Microestrutura Dos Materiais

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PAMPACENTRO DE TECNOLOGIA DE ALEGRETE

MESTRADO DE ENGENHARIA

RELATÓRIO AULA 1 e 2

TRABALHO DE AVALIAÇÃO DA DISCIPLINA DE MECANISMOS DE

DEFORMAÇÕES E FRATURA DOS MATERIAIS

CARLOS ALEXANDRE DA CONCEIÇÃO

Alegrete, RS, Brasil2011



1. INTRODUÇÃO

Historicamente, o homem vem buscando aprimorar seus conhecimentos sobre

os materiais e tecnicas utilizados em construções, sempre houve a necessidade de

obter os conhecimentos da resistência dos materiais. Com esses conhecimentos,

percebemos a necessidade e a possibilidade de criar regras, mecânismos e padrões

que podem ser utilizados no dimensionamento seguro para suas construções e

dispositivos das estruturas.

Os materiais têm sido importantes na cultura humana desde milênios de anos

atrás para o uso em transportes, habitação, comunicação, recreação, proteção, etc.

Enfim, em tudo que está ligado a sua sobrevivência. Entretanto os primeiros seres

humanos tiveram acesso apenas a um número limitado de materiais, os naturais

(PASSOS, 2006).

Segundo Callister (2008) o desenvolvimento de muitas das tecnologias que

tornaram a nossa existência tão confortável está intimamente associada ao acesso a

materiais adequados.

Deste modo, para melhor utilizarmos os materiais, necessitamos de estudos e

pesquisas, que busquem criar materiais, como plásticos, cerâmicas e ligas

metálicas, aperfeiçoando suas propriedades e estabelecendo novas combinações,

que resultem em matérias inéditas ou com melhores resistências. Para isso,devemos aprimorar conhecimentos sobre a estrutura cristalina dos sólidos e suas

imperfeições e discordâncias, pois influenciam diretamente os mecanismos de

cálculo utilizados na resistência e ciência dos materiais.



2 SISTEMAS CRISTALINOS

Existem muitas estruturas cristalinas diferentes, sendo necessárias dividi-las de

acordo com a configuração de suas células unitárias e/ou de seus arranjos atômicos.Nesse arranjo é estabelecido um sistemas de coordenadas x, y, z que tem a sua

origem localizada em um vértice da célula unitária.

A geometria da célula é baseada em seis parâmetros: comprimentos a, b, c e

ângulos , , . Esses parâmetros são denominados parâmetros de rede (figura1).

Figura 1: Parâmetros de rede de uma estrutura cristalina.Fonte: Tier, 2011.

A simetria de uma estrutura cristalina pode ser representada por uma célula

unitária, que são paralelepípedos, ou prismas com três conjuntos de faces paralelas.

São identificados 14 tipos de células unitárias ou retículos bravais agrupados em

sistema cristalino (figura 1).

Figura 1: 14 tipos de células unitárias ou reticulados bravais das estruturas cristalinasFonte: Tier, 2011.



Com base nesse principio, existem sete combinações diferentes para a, b, c, ,

, , sendo que cada uma representando um sistema cristalino distinto. Esses sete

sistemas cristalinos são o sistema cúbico, tetragonal, hexagonal, ortorrômbico,

romboédrico, monoclínico re triclínico.

Tabela 1: Características dos sete sistemas cristalinos.

Fonte: Tier, 2011.

Os reticulados podem ser classificados em 5 tipos:

Primitivos (P),

de corpo centrado (I),

de faces centradas (F),

de bases centradas (C)

e o romboedrico (R).

Um reticulado espacial e um arranjo infinito, tridimensional, de regiões onde

todo ponto tem a mesma vizinhança e se chama ponto do reticulado. E importante

destacar que a cada ponto do reticulado pode estar associado a mais de um átomo.

SISTEMAS CRISTALINOS METÁLICOS

Os átomos metálicos podem ser considerados esferas rígidas, dessa hipótese

que pressupomos a grande propensão que eles têm a cristalização. A ligaçãoatômica nesse grupo e metálica e de forma não direcional. São mínimas as

restrições a átomos vizinhos, levando ao número elevado de vizinho mais próximo, o

que resulta em empacotamento compacto dos átomos para a maioria das estruturas

cristalinas.



Nesses sistemas são encontradas três estruturas cristalinas relativamente

simples para a maioria dos metais, sendo denominadas: cúbica de face centrada,

cúbica de corpo centrado e hexagonal compacta.

Figura 1: Modelos para a célula unitária cúbica simples (SC), cúbica de corpo centrado (BCC) e

cúbica de face centrada (FCC), assumindo somente um átomo por ponto no reticulado.

Fonte: Tier, 2011.

Duas características importantes de uma estrutura cristalina são o número de

coordenação e o fator de empacotamento (FEA). Nos metais cada átomo possui um

numero de vizinhos, ou seja, um número de coordenação. O FEA é a soma dos

volumes das esferas de todos os átomos no interior de uma célula unitária

(considerando o modelo atômico de células rígidas) dividido pelo volume de células

unitárias.

As direções na célula unitária onde os átomos estão em contato são chamados

direções de empacotamento. Essas direções são usadas para calcular as relações

entre o tamanho aparente do átomo e o tamanho da célula unitária. (figura 1).

Figura 1: Relação entre o raio atômico e o parâmetro de rede para o sistema cúbico

Fonte: Tier, 2011.

3 OS DEFEITOS CRISTALINOS

São alterações nas propriedades de materiais, causando imperfeições que

podem ser observadas com o auxilio de micrografia de varredura. Essas



imperfeições devem ser estudadas e conhecidas, pois afetam diretamente o

comportamento dos materiais.

Os defeitos cristalinos são considerados irregularidades na rede tendo uma ou

mais de suas dimensões de ordem de um diâmetro atômico, sendo classificada deacordo com a geometria ou com a dimensionalidade do defeito. Eles podem ser:

3.1 Imperfeições Cristalinas Pontuais em METAIS.

Conforme Callister (2008), todos os metais contêm inúmeras imperfeições ou

desvios da perfeição cristalina, que são classificadas com base em sua geometria e

tamanho. Os defeitos pontuais são aqueles associados a uma ou duas posições

atômicas, incluindo as lacunas, os auto-intersticiais e os de impurezas.O mais simples dos defeitos pontuais é a lacuna (figura 1), ou um sítio vago na

rede cristalina, que apresenta a falta de um átomo. Todos os metais possuem essas

lacunas que é explicada pelo principio da termodinâmica, haja vista destas lacunas

aumentarem a entropia do cristal. O número de lacunas depende da temperatura e

aumenta com a elevação da temperatura.

O auto-intersticial (figura 9) consiste em um átomo do cristal que se encontra

comprimido em um sítio intersticial que é um pequeno espaço vazio, que sob

circunstâncias não é ocupado. Nos metais introduz distorções relativamente grandesna vizinhança de rede. Ocorrem em concentrações muito pequenas em relação as

lacunas.

Figura 9: Representação de uma Lacuna e um Auto-intersticial.Fonte: Callister, 2008.



Sabemos que um metal totalmente puro (100%) é impossível, sendo presente

impurezas ou átomos diferentes, sendo que alguns irão existir como defeitos

pontuais. Os metais mais familiares são ligas, onde foram adicionados

intencionalmente átomos de impurezas para melhorar a resistência mecânica e aresistência a corrosão.

3.2 Imperfeições Cristalinas Pontuais em CERÂMICOS.

Compostos cerâmicos também podem apresentar defeitos atômicos

envolvendo o hospedeiro que podem ser tanto lacunas quanto intersticiais.

Entretanto, como o material cerâmico contém íons, podem ocorrer defeitos relativos

às espécies de íons que este tipo de material contém.Os materiais cerâmicos devem possuir eletroneutralidade, ou seja, mesmo

número de cargas positivas e negativas de íons. Como conseqüência, percebe-se

que os defeitos nas cerâmicas não ocorrem sozinhos. Esse tipo de defeito (Figura

10) é chamado de defeito Frenkler (Lacuna aniônica e cátion intersticial).

Outro defeito pode ser considerado de Sthottky, onde é removido um cátion de

um ânion do interior do cristal, sendo colocados em uma superfície externa.

Além disso, são possíveis as imperfeições chamadas de impurezas nas

Cerâmicas que são de dois tipos: as intersticiais e as substitucionais. Da mesmaforma, que nos metais o raio atômico iônico deve ser relativamente menor que o do

ânion.

Figura 10: Diagrama esquemático mostrando defeitos de Frenkel e Schottky..Fonte: Callister, 2008.



3.3 Imperfeições Cristalinas ± PONTUAIS SOLUÇÃO SÓLIDA

Não existe metal 100% puro, estão sempre presentes algumas impurezas ou

elementos de liga. Na realidade, utilizando-se as técnicas atuais de refino, é muito

difícil e caro refinar metais com níveis de pureza superiores a 99,999%. Nesta

pureza ainda estão presentes cerca de 1022 - 1023 átomos por m3 de impurezas.

Estas imperfeições são formadas quando com a adição de átomos de soluto ao

material hospedeiro, mantendo a rede cristalina. Nas soluções sólidas são

encontrados defeitos pontuais (figura 11) devido à presença de impurezas. Estas

impurezas são classificadas em duas classes:

y Substitucionais - Na qual os átomos de soluto estão alocados em posições

atômicas originalmente pertencentes ao átomo de solvente

y Intersticiais - Na qual os átomos de soluto estão posicionados nos interstícios das

células cristalinas do solvente.

Figura 11: Representação de átomos intersticiais e substitucionais.Fonte: Callister, 2008.

3.4 Imperfeições Cristalinas em Linha ± Discordâncias

Uma discordância é um defeito cristalino linear nos quais diversos átomos

estão desalinhados e conseqüentemente provocam uma distorção na estrutura

cristalina.

Toda a teoria de deformação e endurecimento de metais é fundamentada na

movimentação de discordâncias. As discordâncias podem ser:



y Discordância em Cunha:

Pode ser entendida como um plano extra de átomos no reticulado que provoca

uma imperfeição linear.

Vetor de Burgues (figura 12) representa a magnitude e a direção da distorção doreticulado. A magnitude desta distorção normalmente tem a ordem de uma distância

inter-atômica. Na discordância em cunha o vetor de Burgues é perpendicular a linha

de discordância (plano extra)

Figura 12: Posições atômicas ao redor de uma discordância arestaFonte: Tier, 2011.

y Discordância em Hélice:

A discordância em hélice (figura 13) pode ser imaginada como sendo o

resultado da aplicação de uma tensão de cisalhamento. O vetor de Burgues éparalelo a linha de discordância A-B.

Figura 13: (a) Discordância de hélice dentro de um cristal (b) Vista superior da figura (a).Fonte: Callister, 2008.



y Discordâncias Mistas:

Na verdade os materiais metálicos só apresentarão discordâncias mistas,

entretanto como estas discordâncias são complexas, é mais fácil estudá-las como

misturas de discordâncias de discordâncias em cunha e hélice (figura 14).

Figura 14: (a) Representação esquemática de uma discordância mista. (b) Vista superior.Fonte: Callister, 2008.

3.5 Movimento de Discordâncias

Também conhecido como deslizamento, ocorre quando uma força cisallhante é

aplicada em uma das direções definidas em um cristal contendo uma discordância,

que pode se mover pela ruptura de ligação de átomos em um plano. Deste modo,

ocorre o corte que é deslocado levemente estabelecendo ligações com o plano de

átomos local. O deslocamento resulta num movimento da discordância em um

espaço atômico. Se o processo continua a discordância se move através do cristal

gerando deformação do cristal (TIER, 2011).

O processo de deslizamento é particularmente importante para a compreensão

do comportamento mecânico dos metais. O deslizamento explica por que a

resistência dos metais é muito menor do que o valor predito pelas ligações

metálicas.

Os movimentos resultam em ductilidade nos metais. Se eles não existissem

uma barra de ferro seria frágil e os metais não poderiam ser conformados pelos

processos tradicionais.

3.6 Defeitos Interfaciais

Os defeitos superficiais são defeitos bidimensionais ou interfaciais que

compreendem regiões do material com diferentes estruturas cristalinas e/ou

diferentes orientações cristalográficas (CALLISTER, 2008).



Esses defeitos são contornos que possuem duas dimensões e que

normalmente separam regiões de materiais que possuem diferentes estruturas

cristalinas e/ou orientações cristalográficas. Essas imperfeições incluem:

3.6.1 Contornos de Grão:

Segundo Callister (2008) os materiais policristalinos são formados por muitos

cristais ou grãos, que tem diferentes orientações cristalográficas. Esse

desordenamento atômico pode ocorrer em vários graus de desalinhamento entre

grãos adjacentes.

Os contornos de grãos podem ser de poucos graus de desalinhamento na

orientação, conhecido por contorno de grão de baixo ângulo. Esses contornospodem ser descritos em termos de arranjos de discordâncias. Também podem

ocorre contornos do tipo contorno de inclinação, quando as arestas estão em ordem

alinhada, e contorno de torção, que pode ser descrito por arranjo de discordâncias

em espiral.

Podemos diferenciar os contornos de grão de baixo e alto ângulo em função

do desalinhamento dos planos atômicos entre os grãos adjacentes (figura 1).

Figura 1: Diagrama esquemático mostrando contorno de grãos de baixo e alto ângulo.Fonte: Callister, 2008.

Apesar do arranjo desordenado dos átomos e da falta de uma ligação regular

no decorrer dos contornos, ele é um material bastante resistente, pois possuem

forças de coesão no interior e através do contorno. Os contornos de grãos também



são quimicamente mais reativos do que os grãos propriamente ditos, como

conseqüência da energia que possuem.

3.6.2 Superfícies externas:

O contorno mais óbvio de acontecer é a superfície externa. Ocorre nos átomos

da superfície que não estão ligados ao número máximo de vizinhos próximos,

gerando um estado de energia maior do que os átomos internos. Essas ligações

dão origem a uma energia de superfície, que esta diretamente relacionada com a

área total da superfície. Os líquidos podem criar formas de gotículas, reduzindo

assim essa região, o que não é possível com os sólidos, que são mecanicamente

rígidos.

3.6.3 Contornos de Macla:

É um tipo especial de contorno de grão, onde existe uma simetria espelhada

específica da rede cristalina. Chama-se macla (figura 1) a separação de duas

regiões cristalinas que são, estruturalmente, imagens espelhadas uma da outra.

As maclas resultam de deslocamentos atômicos produzidos a partir de forças

mecânicas de cisalhamento e por deformações do material, por tensões térmicas derecozimento. As maclas de recozimento são encontradas em metais que possuem

estrutura cristalina CFC, enquanto as de deformação em metais CCC e HC.

Figura 1: Contorno de Macla, Separação de duas regiões como imagem espelhada.Fonte: Notas de aula.



3.6.4 Falhas de Empacotamento

Corresponde a interrupção de uma seqüência regular de empacotamento de

planos em uma rede cristalina (figura 1).

Figura 1: Empacotamento de planos em rede cristalina.Fonte: Notas de aula.

4 DEFEITOS DE VOLUME

Os defeitos volumétricos ou de massa, são introduzidos normalmente durante

as etapas do processo de fabricação. Podem ser classificados como:

Poros: podem modificar substancialmente as propriedades ópticas, mecânicas

e térmicas de um material;

Fraturas: podem afetar as propriedades mecânicas do material;

Inclusões: podem modificar substancialmente as propriedades elétricas,

mecânicas e ópticas de um material;

4 TENSÃO DEFORMAÇÃO

Segundo Gere 2003, os conceitos mais fundamentais da mecânica dos

materiais são a tensão e deformação. Esses conceitos podem ser ilustrados em

suas formas mais elementares considerando uma barra prismática sujeita a forças

axiais (figura 1). Sendo a barra prismática um membro estrutural reto, tendo a

mesma seção transversal ao longo de seu comprimento e uma força axial é uma

carga direcionada ao longo do eixo do membro, resultante em tração ou compressão

na barra.



Figura 1: Barra prismática sujeita a esforços de tração.

Fonte: Passos, 2006.

A resistência de um material depende de sua capacidade de suportar a carga

sem deformação excessiva ou ruptura. Essa propriedade é inerte ao próprio material

e deve ser determinada por experimento (o mais importante é o teste de tração e

compressão). Esses testes são realizados para determinar a relação entre a tensão

normal média e a deformação normal média em muitos materiais de engenharia, tais

como metais, cerâmicas, polímeros e compostos (HIBBELER, 2004).

Conforme Beer (2003), outro importante aspectos de analise e projeto de

estruturas se relaciona com as deformações causadas pela aplicação de cargas, as

quais podem criar a se tornar tão grandes, podendo vir a cumprir com os fins a que

foi projetada.

O diagrama tensão - deformação varia muito de material para material, e ainda,

para um mesmo material podem ocorrer resultados diferentes devido à variação de

temperatura do corpo de prova e da velocidade da carga aplicada. Entre os

diagramas x de vários grupos de materiais é possível, no entanto, distinguir

algumas características comuns; elas nos levam a dividir os materiais em duasimportantes categorias, que são os materiais dúcteis e os materiais frágeis (figura 2).

Figura 2: Comportamento mecânico de materiais dúcteis e frágeis.Fonte: Beer, 2003.



5 CÁLCULO ESTRUTURAL

É utilizado no ramo da engenharia estrutural (engenharia civil, engenharia

mecânica, engenharia naval, etc...), em estruturas estáticas ou dinâmicas, na fase

de projeto e cálculo de estruturas. Por fim, é forma de aplicar os conhecimentos da

mecânica dos sólidos nos mais diferentes níveis de projetos, sejam eles civis,

mecânicos, elétricos, etc. Por exemplo:

Torção em seções circulares

Quando uma barra reta é submetida, exclusivamente, a um momento em torno

do eixo da barra, diz-se que estará submetida a um momento torçor (ou torque).

O caso mais comum são os acionamentos de motores que possuem um eixo

de transmissão que recebem torção (figura 3). Ao ser acionado, o movimento de

rotação é acelerado até que o torque resistente (crescente com o aumento da

velocidade de rotação) iguala o torque motor, permanecendo, então, o eixo em

rotação constante e torcido por um torque uniforme entre suas extremidades.

Figura 3: Torção de uma peça.Fonte: www.uff.br, 2011.

Flexão pura em vigas

A Flexão Pura (figura 4) referente à flexão na viga submetida a um momento

fletor constante ocorre nas regiões onde a força de cisalhamento é zero, pois

V=dM/dx.



Figura 4- Viga simples em flexão pura ( M=M1)

Fonte: Beer, 1995.

Vigas bidimensionais sujeitas às múltiplas solicitações

São vigas sujeitas à flexão e tração/compressão. Possuem duas dimensões

com valores da mesma ordem de grandeza e a outra com valor muito inferior.

Exemplos: lajes, paredes estruturais e cascas.

Flexão composta

A flexão composta é um esforço resultante da combinação de outros dois tipos

de esforços que podem surgir quando do carregamento de um pilar:

Esforço normal: devido à aplicação de duas cargas normais ao plano da seção

transversal, uma passando pelo CG desta seção e outra passando fora do CG.

Esforço de flexão: devido ao momento causado pela excentricidade da carga

normal ao plano da seção transversal em relação ao CG desta seção

Cisalhamento em Vigas

O cisalhamento em vigas (figura 5) também conhecido como tensão tangencial,

ou ainda tensão de corte ou tensão cortante é um tipo de tensão gerado por forças

aplicadas em sentidos opostos, porém em direções semelhantes no material

analisado.

O círculo de Mohr, á a maneira utilizanda principalmente para verificar a tensão

de cisalhamento em solos, pois facilita imensamente a determinação deste tipo de

tensões a partir da tensões normais ortogonais ao plano normal.



Figura 5: Distribuição das tensões de cisalhamento numa seção transversal

Critérios de resistência

Interpretar o perigo eventual de ruptura quando se tem solicitações combinadas

(ex.: estado duplo ou triplo de tensão atuando no material de uma estrutura).

O critério de resistência (figura 6) serve para interpretar tais casos, partindo de

ensaios mais simples que os correspondentes à solicitação que atua na estrutura. Avariedade de materiais usados na engenharia não permite adotar um único critério

de resistência.

Figura 6: Estado triplo de tensões.

Métodos das Energias

O conceito de Energia de Deformação é particularmente útil no estudo de

peças submetidas a cargas de choque ou impacto e problemas que envolvam o

cálculo de deflexão. Podemos denotar em termos de força normal (figura 7).



Figura 7- Energia de deformação devido ao carregamento normal.

Flambagem

Os sistemas mecânicos e estruturas em geral quando estão submetidos a

carregamentos (figura 8), pode falhar de várias formas, o que vai depender domaterial usado, do tipo de estrutura, das condições de apoio, entre outras

considerações. Quando se projeta um elemento, é necessário que ele satisfaça

requisitos específicos de tensão, deflexão e estabilidade (HIBBELER, 2004).

Figura 8: Flambagem de uma viga devido ao carregamento axialFonte: Hibbeler, 2004.



6 CONCLUSÃO

O desenvolvimento e avanço da sociedade esta diretamente ligada às

habilidades de seus membros em produzir e manipular materiais para satisfazer asnossas necessidades.

A ciência dos materiais envolve a relação que existe entre estruturas e

propriedades dos materiais. Essa relação é muito importante e necessária para que

possamos fazer a melhor escolha e utilização dos materiais, conforme a finalidade

do projeto.

Em campos de deformação e forças associadas aos materiais, é importante

verificar os mecanismos de aumento de resistência dos metais, por exemplo, os

quais estão diretamente ligados ao contorno de grãos, assim como os defeitosinternos e irregularidades da superfície, que podem servir como sítios de formação

de discordâncias durante a deformação.

Desde modo, nota-se a importância do conhecimento da microestrutura dos

materiais, seus defeitos e falhas, afim de melhor compreender o modo de calcular e

dimensionar o material ideal que será usado em determinada estrutura. Quanto mais

familiarizado com a relação estrutura ± propriedade, melhor capacitado estará o

profissional para fazer a seleção e analise da melhor material quanto à resistência

mecânica, ambiente corrosivo, alta temperatura, etc.



7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

HIBBELER, R.C. Resistência dos Materiais / R.C. Hibbeler; tradução JoaquimPinheiro Nunes; revisão técnica Wilson Carlos da Silva. ± São Paulo: Pearson

Prentice Hall, 2004.GERE, J.M. Mecânica dos Materiais / James M. Gere; tradução Luiz Fernando deCastro Paiva; revisão técnica Marcio Lucio Bittencourt. ± São Paulo : CengageLearning, 2009.

BEER, F.P. Resistência dos Materiais Ferdinando P. Beer, E Russel Johnston, Jr.;tradução e revisão técnica Celso Pinto Morais Pereira. ± 3ª ed. ± São Paulo:Pearson Makron ooks, 1995.

CALLISTER, Jr. WILLIAM D. Ciência e Engenharia de Materiais: uma introdução /William D. Callister , Jr.; tradução Sérgio Murilo Stamile Soares. ± Rio de Janeiro:

LTC, 2008.

TIER, M. Apostila Introdução a Ciência dos Materiais, Universidade Federal doPampa, Alegrete, 2011.

PASSOS, L. APOSTILA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS,Faculdades Integradas Einstein de Limeira, São Paulo, 2006.

UFF ± Universidade Federal Fluminense. Escola de Engenharia IndustrialMetalúrgica de Volta Redonda. Disponível em: <www.uff.br/petmec/downloads>. Acessado em: 28 outubro 2011.

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