Capítulo 3 metalurgia da conformação
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁCENTRO TECNOLÓGICO
CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICADISCIPLINA: CONFORMAÇÃO PLÁSTICA DOS METAIS
METALURGIA DA CONFORMAÇÃO PLÁSTICA DOS METAIS
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Estrutura da Matéria
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Conceitos de Cristalografia
Substância cristalina: átomos estão dispostos em posições regulares no espaço.
Descrição: rede + base Rede = estrutura geométrica Base = distribuição dos átomos em cada ponto da rede.
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Células Cristalográficas e Sistemas Cristalinos
Célula unitária: é uma célula que transladado n vezes nas direções x, y, z, gera toda a rede.
Célula primitiva: é a menor célula capaz de gerar a rede.
Células de Bravais: Bravais demonstrou que só existem 14 tipos de células unitárias, agrupados em 7 sistemas.
Sistema cúbico (a=b=c; ===90): a) cúbico simples; b) cúbico de corpo
centrado; c) cúbco de faces centradas
Sistema tetragonal (a=bc; ===90): a) tetragonalsimples; b) tetragonal de
corpo centrado.
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Sistema ortorrômbico (abc; ===90): a) ortorrômbico simples;b) ortorrômbico de bases centradas; c) ortorrômbico de corpo
centrado; d) ortorrômbico de faces centradas
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Sistema monoclínico (abc; ==90 ): a) monoclínico simples;b) monoclínico de bases centradas
Sistema triclínico (abc;90)
Sistema romboédrico ou trigonal (a=b=c; ==90)
Sistema hexagonal (a=bc; ==90, =120)
Sistema monoclínico (abc; ==90 ): a) monoclínico simples;b) monoclínico de bases centradas
Sistema triclínico (abc;90)
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Exemplos:
Rede CCC: Cr, Li, Ba, Nb, Cs, W
Rede CFC: Al, Cu, Pb, Ni, Ag
Rede Cúbico Simples: CsCl (base 2)
Rede tipo diamante = CFC e base 2. Os 2 átomos da base 2 estão dispostos alinhados na diagonal do cubo e distantes a ¼ da diagonal.
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Pode ser vista também como duas redes CFC simples entrelaçadas e deslocadas na diagonale distantes a ¼ da diagonal.
Diamante, Si e Ge têm esta estrutura. GaAs e outros III-V também (zincbelnde)
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Célula primitiva do diamante – romboédrica ou trigonal
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Definição de Planos e Direções Cristalográficas
Índices de Miller:a) Distâncias das intersecçõesb) Tomar inversos dos valoresc) Reduzir os resultados a númerosinteiros com a mesma relação entre siEx.: 2 x ½ = 1; 2 x ½ = 1; 2 x 1 = 2 plano (1,1,2) ou (112)
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Direções cristalográficas [l,m,n]:
São expressos por 3 nos inteiroscom a mesma relação de um vetornaquela direção. Os componentes do vetor são dados como múltiplos dos
vetores de base. A direção da diagonal em sistema tipo paralelepípedo tem as
componentes 1a, 1b, 1c, ou seja: [111] Em cristal cúbico, a direção [l,m,n] é perpendicular ao plano
(l,m,n). Ex. [100] é perpendicular ao plano (100)
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Direções e Planos Equivalentes:
Do ponto de vista cristalográfico, existem direções e planos equivalentes, dependendo apenas da escolha arbitrária dos eixos de base.
Ex. Direções [100], [010] e [001] Direções equivalentes são expressos por < >, no ex.
dado temos direções <100> Ex. Planos (100), (010) e (001) Planos equivalentes são expressos por { }, no ex. dado
temos os planos {100}.
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Determinação da Estrutura de um Cristal
A estrutura de um cristal pode ser determinado pela análise de difratograma de raio X.
É baseado no princípio de interferência de raios di-fratados de acordo com a lei de Bragg: sen2dn
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Defeitos em Cristais
Não existe cristal perfeito. Tipos de defeitos:
Pontuais Lineares Planares Volumétricos
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a) Defeitos pontuais
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kTE
v
av
eNn
0
Densidade de defeitos pontuais cresce com a temperatura(rel. tipo Arrhenius). Ex. vacâncias, onde: N0 é a densidade do Si, Eav a energia de ativação.
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b) Defeitos lineares:
Discordância de bordaou de cunha
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Discordância tipo parafuso ou espiral.
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c) Defeitos planares
Stacking faultou falha de empilhamento.
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Plano de simetria de cristais gêmeos:
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Plano de contorno de grão:
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d) Defeitos volumétricos Precipitados de átomos, ex., O, C, N, dopantes, etc.
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Discordâncias: a) perpendiculares (280 x) b) paralelas à superfície (55x)
Stacking faults: a) 2 min. etch (55x) e b) 25 min etch (280x)
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Área de 420m de diâmetro, sem defeitos.
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MECANISMOS DE DEFORMAÇÃO PLÁSTICA
Dois mecanismos estruturais básicos podem estar presentes no cristal durante o processo de deformação plástica: escorregamento e maclação.
Representação em esferas tangentes; (b) representação com um cubo.
(a) (b)
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Características das discordâncias: Geram tensões de tração e compressão no reticulado próximo, além disso podem se repelir (a) ou se anular (b) dependendo da localização dessas forças.
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Sistemas de escorregamento
As discordâncias se movem preferencialmente em direções e planos de maior densidade atômica entre as existentes no sistema cristalino. Ao lado um plano de escorregamento e suas 3 direções possíveis dentro desse plano para o sistema C.F.C..
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Um dos planos de escorregamento e uma direção de escorregamento para o sistema C.C.C.
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Número de sistemas de escorregamento e sua influência na deformabilidade dos metais
Os metais com estrutura C.F.C. tem 12 sistemas de alta densidade atômica.Ex:Cu, Al, Pb, Ag Au etc...
Os metais C.C.C. tem 48 sistemas mas com menor densidade atômica. De maneira geral, esses metais deformam menos até a ruptura que os metais C.F.C.Ex:Fe α, Mo, W, Cr Nb
Os metais HC possuem planos de alta densidade atômica mas em número apenas de 3, o que os torna materiais normalmente frágeis.
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Escorregamento em monocristais
É o mecanismo mais facilmente entendido, para depois extrapolá-lo para policristais.
As forças causadoras da def. plástica são de cisalhamento. A intensidade da força de cisalhamento atuante sobre os planos dependerá da força externa e dos ângulos dessa força em relação ao plano e a direção de escorregamento.
Quando qualquer dos ângulos forem 90º a força de cisalhamento responsável pelo escorregamento será nula. Se forem de 45º será máxima. A soma dos ângulos não são em geral 90º uma vez que a força e as duas direções não necessitam estar contidas em um mesmo plano.
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Deformação plástica em materiais policristalinos
O escorregamento é mais complexo devido ao grande número de grãos com orientações diferentes
Cada grão possuirá planos e direções de escorregamentos com ângulos distintos dos vizinhos, mesmo se tratando do mesmo sistema de escorregamento. (orientações cristalinas diferentes em cada grão)
Quando se supera a tensão de escoamento inicia o movimento das discordâncias nos grãos melhores orientados com a tensão externa aplicada em relação ao sistema de escorregamento preferencial. Os grãos vizinhos, não tão bem orientados, terminam dificultando a deformação do primeiro, além das dificuldades das discordâncias passarem pelos contornos de grão. Essas restrições fazem dos materiais policristalinos, materiais mais resistentes que os monocristais.
A deformação generalizada causa distorções também nos grãos indicando o sentido da deformação.
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Deformação plástica em materiais policristalinos
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Efeito do contorno de grão na resistência dos materiais
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TEMPERATURA EM CONFORMAÇÃO PLÁSTICA
Os processos de conformação plástica são comumente classificados em operações de trabalho a frio e trabalho a quente.
A temperatura homóloga (Th) é dada pela relação entre temperatura de processamento (T) de um metal e a sua temperatura de início de fusão (Tf).
Considerações Iniciais
Variação do limite de escoamento de um metal com aumento do Th.
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Influência da temperatura de recristalização nos trabalhos a frio e a quente.
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Material Temperatura de Recristalização (°C)
Cobre eletrolítico (99,999%) 121
Cu – 5% Zn 315
Cu – 5% Al 288
Cu – 2% Be 371
Alumínio eletrolítico (99,999%) 279
Alumínio (90,0%) 288
Ligas de alumínio 315
Níquel (99,99%) 371
Monel (Ni – Cu) 593
Ligas de magnésio 252
Ferro eletrolítico 398
Aço de baixo carbono 538
Zinco 10
Chumbo -4
Estanho - 44Temperaturas de recristalização para alguns metais e ligas de uso comum.
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Trabalho a Frio
• Processos realizados à temperatura ambiente;• Obtenção de dimensões dentro de tolerâncias estreitas;• Melhor acabamento superficial;• Encruamento ou endurecimento do material
conformado;• Controle das propriedades mecânicas;• Aumento dos níveis de resistência e dureza dos
materiais;• Redução no limite de conformabilidade;• Diminuição das propriedades físicas e da resistência à
corrosão;• Alteração da microestrutura.
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ANTES DA DEFORMAÇÃO DEPOIS DA DEFORMAÇÃO
Imagens da microestrutura antes e após a deformação a frio.
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Influência do encruamento nas propriedades mecânicas.
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O recozimento é qualquer tratamento térmico realizado com o intuito de reduzir ou eliminar os efeitos da deformação plástica sobre a estrutura de um material metálico.
Etapas do Recozimento.
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Trabalho a Quente
• Menor nível de energia requerido para deformar o metal;
• Aumento da capacidade de escoamento do metal;• Refino da granulação grosseira;• Eliminação de bolhas e poros;• Aumento da ductilidade e da tenacidade do metal;• Formação e incrustações de óxidos ;• Maior tolerância dimensional.
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FRATURA DÚCTIL E FRATURA FRÁGIL
Os dois tipos básicos de fratura são: fratura frágil – rápida propagação da trinca –, e fratura dúctil – lenta propagação da trinca precedida de intensa deformação plástica.
(a) Fratura Dúctil; (b) Fratura frágil.
(a) (b)
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Nucleação, coalescimento e propagação de vazios internos na fratura dúctil.
Empescoçamento
Nucleação Propagação Propagação Fratura
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CONFORMABILIDADE PLÁSTICA
O conceito de conformabilidade plástica está intimamente relacionado à capacidade de promover-se a modificação da forma de um material metálico sem acarretar defeitos que inviabilizem seu uso.
Defeitos presentes em matrizes de forjamento.
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(a) Influência da temperatura e da taxa de deformação sobre a conformabilidade; (b) Influência do estado de tensão sobre a deformação de fratura; (c) Comparação entre a conformabilidade de estruturas fundidas e
trabalhadas
(a) (b)
(c)