Área 3
Relação entre Estrutura e
Propriedades
Propriedades Mecânicas
Diagrama tensãotensão-deformaç
deformação
Propriedades mecânicas
carga aplicada
estabelecidas por ensaios
- tração
- compressão
- cisalhamento
forma de aplicação variável com o tempo
tempo de aplicação
condições do meio
- curto
- longo
Diagrama σ x ε
Fadiga
Impacto
Fluência
- constante com o tempo
- temperatura
Fadiga
- umidade
Fluência
Fadiga estática
Informações importantes a partir do diagrama σ x ε
σ
σmax
Plástica
σescoamento
4Tensão
máxima
escoamento
ruptura
4Deformação
elástica
plástica
σruptura
Elástica
ε
Resiliência
Ductilidade
Tenacidade
4Ductilidade
4Tenacidade
4Resiliência
4Módulo de Elasticidade (E)
Informações importantes a partir do diagrama σ x ε
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)
Elástica
Deformação Plástica
⇒ É provocada por tensões
que ultrapassam o limite de
elasticidade
⇒ É irreversível porque é
resultado do deslocamento
permanente dos átomos e
portanto não desaparece
quando a tensão é
removida
Plástica
Região elástica
1a REGIÃO DO DIAGRAMA σ x ε
Deformação elástica
Região elástica: Módulo de elasticidade
Limite de elasticidade
Região elástica
Módulo de elasticidade
E = σ/ε
⇒ 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
Relação E com a microestrutura
ANISOTROPIA
Dependendo do grão (sua orientação, forma,...)
o valor do módulo de elasticidade varia.
Região elástica
Relação E com o ambiente
TEMPERATURA
Fe
Cu
Al
Mg
relação de E com temperatura
Este comportamento é observado
em materiais cerâmicos e
materiais metálicos.
E x temperatura para diferentes metais
Região elástica
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.
E=E0(1-1,9P+0,9P2)
Relação de E com a porosidade
Região elástica
Relação E com a deformação plástica ⇒ ocorre em metais
E x deformação plástica
Não modifica o módulo de
elasticidade (a rigidez) do
material
Modifica a
Tensão de escoamento
Ductilidade
Região Plástica
2a REGIÃO DO DIAGRAMA σ x ε
Transição elásticoplástica:
Resistência ao
escoamento
Região plástica:
Deformação plástica
Resistência máxima
Ductilidade
Ponto de ruptura
Região Plástica
COMO OS MATERIAIS DEFORMAM (e ROMPEM)?
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.
Região Plástica
Deslizamento
⇒ 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
Região Plástica
Deslizamento
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.
Região Plástica
Deslizamento em monocristal
⇒ O deslizamento ocorre mais facilmente ao longo de certas direções e planos
MAIS POVOADOS
PLANO DE DESLIZAMENTO
SISTEMA DE DESLIZAMENTO
DIREÇÃO DE DESLIZAMENTO
⇒ O NÚMERO DE SISTEMAS (plano + direção) ATRAVÉS DOS QUAIS PODE OCORRER O
DESLIZAMENTO VARIA COM A ESTRUTURA CRISTALINA
Região Plástica
Deslizamento em monocristal
Em monocristais dúcteis o deslizamento ocorre em múltiplos planos, em conseqüência
observa-se bandas de deslizamento na superfície destes metais.
deslizamento provocado pela
deformação plástica, devido à
força aplicada
Linhas de deslizamento no
interior das bandas de
deslizamento (ampliado)
Região Plástica
Deslizamento em monocristal
LEI DE SCHMID
(a) frágil
(b) dúctil
tensão de cisalhamento
τ = F cos λ
A/cos ϕ
τ= F . cos λ . cos ϕ
A
τ= σ .cos λ . cos ϕ
Região Plástica
Deslizamento em monocristal
LEI DE SCHMID
¾ 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
Região Plástica
Mecanismo hipotético de deslizamento simplificado
Assumindo o mecanismo abaixo e calculando o limite de resistência dos metais, obtémse um valor na ordem de 20x
Metais não são tão
Deve existir outro
resistentes
mecanismo
(a)
(b)
(c)
Mecanismo hipotético simplificado, na verdade os metais se deformam com uma tensão
de cisalhamento menor que a exigida por este mecanismo.
Região Plástica
COMO OS MATERIAIS DEFORMAM (e ROMPEM)?
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.
Região Plástica
Materiais sólidos cristalinos 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
O DESLIZAMENTO DE PLANOS ATÔMICOS (CRISTALINOS) ENVOLVE O
MOVIMENTO DE DISCORDÂNCIAS
Região Plástica
Deformação plástica e discordâncias
O que é discordância?
Defeito linear da estrutura cristalina:
Região Plástica
Deformação plástica e discordâncias
Esquema mostrando como o movimento de discordância
em cunha origina um degrau unitário de deslizamento.
Discordâncias e Mecanismos de Aumento de Resistência
• A deformação plástica corresponde ao
movimento de uma grande quantidade de
discordâncias;
¾ O movimento de uma discordância se dá
de
forma
discreta
(pequenos
deslocamentos por vez).
9 O movimento de um plano inteiro de
uma
vez
exigiria
uma
imensa
quantidade de energia para ser
realizado.
Sistemas de Escorregamento
• Existe um plano (plano de escorregamento) e uma direção preferenciais,
nas quais ocorrerá mais facilmente um escorregamento;
¾ A esta combinação é dada o nome de sistema de escorregamento.
Sistemas de Escorregamento
¾ O plano preferencial é o de maior densidade planar;
¾ 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
Sistemas de Escorregamento
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.
Região Plástica
Deformação plástica e discordâncias
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
Maclagem
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.
Região Plástica
Maclagem
Átomos se movem em distâncias proporcionais às respectivas distâncias
ao plano de macla.
Deslizamento
Maclagem
Diferença básica entre o efeito do deslizamento e da maclagem na
topografia da superfície de um material metálico deformado.
Região Plástica
Maclagem
Produção de maclas pode ser iniciada sob a ação de uma força
cisalhante, ao longo de seu contorno
Contorno de maclas interfere no escorregamento e ↑ RM
estrutura cristalina
microestrutura
Região Plástica
Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas
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)
Região Plástica
Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas
1. Solubilização de um segundo elemento na rede
- 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
Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas
1. Solubilização de um segundo elemento na rede
INTERAÇÃO DE DISCORDÂNCIAS EM SOLUÇÕES SÓLIDAS
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
Região Plástica
Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas
1. Solubilização de um
segundo elemento na
rede
Região Plástica
Controle do deslizamento = controle de prop. mecânicas
1. Solubilização de um segundo elemento
na rede
Aumento daresistência mecânica do metal
devido a formação de solução sólida
Resistência mecânica do metal puro
SOLUÇÕES SÓLIDAS SÃO
MAIS RESISTENTES QUE
O METAL PURO
2. Endurecimento por partí
partículas de segunda fase
* Aumento da resistência mecânica do metal
devido a formação de eutético
* 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.
Resistência mecânica do metal puro
MICROESTRUTURAS
POLIFÁSICAS SÃO
MAIS RESISTENTES
QUE O METAL PURO
SOLUÇÕES SÓLIDAS SÃO
MAIS RESISTENTES QUE
O METAL PURO
Região Plástica
Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas
3. Contorno de grão
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
Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas
3. Contorno de grão
Grãos adjacentes tem diferentes orientações cristalográficas
Contorno de grão
Plano de
deslizamento
Grão B
Grão A
Região Plástica
Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas
3. Contorno de grão
- menor tamanho de grão, mais descontinuidades para travar o movimento de
discordâncias
EQUAÇ
EQUAÇÃO DE HALL PETCH
σy= σo + k . d-1/2
k - constante do material
σy - resistência ao escoamento
σo - resistência inicial
d - diâmetro médio do contorno de grão
Região Plástica
Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas
3. Contorno de grão
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
Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas
4. Deformação 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)
Região Plástica
Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas
4. Deformação plástica
Região Plástica
Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas
4. Deformação plástica
ENCRUAMENTO E MICROESTRUTURA
Antes da deformação
Depois da deformação
Região Plástica
Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas
4. Deformação plástica
VARIAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS EM FUNÇÃO DO ENCRUAMENTO
O encruamento aumenta o
limite de escoamento
O encruamento aumenta a
resistência mecânica
O encruamento diminui a
ductilidade
Região Plástica
Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas
4. Deformação plástica
MECANISMO QUE OCORRE NO
AQUECIMENTO DE UM MATERIAL ENCRUADO
ESTÁGIOS:
⇒ Recuperação
⇒ Recristalização
⇒ Crescimento de grão
Ex: Latão
Região Plástica
Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas
4. Deformação 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
Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas
4. Deformação plástica
RECRISTALIZAÇÃO - (Processo de Recozimento)
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
Região Plástica
Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas
4. Deformação 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
Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas
4. Deformação 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
Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas
4. Deformação plástica
Recuperação da
estrutura
cristalina pela
temperatura
Região Plástica
Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas
Ruptura
3a REGIÃO DO DIAGRAMA σ x ε
OCORRE DE MANEIRA DÚCTIL OU FRÁGIL E DE
FORMA DIFERENCIADA PARA CADA TIPO DE
MATERIAL
Dúctil
Frágil
Ruptura
Materiais metálicos
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
Ruptura
Materiais metálicos
Etapas da formação de uma fratura dúctil em taça e cone.
Fissuração interna na zona de
estricção de um corpo policristalino
de cobre de elevada pureza
Área 3
Relação entre Estrutura e
Propriedades
Propriedades Mecânicas
dureza, fadiga, fluência, impacto
Dureza
⇒ A dureza é medida pela resistência a identação ou
penetração por algum material duro.
⇒ Valor da propriedade varia com o método empregado.
Dureza dos metais
Mede-se a profundidade e a
largura de identação
Brinell
Vickers
Microsureza Knoop
Rockwell
Dureza dos Cerâmicos
Vickers
Mede-se microfissuras no material
Knoop
Dureza
Fadiga
Falha 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.
Fadiga
TRINCA DE FADIGA:
INÍCIO
Em pontos de concentração de tensão
Canto
Entalhe
Inclusão
Defeito
PROPAGAÇÃO
A trinca propaga-se com tensões cíclicas.
Criam-se estrias ou ondulações.
FRATURA
A seção torna-se pequena e não suporta a
carga aplicada.
Fadiga
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)
Jateamento:
cria tensões compressivas na superfície
Fadiga
ENSAIO PARA
DETERMINAÇÃO DA
RESISTÊNCIA À FADIGA
As tensões cíclicas aplicadas
podem 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
Fadiga
CURVA DE FADIGA S-N
Alumínio, Cobre, Magnésio
Aço 1020
Limite de fadiga:
Representa o maior valor de tensão oscilante que não irá
causar falha por fadiga.
Fluência
Material submetido a uma carga ou tensão constante pode sofrer
uma deformação plástica ao longo do tempo em temperatura
elevada.
CURVA DE FLUÊNCIA
Variação do comprimento do corpo-de-prova em função do tempo.
Fases da Fluência
I - 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.
Fluência
* Maior deformação instantânea
Depende
Fluência
tensão aplicada
temperatura
* Maior taxa de fluência na fase II
* Menor tempo de vida até a ruptura
Fluência
ônibus espacial: leve e com resistência à fluência
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 temperaturas
menor 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 temperaturas
maior tamanho de grão → maior resistência
Fluência
Temperatura equicoesiva (
↑ TG
1
2
a
1
3
da TF em K )
↑ RM
mecanismo: difusão dos átomos pelos CGs
T equicoesiva
↓ TG
↑ RM
mecanismo: travamento das discordâncias
Impacto
Ensaios Charpy e Izod
- Influenciado:
- ENTALHE
- TEMPERATURA DE TRANSIÇÃO
Impacto
Temperatura de transiç
transição
Temperatura característica onde ocorre a transição dúctilfrágil 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
Impacto
Exemplos
Grãos grossos
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 finos
Impacto
Exemplos
Efeito da temperatura na energia absorvida por diferentes
tipos de materiais durante o impacto.
CFC e HC
CCC
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.
Impacto
Exemplos
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.