Mecanismos de endurecimento

Mas o quê ocorre para ele encruar?

Bom, o fenômeno de encruamento está relacionando com as interações entre as discordâncias e os campos de deformações das discordâncias, ou seja, quando impomos tensões suficientes para movimentar as discordâncias aumentamos a densidade de discordâncias, assim as discordâncias irão ter mais dificuldade para se movimentar, uma vez que as tensões por elas geradas interagem repelindo-se.

O esquema acima retrata como os campos de deformações das discordâncias repelem-se. Assim quando aumentamos a densidade de discordâncias, isto é, a quantidade delas, mais difícil será de mover novas discordâncias devido a essas forças de repulsão.

Portanto quando trabalhamos um metal a frio, ou seja, deformamo-lo plasticamente, aumentamos o número de discordâncias. Porém, como vimos, a própria discordância dificulta a movimentação de outra discordância. A consequência disso é que aumentamos a resistência do material, logo um material encruado terá maior resistência e dureza do que o material que o originou.

O encruamento é, frequentemente, utilizado nas indústrias para aumentar a resistência mecânica do metal durante o processo de fabricação. Podemos retirar os efeitos causados pelo encruamento através do tratamento térmico de recozimento. Mas fique tranquilo, mais adiante veremos os tratamentos térmicos.

O gráfico acima, tensão versus deformação, mostra um aço de baixo carbono com diferentes porcentagens de encruamento. Na curva verde vemos o comportamento mecânico do material sem encruamento, na azul com 4% de encruamento e na vermelha com 24% de encruamento. Note que quanto maior a porcentagem de encruamento maior é a tensão de escoamento do material!!!

Refino de grão

Um grão diferencia-se de outropor possuírem orientações cristalográficas diferentes. Por essa razão o contorno de grão atua como uma barreira para a movimentação das discordâncias.

Como assim?

Caaaalma!!! Vamos entender melhor isso a partir do desenho abaixo.

O esquema acima mostra dois grãos diferentes e, portanto, duas orientações cristalográficas diferentes. O contorno de grão é uma região onde há falta de ordem atômica, que resulta em uma descontinuidade dos planos de escorregamentos. Note que o grão A possui um plano de escorregamento na horizontal enquanto o grão B possui um plano de escorregamento, aproximadamente, a 45° da horizontal, ou seja, os planos de escorregamentos são descontínuos mudando de direção no contorno. Assim, uma discordância que anda da esquerda para direita encontrará dois obstáculos: mudar a direção de movimentação e transpor a descontinuidade dos planos de escorregamento. Então, o contorno de grão dificulta ou impedi a movimentação das discordâncias.

Mas como podemos aumentar a resistência dos materiais mexendo no tamanho do grão?

Observem na figura acima dois grãos, o primeiro possui 3 discordâncias e o segundo possui 6 discordâncias. Analisando a figura vemos que quanto maior for o grão mais deformação plástica conseguimos acumular. Assim, quando refinamos o grão, isto é, diminuímos o seu tamanho, dificultamos a movimentação de discordância e, consequentemente, aumentamos a resistência desse material.

Uma equação importante é a equação de Hall-Petch, que correlaciona o limite de escoamento do material com o tamanho do grão.

Em que é a tensão de escoamento, é uma tensão inicial do material, é uma constante do material e é diâmetro médio do grão.

A redução do tamanho de grão não somente melhora a resistência mecânica do material como também melhora a tenacidade do material, isto é, com a redução do tamanho do grão temos uma maior resistência e também maior será a energia necessária para rompê-lo.

Veremos em tópicos adiante que há um tratamento térmico para refino de grão. Este tratamento é conhecido como normalização.

Solução sólida

Em defeitos pontuais vimos que podemos formar uma solução sólida introduzindo átomos de impurezas. Estes átomos podem formar uma solução sólida substitucional ou intersticial, dependendo do tamanho de seu raio atômico. E ao introduzimos esses átomos de impurezas aumentamos a resistência mecânica do material, pois isso, esse mecanismo de endurecimento é conhecido como aumento de resistência por solução sólida.

Mas por que esses átomos de impurezas aumentam a resistência do material?

Para responder a essa pergunta vamos imaginar duas situações:

Na primeira situação temos um átomo substitucional com o raio um pouco maior do que os átomos do metal puro. Já na segunda situação temos um átomo substitucional com o raio um pouco menor do que os átomos do metal puro. Note que nas duas situações temos deformações na rede.

As deformações geradas pelos átomos de impureza irão interagir com os campos de tensões das discordâncias dificultando ou impedindo a movimentação das discordâncias. Logo, a resistência aumentará com a presença de impurezas.

Segunda fase

A segunda fase também contribui para o aumento de resistência do material. Como?

Bom, para responder como, vamos imaginar uma rede cristalina com um precipitado, como o esquema abaixo.

Note que o precipitado está na frente da discordância impedindo ou dificultando sua movimentação.

Outro modo é quando a linha de discordância encontra precipitados como no esquema abaixo.

Observem que a linha de discordância ultrapassa os precipitados, porém cria discordâncias em círculos em volta dos precipitados. Essas discordâncias em círculos criam um campo de tensões dificultando ainda mais o movimento de outras discordâncias.

Notem que nos dois casos os precipitados aumentam a resistência do material, pois dificultam ou impedem o movimento de discordâncias. Logo quanto mais precipitados tiver no material maior será sua resistência mecânica.

Transformação de fase

Para vermos como a transformação de fase aumenta a resistência do material vamos pensar nas transformações ocorridas no ferro.

O ferro abaixo de 910°C possui estrutura CCC essa fase é conhecida como ferrita (ou ). Quando o ferro passa de 910°C, ele muda para uma estrutura CFC e essa fase é conhecida como austenita (ou ). Porém, se resfriamos rapidamente esse ferro com estrutura austenita produziremos uma nova fase conhecida como martensita, essa fase possui estrutura TCC (tetragonal de corpo centrado) e é muito mais resistente dos que as fases anteriores.

Fique tranquilo, veremos transformações de fase com detalhe em tópicos mais adiante!

A princípio lembre-se que a transformação de fase martensita é um mecanismo de aumento de resistência do material.

Vamos praticar?