Mecanismos de endurecimento

1. Mecanismos de
Endurecimento e Tratamentos
Termomecânicos

2. Conceitos Introdutórios
2
 Os mecanismos de endurecimento são obstáculos a
movimentação das discordâncias que provocam o aumento da
resistência mecânica dos metais.
Mecanismos de aumento de resistência
₋ Solução Sólida
₋ Precipitação/Partículas de Segunda
fase
₋ Refino de Grão
₋ Encruamento
Discordâncias: defeito cristalino linear
(semi-plano extra) ao redor do qual
existe um delineamento atômico.

3. Características das Discordâncias
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Densidade de Discordância
- Materiais solidificados lentamente = 103 discord./mm2
- Materiais deformados= 109 a 1010 discord./mm2
- Materiais deformados e tratados termicamente= 105 a 106 discord./mm2
Discordância
Solidificação
Deformação
Plástica
Tensões térmicas
de resfriamento
rápido

4. Deformação nos Materiais
4
Deformação Elástica
 Precede à deformação plástica
 Desaparece quando a tensão é
removida (reversível)
 Praticamente proporcional à
tensão aplicada (obedece a lei
de Hooke)

5. Deformação nos Materiais
5
Módulo de Elasticidade a temperatura ambiente
para alguns metais
Gráfico do Módulo de Elasticidade x
Temperatura.

6. Deformação nos Materiais
6
Deformação Plástica
 Ocorre quando a carga aplicada
ultrapassa o limite elástico,
fazendo com que o metal se
deforme permanentemente,
entrando na zona de
deformação plástica.
 A movimentação das
discordâncias é o
fenômeno principal
responsável pela
ductilidade ou pela
capacidade de deformação
plástica dos metais.
Significado prático da deformação plástica:
1) Conformação mecânica (fabricação);
2) Comportamento em serviço.

7. Movimentação da Discordância
 Esquema ilustrativo do rearranjo atômico nas vizinhanças de uma
discordância em cunha sob a ação de uma tensão
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Analogia entre a
movimentação de
uma lagarta e de
uma discordância.

8. Características das Discordâncias
 Geram tensões de tração (parte inferior) e compressão (parte
superior) no reticulado, além disso podem se repelir (a) ou se anular
(b) dependendo da localização dessas forças.
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Interação entre as discordâncias

9. Características das Discordâncias
9
Contorno de grão de baixo ângulo produzido pelo
alinhamento de discordância em aresta de mesmo
sinal.
Não é eficiente na interferência do processo de
escorregamento devido ao pequeno dezalinhamento
cristalográfico através do contorno.
Material se torna
mais dúctil

10. Mecanismos de Aumento de Resistência
 Importante para a compreensão dos mecanismos de aumento de
resistência é a relação entre o movimento das discordância e o
comportamento mecânico dos metais.
 A habilidade de um metal para se deformar plasticamente
depende da habilidade das discordância para se moverem.
 A resistência mecânica pode ser melhorada através da
facilidade com que a deformação plástica pode ser induzida
mediante a redução da mobilidade das discordância.
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11. Mecanismos de Aumento de Resistência
1. REDUÇÃO DO TAMANHO DE GRÃO
2. SOLUÇÃO SÓLIDA
3. ENCRUAMENTO
4. PRECIPITAÇÃO
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12. Redução no Tamanho do Grão
 Durante a deformação plástica, o
escorregamento ou movimento
das discordâncias deve ter lugar
através do contorno de grão.
 Um material com granulação fina
(grãos pequenos) é mais duro e
mais resistente do que um
material que possui granulação
grosseira.
 Equação de Hall-Petch –
relação do tamanho do grão com
o limite de escoamento
12

13. Redução no Tamanho do Grão
13

14. Redução no Tamanho do Grão
 Efeito do contorno de grão na
resistência dos materiais.
 Quando uma discordância
encontra um contorno ela tem
que mudar de direção. Quanto
menores os tamanhos dos grãos
mais contornos estarão no
caminho das discordâncias, os
quais possuem energia interfacial
maior, necessitando de mais força
de cisalhamento sobre os planos
para realizar a deformação
plástica.
14

15. Formação de Solução Sólida
 As ligas são mais resistentes do que os
metais puros, pois os átomos de impureza
que entram em solução sólida impõem
geralmente deformações da rede
cristalina sobre os átomos hospedeiros.
 O movimento das discordâncias é
restringido devido a interações do
campo de deformação entre as
discordâncias e os átomos de
impurezas.
15
1
2
Representação da interação da discordância (1) com o
campo de deformação trativa e (2) com o campo de
deformação compressiva, de modo que ocorre um
parcelamento parcial da deformação em virtude da
interação da discordância com a impureza.
Sol. Sólida: sólido que
consiste de dois ou mais
elementos atomicamente
dispersos em estrutura
monofásica

16. Formação de Solução Sólida
A presença de solutos altera o
comportamento mecânico dos
metais:
 diferença entre tamanhos
atômicos leva ao aumento da
resistência mecânica
 aumento da quantidade de soluto
leva ao aumento da resistência
mecânica.
 Exemplos:
 liga Cu-Zn: aumento pequeno –
tamanhos atômicos próximos
 liga Cu-Be: aumento elevado -
tamanhos atômicos diferentes.
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Cu-Be
Cu-Sn
Cu-Zn

17. 17
Cu-Ni – Limite de
Resistência à
Tração
Cu-Ni – Limite de
Escoamento
Cu-Ni –
Alongamento

18. Encruamento
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Percentual de Trabalho a frio
(grau de deformação)
A0 – área original da seção
reta
Ad – área após a deformação
 Fenômeno pelo qual um material dúctil
se torna mais duro e mais resistente
quando submetido a uma deformação
plástica.
 Algumas vezes chamado de
endurecimento por trabalho ou
trabalho a frio.
O encruamento é explicado pela interação dos campos
de deformação das discordâncias, que são aumentadas
pela deformação, exigindo cada vez mais força para
continuar deformando.

19. Encruamento
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 Costuma-se distinguir o trabalho mecânico a frio do trabalho mecânico
a quente por uma temperatura indicada como Temperatura de
recristalização.
Temperatura de recristalização – A menor temperatura na qual uma estrutura deformada
de um metal trabalhado a frio é restaurada ou substituída por uma estrutura nova, livre
de tensões, após a permanência nessa temperatura por um tempo determinado”, OU
Temperatura na qual a recristalização termina em exatamente 1 hora.
1/3Tf < Tf < 1/2Tf

20. Encruamento
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O movimento das discordâncias é dificultado à medida que a densidade de
discordância aumenta (% trabalho a frio) em virtude das interações repulsivas
entre elas. Assim, a tensão necessária para deformar um metal aumenta com o
aumento do trabalho a frio.
Influência do TF sobre o
comportamento σ x ε de
um aço carbono

21. Encruamento
21

22. Encruamento
22

23. Encruamento
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Os efeitos do encruamento podem ser removidos por um tratamento
térmico de recozimento.

24. Encruamento
24
Aumento do limite de escoamento (σe) e seu limite de resistência a
tração com o aumento do trabalho a frio (a e b), porém esse aumento
na dureza e na resistência resulta na redução da ductilidade.

25. Encruamento
25
Calcule a 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.
A ductilidade a 35,6%TF é de
aproximadamente 7%AL.

26. Questão Petrobras 2014
26

27. 27
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? Por que?
Exercício
CIRCULAR
RETANGULAR

28. Questão Concurso
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29. Recuperação
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 A Recuperação é normalmente definida como a
restauração das propriedades físicas do metal
trabalhado a frio sem que ocorra mudança na visível na
microestrutura.
 Durante a recuperação, uma parte da energia interna de
deformação armazenada é liberada em virtude do
movimento das discordâncias.
 Resulta no alívio das tensões internas e redução do
número de discordâncias.

30. Recristalização
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 Depois da recuperação, os grãos
ainda estão tensionados e durante
a recristalização os grão se
tornam equiaxiais e o número de
discordâncias é reduzido.
 O processo de recristalização
consiste na formação de um
novo conjunto de grãos livres
de deformação e equiaxiais.
 Resulta na diminuição da dureza,
da resistência e um aumento da
ductilidade.
Influência da temperatura de rezimento, para
o tempo de 1h, sobre o limite de resistência
à tração e a ductilidade de um latão.

31. Recristalização e Cresc. De Grão
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a) Estrutura de grãos de
latão trabalhado a frio.
b) Estágio inicial de
recristalização (3s a
580°C)
c) Substituição parcial de
grãos deformados (4s a
580°C)
d) Recristalização
completa (8s a 580°C)
e) Crescimento de grão
após 15 min a 580°C
f) Crescimento de grão
após 10 min a 700°C

32. Recristalização
32
 Fatores que influenciam na cinética de recristalização
 Temperatura: a velocidade de recristalização aumenta
exponencialmente com a temperatura.
 Grau de deformação prévia: quanto maior a deformação prévia,
mais rapidamente acontece a recristalização.
 Presença de impurezas no metal: pequenas porcentagens de um
átomo estranho em um solução sólida podem elevar a
temperatura de recristalização. A presença de átomos estranhos
associadas aos contornos de grãos retarda muito a sua
movimentação , e assim, diminui a velocidade de recristalização.

33. Crescimento de Grão
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 Depois da recristalização se o
material permanecer por mais tempo
em temperaturas elevadas o grão
continuará a crescer
gradativamente.
 A força motriz para o crescimento de
grão é a diminuição da energia livre
resultante da diminuição da área de
contornos de grão devido ao
crescimento de grão.
 Em geral, quanto maior o tamanho
de grão mais mole é o material e
menor é sua resistência.

34. Crescimento de Grão
34

35. 35
 Recuperação, recristalização e crescimento de grão e as
mudanças importantes nas propriedades em cada região.

36. 36
Questão ENADE 2008
 Considerando o gráfico acima, da temperatura
de recristalização em função da quantidade de
deformação acumulada (trabalho a frio), e os
fenômenos de recuperação, recristalização e
crescimento de grão, assinale a opção que
descreve corretamente a microestrutura
esperada do material na temperatura ambiente
e nas duas regiões A e B após os ciclos de
processamento citados no texto.

37. 37
Questão ENADE 2008
a) Nas regiões A e B, as microestruturas
apresentarão grãos equiaxiais e o tamanho
médio desses grãos será pequeno em
relação aos grãos nas demais regiões da
peça, pois ocorre recristalização nessas
duas regiões.
b) O tamanho médio de grão na região A será
maior que o da região B, pois toda a
deformação local é utilizada apenas para o
processo de recuperação, e o tamanho de
grão é proporcional à quantidade de
recuperação da microestrutura.
c) Ocorre recristalização na região A, mas não na B. Na primeira etapa de
processamento, as deformações locais na região B não alcançam valores capazes
de promover a recristalização no reaquecimento, mas é possível ocorrer
recuperação devido à faixa de temperaturas do processo. Deve haver, portanto,
grãos bem menores na região A (grãos recristalizados), em comparação com os da
região B (grãos recuperados).

38. 38
Questão ENADE 2008
d) Quando ocorre deformação plástica
elevada, há, necessariamente, precipitação
induzida por deformação nas ligas
policristalinas monofásicas. Essa
precipitação resulta em um retardo da
recristalização. Assim, nas regiões A e B
deve ocorrer apenas recuperação, e os
tamanhos de grão serão de valores bem
próximos, mudando-se apenas a razão de
aspecto dos grãos localizados na região
mais deformada.
e) Na região B, deve haver recuperação induzida pela deformação acumulada,
seguida de recristalização. A região A, que apresenta deformação acumulada
mais elevada, não precisa passar pela etapa de recuperação e, assim, nessa
região, deve haver somente recristalização. Não é possível comparar o tamanho
de grão médio das duas regiões sem conhecer, antecipadamente, o tamanho de
grão inicial da peça.