálculo foi tomado como base 2 células unitárias ccc, por isso Vccc = 2a3 uma vez que na passagem do sistema ccc para cfc há uma contração de volume

Soldagem por difusão• A soldagem por difusão (Diffusion Welding, DFW) é um processo de

união no estado sólido que produz a solda pela aplicação de pressão a elevada temperatura sem a deformação macroscópica das peças.

• Um metal de adição pode ser colocado entre as superfícies da junta.

• A soldagem por difusão é um processo especializado de soldagem de aplicação restrita quando deseja-se: (a) evitar problemas metalúrgicos associados com a soldagem por fusão, (b) fabricar componentes de dimensões e forma próximas das desejadas no produto final (“net shape”), e (c) produzir peças espessas com propriedades uniformes ao longo da espessura.

• O processo só é economicamente viável quando materiais especiais e de elevado custo são utilizados ou quando existe uma grande exigência quanto às dimensões da peça soldada, tendo suas aplicações sido, até o presente, limitadas, em geral, às indústrias eletrônica e aero-espacial.

Solda por difusão

Difusão em estado não constante

(“non steady-state diffusion”) O gradiente de concentração em função da posição, e o fluxo de difusão, variam com o

tempo! 

2ª Lei de FICK 

Se D não depender da concentração de cada ponto....

Resolução fornece concentração em função da posição e do tempo!

x

CD

xt

C.

2

2

.x

CD

t

C

Microcópio Òtico – 2.000xMicroscópio Eletrônico de Varredura (MEV) – Superfície de fratura – 300.000xMicroscópio Eletrônico de Transmissão (MET)Observa as discordâncias – 1.000.000x

Observação da macro e microestrutura

Lupa - Macrografia

Microcópio Òtico Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV)

Microscópio Eletrônico de Transmissão (MET)

MEDIÇÃO DO TAMANHO DE GRÃO (T.G.): OU

N = 2 n-1

onde:

N = número de grãos/ pol2 com aumento de 100 vezesn ou G= número de Tamanho de Grão ASTM (1 n 12)

TAMANHO DE GRÃO – PRINCIPAL VARIÁVEL METALÚRGICA