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1. CIÊNCIA DOS MATERIAIS - CALLISTER Cap.4 Imperfeições nos Sólidos Cap.7 Discordâncias e Mecanismos de Aumento de Resistência em Metais (Mecanismos de Endurecimento) CAP.5 Difusão Prof.: M.Sc. Antonio Fernando de Carvalho Mota Marca Instituição Ensino

2. DEFORMAÇÕES DOS METAIS (a) Tração (b) Compressão

3. Deformação: Cisalhamento de planos de maior densidade atômica, segundo uma direção compacta A t B A Metalurgia da Deformação

4. Sistemas de deslizamento {111} 110 {110} 111 Plano Basal {0001} 1120 A Metalurgia da Deformação HC CCC CFC

5. Deformação plástica • Deformação plástica ou permanente de um cristal perfeito (isento de defeitos cristalinos) pode ocorrer pelo deslocamento de planos de átomos em relação aos planos paralelos adjacentes.

6. Deformações dos metais (a) Tração (b) Compressão

7. Microscopia Eletrônica de Transmissão Pesquisa e caracterização microestrutural Defeitos de empilhamento em Um aço inoxidável austenítico. Aumento 35000X . Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais da EPUSP.

8. IMPERFEIÇÕES CRISTALINAS Lacunas Auto-intersticial Intersticial Pequeno • Defeitos pontuais • Defeitos de linha (discordâncias) -  Formação das discordâncias -  Estrutura dos metais e aplicações Discordância Prof.: Antonio Fernando de Carvalho Mota

9. Defeitos Pontuais nas Estruturas Solutos intersticiais Solutos substitucionais

10. DEFEITOS DE LINHADISCORDÂNCIAS EM CUNHA

11. O CIRCUITO E O VETOR DE BURGERS INTERAÇÕES ENTRE DISCORDÂNCIAS

12. DISCORDÂNCIA EM CUNHA

13. MOVIMENTAÇÃO DE DISCORDÂNCIAS

14. Discordância (“dislocation”): Defeito em linha intracristalino responsável pela deformação plástica de metais.

15. DISCORDÂNCIA HELICOIDAL

16. Tipos de discordância Discordância em cunha Discordância em hélice

17. vem MOVIMENTO DE DISCORDÂNCIAS EM CUNHA E EM HÉLICE Fonte: Prof. Sidnei/ DCMM/PUCRJ

18. FORMAÇÃO DE DISCORDÂNCIA POR CISALHAMENTO (a) Discordância em Cunha. (b) Discordância Helicoidal. (c) Discordância Mista.

19. MULTIPLICAÇÃO DE DISCORDÂNCIAS

21. Descarregamento, obtendo aumento de comprimento (deformação plástica) e conseqüentemente aumento da densidade de discordâncias. Deformação até ~8%, em tração uniaxial O material deformado a frio apresenta ENCRUAMENTO, representado pelo aumento do limite de escoamento.

22. Deformação plástica, durante o patamar de escoamento descontínuo, ocorre em bandas Escoamento descontínuo e “Bandas de Lüders”

23. Campos de tensão associados às discordâncias indicam o aumento de energia do sistema metálico. Esta energia foi fornecida durante a deformação plástica.

24. Deformação plástica: Durante a deformação plástica, há aumento da densidade de discordâncias. Quanto maior a densidade de discordâncias, maior a chance de interações entre estas, bloqueando seu movimento. Assim, QUANTO MAIOR A DEFORMAÇÃO PLÁSTICA APLICADA A UM METAL, MAIOR A DIFICULDADE EM CONTINUAR ESTA DEFORMAÇÃO.

25. Unidade de densidade de discordância • Densidade de discordância : Comprimento de discordâncias (milimetros) Volume de material (milimetro3) • Metais recozidos e cuidadosamente preparados: 103 mm-2 • Metais altamente deformados: entre 109 e 1010 mm-2 (1000 km em 1 mm3) • (1 mm3 de Cu apresenta 8.493.1019 átomos) • Metais deformados e submetidos a tratamento térmico:105 106 mm-2

26. Micrografias mostrando Discordâncias em Grãos de Ferrita As densidades de discordâncias estimadas em (a) e (b) foram 3 e 7 × 1013 m-2, respectivamente. Em (a) é possível observar o contorno do grão apresentando as franjas que foram usadas na determinação da espessura da amostra Aumento: 50.000 X

27. DEFORMAÇÃO DOS METAIS Maclas (“twins”): Ocorrem em metais CFC (a exceção do Al) Deformação por discordâncias Deformação por maclação

28. É um tipo especial de contorno de grão Os átomos de um lado do contorno são imagens especulares dos átomos do outro lado do contorno A macla ocorre num plano definido e numa direção específica, dependendo da estrutura cristalina TWINS- MACLAS OU CRISTAIS GÊMEOS

29. O seu aparecimento está geralmente associado com A PRESENÇA DE: - tensões térmicas e mecânicas - impurezas - Etc. ORIGENS DOS TWINSMACLAS OU CRISTAIS GÊMEOS

30. RESULTADO DA MOVIMENTAÇÃO DAS DISCORDÂNCIAS Deformação Plástica do alumínio – Estampagem profunda

31. ATMOSFERAS DE COTTREL Depois de um tratamento de envelhecimento as discordâncias são ancoradas por uma nuvem de impurezas

32. FRATURA POR CLIVAVEM Várias discordâncias paralelas sob tensão, podem produzir uma pequena trinca

33. Microestrutura de grãos equiaxiais em metais CCC Microestrutura de grãos equiaxiais e maclas em metais CFC Na MICROESTRUTURA de materiais metálicos monofásicos existem GRÃOS e CONTORNOS DE GRÃO

34. Tamanho: 1-10 Aumento: 100 X N= 2 n-1 N= número médio de grãos por polegada quadrada n= tamanho de grão DETERMINAÇÃO DO TAMANHO DE GRÃO (ASTM)Segundo Mecanismo de EndurecimentoPrincipal Variável Metalúrgica Quanto maior o número menor o tamanho de grão da amostra (a) GrainSize, n =1 (b) GrainSize, n =4

35. dados para latão 7030 UNS C26000 Relação de Hall-Petch IMPORTÂNCIA DO REFINO DE GRÃO SEGUNDO MECANISMO DE ENDURECIMENTO PRINCIPAL VARIÁVEL METALÚRGICA Quanto menor o tamanho médio de grão, maior a quantidade de contornos de grão, que dificultam o movimento de discordâncias. 0 e k são constantes do material d = diâmetro médio dos grãos é a principal variável metalúrgica. 0 é a tensão exigida para movimentar discordâncias. ky em kgf/mm3/2bloqueamento das discordâncias livres pelos átomos do soluto

36. DIFUSÃO ATÔMICA

37. DIFUSÃO ATÔMICA • O aumento na temperatura de um metal ou liga metálica no estado sólido, implica em uma maior vibração dos átomos. • Está vibração proporciona a possibilidade de uma movimentação atômica no estado sólido. Modelo sólido tradicionalmente aceito

38. DIFUSÃO ATÔMICA (a) (b) Movimentos atômicos: (a) Mecanismo de vazios (b) Mecanismo intersticial

39. DIFUSÃO ATÔMICA (a) (b) Difusão em anel: (a) Anel em três átomos (b) Anel de quatro átomos

40. AUTODIFUSÃO • Autodifusão: Neste exemplo, níquel radiativo (Ni59) foi depositado sobre • Uma superfície de níquel não radiativo. • Tempo t = t0 • Gradiente de difusão, t0< t < t. • Homogenizado, t = t

41. Ao unir dois metais (A e B) é possível a ocorrência de DIFUSÃO para diminuir a energia total do sistema, causando a formação de uma solução sólida AB. Neste exemplo, A é soluto substitucional a B, e vice-versa.

42. após o tratamento térmico em alta temperatura DIFUSÃO ATÔMICA Antes do tratamento térmico em alta temperatura

43. EFEITO KIRKENDAL

44. PRIMEIRA LEI DE FICK

45. SEGUNDA LEI DE FICK Eq. Arrenhenius Do ... pré-exponencial independente da temperatura, [m²/s] Qd ... Energia de ativação para difusão, [J/mol] ou [cal/mol] R ..... constante universal dos gases (8,31J/mol.K = 1,987 cal/mol.K) T ..... temperatura absoluta [K]

46. Tabela do coeficiente de difusão do Carbono no Ferro-, a diferentes temperaturas. R = 8,314 J/(mol.K)

47. COEFICIENTE DE DIFUSÃO (D)

48. EXEMPLO PRÁTICOS DE PROCESSOS BASEADOS EM DIFUSÃO: • Dopagem em materiais semicondutores para controlar a condutividade; • Cementação e nitretação dos aços para endurecimento superficial; • Alguns processos de soldagem. Austenita (CFC) Ferrita+ Cementita (CCC) (Ortorrômbica) Hannover

49. Dopagem em materiais semicondutores para controlar a condutividade • Apenas uma pequena fração dos sítios atômicos são imperfeitos Menos de 1 em 1 milhão • Menos sendo poucos eles influenciam muito nas propriedades dos materiais e nem sempre de forma negativa Doadores Si (4) e P (5) Aceitadores Si (4) e B (3)

50. FATORES QUE FAVORECEM A DIFUSÃO: • Baixo empacotamento atômico. • Baixo ponto de fusão. • Ligações fracas (Van der Waals). • Baixa densidade. • Raio atômico pequeno. • Presença de imperfeições Aplicação típica: Cementação (aumento do teor de carbono da superfície de aços)