Mecanismos de endurecimento

Teoria Completa

Faaaaaaala aiiiii galerinha!!! Tudo bem com vocês?

Vimos em seções anteriores que quando impedimos a movimentação da discordância promovemos um aumenta da resistência e dureza do material. Também vimos que quando o material deforma-se plasticamente e porque houve movimentação de discordâncias.

Mas afinal, quais são os mecanismos de endurecimento?

Há cinco mecanismos de aumento da resistência em metais, são eles:

  • Encruamento
  • Refino de Grão
  • Solução sólida
  • Segunda fase
  • Transformação de fase

Encruamento

Quando um metal dúctil torna-se mais duro à medida que é deformado plasticamente, dizemos que esse material sofre um fenômeno conhecido como encruamento. Também podemos dizer que ele sofreu um endurecimento por trabalho a frio. O termo “a frio” significa que o metal deformou-se a uma temperatura abaixo da temperatura absoluta de fusão do metal. A maioria dos metais encrua a temperatura ambiente.

Mas o quê ocorre para ele encruar?

Bom, o fenômeno de encruamento está relacionando com as interações entre as discordâncias e os campos de deformações das discordâncias, ou seja, quando impomos tensões suficientes para movimentar as discordâncias aumentamos a densidade de discordâncias, assim as discordâncias irão ter mais dificuldade para se movimentar, uma vez que as tensões por elas geradas interagem repelindo-se.

O esquema acima retrata como os campos de deformações das discordâncias repelem-se. Assim quando aumentamos a densidade de discordâncias, isto é, a quantidade delas, mais difícil será de mover novas discordâncias devido a essas forças de repulsão.

Portanto quando trabalhamos um metal a frio, ou seja, deformamo-lo plasticamente, aumentamos o número de discordâncias. Porém, como vimos, a própria discordância dificulta a movimentação de outra discordância. A consequência disso é que aumentamos a resistência do material, logo um material encruado terá maior resistência e dureza do que o material que o originou.

O encruamento é, frequentemente, utilizado nas indústrias para aumentar a resistência mecânica do metal durante o processo de fabricação. Podemos retirar os efeitos causados pelo encruamento através do tratamento térmico de recozimento. Mas fique tranquilo, mais adiante veremos os tratamentos térmicos.

O gráfico acima, tensão versus deformação, mostra um aço de baixo carbono com diferentes porcentagens de encruamento. Na curva verde vemos o comportamento mecânico do material sem encruamento, na azul com 4% de encruamento e na vermelha com 24% de encruamento. Note que quanto maior a porcentagem de encruamento maior é a tensão de escoamento do material!!!

Refino de grão

Um grão diferencia-se de outropor possuírem orientações cristalográficas diferentes. Por essa razão o contorno de grão atua como uma barreira para a movimentação das discordâncias.

Como assim?

Caaaalma!!! Vamos entender melhor isso a partir do desenho abaixo.

O esquema acima mostra dois grãos diferentes e, portanto, duas orientações cristalográficas diferentes. O contorno de grão é uma região onde há falta de ordem atômica, que resulta em uma descontinuidade dos planos de escorregamentos. Note que o grão A possui um plano de escorregamento na horizontal enquanto o grão B possui um plano de escorregamento, aproximadamente, a 45° da horizontal, ou seja, os planos de escorregamentos são descontínuos mudando de direção no contorno. Assim, uma discordância que anda da esquerda para direita encontrará dois obstáculos: mudar a direção de movimentação e transpor a descontinuidade dos planos de escorregamento. Então, o contorno de grão dificulta ou impedi a movimentação das discordâncias.

Mas como podemos aumentar a resistência dos materiais mexendo no tamanho do grão?

Observem na figura acima dois grãos, o primeiro possui 3 discordâncias e o segundo possui 6 discordâncias. Analisando a figura vemos que quanto maior for o grão mais deformação plástica conseguimos acumular. Assim, quando refinamos o grão, isto é, diminuímos o seu tamanho, dificultamos a movimentação de discordância e, consequentemente, aumentamos a resistência desse material.

Uma equação importante é a equação de Hall-Petch, que correlaciona o limite de escoamento do material com o tamanho do grão.

σ e = σ 0 + k e d

Em que σ e é a tensão de escoamento, σ 0 é uma tensão inicial do material, k e é uma constante do material e d é diâmetro médio do grão.

A redução do tamanho de grão não somente melhora a resistência mecânica do material como também melhora a tenacidade do material, isto é, com a redução do tamanho do grão temos uma maior resistência e também maior será a energia necessária para rompê-lo.

Veremos em tópicos adiante que há um tratamento térmico para refino de grão. Este tratamento é conhecido como normalização.

Solução sólida

Em defeitos pontuais vimos que podemos formar uma solução sólida introduzindo átomos de impurezas. Estes átomos podem formar uma solução sólida substitucional ou intersticial, dependendo do tamanho de seu raio atômico. E ao introduzimos esses átomos de impurezas aumentamos a resistência mecânica do material, pois isso, esse mecanismo de endurecimento é conhecido como aumento de resistência por solução sólida.

Mas por que esses átomos de impurezas aumentam a resistência do material?

Para responder a essa pergunta vamos imaginar duas situações:

Na primeira situação temos um átomo substitucional com o raio um pouco maior do que os átomos do metal puro. Já na segunda situação temos um átomo substitucional com o raio um pouco menor do que os átomos do metal puro. Note que nas duas situações temos deformações na rede.

As deformações geradas pelos átomos de impureza irão interagir com os campos de tensões das discordâncias dificultando ou impedindo a movimentação das discordâncias. Logo, a resistência aumentará com a presença de impurezas.

Segunda fase

A segunda fase também contribui para o aumento de resistência do material. Como?

Bom, para responder como, vamos imaginar uma rede cristalina com um precipitado, como o esquema abaixo.

Note que o precipitado está na frente da discordância impedindo ou dificultando sua movimentação.

Outro modo é quando a linha de discordância encontra precipitados como no esquema abaixo.

Observem que a linha de discordância ultrapassa os precipitados, porém cria discordâncias em círculos em volta dos precipitados. Essas discordâncias em círculos criam um campo de tensões dificultando ainda mais o movimento de outras discordâncias.

Notem que nos dois casos os precipitados aumentam a resistência do material, pois dificultam ou impedem o movimento de discordâncias. Logo quanto mais precipitados tiver no material maior será sua resistência mecânica.

Transformação de fase

Para vermos como a transformação de fase aumenta a resistência do material vamos pensar nas transformações ocorridas no ferro.

O ferro abaixo de 910°C possui estrutura CCC essa fase é conhecida como ferrita (ou F e - α ). Quando o ferro passa de 910°C, ele muda para uma estrutura CFC e essa fase é conhecida como austenita (ou F e - γ ). Porém, se resfriamos rapidamente esse ferro com estrutura austenita produziremos uma nova fase conhecida como martensita, essa fase possui estrutura TCC (tetragonal de corpo centrado) e é muito mais resistente dos que as fases anteriores.

Fique tranquilo, veremos transformações de fase com detalhe em tópicos mais adiante!

A princípio lembre-se que a transformação de fase martensita é um mecanismo de aumento de resistência do material.

Vamos praticar?

Expandir

Exercício Resolvido #1

Callister W.D. Ciência e Engenharia de Materiais. Sétima edição.

Explique sucintamente por que alguns metais (por exemplo, o chumbo e o estanho) não encruam quando são deformados à temperatura ambiente.

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Passo 1

A maioria dos materiais encruam à temperatura ambiente, entretanto alguns metais como o chumbo e o estanho não encruam pois a temperatura de recristalização desses metais estão abaixo da temperatura ambiente. Sendo assim, ao deformarmos a frio esses metais eles recristalizam-se formando uma estrutura não encruada.

Resposta

Exercício Resolvido #2

Petrobras adaptado.

Quais são os cincos mecanismos de endurecimento?

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Passo 1

Podemos aumentar a resistência mecânica dos materiais por cinco mecanismos:

  1. Encruamento;
  2. Refino de grão;
  3. Solução sólida;
  4. Segunda fase;
  5. Transformação de fase.

Resposta

Exercício Resolvido #3

UFPR adaptado

Com relação aos mecanismos de endurecimento de metais e ligas metálicas, considere as seguintes afirmativas:

1. Existem, ao todo, 5 mecanismos de endurecimento: encruamento, refinamento de grão, soluções sólidas, segunda fase e transformação de fase.

2. Encruamento é o mecanismo no qual a resistência à movimentação de discordâncias se eleva como resultado do aumento da densidade de discordâncias do material. Esse processo é realizado com o aquecimento do material e resfriamento gradual.

3. A adição de elementos de liga visando à formação de soluções sólidas é uma das formas de elevar a resistência de materiais.

4. Segunda fase é quando o limite de solubilidade é ultrapassado formando assim, precipitados que dificultam o movimento das discordâncias.

Assinale a alternativa correta.

  1. Somente a afirmativa 1 é verdadeira
  2. Somente as afirmativas 1 e 4 são verdadeiras.
  3. Somente as afirmativas 2 e 3 são verdadeiras.
  4. Somente as afirmativas 1, 3 e 4 são verdadeiras.
  5. As afirmativas 1, 2, 3 e 4 são verdadeiras.
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Passo 1

O encruamento é um mecanismo de aumento de resistência que ocorre por deformações plástica no material a frio, ou seja, abaixo da temperatura de recristalização do material. Portanto não há aquecimento do material para realizar o encruamento.

Resposta

Letra: D)

Exercício Resolvido #4

Cesgranrio

Os mecanimos de endurecimento nos metais e ligas metálicas buscam, principalmente:

  1. Facilitar o movimento das discordâncias.
  2. Facilitar o escorregamento dos contornos dos grãos.
  3. Dificultar o movimento das discordâncias.
  4. Dificultar o escorregamento dos contornos dos grãos.
  5. Dificultar o escorregamento dos contornos dos grãos e gerar maclas.
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Passo 1

Para que o material possa deforma-se plasticamente é necessário ter movimento de discordância, assim, quando queremos endurecer o material precisamos dificultar a movimentação das discordâncias.

Resposta

Letra: C)

Exercício Resolvido #5

CESPE/CEBRASPE Polícia Científica de Pernambuco - PE

Acerca do comportamento de materiais quando submetidos a processos de conformação, assinale a opção correta.

  1. O encruamento no material ocorre quando as discordâncias se deslocam para regiões mais energéticas do material como os contornos de grãos, gerando como consequência o aumento na dureza.
  2. O aumento do tamanho de grão provocado por um processo de laminação a quente aumenta a resistência do material.
  3. Materiais policristalinos com grãos menores são, em geral, mais dúcteis que os mesmos materiais com granulação mais grosseira.
  4. A deformação plástica do material tem pouca influência nos tamanhos de grãos e, consequentemente, na resistência mecânica do material.
  5. O endurecimento de um metal por encruamento provocado pela laminação a quente é fator importante na propriedade final do material.
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Passo 1

O aumento do tamanho de grão provocado por um processo de laminação a quente diminui a resistência do material.

Materiais policristalinos com grãos menores são, em geral, menos dúcteis que os mesmos materiais com granulação mais grosseira.

A deformação plástica do material tem muita influência nos tamanhos de grãos e, consequentemente, na resistência mecânica do material.

O endurecimento de um metal por encruamento provocado pela laminação a frio é fator importante na propriedade final do material.

Resposta

Letra: A)

Exercício Resolvido #6

CESPE/CEBRASPE Instituto Nacional da Propriedade Industrial - BR

As propriedades de diversos materiais são alteradas devido à presença de imperfeições em suas estruturas. A respeito das estruturas cristalinas e de seus defeitos, julgue o item a seguir.

O tamanho do grão influência as propriedades de alguns metais e de algumas cerâmicas cristalinas. Um material com tamanho de grão refinado tem maior módulo de elasticidade que o mesmo material com grão grosseiro. Esta alteração se deve à maior dificuldade de deslizamento das discordâncias entre os grãos refinados.

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Passo 1

Um dos mecanismos de endurecimento é o refino de grão. Ao refinarmos o grão aumentamos o seu módulo de elasticidade. Isso ocorre, pois ao diminuirmos os tamanhos dos grãos dificultamos a movimentação das discordância, uma vez que as discordâncias encontram os contornos de grão, elas têm dificultantes/impedimentos de atravessa-los. Assim, quanto menor ou mais refina for o grão maior é a sua resistência mecânica, ou seja, maior será o seu módulo de elasticidade (mais inclinado é a curva no gráfico tensão X deformação).

Resposta

Correta.

Exercício Resolvido #7

CESPE/CEBRASPE Instituto Nacional da Propriedade Industrial - BR

No que se refere aos materiais comumente utilizados na construção mecânica, julgue os itens a seguir.

As soluções sólidas em ligas metálicas fazem que estas sejam mais duras e resistentes que o metal base, pois os átomos que entram na solução sólida tornam-se barreiras ao movimento das discordâncias.

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Passo 1

Quando adicionamos impurezas na forma de elementos de liga em solução sólidas aumentamos a resistência e a dureza do material. Isso ocorre, pois essas impurezas, mesmo em solução sólida, possuem raios atômicos diferentes dos átomos da matriz. Essa diferença de raios atômicos provoca um campo de tensões na rede cristalina. Estas tensão ao interagir com os campos de tensões geradas pelas discordâncias dificultam a movimentação das discordâncias provocando, assim, o aumento de dureza e resistência do material.

Resposta

Correta.

Exercício Resolvido #8

CESPE/CEBRASPE Instituto Nacional da Propriedade Industrial - BR

Tratamentos térmicos, quando aplicados a diversos materiais, provocam mudanças microestruturais que alteram suas propriedades. Com relação a esse tema, julgue os itens seguintes.

Nos processos de deformação plástica a frio, o encruamento se apresenta como um fenômeno que eleva a dureza do material, principalmente por mover suas discordâncias internas para regiões de elevadas energias. O tratamento térmico denominado recozimento alivia as tensões causadas por esse fenômeno.

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Passo 1

O encruamento é um mecanismo de endurecimento por deformação plástica a frio. Ao encruarmos o material, movimentamos as discordâncias para regiões de elevadas energias, como os contornos de grãos. Uma maneira de aliviarmos as tensões causadas é realizarmos o tratamento térmico de recozimento. Através desse tratamento podemos eliminar total ou parcial as tensões introduzidas pelo encruamento. O recozimento possui três etapas: recuperação, recristalização e crescimento de grão.

Resposta

Correta.

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