Um engenheiro deseja aumentar a resistência de um metal por meio da introdução de defeitos controlados. Que tipo de defeito ele pode usar e por quê?
Passo 1
O enunciado diz: “Um engenheiro quer aumentar a resistência de um metal introduzindo defeitos controlados. Que tipo de defeito ele pode usar e por quê?”
Conteúdo: defeitos cristalinos e mecanismos de endurecimento em metais.
O que vamos precisar:
Conteúdo: defeitos cristalinos e mecanismos de endurecimento em metais.
O que vamos precisar:
- Saber quais são os tipos básicos de defeito (pontual, linear, superficial).
- Entender como esses defeitos barram o movimento de dislocações (que é o principal mecanismo de deformação plástica em metais).
- Ver a relação quantitativa (fórmula de Hall-Petch) que explica o ganho de resistência.
Passo 2
Primeiro, um panorama rápido dos defeitos:
- Defeitos pontuais: vacância, átomo extra em interstício, átomo substitucional.
- Defeitos lineares: dislocações (borda e parafuso).
- Defeitos superficiais (bidimensionais): contornos de grão.
Por que esses defeitos importam?
Metais se deformam quando dislocações “escorrem” pelo cristal. Se você coloca barreiras no caminho dessas dislocações, fica mais difícil deformar, logo a resistência aumenta.
Metais se deformam quando dislocações “escorrem” pelo cristal. Se você coloca barreiras no caminho dessas dislocações, fica mais difícil deformar, logo a resistência aumenta.
Passo 3
Agora, o mecanismo de Hall-Petch, que é justamente sobre contorno de grão:
A tensão de escoamento (σy) varia com o tamanho médio de grão (d) segundo
A tensão de escoamento (σy) varia com o tamanho médio de grão (d) segundo
onde
• σ₀ = tensão para mover dislocações em um cristal “infinito” sem contornos,
• k = constante de fortalecimento do material,
• d = tamanho médio de grão.
• σ₀ = tensão para mover dislocações em um cristal “infinito” sem contornos,
• k = constante de fortalecimento do material,
• d = tamanho médio de grão.
Quanto menor for d, maior será
e, consequentemente, maior a σy. Isso acontece porque cada contato de grão é como um muro que as dislocações não atravessam facilmente.
Passo 4
Escolhendo o defeito: contorno de grão (um defeito bidimensional).
Como “controlar” isso? Através de processos como tratamento térmico e metalurgia do pó, é possível refinar o tamanho de grão até valores micrométricos ou nanométricos.
Como “controlar” isso? Através de processos como tratamento térmico e metalurgia do pó, é possível refinar o tamanho de grão até valores micrométricos ou nanométricos.
Por que funciona?
Cada grão adiciona muitas fronteiras internas. Essas fronteiras bloqueiam o movimento das dislocações, forçando-as a “contornar” ou “gerar pares” de novas dislocações, o que consome mais energia e aumenta a resistência do metal.
Cada grão adiciona muitas fronteiras internas. Essas fronteiras bloqueiam o movimento das dislocações, forçando-as a “contornar” ou “gerar pares” de novas dislocações, o que consome mais energia e aumenta a resistência do metal.
Resposta
O engenheiro pode usar o defeito de contorno de grão, refinando o tamanho dos grãos do metal, pois, segundo a lei de Hall-Petch (
), grãos menores significam mais fronteiras que barram o movimento de dislocações, elevando a resistência do material.