Discordâncias e propriedades mecânicas …

Leiner Novaes Arêdes Sabrina Monteiro Hoçoya

Relação entre Discordâncias e Propriedades Mecânicas dos Metais.

É sabido que materiais cristalinos sólidos perfeitos não existem na natureza,  porém muitas vezes são idealizados por questões de simplificação e facilitação do entendimento. Felizmente não há uma ordem perfeita nos materiais cristalinos numa escala atômica. Todos eles contêm um grande número de defeitos, os mais variados  possíveis. Muitas das propriedades dos materiais são profundamente sensíveis aos desvios da perfeição cristalina, o que nos permite controlar ou até mesmo introduzir  a quantidade, diversidade e forma dos diversos defeitos existentes nos materiais, de modo a atingir as propriedades que desejamos. Grande parte das propriedades dos materiais são dependentes da estrutura cristalina e conseqüentemente dos defeitos presentes dessa estrutura. Algumas  propriedades não sofrem influência da estrutura, tais como: condutividades térmica e elétrica e propriedades semicondutoras. semicondutoras. Já a maioria, entre as quais se destacam as propriedades mecânicas, são claramente influenciadas pela estrutura cristalina. Como, por exemplo: constantes elásticas; ponto de fusão; densidade; calor específico; coeficiente de expansão térmica; limite de resistência; limite de escoamento. A classificação dos defeitos se dá basicamente em função da dimensionalidade do defeito. Sabe-se que a discordância, em particular, é um defeito unidimensional, linear, que é o maior responsável pelo mecanismo de deformação plástica dos metais e, conseqüentemente, pelas propriedades mecânicas como um todo. Os planos da rede cristalina, num cristal ideal, estendem-se de um lado ao outro do cristal. Nos cristais reais isto pode não ser verdade. Durante a própria formação do cristal ou como resultado de processos internos associados a grandes esforços, pode ocorrer que alguns planos sejam interrompidos ou se apresentem deslocados em relação a seus vizinhos. Isto caracteriza o defeito de linha. Taylor, sabendo que os materiais dúcteis se deformam por deslizamento de planos Ed. C S Viana – 2010

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cristalinos uns em relação aos outros sob a ação de esforços cisalhantes, concluiu que isto somente seria possível com a presença de defeitos da rede, os quais foram denominados de discordância. Na ausência destes, o esforço necessário para ocorrer  a deformação seria cerca de 1000 vezes maior do que o que se observa na prática. Os tipos de discordâncias são: em linha, ou aresta, ou ainda conhecida como discordância em cunha, as discordâncias em hélice ou espiral e as mistas. Muitas discordâncias encontradas em materiais cristalinos são compostas de ambos os tipos de discordâncias; estas são denominadas discordâncias mistas. Os 3 tipos de discordâncias estão representados na figura abaixo; na discordância mista, a distorção da rede que é produzida para fora das duas faces é mista, tendo variáveis graus de caráter de espiral e de cunha.

MISTA

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A deformação plástica de metais e ligas metálicas advém principalmente da movimentação e multiplicação de discordâncias. Durante este processo, as ligações interatômicas são rompidas e depois restabelecidas. As discordâncias movimentamse no reticulado cristalino preferencialmente nos planos de máxima densidade atômica, ou seja, nos planos que contém o maior número de átomos por unidade de área, e nas direções de máxima densidade atômica, ou aquelas onde há o maior  número de átomos por unidade de comprimento, desses planos. Isto ocorre devido a energia total necessária para provocar a deformação ser minimizada se a discordância se mover nestas direções particulares. Sendo assim, pode-se definir um sistema de escorregamento como a combinação de uma direção de máxima densidade atômica num plano de máxima densidade atômica. E representa-se: {hkl} Os sistemas de escorregamento dependem da estrutura cristalina, o que explica a diferença de dutilidade entre os metais. CFC CCC HC

Sistemas de escorregamento {111} {110} {0001}

As discordâncias espirais se movem sobre planos densos, mas podem mudar  de plano de deslizamento, sempre da mesma família e com o qual tenha interseção. Isto sempre será feito através das discordâncias espirais e nunca pelas em cunha. Uma discordância espiral não possui um plano de deslizamento preferencial como a discordância em cunha, o plano está definido pela linha de discordância e seu vetor de burgers, tendo, por isto, uma movimentação menos restrita do que a da em cunha; todavia ela não é capaz de realizar escalagem. Uma discordância em cunha movimenta-se no plano de deslizamento numa direção perpendicular ao seu comprimento, todavia ela poderá se movimentar verticalmente, ou “escalar”, caso ocorra uma taxa considerável de difusão de átomos ou lacunas, para ou de sua linha. O movimento da discordância por escalagem é controlado por difusão, portanto, é muito mais lento do que o deslizamento e tem pouca probabilidade de ocorrer, a não ser a elevadas temperaturas. Várias características das discordâncias são importantes em relação às  propriedades mecânicas dos metais. Essas incluem os campos de deformação que existem ao redor das discordâncias, que são importantes na determinação da mobilidade das discordâncias, bem como suas habilidades em se multiplicar. Quando metais são submetidos à deformação plástica, uma fração da energia de deformação, aproximadamente 5%, é armazenada no material; o restante é dissipado em forma de calor. A maior parte dessa energia armazenada consiste em uma energia de deformação que está associada às discordâncias. Existe alguma distorção no reticulado ao redor da linha de discordância devido à presença de um semiplano adicional. Como conseqüência, existem regiões onde as deformações da rede cristalina por compressão, tração e cisalhamento são impostas sobre os átomos vizinhos e assim estes átomos estão sobre um estado de deformação diferente dos demais átomos localizados distantes da discordância. Também existem deformações Ed. C S Viana – 2010

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cisalhantes na vizinhança da discordância aresta. Para uma discordância espiral, as deformações da rede cristalina são somente de natureza cisalhante e suas magnitudes diminuem em função da distância radial da discordância. Os campos de deformações ao redor das discordâncias que se encontram  próximas umas das outras podem interagir de tal forma que sejam impostas forças sobre cada discordância, pelas interações combinadas de todas suas discordâncias vizinhas. As interações entre discordâncias são possíveis entre discordâncias em cunha, espiral e/ou mista, e para uma variedade de orientações. Esses campos de deformações e forças associadas são importantes nos mecanismos de aumento de resistência para os metais. As discordâncias explicam não só a deformação plástica, pelo deslizamento dos cristais, mas também a maioria dos outros fenômenos mecânicos tais como o encruamento, escoamento descontínuo, fadiga, fluência e fratura frágil. São vários os mecanismos de alteração das propriedades mecânicas (endurecimento), a saber: Trabalho a frio (encruamento); precipitação; refino de grão; partículas de segunda fase; e adição de elemento de ligas (solução sólida). Todos estes, são defeitos que estão naturalmente presentes nos materiais, devendo ser controlados para otimização das propriedades mecânicas. Estes mecanismos muitas das vezes são utilizados em conjunto e todos eles  promovem o endurecimento do material por dificultarem a movimentação e geração de discordâncias. Busca-se, cada vez mais, ligas que possuam alta resistência mecânica aliada a alta tenacidade. Quase sempre que se usa um mecanismo de endurecimento, para aumentar a resistência mecânica, a tenacidade é diminuída, exceto pelo mecanismo de refino de grão. É importante para a compreensão dos mecanismos de aumento de resistência a relação entre o movimento das discordâncias e o comportamento mecânico dos metais. Uma vez que a deformação plástica macroscópica corresponde ao movimento de grandes números de discordâncias, a habilidade de um metal para se deformar plasticamente depende da habilidade das discordâncias  para se moverem. Uma vez que a dureza e a resistência, tanto no que se refere ao limite de escoamento quanto ao limite de resistência a tração, estão relacionados com a facilidade com que a deformação pode ser induzida mediante a redução da mobilidade, a resistência mecânica pode ser melhorada, isto é, maiores forças mecânicas serão necessárias para dar inicio a deformação plástica. Em contraste, quanto menos restringido estiver o movimento das discordâncias, maior será a facilidade com a qual um metal poderá se deformar e mais macio e fraco se tornará. Ou seja, todas as técnicas de aumento de resistência dependem do seguinte princípio simples: restringir ou impedir o movimento de discordâncias confere maior dureza e resistência ao material . A deformação plástica a frio implica em movimentação e aumento da densidade de discordâncias; o aumento da densidade de discordâncias, todavia, vai tornando mais difícil a movimentação destes defeitos, o que implica em aumento de resistência mecânica e diminuição da capacidade de deformação plástica. Assim, se

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um material passou por deformação plástica a frio, este terá o menor alongamento total e limites de escoamento e resistência maiores que um material que apresente grãos não deformados, o que caracteriza o endurecimento por encruamento. O encruamento é o fenômeno pelo qual um metal dúctil se torna mais duro e mais resistente quando ele é submetido a uma deformação plástica. Pelo fato de a temperatura em que a deformação é efetuada ser fria em relação a temperatura de fusão do metal, também é chamado de trabalho a frio. A maioria dos metais encrua a temperatura ambiente. Há um aumento do limite de escoamento e de resistência à tração com o aumento do trabalho a frio e, devido a isto, há redução da ductilidade do metal. O fenômeno de encruamento é 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 das discordâncias, conforme observado anteriormente. Conseqüentemente, a distância média de separação entre as discordâncias diminui e estas são  posicionadas mais próximas uma das outras. Na média, as interações de deformação disdordâncias-dircordâncias são repulsivas. O resultado global é tal que o movimento de uma discordância é dificultado pela presença de outras. 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 necessária para deformar um metal aumenta com o aumento do trabalho a frio. Qualquer mecanismo que dificulte o movimento de discordâncias, facilitará a fratura. As discordâncias podem ser travadas por precipitados finos (que atuam

como barreiras impedindo o movimento das mesmas), pela baixa temperatura de trabalho, pelo aumento da taxa de deformação, pelo estado de tensão presente, pelo tipo de material (estrutura cristalina) assim como pelo tamanho do grão, pois, um conjunto de grãos pequenos possui uma maior área de contornos de grão, o que também dificulta a movimentação de discordâncias. O princípio dos outros mecanismos de endurecimento é o mesmo, restrição da mobilidade das discordâncias.

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