CIÊNCIA DOS MATERIAIS Mecanismos de Endurecimento parte2

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CIÊNCIA DOS MATERIAIS I
PROF: RICARDO HENRIQUES LEAL
Email: rhleal@id.uff.br
Carga Horária: 75 horas (Teórica: 60 hrs; Prática: 15 hrs)
BIBLIOGRAFIA: 
1) Ciência e Engenharia dos Materiais – Uma Introdução; William D. Callister Jr. e David G. 
Rethwisch, 8a edição, Editora LTC/GEN
2) Princípios de Ciência e Tecnologia dos Materiais; L.H. Van Wlack
AVALIAÇÃO:
2 Provas 
3a Nota: 40% Prova, 30% Seminário, 30% Exercícios
RESUMO DA EMENTA
• Introdução
• Revisão de Estrutura Cristalina
• Difração de Raios X
• Imperfeições Cristalinas
• Difusão
• Propriedades Mecânicas dos Metais
• Mecanismos de Endurecimento
• Fratura, Fadiga e Fluência
• Diagramas de Fase
• Transformação de Fases em Metais
Mecanismos de Endurecimento
• Sistemas de Deslizamento
• Deslizamento em Monocristais
• Deformação Plástica dos Materiais Policristalinos
• Deformação por Maclação
• Mecanismos de Aumento de Resistência em Metais
• Redução do Tamanho do Grão
• Solução Sólida
• Encruamento
• Tratamento Térmico de Recozimento
• Recuperação
• Recristalização
• Crescimento de Grão
Bibliografia: 
1. Ciência e Engenharia dos Materiais – Uma Introdução, William D. Callister Jr. e David G. 
Rethwisch, 8a edição, Editora LTC/GEN
2. Metalurgia Mecânica, George E. Dieter
3. Metalurgia Mecânica – Principios e Aplicações, Marc A. Meyers e Krishan K. Chawla
Mecanismos de Aumento de Resistência em Metais
• Engenheiros metalúrgicos e de materiais são requisitados com frequência para projetarem materiais que 
possuam alta resistência, mas também boas ductilidade e tenacidade; várias opções para aumento de 
resistência são disponíveis e a escolha se baseia em geral na aplicação do material, porém na maioria das 
opções o aumento de resistência vem acompanhado de redução na ductilidade e tenacidade
• Como deformação plástica macroscópica está ligada ao movimento de grande número de discordâncias, a 
capacidade de um metal ou liga metálica se deformar plasticamente está ligado à capacidade das 
discordâncias se movimentarem e, portanto, todas as técnicas de aumento de resistência e dureza estão 
ligadas à restrição ou o impedimento ao movimento de discordâncias
• Por outro lado, quanto menos restrito for o movimento das discordâncias, maior a facilidade de um metal 
ou liga metálica se deformar plasticamente e maior a ductilidade e tenacidade do mesmo, além de menor 
resistência
• Para metais e ligas monofásicas os principais mecanismos de aumento de resistência são:
• Redução do tamanho de grão
• Solução sólida
• Precipitação 
• Encruamento
• Além desses mecanismos atuantes em metais ou ligas monofásicas, o aumento de resistência pode ser 
alcançado pela presença de segunda fase
Aumento de Resistência por Encruamento
• Encruamento é o fenômeno pelo qual um metal dúctil se torna mais duro e resistente à medida que é 
deformado plasticamente; esse fenômeno também é chamado de “endurecimento” ou “trabalho a frio”, 
porque em geral ele ocorre em temperatura ambiente
• O fenômeno do encruamento é explicado com base na interação entre discordâncias:
• Através da interação entre seus campos de tensão e deformação 
• Através de interações que bloqueiam ou dificultam o movimento das mesmas, tais como formação de degraus, 
loops prismáticos, etc..
• Através da interpenetração de um sistema de deslizamento por outro que resultam na formação de degraus
• Com a evolução do trabalho a frio a densidade de discordâncias aumenta devido à multiplicação das 
mesmas ou formação de novas; com o aumento da densidade a distância média entre discordâncias 
diminui e a dificuldade de movimentação cresce, provocando a necessidade do aumento da tensão 
aplicada para continuar a deformação e consequentemente causando aumento na resistência dos 
materiais, porém acompanhado de redução na ductilidade
• Um dos principais mecanismos de multiplicação de discordâncias é através das fontes de Frank-Read; 
outro mecanismo é causado pelo empilhamento de discordâncias em um contorno de grão provocando a 
formação de uma discordância em um grão vizinho e um terceiro é a partir de degraus em contornos de 
grão e superfícies livres
• O encruamento é frequentemente utilizado comercialmente para melhorar as propriedades mecânicas 
dos materiais durante processos de fabricação; os seus efeitos podem ser removidos por um tratamento 
térmico de recozimento, que controlado adequadamente permite se obter propriedades adequadas aos 
diversos usos dos materiais 
Aumento de Resistência por Encruamento
Aumento de Resistência por Encruamento
Aumento de Resistência por Encruamento
• Algumas vezes é conveniente expressar o grau de deformação plástica como “porcentagem de trabalho a 
frio”, em lugar da deformação. A porcentagem de trabalho a frio é definida como:
% TF = [(Ao – Ad) / Ao] x 100
onde Ao é a área original da seção transversal que sofre deformação e Ad é a área da seção transversal após 
a deformação
• No processo de laminação de aços planos, onde a largura do material permanece praticamente constante, 
a fórmula passa a ser:
% TF = [(eo – ed) / eo] x 100
onde eo é a espessura original da chapa que sofre deformação e ed é a espessura após a deformação
• Na expressão que relaciona a tensão verdadeira (σv) com a deformação verdadeira (εv):
σv = K. εv
n
o parâmetro n é denominado “coeficiente de encruamento”, que é uma medida da capacidade de um 
material encruar: quanto maior a magnitude de n, maior será o encruamento para uma mesma quantidade 
de deformação plástica
Aumento de Resistência por Encruamento
Aumento de Resistência por Encruamento
Aumento de Resistência por Encruamento
Aumento de Resistência por Redução do Tamanho de Grão
• Grãos adjacentes em materiais policristalinos possuem em geral orientações cristalinas diferentes e um 
contorno de grão entre eles e durante a deformação plástica o movimento de discordâncias deve ocorrer 
através desse contorno, o que é dificultado por:
• Como os grãos tem orientações distintas, para a discordância se movimentar de um grão para outro deve mudar 
a direção do seu movimento, o que fica mais difícil quanto maior for a diferença na orientação cristalográfica 
entre eles
• A falta de ordem atômica na região do contorno do grão resultará em descontinuidade nos planos de 
deslizamento de um grão para o outro
• Além dessa dificuldade em atravessar o contorno de grão, pode ocorrer o empilhamento de discordâncias 
no contorno, sem que elas atravessem para o outro grão, mas também nesse caso o movimento delas é 
bloqueado, provocando aumento de resistência; nesse caso o empilhamento das discordâncias pode gerar 
novas discordâncias no grão vizinho
• Materiais de grãos mais finos têm maior resistência do que materiais de grãos mais grosseiro, pois a área 
específica, A / V, é maior quanto menor for o tamanho de grão, sendo para muitos metais e ligas válida a 
expressão de Hall-Petch para o limite de escoamento (σl) em função do diâmetro médio dos grãos (d):
σl = σo + kl.d
-1/2
onde σo e kl são constantes para cada material específico
• O tamanho do grão pode ser regulado pela taxa de solidificação a partir da fase líquida ou através de 
deformação plástica seguida por tratamento térmico apropriado
Aumento de Resistência por Redução do Tamanho de Grão
• Os contornos de baixo ângulo,, formado por alinhamento de discordâncias, não são eficazes no bloqueio 
do movimento das discordâncias de um grão para outro devido ao pequeno desalinhamento entre os 
grãos adjacentes
• Contornos de macla bloqueiam o deslizamento e são efetivos no aumento da resistência, da mesma forma 
uqe os contornos entre fases distintas
• A redução no tamanho do grão melhora também a ductilidade e tenacidade dos materiais, sendo o único 
mecanismo de endurecimento que consegue isso
Aumento de Resistência por Redução do Tamanho de Grão
Aumento de Resistência por Solução Sólida
• A presença de átomos de impureza ou de elementos de liga participando de uma solução sólida normalmente 
impõe distorçõessobre a rede cristalina vizinha, criando um campo de tensões e deformações que interage 
com o campo de tensões e deformações das discordâncias
• Através de difusão esses átomos tendem a se segregar ao redor do núcleo das discordâncias, formando 
“nuvens de átomos de soluto”, denominadas “atmosfera de Cottrell”, reduzindo a energia de deformação total 
do sistema discordância-átomo de soluto, e dificultando o movimento dessas discordâncias “aprisionadas” por 
átomos de soluto, pois para elas se movimentarem a energia total do sistema vai aumentar
• Da mesma forma, discordâncias em movimento durante a deformação plástica ao encontrarem átomos de 
soluto tem a sua mobilidade reduzida pelo mesmo motivo
• Em ambos os casos a resistência é aumentada devido à maior dificuldade de mobilidade das discordâncias
• Esse mesmo fenômeno de “aprisionamento” das discordâncias por átomos de soluto explica o limite de 
escoamento definido apresentado por alguns metais: na tensão de escoamento superior ocorre uma liberação 
instantânea das discordâncias “aprisionadas”, causando a queda na tensão aplicada
• Esse processo não acontece uniformemente por toda a extensão do comprimento útil do CP e sim em uma 
região localizada, gerando bandas de deslizamento nesse ponto (“Bandas de Lüders”), em geral a 45° com a 
direção de aplicação da tensão, que se propagam por todo comprimento útil do CP sob carga praticamente 
constante, igual ao limite inferior de escoamento
• Após a propagação por todo o comprimento útil do CP das bandas de Lüders, a deformação plástica uniforme 
é retomada com o encruamento exigindo tensões crescentes 
Aumento de Resistência por Solução Sólida
Aumento de Resistência por Solução Sólida
Aumento de Resistência por Solução Sólida
Aumento de Resistência por Solução Sólida
Aumento de Resistência por Solução Sólida: Envelhecimento
• O fenômeno de “envelhecimento por deformação”, muito comumente chamado apenas de 
“envelhecimento” é também uma consequência do “aprisionamento” das discordâncias pelos átomos de 
soluto
• Esse fenômeno ocorre quando um material que exibe limite de escoamento definido é previamente 
deformado a níveis superiores aos do escoamento definido, em seguida é descarregado e mantido por 
algum tempo à temperatura ambiente ou se for aquecido em temperaturas que favoreçam a difusão dos 
átomos de soluto; nesses casos ao ser novamente deformado o material escoará em tensão superior àquela 
da qual ele foi descarregado e voltará a exibir escoamento definido
• O “envelhecimento” ocorre porque átomos de soluto se difundem de volta às linhas de discordâncias seja 
durante o tempo após o descarregamento em que o material não foi usado, seja durante o aquecimento; 
com a volta dos átomos de soluto “aprisionando” as discordâncias, o material fica mais resistente e volta a 
apresentar escoamento definido e também tem a sua ductilidade reduzida
• O fenômeno do envelhecimento é observado em aços baixo-carbono, levando a indústria siderúrgica a 
estabelecer nos contratos com clientes garantia com intervalo de tempo máximo para uso desses produtos
• O envelhecimento também explica o aparecimento de serrilhado em curvas tensão x deformação de alguns 
materiais com átomos em solução sólida deformados com uma combinação de taxa de deformação e 
temperatura tal que ocorre sucessivos “aprisionamentos” e “liberações” das discordâncias; esse fenômeno é 
denominado “efeito Portevin-Le Chatelier” 
Aumento de Resistência por Solução Sólida: Envelhecimento
Aumento de Resistência por Precipitados e/ou Partículas Dispersas
• A presença de precipitados e/ou partículas dispersas em uma matriz metálica provoca endurecimento ou 
aumento de resistência por interagirem com o movimento das discordâncias, dificultando-o
• Precipitados são formados a partir de uma solução sólida, em geral evoluindo de uma estrutura coerente 
com a matriz, quando são muito pequenos, para estruturas incoerentes com o crescimento dos mesmos, 
sendo que esse processo de crescimento de precipitados é chamado de “envelhecimento” 
Aumento de Resistência por Precipitados e/ou Partículas Dispersas
Aumento de Resistência por Precipitados e/ou Partículas Dispersas
Aumento de Resistência por Precipitados e/ou Partículas Dispersas
• Partículas dispersas ou dispersões são componentes presentes na matriz em geral formados no estado 
líquido ou durante a solidificação, sendo normalmente incoerentes com a matriz
• Um precipitado ou uma partícula dispersa normalmente provoca distorção na rede cristalina da matriz, 
gerando um campo de tensões e deformações que interage com o campo de tensões e deformações das 
discordâncias; essa interação é denominada “interação de longo alcance”
• Uma discordância para continuar o seu movimento ao se aproximar de um precipitado ou partícula 
dispersa precisa vencer a interação de longo alcance e ultrapassar o precipitado ou a partícula cortando-
o(a) ou circundando-o(a)
Aumento de Resistência por Precipitados e/ou Partículas Dispersas
Aumento de Resistência por Precipitados e/ou Partículas Dispersas
Tensão necessária para discordância ultrapassar precipitado ou partícula 
dispersa:
τl = τm + τlr + (menor entre τOrowan ou τcisalhamento)
onde τm é o limite de escoamento ao cisalhamento da matriz,
τlr é a tensão proveniente da interação de longo alcance entre os
campos de tensão e deformação do precipitado ou partícula e da
discordância, τOrowan é a tensão necessária para a discordância circundar os 
precipitados ou partículas e τcisalhamento é a tensão necessária para cisalhar o 
precipitado ou a partícula
τOrowan ~ Gb/x , deduzida a partir da tensão cisalhante necessária para curvar 
uma discordância, onde G é o Módulo de Elasticidade ao cisalhamento, b é o 
vetor de Burgers e x é a distância média entre precipitados ou partículas
τcisalhamento = πγro / 2xb, deduzida a partir da igualdade entre o trabalho 
necessário para cisalhar o precipitado ou a partícula e a energia de superfície 
gerada pelo cisalhamento, onde γ é a energia de superfície por unidade de área 
e ro o raio do precipitado ou da partícula 
Aumento de Resistência por Precipitados e/ou Partículas Dispersas
• Para que ocorra o cisalhamento da partícula:
πγro / 2xb < Gb/x
ou seja,
γro < 2Gb
2 / π
o que ocorre com valores pequenos de γ e ro, típicos de precipitados pequenos (baixo ro) e coerentes 
(baixo γ)
Aumento de Resistência por Precipitados e/ou Partículas Dispersas
• Para o caso de precipitados coerentes, o aumento da tensão de escoamento da matriz (σo) é dado por:
Aumento de Resistência por Precipitados e/ou Partículas Dispersas
• Para o caso de precipitados ou partículas que obedecem ao modelo de Orowan, ou seja, que são 
envolvidos pelas discordâncias, o aumento da tensão de escoamento da matriz (σo) é dado por:
Aumento de Resistência por Precipitados e/ou Partículas Dispersas