1) Deformações plásticas e Discordâncias

Estudos pioneiros dos materiais levaram ao cálculo das resistências teóricas de cristais perfeitos, as quais eram muitas vezes maiores do que aquelas efetivamente medidas. Na década de 30, a teoria dizia que essa discrepância em termos de resistência mecânica poderia ser explicada por um defeito cristalino linear, que desde então é conhecido por discordância.

Discordância Aresta – é um distorção localizada da rede cristalina ao longo da extremidade de um semi plano adicional de átomos, que também define a linha de discordância.

Deformação Plástica – é produzida mediante o movimento de um grande número de discordâncias que se movem por escorregamento. Uma discordância aresta se move em resposta à aplicação de uma tensão de cisalhamento em uma direção perpendicular à linha de discordância e ao longo de um plano e uma direção de escorregamento.

Plano e direção de escorregamento – o plano (aquele que possui empacotamento atômico mais denso, maior densidade planar) e a direção (aquela que se encontra mais densamente empacotada com átomos, maior densidade linear) de escorregamento são planos e direções preferenciais ao longo dos quais ocorre o movimento de discordâncias. A combinação de um plano de escorregamento com uma direção de escorregamento é conhecida por sistema de escorregamento. Este sistema de escorregamento é aquele cuja distorção atômica é mínima.

Durante a deformação plástica o número de discordância aumenta. As fontes dessas novas discordâncias são as já existentes, os contornos de grão, os defeitos internos e irregularidades na superfície que atuam como concentradores de tensões.

2) Deformação plástica em materiais policristalinos

Os contornos de grão atuam como uma barreira ao movimento de discordâncias porque:

a)quando uma discordância for passar de um grão A para outro grão B, o qual apresenta diferente orientação cristalográfica em relação ao A, A terá de alterar sua direção de movimento; isso é dificultado à medida que a diferença na orientação cristalográfica aumenta.

b)a desordenação atômica no interior de uma região de contorno de grão irá resultar em uma descontinuidade de planos de escorregamento de um grão para outro.

“Um material de granulação fina é muito mais duro e resistente do que um material que possui granulação grosseira, uma vez que o primeiro possui maior área total de contornos de grãos, o movimento de discordância será dificultado.”

Equação de Hall-Petch – expressa a variação do limite de escoamento σe com o tamanho médio do grão.

σ e= σ0 + K e .d−1 /2

Onde σ 0 e Ke são constante que dependem do material.

No material policristalino a orientação cristalográfica aleatória do grande número de grãos , faz com que a direção do escorregamento varie de um grão para outro. Para cada grão o

movimento de discordância ocorre ao longo do sistema de escorregamento com orientação mais favorável.

- na deformação a integridade mecânica e a coesão são mantidas ao longo dos contornos de grãos. Cada grão individual está restrito, em determinado grau, à forma que ele pode assumir devido aos seus grãos vizinhos.

- antes da deformação os grãos são equiaxiais, mas com a solicitação eles tornam alongados ao longo da direção que foi estendida.

Os metais policristalinos são mais resistentes do que seus equivalentes monocristais; isso ocorre em grande parte devido às restrições geométricas que são impostas sobre os grãos durante a deformação plástica. Embora um único grão possa estar orientado favoravelmente em relação à tensão aplicada para o escorregamento, ele não pode se deformar até que seus grãos adjacentes estiverem orientados de maneira menos favorável e também sejam capazes de sofrer escorregamento; isso exige um nível mais elevado de tensão aplicada.

3) Mecanismos de endurecimento de metais

Redução de grão – a habilidade de um metal em se deformar plasticamente depende da facilidade das discordâncias se moverem. Restringir ou impedir o movimento de discordâncias confere maior dificuldade do material se deformar plasticamente, conseqüentemente, sua dureza e resistência mecânica serão aumentadas.

Com a diminuição do tamanho de grão há acréscimo na área total de contornos de grãos. Assim, ocorrerá um maior impedimento do movimento de discordâncias e tal mecanismo dará ao material maior dureza, bem como resistência mecânica.

Solução sólida – a soluça sólida é caracterizada pela formação de ligas com átomo de impureza que entra em lugares intersticiais e substitucionais na estrutura cristalina, sem o aparecimento de uma segunda fase desses átomos. Ocorrendo solubilidade total.

O aumento da concentração de impurezas resulta em um conseqüente aumento no limite de resistência à tração e no limite de escoamento .

As ligas são mais resistentes do que seus metais puros. Isto ocorre porque os átomos que entram em solução sólida impõem deformações na rede cristalina sobre os átomos hospedeiros vizinhos. Interações dos campos de deformação da rede cristalina entre as discordâncias e esses átomos de impureza resultam em barramento ou restrição ao movimento de discordâncias.

Átomos de impurezas menores que os átomos hospedeiros exercem deformação de tração. Segregando-se para regiões onde há deformações devidas aos defeitos (discordâncias). Estes átomos de impureza ocupam a região superior ao plano de escorregamento, onde sua deformação por tração tende a amenizar as distorções ocasionadas pela região da discordância que provoca deformações de compressão.

Já átomos de soluto maiores que os átomos hospedeiros promovem deformação de compressão sobre a rede. Quando esses são difundidos, vão preferencialmente para regiões

onde a sua deformação por compressão neutralizam a deformação por tração devida à discordância. Assim, eles se posicionam na região inferior ao plano de escorregamento da discordância.

A segregação dos átomos de impureza ao redor das discordâncias reduz a energia global de deformação, cancelando parte da deformação na rede que circunda uma discordância. A resistência ao escorregamento é aumentada, pois a deformação global da rede deve aumentar se uma discordância for separada dos átomos de impureza.

Encruamento - fenômeno pelo qual um metal dúctil se torna mais duro e mais resistente quando ele é submetido a uma deformação plástica.

A densidade de discordâncias em um metal aumenta com a deformação ou com o encruamento, devido à multiplicação das discordâncias ou à formação de novas discordâncias. A distância média entre as discordâncias diminui e, na média, as interações entre discordâncias são repulsivas. Sendo assim, o movimento de uma discordância é dificultado pela presença de outras discordâncias. Essa dificuldade em promover o movimento de discordâncias reflete num aumento da resistência mecânica do material.

Dessa forma, a tensão imposta , necessária para deformar um metal, aumenta com o aumento do trabalho a frio.

4) Mecanismos de recuperação, recristalização e crescimento de grão

Uma fração da energia gasta na deformação é armazenada no metal na forma de uma energia de deformação, que está associada a zonas de tração, compressão e cisalhamento ao redor de discordâncias recém-criadas.Essas deformações estruturais podem ser revertidas novamente para os seus estados anteriores ao trabalho a frio mediante um tratamento térmico de recozimento. Que é a recuperação e a recristalização, seguida do crescimento de grão.

Recuperação - na ausência da aplicação de tensão externa, uma parte da energia interna de deformação armazenada é liberada em virtude do movimento das discordâncias, que resultam de uma melhor difusão atômica a temperatura mais elevada.

Resultando numa redução no número de discordâncias e sendo produzidas configurações de discordâncias que possuem baixas energias de deformação.

Recristalização – mesmo após a completa recuperação, os grãos se apresentam num estado de energia de deformação relativamente elevado. Nas recristalização ocorre a formação de um novo conjunto de grãos livres de deformação, com baixas densidades de discordâncias, e que são característicos das condições que existem antes do processo de trabalho a frio.

A força motriz para produzir essa nova estrutura de grão é a diferença que existe entre as energias internas do material submetido a deformação e do material sem deformação. Os novos grãos se constituem na forma de núcleos muito pequenos e crescem até que substituam completamente o seu material de origem, consistindo em processos que envolvem difusão em pequena escala.

Na cristalização, as propriedades mecânicas que foram alteradas como resultado do trabalho a frio são restauradas aos seus valores iniciais; isto é, o material se torna mais macio, menos resistente mais dúctil.

O grau de recristalização depende tanto do tempo como da temperatura. A temperatura de recristalização é a temperatura na qual a recristalização atinge seu término em exatamente 1 hora.

Aumentando-se a porcentagem de trabalho a frio, melhora-se a taxa de recristalização, como resultado de que a temperatura de recristalização é diminuída e se aproxima de um valor constante ou valor limite em deformações mais elevadas. De 2 a 20% de deformação plástica frio não há como induzir a recristalização, necessitando de temperaturas muito altas.

No trabalho a quente o material permanece relativamente macio e dúctil durante a deformação, pois ele não sofre encruamento, sendo possíveis grandes deformações.

Crescimento de grão – após a recristalização, os grãos livres de deformação continuarão a crescer se a amostra for deixada a uma temperatura elevada. À medida que os grãos aumentam de tamanho, a área total de contornos diminui, produzindo uma redução na energia total; essa é a força motriz para o crescimento de grão.

O crescimento de grão ocorre pela migração de contornos de grão; isto é, os grãos maiores crescem à custa dos grãos menores, que encolhem. O movimento dos contornos consiste simplesmente na difusão dos átomos em pequena escala de um lado do contorno de grão para outro. As direções do movimento do contorno e do movimento atômico são opostas uma à outra.

Para muitos materiais policristalinos a relação matemática do diâmetro médio de grão com o tempo é dada por: dn - d0

n = K.t

Onde d0 representa o diâmetro médio inicial do grão, K e n são constantes independentes do tempo, sendo n maior ou igual que 2.

O crescimento de grão procede mais rapidamente à medida que a temperatura aumenta. Isso Poe ser explicado pela melhoria da taxa de difusão em função do aumento da temperatura.

No limite de escoamento superior (LS), uma faixa discreta de metal deformado aparece em uma região de concentração de tensões, pelo efeito da carga de ensaio. Quando a tensão atinge um nível suficiente para vencer as barreiras que retém as discordâncias, ainda em pequeno número, define-se o limite de escoamento superior (LS). Então, a tensão cai até o limite de escoamento inferior (LI). A faixa se propaga ao longo do corpo, causando alongamento durante o escoamento. Durante esta propagação, outras barreiras aprisionam as

discordâncias, exigindo que a tensão novamente venha a subir e assim sucessivamente, gerando o serrillhado indicado na figura.

Diagrama de fase e morfologia de microestrutura.

Ponto eutetóide: austenita (0,76%pC) dando ferrita (0,022%pC) e cementita (6,7%pC)

-sua microestrutura consiste em camadas alternadas de ferrita e cementita, formadas simultaneamente durante a transformação. Essa microestrutura é chamada de perlita.

Os átomos de carbono se difundem das camadas de ferrita em direção às camadas de cementita, à medida que a perlita se estende do contorno do grão para o interior do grão da austenita não reagido.

Hipoeutetóide – contém entre 0,022 e 0,76%pC. A 875°C a microestrutura é composta por grãos de austenita. A 775°C a fase ferrita começa aparecer nos contornos de grãos da fase austenita. Continuando o resfriamento, a fase ferrita vai crescendo e adquire a composição 0,022%pC à 727°C, composição e temperatura eutetóide. Abaixo da temperatura eutetóide, toda a fase restante de austenita se transformará em perlita.

Obs: A fase ferrita que se formou ao longo dos contornos de grão e antes de 727°C (temp. eutetóide), não sofrerá nenhuma transformação e é chamada de ferrita pró-eutetóide (formada antes da temp. eutetóide).

A morfologia dessa microestrutura é de uma fase ferrita (“em cima dos contornos de grãos da austenita”) circundando uma fase perlita (“dentro dos contornos de grãos”).

Hipereutetóide - contém entre 0,76 e 2,14%pC. A 875°C a microestrutura é composta somente por grãos de austenita. A 800°C, dentro do campo onde coexistem as fases austenita e cementita, começam se formar partículas de cementita nos contornos de grãos devido à difusão do carbono do centro para os contornos. Com o resfriamento, as partículas aumentam de tamanho. Quando chega na temp. de 727°C a cementita adquire a composição 6,7%pC, que é a composição eutetóide. Abaixo da temp. eutetóide, toda a austenita restante é transformada em perlita.

Obs: A fase cementita que se formou ao longo dos contornos de grão e antes de 727°C, não sofrerá nenhuma transformação e é chamada de cementita pró-eutetóide.

Ferros fundidosLigas ternárias de Ferro, Carbono (2-4%) e Silício (1-3%).

- baixo ponto de fusão

-elevada dureza e resistências ao desgaste

-boa resistência à corrosão

-versatilidade de propriedades e aplicações

-grande fragilidade

-deformação plástica impossível à temp. ambiente

-diifíceis de maquinar

-soldadura limitada

Domínio elástico não-linear

Ferro fundido cinzento

-composição 2,5 a 4,0%pC e 1,0 a 3,0%pSi.

-microestrutura – baixa velocidade de resfriamento, o carbono se solidifica na forma de flocos de grafite.

-a matriz é ferrítica (vel. baixa) ou perlítica (vel. moderada).

-flocos de grafite atuam como entalhes, baixando a tenacidade e resistência.

-propriedades – elevada fluidez (peças complicadas), boa maquinabillidade (flocos de grafite), grande resistência ao desgaste (grafite), excelente amortecedor de vibrações, resistente à compressão e não à tração, razoável resistência à corrosão, difícil soldadura e baixo custo.

-aplicações – é o mais usado, fundição em geral, bloco de motores, engrenagens de grandes dimensões, maquinas agrícolas, carcaças e suportes de máquinas.

-tratamentos térmicos – recozimento para alívio de tensões ou para facilitar a maquinagem (obtendo matriz ferrítica), têmpera e revenido para obtenção de mastensita (maior dureza), a formação de grafite é irreversível e o tratamento térmico atua apenas na matriz.

-nomenclatura é feita pela resistência. A classe (20,30,..) determina a resistência à tração mínima em 1000psi.

Ferro fundido dúctil (ou nodular, ou esferoidal)

-composição: adição de pequenas quantidade de Mg e Ce ao ferro aço cinzento antes da fundição.

-microestrutura – com pequenas adições de Magnésio e Cério, formam-se nódulos ao invés de flocos.

- a matriz é ferrítica (vel. baixa) ou perlítica (vel. moderada)

- grafite em nódulos origina maior resistência, ductilidade e tenacidade.

-propriedades – alta resistência, tenacidade e ductilidade, excelente maquinabilidade, possibilidade de deformação a quente, grande resistência ao desgaste, boa fluidez, soldabilidade melhorada e baixo custo (superior ao do ferro fund. cinzento).

-aplicações – engrenagens, cambotas, juntas universais, máquinas de trabalho pesado, válvulas, peças sujeitas ao desgaste e impacto em geral.

-tratamentos térmicos – recozimento para alívio de tensões ou melhorar a ductilidade, têmpera e revenido, tratamento térmico só atua na matriz porque a obtenção de grafite em nódulos é irreversível.

-nomenclatura – classificados por 3 números: 1° resistência mínima à tração, 2° tensão de cedência mínima e 3° extensão de rotura em tração.

Ferro fundido branco

-composição: menos de 1%pSi; 2 à 3,5%pC; 0,5%pMn (anti-grafitizante).

- microestrutura – com ata velocidade de arrefecimento o carbono se solidifica sob a forma de cementita

-extrema dureza e fragilidade da cementita.

-em peças de maior tamanho, pode-se obter ferro fund. branco na superfície e ferro fundido cinzento no núcleo.

-propriedades – grande resistência à compressão e ao desgaste (cementita), extremamente frágil, não pode ser maquinado, soldadura impossível e baixo custo.

-aplicações – a principal é a produção de ferro fundido maleável, peças sujeitas a elevada compressão e atrito, esferas de moinho e rolos de laminadores, elevada taxa de resfriamento limita o tamanho das peças.

-tratamentos térmicos – o único tratamento térmico feito é para obtenção do ferro fund. maleável.

Ferro fundido maleável

-o aquecimento do ferro fundido branco a temperaturas entre 800 e 900°C por um período de tempo prolongado e em atmosfera neutra, causa a decomposição da cementita, formando aglomerados ou rosetas de grafite cicundadas por uma matriz de ferrita ou perlita.

-propriedades – varia de acordo com a taxa de resfriamento: grande resistência à corrosão, boa maquinabilidade e vazabilidade, propriedades ao ferrofund. dúctil, alta resistência, tenacidade e ductilidade.

-aplicações – similares ao ferro fund. dúctil, peças sujeitas a alta temperatura, elementos de ligação, juntas universais e pequenas ferramentas.

-nomenclatura – ASTM A47, 5 dígitos, tensão de cedência e extensão de rotura em tração. Ex: ASTM A47 Classe 32510 – tensão de cedência mín. a tração de 32,5 e extensão de rotura de 10%.

Ferro fundido cinzento

-porcentagem de 2,06 até 4,5% de carbono;

-fácil fluidez, podendo até evitar o uso de massalotes para correção de possíveis defeitos;

-excelente usinabilidade, boa resistência ao desgaste por atrito (grafita atua como lubrificante) e resistência ao choque térmico;

-não obedece à lei de Hooke (elasticidade não linear);

-aplicações: pistões, tambores e sapatas de freio, discos de embreagem, cadinhos, queimadores, grelhas de forno e lingoteiras, equipamento de manuseio da terra, mineração e moagem, suportes de barras de torção, corpo de mancais, flanges para tubos de escapamentos, etc;

-alta capacidade de amortecimento de vibrações. Essa propriedade é atribuída aos veios de grafita, os quais, constituem em espécies de vazios na estrutura do material; portanto, absorvendo as tensões e que permite deformação plástica do material localizadas nos veios;

Velocidade de resfriamento

-tempos menores geram ferros fundidos brancos (pouco tempo para a decomposição da cementita);

- tempos maiores ferros cinzento;

- a temperatura de resfriamento influencia na formação da grafita, sendo que quanto maior a velocidade de resfriamento, menores e mais finos os veios de grafita.

Microestruturas de aço carbono normalizados

SAE 1010

– matriz ferrita pró-eutetóide (clara) e pouca perlita (escura).

-grãos de ferrita e perlitas isoladas.

SAE 1045

–45% de ferrita pró-eutetóide (clara) e 55% de perlita (escura).

-ferrita pró-eutetóide nos contornos de grãos e perlita nos núcleos.

SAE 1080

–matriz perlita e pouca cementita pró-eutetóide nos contornos de grãos.

-cementita pró-eutetóide nos contornos de grãos e perlita nos núcleos.

Questões da prova de anos anteriores:

1)Superar as limitações das ligas ferrosas que são: muito densas, más condutoras, suceptíveis à corrosão.

2)São de elevada resistência, apresentam baixo teor de carbono e alto teor de níquel.

3)Ferrítico, austenítico, martensítico e de resistência ultra-alta.Apresentam proporção de cromo de no mínimo 11%.

-ferrítico- tanques p/pulverização.

-austeníticos – equipamentos para processamento químico

-matensítico – peças de motores a jato.

-ultra alta resistência – molas e facas.

5)Positivas: baixo custo, diversidade de propriedades.

Negativas: densidade elevada, baixa resistência ao impacto a baixas temperaturas, baixa resistência à corrosão, difíceis de serem trabalhados com altos teores de carbono.

6) Os mecanismo de atuação são por precipitação, solução sólida e, consequentemente, transladam os pontos no diagrama de equilíbrio. Os elementos de liga melhoram as propriedades mecânicas, a temperabilidade, a maquinabilidade, resistência ao desgate, fadiga, resistência à corrosão e oxidação, as propriedades mecânicas a baixas temperaturas

7)São curvas que relacionam o tempo necessário para que uma transformação ocorra, para um determinada temperatura fixa. São importantes porque, diferentemente dos diagramas de equilíbrio, essas curvas dão uma estimativa do tempo necessário para que uma transformação se efetive.

8)Resultado do resfriamento de uma liga ferro-carbono na temperatura eutética. O sólido formado apresenta as fases austenita e cementita. Fundo de cementita com cristais dentríticos de austenita.

9)É um aço hipereutetóide cujo resfriamento foi lento. Pela imagem com maior resolução, nota-se a presença de da ferrita limitando os núcleos dos grãos que passaram de austenita para perlita na temperatura eutetóide.

10) Sim, as microestruturas podem ser da mesma liga metálica. As diferentes morfologias ocorrem porque a primeira sofreu o processo de esferoidização ou coalescência (tratamento térmico),passando de morfologia de veios para morfologia esférica. Geralmente isto ocorre para aços hipereutetóides que através deste tratamento passam a ser mais facilmente usinados.