Mec. de Endur. - 3 - Precipitação

Prévia do material em texto

Prof. Luiz Cláudio Cândido
MECANISMOS DE ENDURECIMENTO
Prof. Leonardo Barbosa Godefroid
candido@em.ufop.br leonardo@em.ufop.br
ENDURECIMENTO POR PRECIPITAÇÃO
MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO E DO DESPORTO
Universidade Federal de Ouro Preto
Escola de Minas – Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais
Grupo de Estudo Sobre Fratura de Materiais
Telefax: 55 - 31 - 3559.1561 – E-mail: demet@em.ufop.br
METALURGIA MECÂNICA
Endurecimento por precipitação
1 – Introdução
2 – Interações discordâncias – precipitados
3 – Aços microligados
4 – Ligas de alumínio tratadas termicamente
5 – Fatores adicionais
6 – Efeitos da precipitação em outras propriedades
ENDURECIMENTO POR PRECIPITAÇÃO
INTRODUÇÃO
 A precipitação de uma segunda fase a partir de uma solução sólida superssaturada é, na prática,
uma técnica versátil e comum de endurecimento.
 O processo pode ser aplicado a uma série de sistemas. Para isto, deve-se obedecer às seguintes regras:
 formar uma solução sólida superssaturada a elevadas temperaturas;
 rejeitar um precipitado finamente disperso durante o envelhecimento.
 O tratamento de precipitação consiste nos seguintes estágios:
b) têmpera – envolve o resfriamento rápido até a temperatura ambiente (ou abaixo dela), de tal sorte a
evitar a formação de precipitados estáveis  obtem-se a solução sólida supersaturada.
a) solubilização – envolve o aquecimento da liga até a região monofásica, com manutenção
durante um longo tempo, para dissolução de qualquer precipitado.
c) envelhecimento – este tratamento consiste em se manter o material na temperatura ambiente
(ou acima desta), para se obter estruturas precipitadas bem finas.
 O precipitado produzido pode ser:
b) semi-coerente – significa que só existe uma correspondência parcial entre as respectivas redes;
discordâncias formam-se nos sítios de não-correspondência.
c) incoerente – significa a inexistência de qualquer correspondência entre as respectivas redes.
a) coerente com a matriz – significa que existe uma correspondência cristalográfica entre a
rede do precipitado e a rede da matriz.
Exemplo: Sistema Cu-Al
 zonas GPI: coerentes
 zonas GPII: semi-coerentes
 estrutura intermediária ‘: semi-coerente
 estrutura de equilíbrio : incoerente
Obs.: zonas GP = zonas de GUINIER-PRESTON.
Introdução
a) solução sólida;
b) precipitado coerente;
c) precipitado semi-coerente;
d) precipitado incoerente.
Introdução
Esquema mostrando a evolução da precipitação – solução sólida, precipitado coerente,
precipitado semi-coerente, precipitado incoerente.
Introdução
Introdução
Representação esquemática de precipitados em um sólido cristalino; a) precipitado coerente; 
b) precipitado semi-coerente; c) precipitado incoerente.
Introdução
Microestruturas na temperatura ambiente do sistema Al-4%Cu; (a) produzida por
resfriamento lento a partir de 5500C; (b) produzida por resfriamento rápido a partir de 5500C.
Diagrama de fases Cu-Al, mostrando as linhas solvus para as fases GP, ”, ’ e .
Introdução
Introdução
Introdução
Diagrama de resfriamento contínuo para o sistema Al-4%Cu, mostrando as etapas do 
envelhecimento por precipitação.
Introdução
Estrutura e morfologia de , ’ e ” no sistema Al-Cu.
Introdução
 A situação de incoerência é também apresentada em sistemas endurecíveis por dispersão. Neste
caso, são introduzidas partículas duras, com Al2O3 ou SiO2, em uma matriz dúctil por metalurgia
do pó, por oxidação interna, ou por adição de partículas sólidas à liga no estado líquido.
 Uma vantagem dos sistemas endurecíveis por dispersão é a sua alta resistência a elevadas
temperaturas. Por outro lado, são bem difíceis de serem usinados.
O pico na curva de endurecimento é devido a uma ótima distribuição de tamanho de precipitados e
deformação de coerência na matriz. A queda na resistência com o super-envelhecimento é devida à
formação de precipitados de grande tamanho.
Introdução
Introdução
Aço com 0,03%C, envelhecido a 600C.
Introdução
Aço com 0,03%C, envelhecido a 600C.
Interações Discordâncias - Precipitados
 Os seguintes modelos foram propostos para explicar a interação discordâncias-precipitados:
a) interação de longo alcance;
b) as discordâncias cortam as partículas no plano de deslizamento;
c) as discordâncias dobram-se ao redor das partículas no plano de deslizamento.
 A mais importante das teorias de longo alcance é devida a MOTT-NABARRO (1940). Esta
teoria é baseada na análise do campo de tensões resultante da diferença de volume atômico
médio da matriz e do precipitado.
 Nesta teoria, a tensão crítica de cisalhamento será:
ys 2 G f
ys
G
r
r
0
f
:
:
:
:
Tensão de escoamento
Módulo de cisalhamento da matriz
Deformação de desajuste
 Fração volumétrica de precipitados
Considerando a discordância como uma linha flexível, o raio de curvatura desta linha é dado por:
r
Gb
YS2
 
f
b
r
4
 
 Conclusão: A linha da discordância evita os obstáculos
 por flexão ao redor do campo de tensão
 dos precipitados. Para ocorrer endurecimento,
 deve existir um espaçamento crítico entre as partículas.
 Falha desta teoria: deve-se considerar uma interação de curto alcance.
 Admitindo então uma interação de curto alcance, podemos considerar dois casos limites:
a) as discordâncias cortam os precipitados;
b) as discordâncias dobram-se nos precipitados
Interações discordâncias - precipitados
O raio de curvatura de tal linha de discordância flexível pode ser
reduzido por uma tensão aplicada, , e é aproximadamente:
r = espaçamento entre os precipitados
Assim, a linha da discordância, sendo flexível, pode evitar os obstáculos pelo encurvamento ao redor dos
campos de tensão dos precipitados e o raio de curvatura deve ser da mesma ordem de grandeza que o
espaçamento interparticular para que o modelo de Mott e Nabarro seja válido.
O corte dos precipitados ocorre com as zonas GP. A tensão necessária para mover a discordância será:
: tensão de corte
: energia das superfícies criadas no precipitado
r: raio do precipitado
x: distância entre precipitados
BROWN e HAM (1971): 2
1
2
1
2
3
b
r
fk
bx
r
2
Interações discordâncias - precipitados
O dobramento das discordâncias ocorre com os precipitados semi-coerentes e incoerentes.
A tensão necessária para gerar anéis será dada pelo modelo de OROWAN (1948):
x
bG
x = distância entre precipitados
Interações discordâncias - precipitados
 Exemplos microestruturais com os mecanismos de corte de precipitados e dobramento de discordâncias:
Liga Ni-19%Cr-6%Al envelhecida a 750oC
por 540h e deformada 2%.Liga Al-0,2%Au.
 Uma modificação do modelo de OROWAN foi proposta por ASHBY (1968) :
b
x
l
bG
2
ln
2
l = espaçamento entre precipitados (superfície a superfície).
x
 = diâmetro médio dos precipitados.
GLADMAN (1975): B
X
X
fA
ln
Interações discordâncias - precipitados
Resultados experimentais versus modelo de Orowan-Ashby
Interações discordâncias - precipitados
Aços Microligados (HSLA)
HSLA = High-Strength Low-Alloy Steel
Elemento Precipitados Principais
Nb
V
Nb + Mo
V + N
Cu + Nb
Ti
Al + N
Nb (C,N), Nb4C3
V (C,N), V4C3
(Nb,Mo)C
VN
Cu, Nb (C,N)
Ti (C,N), TiC
AlN
 Os aços microligados são geralmente submetidos ao chamado tratamento de laminação
controlada. Este tratamento consiste de deformação a quente, em temperaturas específicas e
resfriamentos controlados. Os objetivos principais são:
a) Obter um finíssimo tamanho de grão ferrítico  os precipitados retardam o crescimento de grão austenítico.
b) Obter um endurecimento por precipitação dos grãos ferríticos  interação precipitados x discordâncias.
 Aços microligados são aços baixo carbono (0,05 a 0,20% C; 0,6 a 1,6% Mn), que contém cerca de
 0,10% de elementos como Nb, V ou Ti.
 Laminação convencional
 Laminação controlada
 
Aços microligados(HSLA ou ARBL)
 Exemplos de microestruturas com precipitados em aços microligados:
Partículas de carboneto de vanádio em aço microligado
Precipitação de carboneto de nióbio em contornos de sub-grãos
de aço microligado.
Aços microligados (HSLA ou ARBL)
Aços microligados (HSLA ou ARBL)
Efeito de Nb e de Ti no endurecimento de chapas de aço.
Efeito de elementos microligantes no 
tamanho de grão ferrítico.
Ligas da série alumínio-magnésio-silício (6XXX): contêm adições de magnésio e silício de 0,4-1,2 % cada um, e
algumas vezes pequenas quantidades de cobre, cromo ou manganês. Estas ligas são geralmente envelhecidas
artificialmente, numa faixa de temperatura de 140
o
C-185
o
C. Estas ligas atingem valores médios a altos de
resistência mecânica, combinado com uma boa resistência à corrosão. Nestas ligas o endurecimento ocorre num
campo de solubilidade ternário, isto é, Mg e Si combinam-se para formar Mg2Si , que precipita, causando o
endurecimento. Por esta razão, estas ligas geralmente possuem uma relação atômica de Mg-Si próxima de 2:1.
Ligas das séries alumínio-zinco-magnésio e alumínio-zinco-magnésio-cobre (7XXX): são ligas de elevada
resistência mecânica, similar ao sistema Al-Cu-Mg, exceto pela adição de zinco no lugar do cobre, ou
combinado com o cobre. As ligas Al-Zn-Mg são utilizadas em várias composições. As ligas mais usadas
apresentam aproximadamente 4,5% Zn e 1,3% Mg , que conferem boa formabilidade durante a extrusão ou
laminação, com satisfatória resistência à corrosão. Estas ligas alcançam uma média a elevada resistência
mecânica, após envelhecimento na temperatura ambiente em poucas semanas, ou alguns meses em baixa
temperatura. Máximos valores de propriedades são alcançados por envelhecimento artificial entre 130
o
C-
170
o
C. As ligas Al-Zn-Mg-Cu apresentam a maior resistência mecânica de todas as ligas de alumínio,
excedendo mesmo um aço estrutural comum. O envelhecimento artificial é promovido entre 120
o
C-160
o
C.
Ligas da série alumínio-cobre (2XXX): contêm 1-5 % de cobre como principal elemento de liga endurecedor.
Adições de magnésio entre 1,2-1,8 % aumentam o envelhecimento natural (na temperatura ambiente) da liga e
também a resistência máxima. Após estocagem por diversos dias na temperatura ambiente, a liga atinge a
resistência de um aço estrutural comum.
Ligas de alumínio-lítio (2XXX e 8XXX): são ligas que apresentam o elemento lítio, principalmente para alterar a
rigidez e a densidade do material. Para cada 1 % de adição em peso de lítio, o módulo de elasticidade é aumentado
em 6 %, e a densidade é abaixada em 3 %.
Ligas de alumínio tratadas termicamente
Exemplos de microestruturas de ligas de alumínio:
Precipitados ’ (CuAl2) numa liga Al-Cu envelhecida a 240
o
C.
 Precipitados ’ na matriz e no contorno de grão (MgZn2) numa
 liga Al-6Zn-3Mg envelhecida a 180
o
C.
Precipitados ’ numa liga Al-Li envelhecida a 190oC, incluindo precipitação numa partícula ’ (Al3Zr).
Ligas de alumínio tratadas termicamente
Fatores adicionais ao endurecimento por precipitação
Estrutura de Widmanstäten.
Fatores adicionais
ZLP numa liga Al-Ge (20000X). ZLP numa liga comercial de Al-Zn-Mg-Cu de
elevada resistência mecânica.
Fatores adicionais
Morfologia de Widmanstätten de 
precipitados ’ numa liga Al-4%Ag.
Morfologia de Widmanstätten de fases: 
(claro) e (escuro) numa liga Ti-6Al-4V.
Fatores adicionais
Microestruturas de uma liga Fe-0,15%C,
austenitizadas, mantidas em uma certa
temperatura, e depois temperadas.
a) 800oC por 150s;
b) 750oC por 40s;
c) 650oC por 9s;
d) 550oC por 2s.
Efeito da precipitação em outras propriedades
 Partículas deformáveis:
 Não causam grande aumento na taxa de encruamento.
 A deformação uniforme é reduzida.
 Na transição dúctil-frágil, deslocam a temperatura de transição para a direita, diminuindo a tenacidade.
 Partículas não deformáveis:
 Produzem elevada taxa de encruamento.
 A deformação uniforme é reduzida.
 Na transição dúctil-frágil, deslocam a temperatura de transição para a direita, diminuindo a tenacidade.