MINISTÉ MINISTÉRIO DA EDUCAÇ EDUCA Ç ÃO Universidade Federal de Ouro Preto Escola de Minas – Departamento de Engenharia Metal úrgica e de Materiais Telefax: Telefax: 55 - 31 - 3559.1561 3559.1561 – E-mail:
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METALURGIA GERAL – II (MET 148)
METALURGIA FÍSICA Prof. Luiz Cláudio Cândido
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FUNDAMENTOS DE METALURGIA FÍSICA
METALURGIA FÍSICA Conceitos básicos
ÍNDICE 1ª parte: A relação estrutura-propriedade 2ª parte: A microestrutura de materiais 3ª parte: Deformação plástica 4ª parte: Endurecimento
METALURGIA FÍSICA Conceitos básicos
ÍNDICE 1ª parte: A relação estrutura-propriedade 2ª parte: A microestrutura de materiais 3ª parte: Deformação plástica 4ª parte: Endurecimento
METALURGIA FÍSICA Relação estrutura-propriedade Fabricação
Estrutura METALURGIA FÍSICA Desempenho Propriedades
METALURGIA FÍSICA Relação estrutura-propriedade •
Propriedades dependem da Estrutura Ex.: Dureza versus estrutura de um aço
(d) 600
) N 500 H B ( 400 s s e300 n d r 200 a H
(c) (a) 30 m
30 m
(b) 4 m 30 m
100 0.01 0.1
1 10 100 1000 Cooling Rate (ºC/s) • Processamento pode alterar a Estrutura Ex.: Estrutura versus taxa de resfriamento de um aço
METALURGIA FÍSICA Microestrutura de materiais
1ª parte: A relação estrutura-propriedade
A estrutura atômica Ligações atômicas
2ª parte: A microestrutura de materiais Arranjos atômicos
3ª parte: Deformação plástica 4ª parte: Endurecimento
Descontinuidades
METALURGIA FÍSICA Microestrutura de materiais Modelos Atômicos • • • • • • • • • • •
O átomo de Dalton (1808). O átomo de Rutherford (1911). Bohr (1913) e o início da Mecânica Quântica. De Broglie (1924) e o comportamento ondulatório do elétron. A equação de onda de Schrödinger (1926). Teoria de probabilidades de Born (1926). Princípio da incerteza de Heisenberg (1927). Princípio da exclusão de Pauli (1927). Níveis, subníveis e orbitais. Partículas subatômicas. Unificação dos campos de força: gravitacional + eletromagnético + força nuclear forte + força nuclear fraca
METALURGIA FÍSICA Microestrutura de materiais Ligações Atômicas Tipo de ligação
Covalente Iônica
Exemplo e energia de ligação (eV/at)
Propriedades
Natureza da ligação
Tf
E
α
Ce
ε
Diamante (7,0) Elétrons compartilhados e localizados
↑
↑
↓
↓
↓
NaCl (3,3)
↑
↑
↓
↓
↓
↑
↑
Troca de elétrons; atração eletrostática
Metálica
Na (1,1) Cu (3,5) Ti (4,8)
Nuvem de elétrons não localizados
Van der Waals
H2 (0,01) CH4 (0,1) Cl2 (0,3)
Atração dipolar
Tf : temperatura de fusão E : módulo de Young
Ce : condutividade elétrica
↓
↓
↑
↓
METALURGIA FÍSICA Microestrutura de materiais Arranjos atômicos Estrutura cristalina
Estrutura de líquidos
Tipos de Estruturas
Estrutura amorfa
Estrutura de gases
METALURGIA FÍSICA Microestrutura de materiais Arranjos atômicos
(a) (b)
Representação esquemática de um cristal formado a partir de um empilhamento de cubos. O mesmo cristal, onde átomos estão colocados nos nós do empilhamento. O conjunto de átomos de
METALURGIA FÍSICA Microestrutura de materiais Arranjos atômicos Cúbico simples
Cúbico de faces centradas
Tetragonal simples
Tetragonal de corpo centrado
Ortorrômbico simples
Monoclínico simples
Ortorrômbico de bases centradas Monoclínico de bases centradas
Romboédrico
Ortorrômbico de faces centradas
Cúbico de corpo centrado Triclínico Hexagonal
Ortorrômbico de corpo centrado
Segundo Bravais, os pontos do reticulado podem estar arranjados de 14 maneiras diferentes:
METALURGIA FÍSICA Microestrutura de materiais Estruturas metálicas
CFC
CCC
HC
METALURGIA FÍSICA Microestrutura de materiais Estruturas Metálicas
METALURGIA FÍSICA Microestrutura de materiais A formação de uma microestrutura
Seqüência de formação da microestrutura de um material sólido, a partir do líquido = = processo de solidificação (fundição). Monocristal e Policristal
METALURGIA FÍSICA Microestrutura de materiais Solidificação
METALURGIA FÍSICA Microestrutura de materiais Solidificação
METALURGIA FÍSICA Microestrutura de materiais Solidificação
METALURGIA FÍSICA Microestrutura de materiais Solidificação
METALURGIA FÍSICA Microestrutura de materiais Solidificação
METALURGIA FÍSICA Microestrutura de materiais Solidificação
METALURGIA FÍSICA Microestrutura de materiais Solidificação
METALURGIA FÍSICA Microestrutura de materiais Solidificação Os grãos podem ser
- equiaxiais (praticamente o mesmo tamanho em todas as direções) - colunares (grãos alongados)
~ 8 cm
Solidificação de um lingote de chumbo. Fluxo de calor “Casca” de
Grãos colunares em áreas com menor resfriamento
grãos equiaxiais devido ao rápido resfriamento (maior T) próximo das paredes.
Refino de grão - realizado para tornar os grãos menores mais uniformes, equiaxiais.
METALURGIA FÍSICA Microestrutura de materiais
Solidificação
METALURGIA FÍSICA Microestrutura de materiais Solidificação de cordão de solda
Grain growth in Electron Beam Weld of molybdenum; arrows indicating fusion boundary.
METALURGIA FÍSICA Microestrutura de materiais Solidificação de cordão de solda
Exempl Exemplo o de macro macrogra grafia: fia: placa placa de Nb-Hf-W Nb-Hf-W soldada soldada pelo pelo proces processo so feix feixee de elétr elétrons. ons.
METALURGIA FÍSICA Microestrutura de materiais
ÍNDICE 1ª parte: A relação estrutura-propriedade
A estrutura atômica Ligações atômicas
2ª parte: A microestrutura de materiais Arranjos atômicos
3ª parte: Deformação plástica 4ª parte: Endurecimento
Descontinuidades
METALURGIA FÍSICA Microestrutura de materiais Descontinuidades Cristalinas
Tipos de descontinuidades cristalinas
METALURGIA FÍSICA Microestrutura de materiais Descontinuidades de ponto
(a) (b) (c) (d) (e) (f)
Lacuna Auto-intersticial Substitucional Intersticial Schottky Frenkel
METALURGIA FÍSICA Microestrutura de materiais
METALURGIA FÍSICA Microestrutura de materiais Soluções Sólidas
Aumento do limite de escoamento de aço ferrítico com a introdução de átomos de soluto
METALURGIA FÍSICA Microestrutura de materiais Descontinuidades de Linha
Vetor de Burgers
Discordância em hélice Discordância em cunha
METALURGIA FÍSICA Microestrutura de materiais Descontinuidades de Linha
Imagem em um MET de uma chapa de aço inoxidável 18Cr-8Ni (série AISI/SAE 300),
METALURGIA FÍSICA Microestrutura de materiais Discordâncias e estrutura cristalina =
o
+k
1/2
Variação do limite de escoamento com a densidade de discordâncias para amostras de titânio deformadas na
METALURGIA FÍSICA Microestrutura de materiais Descontinuidades de Superfície
Esquema de contornos de grãos.
METALURGIA FÍSICA Microestrutura de materiais Descontinuidades de Superfície
Micrografia (microscópio óptico) de uma amostra de aço (baixo teor de carbono) policristalino.
METALURGIA FÍSICA Microestrutura de materiais Descontinuidades de Superfície
Efeito do tamanho de grão ferrítico no limite de escoamento e na temperatura de transição de impacto de um aço com 0,10%C, 0,50%Mn, 0,2%Si, 0,006%N.
ys
o
k d
Equação de Hall-Petch
1
2
METALURGIA FÍSICA Microestrutura de materiais Descontinuidades de Superfície
Representação esquemática de uma macla no sistema CFC. O plano da figura é o plano (110).
METALURGIA FÍSICA Microestrutura de materiais Descontinuidades de Superfície
Micrografia (microscópio óptico) de uma amostra de latão.
METALURGIA FÍSICA Microestrutura de materiais Descontinuidades de Volume
Representação esquemática de precipitados em um sólido cristalino. a) precipitado coerente; b) precipitado semi-coerente;
METALURGIA FÍSICA Microestrutura de materiais Descontinuidades de Volume
Precipitação de carboneto de nióbio em contornos de sub-grãos de aço microligado.
Precipitados ’ na matriz e no contorno de grão (MgZn2) numa liga Al-6Zn-3Mg envelhecida a 180 oC.
METALURGIA FÍSICA Microestrutura de materiais Descontinuidades de Volume
(a) Microscópio óptico
(b) MEV
Inclusão de sulfeto de manganês; (a) inclusão alongada; (b) inclusão alojada em um “dimple”
(característico de fratura dúctil).
METALURGIA FÍSICA Microestrutura de materiais Descontinuidades Estruturais
METALURGIA FÍSICA Conceitos Básicos
ÍNDICE 1ª parte: A relação estrutura-propriedade 2ª parte: A microestrutura de materiais 3ª parte: Deformação plástica 4ª parte: Endurecimento
METALURGIA FÍSICA Deformação plástica NATUREZA CRISTALOGRÁFICA DA DEFORMAÇÃO PLÁSTICA
Bandas de deslizamento num policristal de cobre deformado em compressão na temperatura ambiente. MEV.
Bandas de deslizamento num monocristal de alumínio deformado em tração na temperatura ambiente. MEV.
METALURGIA FÍSICA Deformação plástica
Mecanismo de deslizamento na deformação plástica Deformação plástica
Número de bandas de deslizamento Desnivelamento entre as bandas
(a) cristal antes do ensaio; (b) decomposição da tensão aplicada numa componente normal componente cisalhante no plano de cisalhamento xx’ ; (c) cristal após a deformação plástica;
e numa (d)
METALURGIA FÍSICA Deformação plástica
Exemplo de direções e planos densos em diferentes metais. Metal
Estrutura
Plano
Direção
(MPa)
Pureza
Al Cu Au Ni Ag Cd Mg Zn
CFC CFC CFC CFC CFC HC HC HC
{111} {111} {111} {111} {111} {0001} {0001} {0001}
<110> <110> <110> <110> <110> <1120> <1120> <1120>
0.54-0.98 0.88-0.98 0.49 3.24-7.35 0.39-0.69 0.13 0.49 0.29
99.994 99.98 99.999 99.98 99.999 99.999 99.99 99.999
Fe
CCC
{110} {112} {123}
<111>
14.71
99.96
ys
METALURGIA FÍSICA Deformação plástica
Típicos sistemas de deslizamento para as estruturas CFC (a) , HC (b) e CCC (c) .
METALURGIA FÍSICA Deformação plástica
Possibilidades de deslizamento nas estruturas CCC, CFC e HC. SISTEMA
PLANOS
DIREÇÕES
TOTAL
CFC
4 planos {111}
3 direções <110> para cada plano
12 sistemas
HC
1 plano {0001}
3 direções <1120> do plano
3 sistemas
CCC
6 planos {110}
2 direções <111> para cada plano
12 sistemas
METALURGIA FÍSICA Deformação plástica Deslizamento por movimento de discordâncias
Esquema espacial de uma estrutura com discordância.
Modelo: O movimento de discordâncias através da rede requer uma tensão menor do que a tensão cisalhante teórica. O movimento de discordâncias produz degraus, ou bandas de deslizamento, na rfíci livr
METALURGIA FÍSICA Deformação plástica Como uma discordância em cunha se move no interior de um cristal:
METALURGIA FÍSICA Deformação plástica Comparação entre Monocristais e Policristais Deformação em Policristais Monocristais
MAIS COMPLEXA Policristais
Elástica e plasticamente anisotrópicos
Elástica e plasticamente isotrópicos (na ausência de textura)
A deformação pode ocorrer em um único sistema de deslizamento, se o eixo de aplicação da carga está orientado favoravelmente
A deformação precisa ocorrer em múltiplos sistemas, pois deve haver compatibilidade entre os diversos grãos
Deformam-se homogeneamente
Deformação não homogênea, pois além de variar de grão para grão, pode variar dentro de um único grão
Não há contornos de grão
Contornos de grão desempenham um papel importante na deformação
METALURGIA FÍSICA Deformação plástica
Bandas de deslizamento na superfície de uma amostra policristalina de cobre previamente polida e deformada; 173X.
METALURGIA FÍSICA Deformação plástica
Curvas tensão-deformação para monocristal (diferentes orientações do eixo de tração) e policristal (TG = 0,2mm) de alumínio.
METALURGIA FÍSICA Deformação plástica
Condições que garantem uma boa ductilidade para os materiais cristalinos e conseqüências benéficas desta ductilidade
METALURGIA FÍSICA Deformação plástica / Endurecimento
Considerações finais: 1. Deformação plástica
Densidade de discordâncias
Deve-se aumentar continuamente a tensão aplicada no material para que ele continue a se deformar plasticamente.
ENCRUAMENTO
0
= densidade de discordâncias
(a)
(b)
(c)
Multiplicação de discordâncias durante a deformação plástica, superliga Hastelloy.
METALURGIA FÍSICA Deformação plástica / Endurecimento
Considerações finais: 2. Outros mecanismos de interação entre discordâncias e características microestruturais também contribuem para aumentar a resistência à deformação plástica. Em aços microligados, por exemplo, o cálculo da tensão limite de escoamento é: 1
LE
Gb
P N
tensão de Peierls-Nabarro encruamento
i 1
k i ci
k LE d
1
solução sólida
2
10,8 f
X
2
ln
precipitação tamanho de grão
X 6,125 x10
4
METALURGIA FÍSICA Deformação plástica / Trincas (fratura)
Considerações finais: 3. A deformação plástica não se prolonga indefinidamente no metal. Os obstáculos que se opõem ao movimento das discordâncias podem provocar a formação de microtrincas, que causarão a fratura.
(a) Formação de uma microtrinca por empilhamento de discordâncias contra um obstáculo. Este fenômeno pode
METALURGIA FÍSICA Soldagem
O método de união de metais por ligação atômica: SOLDAGEM
Variação de energia potencial para um sistema composto de dois átomos em função da distância de separação entre eles.
METALURGIA FÍSICA Soldagem
Fatores que dificultam a soldagem de metais na temperatura ambiente
Representação esquemática de uma “superfície” metálica.
METALURGIA FÍSICA Soldagem
Fatores que dificultam a soldagem de metais na temperatura ambiente
Representação esquemática de uma superfície limpa.
Superfícies metálicas apresentam grande rugosidade.
METALURGIA FÍSICA Soldagem
Principais modos de superar estes obstáculos 1o Modo: “Processos de soldagem por pressão ou soldagem no estado sólido”
Soldagem por pressão ou deformação.
2o Modo: “Fusão localizada das peças” (Processos de soldagem por fusão)
METALURGIA FÍSICA Soldagem
Processos de soldagem