Resumo Metalurgia Mec++¦nica

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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.