01. Fortalecimento de soluções sólidas
Definiritição
O fenômeno da solução sólida de elementos de liga no metal da matriz, causando um certo grau de distorção da rede, melhora a resistência da liga.
Princípio
Os átomos do soluto que são dissolvidos na solução sólida causam distorção da rede, o que aumenta a resistência ao movimento de deslocamento e dificulta o deslizamento. Como resultado, a resistência e a dureza da solução sólida da liga aumentam. Este fenômeno de fortalecimento do metal através da formação de uma solução sólida pela dissolução de um elemento soluto específico é conhecido como fortalecimento por solução sólida.
Quando a concentração do átomo de soluto é ideal, a resistência e a dureza do material podem ser melhoradas, mas a sua tenacidade e plasticidade diminuem.
Fatores de influência
Quanto maior a concentração de átomos de soluto, mais pronunciado será o efeito de fortalecimento, principalmente em baixas concentrações, onde o efeito é mais significativo.
Quanto maior a diferença no tamanho atômico entre o átomo do soluto e o metal da matriz, mais forte será o efeito de fortalecimento.
Os átomos de soluto intersticiais têm um efeito de fortalecimento da solução sólida mais forte do que os átomos de substituição. Além disso, a distorção da rede causada por átomos intersticiais em cristais cúbicos de corpo centrado é assimétrica, resultando em um efeito de fortalecimento mais forte do que em cristais cúbicos de face centrada. No entanto, a solubilidade sólida dos átomos intersticiais é muito limitada, pelo que o efeito real de fortalecimento também é limitado.
Quanto maior a diferença no número de elétrons de valência entre o átomo do soluto e o metal da matriz, mais pronunciado se torna o efeito de fortalecimento da solução sólida. Em outras palavras, o limite de escoamento da solução sólida aumenta à medida que a concentração de elétrons de valência aumenta.
O grau de fortalecimento da solução sólida depende principalmente dos seguintes fatores:
(1) A diferença de tamanho entre os átomos da matriz e os átomos do soluto:
Quanto maior a diferença de tamanho, mais a estrutura cristalina original é perturbada e mais difícil se torna o deslizamento das discordâncias.
(2) A quantidade de elementos de liga:
Quanto maior for a quantidade de elementos de liga adicionados, mais forte será o efeito de fortalecimento.
Se forem adicionados muitos átomos muito grandes ou muito pequenos, a solubilidade será excedida. Isto resulta em outro mecanismo de fortalecimento conhecido como fortalecimento da fase de dispersão.
(3) O efeito de fortalecimento da solução sólida dos átomos de soluto intersticiais é maior do que o dos átomos de substituição.
(4) Quanto maior a diferença no número de elétrons de valência entre o átomo do soluto e o metal da matriz, mais pronunciado se torna o efeito de fortalecimento da solução sólida.
Efeito
A resistência ao escoamento, a resistência à tração e a dureza são mais fortes em comparação com as do metal puro.
Na maioria dos casos, a ductilidade é menor comparada à do metal puro.
A condutividade elétrica é significativamente menor em comparação com a do metal puro.
O reforço com solução sólida pode melhorar a resistência à fluência ou à perda de resistência em altas temperaturas.
02. Endurecimento por trabalho
Ddefinição
Com o aumento da deformação a frio, a resistência e a dureza dos materiais metálicos aumentam, mas a plasticidade e a tenacidade diminuem.
Breve introdução
O fenômeno de aumento de resistência e dureza de materiais metálicos, acompanhado por uma diminuição na plasticidade e tenacidade durante a deformação plástica abaixo da temperatura de recristalização, é conhecido como endurecimento por trabalho a frio.
A razão para isso é que durante a deformação plástica do metal, ocorre o deslizamento dos grãos e os deslocamentos ficam emaranhados, fazendo com que os grãos se alongem, quebrem e fibrosem, resultando em tensão residual dentro do metal.
O grau de endurecimento por trabalho é comumente expresso como a razão entre a microdureza da camada superficial após o processamento e aquela antes do processamento, e a profundidade da camada endurecida.
Da perspectiva da teoria do deslocamento:
(1) A intersecção das discordâncias impede o seu movimento através da formação de discordâncias de corte;
(2) A reação entre deslocamentos cria deslocamentos fixos que impedem ainda mais o seu movimento;
(3) A proliferação das luxações leva a um aumento na densidade das luxações, aumentando ainda mais a resistência ao movimento das luxações.
Ferir
O endurecimento por trabalho torna o processamento posterior de peças metálicas um desafio.
Por exemplo, durante a laminação a frio, a chapa de aço se tornará cada vez mais dura a ponto de não poder mais ser laminada. Portanto, é necessário incluir o recozimento intermediário no processo de processamento para eliminar o endurecimento por aquecimento.
Por exemplo, no processo de corte, a superfície da peça torna-se quebradiça e dura, causando desgaste acelerado da ferramenta, aumento da força de corte e assim por diante.
Benefícios
O endurecimento por trabalho pode melhorar a resistência, a dureza e a resistência ao desgaste dos metais, especialmente para os metais puros e algumas ligas que não podem ser reforçadas por meio de tratamento térmico.
Os exemplos incluem fio de aço de alta resistência trefilado a frio e molas enroladas a frio, que usam deformação por trabalho a frio para aumentar sua resistência e limite elástico.
Por exemplo, a esteira de tanques e tratores, a placa de mandíbula dos britadores e o desvio dos trilhos ferroviários também utilizam o endurecimento para melhorar sua dureza e resistência ao desgaste.
Role em engenharia mecânica
A resistência superficial de materiais, peças e componentes metálicos pode ser significativamente melhorada por meio de trefilação a frio, laminação e shot peening (conforme descrito no reforço de superfície).
Quando as peças são submetidas a tensões, as tensões locais em algumas áreas podem muitas vezes exceder o limite de escoamento do material, levando à deformação plástica. No entanto, o endurecimento restringe o desenvolvimento contínuo da deformação plástica, melhorando assim a segurança das peças e componentes.
Quando uma peça ou componente metálico é estampado, a deformação plástica é acompanhada de reforço, resultando na transferência da deformação para a peça endurecida e não trabalhada circundante.
Através de repetidas ações alternadas, peças estampadas a frio com deformação uniforme da seção transversal podem ser obtidas e o desempenho de corte do aço de baixo carbono pode ser melhorado, facilitando a separação dos cavacos.
No entanto, o endurecimento por trabalho também torna o processamento posterior de peças metálicas um desafio. Por exemplo, o fio de aço trefilado a frio torna-se difícil de estirar ainda mais devido ao endurecimento por trabalho, exigindo uma quantidade significativa de energia e pode até quebrar. Como resultado, ele deve ser recozido para eliminar o endurecimento antes de ser estirado novamente.
Da mesma forma, no processo de corte, tornar a superfície da peça quebradiça e dura através do endurecimento aumenta a força de corte e acelera o desgaste da ferramenta durante o novo corte.
03. Fortalecimento de grãos finos
Ddefinição
O método de melhorar as propriedades mecânicas de materiais metálicos através do refinamento de grãos é conhecido como reforço de grãos finos.
Na indústria, o refino de grãos é utilizado para melhorar a resistência dos materiais.
Princípio
Os metais são geralmente compostos de muitos grãos e são chamados de policristais. O tamanho dos grãos pode ser expresso em termos do número de grãos por unidade de volume, sendo que um número maior indica grãos mais finos.
Experimentos mostram que metais de granulação fina têm maior resistência, dureza, plasticidade e tenacidade em comparação com metais de granulação grossa à temperatura ambiente. Isso ocorre porque a deformação plástica causada por forças externas em grãos finos pode ser dispersa em mais grãos, levando a uma deformação plástica mais uniforme e a uma concentração de tensão reduzida.
Além disso, quanto mais fino o grão, maior será a área do contorno do grão e mais tortuoso se tornará o contorno do grão, dificultando a propagação de fissuras.
Portanto, o método de aumentar a resistência do material através do refinamento de grãos é conhecido como fortalecimento de grãos finos na indústria.
Efeito
Quanto mais fino o grão, menos discordâncias (n) presentes no agrupamento de discordâncias, resultando em menor concentração de tensão e maior resistência do material.
A lei de fortalecimento de grãos finos afirma que quanto mais contornos de grãos estiverem presentes, mais finos serão os grãos.
De acordo com a relação Hall-Petch, quanto menor o tamanho médio do grão (d), maior será o limite de escoamento do material.
O método de refinamento de grãos:
Os métodos para refinar grãos de metais deformados a frio incluem:
- Aumentando a hipotermia
- Tratamento de modificação
- Vibração e agitação
O tamanho do grão pode ser controlado ajustando o grau de deformação e a temperatura de recozimento.
04. Fortalecimento da segunda fase
Ddefinição
Em comparação com as ligas monofásicas, as ligas multifásicas contêm uma segunda fase além da fase matriz.
Quando a segunda fase é uniformemente dispersa como partículas finas dentro da fase da matriz, resulta num efeito de fortalecimento significativo, referido como fortalecimento da segunda fase.
Classificação
A segunda fase contida na liga tem os dois efeitos a seguir no movimento das discordâncias:
(1) Efeito de fortalecimento de partículas não deformáveis (mecanismo de bypass).
(2) Efeito de fortalecimento de partículas deformáveis (mecanismo de corte).
Tanto o fortalecimento por dispersão quanto o fortalecimento por precipitação são casos especiais de fortalecimento da segunda fase.
Efeito
O fortalecimento da segunda fase é principalmente devido à interação entre a segunda fase e as discordâncias, o que impede o movimento das discordâncias e aumenta a resistência da liga à deformação.
Conclusão
A resistência dos materiais metálicos é afetada principalmente por sua composição, microestrutura e estado superficial.
O segundo fator é o estado de tensão, como a taxa de força aplicada e o modo de carregamento, que pode resultar em diferentes resistências, por exemplo, a resistência à tração do aço de ultra-alta resistência pode diminuir quando testado em atmosfera de hidrogênio.
A forma geométrica e o tamanho da amostra e do meio de teste também têm um impacto significativo e podem por vezes ser decisivos.
Existem apenas duas maneiras de fortalecer materiais metálicos:
- Melhorar a força de ligação interatômica da liga e preparar cristais completos sem defeitos, como bigodes. Bigodes de ferro apresentam resistência próxima ao valor teórico devido à ausência ou pequeno número de discordâncias que não se multiplicam durante a deformação. No entanto, a sua resistência diminui rapidamente à medida que o seu diâmetro aumenta.
- Introdução de um grande número de defeitos cristalinos no cristal, como deslocamentos, defeitos pontuais, átomos heterogêneos, limites de grãos, partículas altamente dispersas ou heterogeneidades (como segregação). Esses defeitos impedem o movimento das discordâncias e aumentam significativamente a resistência do metal. Esta é a maneira mais eficaz de aumentar a resistência do metal.
Em materiais de engenharia, a resistência é geralmente melhorada através de um efeito de reforço abrangente para obter melhores propriedades gerais.
