processo de encruamento

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Capítulo 3 
 
 
RECUPERAÇÃO E 
RECRISTALIZAÇÃO DE 
MATERIAIS METÁLICOS 
____________________________ 
 
3.1 Introdução 
 
 Quando um material metálico no estado sólido é deformado plasticamente, 
ou seja, sofre uma mudança de forma permanente pela aplicação de um esforço 
mecânico, a maior parte da energia envolvida no processo é dissipada na forma de 
calor mas uma parte é armazenada no mesmo aumentando sua energia interna e, 
portanto, tirando-o do seu equilíbrio termodinâmico. A deformação plástica externa 
do material altera também a sua microestrutura e a parcela de energia envolvida no 
trabalho de deformação que fica armazenada está associada a deformações na rede e 
ao aumento da densidade de defeitos cristalinos nessa estrutura, principalmente as 
discordâncias e os vazios. Dependendo da temperatura na qual o material é 
deformado essas alterações na microestrutura podem permanecer após o término do 
processo e a energia associada a elas leva o material a um estado metaestável. A 
possibilidade disso acontecer é tanto maior quanto mais baixa for a temperatura de 
deformação. O material metaestável tem, então, a tendência de sofrer 
transformações que o levem em direção a um estado mais estável. No entanto, como 
já foi visto no primeiro capítulo, há necessidade de se fornecer energia de ativação 
para que essas transformações ocorram. 
 
 Neste capítulo serão estudados os processos de recuperação e recristalização 
que permitem, respectivamente, a eliminação parcial ou total dos efeitos da 
deformação na microestrutura dos materiais metálicos. 
 
3.2 Efeitos da deformação plástica na resistência mecânica dos materiais 
metálicos 
 
 Neste texto não serão abordados de forma extensiva os aspectos 
metalúrgicos das transformações internas da rede cristalina introduzidas pela 
 17 
deformação plástica. Mas alguns conceitos, que são imprescindíveis para uma 
compreensão dos efeitos de tais transformações nas propriedades dos materiais e 
dos tratamentos térmicos que permitem a eliminação desses efeitos, serão 
apresentados a seguir, de forma simplificada. 
 
 Do ponto de vista microscópico pode-se considerar que a deformação 
externa visível de um material metálico é provocada por deslocamentos sucessivos 
de planos atômicos característicos da sua estrutura cristalina quando se aplica uma 
tensão sobre o mesmo. Esse tipo de deslocamento caracteriza um cisalhamento 
interno na estrutura e ocorre mais facilmente quando envolve os planos cristalinos 
com maior densidade atômica (planos compactos), que são denominados planos de 
deslizamento. Pode-se dizer, então, que a deformação plástica inicia quando a 
componente de cisalhamento da tensão aplicada ultrapassa o limite de resistência ao 
cisalhamento do material (ver figura 3.1). 
 
 Considerando-se o caso ideal de um material monocristalino, ou seja, que 
apresenta um único grão cristalino em toda a sua extensão, e isento de defeitos 
internos na rede, pode-se considerar que o limite de cada plano atômico é 
constituído pela superfície externa do material. Cada deslocamento de uma distância 
interatômica entre dois planos subsequentes, necessário para a continuidade da 
deformação, exigirá o "rompimento" de todas as ligações atômicas entre os átomos 
dos dois planos, envolvendo, portanto energias muito altas (ver figura 3.2). Na 
prática, no entanto, as energias necessárias para deformar um material são bem 
menores que as calculadas considerando um cristal perfeito. Isto ocorre devido a 
defeitos cristalinos denominados discordâncias, que facilitam o deslizamento dos 
planos atômicos. A forma mais simples de discondância é a discordância em cunha 
caracterizada por um plano extra incompleto de átomos inserido na rede (ver 
capítulo 1). Aplicando-se uma tensão no cristal esse plano extra pode mover-se 
sobre um plano de deslizamento, deslocando parte do plano completo adjacente. A 
energia para tal movimento deve permitir o "rompimento" das ligações atômicas de 
uma quantidade de átomos correspondentes à aresta do plano extra, sendo, portanto, 
bem menor que a necessária para romper as ligações entre todos os átomos de dois 
planos compactos subsequentes. Como deslocamentos sucessivos de uma 
discordância até o limite externo do cristal formam um degrau semelhante ao obtido 
com o deslizamento entre dois planos compactos (mostrado na figura 3.2), pode-se 
concluir que a deformação é facilitada pela existência das discordâncias. 
 
 18 
F
F
ττ
ττ
 
Figura 3.1 - Aspectos microscópicos da deformação. 
 
(a)
(b)
ττ
ττ
ττ
ττ
1 2 3 4 5
1 2 3 4 5
1 2 3 4 5
1 2 3 4 5
 
Figura 3.2 - Deslocamento relativo de dois planos atômicos durante a deformação. 
 
A figura 3.3 mostra uma seqüência de deslocamentos de uma discordância, 
que leva a uma deformação equivalente a uma distância interatômica. Como a 
densidade de discordâncias por cm2 em um material metálico no seu estado normal 
varia em torno de 106 e 108, pode-se perceber a importância e a influência das 
discordâncias no processo de deformação plástica. 
 
 Foi considerado até agora o caso de um material monocristalino mas em 
geral os materiais metálicos utilizados em engenharia são policristalinos, ou seja, 
têm sua microestrutura formada por uma quantidade grande de grãos cristalinos. 
Nesse caso o deslocamento das discordâncias ocorrerá dentro desses grãos 
cristalinos. Como a deformação plástica, na prática, é baseada no movimento das 
discordâncias sobre os planos de deslizamento, pode-se concluir que qualquer coisa 
que dificulte o movimento das discordâncias dificulta a deformação, aumentando, 
consequentemente, a resistência mecânica do material. Nos contornos de grão há 
uma interrupção dos planos de deslizamento, não havendo o "casamento" entre 
planos atômicos pertencentes a diferentes grãos cristalinos adjacentes. Assim pode-
se considerar que o contorno de grão é um obstáculo evidente ao deslocamento das 
discordâncias e que durante a deformação plástica haverá um acúmulo de 
discordâncias nos contornos de grão, aumentando a resistência do material, na 
medida que a continuidade dos deslocamentos é prejudicada (ver figura 3.4). 
 19 
 
 
 
 
 Figura 3.3 - Exemplo de deslocamento de discordância em cunha. 
 
Contorno
de grão
Discordâncias
Plano de deslizamento
 
Figura 3.4 - Acúmulo de discordâncias no contorno de grão. 
 
Além disso deve ser considerado que há um aumento na densidade de 
discordâncias durante a deformação, podendo chegar a algo em torno de 1012/cm2, 
e que devido ao cruzamento de planos de deslizamento em certas estruturas 
cristalinas pode ser formada uma estrutura "emaranhada" de discordâncias nos 
contornos de grão, agravando ainda mais o problema (ver figura 3.5). 
 
 Além dos contornos de grão outros fatores podem dificultar o movimento 
das discordâncias, como, por exemplo, a existência de precipitados de uma segunda 
Discordância 
ττ 
⇒⇒ 
 20 
fase ou de impurezas dispersas na estrutura cristalina, contribuindo também para o 
aumento da resistência. Deve ser notado, ainda, que os grãos cristalinos sofrem 
distorções durante a deformação plástica tornando a microestrutura ainda mais 
irregular (ver exemplo na figura 3.6). 
 
Deformado
 
Figura 3.5 - Estrutura emaranhada de discordâncias nos contornos de grãos. 
 
 O aumento da resistência mecânica por deformação plástica é denominado 
encruamento. O material encruado encontra-se em um estado metaestável, já que a 
sua energia interna é maior que a energia que caracteriza o estado de equilíbrio 
termodinâmico, podendo ser usado nessas condições dentro de certos limites. De 
um modo geral o limite de escoamento e a dureza aumentam com o grau de 
encruamento e o alongamento diminui (ver figura 3.7).Figura 3.6 - Deformação dos grãos durante o processo de laminação. 
 
 21 
Grau de encruamento
Alongamento
Dureza
Resistência
mecânica
 
Figura 3.7 - Variação das propriedades mecânicas com o grau de encruamento. 
 
 Na figura 3.8 é mostrado, esquematicamente, um exemplo de aumento do 
limite de escoamento devido ao encruamento. O material recozido, ou seja, no seu 
estado normal, apresenta um limite de escoamento inicial σ1 e ao ser descarregado 
após sofrer deformação plástica passa a apresentar um novo limite de escoamento σ
2 maior que σ1. Além da resistência mecânica, a resistência elétrica também pode 
ser alterada com o encruamento. 
 
 O efeito do encruamento pode ser benéfico na medida em que pode ser 
usado para aumentar a resistência mecânica de um material metálico. Pode, no 
entanto, ser prejudicial em processos de fabricação que envolvam deformações 
sucessivas, como é o caso, por exemplo, da trefilação, em que um fio com um certo 
diâmetro é obtido pela passagem do material, inicialmente com um diâmetro bem 
maior, através de fieiras sucessivas com diâmetros decrescentes. Nesse caso o 
encruamento aumenta a fragilidade do material a cada nova deformação e pode 
haver necessidade de se realizar tratamentos térmicos intermediários para restaurar 
as propriedades originais do material permitindo a continuidade das deformações. 
Deformacao
σσ11
σσ22
σσ
Te
ns
ao
εε
 
 Figura 3.8 - Influência do encruamento no limite de escoamento. 
 
 22 
3.3 Recuperação de materiais encruados
 
 
 A recuperação do material encruado está relacionada com a eliminação 
parcial dos efeitos da deformação plástica na sua microestrutura. A recuperação, em 
geral, ocorre a temperaturas não muito altas. 
 
 Durante a recuperação pode haver uma certa diminuição dos defeitos 
cristalinos, como discordâncias e vazios, que tiveram sua densidade aumentada 
durante a deformação, e alguma ordenação no arranjo "emaranhado" das 
discordâncias nos contornos de grão (ver figura 3.9). Mas a densidade de 
discordâncias, em geral, permanece acima do normal e as mesmas continuam 
concentradas nos contornos de grão. A estrutura permanece irregular, com os grãos 
cristalinos deformados. A energia interna, portanto, permanece alta e o material 
encontra-se ainda em um estado de equilíbrio metaestável. 
 
 Do ponto de vista das propriedades pode-se dizer que a resistência elétrica é 
a mais afetada durante a recuperação podendo voltar ao valor normal mas as 
propriedades mecânicas, em geral, são pouco alteradas. No entanto para o caso 
específico de um monocristal pouco deformado, pode haver, excepcionalmente, a 
restauração da estrutura e das propriedades originais já durante a recuperação. Na 
prática, se o material vai ser utilizado no estado encruado, a recuperação propicia 
um alívio de tensões internas. 
 
Recuperado
 
Figura 3.9 - Ordenação das discordâncias no contorno de grão após a recuperação. 
 
 Fazendo uma análise simplificada, pode-se considerar, do ponto de vista 
microscópico, que nas regiões de alta densidade de discordâncias, sobre planos de 
deslizamento que, em função da deformação plástica, sofreram flexão (ver figura 
3.10), durante a recuperação ocorre um alinhamento das discordâncias formando 
contornos de grão de pequeno ângulo e dando origem a subgrãos microscópicos 
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conforme pode ser visto esquematicamente na figura 3.10. Esse processo de 
ordenação é denominado poligonização e os contornos de pequeno ângulo são 
também denominados paredes poligonais. Os subgrãos podem ser considerados 
grãos microscópicos com estrutura isenta dos efeitos da deformação. 
 
Distribuição aleatória
Subgrão
Paredes poligonais
( ou subcontornos )
Poligonização
 
 
Figura 3.10 - Formação de subgrãos durante a recuperação. 
 
 
3.4 Recristalização de materiais encruados
 
 
 A recristalização é um processo que permite a eliminação completa dos 
efeitos da deformação plástica na estrutura e nas propriedades do material metálico 
através da nucleação e crescimento de grãos cristalinos não deformados no interior 
da estrutura deformada até a completa substituição desta. 
 
 Durante a recristalização há a eliminação do excesso de defeitos cristalinos, 
a redistribuição das discordâncias acumuladas nos contornos de grão durante a 
deformação, a substituição da estrutura irregular por uma estrutura regular e, 
portanto, a diminuição da energia interna. 
 
 A recristalização é, então, um processo que envolve a nucleação e 
crescimento de grãos cristalinos não deformados, o que, como foi visto no capítulo 
anterior, exige energia de ativação e, portanto, ocorre a temperaturas mais altas que 
a recuperação. 
 
 Pode-se considerar que a energia de ativação necessária para a 
recristalização (∆GR*) é dada pela equação 2.12, ou seja: 
 
 ∆
∆
G
GR
sl
v
* ( cos cos ) ( )= − ⋅ + ⋅
⋅ ⋅
⋅
2 3 4
3
3
3
2θ θ
pi γ
 
 24 
onde γsl é a energia de superfície associada ao contorno do grão recristalizado e ∆
Gv é a diferença de energia de volume entre o material recristalizado e o material 
deformado. Como o termo ∆Gv é tanto maior quanto maior for o grau de 
deformação conclui-se que quanto maior o grau de deformação menor a energia de 
ativação e, portanto, mais fácil a recristalização. Assim existe um grau de 
deformação mínimo, que depende do material, abaixo do qual a recristalização pode 
tornar-se inviável por exigir temperaturas muito altas ou tempos excessivamente 
longos. Já com um grau de deformação alto pode-se realizar a recristalização a uma 
temperatura que possibilite uma alta velocidade de nucleação e uma baixa 
velocidade de crescimento, dando origem a uma estrutura de grãos refinados, o que 
é mais conveniente do ponto de vista das propriedades mecânicas. 
 
 A nucleação dos grãos recristalizados ocorre quando embriões, originados 
dos subgrãos, limitados por contornos de pequeno ângulo, crescem, através do 
movimento das discordâncias que constituem as paredes poligonais, formando 
contornos com maiores ângulos, atingindo um raio maior que o raio crítico. Os 
núcleos assim formados estão, então, em condição de crescer substituindo 
gradativamente a estrutura deformada. Uma observação que deve ser feita com 
relação aos embriões que se formam com raio menor que o raio crítico é que os 
mesmos não podem desaparecer, como no caso da solidificação, já que é impossível 
recriar a estrutura deformada que foi substituída pelo embrião. Assim esse embrião 
permanece inalterado até que flutuações nas condições termodinâmicas locais 
permitam o seu crescimento ou o seu englobamento, através de deslocamentos de 
paredes poligonais, por grãos adjacentes em crescimento. 
 
 O processo de nucleação é um processo lento e pode-se definir como tempo 
de incubação o tempo necessário para que a nucleação torne-se efetiva permitindo o 
crescimento dos grãos recristalizados. Após o tempo de incubação o processo de 
recristalização é acelerado até próximo do final do mesmo, quando a interferência 
entre os grãos recristalizados provoca uma desaceleração. A figura 3.11 mostra, 
através da variação da fração recristalizada com o tempo, as diferentes etapas do 
processo. 
 
 O processo de recristalização é ativado termicamente e, portanto, o tempo 
necessário para o mesmo depende não só das características do material e do grau de 
deformação, mas também da temperatura na qual é realizado, como pode ser 
observado na figura 3.12. Define-se então como temperatura de recristalização para 
um determinado material, aquela na qual o processo completa-se em uma hora. 
 
 25 
VR Alta
VR Baixa
Tempo de recristalização ( log t )
( Tempo de
incubação )
100
0
VR Baixa
 
Figura 3.11 - Relação entre o percentual de recristalizaçãoe o tempo de tratamento. 
 
T ( °°C)
Tempo de recristalizacao ( log t )
100
0
T1 T2 T3 T4
50
T1 > T2 > T3 > T4
 
Figura 3.12 - Influência da temperatura no tempo de recristalização. 
 
Na tabela 3.1 são apresentados valores aproximados de temperaturas de 
recristalização para alguns materiais metálicos considerando um determinado grau 
de deformação. 
 
 Como pode ser observado na tabela, comparando valores relativos a metais 
com alta pureza com os relativos metais com pureza comercial (maior teor de 
impurezas) e ligas metálicas, as impurezas e os elementos de liga aumentam a 
temperatura de recristalização. A principal razão para isso é que os precipitados, de 
impurezas ou elementos de liga, dispersos na estrutura dificultam o deslocamento 
das discordâncias que formam as paredes poligonais retardando a nucleação. 
 
 Em função da temperatura de recristalização pode-se definir como 
deformação a frio aquela que é realizada a uma temperatura inferior à temperatura 
de recristalização e como deformação a quente aquela realizada a uma temperatura 
superior à temperatura de recristalização. 
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 No caso do material ser deformado a frio ele manterá na estrutura os efeitos 
 da deformação apresentando um certo grau de encruamento. Por outro lado, se for 
deformado a quente a recristalização iniciar-se-á já durante a deformação e o 
material não apresentará encruamento após o processo. Esse tipo de recristalização é 
denominado recristalização dinâmica. 
 
Tabela 3.1 - Valores aproximados de temperaturas de recristalização para alguns 
materiais metálicos. 
 
MATERIAL PUREZA TEMPERATURA DE 
RECRISTALIZAÇÃO 
(°°C) 
Chumbo comercial -4 
Estanho comercial -4 
Zinco comercial 10 
Alumínio alta pureza 80 
Alumínio comercial 280 
Cobre alta pureza 120 
Cobre comercial 200 
Cobre-2% Berílio comercial 250 
Ferro comercial 450 
Aço (baixo teor de 
carbono) 
comercial 550 
 Os materiais que têm sua resistência mecânica aumentada por encruamento 
apresentam uma estrutura metaestável e podem ser utilizados nessa condição, desde 
que a temperatura de serviço não seja alta o suficiente para desencadear o processo 
de nucleação de grãos recristalizados. 
 
 Se o material após completado o processo de recristalização for mantido à 
temperatura de recristalização há uma tendência de crescimento dos grãos 
recristalizados, através do aumento dos maiores e desaparecimento dos menores. 
Esse crescimento ocorre para diminuir a energia de superfície associada aos 
contornos de grão, já que muitos grãos pequenos ocupando um determinado volume 
vão apresentar uma área superficial maior que poucos grãos maiores ocupando o 
mesmo volume. Assim o processo deve ser interrompido, resfriando-se o material, 
tão logo a estrutura deformada tenha sido totalmente substituída por grãos 
recristalizados, já que os grãos grandes são incovenientes do ponto de vista de 
propriedades mecânicas.