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Mecanismos de Endurecimento

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Mecanismos de Endurecimento e Tratamentos Termomecânicos
Conceitos Introdutórios
*
	Os mecanismos de endurecimento são obstáculos a movimentação das discordâncias que provocam o aumento da resistência mecânica dos metais.
Mecanismos de aumento de resistência
	 Solução Sólida
	 Precipitação/Partículas de Segunda fase
	 Refino de Grão
	 Encruamento
Discordâncias: defeito cristalino linear (semi-plano extra) ao redor do qual existe um delineamento atômico. 
Características das Discordâncias
*
Densidade de Discordância
	 Materiais solidificados lentamente = 103 discord./mm2
	 Materiais deformados= 109 a 1010 discord./mm2
	 Materiais deformados e tratados termicamente= 105 a 106 discord./mm2
Deformação nos Materiais
*
Deformação Elástica
	Precede à deformação plástica
	Desaparece quando a tensão é removida (reversível)
	Praticamente proporcional à tensão aplicada (obedece a lei de Hooke)
Deformação nos Materiais
*
Módulo de Elasticidade a temperatura ambiente para alguns metais
Gráfico do Módulo de Elasticidade x Temperatura.
Gerência de projeto - escopo
*
Gerência de projeto - escopo
Deformação nos Materiais
*
Deformação Plástica
	Ocorre quando a carga aplicada ultrapassa o limite elástico, fazendo com que o metal se deforme permanentemente, entrando na zona de deformação plástica.
A movimentação das discordâncias é o fenômeno principal responsável pela ductilidade ou pela capacidade de deformação plástica dos metais.
Significado prático da deformação plástica: 
	Conformação mecânica (fabricação);
2) Comportamento em serviço. 
Movimentação da Discordância
	Esquema ilustrativo do rearranjo atômico nas vizinhanças de uma discordância em cunha sob a ação de uma tensão
*
Analogia entre a movimentação de uma lagarta e de uma discordância.
Características das Discordâncias
	Geram tensões de tração (parte inferior) e compressão (parte superior) no reticulado, além disso podem se repelir (a) ou se anular (b) dependendo da localização dessas forças.
*
Interação entre as discordâncias
Gerência de projeto - escopo
*
Gerência de projeto - escopo
Características das Discordâncias
*
Contorno de grão de baixo ângulo produzido pelo alinhamento de discordância em aresta de mesmo sinal. 
Não é eficiente na interferência do processo de escorregamento devido ao pequeno dezalinhamento cristalográfico através do contorno.
Material se torna mais dúctil
Mecanismos de Aumento de Resistência
	Importante para a compreensão dos mecanismos de aumento de resistência é a relação entre o movimento das discordância e o comportamento mecânico dos metais.
	A habilidade de um metal para se deformar plasticamente depende da habilidade das discordância para se moverem.
	A resistência mecânica pode ser melhorada através da facilidade com que a deformação plástica pode ser induzida mediante a redução da mobilidade das discordância.
*
Mecanismos de Aumento de Resistência
REDUÇÃO DO TAMANHO DE GRÃO
SOLUÇÃO SÓLIDA
ENCRUAMENTO
PRECIPITAÇÃO 
*
Redução no Tamanho do Grão
	 Durante a deformação plástica, o escorregamento ou movimento das discordâncias deve ter lugar através do contorno de grão.
	Um material com granulação fina (grãos pequenos) é mais duro e mais resistente do que um material que possui granulação grosseira.
	Equação de Hall-Petch – relação do tamanho do grão com o limite de escoamento
 
*
Redução no Tamanho do Grão
*
Redução no Tamanho do Grão
	Efeito do contorno de grão na resistência dos materiais.
Quando uma discordância encontra um contorno ela tem que mudar de direção. Quanto menores os tamanhos dos grãos mais contornos estarão no caminho das discordâncias, os quais possuem energia interfacial maior, necessitando de mais força de cisalhamento sobre os planos para realizar a deformação plástica.
*
 Formação de Solução Sólida
	As ligas são mais resistentes do que os metais puros, pois os átomos de impureza que entram em solução sólida impõem geralmente deformações da rede cristalina sobre os átomos hospedeiros.
	O movimento das discordâncias é restringido devido a interações do campo de deformação entre as discordâncias e os átomos de impurezas. 
*
1
2
Representação da interação da discordância (1) com o campo de deformação trativa e (2) com o campo de deformação compressiva, de modo que ocorre um parcelamento parcial da deformação em virtude da interação da discordância com a impureza.
Sol. Sólida: sólido que consiste de dois ou mais elementos atomicamente dispersos em estrutura monofásica
Formação de Solução Sólida
A presença de solutos altera o comportamento mecânico dos metais:
diferença entre tamanhos atômicos leva ao aumento da resistência mecânica
aumento da quantidade de soluto leva ao aumento da resistência mecânica.
	 Exemplos:
liga Cu-Zn: aumento pequeno – tamanhos atômicos próximos
liga Cu-Be: aumento elevado - tamanhos atômicos diferentes.
*
Cu-Be
Cu-Sn
Cu-Zn
*
Cu-Ni – Limite de Resistência à Tração
Cu-Ni – Limite de Escoamento
Cu-Ni – Alongamento
Encruamento
*
Percentual de Trabalho a frio (grau de deformação)
A0 – área original da seção reta
Ad – área após a deformação 
	Fenômeno pelo qual um material dúctil se torna mais duro e mais resistente quando submetido a uma deformação plástica. 
	Algumas vezes chamado de endurecimento por trabalho ou trabalho a frio.
O encruamento é explicado pela interação dos campos de deformação das discordâncias, que são aumentadas pela deformação, exigindo cada vez mais força para continuar deformando.
Encruamento
*
	Costuma-se distinguir o trabalho mecânico a frio do trabalho mecânico a quente por uma temperatura indicada como Temperatura de recristalização.
Temperatura de recristalização – A menor temperatura na qual uma estrutura deformada de um metal trabalhado a frio é restaurada ou substituída por uma estrutura nova, livre de tensões, após a permanência nessa temperatura por um tempo determinado”, OU Temperatura na qual a recristalização termina em exatamente 1 hora.
1/3Tf < Tf < 1/2Tf
Encruamento
*
O movimento das discordâncias é dificultado à medida que a densidade de discordância aumenta (% trabalho a frio) em virtude das interações repulsivas entre elas. Assim, a tensão necessária para deformar um metal aumenta com o aumento do trabalho a frio.
Influência do TF sobre o comportamento σ x ε de um aço carbono
Encruamento
*
Encruamento
*
Encruamento
*
Os efeitos do encruamento podem ser removidos por um tratamento térmico de recozimento.
Encruamento
*
Aumento do limite de escoamento (σe) e seu limite de resistência a tração com o aumento do trabalho a frio (a e b), porém esse aumento na dureza e na resistência resulta na redução da ductilidade.
Encruamento
*
Calcule a ductilidade (%AL) de um bastão cilíndrico de cobre quando ele é trabalhado a frio de tal modo que seu diâmetro seja reduzido de 15,2 mm para 12,2 mm.
A ductilidade a 35,6%TF é de aproximadamente 7%AL.
Questão Petrobras 2014		
*
*
Dois corpos de prova do mesmo material devem ser submetidos a deformação. Um é cilíndrico e outro é retangular. Qual deles será mais duro após a deformação plástica? Por que?
 
Exercício		
 
CIRCULAR
RETANGULAR 
Questão Concurso		
*
Recuperação
*
	A Recuperação é normalmente definida como a restauração das propriedades físicas do metal trabalhado a frio sem que ocorra mudança na visível na microestrutura.
	Durante a recuperação, uma parte da energia interna de deformação armazenada é liberada em virtude do movimento das discordâncias.
	Resulta no alívio das tensões internas e redução do número de discordâncias.
Recristalização
*
	Depois da recuperação, os grãos ainda estão tensionados e durante a recristalização os grão se tornam equiaxiais e o número de discordâncias é reduzido.
	O processo de recristalização consiste na formação de um novo conjunto de grãos livres de deformação e equiaxiais.
	Resulta na diminuição da dureza,da resistência e um aumento da ductilidade. 
Influência da temperatura de rezimento, para o tempo de 1h, sobre o limite de resistência à tração e a ductilidade de um latão.
Recristalização e Cresc. De Grão
*
	Estrutura de grãos de latão trabalhado a frio.
	Estágio inicial de recristalização (3s a 580°C)
	Substituição parcial de grãos deformados (4s a 580°C)
	Recristalização completa (8s a 580°C) 
	Crescimento de grão após 15 min a 580°C
	Crescimento de grão após 10 min a 700°C
Recristalização
*
	Fatores que influenciam na cinética de recristalização
	Temperatura: a velocidade de recristalização aumenta exponencialmente com a temperatura.
	Grau de deformação prévia: quanto maior a deformação prévia, mais rapidamente acontece a recristalização.
	Presença de impurezas no metal: pequenas porcentagens de um átomo estranho em um solução sólida podem elevar a temperatura de recristalização. A presença de átomos estranhos associadas aos contornos de grãos retarda muito a sua movimentação , e assim, diminui a velocidade de recristalização.
Crescimento de Grão
*
	Depois da recristalização se o material permanecer por mais tempo em temperaturas elevadas o grão continuará a crescer gradativamente.
	A força motriz para o crescimento de grão é a diminuição da energia livre resultante da diminuição da área de contornos de grão devido ao crescimento de grão.
	Em geral, quanto maior o tamanho de grão mais mole é o material e menor é sua resistência.
Crescimento de Grão
*
*
	Recuperação, recristalização e crescimento de grão e as mudanças importantes nas propriedades em cada região.
*
Questão ENADE 2008		
	Considerando o gráfico acima, da temperatura de recristalização em função da quantidade de deformação acumulada (trabalho a frio), e os fenômenos de recuperação, recristalização e crescimento de grão, assinale a opção que descreve corretamente a microestrutura esperada do material na temperatura ambiente e nas duas regiões A e B após os ciclos de processamento citados no texto.
*
Questão ENADE 2008		
	Nas regiões A e B, as microestruturas apresentarão grãos equiaxiais e o tamanho médio desses grãos será pequeno em relação aos grãos nas demais regiões da peça, pois ocorre recristalização nessas duas regiões. 
	O tamanho médio de grão na região A será maior que o da região B, pois toda a deformação local é utilizada apenas para o processo de recuperação, e o tamanho de grão é proporcional à quantidade de recuperação da microestrutura.
	Ocorre recristalização na região A, mas não na B. Na primeira etapa de processamento, as deformações locais na região B não alcançam valores capazes de promover a recristalização no reaquecimento, mas é possível ocorrer recuperação devido à faixa de temperaturas do processo. Deve haver, portanto, grãos bem menores na região A (grãos recristalizados), em comparação com os da região B (grãos recuperados).
*
Questão ENADE 2008		
	Quando ocorre deformação plástica elevada, há, necessariamente, precipitação induzida por deformação nas ligas policristalinas monofásicas. Essa precipitação resulta em um retardo da recristalização. Assim, nas regiões A e B deve ocorrer apenas recuperação, e os tamanhos de grão serão de valores bem próximos, mudando-se apenas a razão de aspecto dos grãos localizados na região mais deformada.
	Na região B, deve haver recuperação induzida pela deformação acumulada, seguida de recristalização. A região A, que apresenta deformação acumulada mais elevada, não precisa passar pela etapa de recuperação e, assim, nessa região, deve haver somente recristalização. Não é possível comparar o tamanho de grão médio das duas regiões sem conhecer, antecipadamente, o tamanho de grão inicial da peça.

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