201546 18382 MMI AumentoResistenciaMecanica

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MATERIAIS MECÂNICOS I
UNIVERSIDADE DO VALE DOS SINOS 
Curso de Engenharia Mecânica
MATERIAIS MECÂNICOS I
Profa. Tatiana Rocha
Semestre 2011/2
MECANISMOS DE AUMENTO DE RESISTÊNCIA MECANISMOS DE AUMENTO DE RESISTÊNCIA 
DOS METAISDOS METAIS
1. Aumento da resistência por adição de elemento de liga 
(formação de solução sólida ou precipitação de fases)
2. Aumento da resistência por redução do tamanho de grão
3. Aumento da resistência por encruamento
RESTAURAÇÃO DAS PROPRIEDADES POR RESTAURAÇÃO DAS PROPRIEDADES POR 
TRATAMENTO TÉRMICOTRATAMENTO TÉRMICO
A. Recuperação
B. Recristalização
C. Crescimento de Grão
11-- AUMENTO DA RESISTÊNCIA POR ADIÇÃO AUMENTO DA RESISTÊNCIA POR ADIÇÃO 
DE ELEMENTOS DE LIGA DE ELEMENTOS DE LIGA 
Endurecimento por solução sólida - é a formação de uma liga com átomos 
como impurezas que entram como átomos substitucionais ou intersticiais.
Metais de alta pureza são quase sempre mais macios e fracos do que 
materiais ligados. O aumento da concentração da impureza resulta no 
aumento do limite de escoamento, resistência à tração e dureza.
átomo 
intersticial
átomos 
substitucionais
11-- AUMENTO DA RESISTÊNCIA POR ADIÇÃO AUMENTO DA RESISTÊNCIA POR ADIÇÃO 
DE ELEMENTOS DE LIGA DE ELEMENTOS DE LIGA 
Ex: interação de discordâncias em soluções sólidas 
substitucionais.
Quando um átomo de uma impureza está presente, 
o movimento da discordância fica restringido, ou seja, 
deve-se fornecer energia adicional para que continue 
havendo escorregamento. Por isso soluções sólidas
de metais são sempre mais resistentes que seus
metais puros constituintes.
PrecipitadosPrecipitados
Elementos como metais e oxigênio, 
apresentam solubilidade relativamente 
baixa, o que os torna propensos a formarem 
aglomerados ou precipitados extremamente 
pequenos no sólido (geralmente alguns nm), 
com composições químicas definidas e 
uniformemente dispersos no interior da 
11-- AUMENTO DA RESISTÊNCIA POR ADIÇÃO AUMENTO DA RESISTÊNCIA POR ADIÇÃO 
DE ELEMENTOS DE LIGA DE ELEMENTOS DE LIGA 
uniformemente dispersos no interior da 
matriz original.
A formação de um precipitado e a sua 
estabilidade térmica depende dele alcançar 
um raio crítico mínimo para crescer.
O processo de endurecimento por 
precipitação ou endurecimento por 
envelhecimento promove, através deste 
tratamento térmico o aumento da resistência 
mecânica do material metálico. Já a redução 
na resistência e na dureza após longos 
períodos de tempo é chamada de 
superenvelhecimento.
Imagem MET Al 
AA6056: CG,
ppt e discordâncias. 
Aumento: 
(a) 66.000X 
(b) 200.000X
a
b
PARTÍCULAS DE SEGUNDA FASE PARTÍCULAS DE SEGUNDA FASE 
MET 200000X - TTMET 115.000X
2 2 -- AUMENTO DA RESISTÊNCIA POR AUMENTO DA RESISTÊNCIA POR 
DIMINUIÇÃO DO TAMANHO DE GRÃODIMINUIÇÃO DO TAMANHO DE GRÃO
• O contorno de grão (CG) funciona como uma 
barreira para a continuação do movimento 
das discordâncias devido:
– às inúmeras descontinuidades presentes no grão e nos – às inúmeras descontinuidades presentes no grão e nos 
contornos de grão;
– as diferentes orientações presentes (CG de alto ângulo).
– a energia interfacial é menor em materiais de grãos 
grosseiros, pois a área total de CG é menor do que em 
materiais com grão mais fino.
22-- AUMENTO DA RESISTÊNCIA POR AUMENTO DA RESISTÊNCIA POR 
DIMINUIÇÃO DO TAMANHO DE GRÃODIMINUIÇÃO DO TAMANHO DE GRÃO
Ex: deformação plástica em materiais policristalinos
• O contorno de grão 
interfere no movimento 
das discordânciasdas discordâncias
• Devido as diferentes 
orientações cristalinas 
presentes resultantes do 
grande número de grãos, 
as direções de 
escorregamento das 
discordâncias variam 
de grão para grão.
A direção de escorregamento varia de grão para grão
linhas de escorregamento
DIREÇÕES DE ESCORREGAMENTO X GRÃODIREÇÕES DE ESCORREGAMENTO X GRÃO
3 3 -- ENCRUAMENTO OU ENDURECIMENTO ENCRUAMENTO OU ENDURECIMENTO 
PELA DEFORMAÇÃO À FRIOPELA DEFORMAÇÃO À FRIO
• É o fenômeno no qual um material endurece devido à deformação plástica (realizado pelo trabalho “à frio”). Alguns metais endurecem por deformação a temp. ambiente;
• A medida que se aumenta o encruamento maior é a • A medida que se aumenta o encruamento maior é a força necessária para produzir uma maior deformação. Pois o movimento de uma discordância é impedido pela presença de outras discordâncias. Então, à medida em que a densidade de discordâncias aumenta, a resistência ao movimento de discordância por outras discordâncias se torna mais pronunciada;
ENCRUAMENTO OU ENDURECIMENTO PELA ENCRUAMENTO OU ENDURECIMENTO PELA 
DEFORMAÇÃO À FRIODEFORMAÇÃO À FRIO
• O movimento das discordâncias ao longo dos planos de escorregamento e a distorção dos planos resultantes das deformações dos grãos adjacentes tornam desordenada a estrutura cristalina regular inicialmente presente;presente;
• O endurecimento por deformação é utilizado comercialmente para melhorar as propriedades mecânicas de metais que não respondem a tratamentos térmicos.
• O encruamento pode ser removido por tratamento térmico (recozimento).
DEFORMAÇÃO PLÁSTICA E DISCORDÂNCIASDEFORMAÇÃO PLÁSTICA E DISCORDÂNCIAS
• Nos sólidos cristalinos a deformação plástica geralmente envolve:
– O escorregamento de planos atômicos,
– O movimento de discordâncias,
– Formação de maclas.
• Então, a formação e movimento das discordâncias têm papel • Então, a formação e movimento das discordâncias têm papel fundamental para o aumento da resistência mecânica em muitos materiais. Portanto:
A capacidade de um material de se deformar plasticamente 
depende da capacidade das discordâncias se moverem.
O movimento das discordâncias produz a 
deformação e a recuperação do material.
MACLASMACLAS
São cristais complexos, formados a partir de um agrupamento 
de dois cristais gêmeos ou dois semi-cristais. 
Ex. Linhas de maclas de Mg deformado plasticamente.
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DEFORMAÇÃO PLÁSTICA E DISCORDÂNCIASDEFORMAÇÃO PLÁSTICA E DISCORDÂNCIAS
• Discordâncias em cunha 
movem-se devido à 
aplicação de uma tensão de 
cisalhamento perpendicular 
à linha de discordância.
• O movimento das 
discordâncias pode parar na discordâncias pode parar na 
superfície do material, no 
contorno de grão ou num 
precipitado ou outro defeito.
• A deformação plástica 
corresponde à deformação 
permanente que resulta 
principalmente do 
movimento de discordâncias 
(em cunha ou em hélice).
CARACTERÍSTICAS DAS DISCORDÂNCIAS CARACTERÍSTICAS DAS DISCORDÂNCIAS 
IMPORTANTES PARA AS PROPRIEDADES MECÂNICASIMPORTANTES PARA AS PROPRIEDADES MECÂNICAS
• Quando os metais são 
deformados plasticamente cerca 
de 5% da energia é retida 
internamente, o restante é 
dissipado na forma de calor.
• A maior parte desta energia 
armazenada está associada com 
as tensões associadas às 
discordâncias.
• A presença de discordâncias 
promove uma distorção da rede 
cristalina de modo que certas 
regiões sofrem tensões 
compressivas e outras tensões 
de tração.
GRAU DE DEFORMAÇÃO PLÁSTICA EM GRAU DE DEFORMAÇÃO PLÁSTICA EM 
TERMOS DE TRABALHO À FRIO (TF)TERMOS DE TRABALHO À FRIO (TF)
%TF= A0 - Af x 100
AA0
Onde: A0 é a área original da seção reta que experimenta a 
deformação e Af é a área após a deformação.
ENCRUAMENTO & MICROESTRUTURAENCRUAMENTO & MICROESTRUTURA
• Antes da deformação 
a frio
• Depois da deformação 
a frio
A capacidade de um material de se deformar plasticamente está 
relacionado com a habilidade das discordâncias se movimentarem.
RELAÇÃO DEFORMAÇÃO RELAÇÃODEFORMAÇÃO -- DUCTILIDADEDUCTILIDADE
Curva 1
Curva 2
ExemploExemplo
% Alongamento= (lf-lo/lo)x100
Def. plástica total até a ruptura.Deformação (εε) ) = lf-lo/lo= ∆l/lo
1N/mm2 = 1MPaCurva 1 – antes do encruamento
Curva 2 – depois do encruamento
VARIAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS VARIAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS 
EM FUNÇÃO DO ENCRUAMENTOEM FUNÇÃO DO ENCRUAMENTO
O encruamento aumenta 
a resistência a tração
O encruamento
aumenta a tensão de aumenta a tensão de 
escoamento
O encruamento diminui o 
alongamento ( ductilidade) 
VARIAÇÃO DAS PROPRIEDADES EM FUNÇÃO VARIAÇÃO DAS PROPRIEDADES EM FUNÇÃO 
DO TRABALHO A FRIODO TRABALHO A FRIO
RESTAURAÇÃO DAS PROPRIEDADESRESTAURAÇÃO DAS PROPRIEDADES
ESTÁGIOS DO TRATAMENTO TÉRMICO 
DE RECOZIMENTO:
A. RecuperaçãoA. Recuperação
B. Recristalização
C. Crescimento de grão
A Recuperação e a Recristalização dependem da 
energia armazenada durante a deformação a frio.
A.A. RECUPERAÇÃORECUPERAÇÃO
• É a restauração das propriedades físicas de um material deformado a frio sem alteração microestrutural aparente. Ex. condutividade elétrica aumenta rapidamente ; 
• Há um alívio das tensões internas armazenadas durante a deformação devido ao movimento das discordâncias resultante da difusão atômica a alta temperatura;
• Nesta etapa há certa diminuição do número de discordâncias e a restauração parcial da maleabilidade (menor resistência e a restauração parcial da maleabilidade (menor resistência mecânica e maior ductilidade);
• Em temperaturas de cerca de 0,3 – 0,5 Tf, as discordâncias são bastante móveis para formar arranjos regulares (subgrãos); 
• Em suma, a recuperação a alta temperatura tem por finalidade a movimentação das discordâncias resultantes da deformação plástica, originando subgrãos ou contornos de células. 
B.B. RECRISTALIZAÇÃORECRISTALIZAÇÃO
O processo de recristalização é um 
realinhamento dos átomos dentro 
dos cristais que leva ao 
abaixamento de energia. Amostras 
recozidas revelam que na região de 
máxima liberação de energia, há máxima liberação de energia, há 
liberação de energia 
simultaneamente com o 
crescimento de um arranjo 
totalmente novo dos cristais sem 
deformação, que crescem à custa 
dos cristais anteriormente 
deformados.
• Se os metais deformados plasticamente forem submetidos a um aquecimento controlado, este aquecimento fará com que haja um rearranjo dos cristais deformados plasticamente, diminuindo a dureza dos mesmos;
B.B. RECRISTALIZAÇÃORECRISTALIZAÇÃO
dureza dos mesmos;
• O número de discordâncias reduz mais ainda;
• As propriedades mecânicas voltam ao seu estado original (correspondente ao material antes de encruado).
B.B. RECRISTALIZAÇÃORECRISTALIZAÇÃO
Forma-se um novo 
conjunto de grãos que 
são equiaxiais
Pode-se refinar o grão
de uma liga monofásica
mediante deformação 
plástica e recristalização
CINÉTICA DE RECRISTALIZAÇÃOCINÉTICA DE RECRISTALIZAÇÃO
• Ocorre por processos de nucleação e crescimento de grão;
• A temperatura de recristalização é dependente do tempo – quanto 
maior a temperatura menor o tempo para a recristalização se 
completar;
• A temperatura de recristalização está entre 1/3 e 1/2 da 
temperatura de fusão.
Equação Arrhenius Equação Arrhenius 
Onde: 1/τ é a velocidade com a qual 50% da estrutura se recristaliza;
A é a constante que depende do material; 
Qr é a energia de ativação para a recristalização;
R é a constante dos gases
T é a temperatura em K.
1/τ = A.e-Qr/RT
Exemplos:
• Chumbo - 4°C
• Estanho - 4°C
• Zinco 10°C
• Alumínio de alta pureza 80°C
TEMPERATURA DE RECRISTALIZAÇÃOTEMPERATURA DE RECRISTALIZAÇÃO
• Alumínio de alta pureza 80°C
• Cobre de alta pureza 120°C
• Latão 60-40 475°C
• Níquel 370°C
• Ferro 450°C
• Tungstênio 1200°C
C.C. CRESCIMENTO DE GRÃOCRESCIMENTO DE GRÃO
• Depois da recristalização se o material permanecer 
por mais tempo em temperaturas elevadas o grão 
continuará à crescer.
• A força responsável pelo crescimento de grão é a 
diminuição da energia livre resultante da diminuição da energia livre resultante da 
diminuição da área de CG devido ao aumento do 
tamanho de grão.
• Em geral, quanto maior o tamanho de grão mais 
mole é o material e menor é sua resistência 
mecânica.
TAMANHO DE GRÃO ASTMTAMANHO DE GRÃO ASTM
TG ASTM TG mm
ASTM 1 0,254 mm
ASTM 2 0,180 mm
ASTM 3 0,127 mm
ASTM 4 0,0898 mmASTM 4 0,0898 mm
ASTM 5 0,064 mm
ASTM 6 0,045 mm
ASTM 7 0,032 mm
ASTM 8 0,0189 mm 
ASTM 9 0,0159 mm
ASTM 10 0,0112 mm
MECANISMOS QUE OCORREM EM UM MATERIAL MECANISMOS QUE OCORREM EM UM MATERIAL 
ENCRUADOENCRUADO
Ex:
� Recuperação –
entre 100 e 200°C.
� Recristalização –
Ex: Latão
1os núcleos de grãos 
ocorrem por volta 
dos 220°C. 
Grãos recristalizados 
entre 350 e 500°C.
� Crescimento de 
grão – acima de 
500°C. 
ALTERAÇÕES MICROESTRUTURAISALTERAÇÕES MICROESTRUTURAIS
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(b)
Mudanças na microestrutura de um aço 
(a) 40% deformado a frio
(b) 440°C, 15min. – finos grãos recristalizados
(c) 575 °C, 15min. – grão grande devido ao 
crescimento de grão
(a)
(c)
VARIAÇÃO DAS PROPRIEDADES EM FUNÇÃO VARIAÇÃO DAS PROPRIEDADES EM FUNÇÃO 
DO ENCRUAMENTODO ENCRUAMENTO
FORMAÇÃO DE FASESFORMAÇÃO DE FASES
⇒ Transformações microestruturais em sólidos (reações no estado sólido) envolvem rearranjo 
de átomos. A classificação das reações pode ser:
→ Crescimento de grão: - átomos se movem através do contorno de grão;
- não há variação na composição;
- não há novos grãos.
→ Recristalização: - grãos novos ;
- não há variação na composição;
- não há mudança no tipo de estrutura cristalina.
→ Solubilização: - desaparecimento de uma fase existente, por solução na fase 
matriz;matriz;
- prevalece difusão atômica.
→Precipitação: - separação de uma nova fase a partir de uma solução sólida 
supersaturada;
- prevalece a difusão atômica;
→ Fase Eutetóide: - decomposição de uma fase (no resfriamento) em duas novas 
fases;
- prevalece a difusão atômica;
→Transformação martensítica: - variação alotrópica decorrente do cisalhamento de 
um ou mais planos cristalinos em relação a 
planos adjacentes;
- sem difusão;
Diagrama de Fases de Solução Sólida LimitadaDiagrama de Fases de Solução Sólida LimitadaDIAGRAMA DE FASESDIAGRAMA DE FASES
Microestruturas características de diferentes regiões em um diagrama de fases de 
eutético binário com solução sólida limitada.
Fe
Diagrama de Fases do Sistema Fe CDiagrama de Fases do Sistema Fe C
DIAGRAMA DE FASESDIAGRAMA DE FASES
fofosaçosFe
Soluções sólidas:
Ferro δ:
solução sólida de C em FeCCC(máxima solubilidade: 0,034%C a 1493°C)
Austenita γ:
solução sólida de C em FeCFC(máxima solubilidade: 2,11%C a 1148oC)
Diagrama de Fases do Sistema Fe CDiagrama de Fases do Sistema Fe C
DIAGRAMA DE FASESDIAGRAMA DE FASES
Ferrita α: 
solução sólida de C em FeCCC(máxima solubilidade: 0,022%C a 727oC)
Composto estequiométrico:Cementita Fe3C
93,33%Fe e 6,67%C 
Fe C Fe3C
55,5 x 3 = 166,5 + 12 = 188,5
%C na Fe3C = 12 / 189,5 * 100 = 6,67 %
FERRITA AUSTENITA
FORMAS ALOTRÓPICAS DO FERRO
Diagrama de Fases do SistemaFe CDiagrama de Fases do Sistema Fe C
DIAGRAMA DE FASESDIAGRAMA DE FASES