Área 3 Relação entre Estrutura e Propriedades - felipeb.comfelipeb.com/unipampa/aulas/cm/mecanicas.pdf · soluções sólidas de metais são sempre mais resistentes que metais

ÁÁrea 3 rea 3 RelaRelaçção entre Estrutura e ão entre Estrutura e

PropriedadesPropriedades

Propriedades MecânicasPropriedades MecânicasDiagrama tensãoDiagrama tensão--deformadeformaççãoão

Propriedades mecânicas estabelecidas por ensaios

carga aplicada - tração- compressão- cisalhamento

forma de aplicação variável com o tempo

tempo de aplicação - curto - longo

condições do meio - constante com o tempo - temperatura- umidade

Diagrama σ x ε

Fadiga

Impacto

Fluência

Fluência

Fadiga estáticaFadiga

σescoamento

4Tensão máximaescoamentoruptura

4Deformação elásticaplástica

4Ductilidade4Tenacidade4Resiliência4Módulo de Elasticidade (E)

σ

ε

Elástica

Plásticaσmax

σruptura

Resiliência Tenacidade

Informações importantes a partir do diagrama σ x ε

Ductilidade

Deformação Elástica⇒ Precede à deformação

plástica⇒ É reversível⇒ Desaparece quando a

tensão é removida⇒ É praticamente

proporcional à tensão aplicada (obedece a lei de Hooke)

Deformação Plástica⇒ É provocada por tensões

que ultrapassam o limite de elasticidade

⇒ É irreversível porque éresultado do deslocamento permanente dos átomos e portanto não desaparece quando a tensão éremovida

Elástica

Informações importantes a partir do diagrama σ x ε

Plástica

11aa REGIÃO DO DIAGRAMA REGIÃO DO DIAGRAMA σσ xx εε

Região elástica:Deformação elásticaMódulo de elasticidadeLimite de elasticidade

Região elástica

Módulo de elasticidade E = σσ//εε

⇒⇒ Relação com níveis da estrutura- atômica energia de ligação- cristalina deslocamento regiões povoadas- microestrutural homogeneidade

imperfeições⇒⇒ Relação com o processo de fabricação⇒⇒ Relação com outras propriedades

Região elástica

Relação E com a estrutura atômica

Forças atrativas e repulsivas na ligação entre dois elementos.

Diferentes somatório de forças na ligação entre dois elementos, obtendo-se diferentes módulos

de elasticidade.

Região elástica

ANISOTROPIA

Relação E com a microestrutura

Dependendo do grão (sua orientação, forma,...) o valor do módulo de elasticidade varia.

Região elástica

Relação E com o ambiente TEMPERATURA

relação de E com temperatura

Este comportamento é observado em materiais cerâmicos e

materiais metálicos.

FeCu

Al

Mg

E x temperatura para diferentes metais

Região elástica

Relação de E com a porosidade

E=E0(1-1,9P+0,9P2)

Relação E com a microestrutura

POROSIDADE Figura mostrando o comportamento acentuado da diminuição da rigidez em relação a porosidade para materiais cerâmicos, metálicos e poliméricos.

Região elástica

E x deformação plástica

Não modifica o módulo de elasticidade (a rigidez) do

material

Modifica aTensão de escoamento

Ductilidade

Relação E com a deformação plástica ⇒⇒ ocorre em metais

Região elástica


Região plástica:

Deformação plásticaResistência máximaDuctilidadePonto de ruptura

Transição elástico-plástica:Resistência ao escoamento

Região Plástica

1a Hipótese: ruptura ao mesmo tempo de todas as ligações.

A resistência mecânica seria extremamente elevada comparada à obtida na prática (1000 x!).

2a Hipótese: deslizamento de planos até a ruptura.

COMO OS MATERIAIS COMO OS MATERIAIS DEFORMAMDEFORMAM (e ROMPEM)?(e ROMPEM)?

Região Plástica

⇒⇒ materiais podem ser solicitados por tração, compressão ou cisalhamento

solicitações de tração e compressão podem ser

decompostas em tensões de cisalhamento puras

Componentes de cisalhamento (a) tração; (b) compressão

Deslizamento

Região Plástica

Cristais apresentam menor resistência ao cisalhamento que à tração e compressão, logo esta é a solicitação responsável pela deformação destes materiais

CRISTAIS DEFORMAM-SE PELO DESLIZAMENTO DE PLANOS CRISTALINOS EM RELAÇÃO AOS DEMAIS

⇒ Escala microscópica: - deformação plástica é o resultado do movimento dos átomos devido à tensão aplicada- durante este processo ligações são quebradas e

outras refeitas.

Deslizamento

Região Plástica

⇒ O deslizamento ocorre mais facilmente ao longo de certas direções e planos

MAIS POVOADOS

PLANO DE DESLIZAMENTOSISTEMA DE DESLIZAMENTO

DIREÇÃO DE DESLIZAMENTO

⇒ O NÚMERO DE SISTEMAS (plano + direção) ATRAVÉS DOS QUAIS PODE OCORRER O

DESLIZAMENTO VARIA COM A ESTRUTURA CRISTALINA

Deslizamento em monocristal

Região Plástica

deslizamento provocado pela deformação plástica, devido àforça aplicada

Linhas de deslizamento no interior das bandas de deslizamento (ampliado)

Em monocristais dúcteis o deslizamento ocorre em múltiplos planos, em conseqüência observa-se bandas de deslizamento na superfície destes metais.


Região Plástica

tensão de cisalhamentoτ = F cos λ

A/cos ϕτ= F . cos λ . cos ϕ

Aτ= σ .cos λ . cos ϕ

(a) frágil (b) dúctil

LEI DE SCHMID


Região Plástica

LEI DE SCHMID


Região Plástica

Tensão de cisalhamento resolvida crítica (τtcrc):tensão de cisalhamento mínima exigida para iniciar o escorregamento.

σy = τcrss/(cosφ cosλ)max

Para φ = λ = 45o

σe = 2τcrss

Mecanismo hipotético de deslizamento simplificado

(a) (b)

(c) Mecanismo hipotético simplificado, na verdade os metais se deformam com uma tensão

de cisalhamento menor que a exigida por este mecanismo.

Assumindo o mecanismo abaixo e calculando o limite de resistência dos metais, obtém-se um valor na ordem de 20x Metais não são tão

resistentesDeve existir outro

mecanismo

Região Plástica

1a Hipótese: ruptura ao mesmo tempo de todas as ligações. A resistência mecânica seria extremamente elevada

comparada à obtida na prática (1000 x!).

2a Hipótese: deslizamento de planos até a ruptura.A resistência mecânica ainda bastante elevada (20x!).

3a Hipótese: deslizamento facilitado por movimento de discordâncias.

A resistência mecânica da mesma ordem de grandeza da prática.

COMO OS MATERIAIS COMO OS MATERIAIS DEFORMAMDEFORMAM (e ROMPEM)?(e ROMPEM)?

Região Plástica

Materiais sólidos cristalinos apresentam menor resistência ao cisalhamento que àtração e compressão, logo esta é a solicitação responsável pela deformação destes

materiais

CRISTAIS DEFORMAM-SE PELO DESLIZAMENTO DE PLANOS CRISTALINOS EM RELAÇÃO AOS DEMAIS

O DESLIZAMENTO DE PLANOS ATÔMICOS (CRISTALINOS) ENVOLVE O MOVIMENTO DE DISCORDÂNCIAS

Região Plástica

O que é discordância?Defeito linear da estrutura cristalina:

Deformação plástica e discordâncias

Região Plástica

Esquema mostrando como o movimento de discordância em cunha origina um degrau unitário de deslizamento.


Região Plástica

Discordâncias e Mecanismos de Aumento de ResistênciaDiscordâncias e Mecanismos de Aumento de Resistência

• A deformação plástica corresponde ao movimento de uma grande quantidade de discordâncias;

O movimento de uma discordância se dáde forma discreta (pequenos deslocamentos por vez).

O movimento de um plano inteiro de uma vez exigiria uma imensa quantidade de energia para ser realizado.

Sistemas de EscorregamentoSistemas 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.


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


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.


Nos sólidos cristalinos a deformação plástica geralmente envolve:

- deslizamento de planos atômicos- movimento de discordâncias- formação de maclas

Formação e movimento das discordâncias têm papel fundamental para o aumento da resistência mecânica em muitos materiais

A resistência mecânica pode ser aumentada restringindo-se o movimento das discordâncias

Região Plástica

Maclagem

Discordâncias não são o único defeito cristalino responsável pela deformação plástica maclas também contribuem

A deformação em materiais CFC, como o cobre, é comum ocorrer por maclação.

Segundo mecanismo de deformação plástica em METAIS

Produção de maclas: uma força cisalhante age ao longo do contorno de grão, causando a transformação dos átomos para novas posições

Região Plástica

Uma parte da rede atômica deforma-se originando a sua transformação a imagem, num espelho plano, da parte não deformada da rede que lhe fica adjacente.

PLANO DE MACLA: plano cristalográfico que separa as regiões deformada e não deformada da rede.

DIREÇÃO DE MACLAGEM: direção específica em que ocorre a maclagem.

MaclagemRegião Plástica

Átomos se movem em distâncias proporcionais às respectivas distâncias ao plano de macla.

Diferença básica entre o efeito do deslizamento e da maclagem na topografia da superfície de um material metálico deformado.

Deslizamento Maclagem


estrutura cristalina microestrutura

Produção de maclas pode ser iniciada sob a ação de uma força cisalhante, ao longo de seu contornoContorno de maclas interfere no escorregamento e ↑ RM


OBSTRUÇÃO DO DESLIZAMENTO POR:

1. Solubilização de um segundo elemento na rede

2. Precipitação de uma segunda fase

3. Contorno de grão

4. Deformação plástica (excesso de discordâncias)

Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas

Região Plástica

- movimentação de discordâncias é dificultada

- segundo elemento é a barreira para tal movimento

- maior a quantidade, maior o efeito

- quanto maior a diferença de tamanho de átomos, mais acentuado é o efeito


Região Plástica


Quando um átomo de uma impureza esta presente, o movimento da discordância fica restringido, ou seja, deve-se fornecer energia adicional para que continue havendo escorregamento.

soluções sólidas de metais são sempre mais resistentes que metais puros de seus constituintes

INTERAÇÃO DE DISCORDÂNCIAS EM SOLUÇÕES SÓLIDAS



Região Plástica



Região Plástica

SOLUÇÕES SÓLIDAS SÃO MAIS RESISTENTES QUE

O METAL PURO

Resistência mecânica do metal puro

Aumento daresistência mecânica do metal devido a formação de solução sólida

Controle do deslizamento = controle de prop. mecânicas

Região Plástica


2. Endurecimento por part2. Endurecimento por partíículas de segunda faseculas de segunda fase

MICROESTRUTURASPOLIFÁSICAS SÃO MAIS RESISTENTES QUE O METAL PURO

Resistência mecânica do metal puro

* Aumento da resistência mecânica do metal devido a precipitação de uma segunda fase β.

*Aumento da resistência mecânica do metal devido a formação de solução sólida.

* Aumento da resistência mecânica do metal devido a formação de eutético

SOLUÇÕES SÓLIDAS SÃO MAIS RESISTENTES QUE

O METAL PURO

O contorno de grão interfere no movimento das discordâncias

Devido as diferentes orientações cristalinas presentes, resultantes do grande número de grãos, as direções de escorregamento das

discordâncias variam de grão para grão.



Região Plástica

Grãos adjacentes tem diferentes orientações cristalográficas

Grão AGrão B

Plano de deslizamento

Contorno de grão


Região Plástica


- menor tamanho de grão, mais descontinuidades para travar o movimento de discordâncias

EQUAEQUAÇÇÃO DE HALL PETCHÃO DE HALL PETCH

σy= σo + k . d-1/2

k - constante do materialσy - resistência ao escoamentoσo - resistência iniciald - diâmetro médio do contorno de grão


Região Plástica


AUMENTO DA RESISTÊNCIA POR DIMINUIÇÃO DO TAMANHO DE GRÃO

O contorno de grão funciona como uma barreira para a continuação

do movimento das discordâncias devido as diferentes orientações

presentes e também devido às inúmeras descontinuidades presentes

no contorno de grão.


Região Plástica


ENCRUAMENTO OU ENDURECIMENTO PELA DEFORMAÇÃO À FRIO

⇒ É o fenômeno no qual um material endurece devido à deformação plástica (realizado pelo trabalho à frio)

⇒ Esse endurecimento dá-se devido ao aumento de discordâncias e imperfeições promovidas pela deformação, que impedem o escorregamento dos planos atômicos

⇒ A medida que se aumenta o encruamento maior é a força necessária para produzir uma maior deformação

⇒ O encruamento pode ser removido por tratamento térmico (recristalização)

4. Deformação plástica


Região Plástica



Região Plástica

ENCRUAMENTO E MICROESTRUTURA

Antes da deformação Depois da deformação



Região Plástica

VARIAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS EM FUNÇÃO DO ENCRUAMENTO

O encruamento aumenta a resistência mecânica

O encruamento aumenta o limite de escoamento

O encruamento diminui a ductilidade



Região Plástica

Ex: Latão

MECANISMO QUE OCORRE NO AQUECIMENTO DE UM MATERIAL ENCRUADO

ESTÁGIOS:⇒ Recuperação⇒ Recristalização⇒ Crescimento de grão



Região Plástica

RECUPERAÇÃO

⇒ Há um alívio das tensões internas armazenadas durante a deformação devido ao movimento das discordâncias resultante da difusão atômica

⇒ Nesta etapa há uma redução do número de discordâncias e um rearranjo das mesmas

⇒ Propriedades físicas como condutividade térmica e elétrica tendem a voltar ao seu estado original (correspondente ao material não-deformado)



Região Plástica

Se os metais deformados plasticamente forem submetidos a um aquecimento controlado, este aquecimento fará com que haja um rearranjo dos cristais deformados plasticamente, diminuindo a dureza dos mesmos

⇒ depois da recuperação, os grão ainda estão um pouco tensionados⇒ cristais plasticamente deformados tem mais energia que os não deformados, devido a presença de discordâncias e imperfeições⇒ átomos se reacomodam sob temperatura elevada, através de recozimento⇒ ocorre um rearranjo dos átomos em grãos menos deformados em temperaturas elevadas, a recristalização, com o crescimento do grão⇒ o número de discordâncias reduz mais ainda⇒ as propriedades mecânicas voltam ao seu estado original

RECRISTALIZAÇÃO - (Processo de Recozimento)



Região Plástica

TEMPERATURAS DE RECRISTALIZAÇÃO

⇒ A temperatura de recristalização está entre 1/2 e 1/3 da temperatura absoluta de fusão

⇒ Temperatura onde ocorre a diminuição significativa da dureza



Região Plástica

CRESCIMENTO DE GRÃO

⇒ Depois da recristalização se o material permanecer por mais tempo em temperaturas elevadas o grão continuará à crescer

⇒ Em geral, quanto maior o tamanho de grão mais mole é o material e menor é sua resistência



Região Plástica

Recuperação da estrutura cristalina pela temperatura



Região Plástica


Região Plástica


OCORRE DE MANEIRA DÚCTIL OU FRÁGIL E DE FORMA DIFERENCIADA PARA CADA TIPO DE

MATERIAL

Ruptura

Dúctil Frágil

Ruptura

Ocorre, normalmente de maneira dúctil há um aviso do material antes do rompimento

A fratura pode ocorrer de maneira dúctil por:- transgranular (crescimento plástico-fratura em taça ou cone)- intergranular (presença de vazios nos contornos de grão)- cisalhamento- formação de um pescoço (deformação plástica)

Se ocorrer de maneira frágil (geralmente T muito baixas):- clivagem - intergranular

Materiais metálicos

Ruptura

Fissuração interna na zona de estricção de um corpo policristalino

de cobre de elevada pureza

Etapas da formação de uma fratura dúctil em taça e cone.

Materiais metálicos

ÁÁrea 3 rea 3 RelaRelaçção entre Estrutura e ão entre Estrutura e

PropriedadesPropriedades

Propriedades MecânicasPropriedades Mecânicasdureza, fadiga, fluência, impactodureza, fadiga, fluência, impacto

⇒ A dureza é medida pela resistência a identação ou penetração por algum material duro.

⇒ Valor da propriedade varia com o método empregado.

DurezaDureza

Dureza dos Cerâmicos

Mede-se microfissuras no material

Vickers

Knoop

Brinell

Vickers

Microsureza Knoop

Rockwell

Dureza dos metais

Mede-se a profundidade e a largura de identação

DurezaDureza

FFalha que ocorre em estruturas submetidas a tensões dinâmicas e flutuantes.

Ocorre após ciclos de tensões repetidos.

Em tensões inferiores a tensões estáticas suportáveis.

Componentes onde ocorrem:

Eixos, barras de ligação

e engrenagens.

FadigaFadiga

TRINCA DE FADIGA:

INÍCIO Em pontos de concentração de tensão

PROPAGAÇÃOA trinca propaga-se com tensões cíclicas. Criam-se estrias ou ondulações.

FRATURAA seção torna-se pequena e não suporta a carga aplicada.

CantoEntalheInclusãoDefeito

FadigaFadiga

FATORES QUE AFETAM A RESISTÊNCIA À FADIGA

1. Concentração de tensões (entalhes diminuem a resistência à fadiga)

2. Rugosidade superficial (superfícies polidas tem maior resistência)

3. Estado da superfície (nitretação e cementação aumentam a resistência)

4. Efeitos de fabricação (tensão residual)

5. Ambiente (umidade diminui a resistência)

FadigaFadiga

Jateamento: cria tensões compressivas na superfície

As tensões cíclicas aplicadaspodem ser: - axiais

- de flexão - de torção

Modos de flutuação de tensão:

Variação da tensão com o tempo(a) tensões contrárias(b) tensões repetidas (valores de tensão máxima e mínima diferentes)(c) tensões aleatórias

ENSAIO PARA DETERMINAÇÃO DA

RESISTÊNCIA À FADIGA

FadigaFadiga

Limite de fadiga: Representa o maior valor de tensão oscilante que não irácausar falha por fadiga.

CURVA DE FADIGA S-N

Alumínio, Cobre, Magnésio

FadigaFadiga

Aço 1020

Material submetido a uma carga ou tensão constante pode sofrer uma deformação plástica ao longo do tempo em temperatura

elevada.

CURVA DE FLUÊNCIAVariação do comprimento do corpo-de-prova em função do tempo.

Fases da FluênciaI - Alongamento inicial instantâneo do corpo-de-prova. Taxa de fluência diminui ao longo do tempo.II - Inclinação da curva de fluência é a taxa de fluência (constante nesta fase).III - Velocidade de fluência aumenta rapidamente com o tempo até a ruptura.

FluênciaFluência

Depende tensão aplicadatemperatura

* Maior deformação instantânea

* Maior taxa de fluência na fase II

* Menor tempo de vida até a ruptura

FluênciaFluência

FluênciaFluência

FluênciaFluência

ônibus espacial: leve e com resistência à fluência

Influência do contorno de grão na deformação

DEFORMAÇÃO A BAIXAS TEMPERATURAS:Metais de granulação fina são mais resistentes a baixas temperaturas, pois os contornos de grão travam o movimento das discordâncias.

Baixas temperaturasmenor tamanho de grão → maior resistência

DEFORMAÇÃO A ALTAS TEMPERATURAS:A deformação a altas temperaturas ocorre pela deformação dos contornos de grão (difusão pelos CGs). Contorno de grão é um ponto de fraqueza do material.

Altas temperaturasmaior tamanho de grão → maior resistência

FluênciaFluência

↓ TG ↑ RM

mecanismo: travamento das discordâncias

Temperatura equicoesiva

T equicoesiva

( a da TF em K ) 21

31

↑ TG ↑ RM

mecanismo: difusão dos átomos pelos CGs

FluênciaFluência

Charpy e Izod

ImpactoImpacto

EnsaiosEnsaios- Influenciado:

- ENTALHE

- TEMPERATURA DE TRANSIÇÃO

Temperatura característica onde ocorre a transição dúctil-frágil dos materiais

⇒ Baixas temperaturas trinca se propaga mais velozmente que os mecanismos de deformação plástica

pouca energia é absorvida

⇒ Temperaturas elevadas fratura é precedida de uma deformação que consome energia

⇒ Mudança brusca no comportamento característico de metais CCC

⇒ Temperatura de transição varia com a taxa de carregamento

Temperatura de transiTemperatura de transiççãoãoImpactoImpacto

Navio com fratura frágil devido a propagação de trinca.

Causa: numa junta de solda devido ao crescimento de grão houve um aumento da temperatura transição.

Grãos grossos

Grãos finos

Exemplos

ImpactoImpacto

Efeito da temperatura na energia absorvida por diferentes tipos de materiais durante o impacto.Exemplos

ImpactoImpacto

Teste de impacto Charpy em V, mostrando a capacidade de absorção de energia de diferentes planos em uma estrutura CCC do aço carbono, e em uma estrutura CFC no aço inoxidável.

CCC

CFC e HC

Transição dúctil/frágil de uma mesma liga, com variações percentuais.

Efeito de nódulos na microestrutura de um material, em relação a um teste de impacto. Microestruturas do ferro fundido, com grafitas em flocos e em nódulos.

ImpactoImpactoExemplos

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