Ciencias Dos Materiais

Defeitos pontuais: irregularidades que se estendem sobre somente alguns

átomos (defeitos adimensionais - dimensão zero), podendo ser lacunas,

intersticiais ou substitucionais;

• Defeitos lineares: irregularidades que se estendem através de uma única

fileira de átomos (unidimensionais), podendo ser discordâncias em hélice ou

discordâncias em cunha;

• Defeitos planares: irregularidades que se estendem através de um plano de

átomos (bidimensionais, que incluem as superfícies exteriores e os limites de

grão interiores), podendo ser contornos de pequeno ângulo, contornos de

grão, interface precipitado - matriz;

• Defeitos volumétricos: defeitos macroscópicos tridimensionais se estendem

sobre o conjunto dos átomos na estrutura ou no volume. Como exemplos

destes defeitos pode-se citar os poros, as fendas, os precipitados e as

inclusões

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A estrutura cristalina do material que atua como

matriz é mantida e não formam-se novas estruturas

„ As soluções sólidas formam-se mais facilmente

quando o elemento de liga (impureza) e matriz

apresentam estrutura cristalina e dimensões

eletrônicas semelhantes

„ Nas soluções sólidas as impurezas podem

ser:

‰ Intersticial

‰ Substitucional

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Defeitos lineares (discordâncias)

Nos sólidos cristalinos, os defeitos lineares ou discordâncias são defeitos que

originam uma distorção da rede centrada em torno de uma linha. As discordâncias

são originadas durante a solidificação dos sólidos cristalinos. Podem também ser

originadas por deformação plástica, ou permanente, de sólidos cristalinos, por

condensação de lacunas e por desajustamentos atômicos em soluções sólidas.

Os dois principais tipos de defeitos lineares são: discordâncias em linha,

cunha (aresta) e em hélice espiral (ou parafuso). A combinação destes dois tiposorigina as discordâncias mistas, que têm componentes cunha (aresta) e parafuso

(espiral).

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Envolvem fronteiras (defeitos em duas

dimensões) e normalmente separam regiões

dos materiais de diferentes estruturas

cristalinas ou orientações cristalográficas

„ Essas imperfeições incluem:

‰ Superfície externa

‰ Contorno de grão

‰ Fronteiras entre fases

‰ Maclas ou Twins

‰ Defeitos de empilhamento

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MICROSCOPIA

Os microscópios tanto ótico quanto eletrônico são comumente usados em microscopia. Estes

instrumentos ajudam em investigações das características estruturais de todos os 3 tipos de materiais

(metais, cerâmicas e polímeros). Muitas outras técnicas empregam equipamento fotográfico em

conjunção com o microscópio; a fotografia na qual a imagem é registrada é chamada

fotomicrografia.

Microscopia Ótica

Com microscopia ótica, o microscópio de luz é usado para estudar a microestrutura; sistemas ótico

e de iluminação são seus elementos básicos. Para materiais que são opacos à luz visível (todos os

metais de muitas cerâmicas e polímeros), apenas a superfície é submetida à observação e o

microscópio de luz deve ser usado num modo refletivo. Contrastes na imagem produzem resultados

decorrentes de diferenças na refletividade das várias regiões da microestrutura. Investigações deste

tipo são muitas vezes denominadas metalográficas, de vez que metais foram os primeiros materiais

examinados usando esta técnica.

Normalmente, cuidadosas e meticulosas preprações de superfície são necessárias para

revelar os importantes detalhes da microestrutura. A superfície da amostra deve ser primeiro lixada e

polida até um acabamento liso e especular. Isto é realizado pelo uso de sucessivamente mais finas

lixas de papel e de pós abrasivos (de alumina ou diamante). A microestrutura é revelada por um tratamento de superfície usando um apropriados reagente químico num procedimento chamado

ataque. A reatividade química dos grãos de alguns materiais monofásicos depende da orientação

cristalográfica. Consequentemente, numa amostra policristalina, características de ataque variam de

grão a grão. Figura 4.11b mostra como normalmente luz incidente é refletida pelos 3 grãos atacados

da superfície, cada um tendo uma diferente orientação cristalográfica. A Figura 4.11b esboça a

estrutura da superfície tal como ela apareceria quando vista com o microscópio; o brilho ou a textura

de cada grão depende das suas propriedades de reflectância. Uma microfotografia de uma amostra

policristalina exibindo estas características é mostrada na Figura 4.11c.

Figura 4.11 - (a) Grãos polidos e atacados tal como eles poderiam aparecer quando vistos com um

microscópio ótico. (b) Seção tomada através destes grãos mostrando como as características de

ataque e resultante textura da superfície varia de grão a grão por causa das diferenças em orientação

cristalográfica. (c) Fotomicrografia de uma amostra de latão policristalino. 60x. (Fotomicrografia

cortesia de J.E.Burke,General Electric Co.).

Também, pequenos sulcos se formam nos contornos de grão como uma consequência do

ataque. De vez que átomos que estão ao longo de regiões de contorno de grão são quimicamente

mais ativos, eles se dissolvem numa taxa maior doque aqueles que estão no interior dos grãos. Estes

sulcos se tornam distinguíveis quando vistos através de um microscópio porque eles refletem luz num

ângulo diferente daquele dos grãos em si; este efeito é exibido na figura 4.12a. A Figura 4.12b é um

fotomicrografia de uma amostra policristalina na qual os sulcos de contorno de grão são claramente

visíveis como linhas escuras.

Quando a microestrutura de uma liga bifásica deve ser examinada, é escolhido um

reagente de ataque capaz de produzir uma textura diferente para cada fase de maneira que fases

diferentes possam ser distinguidas umas das outras.

Figura 4.12 - (a) Seção de um contorno de grão e do sulco da sua superfície produzido por ataque;

as características de reflexão da luz na vizinhança do sulfo são mostradas. (b) Fotomicrografia de

uma superfície polida e atacada de uma amostra policristalina de uma liga de ferro-cromo na qual os

contornos de grão aparecem escuros. 100x. (Fotomicrografia cortesia de L.C. Smith e C. Brady,

National Bureau of Standards, Washington,DC.).

Microscopia Eletrônica

O limite superior de ampliação possível com um microscópio ótico é aproximadamente de 2000

diâmetros. Consequentemente, alguns elementos estruturais são demasiado finos ou pequenos para

permitir observação usando microscopia ótica. Sob tais circunstâncias o microscópio eletrônico, que

é capaz de ampliações muito maiores, pode ser empregado.

Uma imagem da estrutura sob investigação é formada usando feixes de elétrons em vez de

uma radiação de luz. De acordo com a mecânica quântica, um elétron com velocidade da luz se

tornará ondulatório, tendo um comprimento de onda que é inversamente proporcional à sua

velocidade. Quando acelerado através de grandes voltagens, elétrons tornam-se capazes de terem comprimentos de onda da ordem de 0,003 nm (3 pm). Altas ampliações e poderes de resolução

destes microscópios são consequências de pequenos comprimentos de onda dos feixes de elétrons;

de fato, características atômicas podem ser resolvidas. O feixe de elétron é focado e a imagem é

formada com lentes magnéticas; por outro lado a geometria dos componentes do microscópio é

essencialmente a mesma dos sistemas óticos. Modos de operação tanto de transmissão quanto de

reflexão são possíveis para microscópios eletrônicos.

Microscopia Eletrônica de Tranmissão. A imagem vista com um microscópio

eletrônico de transmissão (MET ou TEM, em inglês) é formada por um feixe de elétrons que

passa através da amostra. Detalhes das características microestruturais internas são acessíveis para

observação; contrastes na imagem são produzidos por diferenças no espalhamento ou difração do

feixe produzido entre os vários elementos da microestrutura ou do defeito. De vez que materiais

sólidos são altamente absorvedos para os feixes eletrônicos, uma amostra para ser examinada deve

ser preparada na forma de uma lâmina muito fina; isto assegura transmissão através da amostra de

uma fração do feixe incidente. O feixe transmitido é projetado sobre uma tela fluorescente ou um

filme fotográfico de maneira que a imagem possa ser vista. Ampliações de aproximadamente

1000000x são possíveis com microscopia eletrônica de transmissão,que é frequentemente utilizada

no estudo de discordâncias.

Microscopia Eletrônica de Transmissão. Uma inovação mais recente, tendo provado

ser uma extremamente útil ferramenta de investigação (pesquisa), é o microscópio eletrônico de

varredura (MEV ou SEM, em inglês). A superfície de uma amostra a ser examinada é varrida

com um feixe de elétron e o feixe de elétron refletido (ou retro-espalhado) é coletado e depois

exibido na mesma taxa de varredura sobre um tubo de raio catódico (similar a uma tela de TV). A

imagem que aparece na tela, e que pode ser fotografada, representa as características superficiais

da amostra. A superfície pode ou não pode ser polida e atacada, mas deve ser eletricamente

condutiva; um muito fino revestimento metálico deve ser aplicado a materiais não condutivos.

Ampliações variando de 10 a mais do que 50000 diâmetros são possíveis, do mesmo modo que são

possíveis grandes profundidades de campo. Equipamento acessório permite análise qualitativa e

semiquantitativa da composição elementar de muito localizadas áreas de superfície.

Exame microscópico é uma ferramenta extremamente útil no estudo e caracterizaçãode

materiais. Isto se tornará evidente nos subsequentes capítulos que correlacionam a microestrutura

com as várias características e propriedades. Exame de microestrutura é também útil para

determinar o modo da fratura mecânica, para prever as propriedades mecânicas de ligas, para

mostrar se uma liga foi corretamente tratada termicamente e também para projetar ligas com novas

combinações de propriedades.

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Ductilidade: É a capacidade que alguns materiais possuem de se deformarem antes da ruptura, quando sujeito a tensões ) ou damuito elevadas. Quanto mais dúctil o aço maior é a redução de área ou alongamento antes da ruptura. A ductilidade pode ser medida a partir da deformação ( estricção. Este comportamento fornece avisos ocorrência de tensões elevadas em pontos da estrutura.

Na fase de escoamento, situação em que o corpo de deforma sem o acréscimo de tensão, ocorre uma redistribuição das tensões na estrutura.

Resiliência: Ë a capacidade de absorver energia mecânica em regime elástico, ou seja, a capacidade de restituir a energia mecânica absorvida.

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Ensaio de Tração

A facilidade de execução e a sua reprodutividade dos resultados tornam este ensaio de tração um dos mais importantes. Este ensaio consiste em submeter o material a um esforço que tende a esticá-lo ou alongá-lo. Geralmente, o ensaio é realizado num corpo de prova de forma e dimensões pardronizadas, para que os resultados obtidos possam ser comparados e se necessário reproduzidos. Este corpo de prova é fixado numa máquina de ensaio que aplica esforços crescentes na direcção axial, sendo medidas as deformações correspondentes por intermédio de um extensómetro. Os esforços ou cargas são medidos na própria máquina de ensaio e o corpo de prova é levado até a sua ruptura.

0 ensaio deverá ser efectuado de acordo com as condições definidas pela norma do respectivo país ou, caso esta não exista, pela correspondente recomendação

da ISO. Relativamente ao ensaio de tracção, considera-se a norma NPEN 10002-1.

Com este tipo de ensaio, visualiza-se que as deformações promovidas no material são uniformemente distribuidas por todo o seu corpo, pelo menos até ser atingida a carga máxima próxima do final do ensaio e como a velocidade é razoavelmente lenta permite medir a resistência do material. A uniformidade da deformação permite ainda obter medições precisas da variação dessa deformação em função da tensão aplicada, originando uma curva tensão-deformação.

No momento em que é atingindo a carga máxima suportada pelo material ocorre a diminuição da secção do corpo da prova no caso de metais com uma certa ductibilidade. A ruptura ocorre numa região estrita do material a não ser que exista um defeito interno no material metálico, o que é relativamente raro.

A precisão deste ensaio depende dos aparelhos de medida com que o ensaio é realizado. Com pequenas deformações é conseguida uma maior precisão na tensão quando atingidas grandes deformações onde fica mais dificil obter a leitura de valores devido à grande variação de deformação em função da tensão aplicada.

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A deformação de engenharia é definida como:

A deformação de engenharia é, portanto uma grandeza adimensional e representa um valor médio específico da deformação tomado sobre a extensão do segmento observado. É usual também representar o valor “e” como percentual.

A tensão correspondente ao carregamento F pode ser obtida pela simples aplicação do principio do equilíbrio, utilizando o corte de uma porção da viga, Admitindo que a seção transversal no estado não deformado tenha área A0, e que a força se distribui uniformemente em todos os pontos da seção transversal, a tensão de engenharia pode ser expressa como:

A tensão é expressa portanto em unidades de pressão (força/área) , que e no SI é Pascal (Pa) ou seus múltiplos (MPa=106 Pa).