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Resumo Metalurgia Mecânica CAP. 11 – Endurecimento por Tamanho de Grão Contorno de Grão e Deformação Plástica: A presença de grãos no material faz com que um policristal tenha uma maior resistência mecânica que um monocristal, isto devido ao contorno de grãos funcione como uma barreira para o movimento de discordâncias que faz com que o material se deforme plasticamente. Relação de Hall-Petch: O modelo de Hall-Petch diz que a discordância que se movimenta no cristal, ao encontrar o contorno do grão é travado por essa “barreira” produzindo um empilhamento de discordâncias neste contorno. Este empilhamento concentra tensões que, ao chegar em um valor crítico, é capaz de romper esta berreira. O modelo de Hall-Petch, porém sofre críticas no que diz respeito a sua equação, bem como a sua teoria, pois há quem diga que as discordâncias não se empilham nos contornos de grão e sim que os contornos de grão funcionam como fontes de discordâncias (MEYERS/ASHWORTH). Assim, surgem outras teorias a respeito do movimento de discordâncias e contornos de grãos. Teoria de Cotrell: Cotrell diz que um empilhamento de discordâncias é incapaz de atravessar um contorno de grão, mas pode ativar fonte de discordâncias nos grãos adjacentes. Teoria de LI: Li admite que há degraus nos contornos de grãos que servem como fonte de discordâncias e que são lançadas nos grãos adjacentes. Teoria de Conrad: Conrad admite que há duas tensões que respondem ao movimento de discordâncias nos contornos de grão. Estas duas tensões sãs as de Peierls-Nabarro (movimento de discordâncias) e uma que é função das inteações entre discordâncias e átomos de solutos e precipitados. Teoria de MEYERS/ASHWORTH: Estes, dizem que os contornos de grão funcionam como fonte de discordâncias e que a tensão aplicada em todos os grãos é a mesma. Isto faz com que dependendo de sua orientação, o grão irá responder de forma diferente à tensão aplicada, isso faz com que dois grãos distintos ao se unirem apresente uma certa incompatibilidade. A deformação plástica segundo MEYERS/ASHWORTH ocorre da seguinte forma: O escoamento, devido a concentração de tensões, ocorre nos contornos de grãos assim, os contornos de grão ficam mais encruados que os grãos, o que faz com que o contorno barre o movimento da discordância, porém após uma certa quanidade de deformação, a densidade de discordâncias no grão se iguala à no contorno do grão, isso faz com que a “barreira” não mais exista. Outras observações: Os contornos de maclas e de células de discordâncias também funcionam como barreiras ao movimento. Materiais nanocristalínos apresentam elevadíssima resistência mecânica. CAP.12 – Endurecimento por transformação martensítica Uma transformação de fase pode ser de dois tipos: transformação por difusão de átomos ou por cisalhamento. A transformação martensítica por sua vez é uma transformação de fase por cisalhamento sem difusão. É o escorregamento de átomos que pode ocorrer por deformação mecânica e/ou por variação brusca de temperatura (resfriamento rápido). A martensita é uma fase que apresenta estrutura TCC Características da transformação martensítica: A transformação ocorre por nucleação e cisalhamento e não por difusão de átomos; Existe uma orientação entre a fase inicial e a fase final; Existe um plano (plano de hábito) que é comum entre a parte transformada e a não transformada; A estrutura transformada é distinta da original; Os átomos se deslocam para uma direção menor que uma distância interatômica; A transformação martensítica ocorre apenas em uma faixa de temperatura, pois esta transformação depende de uma quantidade de energia elástica para ocorrer. Pode-se acelerar o processo de transformação martensítica deformando-se plasticamente o material durante o resfriamento. Os volumes da parte transformada é menor que o da inicial. Outra importante característica é que a transformação martensítica é geometricamente reversível, ou seja, aquecida, a martensita volta a seu estado austenítico (exceto o sistema Fe-C, pois antes de se tornar austenita a martensita se torna perlita. Morfologia da estrutura martensítica: Dependendo das condições de formação, a martensita pode apresentávárias morfologias, porém, as mais comuns são Placas e Ripas. As placas são mais comuns em ligas Fe-ni-C e Fe-Ni com altos teores de níquel e carbono. São formadas por maclas e/ou deslizamento de átomos. Possuem formato lenticular com a linha central denominada midrib. A estrutura das placas favorece o surgimento de microtrincas. As ripas são mais comuns em ligas Fe-ni-C e Fe-Ni com baixos teores de níquel e carbono. São formadas apenas por deslizamento de átomos. Possuem formato de ..., podem se organizar em formas de “pacotes”, possui maior tenacidade que as placas. Cristalografia da transformação: A transformação de uma estrutura (CFC) em martensita (TCC) pode ser explicada através das teorias das duas deformações. A transformação se dá através da formação de uma célula TCC por meio de duas células CFC. Daí, a célula TCC formada é transformada em uma CCC através da distorção de Bain. Considerando uma estrutura da martensita em um aço com 0,8%C, durante a transformação, os átomos de C vão se alojar nos interstícios da rede do Fe. Com o resfriamento rápido, esta configuração fica “congelada”, e a solução sólida resultante estará super-saturada, implicando em alongamento numa direção e contração nas outras direções. Como conseqüência, tem-se a célula tetragonal de corpo centrado, uma estrutura fortemente tensionada. Nucleação e Crescimento: A martensita nucleia-se a partir de heterogeneidades como, por exemplo em contornos de grãos e cresce com velocidade de aproximadamente 1km/s. Endurecimento da martensita: O endurecimento da martensita se dá devido a vários fatores como, a alta densidade de discordâncias devido a fina estrutura formada, devido ao surgimento de precipitados e soluções sólidas, o rearranjo de carbono, e outros fatores que contribuirão para o endurecimento do material durante a transformação. A distorção da rede TCC também implicará numa forte dificuldade para o movimento das discordâncias. Efeitos Mecânicos: Quando se aplica um esforço mecânico, como já citado, acelera o processo de transformação martensítica. Se a transformação se dá na região elástica denomina-se martensita induzida por tensão. Se a transformação ocorre no regime plástico, denomina-se martensita induzida por deformação. Um exemplo de martensita induzida por deformação são os aços TRIP. Os aços trip apresentam alta resistência mecânica provocado pelo encruamento e empilhamento de discordâncias durante o seu tratamento termomecânico e alta tenacidade provocada pela transformação martensítica. O revenimento da Martensita: A martensita apresenta uma estrutura com grande acúmulo de tensões, isto faz com que a estrutura martensítica apresente uma alta densidade de microtrincas. Visando melhorar a tenacidade do material, o revenimento é aplicado à estrutura martensítica, porém, isto faz com que a martensita se torna mais frágil devido a segregação que resultará em fratura entergranular. Efeito Memória de Forma: É a capacidade de um material ser deformado e retornar a sua posição original. Este efeito é devido a transformação martensítica. Dois efeitos mecânicos caracterizam a memória de forma: Superelasticidade: processo reversível no qual o material ao ser deformado vai passando da fase austenítica para a martensítica, resultando em um platô de elasticidade. Quando a carga é removida, a estrutura martensítica sofre cisalhamento reverso e volta a ser austenita. Memória de deformação: processo irreversível no qual um material totalmente deformado volta a sua posição inicial quando submetidos a um aumento de temperatura. CAP.13 – Endurecimento por materiais compósitos Definição: Materiais compósitos são materiais composto por duas ou mais fases combinadas a fim de garantir ao material propriedades desejadas. Os materiais compósitos são formados por uma martriz (fase contínua) e um reforço. Classificação e características:Os materiais compósitos podem ser classificados quanto a sua matriz (polimérica, cerâmica ou metálica) ou de acordo com seu reforço (partículas, fibras ou compósitos estruturais). Compósitos fibrosos: São os mais importantes, consiste por fibras como refoço. Estas fibras deve ser longas (contínuas) pois, se forem curtas (descontínuas) podem chegar a ser classificadas como compósitos particulados, além de fibras contínuas apresentarem mais eficiência em reforçar a matriz. Neste tipo de compósito a matriz costuma ser de menor densidade, rigidez e resistência mecânica que as fibras. Compósitos particulados: Consiste por partículas em suspensão com a matriz. Se as partículas de reforço são bem finas, bem duras, inertes e encontram-se dispersas de forma homogênea numa matriz metálica, forma-se o compósito reforçado por dispersão. Trata-se de um endurecimento por interação entre discordâncias e partículas, semelhante ao endurecimento por precipitação. Uma diferença básica entre estes dois métodos de endurecimento é a inexistência de reação entre as partículas e a matriz para o compósito reforçado por dispersão, inclusive em elevadas temperaturas. As partículas dispersas podem ser metálicas ou não metálicas. Compósitos estruturais: Podem ser de dois tipos: Compósitos estruturais laminados: Constituídos por lâminas que apresentam uma direção preferencial para elevada resistência mecânica. Estas lâminas são sobrepostas alternando a orientação de cada lâmina de forma a garantir que o material apresente a mesma característica nas várias direções em que for trabalhado. (isotropia). Pode-se construir uma estrutura compósita laminada também alternando as lâminas entre material homogêneo e material compósito ou então entre vários tipos de metais por exemplo e submetê-los a algum processo de conformação como forjamento ou laminação. Compósitos estruturais sandwish: Consiste de duas camadas externas de material resistente, separadas por uma camada de material de baixa densidade, com menor rigidez e resistência. Desta forma o núcleo garante uma resistência às tensões cisalhantes e deformações perpendiculares ao plano da face. Comportamento mecânico dos compósitos fibrosos: As cargas são transferidas da matriz pra fibra apenas ao longo da fibra e não através de suas extremidades. A orientação das fibras irá ser de extrema importância no tocante as suas propriedades mecânicas. A temperatura pode afetar a estrutura provocando reação entre a fibra e a matriz. A fratura de materiais compósitos é bastante complexa, mas pode-se dizer que as fibras darão resistência à propagação de trincas. CAP.14 – Fratura Um material pode ser diagnosticado com falha, quando a estrutura fica incapaz de realizar sua função, quando é considerada insegura para realizar sua função ou quando estiver completamente inutilizada. Esta falha pode ocorrer devido a negligencia de operação ou alteração na sua estrutura inicialmente projetada. Tecnicamente, a falha pode acontecer por: Deformação plástica; Impacto; Fadiga; Corrosão; Desgaste. Com isto, tem-se a necessidade da análise de falha. Esta análise é feita da seguinte forma: Identificação da falha; Coleta de dados e seleção de amostra; Ensaio visual; END; Ensaios mecânicos; Microscopia; Análise metalográfica; Análise química; Ensaios de simulação; Diagnóstico. Com o surgimento das trincas, o material vem então a sofrer a fratura. Esta fratura poderá ser de três tipos: frágil (ruptura de ligações), semifrágil (ruptura de ligações e mobilidade de discordâncias) ou dúctil (mobilidade de discordâncias). Uma fratura apresenta, macroscopicamente, três regiões bem definidas: zona fibrosa, zona cisalhante, zona radial. O tamanho destas zonas será dito pela temperatura e pela geometria do material. A fratura dúctil: O processo de separação do material acontece devido à formação crescimento e coalescimento dos dimples, que são pequenos vazios nucleados, na maioria das vezes por inclusões precipitados ou elementos de segunda fase. A fratura frágil: O processo de separação do material pode ocorrer de duas formas: transgranular ou intergranular (associada a fragilização de contornos de grãos. A fratura frágil transgranular pode ser observada por meio do aparecimento das “marcas de rio”. Tenacidade a fratura: Função do tamanho da trinca, da espessura do material, composição química. Um gráfico tensão comprimento de trinca, a curva representa a tenacidade crítica e atravessá-la representa que a trinca que crescia de forma estável e lenta, passa a crescer de forma estável e rápida. CAP.15 – Fadiga Fadiga é um processo de mudança estrutural de um material de forma permanente e localizada através de uma oscilação da tensão aplicada sobre esse material. O processo de fratura por fadiga acontece da seguinte forma: Nucleia-se danos permanentes no material devido a mudanças subestruturais e microestruturais; Geram-se trincas microscópicas; Essas trincas propagam-se e formam uma trinca dominante; Propagação estável desta trinca dominante; Instabilidade estrutural e fratura. As trincas no processo de fadiga originam-se preferencialmente onde há maior concentração de tensões. Esses lugares são, bandas de deslizamento, inclusões e contornos de grão. Diversas variáveis irão afetar o desgaste por fadiga. Estas variáveis são: Tensão média, Flutuações de tensão e danos acumulados, Concentrador de tensões, Tamanho do material, Tratamentos superficiais, Ambiente, Temperatura, Microestrutura.
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