Processos de endurecimento de metais

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Deformação plástica e discordâncias
Em uma escala microscópica a deformação plástica é o resultado do movimento dos átomos devido à tensão aplicada. Durante este processo ligações são quebradas e outras refeitas; Nos sólidos cristalinos a deformação plástica geralmente envolve o escorregamento de planos atômicos, o movimento de discordâncias. 
Deformação plástica e discordâncias
A formação e movimento das discordâncias têm papel fundamental para o aumento da resistência mecânica em muitos materiais. A resistência mecânica pode ser aumentada restringindo-se o movimento das discordâncias.
Restringir ou dificultar a movimentação das discordâncias torna os metais mais resistentes, mais duros e menos dúcteis. Isso pode ser obtido por três maneiras diferentes:
Endurecimento por deformação plástica (encruamento) (“strain hardening” ou “work hardening”) 
Endurecimento por diminuição (refino) do tamanho de grão (“strengthening by grain size reduction”) 
Endurecimento por solução sólida (“solid solution strengthening”) – Endurecimento por precipitação ou dispersão
Mecanismos de endurecimento em metais
Metais deformados plasticamente
A habilidade de um material se deformar plasticamente está relacionado com a habilidade das discordâncias se movimentarem
 1) Endurecimento por Solução Sólida
Átomos de soluto ocupam lugares da rede cristalina de um 
dado metal;
Estes átomos provocam distorção na rede; para minimizar 
a energia do material procuram lugares onde se 
acomodam mais facilmente => junto a discordâncias.... 
Dificuldade de movimentar discordâncias
Aumento de resistência do material
Acomodação do soluto
Sol. Sólida Substitucional
Sol. Sólida Intersticial
 2) Encruamento / Trabalho a Frio
 Aumento da resistência mecânica por deformação plástica/Conformação Mecânica à Frio que produz deformação dos grãos.
Ocorre abaixo da temperatura de recristalização (próximo da temperatura ambiente); 
Ocorre o fenômeno do ENCRUAMENTO, (“strain hardening”);
Os grãos alongam-se na direção do esforço mecânico aplicado (menos intensamente na laminação a frio e mais intensamente quando severamente estirado – trefilação).
Trabalho a Quente e a Frio
Classificação das faixas de Temperatura de operação em Conformação mecânica 
TA é a temperatura ambiente 
Tm é a temperatura de fusão do metal.
Encruamento
A energia utilizada durante a deformação (cerca de 2a 10%) é armazenada no metal na forma de Defeitos de Discordâncias Cristalinas. 
Energia armazenada na deformação a frio
A intensidade da energia armazenada pode aumentar significativamente se alterarmos algumas variáveis: 
Severidade da deformação a frio
Temperatura de deformação mais baixa;
Adição de ligas.
Eleva-se a densidade de discordâncias 
De 1010 a 1012 m-2 (levemente recozido).
1016 (fortemente deformado a frio).
Alteram-se propriedades físicas e mecânicas do material:
Resistência aumenta
Dureza aumenta
Resistividade elétrica aumenta
Ductilidade cai.
 Encruamento
A multiplicação do número de discordâncias durante a deformação de um metal reduz o caminho livre entre discordâncias, isto é, sua movimentação é reduzida.
IFMG Ouro Branco
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08/10/2015
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3) Endurecimento por diminuição (refino) do tamanho de grão.
O contorno de grão funciona como um barreira para a continuação do movimento das discordâncias devido as diferentes orientações presentes e também devido às inúmeras descontinuidades presentes no contorno de grão.
O tamanho dos grãos, ou diâmetro médio do grão, em um metal policristalino influencia as suas propriedades mecânicas. Grãos adjacentes possuem normalmente orientações cristalográficas diferentes e, obviamente, um contorno de grão comum, conforme está indicado na Fig. abaixo. Durante a deformação plástica, o contorno do grão atua como uma barreira ao movimento das discordâncias ou dos escorregamentos por duas razões:
1. Uma vez que os dois grãos possuem orientações diferentes, uma discordância que passa para dentro do grão B terá que alterar a sua direção de movimento; isso se torna mais difícil à medida que a diferença na orientação cristalográfica aumenta.
2. A desordenação atômica no interior de uma região de contorno de grão irá resultar em uma descontinuidade de planos de escorregamento de um grão para dentro do outro.
Um material com granulação fina (um que possui grãos pequenos) é mais duro e mais resistente do que um material que possui granulação grosseira, uma vez que o primeiro possui uma maior área total de contornos de grãos para dificultar o movimento das discordâncias.
TRATAMENTO TÉRMICO
Forma a diminuir/ liberar a energia armazenada na deformação a frio. 
• Processos de Recuperação;
 • Processos de Recristalização e Crescimento de Grão.
Liberação da energia armazenada
A energia armazenada em um metal deformado a frio é maior do que em um metal recozido em valor igual à energia armazenada na deformação.
G = H + T S
S tem pequena variação na deformação se comprada ao H, assim,
G  H.
Como G do metal trabalhado a frio é maior que o do recozido, há uma tendência natural de decrescer G por movimentos atômicos (ou movimentos de vacâncias )
Movimentos sensíveis à temperatura.
Processo de tratamento térmico
Recozimento ou Recristalização
Três etapas: 
1. Recuperação 
2. Recristalização 
3. Aumento do tamanho de grão
Recuperação
Ocorre nos instantes iniciais do recozimento e antes do início da recristalização.
Após o início da recristalização ocorre nos grãos ainda não alterados pelo processo de recristalização.
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Recuperação, recristalização e crescimento de grão
Para anular os efeitos do encruamento e voltar a ter as propriedades anteriores à deformação plástica deve-se fazer um tratamento térmico chamado de recozimento para recristalização que possui 3 etapas:
 Recuperação: ocorre um alívio de parte das tensões internas.
Recristalização: (temperatura entre1/3 e 1/2 da temperatura absoluta de fusão, em K ) Nucleiam novos grãos no material com a forma anterior à deformação e as propriedades mecânicas voltam aos valores originais
Crescimento de grãos: Após a recristalização estar completa, os novos grãos continuarão a crescer, prejudicando as propriedades mecânicas e a resistência ao choque
Recristalização
Influencia da temperatura de recristalização 
O que é recristalização?
Recuperação e o efeito da temperatura
Na recuperação já ocorrem mudanças nas propriedades mecânicas e físicas do material.
Lei de Arrhenius: 1 / t = Ae-Q/RT, onde:
t = tempo para recuperação de uma fração da tensão de escoamento ocorrer.
A = constante.
Q = energia de ativação.
R = constante universal dos gases
T = temperatura absoluta
Exemplo de tempo de recuperação
Recuperação do Zinco,
Q = 83.140 Joules/mol
Recupera 1/5 de seu limite de escoamento em t = 5 min à T=273K.
A) Qual seria esse tempo se a temperatura fosse agora 300k?
B) E se a temperatura fosse de – 50 ºC (223 K)?
A) T = 300k: 
 1 / t300 = Ae-Q/RT = Ae – Q/300R.
1 / t273 = Ae-Q/RT = Ae – Q/273R . Dividindo-se a primeira expressão pela segunda:
t300 = t273 e- Q/R(1/273 – 1/300) , onde / t273 = 5 min, Q = 83140 e R = 8,314 J/mol.k
t300 = 0,185 min
B) t223 = 25.000 min ou 17 dias.
Efeito da taxa de deformação 
Maior taxa de deformação, menor energia de ativação necessária e menor temperatura de tratamento para a recristalização total do metal .
Baixas deformações não promovem a obtenção de um núcleo crítico para o Início da recristalização (deformação Crítica).
Taxas de nucleação e de crescimento.
A taxa de recristalização de um material depende da taxa de nucleação de grãos que nele se formam, e da taxa na qual eles crescem.
Estas duas taxas definem o tamanho médio final do grão do material recristalizado.
Formarão grãos finos:
Taxa de nucleação (N): alta.
Taxa de crescimento (G): baixa.
Formarão grãos grosseiros:
Taxa de nucleação(N): baixa;
Taxa de Crescimento (G): alto.
N = número de grãos que se formam por unidade de tempo (s) em 1 cm3 de uma matriz não recristalizada.
G = taxa de crescimento do diâmetro médio de um grão recristalizado. Na prática, mede-se através da quantidade de grãos que tenham o mesmo comprimento médio em um certo intervalo de tempo para uma certa temperatura de tratamento.