estudo dos metais

7/23/2019 Estudo Dos Metais

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS

Ps-graduao em Engenharia Mecnica

Adriano Amncio Trajano

Anderson Jnior dos Santos

Diogo Azevedo de Oliveira

Natanael Geraldo e Silva Almeida

ESTUDO DOS METAIS

Belo Horizonte2015


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Adriano Amncio Trajano

Anderson Jnior dos Santos

Diogo Azevedo de Oliveira

Natanael Geraldo e Silva Almeida

ESTUDO DOS METAIS

Trabalho apresentado ao curso de Ps-graduao em

Engenharia Mecnica da Universidade Federal de

Minas Gerais na disciplina de Materiais para

construo mecnica.

Professora: Maria Teresa Paulino Aguilar

Belo Horizonte2014


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RESUMO

Este trabalho expe o contedo estudado em sala de aula aplicado em materiais metlicos.

Aprofunda o conhecimento em alguns pontos especficos, com definio, explicao, algumasformulaes matemticas e imagens. No cobre todo o assunto devido extenso. O

conhecimento dos metais de fundamental importncia para a formao profissional de

estudantes de engenharia mecnica, pesquisadores e profissionais da rea. Em algum

momento ser necessrio fazer uma seleo de materiais, categorizao de algum material ou

processamento, entre outras atividades que necessitam do conhecimento explicitado neste

trabalho.


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SUMRIO

1 LIGAO METLICA ..................................................................................................... 19

1.1 Arranjos atmicos ......................................................................................................... 20

1.2 Sistemas cristalinos ....................................................................................................... 20

1.3 Reticulados cristalinos .................................................................................................. 23

1.4 Alotropia ........................................................................................................................ 26

1.4 Empilhamento ............................................................................................................... 27

1.5 Materiais policristalinos ............................................................................................... 28

1.6 Direo no cristal .......................................................................................................... 29

1.7 Planos cristalinos ........................................................................................................... 29

2 DIFUSO ............................................................................................................................. 31

2.1 Mecanismos da difuso ................................................................................................. 31

2.2 Tratamentos termoqumicos ........................................................................................ 34

3-IMPERFEIES NOS METAIS ...................................................................................... 36

3.1 Defeitos Pontuais ........................................................................................................... 36

3.1.1 Lacuna ..................................................................................................................... 36

3.1.1.1 Dilacuna ............................................................................................................ 37

3.1.2 I nterstcio ................................................................................................................. 37

3.1.3 Impureza .................................................................................................................. 37

3.2 Defeitos lineares ............................................................................................................ 37

3.2.1 Discordncia-aresta................................................................................................. 38

3.2.2 Discordncia-espir al ............................................................................................... 39

3.2.3 Discordncia-mi sta .................................................................................................. 39

3.2.4 Vetor de Bur gues ..................................................................................................... 40

3.2.5 Deslizamento por movimento das discordncias.................................................... 40

3.2.5 Fontes de discordncia ............................................................................................ 40

3.3 Defeitos interfaciais ....................................................................................................... 41

3.3.1 Contorno de gro ..................................................................................................... 41

3.3.2 Contorno de macla .................................................................................................. 42

3.3.3 Contorno de f ase ...................................................................................................... 42

4- MECANISMOS DE ENDURECIMENTO ...................................................................... 42

4.1 - Endurecimento por soluo slida ............................................................................ 42

4.2 - Endurecimento por precipitao ............................................................................... 46


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4.2.1 - Endurecimento por disperso de partcul as coerentes e incoerentes ................. 48

4.3 - Endurecimento por reduo do tamanho de gro ................................................... 50

4.4 -- Endurecimento por encruamento ............................................................................ 53

5- RECUPERAO, RECRISTALIZAO E CRESCIMENTO DE GROS EMMETAIS .................................................................................................................................. 57

5.1 - Recuperao esttica aps o trabalho a frio ............................................................ 59

5.2 - Recristalizao esttica aps o trabalho a frio ......................................................... 60

5.3 - Recuperao dinmica ............................................................................................... 62

5.4 - Recristalizao dinmica ........................................................................................... 63

REFERNCIAS ..................................................................................................................... 66


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LISTA DE FIGURAS

FIGURA 1.1- ILUSTRAO ESQUEMTICA DA LIGAO METLICA.

............................................................................................................................. 19

FIGURA 1.2- CLULA UNITRIA E ESTRUTURA CRISTALINAESQUEMTICA. ............................................................................................... 21

FIGURA 1.3- PROBABILIDADE DE SE ENCONTAR UM TOMO EMFUNO DA DISTNCIA............................................................................... 21

OS SETE SISTEMAS CRISTALINOS.............................................................. 21

FIGURA 1.4SETE SISTEMAS CRISTALINOS............................................ 22

FIGURA 1.5- OS QUATORZE RETICULADOS CRISTALINOS DEBRAVAIS. .......................................................................................................... 23

FIGURA 1.6- ESTRUTURA CBICA DE CORPO CENTRADO.................. 24

FIGURA 1.7- ESTRUTURA CBICA DE FACES CENTRADAS................. 24

FIGURA 1.7- HEXAGONAL COMPACTA..................................................... 25

FIGURA 1.8- EMPILHAMENTO A B A B A.................................................. 27

FIGURA1.9- EMPILHAMENTO A B A B A B ............................................. 27

FIGURA 1.10- EMPILHAMENTO A B C A B C A B C.................................. 28

FIGURA 1.11- REPRESENTAO ESQUEMTICA DE SOLIDIFICAODE UM MATERIAL POLICRISTALINO. (A)- NUCLEAO DE CRISTAIS

NO LQUIDO. (B)- CRESCIMENTO DOS CRISTAIS E OBSTRUO DOCRESCIMENTO EM REGIES DE ENCONTRO.(C)- FINAL DASOLIFICAO. (D)ESTRUTURA DOS GROS NO MICROSCPIO,ONDE AS LINHAS ESCURAS REPRESENTAM OS CONTORNOS DE

GRO.................................................................................................................. 28

FIGURA 1.12- MICROESTRUTURA TPICA DOS GROS EM AO DEBAIXO TEOR DE C. AUMENTADO 100 X ATAQUE DE NITAL 3%......... 29

FIGURA- 1.13- DIREO NO CRISTAL........................................................ 29

FIGURA 1.14- PLANOS (010) EM ESTRUTURAS CBICAS. (A) CBICASIMPLES.(B) CCC.(C) CFC[ OBSERVE QUE OS PLANOS (020)INCLUDOS PARA AS ESTRUTURAS CCC E CFC, SO IDNTICOS AOS

PLANOS (010).] ................................................................................................. 30


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FIGURA 1.15PLANOS )111( EM ESTRUTURAS CBICAS.(A) CBICA

SIMPLES.(B) CCC.(C) CFC.............................................................................. 30

FIGURA 2.1DIFUSO POR LACUNA........................................................ 32

FIGURA 2.2MOVIMENTO DIRETO........................................................... 32

FIGURA 2.3MOVIMENTO SIMULTNEO................................................ 33

FIGURA 2.4DIFUSO INTERSTICIAL...................................................... 33

FIGURA 2.5DIFUSO MOSTRADA POR MICROSCOPIA...................... 35

FIGURA 2.6PEAS EXEMPLO.................................................................... 35

FIGURA 3.1DEFEITOS PONTUAIS. (A) LACUNA; (B) INTERSTICIAL;(C) TOMO DE IMPUREZA............................................................................ 36

FIGURA 3.2DISCORDNCIA ARESTA..................................................... 38

FIGURA 3.3DISCORDNCIA-ARESTA PRODUZIDA PORDESLIZAMENTO.............................................................................................. 38

FIGURA 3.4DISCORDNCIA-ESPIRAL PRODUZIDA PORDESLIZAMENTO.............................................................................................. 39

FIGURA 3.5DISCORDNCIA MISTA. (A)REPRESENTAOESQUEMTICA (B) VISTA SUPERIOR......................................................... 39

FIGURA 3.6DESLIZAMENTO POR DISCORDNCIA. (A) MOVIMENTODE TOMOS PRXIMOS A DISCORDNCIA; (B) MOVIMENTO DEUMA DISCORDNCIA-ARESTA................................................................... 40

FIGURA 3.7 - CONTORNOS DE GRO......................................................... 41

FIGURA 3.8 - CONTORNO DE MACLA........................................................ 42

FIGURA 4.1IMAGEM ILUSTRATIVA DA TENSO DE COMPRESSOACIMA DO PLANO DE DESLIZAMENTO E UMA TENSO DE TRAO

ABAIXO DESTE................................................................................................ 43

FIGURA 4.2(A) REPRESENTAO DAS DEFORMAES DA REDEPOR TRAO IMPOSTAS SOBRE TOMOS HOSPEDEIROS POR UMTOMO DE IMPUREZA SUBSTITUCIONAL DE MENOR......................... 43

(B) POSSVEIS LOCALIZAES DE TOMOS DE IMPUREZASMENORES EM UMA DISCORDNCIA ARESTA........................................ 43

FIGURA 4.3(A) REPRESENTAO DAS DEFORMAES

COMPRESSIVAS IMPOSTAS SOBRE TOMOS HOSPEDEIROS POR UMTOMO DE IMPUREZA SUBSTITUCIONAL DE MAIOR TAMANHO..... 43


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(B) POSSVEIS LOCALIZAES DE TOMOS DE IMPUREZASMAIORES EM UMA DISCORDNCIA ARESTA......................................... 43

FIGURA 4.4 - EFEITO DE ADIES DE SOLUTO NA CURVA TENSO-DEFORMAO................................................................................................. 44

FIGURA 4.5AUMENTO NA TENSO DE ESCOAMENTO DO AO EMFUNO DA ADIO DE ELEMENTOS DE LIGA..................................... 45

FIGURA 4.6COMPARAO DAS CURVAS DE TRAO DE UMALIGA DE ALUMNIO DE ELEVADA PUREZA E DE OUTRA LIGACONTENDO 5 WT% MG.................................................................................. 46

FIGURA 4.7FASES DOS PROCESSOS DE ENDURECIMENTO PORPRECIPITAO ................................................................................................ 47

FIGURA 4.8ESTRUTURA CRISTALINA E MICROESTRUTURARESULTANTES DO ARREFECIMENTO DE UMA LIGA SOLUBILIZADA. ............................................................................................................................. 48

FIGURA 4.9 - EFEITO DO TAMANHO DE GRO SOBRE O LIMITE DEESCOAMENTO.................................................................................................. 52

FIGURA 4.10ESQUEMA EXEMPLIFICATIVO DO PAPELDESEMPENHADO PELOS LIMITES DE GRO DE UM MATERIAL

POLICRISTALINO COMO BARREIRA AO ESCORREGAMENTO DE UMADESLOCAO.................................................................................................. 53

FIGURA 4.11GRFICO TENSO X DEFORMAOEXEMPLIFICANDO O FENMENO DO ENCRUAMENTO........................ 54

FIGURA 4.12GRFICOS ILUSTRATIVOS DAS VARIAES DATENSO DE CEDNCIA (A), RESISTNCIA TRACO (B) EDUCTILIDADE (C) EM FUNO DA PERCENTAGEM DE TRABALHO AFRIO, PARA OS CASOS DE UM AO 1040, DE UM LATO E DO COBRE. ............................................................................................................................. 55

FIGURA 4.13OBSERVAO EM MICROSCOPIA PTICA DETRANSMISSO DE MICROESTRUTURAS DE DESLOCAESRESULTANTES DA DEFORMAO PLSTICA DE LMINAS DECOBRE. A) ARRANJO REGULAR DE FILEIRAS DE DESLOCAESREGULARMENTE ESPAADAS. B) PAREDES INTRA-GRANULARESABERTAS. C) ESTRUTURA DE CLULAS DE DESLOCAES.............. 56

FIGURA 4.14FONTE DE FRANK-READ.................................................... 57


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FIGURA 5.1 - VARIAO DA RESISTIVIDADE, DA DUREZA E DAENERGIA INTERNA DURANTE O RECOZIMENTO................................... 58

FIGURA 5.2 - MODIFICAES NA ESTRUTURA CELULAR DEDISCORDNCIAS. ........................................................................................... 59

FIGURA 5.3 - MECANISMOS DE NUCLEAO DE GROSRECRISTALIZADOS. ....................................................................................... 61

FIGURA 5.4 - CURVAS DE ESCOAMENTO PARA DEFORMAO AQUENTE, APRESENTANDO RECUPERAO DINMICA....................... 63

FIGURA 5.5 - CURVAS DE ESCOAMENTO PARA DEFORMAO AQUENTE, APRESENTANDO RECRISTALIZAO DINMICA............... 64

FIGURA 5.8EFEITO DA TEMPERATURA NA MICROESTRUTURA DEUM AO INOXIDVEL 304 DEFORMADO S TEMPERATURAS DE (A)973 K, (B) 1023 K (C) 1073 K (D). 1173 K....................................................... 65


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1 LIGAO METLICA

A ligao metlica um tipo de ligao primria encontrada em metais e suas ligas.Foi proposto um modelo relativamente simples que muito se aproxima do esquema deligao. Os materiais metlicos possuem um, dois ou, no mximo, trs eltrons de valncia.Com esse modelo, estes eltrons de valncia no se encontram ligados a qualquer tomo em

particular no slido e esto mais ou menos livres para se movimentar ao longo de todo ometal. Eles podem ser considerados como pertecendo ao metal como um todo, ou como seestivessem formando um mar de eltrons ou uma nuvem de eltrons. Os eltrons

restantes, aqueles que no so eltrons de valncia, juntamente com os ncleos atmicos,formam o que so chamados ncleos inicos, que possuem uma carga lquida positiva igualem magnitude carga total dos eltrons de valncia por tomo.

A figura 1.1 uma ilustrao esquemtica da ligao metlica.

FIGURA 1.1- Ilustrao esquemtica da ligao metlica.

Os eltrons livres protegem os ncleos inicos carregados positivamente das foraseletrostticas mutuamente repulsivas que les iriam, de outra forma, exercer uns sobre osoutros; consequentemente, a ligao metlica apresenta carter no-direcional.

Adicionalmente, esses eltrons livres atuam como uma cola para manter juntos os ncleosinicos. As energias de ligao e temperaturas de fuso para o ferro e tugstnio esto listadasna Tabela 1.

TABELA1- Energias de ligao, temperatura de fuso para o ferro e tugstnio.

Tipo de ligao Substncia Energia de ligao Temperatura defuso (C)KJ/mol

(kcal/mol)eV/tomo

Ligaometlica

Fe 406(97) 4,2 1538W 849(203) 8,8 3410


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A ligao pode ser fraca ou forte; as energias variam na faixa entre 68 KJ/mol (0,7eV/tomo) para mercrio e 850KJ/ mol (8,8 eV/tomo) para o tungstnio. As respectivastemperaturas de fuso destes metais so -39 e 3410C( -38 e 6170F).A ligao metlica encontrada para os elementos dos grupos IA e IIA na tabela peridica, e ,de fato, para todos os metais elementares.

Alguns comportamentos gerais dos diversos tipos de materiais podem ser explicadospelo tipo de ligao. Por exemplo, os metais so bons condutores de calor e eletricidade,como consequncia dos seus eltrons livres.

1.1 Arranjos atmicos

As propriedades dos materiais dependem do arranjo de seus tomos. Estes arranjospodem ser classificados em:

-estruturas moleculares, isto agrupamento de tomo-estrutura cristalinas, isto , um arranjo repetitivo de tomos-estruturas amorfas, sem nenhuma regularidade.

Neste trabalho ser apresentado o estudo da estrutura cristalinas dos metais,devido aofato que todos os metais apresentam este tipo de estrutura.

1.2 Sistemas cristalinos

Para avaliarmos o grau de repetio de uma estrutura cristalina necessrio definirmosqual a unidade estrutural que esta sendo repetida, que chamada de clula unitria (figura1.2). A principal caracterstica da clula unitria que esta apresenta a descrio completa daestrutura como um todo, incluindo a estequiometria.


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FIGURA 1.2- Clula unitria e estrutura cristalina esquemtica.

O arranjo mais estvel dos tomos em um cristal ser aquele que minimiza a energialivre por unidade de volume ou, em outras palavras:

-preserva a neutalidade eltrica da ligao;-agrupa os tomos do modo mais compacto possvel.

Distribuio de tomos no espao e suas respectivas funes de probabilidade de seencontrar um tomo em funo da distncia- W(r) (figura 1.3).

FIGURA 1.3- Probabilidade de se encontar um tomo em funo da distncia.Os sete sistemas cristalinos

A figura 1.4 mostra todas as formas de clulas unitrias possveis que podem serempilhadas e preencher totalmente o espao tridimensional.


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FIGURA 1.4Sete sistemas cristalinos.

Os quatorze reticulados cristalinos de Bravais (figura 1.5) representam aspossibilidades de preenchimento dos sete reticulados cristalinos por tomos.


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FIGURA 1.5- Os quatorze reticulados cristalinos de Bravais.

Alguns conceitos importantes para a caracterizao dos reticulados cristalinos so:

-Nmero de coordenao: Representa o nmero de tomos mais prximos um tomo dereferncia.-Parmetro do reticulado: constitui uma relao matemtica entre uma dimenso da clula e oraio atmico.-O fator de empacotamento atmico (equao 1.1) a relao entre o volume dos tomos no

interior da clula unitria pelo volume total da clula.

cluladatotalVolume

cluladainteriornotomosdosVolumeF.E.A (1)

1.3 Reticulados cristalinos

Os reticulados cristalinos - ou clulas unitrias mais importantes so o CFC, CCC eHC.

CCC- Cbico de corpo centrado(igura 1.6).


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FIGURA 1.6- Estrutura Cbica de corpo centrado.

-Exemplos de metais CCC: Ferro alfa (Fe), cromo (Cr), Molibdnio (Mo), Tantlo(Ta), eTungstnio(W)-N de coordenao (que representa o n de vizinhos mais prximos):8-N de tomos no interior do reticulado: 2-Fator de empacotamento atmico: 0,68 ( 68% do volume da clula ocupadado por tomos)

-Parmetros do reticulado:3

4xRa .

CFC- Cbico de faces centradas(figura 1.7).

FIGURA 1.7- Estrutura cbica de faces centradas.


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-Exemplos de metais CFC: Alumnio (Al), cobre (Cu), ouro(Au), Chumbo (Pb), Nquel (Ni),Platina(Pt), prata(Ag).-N de coordenao:12.-N de tomos no interior do reticulo: 4 .-Fator de empacotamento atmico: 0,74.

-Parmetros do reticulado: 22xRxa .

HCHexagonal compacto (figura 1.7)

FIGURA 1.7- Hexagonal compacta.

-Exemplos de metais Hc: Cdmio (Cd), cobalto(Co), titnio alfa (Ti), zinco (Zn), Magnsio(Mg).-N de coordenao: 12.-N de tomo no reticulado: 2.-Fator de empacotamento atmico: 0,74.-Relao c/a terica: 1,633.

Raios atmicos e estruturas cristalinas para alguns metais Tabela 2.


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TABELA 2- Raios atmicos e estruturas cristalinas para alguns metais.Metal Estrutura

cristalinaRaio atmico(nm)

Valncia maiscomum

Temperatura defuso(C)

Alumnio CFC 0.1431 3+ 660

Berlio HC 0.1140 2+ 1278Cdmio HC 0.1490 2+ 321

Clcio CFC 0.1970 2+ 839Cromo CCC 0.1249 3+ 1875Cobalto HC 0.1253 2+ 1495

Cobre CFC 0.1278 1+ 1085Estanho TETRAGONAL 0.1510 4+ 232

Ouro CFC 0.1442 1+ 1064Ferro alfa CCC 0.1241 2+ 1538

Chumbo CFC 0.1750 2+ 327Ltio CCC 0.1520 1+ 181Mangans HC 0.1600 2+ 649Molibdnio CCC 0.1363 4+ 2617Mangans CS 0.1120 2+ 1244

Nquel CFC 0.1246 2+ 1455Nibio CCC 0.1430 5+ 2468Platina CFC 0.1387 2+ 1772Prata CFC 0.1445 1+ 962Silcio DIAMANTE 0.1180 4+ 1410Tantalo CCC 0.1430 3020Titnio HC 0.1445 4+ 1668Tungstnio CCC 0.1371 4+ 3410Zinco HC 0.1332 2+ 420

1.4 Alotropia

A estrutura de equilbrio dependente da temperatura e da presso.O Fe apresenta estrutura cristalina CCC na temperatura ambiente. Entretanto a 912C o Fe

sofre uma transformao alotrpica para CFC. A transformao alotrpica frequentementeacompanhada por modificaes de densidade e outras propriedades fsicas.Exemplo:

A alotropia do ferro esta exposta na tabela 3.

TABELA 3Alotropia do ferroTemperatura(C) Estrutura cristalina Nome0-911 CCC Ferrita alfa

911-1392 CFC Austenita

1392-1536 CCC Ferrita delta 1536 Amorfa Lquido


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Estruturas cristalinas compactas-Estrutura CFC e HC- apresenta F.E.A.= 0,74 (empacotamento mais eficiente para esferas demesmo dimetro).

1.4 Empilhamento

Adicionalmente a representao de clulas cristalinas, as estruturas CFC e HC podemser descritas atravs de empilhamentos de planos compactos ( mxima densidade atmica).Sequncia de emplilhamentos possveis conforme figura 1.8.

FIGURA 1.8- Empilhamento A B A B A...

Hexagonal compacto- HC

Sequncia de empilhamento de planos atmicos de alta densidade existententes nosreticulados HC conforme figura 1.9.

FIGURA1.9- Empilhamento A B A B A B ...

Cbico de faces centradas- CFC

Empilhamento conforme figura 1.10 da estrutura cbica de faces centradas.


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FIGURA 1.10- Empilhamento A B C A B C A B C...

1.5 Materiais policristalinos

A maior parte dos materiais so compostos por um conjunto de pequenos cristais ougros (figura 1.11). Como a orientao cristalogrfica aleatria, o encontro de dois grosforma uma superfcie na qual existe um desarranjo atmico. Esta superfcie conhecida comocontorno de gro.

FIGURA 1.11- Representao esquemtica de solidificao de um material policristalino. (a)-Nucleao de cristais no lquido. (b)- Crescimento dos cristais e obstruo do crescimento em

regies de encontro.(c)- Final da solificao. (d)Estrutura dos gros no microscpio, ondeas linhas escuras representam os contornos de gro.

Exemplos de contornos de gro em materiais metlicos na figura 1.12 a seguir.


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FIGURA 1.12- Microestrutura tpica dos gros em ao de baixo teor de C. Aumentado 100 x

ataque de nital 3%.

1.6 Direo no cristal

Para correlacionar as vrias propriedades e estruturas cristalinas e necessrioidentificar direes especficas no cristal. Isto pode ser conseguido, com relativa facilidade, seusarmos a clula unitria como base. Por exemplo, a Fig. 1.13 mostra trs direes em umreticulado ortorrmbico simples. A direo [111] aquela de uma reta que passa pela origeme por um ponto cuja coordenada em cada eixo o correspondente parmetro da clula.Analogamente, as direes [101] e [100] so retas passando pela origem e por um ponto cuja

coordenada em cada eixo o correspondente parmetro da clula. Analogamente, as direes[101] e [100] so retas passandoo pela origem e pelo ponto 1, 0, 1, e 1,0,0 respectivamente.

FIGURA- 1.13- Direo no cristal.

1.7 Planos cristalinos

Um cristal contm planos de tomos e esses planos influenciam as propriedades e ocomportamento do cristal., portanto, vantajoso identificar os vrios planos atmicos queexistem em um cristal.


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Os planos cristalinos mais facilmente visualizados so os que limitam a clula unitria;entretanto, existem muitos outros planos. Os planos mais importantes, nos cristais cbicosesto mostrados nas Figs. 1.14, 1.15 e 1.16.

FIGURA 1.14- Planos (010) em estruturas cbicas. (a) Cbica simples.(b) CCC.(c) CFC[

Observe que os planos (020) includos para as estruturas CCC e CFC, so idnticos aos planos(010).]

FIGURA 1.15- Planos (110) em estruturas cbicas.(a) Cbica simples.(b)CCC.(c) [os planos(220) incluidos para a estrutura CFC, so equivalentes aos planos (110).

FIGURA 1.15Planos )111( em estruturas cbicas.(a) Cbica simples.(b) CCC.(c) CFC.

Intersees negativas so indicadas com bara sobre o ndice .[ Os planos )222(

includos para a estrutura CCC, so equivalentes aos planos )111( .

1.8 Densidade planares


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Quando consideramos a deformao pltica, precisamente conhecer a densidadeatmica em um plano cristalino. O exemplo seguinte mostra como podemos calcular essedado, com auxlio da relao.

readeunidade

tomosplanarDensidade

2 DIFUSO

Difuso a transferncia de massa por meio de movimentos atmicos. Estatransferncia ocorre entre pares de difuso. O objetivo deste estudo apresentar o processodifusivo nos metais, sejam estes pares de difuso (metal/metal, metal/gs ou metal/lquido).

A transferncia de massa em que um tomo metal se difunde para outro metal chamado de interdifuso. Exemplificando este fenmeno, citamos os processos de usinagem

como (torneamento ou fresamento) em que um par de difuso formado entre a ferramenta ea pea a ser usinada, durante a usinagem h uma grande gerao de calor gerado devido adeformao plstica que ocorre durante o processo, temperaturas de at 1200 C sofacilmente encontradas na usinagem de metais, acompanhada de regime estacionrio nainterface do par difusivo, ocasionando condies propcias para o fenmeno da difuso (altastemperaturas e tempo hbil). Neste caso, a difuso um fenmeno negativo, pois o como ausinagem ocorre em processo contnuo, os tomos da ferramenta migram para o material da

pea que esta sendo removido, provocando um desgaste conhecido como desgaste difusivo,que ao longo do tempo leva a ferramenta ao colapso.

Como exemplos da difuso com pares (metal/gs ou metal/lquidos) podem ser citados ostratamentos termoqumicos, como a cementao ou nitretao por meio gasoso ou por banhoslquidos.

2.1 Mecanismos da difuso

Para que ocorra a movimentao dos tomos so necessrios que existam stios adjacentesvazios (para que o tomo tenha liberdade de movimentos, ocupando estes stios) e energia

para quebrar as ligaes atmicas que os une aos tomos vizinhos (energias de naturezavibracional, aumentada com o aumento da temperatura).

Na difuso dos metais, dois mecanismos so predominantes, sendo estes, difuso porlacuna e difuso intersticial. Os mecanismos que possibilitam os saltos atmicos que levam difuso no estado slido dependem da relao entre os raios dos tomos de soluto e desolvente.

A difuso por lacunas ocorre com o deslocamento de um tomo de sua posio normalna rede cristalina para um stio vago do reticulado, ou lacuna, conforme a figura 2.1.


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FIGURA 2.1Difuso por lacuna

Os tomos so grandes, impossibilitando seu movimento pelos interstcios, os

movimentos na soluo slida podem ocorrem de maneira substitucional, promovendodistores do reticulado. O movimento dos tomos de soluto pode ocorrer:

A)pela troca direta dos tomos, em que dois tomos adjacentes trocam suas posiessimultaneamente. Para que isto ocorra, os tomos vizinhos se deslocam durante atransferncia. A figura 2.2 exemplifica o movimento direto.

FIGURA 2.2Movimento direto

B) de acordo com modelo conhecido como anel de Zener. H um movimento

simultneo entre tomos que formam um anel natural em um cristal, de forma queo anel gira em torno de s, como apresentado na figura 2.3.


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FIGURA 2.3Movimento simultneo

Clculo da difusividade no mecanismo de difuso por lacuna:

Onde:D = difusividade;= tempo mdio de permanncia de um tomo de soluto em uma posio do reticulado;a = parmetro do reticulado.

Clculo do fluxo de tomo do soluto:

Onde:

J = fluxo;

= gradiente de concentrao.

Na difuso intersticial, os tomos, por serem menores, migram de uma posio paraoutra vizinha que esteja vazia. um processo difusivo mais simples, por nonecessitar da presena de uma lacuna. Na maioria das ligas metlicas a difusointersticial ocorre mais rapidamente do que no mecanismo de difuso por lacunas.

FIGURA 2.4Difuso intersticial

Clculo da difusividade no mecanismo de difuso intersticial:


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Onde:D = difusividade;

D0 = constante de fator de frequncia;Q = energia de ativao;R = constante dos gases;T = temperatura.

Como pode ser observada, a temperatura o parmetro mais importante que influenciamnos mecanismos de difuso.

Aplicaes do processo de difuso na engenharia

2.2 Tratamentos termoqumicos

So os tratamentos que visam o endurecimento superficial dos aos, pela modificaoparcial da sua composio qumica e aplicao simultnea de um tratamento trmico. Amodificao da composio qumica se d por difuso termoqumica de elementos nasuperfcie do ao como: carbono, nitrognio e boro, entre outros. Pode ser usado tambm praadquirir propriedades como resistncia fadiga, corroso e oxidao em altastemperaturas.

Tipos de tratamentos termoqumicos:

1. Cementao (C)2. Nitretao (N)3. Cianetao (CN) (CNX)4. Carbonitretao (C + N)(C >N)5. Nitrocarbonetao (C + N) (N >C)6. Boretao (B)7. Tratamentos Termorreativos (CX + NX + CyNz X) (V, Nb, Ta, Cr , W e Mo)

A figura 2.5 apresenta uma imagem de microscopia de um material cementado. possvel observar que na extremidade h uma colorao escura, imagem tpica daconcentrao de carbono na regio.


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FIGURA 2.5Difuso mostrada por microscopia

Uma propriedade interessante que este processo fornece a alta dureza superficialcom manutenabilidade da tenacidade do ncleo. A figura 2.6 apresenta exemplos de peas quenecessitem destas propriedades.

FIGURA 2.6Peas exemplo.


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3-IMPERFEIES NOS METAIS

Como j dito nos captulos anteriores o metal ideal no existe, todos os metaispossuem grande numero de defeitos ou imperfeies, e so estes defeitos que possibilitam aalterao das propriedades dos metais, atravs de processamento mecnico, tratamentotrmico, entre outros mtodos. O termo defeito, ou imperfeio, geralmente empregado paradescrever qualquer desvio de um arranjo ordenado dos pontos da rede (Dieter, 1981).

Callister (2012) classifica as imperfeies cristalinas segundo as dimenses do defeito,e as divide em: defeitos pontuais (associado a uma ou duas posies atmicas), defeitoslineares -so unidimensionais- e defeitos interfaciais ou contornos, que so bidimensionais.

3.1 Defeitos Pontuais

Os principais defeitos pontuais esto representados na figura 3.1, abaixo.

FIGURA 3.1Defeitos pontuais. (a) lacuna; (b) intersticial; (c) tomo de impureza.

3.1.1 Lacuna

A lacuna o defeito pontual mais simples, ocorre quando um espao que deveria estarocupado por um tomo est vazio. As lacunas so criadas por excitao trmica, que sotermodinamicamente estveis a temperaturas maiores que o zero absoluto, sendo assim todometal tem lacunas.

O nmero de lacunas em equilbrio para certa quantidade de material depende datemperatura e pode ser aproximada pela equao 3.1, a seguir.

(3.1)

Onde:= numero de lacunas= numero total de stios atmicos= energia necessria para a formao de uma lacuna= constante de Boltzmann (1,38x10-23 J/tomoK)= temperatura absoluta (K)


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Segundo Dieter (1981) concentraes de lacunas superiores de equilbrio podem ser

obtidas em grandes deformaes plsticas a frio. Quando a densidade de lacunas se tornarelativamente grande possvel que elas se agrupem, dando origem a vazios.

3.1.1.1 Di lacuna

Segundo Reed Hill (1982) se um par de lacunas se combina e forma um defeitopontual, diz-se que foi criada uma dilacuna. Quantificar a energia de ligao deste defeito difcil. Em um metal onde lacunas e dilacunas esto em equilbrio aproximas a quantidade dedilacunas atravs da equao 3.2, abaixo.

(3.2)

Onde:= numero de dilacunas= energia de ligao de uma lacunaz = numero de coordenao

3.1.2 I nterstcio

Um tomo intersticial um tomo que ocupa uma posio na rede cristalina quenormalmente deveria estar vazia. Um tomo intersticial pode ser do mesmo elemento do

metal em questo (autointersticial) ou de elemento diferente.tomos autointerticiais geram distores relativamente grandes na rede cristalina, pois

o tomo maior que a posio que ocupa. Com isso esse tipo de defeito pouco comum,contudo o tomo intersticial do mesmo elemento ou no tem grande mobilidade.

3.1.3 Impureza

importante lembrar que nenhum metal puro, impurezas estaro sempre presentes,alguns tomos de impureza existiro como defeito pontual. Mesmo atravs de tcnicas

sofisticadas difcil atingir um nvel de pureza da ordem de 99,9999% de pureza, sealcanado esse nvel existira de 1022a 1023tomos de impureza por metro cubico.

Ao atingir certa proporo de tomos de impureza ocorre a formao de uma soluoslida e/ou uma nova fase, este fato dependo dos tomos da impureza, sua concentrao e atemperatura.

3.2 Defeitos lineares

A discordncia o defeito linear de maior importncia. A discordncia o efeitoresponsvel pelo fenmeno do deslizamento, atravs do qual se deformam plasticamente amaioria dos metais. A maioria das literaturas indica que uma forma de encarar as


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discordncias considera-las como uma regio de distrbio da rede cristalina que separa asregies deslizadas e no deslizadas do cristal.

As discordncias podem ser classificadas em discordncia-aresta, discordncia-espirale discordncia mista, e tem as seguintes caractersticas:

3.2.1 Discordncia-aresta

Van Vlack (1984) diz que as discordncias-aresta podem ser descrita como a aresta de umplano extra de tomos na estrutura cristalina, como ilustrado na figura 3.2.

FIGURA 3.2Discordncia aresta.

Uma discordncia-aresta normalmente se move perpendicularmente a seucomprimento no plano de deslizamento, entretanto pode se mover verticalmente atravs deum processo conhecido como escalagem, para isso necessrio uma taxa considervel dedifuso de tomos ou lacunas.

A figura 3.3 mostra a discordncia aresta AD , perpendicular a direo dodeslizamento. A discordncia se localiza no limite da regio deslizada ABCD.

FIGURA 3.3Discordncia-aresta produzida por deslizamento.


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3.2.2 Di scordncia-espiral

A discordncia-espiral comumente considerada como sendo formada por uma tensocisalhante que aplicada para produzir a distoro mostrada na figura 3.4, onde a seo xdeslizou sobre a regio ABCD, a discordncia se encontra ao longo de AD paralela a direodo deslizamento. chamada tambm de discordncia-hlice devido o aspecto de toro.

FIGURA 3.4Discordncia-espiral produzida por deslizamento.

3.2.3 Di scordncia-mi sta

Encontrar discordncia-aresta ou discordncia-espiral no muito comum,normalmente a discordncia uma mistura destes dois tipos, sendo nomeada de discordnciamista.

FIGURA 3.5Discordncia mista. (a)Representao esquemtica (b) vista superior


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3.2.4 Vetor de Bur gues

O vetor de Burgues responsvel por indicar a magnitude e a direo da distoro darede gerada por uma discordncia. O vetor de Burgues esta representado na figura 3.5 a e b.Como dito anteriormente numa discordncia-aresta pura o vetor (a direo) perpendicular alinha de discordncia e paralelo no caso de discordncia-espiral.

3.2.5 Deslizamento por movimento das discordncias

Quando existe uma discordncia, os tomos distantes da mesma se encontram emposio de baixa energia, prximo a discordncia necessrio que haja uma pequenamovimentao de tomos para que ela se movimente. Segundo a figura 3.6 a principio o planoatmico extra da discordncia-aresta esta em 4, sob a ao da tenso cisalhante, com um

pequeno movimento de tomos para a direita permite que este semiplano se alinhe com oplano 5, concomitante a isso o semipleno 5 separado dos seus vizinhos abaixo do plano de

deslizamento (linha tracejada). Este processo se repete ate que o semiplano extra atinja asuperfcie livre, quando isso acontece formado um degrau de deslizamento igual a um vetorde Burgues, ou uma distancia atmica da rede cristalina deste metal.

FIGURA 3.6Deslizamento por discordncia. (a) movimento de tomos prximos adiscordncia; (b) movimento de uma discordncia-aresta

3.2.5 Fontes de discordncia

A densidade de discordncias em equilbrio trmico com um crista, no havendo umarelao geral entre a densidade de discordncias e a temperatura, como foi citadoanteriormente para lacunas. Uma vez que as discordncias no so afetadas por flutuaotrmica a temperaturas inferiores a de recristalizao, dependendo de seu histricotermomecnico, um metal pode apresentar densidade de discordncias muito diferentes.

Os metais contem inicialmente discordncias produzidas durante o crescimento docristal a partir das fases liquida ou vapor. Os gradientes de temperatura e composio pode

produzir desalinhamento que resultam em discordncias arranjadas em redes ou contornos degro.


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Outros fatores que resultam em discordncias so: a formao de anis de discordnciadevido a agregao ou colapso de lacunas e a nucleao heterognea de discordncias devidoaltas tenses localizadas em partculas de segundas-fases, contornos de gro ou decorrente detransformao de fase.

3.3 Defeitos interfaciais

Defeitos interfaciais so contornos que possuem duas dimenses, normalmenteseparam regies que possuem orientaes cristalogrficas ou estrutura cristalinas diferentes.

3.3.1 Contor no de gro

o contorno que separa pequenos gros ou cristais que possuem diferentesorientaes cristalogrficas. Os contornos de gro so classificados considerando o ngulo de

desalinhamento, como contorno de gro de alto ngulo e contorno de gro de baixo ngulo,conforme figura 3.7.

FIGURA 3.7 - Contornos de gro

Devido sua alta energia os contornos de gro atuam como locais preferenciais parareaes no estado slido como difuso, transformao de fases e reaes de precipitao.Contornos de gro de alto ngulo possuem energia de superfcie mais elevada.


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3.3.2 Contor no de macla

O contorno de macla um caso especfico de contorno de gro, ocorre quando existeuma simetria espelhada da rede cristalina de dois gros adjacentes Figura 3.8.

FIGURA 3.8 - Contorno de macla.

3.3.3 Contor no de fase

Est presente em materiais que com mais de uma fase, onde h uma fase diferente emcada lado do contorno. Cada fase possui propriedades distintas, podendo ter estruturacristalina diferente, bem como ligaes qumicas. So importantes para as caractersticasmecnicas de ligas metlicas.

4- MECANISMOS DE ENDURECIMENTO

Mecanismos de endurecimento so formas de se evitar o movimento de discordncias

em um metal. O movimento de discordncias em um material cristalino, especialmente nos

metais, uma das causas do fenmeno de deformao plstica, portanto tais mecanismos so

utilizados para minimizar esse fenmeno restringindo o movimento de discordncias e

conseqentemente causando o endurecimento do material. Logo, as tcnicas de

endurecimento em metais contam com um princpio simples: Quanto maior for a restrio ao

movimento de discordncias, maior ser a resistncia mecnica de um material metlico.

4.1 - Endurecimento por soluo slida

O endurecimento por soluo slida consiste na adio de elementos de liga, ondesolvente e soluto se encontram na forma slida, visando a formao de solues slidassubstitucionais ou intersticiais (dependendo da relao de tamanhos atmicos entre o solventee o soluto). As ligas metlicas tornam-se mais resistentes que metais puros porque os tomosdo elemento de liga (soluto) impem tenses e deformaes no reticulado ao redor destes

tomos.


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A interao entre estes campos de tenso e as discordncias provoca uma restrio nomovimento das discordncias, endurecendo a liga (note que no existe a presena de umanova fase). As deformaes no reticulo cristalino provocadas pela presena de umadiscordncia formam stios que acomodam tomos substitucionais e reduzem as tenses noreticulado. Uma soluo slida substitucional consiste na substituio direta de um tipo detomo por outro, de forma que os tomos de soluto se localizam em posies normalmenteocupadas por tomos de solvente.

A forma de interao entre uma discordncia e o soluto depende do tipo de discordnciae do tipo de soluo. No caso de uma discordncia tipo cunha positiva, existe meio planoextra sobre o plano de deslizamento. Portanto, haver uma tenso de compresso acima do

plano de deslizamento e uma tenso de trao abaixo do mesmo (figura 4.1).

Figura 4.1Imagem ilustrativa datenso de compresso acima do

plano de deslizamento e uma tensode trao abaixo deste.

Assim, tomos substicionais de soluto teriam seu campo de tenso minimizado caso semovessem para a discordncia, pois o campo de tenso gerado pelo tomo de soluto iriainteragir com o campo de tenso da discordncia. No caso de um tomo substitucional de

soluto menor do que os tomos da rede a posio de menor energia seria prxima ao campode trao da discordncia em aresta, pois este gera um campo de compresso ao seu redor(figura 4.2), j para um tomo substitucional maior do que os tomos da rede a posio demenor energia seria prximo ao campo de compresso, pois gerado um campo de trao aoredor deste tomo (figura 4.3).

Figura 4.2(a) Representao das deformaesda rede por trao impostas sobre tomoshospedeiros por um tomo de impurezasubstitucional de menor.

(b) Possveis localizaes de tomosde impurezas menores em uma discordnciaaresta.

Figura 4.3(a) Representao das deformaescompressivas impostas sobre tomos hospedeiros

por um tomo de impureza substitucional demaior tamanho.

(b) Possveis localizaes de tomos de

impurezas maiores em uma discordncia aresta.


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importante ressaltar que tomos substitucionais somente iro interagir com defeitosque possuem um componente hidrosttico (trao/compresso), discordncias em hlice

possuem carter cisalhante com componente hidrosttica zero, portanto no iro interagir comtomos substitucionais.

No caso de tomos intersticiais alm da interao entre campos de tenses gerados pelotomo, h uma distoro tetragonal, j que tais tomos localizados no centro das arestas e/oufaces podem gerar uma distoro na clula, quando se movem de sua posio inicial pra oscantos do cubo, fazendo com que ela passe da forma cbica para a forma tetragonal.

Tais tomos criam uma atmosfera nas arestas dificultando o movimento dediscordncias. Uma soluo slida substitucional funciona como um mecanismo deendurecimento menos efetivo do que uma soluo slida intersticial j que no interage comdiscordncias em hlice.

A concentrao de tomos de soluto ao redor das discordncias gera a chamadaatmosfera de Cotrell, fazendo com que seja necessria uma energia maior para mover as

discordncias, alm do tamanho do tomo de soluto h outras formas de interaosoluto/solvente, porm com contribuio menos significativa do que o tamanho do tomo. Atemperatura est intimamente ligada com esse tipo de mecanismo, pois est relacionada com amobilidade doa tomos de soluto para as discordncias.

Em relao as propriedades mecnicas, Dieter (1981) descreve oresultado da adiode solutos como um aumento da tenso de escoamento assim como do nvel da curva tenso-deformao como um todo (figura 4.4). Callister (2002) destaca uma maior resistncia aoescorregamento quando os tomos de impureza esto presentes, pois a deformao global darede deve aumentar se uma discordncia for separada deles. Sendo assim, uma maior tenso

deve ser aplicada para iniciar e dar continuidade deformao plstica para ligas com soluoslida, diferente do que ocorre com metais puros, o que fica comprovado pelo aumento daresistncia e da dureza.

Figura 4.4 - Efeito de adies de soluto na curva tenso-deformao.

Sabe-se que os tomos intersticiais so mais eficazes no aumento de resistnciamecnica quando comparados aos tomos substitucionais.

Na figura abaixo, pode-se observar que os tomos de nitrognio e carbono(intersticiais), induzem um aumento significativo na tenso de escoamento com porcentagensmuito inferiores a dos tomos substitucionais.


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Figura 4.5Aumento na tenso de escoamento do ao em funo da adio de elementos deliga.

No entanto, o fenmeno do endurecimento apenas se verifica nos casos em que oelemento de adio seja capaz de se comportar como soluto numa soluo slida,dissolvendo-se na rede cristalina do elemento maioritrio (solvente).

Nessa eventualidade distoro da rede cristalina do solvente que se gera em torno decada tomo do soluto, para o caso de solues slidas substitucionais, mas igualmente

presentes quando o soluto seja de natureza intersticial est associado um campo de tenses

(de carcter compressivo quando o raio atmico do soluto seja superior ao do solvente, e detrao no caso oposto).

justamente a induo desses campos de tenses que permite explicar o mecanismo deendurecimento, uma vez que, ao interagirem com os campos de tenso intrnsecos dasdeslocaes, os mesmos iro contribuir para reduzir a mobilidade destas, como forma deminimizar a energia do sistema.

O efeito de ancoragem das deslocaes devido ao aumento do teor de soluto encontra-seilustrado na figura 4.6 onde se comparam simultaneamente as curvas de trao e a populaode deslocaes de uma liga de alumnio de alta pureza (99,5 wt%) com outra contendo 5 wt%

de magnsio.


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Figura 4.6Comparao das curvas de trao de uma liga de alumnio de elevada pureza e de

outra liga contendo 5 wt% Mg.

Diferentes abordagens tericas tm procurado esclarecer em detalhe o efeito deendurecimento por soluo slida, tendo em vista o estabelecimento de previses para asvariaes das propriedades mecnicas em diferentes situaes. Uma das mais frequentementeempregues no caso das solues slidas diludas preconiza que a tenso necessria para queuma deslocao consiga ultrapassar, mediante o encurvamento da sua linha de ao, umaatmosfera de tomos de soluto pode ser calculada atravs da equao:

4.2 - Endurecimento por precipitao

O endurecimento por precipitao consiste no reforo da matriz metlica atravs daprecipitao de partculas metaestveis e estveis no homogneas na matriz metlica,supersaturando a soluo slida, aumentando assim a resistncia ao movimento dediscordncias e endurecendo o metal.

O reforo gerado por essas partculas depender do espaamento, resistncia equantidade dos precipitados. A supersaturao da soluo feita atravs do rpidoresfriamento de uma temperatura alta no qual a soluo possuiu uma nica fase. Ocomportamento de cada liga diferente, porm, a liga deve pelo menos:

Formar uma soluo slida monofsica em altas temperaturas;


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Resultar em precipitados finamente dispersos durante o envelhecimento.

No tratamento de precipitao ocorrem os seguintes passos (figura 4.7):

Solubilizao: a liga aquecida para a regio monofsica e mantida em

determinada temperatura at ocorrer dissoluo total de precipitados; Resfriamento brusco: O corre o resfriamento da soluo slida at uma

temperatura mais baixa (abaixo da ambiente) evitando assim a formao de

precipitados estveis;

Envelhecimento: A soluo deixada em temperatura ambiente ou acima para

formar precipitados finos dispersos.

Figura 4.7Fases dos processos de endurecimento por precipitao

Em virtude da forte dependncia trmica da solubilidade no estado slido, o sistema

ter tendncia, no decurso do seu arrefecimento at temperatura ambiente, a exibirsegregao do soluto, com consequente precipitao de gros de fase beta, os quais ocorreroindistintamente nos limites de gro ou no interior dos gros da fase alfa (figura 4.8a).

Porm, essa tendncia termodinmica pode ser contrariada, uma vez que a formaodos precipitados de beta, comandada por um mecanismo de difuso, apresenta uma cinticalenta. Atravs de um arrefecimento rpido, possvel prevenir a segregao, mantendo aestrutura monofsica at temperatura ambiente (figura 4.8b).


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Figura 4.8Estrutura cristalina e microestrutura resultantes do arrefecimento de uma liga

solubilizada.

A soluo slida encontra-se em estado de sobressaturao, o que corresponde a umasituao metaestvel, susceptvel de evoluir para uma configurao energtica mais favorvelassim que sejam criadas as condies para ultrapassar a correspondente barreira de ativao

para a difuso. Sendo esta um mecanismo termicamente ativado, tais condies prevalecemjustamente durante o tratamento trmico de precipitao que se segue obteno da soluosobressaturada.

4.2.1 - Endurecimento por disperso de par tcul as coerentes e incoerentes

No comeo do envelhecimento surgem zonas que so coerentes com a matriz econhecidas como zonas GP (Zonas de Guiner- Preston) ou precipitados coerentes. Essas zonasso pequenas e possuem pequeno desemparelhamento com a rede cristalina, baixa energia decoerncia e pequena coerncia elstica em relao a deformao da matriz. Os precipitadoscoerentes (figura 4.7) apresentam a mesma estrutura cristalina da matriz. As diferenas entreos parmetros de reticulado da matriz e da fase so de, no mximo, 15%. Quanto menor o

precipitado maior a disperso destes, assim, para a mesma frao de fase, e maior o efeito derestrio de movimentao de discordncias.

Conforme a deformao coerente excedida ocorre a formao de zonas semi-coerentes, pois isso favorvel energeticamente. A seguir h uma perda total de coernciaformando uma interface incoerente entre precipitado e matriz. O precipitado pode sercoerente, semi-coerente ou incoerente (figura 4.8) com a matriz. Num estagio inicial, asdiscordncias necessitam de uma tenso extra para cisalhar as zonas GP. No decorrer dotempo, precipitados incoerentes aparecem e as discordncias devem agora devem arquear-seem torno das partculas fazendo com que se opere o mecanismo de Orawan.

A eficcia deste mecanismo inversamente proporcional dimenso dos precipitadose distncia mdia entre os mesmos, razo pela qual apenas se torna efetivo quando os

precipitados assumem dimenses bastante reduzidas. A tenso de Orowan, necessria paraque a deslocao ultrapasse o obstculo mediante o encurvamento da sua linha de ao dadapor:


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importante notar que, quando uma deslocao passa atravs de um obstculo deOrowan, permanece em torno de cada precipitado um anel de deslocao. Este anel tem porefeito incrementar o dimetro efetivo do precipitado, pelo que o espaamento da equaoacima diminui gradualmente medida que o material deformado, o que constitui umcontribuio adicional para o encruamento do mesmo.


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4.3 - Endurecimento por reduo do tamanho de gro

Os contornos de gro so regies que delimitam planos cristalogrficos distintos, dealta e energia e grande desordem atmica. Os contornos de gro so formados por vrios tiposde discordncias e funciona como uma barreira ao movimento de discordncias j so umadistoro da rede. Para metais policristalinos o tamanho de gro exerce grande influnciasobre as propriedades mecnicas. A seguir ser descrito a interferncia do tamanho de gro


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mo endurecimento do material. O contorno de gro funciona como uma barreira aomovimento de discordncias, pois para se movimentarem atravs do contorno de gro essasdevem mudar sua direo cristalogrfica e h tambm uma descontinuidade no plano deescorregamento de gro para gro.

importante notar que discordncias no conseguem ultrapassar contornos de gro dealto ngulo, porm a tenso gerada nesse contorno pode ativar novas fontes de discordncias equanto mais fino o gro maior ser o nmeros de barreiras ao movimento de discordncias,

portanto h um aumento na resistncia mecnica. O papel do contorno de gro crucial nadeformao plstica de materiais policristalinos pelos seguintes motivos:

As baixas temperaturas, h acumulo de discordncias nos contornos de gro

que geram concentrao de tenses e podem ser relaxados por deslizamento

total mltiplo;

O desenvolvimento de lacunas no permitido na deformao de um

policristal, sendo assim, a deformao de cada gro deve ser acomodada por

seus vizinhos ocorrendo aumento do volume do material no encruamento com

a diminuio do tamanho de gro, isso ir fazer com que ocorra elevado

endurecimento devido a interao de discordncias induzidas por deslizamento

mltiplo;

Em altas temperaturas ocorre deslizamento dos contornos de gro favorecendo

a deformao plstica;

Os contornos de gro funcionam com fontes de aniquilao de discordncias

favorecendo a difuso.

O efeito do tamanho de gro de uma liga metlica policristalina na tenso decedncia da mesma foi estudado por E.O. Hall e N.J. Petch, que no inicio da dcada de50 do sc. XX propuseram separadamente uma equao emprica que assume a seguinteforma:

y= 0+ ky .d1/2

onde: d o dimetro mdio dos gros 0 e ky so constantes para um dado material.

A representao grfica desta relao, para o caso particular de um lato70/30,consta da figura 4.9. A equao de Hall-Petch traduz a possibilidade de promover umaumento da tenso de cedncia (ou seja, um endurecimento em sentido lato do material)mediante um refinamento de gro, o qual poder resultar das condies de arrefeoameovigentes durante a solidificao ou posterior tratamento trmico da liga ou, emalternativa, de uma deformao plstica severa, como sucede, por exemplo, no processo

ECAP (Equal Channel Angular Pressing).


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Figura 4.9 - Efeito do tamanho de gro sobre o limite de escoamento.

O comportamento da equao de Hall-Petch estabelece uma relao entre o tamanhode gro e seu limite de escoamento, porem no deve ser seguida como uma lei universal sendotil para casos especficos.

Em um metal policristalino, o tamanho dos gros (dimetro mdio dos gros) exerce

influncia sobre as propriedades mecnicas. Gros adjacentes possuem diferentes orientaes

cristalinas e um contorno de gro em comum. Os contornos de gro atuam como barreiras

para a movimentao de discordncias por duas razes:

1- Como os gros possuem orientaes diferentes, uma discordncia que se

movimenta do gro A para B, deve mudar sua direo de movimento; e isso,

mais difcil quanto maior for a diferena entre orientao entre os gros.

2- A desordem atmica na regio de um contorno de gro resulta em uma

descontinuidade no plano de escorregamento de um gro para outro.

O mecanismo subjacente equao de Hall-Petch repousa na capacidade dos limites

de gro de atuarem como barreiras ao escorregamento das deslocaes, em virtude dasdesorientaes dos planos cristalinos que atravs deles ocorrem (figura 4.10) .Oescorregamento de uma deslocao atravs de um tal obstculo, para ser efetivo, implica umacrscimo da energia de deformao plstica, o que constitui uma das razes pelas quais adeformao de uma liga metlica policristalina sempre mais difcil que a de um monocristalequivalente.


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Figura 4.10Esquema exemplificativo do papel desempenhado pelos limites de gro de um

material policristalino como barreira ao escorregamento de uma deslocao.

4.4 -- Endurecimento por encruamento

Processo no qual um metal se torna mais duro quando deformado plasticamente,sendo tambm chamado de endurecimento a frio ou por endurecimento por trabalhomecnico. Em alguns processos atmicos o tempo de relaxao para alguns processosatmicos so to longos que o equilbrio raramente atingido, por isso os metais apresentam acaracterstica de endurecer por deformao. Caso esses tempos fossem curtos a estruturaretornaria rapidamente ao seu estado de equilbrio tornando a tenso de deformao constante.

Porm, em um solido real deformado plasticamente, devido ao tempo de relaxao ser longo, necessrio uma deformao adicional. O encruamento ocorre em um material cristalino

porque eles se deformam plasticamente pelo movimento de discordncias. As discordnciasreagem entre si e com outros defeitos e obstculos. Essas interaes diminuem a mobilidade,que acompanhada por uma tenso maior para ocorrer deslizamento da mesma. Caso adeformao seja executada em temperaturas baixas ou moderadas, o metal endurece, porm,se a temperatura alta, as discordncias produzidas pelo encruamento tornam-se recozidas, ouseja, o tempo de relaxao atmica diminui causando uma diminuio no encruamento. A

propenso do material para encruar expressa pelo coeficiente de encruamento n da Lei deHollomon, que expressa o andamento, em regime elasto-plstico, da curva de trao domaterial:

Em outras palavras, o material, medida que vai sendo deformado plasticamente,oferece uma resistncia cada vez maior a qualquer incremento dessa mesma deformao. Istoest esquematizado na Figura 11,onde escoamento do material, que intervm para um nvel detenso aplicada durante uma primeira deformao, ver essa tenso aumentar para nveis


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sucessivamente mais elevados medida que v sendo sujeito a deformaes plsticas cadavez mais extensas .

Figura 4.11Grfico tenso x deformao exemplificando o fenmeno do encruamento.

A extenso do fenmeno de encruamento pode ser apreciada, no caso de diferentesligas metlicas, atravs da anlise das curvas apresentadas na Fig. 12. Da observao dasreferidas curvas se conclui que, tal como anteriormente afirmado, um incremento da tenso decedncia ou da resistncia trao, corresponde a uma reduo simultnea da ductilidade,sendo igualmente observvel o fato de metais substancialmente distintos apresentarem umcomportamento similar. Os grficos da Fig. 11 ressaltam uma grandeza a percentagem de

trabalho a frio que procura quantificar a quantidade de deformao plstica a frio sofridapelo material, em termos da variao da rea da seco reta do componente:


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Figura 4.12Grficos ilustrativos das variaes da tenso de cedncia (a), resistncia

traco (b) e ductilidade (c) em funo da percentagem de trabalho a frio, para os casos de umao 1040, de um lato e do cobre.

O mecanismo subjacente ao encruamento est relacionado com dois aspectoscomplementares da deformao plstica sobre o campo de deslocaes presentes na redecristalina do material. Em primeiro lugar, h que considerar o fato de a deformao plsticaocorrer em virtude da mobilizao das deslocaes pr-existentes na rede.

Esta mobilizao tende a causar uma aglomerao dessas deslocaes junto de eventuais

obstculos ao seu movimento, com consequente interao dos respectivos campos de tenso.Este efeito surge na sequncia de micrografias obtidas por microscopia electrnica detransmisso (figura 4.13) de uma lmina de cobre sujeita a diferentes nveis de deformao

plstica. Nas imagens se observa uma evoluo gradual do comportamento inicial doencruamento: inicialmente as deslocaes organizam-se segundo fileiras paralelasregularmente espaadas, numa tentativa de minimizao da energia de distoro da redecristalina resultante das interaes mtuas dos seus campos de tenso; medida que adeformao prossegue, as deslocaes vo sendo foradas a aproximar-se e a entrelaar assuas linhas de deslocao, definindo desse modo paredes intra-granulares que permanecem

abertas.


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Figura 4.13Observao em microscopia ptica de transmisso de microestruturas dedeslocaes resultantes da deformao plstica de lminas de cobre. a) Arranjo regular de

fileiras de deslocaes regularmente espaadas. b) Paredes intra-granulares abertas. c)estrutura de clulas de deslocaes.

A progressiva reduo das clulas de deslocao tem consequncias na tenso necessriapara deformar um material cristalino, a qual corresponde a:

Por outro lado, em virtude da presena de fontes de deslocaes, durante a deformaoplstica assiste-se criao de um importante nmero de novas deslocaes (figura 4.14) asquais fornecem uma importante contribuio adicional para a reduo da mobilidade da

populao de deslocaes e, consequentemente, para a elevao do nvel de tenso necessriopara promover essa mesma mobilidade.


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Figura 4.14Fonte de Frank-Read

Consistindo numa linha de deslocao ancorada em dois ns. Quando, pela ao de umatenso aplicada, a deslocao compelida a mover-se por escorregamento, a sua linha tende a

assumir uma configurao com um raio de curvatura progressivamente decrescente (pontos 1e 2) . Aps o ponto 2, a expanso da deslocao prossegue rapidamente, numa tentativa dealcanar uma nova configurao de equilbrio, o que leva, entre os pontos 4 e 5, criao deuma nova deslocao fechada, que continua em expanso, enquanto a deslocao originalregressa a uma configurao de equilbrio, disponvel para encetar um novo processo anlogo.

Por conseguinte, em virtude da ao das fontes de deslocaes, assiste-se durante adeformao plstica a um aumento da densidade de deslocaes, o qual igualmenteresponsvel por uma elevao da resistncia deformao plstica:

5- RECUPERAO, RECRISTALIZAO E CRESCIMENTO DE GROS EMMETAIS

Quando um material cristalino deformado, sua dureza aumenta medida que asdeslocaes se tornam mais entrelaadas, causando o decrscimo de sua ductilidade. Se omaterial aquecido a uma temperatura relativamente elevada, as deslocaes comeam a secancelar mutuamente; os defeitos pontuais desaparecem, e as propriedades fsicas, tais como aresistividade eltrica e tenso de escoamento voltam a ter valores prximos aos do metal semdeformao. Tal processo denominado de recozimento.

O processo de recozimento envolve normalmente trs etapas: recuperao,recristalizao e crescimento de gro, que estaro presentes em maior ou menor intensidade

dependendo de alguns fatores que sero discutidos posteriormente. Na etapa de recuperaoocorrem todas as mudanas que no envolvem a varredura da estrutura deformada pela


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migrao de contornos de gro de alto ngulo. A estrutura deformada no modificada,apenas a densidade e a distribuio dos defeitos presentes so alteradas.

J na recristalizao, a orientao cristalina de qualquer regio no material deformado modificada pela passagem de contornos de gro de alto ngulo atravs do material. Narecristalizao primria ocorre a nucleao de novos gros, principalmente nos contornos degros deformados. Devido elevada energia interna presente no material gerada nadeformao, os novos gros crescem s custas da estrutura deformada, at elimin-lacompletamente.

A continuidade do recozimento leva ao crescimento de gro, etapa na qual a estruturaj recristalizada passa a apresentar crescimento anormal de alguns gros pela continuao doprocesso de migrao dos contornos de gro. Essa etapa tambm denominada recristalizaosecundria e ativada pela reduo de energia superficial dos contornos de gro,diferenciando-se assim da recristalizao primria.

A figura abaixo apresenta o comportamento da resistividade eltrica e da dureza, bem

como a energia liberada durante o recozimento do nquel encruado. Observa-se que aresistividade eltrica quase que completamente recuperada antes da etapa de recristalizao,enquanto que a queda acentuada de dureza ocorre simultaneamente com essa etapa.

Tambm a energia liberada durante o recozimento, exemplifica a ocorrncia dasetapas de recuperao (baixa energia liberada) e recristalizao (liberao total da energiainterna). Curvas semelhantes so obtidas para outros materiais metlicos.Um conceitoimportante refere-se s diferenas entre o recozimento posterior deformao a frio, que temcomo objetivo fornecer ao material deformado as melhores caractersticas de ductilidade eresistncia para continuidade do processo de conformao e, o recozimento que ocorre

simultaneamente deformao, como nos processos realizados a quente.

FIGURA 5.1 - Variao da resistividade, da dureza e da energia interna durante orecozimento.


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No primeiro caso (recozimento posterior) as etapas de recuperao e recristalizao

so definidas como estticas e so ativadas apenas termicamente. J no trabalho a quente,recuperao e recristalizao so denominadas dinmicas, so concorrentes deformao eativadas tanto trmica quanto mecanicamente.

A ocorrncia esttica ou dinmica das etapas de recuperao e recristalizao dependede fatores como o grau e a taxa de deformao, a temperatura e principalmente da energia defalha de empilhamento.

5.1 - Recuperao esttica aps o trabalho a frio

Para metais com alta EDE (energia de empilhamento), ocorre a formao de umaestrutura celular durante a deformao, com acmulo de discordncias nas paredes dasclulas. Interrompido o processo de conformao, o aquecimento leva recuperao esttica

com considervel amolecimento e caso o grau de deformao prvio esteja abaixo de umvalor mnimo para recristalizao, a recuperao ser o nico processo presente.

Como praticamente no h movimentao de contornos de gro, a microestrutura degros alongados no alterada. J materiais com baixa EDE (energia de empilhamento),apresentam aps a deformao, discordncias empilhadas em arranjos planares de elevadaenergia, assim a recristalizao esttica predomina, observando-se pequeno efeito da etapa derecuperao. A figura abaixo apresenta a seqncia de mudanas na estrutura celular,comparando a deformao a frio, a recuperao esttica e o trabalho a quente.

FIGURA 5.2 - Modificaes na estrutura celular de discordncias.


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Na primeira fase da recuperao esttica, as discordncias presentes no interior dasclulas so atradas para as paredes, onde muitas so aniquiladas, tornando os contornos desub-gro mais ntidos.O movimento das discordncias d-se na recuperao esttica devido aocampo de tenses causado pela presena de outras discordncias. A presena de barreiras aesse movimento pode ser evitada pela ativao trmica de mecanismos como a escalagem, odeslizamento cruzado e o desbloqueio de defeitos pontuais (unpinning).

Com a continuidade da movimentao e aniquilao de discordncias, os sub-grostornam-se maiores, com conseqente surgimento de contornos de gro com grandes ngulos.Sob condies adequadas, esses sub-gros tornam-se ncleos para o crescimento de novosgros recristalizados.

Como a energia de ativao para recuperao normalmente menor que aquelanecessria para recristalizao, pode-se observar a recuperao separadamente pelo uso detemperaturas mais baixas. A adio de elementos em soluo slida dificulta o mecanismo deescalagem, bem como provoca a reduo da energia de falha de empilhamento pela

dissociao e distanciamento de discordncias parciais, o que dificulta os mecanismos dedeslizamento cruzado e de desbloqueio de discordncias.

Assim, ou a recuperao retardada ou ela ocorre, mas o crescimento dos sub-gros dificultado. De forma semelhante, a presena de precipitados finos e dispersos podeestabilizar sub-estruturas de discordncias e desta forma retardar a recuperao.

5.2 - Recristalizao esttica aps o trabalho a frio

Ao longo do recozimento, aps ter ocorrido recuperao esttica, nota-se uma grande

reduo na resistncia do material, indicando a ocorrncia de recristalizao esttica. A etapade recristalizao tambm denominada recristalizao primria. Durante a recristalizao,ocorre formao e crescimento de novos gros com pequenas densidades dediscordncias.Muitos so os mecanismos propostos para a nucleao de novos gros, deacordo com o metal deformado e o grau de deformao prvia.

A figura abaixo apresenta alguns desses mecanismos. O coalescimento de sub-gros(caso a) ocorre em metais com alta EDE com grau de deformao prvia elevada e faz surgirregies praticamente livres de discordncias, envolvidas por contornos de grande ngulo dedesorientao, capazes de migrarem.

O coalescimento de sub-gros (caso a) ocorre em metais com alta EDE com grau dedeformao prvia elevada e faz surgir regies praticamente livres de discordncias,envolvidas por contornos de grande ngulo de desorientao, capazes de migrarem.

Metais com baixa EDE tambm fortemente deformados, apresentam elevadaconcentrao de discordncias emaranhadas (caso b), de forma que as paredes das clulas j

possuem grande desorientao, sendo capazes de iniciar a migrao sem que ocorra a fase decoalescimento.

Para graus de deformao menores, foi observado um outro mecanismo relacionadoao curvamento (bulging) de um pequeno segmento de um contorno de alto ngulo (caso c).

Esse encurvamento faz surgir um ncleo de recristalizao (regio aproximadamente esfrica,

livre de discordncias), que pode migrar livremente.


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FIGURA 5.3 - Mecanismos de nucleao de gros recristalizados.

O crescimento dos gros durante a recristalizao, ativado pela presena de umcampo de tenses devido diferena de densidade de discordncias do ncleo em relao aomaterial que o cerca.

Durante o decorrer do recozimento, a taxa de recristalizao decresce devido

aniquilao de discordncias durante a etapa de recuperao, bem como reduo das reasdeformadas, substitudas por novas regies recristalizadas. O efeito de partculas finas esolues slidas de diminuir a taxa de recristalizao, ao retardar a migrao dos contornos.As fases de nucleao e crescimento so ativadas termicamente.

Assim, so aceleradas com o aumento da temperatura de recozimento. Contudo, otamanho dos gros recristalizados depende da densidade de ncleos e por conseguinte, dograu de deformao prvio. O grau de deformao est diretamente relacionado com a taxa dedeformao e temperatura empregados no trabalho anterior ao recozimento e tambm afeta ataxa de recristalizao, pois influi no aumento da densidade de ncleos e da energia interna do

material.


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5.3 - Recuperao dinmica

O efeito da recuperao a alta temperatura a movimentao das discordncias,originando sub-gros. Em vrios processos, a recuperao pode iniciar durante a deformao

plstica, configurando o que se denomina recuperao dinmica. Para temperaturas elevadas,os efeitos da recuperao dinmica so maiores pois a mobilidade das discordncias aumentacom o aumento da temperatura. As clulas so formadas com deformaes menores eapresentam paredes mais delgadas e ntidas. Como resultado, a energia necessria paracontinuidade da deformao diminui, com a consequente queda na taxa de encruamento.

A recuperao dinmica ocorre de forma mais pronunciada para metais com altaenergia de falha de empilhamento. Nos metais com baixa EDE, normalmente no se observaesse tipo de recuperao, apresentando uma estrutura de discordncias alinhadas e bloqueadasnos planos de escorregamento. Os mecanismos de movimentao e aniquilao dediscordncias durante a recuperao dinmica so semelhantes aos definidos para a

recuperao esttica, como o deslizamento cruzado e desbloqueio de defeitos pontuais.A diferena refere-se fora motriz pois no processo dinmico, energia interna

associada ao campo de tenses das discordncias (responsvel pela recuperao esttica) adicionada a tenso externa atuante durante o processo de conformao. A curva deescoamento caracterstica de um material trabalhado a quente e amolecido por recuperaodinmica mostrada na figura abaixo. Num primeiro estgio, para pequenas deformaes, osmecanismos desenvolvidos durante o deslizamento so semelhantes queles apresentados parao escoamento de monocristais (estgios I e II) com taxa de encruamento positiva.

No segundo estgio, so ativados termicamente os mecanismos de movimentao e

aniquilao de discordncias com a conseqente queda da taxa de encruamento. O terceiroestgio representa a regio de regime permanente, onde a taxa de encruamento quase nula.Nesse estgio, trs parmetros permanecem constantes: a tenso aplicada, a temperatura e ataxa de deformao. Deve-se observar que as curvas apresentadas referem-se somente aosefeitos da recuperao dinmica. Normalmente, a tenso de escoamento pode cair durante adeformao, como efeito de processos de recristalizao dinmica, aquecimento adiabtico,crescimento de precipitados, texturizao ou escoamento superplstico. Em alguns poucoscasos, a tenso de escoamento cresce como resultado da precipitao de partculas duras ou

pela eliminao de texturas mais dcteis.


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FIGURA 5.4 - Curvas de escoamento para deformao a quente, apresentando recuperao

dinmica.

5.4 - Recristalizao dinmica

Sob condies especficas de deformao, temperatura, taxa de deformao e

caractersticas do material trabalhado como composio qumica, EDE, a energia internaapresenta-se suficiente para que ocorra nucleao e recristalizao dinmicas. Comoapresentado na descrio da recristalizao esttica, tambm na recristalizao dinmica, apso surgimento de ncleos livres de discordncias e com contornos de elevada desorientao,ocorre a migrao desses contornos, com grande reduo da densidade de discordncias pelasua aniquilao e surgimento de regies totalmente recristalizadas.

A figura abaixo apresenta as curvas de escoamento para processos nos quais supe-setenha ocorrido a recristalizao dinmica. Observa-se que para taxas de deformao pequenas,o amolecimento produzido pela recristalizao seguido por um novo endurecimento,estabelecendo-se um comportamento cclico com perodo aproximadamente constante pormcom amplitude decrescente ao longo da deformao.

Esse comportamento pode ser explicado pela baixa energia de deformao verificadapara taxas de deformao menores. As clulas formadas no apresentam paredes muitoemaranhadas (ou seja, tm baixa desorientao) assim, a nucleao d-se pelo mecanismo debulging que demanda um tempo maior para ativao. J em processos com elevadas taxasde deformao, a tenso de escoamento atinge um valor mximo e depois como resultado darecristalizao dinmica, diminui at um valor intermedirio entre o limite de escoamento e o

pico de tenso observado, mantendo-se ao longo do ensaio pela continuidade do processo derecristalizao.

[kpsi ] Ao 1025

1100 Ccfc


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FIGURA 5.5 - Curvas de escoamento para deformao a quente, apresentando recristalizao

dinmica.

Nesse caso, a estrutura celular apresenta-se fina e com paredes fortementeemaranhadas, ou seja, com elevada energia associada. Dessa forma, o mecanismo debulging impedido.

Com o decorrer da deformao, os contornos de sub-gro passam a ter uma maiordesorientao, o que possibilita o surgimento e a migrao de seus contornos. A densidade dencleos elevada prxima a contornos de gro, onde a energia maior devido a umaacomodao da anisotropia plstica. Atingido o regime permanente, pequenos e novos grosequiaxiais substituem os gros deformados, mantendo tamanho e forma constantes, ao longodo restante do ensaio.

A diferena de comportamento entre as curvas para baixas e altas taxas de deformaorefere-se diferente distribuio de discordncias nas subestruturas. Para baixas taxas dedeformao, h tempo suficiente para que os gros sejam recristalizados, reduzindo

consideravelmente a densidade de discordncias em seu interior. Com a continuidade dadeformao, os gros j recristalizados so novamente deformados e o ciclo se repete.

J para taxas elevadas, existe um gradiente acentuado de deformao entre o ncleo eo contorno dos gros recristalizados. Devido elevada densidade de discordncias gerada pelacontinuidade da deformao, novos ncleos so formados. Assim, em um dado instante, hvrias regies com diferentes graus de deformao, de tal forma que mantm-se uma tensode escoamento mdia ao longo do ensaio.

Os efeitos de partculas sobre a recristalizao dinmica apresentam-se semelhantesaos descritos na recristalizao esttica. H tambm a definio de recristalizao

metadinmica ou ps-dinmica que ocorre logo aps a deformao a temperaturas elevadas.Ao encerrar-se o processo, alguns ncleos formados ainda apresentam contornos migrando.

[MPa]


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Como a recristalizao metadinmica no requer um tempo de incubao paranucleao, o crescimento dos gros recristalizados prossegue rapidamente logo aps adeformao. A figura abaixo apresenta microestruturas de um ao inoxidvel 304 modificadas

pela temperatura de deformao no trabalho a morno e a quente a uma taxa de deformao de0,001 s-1.

FIGURA 5.8Efeito da temperatura na microestrutura de um ao inoxidvel 304 deformados temperaturas de (a) 973 K, (b) 1023 K (c) 1073 K (d). 1173 K.


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REFERNCIAS

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estudo dos metais

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