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MR640 - Conformação Plástica dos Metais Atenção: Para a Primeira Prova estudem
especificamente o material que foi apresentado nas aulas e disponibilizado no
CD. As questões de nivelamento que vocês responderam serão úteis para a
seqüência da disciplina. Questões e Respostas dos Alunos Q: (Laércio) Na fórmula do grau de deformação, o ln de número entre 0 e 1 dá
negativo e de numero > 1 dá positivo. Isto influencia a decisão de usar , na fórmula o valor inicial e final conevientemente para que o cociente da fração do
logaritmo seja >1 ou devemos sempre seguir a convenção de deixar o valor
inicial(área inicial, comprimento inicial, diâmetro inicial, etc) no denominador? R: (Button)
As deformações verdadeiras (epsilon) são negativas
para processos em que ocorre diminuição de uma dada dimensão, ou positivo se essa dimensão aumenta. Por exemplo, no
recalque de cilindros a deformação é negativa pois a
altura do cilindro diminui. Já no
estiramento a deformação é positiva pois o
comprimento da peça aumenta. Para fins de
cálculo usaremos sempre o valor absoluto. Se usássemos os
valores relativos (negativos e absolutos) também teríamos tensões
positivas (para processos trativos) e negativos
(para processos compressivos). Q: 1) Quais as principais
células cristalinas que representam os materiais metálicos? R: (André
Thomé) As principais
células cristalinas que representam os materiais metálicos são as seguintes: (CCC) cúbica de
corpo centrado, (CFC) cúbica de face centrada e (HC) hexagonal compacta. Na (CCC) existe
um átomo em cada vértice de um cubo e um outro átomo no centro do mesmo, esta
estrutura pode ser encontrada no tungstênio, tântalo, bário, nióbio, lítio,
potássio, vanádio, cromo, etc... A (CFC)
caracteriza-se por exibir os mesmos átomos nos vértices encontrados nos
outros dois arranjos cúbicos e mais 1 átomo em cada
face do cubo.A estrutura cúbica de face centrada é a estrutura do alumínio,
cálcio, níquel, cobre, prata, ouro, platina, chumbo, etc. neste caso existe
um total de quatro átomos no interior da célula unitária, A (HC)
estrutura hexagonal compacta é formada por dois hexágonos sobrepostos e um
plano intermediário de 3 átomos. Nos hexágonos,
novamente, existem 6 átomos nos vértices e um outro
no centro. A estrutura HC pode ser observada no berílio, berquélio, magnésio,
cádmio, cobalto, etc. O número de átomos que efetivamente encontram-se dentro
de uma célula unitária HC é igual a 6. Q: 2) Como e por quê as estruturas
cristalinas são formadas? R: (Clodoaldo) As estruturas
cristalinas são formadas a partir do arranjo ordenado dos átomos de um ou
mais elementos, geralmente metálicos, unidos pelas forças de ligação dos
átomos. A distância entre os átomos na estrutura é dada pelo equilíbrio da
força de atração (covalente, metálica ou iônica) e da força de
repulsão (proximidade acentuada dos elétrons livres). Apesar do ordenamento
da estrutura ser repetitivo, em determinadas regiões ocorrem falhas ou vazios, o que permite a movimentação da
estrutura quando submetido a forças externas. Assim as propriedades dos
materiais dependem da força de ligação dos átomos e também da quantidade de falhas ou vazios na estrutura cristalina. Q: 3) Defina alotropia e
cite alguns exemplos associando-os à deformação plástica. R: (Luis) Alotropia consiste na alteração da
estrutura cristalina devido a variações da temperatura e da pressão. Exemplo
de materiais: Ferro, Titânio e Carbono (grafite e diamante). Associando-se alotropia à deformação
plástica podemos citar dois processos de conformação que podem ocorrer
dependendo do material utilizado: forjamento e na laminação a quente.
Portanto nestes processos deve-se controlar a temperatura para não ocorrer mudança
de estrutura cristalina em uma parte da peça enquanto o restante mantém com a
estrutura cristalina inicial. ALOTROPIA DO FERRO (Figura 1)
Figura
1 (Fonte: ESTRUTURA E PROPRIEDADES DOS MATERIAIS -
ESTRUTURA CRISTALINA Prof.
Rubens Caram – UNICAMP) ALOTROPIA DO TITÂNIO (Figura 2)
O titânio é um material que possui
baixa densidade, boa resistência mecânica, alta resistência à fadiga e à
corrosão, porém sua transformação alotrópica altera seu comportamento
mecânico, portanto necessita-se adicionar elementos de liga no titânio, dessa
maneira os elementos de liga podem mudar a estabilidade das estruturas
cristalinas.
Figura
2 (Fonte: ESTRUTURA E PROPRIEDADES DOS MATERIAIS -
ESTRUTURA CRISTALINA Prof.
Rubens Caram – UNICAMP) Um
exemplo de liga de titânio com as características citadas acima é Ti-6AL-4V (figura 3), definida como tipo α+β, boa conformabilidade mecânica, elevada resistência à fadiga e
excelente resistência à corrosão. Esta liga possui estrutura cristalina CCC,
estabilizada pela presença do vanádio (V), utilizada na fabricação de palheta
para hélice de avião, onde o processo de fabricação é caro e específico,
devido ao mesmo ser isotérmico, ou seja, não há variação de temperatura,
necessitando manter a temperatura em 915ºC.
Figura
3 (Fonte: ESTRUTURA E PROPRIEDADES DOS MATERIAIS -
ESTRUTURA CRISTALINA Prof.
Rubens Caram – UNICAMP)
Q: 4) Liste
alguns metais e suas estruturas cristalinas. Tente associar suas propriedades
físicas e mecânicas com as respectivas estruturas. Metal:
Estrutura Cristalina Alumínio CFC Berílio HC Cromo
CCC Cobalto
HC Ouro
CFC Ferro
CCC Chumbo CFC Magnésio
HC Níquel
CFC Prata
CFC Propriedades
físicas e mecânicas de alguns metais: O
alumínio: Propriedades
Mecânicas: puro
é um metal de cor branca prateada, leve, não magnético e não produtor de
centelhas. É um dos metais mais maleáveis e dúcteis. Bom condutor de calor. O alumínio é
um metal leve, macio porém resistente, de aspecto cinza
prateado; e fosco, devido à fina camada de oxidação que se forma rapidamente quando exposto
ao ar. O alumínio não é tóxico (como metal), não-magnético, e não cria faíscas
quando exposto à atrito. O alumínio puro possui tensão de cerca de 19
megapascais (MPa) e 400 MPa se inserido
dentro de uma liga. Sua densidade é aproximadamente de um terço do aço ou cobre. É muito maleável, muito dúctil e apto para a mecanização e
para a fundição, além de ter uma excelente
resistência à corrosão e durabilidade devido à camada protetora de óxido. É o
segundo metal mais maleável (o primeiro é o ouro) e o sexto mais dúctil. Por ser um bom
condutor de calor, é muito utilizado em panelas de cozinha. Ferro: Propriedades
Mecânicas: Um metal maleável, tenaz, de coloração cinza prateado
apresentando propriedades magnéticas; é ferromagnético a temperatura ambiente, assim
como o Níquel e o Cobalto.
Magnésio Propriedades Mecânicas: O magnésio é um metal bastante resistente e leve,
aproximadamente 30% menos denso que o alumínio. Possui coloração prateada,
perdendo seu brilho quando exposto ao ar, por formar óxido de magnésio. Quando
pulverizado e exposto ao ar se inflama produzindo uma chama branca.
Reage com a água somente se esta estiver em ebulição, formando hidróxido de
magnésio e liberando hidrogênio.
Níquel Propriedades Mecânicas: É um metal de transição de coloração
branco-prateada, condutor de eletricidade e calor, dúctil e maleável porém não pode ser laminado,
polido ou forjado facilmente, apresentando certo caráter ferromagnético. É encontrado em diversos minerais, em meteoritos (formando liga metálica com o ferro ) e, em
princípio, existe níquel no núcleo da Terra. É resistente a corrosão , e só pode ser utilizado como
revestimento por eletrodeposição. O metal e algumas de suas ligas metálicas, como o metal Monel, são utilizados para manejar o flúor e alguns fluoretos porque reage com
dificuldade com estas substâncias. Seu estado de oxidação mais comum é +2 , podendo apresentar outros. Se tem observado estados de
oxidação 0, +1 e +3 em complexos, porém são muito
pouco característicos.
Q: 5)
- Defina as estruturas
cristalinas compactas e relacione-as com sua maior facilidade de deformação
plástica. R: (Marcos) Estruturas cristalinas
compactas são originadas de materias solidos onde os atomos se
encontram ordenados sobre longas distancias atomicas,
onde não existem restrições sobre a quantidade e posições dos vizinhos mais
próximos. Desta forma
possui um número grande de vizinhos e alto empacotamento atômico, 03
estruturas cristalinas relativamente simples são encontradas para a maioria
dos metais mais comuns, são elas: Cubicas de Face centrada, Cúbica de Corpo Centrado e
Hexagonal Compacta. Cubica de Face
Centrada (CFC):
Possui celula unitária com geometria cubica ,
com os atomos localizados em cada um dos vertices e nos centros de todas as faces do cubo, o
numero de coordenação corresponde ao numero de atomos
vizinhos mais próximo, o número de coordenação é 12. Cubica de Corpo
Centrado (CCC): Possui celula unitária Cubica com atomos localizados em todos os 08 vertices
e um único atomo localizado no centro do cubo, o
numero de coordenação corresponde ao numero de atomos
vizinhos mais próximo, o numero de coordenação é 8. Hexagonal Compacta (HC): os metais não cristalizam no sistema hexagonal simples porque
o fator de empacotamento é mto baixo, porém
cristais com mais de um tipo de átomo cristalizam neste sistema. Cada atomo de uma dada camada esta diretamente abaixo ou acima
dos interstícios formados pelas camadas adjacentes, cada atomo
tangencia 3 atomos da
camada de cima , 06 atomos no seu proprio plano e 3 na camada de baixo do seu plano, o
número de coordenação é 12. A deformação
dos metais envolve deslizamento de atomos, escorregando uns sobre os outros no cristal,
o deslizamento ocorre mais facilmente nos planos e direções especificos do cristal. No caso do
CCC a direção <111> é de maior empacotamento,
no CFC a direção <110> é de maior empacotamento e no HC o fator de
empacotamento é mto baixo. Q: 6) Estude o método
dos índices de Miller para representar os planos e direções cristalográficas. R: (Laércio)
Os índices
de Miller nada mais são representações numéricas que descrevem a posição
relativa entre as faces de um cristal, no nosso caso, cristal metálico. Seja
a estrutura do paralelepípedo cristalino um dos 7
combinações possíveis para a formação do sistema; cúbico (de corpo centrado –
CCC, de face centrada CFC), tetragonal, hexagonal compacto, ortorrômbico, romboédrico,
monoclínico e triclínico e seja o tamanho qual for, os índices descreverão
com perfeição a orientação d e planos delas, cruzando um sistema de
coordenadas x, y, z. Os planos atômicos do retículo
convencionam-se serem chamados de (001), (100), (010) no caso de um
cubo de faces valendo 1 localizado no primeiro octaedro. O indice de Miller será (hkl)
sendo que h, k, e l, são um número obtido pelo inverso de cada uma das instercepções, máximas de um plano que passem pelo 1 do x, 1 do y e 1 do z. Se um índice é zero, significa que
a orientação do plano é paralela ao eixo correspondente ao índice (posição x,
y ou z). Quanto mais próximo de zero o índice, mais próximo de ser paralelo o
plano é , quanto maior o índice mais próximo de ser
perpendicular ao eixo correspondente o plano é. As duas
figuras a seguir extraídas de http://www.ige.un icamp.br/site/aulas/120/planos+indices.ppt#259,4,Slide 4 e 5
esclarecem o método de obtenção do índice.
Q: 7) Apresente
os índices de Miller para alguns planos e direções das estruturas CFC e HC. Q: 8)
Como se dá a deformação plástica do reticulado cristalino? Q: 9)
Quais os principais defeitos que surgem nas estruturas cristalinas? Resposta
[Bruno]: Todos os
materiais cristalinos apresentam algum tipo de defeito ou imperfeição que
podem ser divididos em 3 classes:
o
Contornos de grão - São superfícies que separam dois
grãos ou cristais com diferentes orientações.
o
Contorno de macla - Podemos considerar as maclas como um tipo especial de contorno de grão no qual
existe uma simetria especular, ou seja, os átomos de um lado do contorno
estão localizados em uma posição que é a posição refletida do outro lado.
Q:10) Diferencie as duas possibilidades para a solução sólida em ligas
metálicas. Solução sólida
intersticial geralmente ocorre quando os átomos de soluto apresentam
dimensões menores que os átomos de solvente. Na solução sólida
intersticial os átomos de soluto se localizam nos interstícios existentes entre
átomos maiores (solvente) Exemplo clássico: Fe-C Solução sólida substitucional ocorre quando os átomos do soluto
substituem as posições atômicas ocupadas pelos átomos do metal solvente Para a formação de uma
solução sólida substitucional é necessário que os
componentes (solvente e soluto) apresentem:
Q: 11) O
que são os defeitos de falha de empilhamento e como surgem? R:
(Renato) As falhas
de empilhamento ocorrem quando uma seqüência no empilhamento de planos é
alterada, como resultado da deformação plástica ou de tratamento térmico. Na
estrutura CFC, a seqüência de empilhamento é do tipo ABCABCABC. Quando uma
falha de empilhamento ocorre, tal seqüência pode ser quebrada, ocorrendo um
empilhamento do tipo ABCABABC em apenas uma região do cristal. Defeitos
de empilhamento (“stacking faults”
em Inglês) referem-se ao crescimento de um plano extra dentro do cristal.
Este erro pode ser formado durante o crescimento do cristal ou mesmo durante
o processamento posterior do mesmo, onde um excesso de auto-intersticiais
pode agrupar-se de forma gradual e ordenada, para crescer um plano extra. A
falha de empilhamento pode ser do tipo extrínseco, quando temos um plano
extra, ou do tipo intrínseco, quando falta um pedaço de plano. 1) Tipo intrínseco 2)
Tipo extrínseco Q:12) R: (Valmir) A presença
de grãos cristalinos num material metálico se observa nas estruturas em que
os átomos estão situados de acordo com uma matriz que se repete, ou que é perióudica, ao longo de grandes distancias atômicas, isto
é, existe ordem de longo alcance, tal que, quando ocorre um processo de
solidificação, os átomos se posicionam de acordo com um padrão tridimensional
repetitivo, onde cada átomo esta ligado aos seus átomos vizinhos mais
próximos. Q 13)
Defina anisotropia e associe-a à estrutura cristalina e à presença de grãos cristalinos. R: (Daniel) Anisotropia:
as propriedades físicas de monocristais de algumas substâncias dependem da direção
cristalográfica na qual as medições sejam feitas.Por
exemplo, o módulo elástico, a condutividade elétrica. Esta direcionalidade das propriedades é denominada anisotropia
e está associada com a variância do espaçamento atômico ou iônico com a
direção cristalográfica. A extensão e magnitude dos efeitos anisotrópicos em
materiais cristalinos são funções da simetria da estrutura cristalina, o grau
de anisotropia aumenta com o decréscimo da simetria estrutural. Q: 14) O
que são as discordâncias, como surgem e qual seu papel na deformação
plástica? R: (Francioni) Uma
discordância é um defeito linear ou unidimensional em torno do qual alguns dos átomos estão desalinhados. Surgem durante
o processo de solidificação dos metais, durante a deformação plástica e como
conseqüência das tensões térmicas que resultam de um resfriamento rápido. É através do
movimento das discordâncias, também chamado de escorregamento, que surge a
deformação permanente como resposta a aplicação de uma tensão de cisalhamento
no material. Q: 15) Associe a possibilidade ou não de movimento das
discordâncias com os conceitos de deformação e encruamento. R: (José
Salis) Sabe-se
que a movimentação de uma discordância através de um cristal terá como
conseqüência direta a deformação plástica do cristal em questão, deformação
esta, a qual este cristal será sujeitado em uma magnitude igual a uma
distância inter-atômica. Desta forma a deformação
plástica esta diretamente relacionada à presença de discordâncias e assim
como a possibilidade de suas respectivas movimentações. No
entanto os cristais podem não conter originalmente uma quantidade mínima de
discordâncias capaz de resultar em deformações quando o mesmo for solicitado,
ou seja, estiver sujeito a esforços mecânicos. Podemos então afirmar que
existe a possibilidade de formação ou mesmo do aumento desta quantidade de
discordâncias inicias durante o referido processo de solicitação mecânica, ou
seja, durante a deformação. Pode-se
afirmar também que não existe uma relação de dependência única e exclusiva
entre a tensão crítica responsável pela deformação plástica e a geração das
discordâncias ou mesmo movimentação das discordâncias, tendo em vista que
esta deformação depende também das forças opostas à movimentação pela
presença de outros defeitos cristalinos e pela interação das discordâncias
entre si. É
importante que seja destacado o fato de que durante o progresso do processo
de deformação, o número de discordâncias é multiplicado aumentando desta
forma a densidade de discordâncias do cristal exigindo um aumento da tensão
contínuo, para que seja assegurada a continuidade da deformação citada e a
este processo damos o nome de encruamento. |
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