Language
Country/Area
No result found
Por que alguns metais resistem à deformação? Desvendando o mistério da atmosfera de Cottrell!
Na ciência dos materiais, o conceito de atmosfera de Cottrell foi proposto pela primeira vez por A. H. Cottrell e B. A. Bilby em 1949 para explicar como deslocamentos em certos metais são fixados por átomos intersticiais, como boro, carbono ou nitrogênio. Esse fenômeno ocorre em materiais com estruturas cúbicas de corpo centrado (BCC) e cúbicas de face centrada (FCC), como ferro ou níquel, onde pequenos átomos de impurezas estão presentes. Esses átomos intersticiais distorcem levemente a rede e criam um campo de tensão residual associado ao redor dela. Esse campo de estresse é aliviado com a propagação de átomos intersticiais em direção ao deslocamento e, assim, após os átomos se difundirem no núcleo do deslocamento, eles permanecem por um longo tempo, formando a atmosfera de Cottrell.
A coleta desses átomos intersticiais pode efetivamente reduzir a energia da deslocação, ao mesmo tempo em que impede o movimento posterior da deslocação e, portanto, a deslocação é “fixada” pela atmosfera de Cottrell.
A atmosfera de Cottrell também tem um impacto importante no comportamento mecânico dos materiais. A fixação da discordância significa que, à temperatura ambiente, a discordância não é facilmente desarmada e, portanto, o ponto de escoamento superior no diagrama tensão-deformação é observado. Após esse ponto de escoamento superior, as discordâncias grampeadas tornam-se fontes de Frank-Read, produzindo novas discordâncias não fixadas que são livres para se mover, resultando na deformação do material de uma maneira mais plástica. Após um período de tratamento de envelhecimento, o ponto de escoamento superior se recupera à medida que os átomos se redifunde no núcleo da discordância. Portanto, a atmosfera de Cottrell também cria a formação da zona de Lüders, que se torna um obstáculo à fabricação durante o estiramento profundo e a produção de grandes folhas.
Para eliminar os efeitos da atmosfera de Cottrell, alguns aços especiais removem todos os átomos intersticiais. Esses aços, como o aço sem folga, são descarbonizados e uma pequena quantidade de titânio é adicionada para remover o nitrogênio.
Estudos mostraram que a atmosfera de Cottrell e a resistência à viscosidade causada por ela são um fator importante na deformação em alta temperatura, o que torna o movimento de deslocamento mais difícil.
A influência da atmosfera de Cottrell no comportamento do material em altas temperaturas equivalentes também é extremamente importante. Quando o material passa por condições de fluência, o movimento de discordância que acompanha a atmosfera de Cottrell introduz resistência, o que retarda o processo de deformação plástica. Esta força de arrasto F_drag pode ser representada pelo seguinte sob certas condições:
F_arrasto = (kTΩ) / (vD_sol) ∫ (J⋅J/c)dA
Aqui D_sol é a difusividade dos átomos de soluto no material base, Ω é o volume atômico, v é a velocidade das discordâncias, J é a densidade do fluxo de difusão e c é a concentração do soluto. A presença da atmosfera de Cottrell e a influência da resistência à viscosidade mostraram-se cruciais no processo de deformação em alta temperatura sob estresse moderado e também ocuparam um lugar na categoria de degradação da lei de potência.
Fenômeno semelhante
Embora a atmosfera de Cottrell seja um efeito universal, mecanismos relacionados semelhantes surgem quando as condições são mais especiais. Por exemplo, o efeito Suzuki se manifesta como a segregação de moléculas de soluto em direção a defeitos de empilhamento. Em sistemas cúbicos de face centrada, quando uma discordância se divide em duas discordâncias parciais, defeitos hexagonais compactados e empilhados são formados entre as duas partes. H. Suzuki previu que a concentração de átomos de soluto nessa fronteira seria diferente daquela no volume e, portanto, cruzar o campo desses átomos de soluto também produziria maior resistência ao movimento de deslocamento, semelhante ao efeito da atmosfera de Cottrell.
Além disso, o efeito Snoek envolve o atrito interno produzido pela migração de curto alcance de átomos de soluto intersticiais na rede α-Fe quando o estresse é aplicado, um efeito que também é pronunciado em Porter ou outros materiais de liga, aumentando a resistência e tenacidade do material.
Materiais e possibilidades para exploração futura
Existem deslocamentos descritos pela atmosfera de Cottrell em materiais como metais e materiais semicondutores (por exemplo, cristais de silício), um fenômeno que é crucial para a resistência à deformação dos metais e suas aplicações. No futuro, com pesquisas aprofundadas sobre o comportamento dos materiais, o potencial de aplicação da atmosfera de Cottrell no design de novos materiais poderá ser explorado, e ligas ainda mais avançadas poderão ser desenvolvidas para otimizar as propriedades dos materiais.
Como exatamente a futura ciência dos materiais usará o conhecimento da atmosfera de Cottrell para melhorar as propriedades e a tenacidade dos metais?
