FUNDAMENTOS DE MATERIAIS
METÁLICOS I
Engenharia de Materiais
7º Período
Mecanismos de Endurecimento
2
MICROESTRUTURA
PROPRIEDADE APLICAÇÃO
DEFORMAÇÃO
• Mecânicas
• Magnéticas
• Térmicas
• Corrosão
• Fadiga
• Desgaste
• Out...
Mecanismos de Endurecimento
 Mecanismos de endurecimento para aumento da
resistência de ligas metálicas, mas que ainda po...
Mecanismos de Endurecimento
 Relação do aumento de resistência x ductilidade
 Para compreensão dos mecanismos de endurec...
Mecanismos de Endurecimento
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Mecanismo de deslizamento planar na presença de uma discordância em cunha
Mecanismos de Endurecimento
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Mecanismos de Endurecimento
 Deformação provoca o surgimento de defeitos nas
estruturas cristalinas.
 O movimento de dis...
Mecanismos de Endurecimento
 Tipos de mecanismos de endurecimento:
• Endurecimento devido a redução do contorno de grão
•...
Contorno de Grão
 O contorno de grão representa a região limite entre dois
grãos adjacentes, que possuem orientações cris...
Contorno de Grão
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Contorno de Grão
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Contorno de Grão
 Um material que possui tamanho de grãos mais finos é
mais resistente que o que possui grãos mais grosse...
Contorno de Grão - Solidificação
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Contorno de Grão
 Para muitos materiais, o limite de escoamento varia de
acordo com a equação de Hall-Petch.
• d = tamanh...
Contorno de Grão
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Contorno de Grão
 O tamanho de grão pode ser alterado ou regulado
mediante o controle da taxa de resfriamento da
solidifi...
Solução Sólida
 o aumento de resistência por solução sólida consiste na
formação de ligas com átomos de impurezas que
ent...
Solução Sólida
 A presença de átomos substitucionais e/ou intersticiais
na rede cristalina gera um campo de tensões a sua...
Solução Sólida
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Solução Sólida
 Átomos substitucionais de tamanhos menores que os
átomos hospedeiros, onde exerce uma deformação de
traçã...
Solução Sólida
 De maneira contrária, um átomo substitucional maior
impões deformações compressivas sobre a rede
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 Solução sólida substitucinal de Ni em Cu.
 Relação de raios Ni/Cu = 1,246 / 1,478 = 0,98
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 Solução sólida substitucinal de Ni em Cu.
 Relação de raios Ni/Cu = 1,246 / 1,478 = 0,98
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 Solução sólida substitucinal de Ni em Cu.
 Relação de raios Ni/Cu = 1,246 / 1,478 = 0,98
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Solução Sólida
 Exemplo de SS Intersticial: C em Fe (aços)
• Raio do C = 0,075 nm
• Raio do Fe = 0,129 nm
• Distorção na ...
Precipitação
 O endurecimento por precipitação ocorre quando
partículas finamente dispersas de uma segunda fase
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Precipitação
 Os precipitados, estas partículas de segunda fase,
atuam dificultando a movimentação de discordâncias
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Precipitação
 A medida que sucessivos anéis vão sendo formados e
deixados ao redor dos precipitados, ocorre um aumento
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Precipitação
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Precipitação
 Este tipo de mecanismo é largamente empregado em
ligas de alumínio, magnésio, titânio, cobre, níquel e em
a...
Precipitação
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Precipitação
 Inicialmente a liga é solubilizada em uma temperatura
dentro do campo monofásico  dissolvendo todo o cobre...
Precipitação
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Endurecimento por Deformação a
Frio
 Também denominado encruamento de um metal, ocorre
como consequência de deformação pl...
Endurecimento por Deformação a
Frio
 Dividem-se em 2 grandes grupos:
• relacionados à conformação de volumes ( bulk formi...
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Frio
 Algumas vezes o grau de deformação plástica é
expressa como um percentual de trabalh...
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Frio - Exercício
 Calcule o limite de resistência à tração e à ductilidade
(%AL) de um bas...
Endurecimento por Deformação a
Frio - Exercício
 Dois corpos de prova do mesmo material devem ser
submetidos a deformação...
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Frio
 Um dos mecanismos por meio do qual ocorre a
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Endurecimento por Deformação a
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Frio – TT Recozimento
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Frio – TT Recozimento
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Frio – TT Recozimento
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• Redução das tensões internas
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 Após o processo de recuperação, os grãos ainda se...
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• Nucleação e crescimento de novos grãos equiaxiais...
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Frio – TT Recozimento
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 Faça um desenho esquemático do tamanho de grão de
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 Existem vários TT para endurecimento de ligas
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  1. 1. FUNDAMENTOS DE MATERIAIS METÁLICOS I Engenharia de Materiais 7º Período Mecanismos de Endurecimento
  2. 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. 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. 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. 5. Mecanismos de Endurecimento 5 Mecanismo de deslizamento planar na presença de uma discordância em cunha
  6. 6. Mecanismos de Endurecimento 6
  7. 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. 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. 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. 10. Contorno de Grão 10
  11. 11. Contorno de Grão 11
  12. 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. 13. Contorno de Grão - Solidificação 13
  14. 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. 15. Contorno de Grão 15
  16. 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. 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. 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. 19. Solução Sólida 19
  20. 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. 21. Solução Sólida  De maneira contrária, um átomo substitucional maior impões deformações compressivas sobre a rede cristalina vizinha. 21
  22. 22. Solução Sólida 22
  23. 23. Solução Sólida 23
  24. 24. Solução Sólida 24
  25. 25. Solução Sólida 25
  26. 26. Solução Sólida  Solução sólida substitucinal de Ni em Cu.  Relação de raios Ni/Cu = 1,246 / 1,478 = 0,98 26
  27. 27. Solução Sólida  Solução sólida substitucinal de Ni em Cu.  Relação de raios Ni/Cu = 1,246 / 1,478 = 0,98 27
  28. 28. Solução Sólida  Solução sólida substitucinal de Ni em Cu.  Relação de raios Ni/Cu = 1,246 / 1,478 = 0,98 28
  29. 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. 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. 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. 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. 33. Precipitação 33
  34. 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. 35. Precipitação 35
  36. 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. 37. Precipitação 37
  38. 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. 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. 40. Endurecimento por Deformação a Frio 40
  41. 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. 42. Endurecimento por Deformação a Frio 42
  43. 43. Endurecimento por Deformação a Frio 43
  44. 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. 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. 46. Endurecimento por Deformação a Frio - Exercício 46
  47. 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. 48. Endurecimento por Deformação a Frio 48
  49. 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. 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. 51. Endurecimento por Deformação a Frio 51
  52. 52. Endurecimento por Deformação a Frio 52
  53. 53. Endurecimento por Deformação a Frio 53
  54. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 60. Endurecimento por Deformação a Frio – TT Recozimento 60
  61. 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. 62. Endurecimento por Deformação a Frio – TT Recozimento 62
  63. 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. 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

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