UNIFACS Materiais Metálicos AULA 3 Lucas Nao Horiuchi lucas.horiuchi@braskem.com.br 26/Fev/10

Conteúdo Programático Noção geral de aços (estruturas do Fe, propriedades, classificação, nomenclaturas); Diagrama de Fe-Fe3C; Materiais de Construção Mecânica (Aço C, aços ligas, aços Inoxidáveis); Ferros Fundidos; Ligas Não-Ferrosas (Ligas Al; Cu; Ni; Ti); Seleção de materiais; Corrosão (tipos de corrosão, mecanismos de corrosão, meio de proteção); P1 P2 P3

Avaliações Tipo de avaliação Peso Data Avaliação escrita (P1) 2,5 26/mar Avaliação escrita (P2) 2,0 14/mai Avaliação escrita (P3) 1,5 11/jun ARHTE 1,0 2ª Chamada 18/jun Avaliação Final 3,0 09/jul

Referências Bibliográficas Básica CHIAVERINI, V. Tecnologia Mecânica Vol I e III. Makron Books do Brasil, São Paulo, 2ª ed., 1986. CALLISTER, W. D. Ciência e Engenharia dos Materiais: Uma Introdução. Rio de Janeiro: LTC, 1999. COTRELL, H. A.  Introdução à Metalurgia: Lisboa: Fundação Calouse Gulbenkian, 1976. REED-HILL, R. E. Princípios de Metalurgia Física. Guanabara Dois, 1982. Complementar VAN VLACK,  Lawrence Hall / Ferrao, Luiz Paulo Camargo. Principios de ciencia dos materiais. Edgard Blucher. (1988) Sao Paulo. Cdu: 620.1 Cutter: V284p. GENTIL, V.; "Corrosão" Ed. Guanabara - Rio de Janeiro, 1987 453p. CHIAVERINI, V. Aços e ferros fundidos, ABM.

Aula 3 - Deformação nos aços (elástica x plástica); Trabalho a frio (encruamento); Trabalho a quente; Processo de recozimento: recuperação, recristalização e crescimento de grão.

Deformação nos Aços-C A deformação possui 2 componentes: elástica e plástica; Nos metais a deformação elástica é importante pois permite que o material absorva tensões sem se deformar permanentemente; A deformação plástica é importante para metais nos processo de conformação mecânica  operações mecâno-metalúrgicas (laminação, forjamento, estampagem, estiramento, etc).  Metal 

Deformação nos Aços-C A deformação elástica ocorre quando uma tensão é aplicada sobre um metal, ou sobre qualquer material sólido, até um limite que após a remoção da carga permite que o material retorne as suas dimensões originais; Quando a carga aplicada é de tração, a peça tensionada se torna ligeiramente mais longa; No caso da carga ser compressiva, a peça se torna ligeiramente menor; a)Tração b)Nenhuma deformação c) Compressão

Módulo de elasticidade (E) Dentro dessa chamada “fase elástica”, a deformação é proporcional á tensão correspondente ao esforço aplicado. A relação entre a tensão e a deformação é chamada de “MÓDULO DE ELASTICIDADE” (Módulo de Young), que é uma característica típica de cada material. E = s / s = tg    s s 

Módulo de elasticidade (E) Distribuição da deformação elástica num metal

Módulo de elasticidade (E)

Deformação Plástica Após o limite elástico a deformação torna-se permanente ou seja passa-se para a fase plástica; Significado prático da deformação plástica: 1) Conformação mecânica (fabricação); 2) Comportamento em serviço. Processo de deformação plástica: 1) Deformação por escorregamento; 2) Deformação via movimento de discordâncias; 3) Deformação por maclação.

Deformação plástica Os materiais podem ser solicitados por tensões de compressão, tração ou de cisalhamento. Como a maioria dos metais são menos resistentes ao cisalhamento que à tração e compressão e como estes últimos podem ser decompostos em componentes de cisalhamento, pode-se dizer que os metais se deformam pelo cisalhamento plástico ou pelo escorregamento de um plano cristalino em relação ao outro. O escorregamento de planos atômicos envolve o movimento de discordâncias.

Deformação plástica e discordâncias Em uma escala microscópica a deformação plástica é o resultado do movimento dos átomos devido à tensão aplicada. Durante este processo ligações são quebradas e outras refeitas; Nos sólidos cristalinos a deformação plástica geralmente envolve o escorregamento de planos atômicos, o movimento de discordâncias e a formação de maclas; Então, a formação e movimento das discordâncias têm papel fundamental para o aumento da resistência mecânica em muitos materiais. A resistência Mecânica pode ser aumentada restringindo-se o movimento das discordâncias.

Deformação Plástica Deformação por escorregamento: Os metais cúbicos e suas ligas desordenadas deformam-se predominantemente por cisalhamento plástico, ou deslizamento, onde um plano de átomos desliza sobre o plano adjacente seguinte por cisalhamento. A tensão de cisalhamento necessária para produzir deslizamento em um determinado plano cristalino é denominada tensão critica de cisalhamento.

Deformação Plástica Deformação por movimento de discordâncias: O mecanismo de escorregamento por si só não explica a deformação dos metais; Existe outro mecanismo de deformação por etapas ou degraus: via discordâncias Reticulado perfeito estado de mínima energia Aplicação de tensão defeito na estrutura em linha (discordância)

Deformação Plástica Deformação por movimento de discordâncias:

Deformação Plástica Deformação por maclação: Formação de estruturas “gêmeas” num cristal quando sujeita a tensão

Deformação Plástica x Microestrutura Materiais tendem a se deformar quando submetidos a um esforço mecânico; Alguns tem deformação elástica até a ruptura: materiais frágeis; Alguns sofrem deformação permanente antes da ruptura; Deformação plástica: permite a conformação mecânica.

Deformação Plástica x Microestrutura Rede Cristalina = várias células unitárias juntas Grão = rede cristalina alinhada D ≈ 20 a 60 μm

Deformação Plástica x Microestrutura Mono Cristais Monofásicos Deformação Elástica: Retorno à condição Inicial F Deformação Plástica: Não retorna à condição Inicial (formação de discordâncias ou maclas) F F>tensão de Escoamento; Precisa levar em conta o tamanho de grão (TG)! Quanto menor TG mais força pra deformar.

Interação Discordância X Sol. Sólida - Átomo de impureza restringe o movimento da discordância. - Ou seja, necessita de energia adicional para continuar escorregamento. - Assim, soluções sólidas de metais são sempre mais resistentes que seus metais puros constituintes

Metais deformados plasticamente A habilidade de um material se deformar plasticamente está relacionado com a habilidade das discordâncias se movimentarem

Exemplos aplicação

Perfil I, barra para construção civil. Exemplos aplicação Perfil I, barra para construção civil. Cuba Retangular Caçarola Treliça

DEFORMAÇÃO A FRIO DEFORMAÇÃO A QUENTE

Deformação plástica a Frio e a Quente Costuma-se distinguir o “trabalho mecânico a frio” do “trabalho mecânico a quente” por uma temperatura indicada como “temperatura de recristalização”. Temperatura de recristalização – A menor temperatura na qual uma estrutura deformada de um metal trabalhado a frio é restaurada ou substituída por uma estrutura nova, livre de tensões, após a permanência nessa temperatura por um tempo determinado”.

Trabalho a Frio e a Quente

Trabalho a Frio Ocorre abaixo da temperatura de recristalização (próximo da temperatura ambiente); Ocorre o fenômeno do ENCRUAMENTO, (“strain hardening”) Os grãos alongam-se na direção do esforço mecânico aplicado (menos intensamente na laminação a frio e mais intensamente quando severamente estirado – trefilação).

Trabalho a Frio Características: Objetivo: obtenção do metal na forma desejada e melhoria de suas propriedades mecânicas; Conformação do material pela aplicação de pressão ou choque; Processos: laminação, trefilação, forjamento, extrusão; Ex. aplicação: perfis estruturais, chapas, fios, cabos, etc. Aumenta a dureza e a resistência dos materiais, mas a ductilidade diminui; Permite a obtenção de dimensões dentro de tolerâncias estreitas; Produz melhor acabamento superficial; Ocorre o encruamento do material.

Trabalho a Frio %TF = Ao-Af x 100 Ao Expressa-se o grau de deformação plástica com um percentual de trabalho a frio; O percentual de trabalho a frio (%TF) é definido como: Onde, Ao: área original da secção reta; Af: área final, após deformação; %TF = Ao-Af x 100 Ao Ao Ao Af Af Secção retangular Secção circular

Trabalho a Frio Vantagens: Desvantagens: Melhor controle dimensional; Melhor acabamento superficial; Aumento da resistência mecânica e dureza do material; Desvantagens: Maior energia para deformar; Menor deformação; O material após a conformação apresenta elevado estado de tensões (<ductilidade); Exige ferramental que suportem maiores tensões.

Trabalho a Quente Os fenômenos de aumento de dureza causado pela deformação e o amolecimento, devido ao recozimento, ocorrem simultaneamente  à temperatura acima da recristalização.

Trabalho a Quente Características: É a primeira etapa do processo metalúrgico de conformação mecânica; A energia para deformar é menor; O metal adquiri maior capacidade de deformar-se sem fissuração; Algumas heterogeneidades das peças (ou lingotes) como porosidades, bolhas, etc., são praticamente eliminadas pelo trabalho a quente; A estrutura granular, grosseira de peças fundidas, é rompida e transformada em grãos menores; Alguns metais dificilmente são deformados a frio sem fissurar; exemplos: tungstênio, molibdênio e outros; Ocorre o recozimento: crescimento grãos.

Trabalho a Quente Vantagens: Desvantagens: Permite emprego de menor esforço mecânico para a mesma deformação (máquinas de menor capacidade comparado com o trabalho a frio); Promove o refinamento da estrutura do material, melhorando a tenacidade; Elimina porosidades; Deforma profundamente devido a recristalização. Desvantagens: Exige ferramental resistente ao calor (>custo); O material sofre maior oxidação, formando casca de óxidos; Não permite a obtenção de dimensões dentro de tolerâncias estreitas.

Trabalho a Frio e a Quente Comparativo: Trabalho a quente grandes deformações; recozimento; baixa qualidade dimensional e superficial; normalmente empregado para “desbaste”; peças grandes e de formas complexas; contração térmica, crescimento de grãos, oxidação. Trabalho a frio pequenas deformações (relativamente); encruamento; elevada qualidade dimensional e superficial; normalmente empregado para “acabamento” recuperação elástica; equipamentos e ferramentas mais rígidos

Encruamento Encruamento ou endurecimento pela deformação à frio: É o fenômeno no qual um material endurece devido à deformação plástica (realizado pelo trabalho à frio) Esse endurecimento dá-se devido ao aumento de discordâncias e imperfeições promovidas pela deformação, que impedem o escorregamento dos planos atômicos A medida que se aumenta o encruamento maior é a força necessária para produzir uma maior deformação O encruamento pode ser removido por tratamento térmico (recristalização)

Encruamento Representação esquemática do efeito do encruamento na estrutura metálica Grãos alongados

Encruamento e microestrutura Antes da deformação Depois da deformação

Efeitos do encruamento nas características mecânicas de metais Liga Estado Resist. a tração Alongamento Dureza Kgf/mm² % Brinell Aço doce (1010) normal 33,6 38% 120 Trabalhado a frio 91,0 2% 265 Aço inoxidável 77,0 60% 165 Laminado a a frio 129,0 9% 380

Encruamento e propriedade ENCRUAMENTO DEVIDOS AO TRABALHO A FRIO NA CURVA TENSÃO VS. DEFORMAÇÃO

Encruamento e propriedade Representação esquemática do efeito do encruamento nas propriedades resistência mecânica e ductilidade

Encruamento X Recozimento As propriedades e a estrutura do metal alteradas pelo trabalho a frio podem ser recuperadas ou devolvidas ao estado anterior ao encruamento mediante um tratamento térmico de recristalização ou “recozimento”. Com isso a elevada energia interna do encruamento tende a desaparecer e o metal tende a voltar a condição de energia livre, resultando num amolecimento (queda de dureza) e isenção paulatina das tensões internas.

Processo de recozimento Três etapas: Recuperação Recristalização Aumento do tamanho de grão

Recuperação Há um alívio das tensões internas armazenadas durante a deformação devido ao movimento das discordâncias resultante da difusão atômica Nesta etapa há uma redução do número de discordâncias e um rearranjo das mesmas Propriedades físicas como condutividade térmica e elétrica voltam ao seu estado original (correspondente ao material não-deformado)

Recristalização Depois da recuperação, os grão ainda estão tensionados O número de discordâncias reduz mais ainda As propriedades mecânicas voltam ao seu estado original

Recristalização

Crescimento de grão

Propriedade x Temperatura de recozimento Modificação das propriedades mecânicas e do tamanho de grão pela recuperação, recristalização e crescimento de grão

Aumento da resistência pela diminuição do tamanho de grão O contorno de grão funciona como um barreira para a continuação do movimento das discordâncias devido as diferentes orientações presentes e também devido às inúmeras descontinuidades presentes no contorno de grão.

Crescimento de grão A temperatura continuando a aumentar, os grãos cristalinos, agora inteiramente livres de tensões, tendem a crescer. Este crescimento de grão é também favorecido pela permanência a temperaturas acima da de recristalização. Com isso os grãos menores são engolidos pelos maiores. Desse modo, a única maneira de diminuir ou refinar o tamanho de grão consiste em deformar plasticamente os grãos existentes e iniciar a formação de novos grãos.

Formação de novos grãos Crescimento de grão

Crescimento de grão A granulação grosseira torna o material quebradiço,porque a coesão entre os grãos é afetada pela concentração de impurezas nos seus contornos e com o aumento da granulação dessa concentração; As fissuras também se propagam mais facilmente no interior dos grãos graúdos. Por isso, entre os aços de igual composição, os grãos mais finos possuem melhores propriedades mecânicas.

Aula 3 Obrigado pela atenção!! Dúvidas?