O documento discute diversos mecanismos de endurecimento em metais, incluindo redução do tamanho de grão, solução sólida, precipitação, deformação a frio e tratamentos térmicos. Explica como esses mecanismos aumentam a resistência mecânica ao restringir o movimento de discordâncias na estrutura cristalina através da introdução de obstáculos. Fornece exemplos de cada mecanismo e suas aplicações em diferentes ligas metálicas.

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

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

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

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?
45
Circular (diâm. Mm) Retangular (mm)
Dim. Original 15,2 125 x 175
Dim. após 11,4 75 x 200

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 1950.
 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