1 MECANISMOS DE ENDURECIMENTO DE METAIS Eng. os metalurgistas e Eng. os de materiais visam o "projeto" de ligas com elevadas resistência mecânica (S E 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.
2 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 (σ y ) varia com o tamanho de grão de acordo com a relação: σ y = σ 0 + k y.d (- 1/2) onde: d é o diâmetro médio dos grãos σ 0 e k y são constantes para um dado material
3 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.
4 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.
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6 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 AlCu 2 (fase θ - ortorrômbica) Exemplo 2: Fe 3 C em aços-carbono
7 4.2) 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.
8 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 e = i e e i f.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?