transformações estruturais a nível de tamanho e ... · 7 recristalizaÇÃo pode ser entendida...

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Metalurgia FísicaProf. Dr. Guilherme Verran

Crescimento de Grão

Recristalização

Encruamento

Aula 17 - Transformações no estado sólido

Transformações Estruturais a nível de tamanho e formato dos grãos

Encruamento

• Aumento de dureza ou da resistência mecânica como resultado da deformação dos grãos em processos de Conformação Mecânica à Frio.

• Em processos de Conformação a Frio pode-se dizer que a maior parte da energia despendida ocorre na forma de calor.

Aula 17 : Encruamento – Recristalização – Crescimento de GrãoMetalurgia FísicaProf. Dr. Guilherme Verran

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• Durante este processo uma pequena fração de discordâncias vai para a superfície gerando um aumento da densidade das discordâncias com a continuidade da deformação plástica.

Encruamento

• A energia utilizada durante a deformação (cerca de 2a 10%) é armazenada no metal na forma deDefeitos de Discordâncias Cristalinas.


• A densidade de distribuição dos defeitos gerados na deformação plástica depende de fatores tais como:

• Energia de Defeito de Empilhamento (EDE)

• Estrutura cristalina do metal

• Temperatura

• Quantidade e velocidade de deformação

• Pureza do metal

Encruamento


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Encruamento

Na deformação plástica, tem-se alguns fatores que afetam a microestrutura do metal deformado:

• Átomos de soluto

• Energia de defeito de empilhamento (EDE)

• Tamanho de grão inicial

• Temperatura e velocidade de deformação


A distribuição de discordâncias em um metal é fortemente dependente da EDE.

Metais que apresentam baixa EDE

Discordâncias apresentam baixa mobilidade devido ao fato das discordâncias parciais estarem muitos afastadas entre si.

Distribuição Planar(homogênea) na microestrutura


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Metais que apresentam alta EDE

Apresentam discordâncias parciais próximas umas das outras, que implica em maior mobilidade.

Distribuição Celular(heterogênea) na microestrutura


Heterogeneidade de Deformação na Microestrutura

As variações de defeitos cristalinos ocorrem tanto dentro de um mesmo grão como entre grãos, podendo ser classificadas da seguinte forma:

• Bandas de cisalhamento

• Bandas de transição

• Transformações de fases induzidas por deformação plástica

• Maclas de deformação


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As regiões das bandas de transição,são locaispreferenciais para o início derecristalização em função das altasdiferenças de orientaçãolocalizadas noreticulado.

Estas estruturas ocorrem durante adeformação onde dentro de um mesmogrão surgem diferentes sistemas deescorregamentopromovendo deformaçõesdiferentes no reticulado.

Bandas de Transição ou de Deformação

Bandas de Transição emgrão deformado comsubestrutura celular.

Ficam delimitadas no interior de grãos individuais.


Bandas de Cisalhamento

Tipos de heterogeneidades que ocorremem regiões de máxima tensão decisalhamento e planos de pequenaresistênciaonde existe alta concentraçãode escorregamento.

São também heterogeneidades importantes para o início da

recristalização.

Sua ocorrência esta associada com metais altamente deformados a frio.

Bandas de Cisalhamento em metal deformado(vistas no

corte longitudinal).

São formadas ao longo de todo o material, independente da estrutura de grãos e dependente do modo e da

quantidade de deformação.


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Maclas de Deformação

São formas alternativas de deformação plástica, que ocorrem em situações em que a deformação plástica por deslizamento de planos se torna difícil.

A maclação depende de uma combinação de fatores tais como:

• Altas velocidades de deformação a baixas temperaturas.

• Orientação desfavorável ao escorregamento.

• Dificilmente é observada a ocorrência de maclação quando o material é de elevada pureza.


• Mais raramente em metais que apresentam cúbica de face centrada (CFC).

As maclas de deformação surgem nas seguintes estruturas:

• Principalmente em metais com estrutura hexagonal compacta (HC)

• Eventualmente em metais que apresentam estrutura cúbica de corpo centrada (CCC).


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RECRISTALIZAÇÃO

Pode ser entendida como sendo um realinhamento dentro dos cristais que proporciona uma diminuição da energia livre.

A recristalização é tratada como uma transformação de fases que ocorre por Nucleação e Crescimento.

Este fenômeno ocorre também quando os cristais são submetidos a temperaturas elevadas através de um tratamento térmico denominado de Recozimento.


Os cristais plasticamente deformados, tem mais energia que os cristais não deformados, devido ao fato de apresentarem muitas discordâncias e outras imperfeições.

Havendo oportunidade, os átomos desses cristais se reacomodam de forma a ter um rearranjo perfeito e não deformado.

Material Encruado

Material Recristalizado


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Mudanças Microestruturais durante o Recozimento.

Quando um metal é deformado a frio, as mudanças microestruturais que ocorrem após o recozimento, surgem de forma a diminuir a energia armazenada na deformação.

• Processos de Recuperação

• Processos de Recristalização e Crescimento de Gräo


• Reações entre defeitos puntiformes.

• Aniquilação de discordâncias de sinais opostos.

• Rearranjo de discordâncias de modo a gerar configurações de menor energia.

• Formação de contornos de alto ângulo.

Processos de Recuperação

Principais mudanças estruturais:


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• Absorção de defeitos puntiformes e discordâncias por contornos de alto angulo durante a migração.

• Redução da área total do contornos de grão.

Processos de Recristalização e Crescimento de Gräo

Principais mudanças estruturais:


Processo de Nucleação

• Mecanismo de rearranjo de discordâncias de modo a formar uma região livre de defeitos associada a contorno de alto angulo com alta mobilidade.

Migração de contornos pré-existentes induzidos por deformação

Nucleação por migração de contornos induzida por deformação


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A condição para que esse processo possa ocorrer é através do balançoenergético favorável entre aredução de energia armazenadae oaumento da superfície total do contorno de grão devido ao``embarrigamento``.

Modelo para o processo deMigração de Contornos de Grãoinduzida por deformação mostrando os sucessivos estágios demigração.


Nucleação por Coalescimento de Subgrãos

Mecanismo que promove crescimento de subgrãos através daeliminação de subcontornos e alteração das diferenças de orientaçãoentre o grupo que sofreu coalescimento e os subgrãos próximos.

(d) Formação de grão recristalizado R.

(a) Estrutura original. (b) Coalescimento dos pares A/B e C/D por eliminação dos seus contornos.

(c) Coalescimento dos pares A/B e C/D.


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Crescimento das Regiões Recristalizadas

Recristalização pode ser definida como a eliminação de defeitos cristalinos através da migração de contornos de alto ângulo.

O principal potencial para que ocorra a recristalização é a energia armazenada durante a deformação.

Quando ocorre a formação de uma região livre de defeitos circundada por umcontorno de alto angulo a recristalização continua atravésdo crescimento destenúcleo sobre a matriz encruada


O crescimento das regiões recristalizadas pela migração de contornos de alto angulo continua até que os grãos recristalizados se toquem mutuamente.

A recristalização primária termina neste caso quando as frentes de reação se encontram.

As distribuições das regiões recristalizadas são relativamente homogêneas.

Início da recristalização Material Anisotrópico

50% de recristalização Recristalização completa Material Isotrópico


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Com a migração dos contornos de alto angulo, a microestrutura acaba``varrendo``, ou seja, eliminandoos defeitos cristalinos.

Processo Irreversível

⇓

Redução da energia livre no processo de recristalização. ∆ A é a Energia de Ativação − ∆ P é o Potencial Termodinâmico para recristalização.


Crescimento de Grão e Recristalização Secundária

A quantidade de contornos de grãos passa a atuar comopotencialtermodinâmico para o crescimento de grãode modo adiminuir a área totaldestes contornos.

Isto pode ocorrer de duas formas:

Contínuo : com o aumento contínuo do tamanho médio dos grãos.

Descontínuo: com o crescimento acentuado de apenas alguns grãos.

Durante esse processo a primeira etapa que ocorre é o crescimento de grão, e a posterior é a recristalização secundária.


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Crescimento de Grão

O crescimento de grão é definido como o crescimento de determinados grãos as custas de outros de modo a diminuir a área total dos contornos.

Os pesquisadores Burke e Turnbullobservaram que grãos com mais de seis lados possuem lados côncavos e tendem a crescer sobre os grãos com menos de seis lados.

Estrutura de grãos mostrando a influência do número de lados na curvatura dos contornos, onde os

grãos com seis lados estão equilibrados.


Recristalização Secundária (crescimento anormal de grãos)

Crescimento exagerado de determinados grãosque englobam osque permanecem com seu tamanho aproximadamente constante.

Para a ocorrência da recristalização secundária é necessário que o crescimento normal dos grãos seja inibido.

O fenômeno da recristalização secundária está associado a fatores que limitam o crescimento normal do grão.


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Fatores que promovem a ocorrência da Recristalização Secundária

• Impurezas em solução sólida.

• Heterogeneidade do tamanho de grão

• Dispersão de partículas

• Textura Pronunciada (impede o crescimento normal do grão)

• Espessura da amostra (fator limitante do tamanho dos grãos)


Recristalização de Metais Impuros e Ligas

Os elementos de liga ou impurezas em um metal proporcionam a formação de alguns tipos de microestrutura.

Dentre elas uma das que mais se destaca é o caso da Solução Sólidaque gera uma Estrutura Monofásica.


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Recristalização durante a Deformação

Na fabricação de materiais metálicos muitos materiais passam porprocessos de deformação a quente obtendo-se produtos como chapas, tubos,arames entre outros.

Os processos de recuperação e recristalização quando ocorrem durante a deformação são denominados Recuperação Dinâmicae Recristalização Dinâmica.

A recuperação e recristalização dinâmica são observados indiretamentepor curvas tensão-deformação obtidos através de ensaios mecânicos comotração, compressão e torção.

Os fenômenos denominados dinâmicos acontecemsimultaneamentecom a deformação quando o material esta sob umcampo de tensõese geralmente emalta temperatura.


Mecanismos de Restauração possíveis durante a Deformação a Quente.

Durante a ExtrusãoAltas deformações

99%

Durante a Laminação BaixasDeformações

50%

Para Metais de Alta EDE.

Recuperação estática

Para Metais de Baixa EDE.

Recristalização estática

Para Metais de Alta EDE.

Recuperação Dinâmina e Recristalização Estática

Para Metais de Baixa EDE.

Recristalização Estática e Dinâmica


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Recuperação Dinâmica

A temperatura elevada durante o processo de deformação permite em umcerto instante, que a quantidade de defeitos gerados seja compensado pelaquantidade de defeitos eliminados.

Durante esse processo de compensação tem-se umestado estacionárioonde a quantidade de defeito permanece constante.

Na curva tensão-deformação este defeito aparece como umaestabilização da tensão a medida que o material vai sendo deformado.


Recuperação Dinâmica

Curva Tensão Deformaçãoa Quente

Ocorrência da recuperação dinâmica, onde o patamar é a tensão do estado estacionário


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Na recuperação dinâmica é possível observar que enquanto não ocorre amigração de contornos de alto angulo, os grãos vão se alongando de acordocom a mudança de forma do material enquanto os subgrãos mantemestrutura equiaxial.

Alterações microestruturais durante a recuperação dinâmica.

(a) Microestrutura inicial

(b) Microestrutura após deformação ε1

( c) Microestrutura após uma deformação ε2 > ε1;


A quantidade de discordâncias, o espaçamento médio entre elas e a diferença de orientação entre os subgrãos não varia significativamente no estado estacionário.

⇓

• As dimensões dos subgrãos

• As diferenças de orientação

• A perfeição dos subcontornos

Dependem:

• Da natureza do metal

• Da temperatura

• Da velocidade de deformação


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Recristalização Dinâmica

A eliminação dos defeitos acontece por eventos individuais de aniquilação de discordâncias de sinais opostose do desaparecimento de interstícios e lacunas.

Ocorre a aniquilação de grandes quantidades de defeitos pela migração dos contornos de grãos.

Sua ocorrência está associada a geração de um grande número de defeitos durante a deformação a quente.


Os Defeitos não podem ser eliminados apenas por recuperação dinâmica em função de:

• Altas Taxas de Deformação

• Baixa EDE do Material

⇒ ↑ do Potencial Termodinâmico para Recristalização

Quando este estágio é atingido diz-se que ocorre um Ciclo de Recristalização.


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Aula 17 : Encruamento – Recristalização – Crescimento de Grão

A velocidade (taxa) de deformação é um fator importante a ser considerado:

a ) Paraaltas taxas de deformação

⇓

Curva σ x ε apresenta um pico de

tensão na deformação εp seguido de uma estabilização de tensão a medida

que o material se deforma.

b) Parabaixas taxas de deformação

A restauração se dá em ciclos de deformação-recristalização

dinâmica.

⇓ε

σ(a)

(b)

Recristalização Dinâmica Contínua

Recristalização Dinâmica “Periódica”

Início da Recristalização

RECRISTALIZAÇÃO DURANTE A DEFORMAÇÃO À QUENTE


transformações estruturais a nível de tamanho e ... · 7 recristalizaÇÃo pode ser entendida...

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