Introdução: Mecanismos de endurecimento são formas de se evitar o movimento
de discordâncias em um metal. O movimento de discordâncias em um material cristalino, especialmente nos metais, é uma das causas do fenômeno fenômeno de deformaçã deformaçãoo plástica, plástica, portanto tais mecanismos mecanismos são utilizados utilizados para minimizar minimizar esse fenômeno fenômeno restringindo o movimento de discordâncias e conseqüentemente causando o endurecimento do material.A seguir será discutido de forma sucinta cada tipo de mecanismo de endurecimento. e ndurecimento. Endurecime Endurecimento nto por solução solução sólida:Uma
solução é definida como uma mistura homogênea de duas ou mais
substâncias. O tipo de solução de interesse é a sólida onde solvente e soluto se encontram na forma sólida. Uma solução solução sólida sólida pod podee ser substituciona substitucionall ou interstici intersticial, al, numa solução sólida substituci substitucional onal átomos átomos de soluto soluto ocupam posições de rede, já na intersticial os átomos de soluto ocupam posições intersticiais, ambas causam uma deformação na rede já que possuem tamanhos diferentes dos átomos do solvente.Uma maneira útil e fácil de entender tal mecanismo é pensar em termos de energia de interação entre a barreira e a discordância. Para uma solução sólida substitucional, no caso de uma discordância estacionária, a energia de interação é a mudança de energia do sistema que consiste de um cristal e uma discordância quando um átomo de solvente é substituído por um átomo de soluto.A forma de interação entre uma discordância e o soluto depende do tipo de discordância e do tipo de solução. No caso de uma discordância tipo cunha positiva, existe meio plano extra sobre o plano de deslizamento. Portanto, haverá uma tensão de compressão acima do plano de deslizamento e uma tensão de tração abaixo do mesmo. Por isso átomos substicionais de soluto teriam seu campo de tensão minimizado caso se movessem para a discordância, pois o campo de tensão gerado pelo átomo de soluto iria interagir com o campo de tensão da discordância. No caso de um átomo substitucional de soluto menor do que os átomos da rede a posição de menor energia seria próxima ao campo de tração da discordância em aresta (pois este gera um campo de compressão ao seu redor), já para um átomo substitucional maior do que os átomos da rede a posição de menor energia seria próximo ao campo de compressão (pois é gerado um campo de tração ao redor deste átomo). É import important antee ressal ressaltar tar que átomos átomos subst substituc itucion ionais ais soment somentee irão irão intera interagir gir com com defei defeitos tos que poss possuem uem um compo componen nente te hidros hidrostát tático ico (traçã (tração/c o/comp ompres ressão são), ), discor discordân dância ciass em hélice hélice poss possuem uem carát caráter er cisalh cisalhan ante te com com component componentee hidrostáti hidrostática ca zero, zero, portanto portanto não irão interagir interagir com átomos átomos substituci substitucionai onais.No s.No caso caso de átomos átomos intersticiais além da interação entre campos de tensões gerados pelo átomo, há uma distorção tetragonal, já que tais átomos localizados no centro das arestas e/ou faces podem gerar uma distorção na célula quando se movem de sua posição inicial pra os cantos do cubo, fazendo com que ela passe da forma cúbica para tetragonal. Tais átomos átomos criam criam uma atmosfera nas arestas arestas dificultan dificultando do o movimento movimento de discordâ discordâncias ncias.Uma .Uma solução solução sólida sólida substitucional funciona como um mecanismo de endurecimento menos efetivo do que uma solução sólida intersticial já que não interage com discordâncias em hélice.A concentração de átomos de soluto ao redor das discordâncias gera a chamada atmosfera de Cotrell fazendo com que seja necessária uma energia maior para mover as discordâncias, além do tamanho do átomo de soluto há outras formas de interação soluto/solvente, porém com contribuição menos significativa do que o tamanho do átomo.A temperatura está intimamente ligada com com esse esse tipo tipo de meca mecani nism smo, o, pois pois está está rela relaci cion onad adaa com com a mobi mobili lida dade de do doaa átom átomos os de solu soluto to para para as discordâncias. Endurecimento por precipitação:O
endurecimento por precipitação consiste no reforço da matriz metálica
através da precipitação de partículas metaestáveis e estáveis não homogêneas na matriz metálica, supersaturando a solução sólida, aumentando assim a resistência ao movimento de discordâncias e endurecendo o metal.
O reforço gerado por essas partículas dependera do espaçamento, resistência e quantidade dos precipitados. A supersaturação da solução é feita através do rápido resfriamento de uma temperatura alta no qual a solução possuí uma única fase. O comportamento de cada liga é diferente, porém, a liga deve pelo menos: •
Formar uma solução sólida monofásica em altas temperaturas;
•
Resultar em precipitados finamente dispersos durante o envelhecimento.
No tratamento de precipitação ocorrem os seguintes passos: •
Solubilização: a liga é aquecida para a região monofásica e mantida em determinada temperatura até ocorrer dissolução total de precipitados;
•
Resfriamento brusco: O corre o resfriamento da solução sólida até uma temperatura mais baixa (abaixo da ambiente) evitando assim a formação de precipitados estáveis;
•
Envelhecimento: A solução é deixada em temperatura ambiente ou acima para formar precipitados finos dispersos.
No começo do envelhecimento surgem zonas que são coerentes com a matriz, essas regiões são conhecidas como zonas GP (Zonas de Guiner- Preston). Essas zonas são pequenas e possuem pequeno desemparelhamento com a rede por isso são coerentes com a matriz. Essas zonas possuem baixa energia de coerência, porém possuem uma pequena coerência elástica em relação a deformação da matriz. Conforme a deformação coerente é excedida ocorre a formação de zonas semi-coerentes, pois isso é favorável energeticamente. A seguir há uma perda total de coerência formando uma interface incoerente entre precipitado e matriz. O precipitado pode ser coerente, semi-coerente ou incoerente com a matriz.Num estagio inicial, as discordâncias necessitam de uma tensão extra para cisalhar as zonas GP. No decorrer do tempo, precipitados incoerentes aparecem e as discordâncias devem agora devem arquear-se em torno das partículas fazendo com que se opere o mecanismo de Orawan. Em seguida, o arqueamento das discordâncias torna-se mais fácil devido ao maior espaçamento entre as partículas fazendo com que ocorra uma diminuição na resistência.O aumento da resistência ao movimento de discordâncias pode ocorrer de duas formas:Partículas de precipitado impenetráveis a discordância: as discordâncias curvam-se ao redor dos precipitados sendo necessária uma energia maior para que ocorra tal fenômeno;Partículas de precipitado penetráveis através das discordâncias: As partículas são cisalhadas pelas discordâncias havendo um gasto de energia maior para que ocorra o cisalhamento. Endurecimento por dispersão: No
endurecimento por dispersão uma segunda fase insolúvel é incorporada na
matriz do metal, isso gera uma distorção na rede. A fração dessa segunda fase é de 3 a 4% no máximo. Essa segunda fase, que é mais rígida que a matriz, funciona como obstáculos ao movimento de discordâncias reforçando o metal ou liga sem afetar a rigidez de forma significativa. Para isso utilizam-se partículas com alta rigidez como a alumina para produzir compósitos com maior rigidez do que o metal puro.Esse mecanismo de endurecimento torna-se mais efetivo a altas temperaturas, já que para o endurecimento por precipitação as partículas dissolvem-se na matriz o que não ocorre com uma segunda fase dispersa pois esta é insolúvel na matriz.As interações entre matriz e segunda fase dependerá da dimensão, resistência espaçamento e quantidade das partículas de segunda fase dispersa.
Endurecimento por refino de grão:Os
contornos de grão são regiões que delimitam planos cristalográficos
distintos, são regiões de alta e energia e possuem grande desordem atômica, contorno de grão é formado por vários tipos de discordâncias e funciona como uma barreira ao movimento de discordâncias já são uma distorção da rede. Para metais policristalinos o tamanho de grão exerce grande influência sobre as propriedades mecânicas. A seguir será descrito a interferência do tamanho de grão mo endurecimento do material.
O
contorno de grão funciona como uma barreira ao movimento de discordâncias, pois para se movimentarem através do contorno de grão essas devem mudar sua direção cristalográfica e há também uma descontinuidade no plano de escorregamento de grão para grão. É importante notar que discordâncias não conseguem ultrapassar contornos de grão de alto ângulo, porém a tensão gerada nesse contorno pode ativar novas fontes de discordâncias e quanto mais fino o grão maior será o números de barreiras ao movimento de discordâncias, portanto há um aumento na resistência mecânica.
O papel do contorno de grão é crucial na deformação
plástica de materiais policristalinos pelos seguintes motivos: •
A baixas temperaturas, há acumulo de discordâncias nos contornos de grão que geram concentração de tensões e podem ser relaxados por deslizamento total múltiplo;
•
O desenvolvimento de lacunas não é permitido na deformação de um policristal, sendo assim, a deformação de cada grão deve ser acomodada por seus vizinhos ocorrendo aumento do volume do material no encruamento com a diminuição do tamanho de grão, isso irá fazer com que ocorra elevado endurecimento devido a interação de discordâncias induzidas por deslizamento múltiplo;
•
Em altas temperaturas ocorre deslizamento dos contornos de grão favorecendo a deformação plástica;
•
Os contornos de grão funcionam com fontes de aniquilação de discordâncias favorecendo a difusão.
O comportamento de Hall-Petch estabelece uma relação entre o tamanho de grão e seu limite de escoamento, porem não deve ser seguida como uma lei universal sendo útil para casos específicos. Endurecimento por Encruamento:Processo
no qual um metal se torna mais duro quando é deformado
plasticamente, é também chamado de endurecimento a frio ou por trabalho mecânico.
Em alguns processos
atômicos o tempo de relaxação para alguns processos atômicos são tão longos que o equilíbrio raramente é atingido, por isso os metais apresentam a característica de endurecer por deformação. Caso esses tempos fossem curtos a estrutura retornaria rapidamente ao seu estado de equilíbrio tornando a tensão de deformação constante. Porém, em um solido real deformado plasticamente, devido ao tempo de relaxação ser longo, é necessário uma deformação adicional.O encruamento ocorre em um material cristalino porque eles se deformam plasticamente pelo movimento de discordâncias. As discordâncias reagem entre si e com outros defeitos e obstáculos. Essas interações diminuem a mobilidade, que é acompanhada por uma tensão maior para ocorrer deslizamento da mesma. Caso a deformação seja executada em temperaturas baixas ou moderadas, o metal endurece, porém, se a temperatura é alta, as discordâncias produzidas pelo encruamento tornam-se recozidas, ou seja, o tempo de relaxação atômica diminui causando uma diminuição no encruamento.