Mecanismos de endurecimento de metais
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MECANISMOS DE ENDURECIMENTO DE METAIS
Eng.os metalurgistas e Eng.os de materiais visam o "projeto" de ligas com
elevadas resistência mecânica (SE 0,2%), ductilidade (A% e RA%) e tenacidade
(resistência ao impacto). Entretanto, freqüentemente, a ductilidade e a tenacidade
são reduzidas quando uma liga sofre endurecimento.
Como as deformações plásticas macroscópicas correspondem ao movimento
de um grande número de discordâncias, a habilidade de um metal deformar
plasticamente depende, basicamente, da movimentação de suas discordâncias.
As técnicas de endurecimento em metais contam com um princípio simples:
Quanto maior for a restrição ao movimento de discordâncias, maior será a
resistência mecânica de um material metálico.
PRINCIPAIS MECANISMOS DE ENDURECIMENTO EM METAIS
1)- Endurecimento pela redução do tamanho de grão
2) Endurecimento pela formação de solução sólida
3) Endurecimento por encruamento
4) Endurecimento por dispersão de partículas
4.1) Endurecimento por dispersão de partículas incoerentes
4.2) Endurecimento por dispersão de partículas coerentes
1) ENDURECIMENTO PELA REDUÇÃO DO TAMANHO DE GRÃO
Em um metal policristalino, o tamanho dos grãos (diâmetro médio dos grãos)
exerce influência sobre as propriedades mecânicas. Grãos adjacentes possuem
diferentes orientações cristalinas e um contorno de grão em comum. Os contornos
de grão atuam como barreiras para a movimentação de discordâncias por duas
razões:
1- Como os grãos possuem orientações diferentes, uma discordância que se
movimenta do grão A para B, deve mudar sua direção de movimento; e
isso, é mais difícil quanto maior for a diferença entre orientação entre os
grãos.
2- A desordem atômica na região de um contorno de grão resulta em uma
descontinuidade no plano de escorregamento de um grão para outro.
Marcelo F. Moreira
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É importante mencionar que:
As discordâncias não ultrapassam contornos de grão de alto ângulo, mas, a
tensão gerada no plano de escorregamento de um grão pode ativar fontes de
novas discordâncias em outros grãos.
Materiais com grãos finos são mais resistentes que materiais com grãos
grosseiros porque sua área de contornos de grão é maior e assim dificulta a
movimentação de discordâncias.
Para muitos materiais, a tensão de escoamento (σy) varia com o tamanho de
grão de acordo com a relação:
σy = σ0 + ky .d (- 1/2) onde: d é o diâmetro médio dos grãos
σ0 e ky são constantes para um dado material
Marcelo F. Moreira
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2) ENDURECIMENTO PELA FORMAÇÃO DE SOLUÇÃO SÓLIDA
O endurecimento por solução sólida consiste na adição de elementos de liga,
visando a formação de soluções sólidas substitucionais ou intersticiais (dependendo
da relação de tamanhos atômicos entre o solvente e o soluto).
As ligas metálicas são mais resistentes que metais puros porque os átomos
do elemento de liga (soluto) impõem tensões e deformações no reticulado ao redor
destes átomos. A interação entre estes campos de tensão e as discordâncias
provoca, conseqüentemente, uma restrição no movimento das discordâncias,
endurecendo a liga. (Note que não existe a presença de uma nova fase).
Existem interações entre discordâncias e átomos em solução sólida. As
deformações no reticulado provocadas pela presença de uma discordância formam
sítios que acomodam átomos substitucionais e reduzem as tensões no reticulado.
Marcelo F. Moreira
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3) ENDURECIMENTO POR ENCRUAMENTO
O endurecimento por encruamento é um processo de endurecimento, no qual
um metal dúctil torna-se mais resistente e duro na medida em que é deformado
plasticamente. Muitas vezes este tipo de endurecimento é chamado endurecimento
a frio ("cold hardening") ou endurecimento por trabalho mecânico ("work hardening").
Este foi, provavelmente, o primeiro mecanismo de endurecimento conhecido
pelo homem. Em 1540, um livro clássico, De La Pirotechnia, já mencionava que os
metais ao serem deformados, tornavam-se mais resistentes à deformação.
Marcelo F. Moreira
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Marcelo F. Moreira
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4) ENDURECIMENTO POR DISPERSÃO DE PARTÍCULAS
Os contornos entre diferentes fases (precipitado e matriz) em uma liga são
defeitos planares e interferem na movimentação de discordâncias provocando,
conseqüentemente, aumento de resistência e dureza.
4.1)
ENDURECIMENTO POR DISPERSÃO DE PARTÍCULAS INCOERENTES
A ocorrência de precipitados incoerentes é muito mais freqüente que
precipitados coerentes.
Os precipitados ou fases incoerentes não apresentam coerência entre os
reticulados cristalinos do precipitado e matriz.
Exemplo 1: Al (CFC) e AlCu2 (fase θ - ortorrômbica)
Exemplo 2: Fe3C em aços-carbono
Marcelo F. Moreira
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4.2)
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ENDURECIMENTO POR DISPERSÃO DE PARTÍCULAS COERENTES
Os precipitados coerentes apresentam a mesma estrutura cristalina da
matriz. As diferenças entre os parâmetros de reticulado da matriz e da fase são de,
no máximo, 15%.
Precipitados coerentes são mais endurecedores que precipitados incoerentes.
O tamanho dos precipitados coerentes é até 1000 vezes menor que o de
precipitados coerentes.
Quanto menor o precipitado maior a dispersão destes, assim, para a mesma
fração de fase, e maior o efeito de restrição de movimentação de discordâncias.
Marcelo F. Moreira
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Lista de exercícios - Mecanismos de endurecimento
1- É fato que as discordâncias movimentam-se em planos e direções cristalográficas
preferenciais denominados sistemas de escorregamento.
a- O que estes sistemas têm em comum?
b- Quais são os sistemas de escorregamento primários para os reticulados CCC,
CFC e HC ?
2- Uma chapa de latão (“brass”), com limite de resistência à tração de 310 MPa, foi
laminada a frio sofrendo uma redução de 20%, ficando com uma espessura de 1,8
mm.
A)- Se esta chapa for novamente laminada a frio até a espessura de 1,0 mm,
qual será a percentagem total de trabalho a frio (% CW)?
B)- Utilizando a figura abaixo, determinar o novo limite de resistência resultante
deste encruamento (%CW).
CW =
ei − e f
ei
.100
3- Como é que a deformação a frio afeta a ductilidade de um material metálico?
4- O que é uma solução sólida? Explique, com o auxílio de um esquema, a formação
de uma solução sólida substitucional e de uma solução sólida intersticial..
5- Por que a precipitação de partículas coerentes é mais eficiente no aumento de
resistência que a precipitação incoerente?
6- Quais os mecanismos de endurecimento aplicáveis á uma liga monofásica?
Marcelo F. Moreira
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