Após aquecer um material até elevada temperatura (para sua composição química) e resfriá-lo em condições fora do equilíbrio, o que pode ocorrer com este material? (Sua resposta deve ser em termos da cristalinidade do material e o reflexo delas nas propriedades mecânicas. Lembre-se da discussão sobre o processo de têmpera e sobre aços).

Passo 1

O enunciado diz que aquecemos um material (por exemplo, um aço) até alta temperatura para ajustar sua composição química e, em seguida, resfriamos “fora do equilíbrio” (isto é, muito rápido, sem dar tempo às transformações difusivas típicas de um resfriamento lento). O conteúdo aqui é transformar fases cristalinas em condições não-equilíbrio e entender como isso afeta a cristalinidade e, consequentemente, as propriedades mecânicas do material.

Passo 2

Em um resfriamento lento (quase em equilíbrio), cada fase tem tempo para crescer e se reorganizar por difusão de átomos, formando microestruturas de equilíbrio, como perlita em aços (camadas alternadas de ferrita e cementita). Essas fases têm grãos relativamente grandes e bem ordenados, o que confere boa combinação de resistência e ductilidade.

Passo 3

No resfriamento rápido (têmpera), as transformações difusivas são “congeladas”: os átomos não conseguem se reorganizar na rede de equilíbrio. Em aços, o resultado típico é a formação de martensita, uma fase metastável com rede tetragonal distorcida e altíssimo teor de carbono retido na ferrita. Em ligas metálicas com tendência ao vidro metálico, pode até não se cristalizar e formar uma estrutura amorfa (metal glass), sem ordem de longo alcance.

Passo 4

Do ponto de vista da cristalinidade, estamos diminuindo:
  1. o tamanho de grão (microestrutura muito fina);
  2. o grau de ordem cristalina de longo alcance (no caso do vidro metálico, chega a zero);
  3. gerando defeitos de empilhamento e tensões internas devido à distorção da rede pela carbonetação rápida.

Passo 5

Em termos de propriedades mecânicas, esse material não-equilíbrio apresenta:
– Muito maior dureza e resistência à tração (graças à martensita ou à fina microestrutura);
– Redução drástica da ductilidade e da tenacidade (torna-se mais quebradiço);
– Tensões residuais internas elevadas, que podem levar a trincas ou distorções dimensionais.

Resposta

Ao resfriar rápido “fora do equilíbrio”, obtemos uma microestrutura metastável (martensita em aços ou até estrutura amorfa em ligas específicas), com menor cristalinidade de longo alcance, grãos muito finos e alta densidade de defeitos. Isso resulta em materiais de dureza e resistência elevadas, porém bastante frágeis e com baixa ductilidade.

Exercícios relacionados