FUNDAMENTOS DE MATERIAIS METÁLICOS I. Engenharia de Materiais 7º Período. Mecanismos de Endurecimento

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1 FUNDAMENTOS DE MATERIAIS METÁLICOS I Engenharia de Materiais 7º Período Mecanismos de Endurecimento

2 Correlação Estrutura-Propriedade-Aplicação- Processamento Mecânicas Magnéticas Térmicas Corrosão Fadiga Desgaste Outros MICROESTRUTURA Processamentos termo-mecânicos Tratamentos térmicos Processamentos mecânicos PROPRIEDADE DEFORMAÇÃO 2 APLICAÇÃO

3 Mecanismos de Endurecimento Mecanismos de endurecimento para aumento da resistência de ligas metálicas, mas que ainda possuam alguma ductilidade e tenacidade. Ductilidade: habilidade do material em ser submetido a uma deformação plástica apreciável antes de sofre fratura (pode ser expressa por %AL ou %RA) Tenacidade: Medida da energia que é absorvida por um material a medida que ele fratura. Indicada pela área total sob a curva tensão deformação em tração do material. 3

4 Mecanismos de Endurecimento Relação do aumento de resistência x ductilidade Para compreensão dos mecanismos de endurecimento, ou de aumento de resistência em metais, é fundamental o entendimento da relação entre o movimento de discordâncias e o comportamento mecânico dos metais. A habilidade de um metal se deformar plasticamente depende da habilidade das discordâncias se moverem. 4

5 Mecanismos de Endurecimento Mecanismo de deslizamento planar na presença de uma discordância em cunha 5

6 Mecanismos de Endurecimento 6

7 Mecanismos de Endurecimento Deformação provoca o surgimento de defeitos nas estruturas cristalinas. O movimento de discordâncias provoca a recuperação do defeito. Desta forma, os mecanismos de endurecimento baseiam-se essencialmente em restringir o movimento de discordâncias pela estrutura cristalina, através da introdução de obstáculos, tais como, contornos de grão, outras discordâncias, ou ainda pela presença de precipitados de segunda fase. 7

8 Mecanismos de Endurecimento Tipos de mecanismos de endurecimento: Endurecimento devido a redução do contorno de grão Endurecimento por solução sólida Endurecimento por precipitação Endurecimento por deformação Endurecimento por tratamento térmico 8

9 Contorno de Grão O contorno de grão representa a região limite entre dois grãos adjacentes, que possuem orientações cristalinas diferentes, e, portanto, atua como uma barreira a propagação de discordâncias. Ao passar de um grão com uma certa orientação para outro com orientação muito diferente (fronteiras de alto ângulo) a discordância tem que mudar de direção, o que envolve muitas distorções locais na rede cristalina. A fronteira é uma região desordenada, o que faz com que os planos de deslizamentos sofram descontinuidades. Para que a deformação prossiga, é necessário aumentar os níveis de deformação aplicada. 9

10 Contorno de Grão 10

11 Contorno de Grão 11

12 Contorno de Grão Um material que possui tamanho de grãos mais finos é mais resistente que o que possui grãos mais grosseiros, maiores, uma vez que o primeiro possui uma maior área total de contornos de grãos para dificultar o movimento das discordâncias. 12

13 Contorno de Grão - Solidificação 13

14 Contorno de Grão Para muitos materiais, o limite de escoamento varia de acordo com a equação de Hall-Petch. d = tamanho médio dos grãos. e são constante que dependem de cada material. é a limite de escoamento. 14

15 Contorno de Grão 15

16 Contorno de Grão O tamanho de grão pode ser alterado ou regulado mediante o controle da taxa de resfriamento da solidificação a partir da fase líquida, por deformação plástica e por tratamentos térmicos apropriados. 16

17 Solução Sólida o aumento de resistência por solução sólida consiste na formação de ligas com átomos de impurezas que entram quer em solução sólida substitucional, quer em solução sólida intersticial. Substitucional: solução sólida em que átomos de soluto repõe ou substituem os átomos hospedeiros. Intersticiais: solução sólida em que átomos de soluto relativamente pequenos ocupam posições intersticiais entre os átomos de solvente ou átomos hospedeiros. 17

18 Solução Sólida A presença de átomos substitucionais e/ou intersticiais na rede cristalina gera um campo de tensões a sua volta. Quando uma discordância se move em direção a estes átomos, ela sente este campo de tensões como um obstáculo à sua propagação. De modo geral, quanto maior a presença de soluto e/ou a diferença de tamanho entre os átomos substitucionais/intersticiais e os átomos da rede, maior é a distorção da rede, e portanto, maior a dificuldade de deslizamento. Via de regra, átomos intersticiais tem efeito endurecedor muito maior que átomos substitucionais. 18

19 Solução Sólida 19

20 Solução Sólida Átomos substitucionais de tamanhos menores que os átomos hospedeiros, onde exerce uma deformação de tração sobre a rede cristalina vixinha. 20

21 Solução Sólida De maneira contrária, um átomo substitucional maior impões deformações compressivas sobre a rede cristalina vizinha. 21

22 Solução Sólida 22

23 Solução Sólida 23

24 Solução Sólida 24

25 Solução Sólida 25

26 Solução Sólida Solução sólida substitucinal de Ni em Cu. Relação de raios Ni/Cu = 1,246 / 1,478 = 0,98 26

27 Solução Sólida Solução sólida substitucinal de Ni em Cu. Relação de raios Ni/Cu = 1,246 / 1,478 = 0,98 27

28 Solução Sólida Solução sólida substitucinal de Ni em Cu. Relação de raios Ni/Cu = 1,246 / 1,478 = 0,98 28

29 Solução Sólida Exemplo de SS Intersticial: C em Fe (aços) Raio do C = 0,075 nm Raio do Fe = 0,129 nm Distorção na rede cristalina 29

30 Precipitação O endurecimento por precipitação ocorre quando partículas finamente dispersas de uma segunda fase precipitam no interior da matriz da fase principal, através de tratamentos térmicos adequados. Envolve o tratamento térmico de solubilização, seguida de tempera para saturar a solução sólida e o envelhecimento ou formação de precipitados que dificultam o movimento de discordâncias e aumentam a resistência mecânica. Estes precipitados são duros, finos e uniformemente dispersos em uma matriz mais dútil. 30

31 Precipitação Os precipitados, estas partículas de segunda fase, atuam dificultando a movimentação de discordâncias pelos planos de deslizamentos. Em geral isto pode ocorrer por dois meios: uma discordância pode cortar ou contornar uma partícula de segunda fase. Em ambos os casos, ocorreu um aumento de resistência ao deslizamento da discordância, ou seja, um endurecimento do material. Conforme mecanismo proposto por Orowan, as discordâncias contornam as partículas de segunda fase, curvando-se entre elas e deixando um anel de discordância ao redor da partícula. 31

32 Precipitação A medida que sucessivos anéis vão sendo formados e deixados ao redor dos precipitados, ocorre um aumento do campo de tensões, que eleva a resistência a propagação da próxima discordância. 32

33 Precipitação 33

34 Precipitação Este tipo de mecanismo é largamente empregado em ligas de alumínio, magnésio, titânio, cobre, níquel e em algumas ligas de aços inoxidáveis. O processo de envelhecimento é muito utilizada para a liga Al-4%Cu, também conhecida como duralumínio. O diagrama de fases deste sistema é binário. Neste diagrama, observa-se que o cobre apresenta uma solubilização decrescente na fase com o decréscimo da temperatura formando uma nova fase (Al2Cu). O tratamento térmico para proporcionar o envelhecimento por precipitação consiste em três etapas: solubilização, têmpera e precipitação. 34

35 Precipitação 35

36 Precipitação Inicialmente a liga é solubilizada em uma temperatura dentro do campo monofásico dissolvendo todo o cobre no alumínio. Em seguida, a liga é resfriada rapidamente formando uma solução sólida supersaturada (SSSS) fase ss. A liga é posteriormente reaquecida entre 100ºC e 200ºC para a formação dos precipitados. 36

37 Precipitação 37

38 Endurecimento por Deformação a Frio Também denominado encruamento de um metal, ocorre como consequência de deformação plástica a frio. A deformação plástica é permanente e corresponde ao grande movimento e multiplicação do número de discordâncias em resposta a aplicação da tensão. A própria interação entre as linhas de discordância diminuem as suas mobilidades e causam o encruamento do metal. Encruamento é o fenômeno pelo qual um metal dutil se torna mais duro e mais resistente quando ele é submetido a uma deformação plástica. 38

39 Endurecimento por Deformação a Frio Dividem-se em 2 grandes grupos: relacionados à conformação de volumes ( bulk forming ) relacionados à conformação de superfícies ( sheet forming ), onde relaciona um total de 60 processos (forjamento, extrusão, laminação, trefilação e estampagem). Deformação a frio é também chamada de trabalho a frio pelo fato da temperatura da deformação que é aplicada ser fria, em relação a temperatura de fusão do metal. 39

40 Endurecimento por Deformação a Frio 40

41 Endurecimento por Deformação a Frio Algumas vezes o grau de deformação plástica é expressa como um percentual de trabalho a frio (%TF ou %CW). Quanto um metal é deformado plasticamente, um grande número de discordâncias é gerado, e em um material conformado a frio, a densidade de discordâncias é da ordem de 10^11 a 10^12 discordâncias / cm2. 41

42 Endurecimento por Deformação a Frio 42

43 Endurecimento por Deformação a Frio 43

44 Endurecimento por Deformação a Frio - Exercício Calcule o limite de resistência à tração e à ductilidade (%AL) de um bastão cilíndrico de cobre quando ele é trabalhado a frio de tal modo que seu diâmetro seja reduzido de 15,2 mm para 12,2 mm. 44

45 Endurecimento por Deformação a Frio - Exercício Dois corpos de prova do mesmo material devem ser submetidos a deformação. Um é cilíndrico e outro é retangular. Qual deles será mais duro após a deformação plástica? Porque? Circular (diâm. Mm) Retangular (mm) Dim. Original 15,2 125 x 175 Dim. após 11,4 75 x

46 Endurecimento por Deformação a Frio - Exercício 46

47 Endurecimento por Deformação a Frio Um dos mecanismos por meio do qual ocorre a multiplicação de discordâncias foi proposto por Frank e Read, em Assumindo uma discordância ancorada por dois obstáculos qualquer, tais como precipitados, quando uma tensão cisalhante é aplicada no plano de deslizamento, a discordância se curva, produzindo um escorregamento. O curvamento prossegue até o momento em que um anel de discordância é formado e se despende dos pontos de ancoramento, deixando para trás uma nova discordância ancorada, e assim sucessivamente. 47

48 Endurecimento por Deformação a Frio 48

49 Endurecimento por Deformação a Frio Portanto, à medida que a tensão aplicada aumenta, mais e mais discordâncias são geradas. Estas discordâncias, além de interagir com obstáculos, tais como contornos de grão ou precipitados, também interagem entre si. Entretanto, deve-se salientar que tanto a multiplicação, como a interação entre as discordâncias criam dificuldades para a continuidade da deformação plástica, ou seja, ocorre um aumento da dureza ou da resistência mecânica do material. 49

50 Endurecimento por Deformação a Frio O endurecimento por deformação é também chamado de encruamento e é um dos métodos mais empregados para aumentar a resistência mecânica dos metais. Entretanto, há de se destacar que o aumento de resistência vem acompanhado de uma queda na dutilidade, ou seja, na capacidade do material sofrer posteriores deformações plásticas. 50

51 Endurecimento por Deformação a Frio 51

52 Endurecimento por Deformação a Frio 52

53 Endurecimento por Deformação a Frio 53

54 Endurecimento por Deformação a Frio TT Recozimento A deformação a frio produz alterações microestruturais e mudanças nas propriedades dos materiais, incluindo: alteração na forma e tamanho do grão, endurecimento por deformação plástica a frio e aumento da densidade das discordâncias. Uma fração da energia gasta na deformação é armazenada no metal na forma de uma energia de deformação, que está associada a zonas de tração, compressão e cisalhamento ao redor das discordâncias recém criadas. 54

55 Endurecimento por Deformação a Frio TT Recozimento O tratamento térmico de recozimento objetiva eliminar os efeitos da deformação a frio e restituir as condições originais de ductilidade. Com aquecimento à temperatura suficientemente elevada e mantida por tempos suficientes, podemos ter: Recuperação: redução das tensões residuais e rearranjo das discordâncias. Recristalização: nucleação e crescimento de novos grãos com poucas discordâncias. Crescimento de grão. 55

56 Endurecimento por Deformação a Frio TT Recozimento Recuperação Redução das tensões internas Redução pequena da quantidade de discordâncias Rearranjo das discordâncias em configurações de menor energia Alguns metais formam estruturas de sub-grãos com contornos de baixo ângulo Pequena redução no limite de resistência e aumento da ductilidade. Na recuperação parte da energia armazenada é liberada em função do movimento das discordâncias. Redução do número de discordâncias que possuem baixa energia de deformação. 56

57 Endurecimento por Deformação a Frio TT Recozimento Recristalização Após o processo de recuperação, os grãos ainda se apresentam em um estado de tensões relativamente elevado. A recristalização é o processo de formação de um novo conjunto de grãos livres de deformação e que são equiaxiais (possuem dimensões aproximadamente iguais em todas as direções), e com baixas densidades de discordâncias. Os pequenos novos grãos são aqueles que são recristalizados e, desta forma, a recristalização de metais que foram previamente trabalhados a frio pode ser usada para refinar a estrutura do grão. 57

58 Endurecimento por Deformação a Frio TT Recozimento Recristalização Nucleação e crescimento de novos grãos equiaxiais sem deformação (com pouca discordância). A força motriz é a diferença da energia interna entre o material deformado e não deformado As propriedades mecânicas modificadas pela deformação é restituída Depende da temperatura, tempo, % de deformação, tamanho do grão inicial e composição química. Eliminação de discordâncias de cunha por escalagem + escorregamento. Eliminação de discordâncias em hélice + fácil. 58

59 Endurecimento por Deformação a Frio TT Recozimento Temperatura de Recristalização: temperatura na qual a recristalização atinge o seu término em 1h. Exemplo: para latão, a temperatura de recristalização é de 450ºC (1/3 da T de fusão). No caso de metais puros a T recr. é de cerca de 0,3 Tf. No caso de ligas metálicas a T recr. pode chegar a 0,7 Tf. 59

60 Endurecimento por Deformação a Frio TT Recozimento 60

61 Endurecimento por Deformação a Frio TT Recozimento Crescimento de Grão Após a recristalização, os grãos livres de deformação continuarão a crescer se a amostra metálica for deixada em alta temperatura. O crescimento ocorre pela migração de contornos de grão. Como nem todos os grãos aumentam, o aumento é quanto ao tamanho médio dos grãos. Difusão de átomos de um contorno de grão para outro. 61

62 Endurecimento por Deformação a Frio TT Recozimento 62

63 Endurecimento por Deformação a Frio TT Recozimento - Exercício Faça um desenho esquemático do tamanho de grão de uma liga metálica, quando: Grãos em tamanho original. Após deformação a frio (por laminação). Após recristalização Após crescimento de grão 63

64 Tratamento Térmico Existem vários TT para endurecimento de ligas metálicas. O mais conhecido é o TT de Têmpera para aços, que consiste no aquecimento do aço até a temperatura de austenitização (815º a 870ºC), seguido de resfriamento rápido. Os meios de resfriamento mais comumente utilizados: Água Água contendo sal ou aditivos Óleo, que pode conter uma variedade de aditivos Soluções aquosas de polímeros. Com a têmpera, o constituinte final desejado é a martensita, que do pto de vista de propriedades mecânicas, proporcionam um aumento de resistência a tração e aumento de dureza. 64