Atividade Aula 7 Sol

PROPRIEDADES DOS MATERIAIS  – 2012 1 ATIVIDADE – AULA 7 Discordâncias e Mecanismos de Aumento de Resistência  – Solução

1. Considere duas discordâncias aresta com sinais opostos e que possuem planos de escorregamento separados por várias distâncias atômicas, conforme indicado no diagrama. Descreva sucintamente o defeito que resulta quando essas duas discordâncias ficam alinhadas uma com a outra. Resposta: Duas discordâncias com sinais opostos e que possuem o mesmo plano de escorregamento serão atraídas uma para a outra, conforme está indicado no diagrama, e quando elas se encontrarem irá ocorrer uma anulação das discordâncias. Isto é, os dois semiplanos adicionais de átomos irão se alinhar e se tornar um plano completo. 2. Para cada uma das discordâncias aresta, espiral e mista, cite a relação entre a direção da tensão de cisalhamento aplicada e a direção do movimento da linha da discordância. Resposta: Para uma discordância aresta, a direção do movimento da linha da discordância é paralela à direção da tensão de cisalhamento. Para uma discordância espiral, a direção do movimento da linha da discordância é perpendicular à direção da tensão de cisalhamento. Para uma discordância mista, a direção do movimento da linha da discordância não é nem perpendicular nem tampouco paralela à direção da tensão de cisalhamento, estando localizada entre esses dois extremos. 3. (a) Defina um sistema de escorregamento. (b) Informe se todos os metais possuem o mesmo sistema de escorregamento. Por que, ou por que não? Resposta: (a) As discordâncias se movem com um maior grau de facilidade em direções específicas, conhecidas como direção de escorregamento, dentro de um plano preferencial, chamado de plano de escorregamento. Um sistema de escorregamento é uma combinação de um plano de escorregamento com uma direção de escorregamento. (b) Não, porque cada metal possui uma estrutura cristalina específica, e o plano de escorregamento será aquele que possui empacotamento atômico mais denso nesta estrutura, valendo o mesmo para a direção de escorregamento. Por exemplo, um dos sistema de escorregamento da estrutura cristalina CFC é formado pelo plano/direção [111] (110), enquanto que para a estrutura cristalina CCC existe o sistema de escorregamento [110] (111). 4. (a) Compare as densidades planares para os planos (100), (110) e (111) para a estrutura cristalina CFC. (b) Compare as densidades planares para os planos (100), (110) para a estrutura cristalina CCC. (c) Compare as densidades lineares para as direções [100], [110] e [111] para a estrutura cristalina CFC (d) Compare as densidades lineares para as direções [100], [110] e [111] para a estrutura cristalina CCC. Resposta: (a) Densidade Planar CFC:

⁄ ⁄ √    DP (110) =   ⁄ √   ⁄  √ √ √     DP (111) =   √   (√   ) DP (100) =



√ 

(b) Densidade Planar CCC

⁄  ⁄ √    DP (110) =   ⁄ √   ⁄ √ √    DP (100) =

(c) Densidade Linear CCC

⁄   DL [110] = ⁄√   DL [111] = ⁄√    DL [100] =

(d) Densidade Linear CFC

⁄   DL [110] = ⁄√    DL [111] = ⁄√   DL [100] =

5. Liste quatro diferenças principais entre a deformação por maclagem e a deformação por escorregamento em relação ao mecanismo, às condições de ocorrência e ao resultado final. Resposta: As principais diferenças entre a deformação por maclagem e por escorregamento são: 1. Para o escorregamento, a orientação cristalográfica acima e abaixo do plano de escorregamento é a mesma,

tanto antes como depois da deformação; por outro lado, para a maclagem, existirá uma reorientação através do plano da macia. 2. O escorregamento ocorre em múltiplos distintos do espaçamento atômico, enquanto o deslocamento atômico para a maclagem é menor do que a separação interatômica. 3. Maclas de deformação ocorrem em metais que possuem estruturas cristalinas CCC e HC a baixas temperaturas e a taxas elevadas de carregamento (cargas de impacto), condições segundo as quais o processo de escorregamento está restrito; isto é, existem poucos sistemas de escorregamento que podem ser operacionalizados. 4. A quantidade de deformação plástica volumétrica devida a maclagem é normalmente pequena em comparação aquela que resulta do escorregamento. Contudo, a importância real da maclagem reside nas reorientações cristalográficas que a acompanham; a maclagem pode colocar novos sistemas de escorregamento em orientações que são favoráveis em relação ao eixo de tensão, de tal modo que o processo de escorregamento pode então ocorrer. 6. Explique sucintamente por que contornos de grão com baixo ângulo não são tão eficazes na interferência no processo de escorregarnento quanto são os contornos de grão com alto ângulo. Resposta: O contorno de grão atua como uma barreira ao movimento das discordâncias, uma vez que os dois grãos possuem orientações diferentes e uma discordância que atravessa um grão, ao chegar ao contorno, terá que alterar sua direção de movimento sendo que isso se torna mais difícil à medida que a diferença de orientação cristalográfica aumenta. Contornos de grão de baixo ângulo não são eficazes na interferência no processo de escorregamento devido ao leve desalinhamento cristalográfico através do contorno. 7. Explique sucíntarnente por que metais HC são em geral mais frágeis do que metais CFC e CCC. Resposta: Metais com estruturas cristalinas CFC e CCC possuem um número relativamente grande de sistemas de escorregamento (pelo menos 12, podendo chegar até 24). Esses metais são bastante dúcteis, pois uma extensa deformação plástica é normalmente possível ao longo dos vários sistemas. De maneira contraria

metais com estrutura HC, com poucos sistemas de escorregamento ativos (de 3 a 6 no máximo), normalmente são bastante frágeis. 8. Descreva com suas próprias palavras os três mecanismos para aumento de resistência discutidos neste capítulo (isto ê, redução no tamanho do grão, aumento de resistência por solução sólida e encruamento). Certifique-se de explicar como as discordâncias estão envolvidas em cada uma das técnicas de aumento de resistência. Resposta: Redução no tamanho de grão : O contorno de grão atua como uma barreira ao movimento das discordâncias, uma vez que os dois grãos possuem orientações diferentes e uma discordância que atravessa um grão, ao chegar ao contorno, terá que alterar sua direção de movimento sendo que isso se torna mais difícil à medida que a diferença de orientação cristalográfica aumenta. Um material com granulação fina, que possui grãos pequenos, é mais duro e mais resistente (e também mais tenaz) do que um material que possui granulação grosseira, porque possui maior área de contornos de grão para dificultar o movimento das discordâncias Contornos de grão de baixo ângulo não são eficazes na interferência no processo de escorregamento devido ao leve desalinhamento cristalográfico através do contorno. Aumento de resistência por solução sólida: Outra técnica utilizada para aumentar a resistência e endurecer metais consiste na formação de ligas com átomos de impurezas que entram quer em solução sólida substitucional, quer em solução sólida intersticial. O aumento da concentração de impurezas resulta em um consequente aumento no limite de resistência à tração e no limite de escoamento. As ligas são mais resistentes do que os metais puros, pois os átomos de impurezas que entram em solução sólida impõem geralmente deformações da rede cristalina sobre os átomos hospedeiros vizinhos. Dessa forma, movimento das discordâncias ê restringido devido às Interações do campo de deformação da rede cristalina entre as discordâncias e esses átomos de impurezas. Encruamento: O fenômeno de encruamento e explicado com base em interações entre campos de deformação de discordâncias. A densidade de discordâncias em um metal aumenta com a deformação ou com o encruamento, devido à multiplicação (ou à formação de novas) discordâncias. Consequentemente, a distância média de separação entre as discordâncias diminui. Na média, as interações de deformação discordâncias-discordâncias são repulsivas. Como resultado o movimento de uma discordância é dificultado pela presença de outras discordâncias. À medida que a densidade de discordâncias aumenta essa resistência ao movimento das discordâncias por outras discordâncias se torna mais pronunciada. Dessa forma, a tensão imposta, necessária para deformar um metal, aumenta com o aumento do trabalho a frio, 9. Ao se realizar medições de dureza, qual será o efeito em se efetuar uma impressão muito próxima a uma impressão pré-existente? Por quê? Resposta: O resultado da medição ficará prejudicado, obtendo-se valores maiores que o real. Isto ocorre porque, devido à deformação provocada pelo ensaio, as regiões muito próximas xicararão encruadas e consequentemente com maior resistência mecânica do que o material original 10. Cite sucintamente as diferenças entre os processos de recuperação e de recristalização. Resposta: Durante a recuperação, uma parte da energia interna de deformação armazenada e liberada em virtude do movimento das discordâncias, devido a uma melhor difusão atômica à temperatura mais elevada. Mesmo após o processo de recuperação estar completo, os grãos ainda se apresentam em um estado de energia de deformação relativamente elevado. A recristalização e o processo de formação de um novo conjunto de grãos livres de deformação, equiaxiais e com baixas densidades de discordâncias.

11. Explique as diferenças na estrutura dos grãos para um metal que tenha sido trabalhado a frio e para um que tenha sido trabalhado a frio e depois recristalizado. Resposta: No material trabalhado a frio os grãos estão deformados, tornando-se estreitos, alongados e com alta concentração de discordâncias. Na recristalização ocorre formação de um novo conjunto de grãos livres de deformação, equiaxiais e com baixas densidades de discordâncias. 12 Explique sucintamente por que alguns metais (por exemplo, o chumbo e o estanho) não encruam quando são deformados à temperatura ambiente. Resposta: A temperatura de recristalização tipicamente se encontra entre um terço e metade da temperatura absoluta de fusão. Para o estanho, a temperatura absoluta de fusão é de 505 K (232ºC) Para o chumbo a temperatura absoluta de fusão é de 600 K (327ºC). Portanto o estanho recristaliza entre 168 e 252 K (-105 e 21º C) e o chumbo entre 200 e 300 K (-73 e 21º C). Então, à temperatura ambiente, não será possível encrualos, pois eles recristalizam a temperaturas menores. Em tabelas específicas encontra-se - 4º C como a temperatura de recristalização de ambos. 13. (a) Qual é a força motriz para a recristalização? (b) E para o crescimento de grão? Resposta: (a) É a diferença entre as energias internas do material deformado e do material sem deformação. (b) É a redução da energia devido à diminuição da área total dos contornos, à medida que os grãos aumentam de tamanho.