Lista de exercicios sobre os capítulos 8 e 9 do livro

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Lista de exercicios sobre os capítulos 8 e 9 do livro: “Transformações de fases em materiais metálicos”
1) Qual a diferença entre recristalização e recuperação?
Tanto a recristalização como a recuperação, se caracteriza como processos de liberação da energia proveniente do processo de deformação plástica do material, a temperaturas relativamente baixas, ou seja, do processo de deformação a frio. Esse tipo de deformação causa um desarranjo dos átomos, afastando-os de suas posições de equilíbrio, ou seja, ocorre o surgimento de defeitos na rede cristalina do material denominados de discordâncias. Essas discordâncias causam o surgimento de tensões na rede cristalina e que, com isso, aumenta a energia interna do material. 
Então, a diferença é que no processo de recuperação a liberação dessa energia, armazenada no material, se dá de forma parcial. Ocorre uma redução parcial do desarranjo atômico causado pela deformação, mas não ocorre mudanças a nível de grãos cristalinos.
No caso da recristalização, é um processo que envolve temperaturas bem mais altas e ocorre a liberação total da energia armazenada no material. Neste caso, ocorre mudanças a nível de grãos cristalinos, ou seja, com as altas temperaturas começam a surgir novos grãos cristalinos que vão, aos poucos, substituindo os grãos deformados pelo processo de conformação. Esse processo vai avançando até o material voltar a sua estrutura original (antes da deformação).
2) Qual o motivo que torna os materiais metálicos menos resistentes ao cisalhamento do que à compressão e à tração?
Na prática, existem, na estrutura cristalina dos materiais, muitos defeitos que acabam funcionando como precursores ou facilitadores dos deslizamentos dos planos atômicos. Esses defeitos são denominados discordâncias. Essas discordâncias são planos (incompletos) extras de átomos inseridos na rede cristalina do material. 
Quando o material é submetido à uma tensão (σ), irão aparecer tensões normais (σn) e tensões paralelas (τ) aos planos de deslizamento. Então, quando essas tensões paralelas (que são as tensões cisalhantes) ultrapassam o limite de resistência ao cisalhamento, a deformação é iniciada. Com a presença das discordâncias, essa tensão necessária para deformar o material se torna menor do que a tensão necessária para deformar o mesmo material se nele não houvesse a presença das discordâncias.
3) Explique, de forma sucinta, a influência das discordâncias no processo de encruamento dos metais. 
 Durante a deformação mecânica, em materiais policristalinos, as discordâncias vão sendo deslocadas (dentro dos grãos) em direção aos contornos de grão. Nessas regiões dos contornos de grão, as discordâncias encontram outros planos de deslizamento. No entanto, esses outros planos estão com orientações as mais diversas possíveis. Isso se caracteriza como obstáculos para a continuidade do deslocamento das discordâncias, que vão se acumulando nessa região. Esse acúmulo de discordâncias nos contornos de grão imprime ao material uma maior resistência mecânica, ou seja, a dureza do material é aumentada devido à deformação plástica. Denominamos esse processo como encruamento.
4) Quais o benefícios do trabalho a quente para os processos de conformação dos metais? 
No trabalho a quente, toda a energia acumulada no material durante a deformação é liberada, ou seja, todas as tensões internas são eliminadas e o material retorna à sua microestrutura inicial. Isso significa que a recristalização ocorre durante o processo de deformação, fazendo com que o material retome não só sua microestrutura, mas também suas propriedades mecânicas.
5) Definir discordância positiva e discordância negativa.
Quando o material está sendo deformado, existem discordâncias em cunha que podem interagir entre si. Esse processo se dá da seguinte forma: imaginado dois planos paralelos e horizontais, por exemplo, que estão deslizando entre si, poderá existir discordâncias em cunha tanto no plano superior quanto no plano inferior que, à medida que um plano se desloca para direita e o outro para esquerda (cisalhamento), essas discordâncias em cunha irão se encontrar e se unir formando um plano completo ligado à rede cristalina.
6) Explique o processo de cinética de recristalização.
Como a recristalização se caracteriza pelo processo de nucleação de novos grãos, o processo de cinética de recristalização é caracterizado pela velocidade de nucleação e crescimento desses novos grãos. Primeiramente, ocorre a nucleação, que é um processo mais lento por envolver transformações de fase no estado sólido. O processo de crescimento dos novos grãos, por sua vez, é mais rápido. Ao final do processo, a velocidade tende a baixar novamente, pois esta é a etapa na qual os grãos já cresceram o bastante e começam a tocar um nos outros, dificultando o crescimento entre si.
7) Explique a relação entre tamanho de grão e grau de deformação plástica com a recristalização.
Se antes da deformação plástica o material é constituído por grãos de pequenos tamanhos, isso irá favorecer o processo de recristalização, pois quanto menor o tamanho dos grãos maior será o número de contornos. E é justamente nos contornos de grão onde as discordâncias concentram-se após o processo de deformação, o que, consequentemente, armazena muita energia. É nesses locais onde existe a maior tendência de iniciar o processo de nucleação. Por isso que um número muito grande de contornos de grãos favorece o processo de recristalização.
Com relação ao grau de deformação plástica, quanto mais profunda for a deformação, maior será o número de discordâncias que se acumularão nos contornos de grão e, consequentemente, haverá uma maior energia acumulada nessas regiões. Isso facilitará o processo de nucleação.
8) Explique o processo de endurecimento por envelhecimento.
Geralmente, peças metálicas são obtidas por um processo de fundição. Nesse tipo de processo, com resfriamento relativamente lento, é formada uma estrutura cristalina onde existem duas fases (à temperatura ambiente): uma fase formada por grãos, que seria a solução sólida e uma segunda fase formada nos contornos de grão da primeira fase, que seria o soluto. (Fazer desenho esquemático)
O endurecimento por envelhecimento é um tipo de tratamento térmico, que visa aumentar a resistência mecânica do material através de uma “transferência” dessa segunda fase que está nos contornos de grão, para o interior dos grãos da primeira fase sob a forma de partículas finas dispersas homogeneamente. (fazer desenho esquemático da microestrutura envelhecida) Esse processo se dá através da solubilização da fase soluto na fase solvente. A temperatura na qual esse processo é realizado é relativamente baixa e, por esse motivo, a difusão ocorre de forma lenta. Após alcançada a microestrutura desejada, o material deve ser resfriado imediatamente para evitar o crescimento excessivo do soluto dentro dos grãos do solvente e, com isso, perder as propriedades mecânicas que foram obtidas.
9) Explique o processo de superenvelhecimento.
Quando o material é submetido ao tratamento térmico de endurecimento por envelhecimento e permanece na temperatura do processo por um período de tempo muito longo, ocorre o crescimento excessivo das partículas finas que foram dispersas nos grãos do solvente, o que causaria o comprometimento das propriedades mecânicas que foram obtidas. Esse processo é denominado de superenvelhecimento.
10) Explique a formação e a influência das zonas GP nas ligas de alumínio e cobre.
Tomando como base a solução supersaturada da matriz (que foi resfriada de forma rápida até a temperatura ambiente), ou seja, a liga solubilizada constituída da rede cristalina do solvente com átomos de soluto dissolvidos, os átomos de soluto que foram rejeitados durante o processo tendem a se organizar formando regiões enriquecidas de soluto, que podem ser coerentes, semicoerentes ou incoerentes. Então, para determinados níveis de temperatura (não muito altas), o processo de formação dessas zonasenriquecidas de soluto pode ser iniciado. Essas são as chamadas Zonas GP. Com o desenvolvimento da formação dessas zonas, as zonas maiores tendem a “ocupar” o lugar das zonas menores e são mais estáveis a baixas temperaturas. Se essa temperatura for excessivamente aumentada, o soluto das zonas GP tende a dissolver-se novamente na rede cristalina da matriz. Então, existe uma temperatura limite da zona GP que é chamada temperatura solvus e que é bem menor que a temperatura solvus da liga.
Para as ligas Al-Cu, essas zonas GPs são chamadas de GP[1] que são zonas ricas em cobre. Com a continuidade do processo de formação dessas zonas GPs na liga Al-Cu, surgirá a formação de um precipitado metaestável designado por ”. Como a estrutura cristalina dessa fase ” difere da estrutura da matriz, ela provocará distorções e tensões na matriz para manter a coerência. Isso resultará no aumento de dureza e de resistência mecânica do material. Continuando o processo, uma nova fase metaestável é formada: ’. A tendência dessa nova fase é se manter semicoerente com a matriz, o que causa uma redução nas tensões internas do material. Isso resulta numa diminuição da dureza e da resistência mecânica do material. Por último, são formados os precipitados da fase . Como essa última fase é totalmente incoerente com a matriz, as tensões internas são eliminadas e a dureza e a resistência mecânica são ainda mais reduzidas em comparação com as fases ” e ’.
11) Quais os principais fatores que influenciam na formação de precipitados de segunda fase?
Um dos principais fatores é a temperatura, pois, ao selecioná-la, temos que levar em conta qual nos retornará melhores resultados da forma mais viável possível, de acordo com o que desejamos. Os precipitados realizados a baixas temperaturas exigem um tempo muito longo de processamento para atingirem aumentos significativos de dureza e resistência mecânica. Já os precipitados realizados a temperaturas relativamente altas têm seu tempo de nucleação reduzido, mas, por outro lado, não alcançam um aumento significativo das propriedades mecânicas.