MM01metalurgiadadeformao 20180226132629

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Metalurgia da Deformação
26/02/2018 1
Jefferson José Vilela
jefferson.vilela@prof.unibh.br
Doutor em Transformação Mecânica dos Metais, 
UFMG, 1999
• Os mecanismo de endurecimento de 
materiais cristalinos:
– Encruamento
– Refino de grão
– Solução sólida
– Precipitação/Partículas de segunda fase
Mecanismos de Endurecimento
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• Encruamento é um fenômeno pelo qual 
um metal dúctil se torna mais duro e mais 
forte quando ele é plasticamente 
deformado
Encruamento
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• Regiões de compressão (escura) e de 
tração (clara) localizadas ao redor de uma 
discordância de aresta
Encruamento
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• Microestrutura
– Grãos se alongando na direção de maior 
deformação
– Material como um todo pode desenvolver 
propriedades direcionais (anisotropia)
Encruamento
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• Um material finamente granulado é mais 
duro e mais forte do que o mesmo 
material grosseiramente granulado,
– A área total de contorno de grão é maior para 
impedir o movimento da discordância
Refino de grão
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• Razões barreira ao movimento da 
discordância
– Os grãos apresentam diferentes orientações
• Uma discordância passando através do grão B 
terá que mudar sua direção de movimento
– A desordem atômica dentro de uma região de 
contorno de grão resulta numa 
descontinuidade de planos de 
escorregamento a partir de um grão para o 
outro
Refino de grão
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• Grãos adjacentes normalmente têm 
diferentes orientações cristalográficas
Refino de grão
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• Equação de Hall-Petch
– O limite convencional de elasticidade varia 
com o tamanho de grão para muito materiais
• d é o diâmetro médio de grão
• σo e kl são constantes para um particular material
Refino de grão
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• Controle do tamanho de grão
– Taxa de solidificação a partir da fase líquida
– Deformação plástica seguida por um 
tratamento térmico apropriado
Refino de grão
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• Questão 1: Equação de Hall-Petch:
�O limite de escoamento inferior é 135 MPa para uma amostra de 
ferro cujo o tamanho de grão médio é 50 µm. Em um tamanho de 
grão médio de 8 µm, o limite de escoamento aumenta para 
260 MPa. Em qual tamanho de grão médio, o limite de escoamento 
será de 205 MPa.
�(Callister, exercício 7.24)
Refino de grão: Exercício
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• Metais de alta pureza são quase sempre 
mais macios e fracos do que ligas 
compostas do mesmo metal base
• Aumentando da concentração da 
impureza resulta num aumento do limite 
de resistência à tração, e dureza
Solução Sólida
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• Um átomo de impureza que seja menor do 
que um átomo da matriz a quem ele 
substitui exerce deformações trativas 
sobre a circundante rede cristalina
Solução Sólida
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• Um átomo substitucional maior impõe 
deformações compressivas em sua 
vizinhança
Solução Sólida
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• Ancoramento das discordâncias
Precipitação/Partículas
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• Aços inoxidáveis austeníticos
– Decomposição espinoidal
• Intervalo de temperatura e composição em que a 
fase estável se decompõe em duas ou mais fases.
Precipitação/Partículas
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• Aços inoxidáveis austeníticos
Precipitação/Partículas
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• Aços inoxidáveis austeníticos
– Fase alfa linha 
• Estrutura CCC;
• Contém ferro e cromo, sendo mais rica em cromo 
do que em ferro.
• Finamente dispersa na ferrita, com tamanho 
reduzido, na faixa de 20 a 200 Å, e com 
similaridade estrutural e com pouco contraste em 
relação à matriz ferrítica;
• Responsável pelo fenômeno da fragilidade que 
ocorre em aços inoxidáveis ferríticos e dúplex, na 
faixa de 270 a 550ºC.
• Diminuição da mobilidade das discordânicias.
Precipitação/Partículas
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• Os mecanismo de amaciamento de 
materiais cristalinos:
– Recuperação
– Recristalização
– Crescimento de grão
Mecanismos de Amaciamento
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• Há uma temperatura suficientemente elevada, 
a vibração térmica dos átomos permita maior 
mobilidade das deslocações.
• As discordâncias tornam-se bastante móveis 
para se aniquilarem (somente as deslocações 
de sinais opostos).
• Surge a poligonização, que é uma estrutura 
celular (subgrãos) com uma pequena 
defasagem de orientação cristalográfica entre 
as células.
Recuperação
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• 2 discordâncias de sinais opostos e tendo 
o mesmo plano de escorregamento
– Elas serão atraídas entre si e ocorrerá 
aniquilação destas quando se encontrarem
• Os 2 meio-planos extras de átomos se alinharão e 
se tornarão um plano inteiro
Recuperação
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• É um processo que depende do tempo e, 
embora não mude a microestrutura, restaura 
parcialmente a maciez
– Menor resistência
– Maior ductilidade
Recuperação
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• Em alguns metais o processo de recuperação 
aumenta a ductilidade mais do que diminui a 
resistência
• Possível controlar as propriedades finais do 
produto deformado por meio de um severo 
trabalho a frio, seguido de um recozimento de 
recuperação que restaura grande parte da 
ductilidade sem reduzir muito a resistência
Recuperação
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• Quando existe uma deformação crítica e 
temperatura suficiente para a ativação térmica 
do processo, novos grãos se formam.
• Os novos grãos têm baixa densidade de 
discordâncias
• Microestrutura resultante é equiaxial
• Uma textura cristalográfica de recozimento é 
desenvolvida
Recristalização
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• Processo de recristalização envolve difusão
– Grandemente dependente da temperatura e do 
tempo
– Pequenos teores de elemento de liga podem 
retardar substancialmente a formação de novos 
grãos
• Elevando a temperatura de recristalização
Recristalização
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• Na prática, a temperatura de recristalização é 
convencionalmente definida como aquela em 
que o metal severamente encruado recristaliza 
totalmente no espaço de uma hora
Recristalização
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– Quanto maior a deformação prévia
• Menor será a temperatura de recristalização 
• Menor será o tamanho de grão resultante
• Maior será o número de núcleos a partir dos quais 
crescerão os novos grãos
– Estrutura de grãos grosseiros apresenta propriedades mecânicas 
pobres
– Tamanho de grão fino fornece ao material alta resistência sem 
diminuir muito a ductilidade
Recristalização
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– Adições de elementos de liga tendem a aumentar a 
temperatura de recristalização
• Retardam a difusão
– Quanto menor a temperatura
• Maior o tempo necessário à recristalização
Recristalização
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• As alterações granulares na recristalização de 
recozimento
Recristalização
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Recristalização
• Questão 2:
–Descreva a diferença entre os 
processos de recristalização e 
recuperação e represente a estrutura 
granular.
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• Processo pelo qual o tamanho médio de grão 
aumenta continuamente durante o tratamento 
térmico
• A força motriz para o crescimento dos grãos é 
a redução da área superficial total do grão
• Quando os grãos crescem em tamanho e 
decrescem em número, a área do contorno de 
grão diminui e, assim, a energia de superfície 
decresce
Crescimento de Grão
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• Este crescimento não precisa ser precedido por 
processos de recuperação e recristalização
– Exemplo:
• Sinterização de cerâmica
• O crescimento exagerado dos grãos pode 
reduzir muito a resistência mecânica
Crescimento de Grão
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• 1953: o metalurgista Cyril Stanley Smith 
estudou o crescimento de grão usando bolhas 
de sabão 
Crescimento de Grão
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• Células com um número pequeno de lados são 
absorvidaspor bolhas maiores
– Uma célula triangular é absolvida por uma célula 
hexagonal
Crescimento de Grão
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• Efeito da curvatura dos contornos de grão
Crescimento de Grão
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• Movimentação dos átomos e do contorno de 
grão
Crescimento de Grão
26/02/2018 36
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• Equação de crescimento de grão
– Crescimento isotérmico de grão em latão 90Cu-
10Zn
Crescimento de Grão
�
�
�
�
�
� −
••=−
RT
Q
tKDD nn exp00
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• Caracterização por microscopia ótica
Crescimento de Grão
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• Solução sólida inibe o crescimento de grão
– Arrasto de soluto dificulta a movimentação do 
contorno, restringindo o crescimento de grão
• Partículas inibem o crescimento de grão
– “Ancoramento” dos contornos de grão
Crescimento de Grão
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• Bloqueio dos contornos de grão por partículas
Crescimento de Grão
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• Interação das partículas com contornos de grão
Crescimento de Grão
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• Questão 3: Equação de crescimento de grão
O diâmetro médio do grão para um latão foi medido em função do 
tempo a 650°C conforme a tabela abaixo:
Considerando n =2.
a. Qual era o diâmetro original?
b. Qual seria o diâmetro de grão esperado após 200 minutos a 
650°C?
Crescimento de Grão: Exercício
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Tempo (minutos) Diâmetro (mm)
40 56
100 80
• Classificados das operações
– Trabalho a frio
• Deformação sob condições de temperatura e 
taxa de deformação que não ativa os processos 
de recuperação e recristalização
– Trabalho a morno
• Deformação sob condições de temperatura e 
taxa de deformação que ativa apenas o processo 
de recuperação,
• Não ocorre recristalização
• Novos grãos não são formados
Temperatura de deformação
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• Classificados das operações
– Trabalho a quente
• Encruamento e a estrutura distorcida dos grãos 
produzida pela deformação são eliminados pela 
formação de novos grãos
• Estes novos são produzidos pelo processo de 
recristalização e são livres de deformação
Temperatura de deformação
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• Trabalho a frio (encruado)
• Trabalho a morno (recuperação)
• Trabalho a quente (recristalização)
Temperatura de deformação
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• Exemplos de deformação
– Deformação a quente
• Pb e Sn a temperatura ambiente (25 oC)
– Deformação a frio
• Tungstênio a 1100ºC
– Deformação a quente
• Aço a 1100ºC
Temperatura de deformação
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• Metais puros que não apresentam 
mudança de fase na região sólida
• TF – trabalho a frio entre 0 e 0,3 Tf 
• TM – trabalho a morno entre 0,3 e 0,5 Tf
• TQ – trabalho a quente acima de 0,5Tf
Temperatura homóloga
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Temperatura homóloga: Exercício
• Questão 4: Laminação do gelo
• Qual seria a classificação do processo 
com relação à temperatura se fosse 
possível laminar um gelo puro -10°C? 
Explique. (Exercício 4.1, Cetlin)
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Temperatura homóloga
• Resposta do exercício: laminação do gelo
• O processo seria a quente.
Temperatura homóloga: Exercício
• Temperatura de conformação
• A temperatura de fusão do cobre é 
1085°C. Este material foi usado para 
fabricar um tubo usando o processo de 
extrusão à 250°C. Classificar o 
processo com relação à temperatura e 
esboçar a forma final dos grãos. 
Justifique a sua classificação.
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Temperatura homóloga
• Resposta do exercício: temperatura de 
conformação
• O processo seria a morno.
Velocidade de deformação
• Velocidade de deformação
• A velocidade ou taxa de deformação exerce 
dois efeitos
• A tensão de escoamento do metal aumenta 
com a taxa de deformação
• A temperatura do material aumenta devido ao 
aquecimento adiabático
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Velocidade de deformação
• Pode-se deduzir
– v é a velocidade do travessão da máquina de tração
– Essa equação indica que para uma velocidade 
constante do travessão a taxa de deformação 
logarítmica decresce proporcionalmente ao aumento 
do comprimento do corpo de prova.
– Taxa de deformação logaritímica pode ser relacionada 
com a convencional
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Velocidade de deformação
• Experimentalmente, encontra-se a seguinte 
expressão
• m = coeficiente de sensibilidade à taxa de 
deformação
• Expoente m pode ser obtido da inclinação do 
gráfico de log σ X log( )
• Uma maneira mais precisa de obtê-lo é através 
de ensaios com taxa de deformação variável 
no qual m é determinado por medidas de 
mudança da tensão de escoamento induzida
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Velocidade de deformação
• A sensibilidade a taxa de deformação dos 
metais é bem baixa (< 0,1) à temperatura 
ambiente
• m aumenta com a temperatura, especialmente 
para temperaturas acima da metade do ponto 
absoluto de fusão
• Sensibilidade à taxa de deformação é um bom 
indicador das mudanças do comportamento da 
deformação
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Velocidade de deformação
• As medidas de m fornecem um elo de ligação 
entre os conceitos de deslocações na 
deformação plástica e as medidas 
macroscópicas feitas num ensaio de tração
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Velocidade de deformação
• Existe um grupo de ligas denominadas 
materiais superplásticos
• valores de m próximos de 1,0
• Materiais superplásticos
• Suportam deformações de até 1000%
• Na estricção, a região do empescoçamento aumenta
• Esta região se torna mais resistente, levando à uma 
estricção difusa
• Para a obtenção de materiais superplásticos
• Granulometria deve ser fina e estável mesmo com a 
elevação da temperatura
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Velocidade de deformação
• Materiais comuns que se destinam a 
operações de estampagem como aços baixo C
• Não são superplásticos e apresentam baixos 
valores de m
• Estricção difusa destes materiais é altamente 
influenciada pelo valor de m
• Mecanismo para ocorrer esta estricção é o mesmo 
que nos materiais superplásticos
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Velocidade de deformação
• Valores típicos de velocidades de 
deformação para diferentes operações de 
ensaios e conformação
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Operação Velocidade (m/s)
Ensaio de Tração 6,7*10-7 a 6*10-3
Prensa Hidráulica 0,003 a 3,0
Prensa Mecânica 0,15 a 1,5
Impacto Charpy 3 a 6
Martelo de Forjamento 3 a 9
Conformação por Explosão 30 a 120
Velocidade de deformação
– Velocidade de conformação da maioria dos 
equipamentos comerciais
• Mais rápida do que a velocidade de deformação 
utilizada no ensaio de tração padronizado
• Não chega a ser elevada o suficiente para tornar 
importante os efeitos de ondas de tensão
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Velocidade de deformação: Exercício
• Questão 5: Influência da velocidade de 
deformação na tensão
• Uma peça de cobre sofre uma redução de 
40 %, por compressão. As operações são 
executadas nas velocidades de deformação de 
0,01 e 10 s-1. O limite de escoamento pode ser 
obtido pela equação . Calcular o 
acréscimo percentual nas temperaturas de 900 
e 18 oC, considerando para 900oC: A = 55 MPa 
e m = 0,195; e para 18 oC: A = 541 MPa e
m = 0,006. (Exercício 4.2, Cetlin)
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T
mC
ε
εσ �1=
Velocidade de deformação
• Resposta do exemplo de exercício
• A18°C, a alteração da velocidade de deformação de 0,01 para 
10 s-1 aumenta o limite de escoamento em 4,2% e, a 900°C, 
esta alteração aumenta para 285%.
• A deformação plástica e o atrito contribuem 
para a geração de calor
• Apenas 5 a 10% da energia empregada na 
deformação plástica de um metal fica 
acumulada na rede cristalina, sob a forma de 
energia interna
Geração de calor
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• Algumas operações de conformação contínua 
efetuadas em altas velocidades, a temperatura 
pode aumentar de centenas de graus
– Extrusão
– Trefilação
•Dissipação do calor
– Ferramentas
– Atmosfera
• O restante do calor
– Permanece na peça
Geração de calor
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• Máximo acréscimo teórico de temperatura 
devido à deformação plástica
– Condições idealmente adiabáticas
– Atrito nulo
• Wp = trabalho de deformação plástica por unidade de 
volume
• ρ = densidade do material
• c = calor específico do material
Geração de calor
c
W
T p
ρ
=∆ max
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Um arame de aço com 5,00 mm de diâmetro é trefilado 
para 4,00 mm de diâmetro. A curva de fluxo pode ser 
modelada usando as constantes da equação de Hollomon 
abaixo:
S = 580ε0,20 MPa
O aço apresenta as seguintes propriedades:
ρ(densidade) = 7,85 kg/l
c(calor específico) = 486 J/(kg*k)
A temperatura ambiente durante a operação é 20 °C. 
Calcular temperatura máxima que pode ser atingida ao 
final do processo.
Questão 6: Geração de calor
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Geração de calor
• Resposta do exemplo de exercício
• A temperatura máxima que a peça pode atingir por 
aquecimento adiabático no processo é 80°C.
Bibliografia
• Callister
• Cetlin, P. R., Helman, H. Fundamentos 
da Conformação Mecânica dos Metais. 
Editora: ARTLIBER, 2a edição, 2005
• CIMM
18
Lista de Exercícios
1. Equação de Hall-Petch: O limite de escoamento é 135 MPa para uma 
amostra de ferro cujo tamanho de grão médio é 50 mm. Em um 
tamanho de grão médio de 8 mm, o limite de escoamento aumenta 
para 260 MPa. Em qual tamanho de grão médio o limite de escoamento 
será de 180 MPa (Callister, exercício 7.24).
2. Equação de crescimento de grão: O diâmetro médio do grão para um 
latão foi medido em função do tempo a 650°C conforme a tabela 
abaixo. Considerando n =2:
a) Qual era o diâmetro de grão original?
b) Qual seria o diâmetro de grão esperado após 200 minutos a 
650°C?
Tempo (minutos) Diâmetro (mm)
40 56
100 80
Lista de Exercícios
3. ENADE 2008 Engenharia V (QUESTÃO 22): A literatura que trata dos efeitos da microestrutura sobre 
as propriedades mecânicas dos materiais metálicos policristalinos estabelece uma relação entre o 
tamanho médio de grão e o limite de escoamento (sy) usando a equação de Hall-Petch. Com base 
nesses conceitos, foram desenvolvidas técnicas de processamentos termomecânicos, como, por 
exemplo, a laminação controlada, que visam o refino de grão de aços estruturais, em que os requisitos 
de resistência mecânica e tenacidade são essenciais na especificação desses produtos. Avalie quais 
afirmações abaixo são verdadeiras e quais são falsas e justifique:
a) Nos materiais monofásicos, o limite de escoamento (sy) cresce com a raiz quadrada do tamanho 
médio de grão.
b) Quando o material apresenta grãos de fases diferentes, com características microestruturais 
muito distintas, é possível adotar uma expressão do tipo “regra das misturas”, utilizando a 
equação de Hall-Petch para cada uma das fases na proporção da fração em volume de cada 
fase.
c) A equação de Hall-Petch aplica-se apenas aos materiais com grãos completamente 
recristalizados e que apresentem distribuição uniforme de tamanhos.
d) É possível adotar um tamanho de grão equivalente na equação de Hall-Petch, desde que uma 
fração dos grãos de uma mesma fase não apresente subestrutura de discordâncias para 
formação de subgrãos.
e) O tamanho médio dos grãos na relação de Hall- Petch representa o efeito dos contornos dos 
grãos como barreira à movimentação das discordâncias. Portanto, quanto maior é o tamanho 
médio de grão, maior é o número de contornos por unidade de volume e, assim, maior é o 
número de barreiras à movimentação das discordâncias.
Lista de Exercícios
4. ENADE 2008 Engenharia V (QUESTÃO 30): O processo de deformação plástica, para 
uma quantidade significativa de materiais metálicos, ocorre devido ao fenômeno da 
movimentação das discordâncias (também chamada de “deslocações” em alguns 
textos). O movimento dessas discordâncias se faz pela ação dos componentes de 
tensões cisalhantes que atuam nos cristais. Entretanto, a movimentação dessas 
discordâncias pode ser dificultada pela presença de defeitos na estrutura cristalina. 
Como consequência da interferência desses defeitos na movimentação das 
discordâncias, há aumento do limite de escoamento. A respeito desse assunto, julgue 
quais os itens a seguir são verdadeiros e quais são falsos e justifique:
a) Átomos intersticiais são mais eficientes em dificultar a movimentação de 
discordâncias que átomos substitucionais e, portanto, promovem um aumento 
significativo do limite de escoamento.
b) O refino de grão não é uma barreira muito eficaz à movimentação das 
discordâncias. O efeito desse refino somente é significativo quando há uma 
quantidade elevada de precipitados grandes e eles estão dispersos nos contornos 
de grão.
c) Um aumento da fração volumétrica de precipitados finos na matriz retarda a 
movimentação das discordâncias. Consequentemente, um material que contém 
dispersão de precipitados finos possui limite de escoamento significativamente 
maior que outro que não contém.
Lista de Exercícios
3. Laminação do gelo: Qual seria a classificação do processo com relação à temperatura 
se fosse possível laminar um gelo puro -10°C? Explique. (Exercício 4.1, Cetlin)
4. Temperatura de conformação: A temperatura de fusão do cobre é 1085oc. Este 
material foi usado para fabricar um tubo usando o processo de extrusão à 250oc. 
Classificar o processo com relação à temperatura e esboçar a forma final dos grãos. 
Justifique a sua classificação.
5. Tipos de mecanismos de amaciamento: Descreva a diferença entre os processos de 
recristalização e recuperação e represente a estrutura granular.
6. Influência da velocidade de deformação na tensão: Uma peça de cobre sofre uma 
redução de 40 %, por compressão. As operações são executadas nas velocidades de 
deformação de 0,01 e 10 s-1. O limite de escoamento pode ser obtido pela equação . 
Calcular o acréscimo percentual nas temperaturas de 900 e 18oc, considerando para 
900oc: A = 55 MPa e m = 0,195; e para 18 °C: A = 541 MPa e m = 0,006 (Exercício 4.2, 
Cetlin).
7. Temperatura máxima na peça: Um arame de aço com 6,00 mm de diâmetro é trefilado 
para 4,50 mm de diâmetro. A curva de fluxo pode ser modelada usando a seguinte 
equação de Hollomon: σ = 580e0,20 (Mpa). O aço apresenta as seguintes propriedades: 
ρ(densidade) = 7,85 kg/l e c(calor específico) = 486 J/(kg*K). A temperatura ambiente 
durante a operação é 250 °C. Calcular temperatura máxima que pode ser atingida ao 
final do processo.