19. Mecanismos de Aumento de Resistência Mecânica pt.1

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Discordâncias e Mecanismos 
de Aumento de Resistência
Mecanismos de Aumento 
de Resistência
• São quatro os mecanismos principais:
1. Solução Sólida (Substitucional/Intersticial);
2. Precipitação/Dispersão (de partículas de segunda fase);
3. Tamanho de Grão (refino do tamanho de grão);
4. Encruamento.
1. Solução Sólida
• Adição de elementos de liga, visando à formação de soluções sólidas
(substitucionais ou intersticiais);
• As ligas metálicas são mais resistentes que os metais puros porque os
átomos do elemento de liga (soluto) impõem tensões e deformações
no reticulado ao redor destes átomos;
• A interação entre estes campos de tensão e as discordâncias restringe
o movimento das discordâncias, endurecendo a liga;
• Para minimizar a energia do material, esses átomos procuram lugares
onde possam se acomodar mais facilmente - junto às discordâncias;
1. Solução Sólida
• Existem dois tipos de SS: substitucional e intersticial:
1.1 Solução Sólida Substitucional
• Quando o tamanho do átomo de soluto é menor ou maior do que os
átomos de solvente na SS Substitucional, têm-se a geração de campos
de tensões;
1.1 Solução Sólida Substitucional
• Átomos substitucionais, originam uma DISTORÇÃO ESFÉRICA
SIMÉTRICA;
• Corresponde ao problema de desajuste elástico associado com a
inserção de uma esfera em um espaço menor ou maior;
• Ou seja, o átomo de soluto substitucional age com uma fonte de
dilatação de simetria esférica;
1.1 Solução Sólida Substitucional
• Para átomos substitucionais:
Se o ÁTOMO FOR MENOR do que os átomos do solvente tenderá a se
MOVER PARA O LADO DA COMPRESSÃO;
Se o ÁTOMO DE SOLUTO FOR MAIOR do que os átomos do solvente
será esperado que ele se mova PARA O LADO DE TENSÃO;
1. Solução Sólida
Aumento de resistência obtido por SS -> aumento na σLesc de um aço
como uma função do soluto dissolvido em SS;
1.2 Solução Sólida Instersticial
• Solutos intersticiais como C e N -> Fornecem um aumento de
resistência mecânica maior do que substitucionais como Mn Mb e Ni;
• Átomo de soluto colocado no cristal tem um CAMPO DE TENSÃO AO
REDOR DELE -> minimizado se o átomo de soluto se mover em
direção a discordância;
• Para um átomo intersticial (C inserido no Fe), a posição ideal de
mínima energia na estrutura é a REGIÃO DILATADA PERTO DO
CENTRO DA DISCORDÂNCIA;
1.2 Solução Sólida Instersticial
• Átomos intersticiais não somente produzem um desajuste
volumétrico, mas também induzem a uma DISTORÇÃO TETRAGONAL
na estrutura;
• Ambos ocupam posições intersticiais nos centros das faces e/ou
pontos médios dos cantos da estrutura CCC. Os átomos de carbono
ocupam pontos médios das arestas;
• Em (b) é mostrada a distorção tetragonal produzida quando um
átomo de carbono se move para um dos cantos do cubo de ferro;
1.2 Solução Sólida Instersticial
1.2 Solução Sólida Instersticial
• Distorção Tetragonal -> Átomos intersticiais interagem entre si e
formam atmosferas nas arestas das células e nas discordâncias;
• Em suma: SS intersticiais são mais efetivas no endurecimento porque
induzem distorções tetragonais – os átomos de soluto formarão
atmosferas com as discordâncias;
• Átomos de soluto atraídos para as discordâncias formam o que é
chamado de ATMOSFERA DE COTTRELL ao redor delas;
1.2 Solução Sólida Instersticial
• A atmosfera de Cottrell, é capaz de prender a discordância, exigindo a
aplicação de um maior esforço para livrar a discordância da
atmosfera;
1. Solução Sólida
A temperatura é uma variável importante na migração dos átomos de
soluto para a discordância;
Se a TEMPERATURA É MUITO BAIXA, o soluto não deve ser capaz de se
difundir, dificultando a redistribuição dos átomos de soluto para as
discordâncias;
A TEMPERATURAS MUITO ELEVADAS ( T > 0,5Tf) a mobilidade dos
átomos de soluto será maior do que a mobilidade das discordâncias,
diminuindo a restrição ao movimento das discordâncias;
2. Precipitação/Dispersão de uma 
Segunda Fase
• Segunda fase -> Região com composição e características atômicas e
estruturais distintas,
• Segundas fases provocam distorções na rede cristalina;
• A segunda fase é um obstáculo para a movimentação das
discordâncias no metal e desta forma aumenta a resistência do metal
ou liga;
• Uma fase secundária é formada a partir de uma SS supersaturada –
precipitada de átomos de soluto;
2.1 Precipitação
2.1 Precipitação
• A SS supersaturada é obtida por RESFRIAMENTO RÁPIDO a partir de
uma temperatura alta na qual a liga tem uma só fase;
• O tratamento térmico que causa a precipitação de soluto é chamado
ENVELHECIMENTO;
• O tratamento de precipitação consiste nos seguintes passos:
2.1 Precipitação
1. Solubilização – aquecer a liga até a região monofásica para dissolver
qualquer precipitado.
2. Resfriamento brusco (têmpera) – resfriamento rápido até a baixas
temperaturas para evitar a formação de precipitados estáveis.
Obtendo uma SS supersaturada.
3. Envelhecimento – deixar a SS supersaturada em temperatura
ambiente ou um pouco acima desta, AUMENTANDO A NUCLEAÇÃO
e resultando no aparecimento de PRECIPITADOS FINOS.
2.1 Precipitação
• Nos estágios iniciais do envelhecimento, algumas ZONAS DE
RETICULADO COERENTE NA FRONTEIRA PRECIPITADO/MATRIZ do
precipitado com a matriz aparecem;
• Estas zonas são estruturas de transição e são conhecidas como
ZONAS DE GÜINIER-PRESTON, ou ZONAS GP;
• São muito pequenas e tem um leve desemparelhamento da rede
cristalina;
2.1 Precipitação
• Conforme as zonas GP se formam, a dureza ou resistência mecânica
aumentam devido à tensão extra necessária para fazer as
discordâncias cisalharem;
• O pico de dureza e resistência é associado com a dispersão critica dos
precipitados;
• Um maior tempo de envelhecimento resulta em um aumento na
distância entre partículas;
2.1 Precipitação
• O crescimento das zonas semi-coerentes, resulta em uma completa
perda de coerência entre reticulados;
• Uma interface incoerente forma-se entre o precipitado e a matriz;
• O desemparelhamento da rede cristalina é compensado pela
introdução de discordâncias nas posições não correspondentes;
2.1 Precipitação
2.1 Precipitação
• Dependendo da natureza do precipitado e da relação cristalográfica
entre o precipitado e a matriz, podemos ter dois casos:
i) As partículas de PRECIPITADO SÃO IMPENETRÁVEIS ÀS
DISCORDÂNCIAS
ii) As partículas de PRECIPITADO SÃO PENETRÁVEIS PELAS
DISCORDÂNCIAS
2.1 Precipitação
i) As partículas de precipitado são impenetráveis às discordâncias:
• Segundo Orowan, se uma matriz tem partículas de segunda fase com
interfaces incoerentes, uma tensão adicional será necessária para
fazer as discordâncias CIRCUNDAREM as partículas precpitadas;
• Se a tensão necessária para cisalhar a partícula for maior do que para
arquear a discordância entre as partículas;
• As discordâncias vão se curvar entre os precipitados, formando anéis
de discordâncias envolvendo as partículas;
2.1 Precipitação
2.1 Precipitação
ii) As partículas de precipitado são penetráveis (coerentes) pelas
discordâncias:
• Se a tensão necessária para cisalhar a partícula for menor do que para
arquear a discordância entre as partículas;
• As partículas serão cisalhadas pelas discordâncias em seus planos de
cisalhamento;
• Conforme o tamanho e a quantidade de partículas aumentam, mais
trabalho é necessário para a discordância cisalhar através das
partículas;
2.1 Precipitação
2.2 Dispersão
• Na dispersão têm-se a inserção de uma segunda fase INSOLÚVEL
constituída de partículas duras (Ex: óxidos ou compostos
intermetálicos) em uma matriz dúctil;
• Partículas introduzidas que não crescem em altas temperaturas;
• Fração de dispersos é geralmente baixa, de 3 a 4% no máximo;
• A dificuldadedo tratamento de endurecimento por dispersão vem da
inserção do disperso no banho;
• Deve-se evitar a formação e precipitação de escórias (favoráveis
devido a diferença de densidade) quando adicionados ao banho;
2.2 Dispersão
2.2 Dispersão
• Superligas de níquel IN792 e MAR M-200 são endurecidas por
precipitação;
• A baixas temperaturas (até 1000°C), o endurecimento por
precipitação é mais efetivo;
• Já a liga de Níquel TD contém uma dispersão de ThO2, um óxido de
elevado ponto de fusão - insolúvel na matriz;
• Em 1100°C, o precipitado se dissolve na matriz e a resistência é
reduzida drasticamente;
• A dispersão de ThO2 continua a fornecer um aumento de resistência
efetivo em temperaturas elevadas.
2.2 Dispersão
• Por ambos os métodos abordados (precipitação/dispersão), as
interações entre matriz e segunda fase dependem:
i. das dimensões dos precipitados;
ii. resistência dos precipitados;
iii. espaçamento dos precipitados;
iv. fração volumétrica (quantidade) dos precipitados.