01. Fortalecimento de Solução Sólida
Definição
O fortalecimento por solução sólida é o fenômeno onde os elementos de liga se dissolvem no metal base, causando distorção da rede e aumentando a resistência da liga.
Princípio
Os átomos de soluto que se dissolvem na solução sólida criam distorção na rede, o que aumenta a resistência ao movimento de deslocamento, dificultando o deslizamento. Como resultado, a resistência e a dureza da solução sólida da liga aumentam. Este mecanismo de fortalecimento depende da dissolução de átomos de soluto para formar uma solução sólida. Com concentração adequada de soluto, a resistência e a dureza do material melhoram, embora a sua tenacidade e ductilidade possam diminuir.
Fatores que influenciam
Quanto maior a fração atômica dos átomos do soluto, mais forte será o efeito de fortalecimento, especialmente em baixas concentrações.
Quanto maior a diferença de tamanho entre os átomos do soluto e do metal base, mais significativo será o fortalecimento.
Os átomos de soluto intersticiais têm um efeito de fortalecimento mais forte do que os substitucionais. Em cristais cúbicos-centrados no corpo, os átomos intersticiais causam distorção assimétrica da rede, resultando em maior fortalecimento do que em cristais cúbicos-centrados na face. No entanto, a solubilidade dos átomos intersticiais é limitada.
Quanto maior a diferença nos números de elétrons de valência entre os átomos de soluto e de base, mais forte será o efeito de fortalecimento. A resistência ao escoamento aumenta com a concentração de elétrons.
O grau de fortalecimento depende:
Diferença de tamanho entre átomos de soluto e base: Maior incompatibilidade de tamanho aumenta a resistência ao deslocamento.
Quantidade de elementos de liga: Mais liga=efeito mais forte, mas quantidades excessivas podem exceder o limite de solubilidade e exigir outros métodos de fortalecimento, como o reforço de segunda fase.
Os átomos intersticiais se fortalecem mais do que os átomos substitucionais.
A diferença de elétrons de valência entre o soluto e o metal da matriz aumenta o fortalecimento.
Efeitos
A resistência ao escoamento, a resistência à tração e a dureza excedem as dos metais puros.
Geralmente menor ductilidade em comparação com metais puros.
Menor condutividade elétrica do que metais puros.
Maior resistência à fluência e resistência a altas-temperaturas.
02. Endurecimento por Trabalho (Endurecimento por Deformação)
Definição
À medida que a deformação a frio aumenta, a resistência e a dureza de um metal aumentam, enquanto a plasticidade e a tenacidade diminuem.
Visão geral
Quando os metais são deformados plasticamente abaixo da temperatura de recristalização, eles se tornam mais fortes e mais duros, mas menos dúcteis e tenazes. Também conhecido como endurecimento por trabalho a frio. Durante a deformação plástica, as luxações emaranham-se, os grãos alongam-se, quebram-se e tornam-se fibrosos. O estresse residual é introduzido. O grau de endurecimento é geralmente medido pela relação entre a microdureza superficial antes e depois da deformação e a profundidade da camada endurecida.
Explicação da teoria das luxações
As luxações se cruzam e formam degraus-como obstáculos ao movimento.
As luxações reagem para formar luxações imóveis que dificultam o movimento.
A multiplicação dos deslocamentos aumenta a densidade, dificultando ainda mais o movimento.
Desvantagens
O endurecimento por trabalho complica o processamento posterior. Por exemplo, o aço-laminado a frio torna-se cada vez mais duro e impraticável, exigindo recozimento intermediário para amolecer. Na usinagem, o endurecimento superficial aumenta a força de corte e o desgaste da ferramenta.
Benefícios
Melhora a resistência, a dureza e a resistência ao desgaste do metal, especialmente para metais puros e ligas que não podem ser reforçadas por tratamento térmico (por exemplo, fios-de alta resistência-trefilados a frio, molas-laminadas a frio, trilhos de tanques, mandíbulas britadeiras, interruptores ferroviários).
Aplicações em Engenharia Mecânica
A trefilação a frio, a laminação e o shot peening aumentam muito a resistência superficial de materiais e componentes.
A deformação plástica localizada sob tensão pode ser limitada devido ao endurecimento, melhorando a segurança dos componentes.
Na estampagem, as áreas endurecidas direcionam a deformação para regiões mais macias, permitindo deformação uniforme entre as seções.
Melhora a usinabilidade de aços com baixo-carbono, facilitando a separação dos cavacos. No entanto, aumenta o consumo de energia no processamento posterior e o desgaste da ferramenta na usinagem.
03. Fortalecimento de Refinamento de Grãos
Definição
O fortalecimento do refinamento do grão melhora as propriedades mecânicas, reduzindo o tamanho do grão.
Princípio
Os metais são policristalinos. Grãos menores (ou seja, mais grãos por unidade de volume) resultam em maior resistência, dureza, plasticidade e tenacidade. Os grãos mais finos distribuem a deformação de maneira mais uniforme, reduzem a concentração de tensões e dificultam a propagação de fissuras. Assim, o refinamento dos grãos aumenta a resistência.
Efeitos
Grãos mais finos reduzem a tensão-de acumulação de deslocamentos, aumentando a resistência.
De acordo com a relação Hall-Petch, tamanho de grão menor ddd leva a maior limite de escoamento.
Métodos para refinar grãos
Aumente o sub-resfriamento.
Tratamento de inoculação.
Vibração e agitação durante a solidificação.
Em metais-deformados a frio: controle o grau de deformação e a temperatura de recozimento.
04. Segunda Fase de Fortalecimento
Definição
Nas ligas multifásicas, além da fase matriz, existe uma segunda fase. Quando partículas de segunda{1}}fase finamente dispersas são distribuídas uniformemente na matriz, elas fortalecem significativamente a liga. Isso é conhecido como fortalecimento da segunda-fase.
Tipos
Do ponto de vista do movimento de discordância, as partículas de segunda{0}}fase são classificadas em:
Partículas não{0}}deformáveis: fortalecimento via mecanismo de bypass (mecanismo Orowan).
Partículas deformáveis: fortalecimento através de mecanismo de corte.
O fortalecimento dispersóide e o endurecimento por precipitação são formas específicas de fortalecimento da segunda{0}}fase.
Efeitos
Partículas de segunda{0}}fase interagem com discordâncias, impedindo seu movimento e aumentando a resistência da liga à deformação.
Outros fatores que afetam a força
A composição, microestrutura e estado da superfície da liga.
Condição de carregamento: taxa, modo (tração vs. cíclico).
Geometria da amostra e ambiente de teste (por exemplo, a fragilização por hidrogênio pode reduzir drasticamente a resistência).
Resumo de Fortalecimento de Abordagens
Dois caminhos principais para fortalecer os metais:
Aumente a força de ligação atômica e crie cristais-livres de defeitos (por exemplo, bigodes).
Introduzir defeitos (luxações, átomos de soluto, limites de grãos, etc.) para impedir o movimento das discordâncias - comprovadamente o método mais eficaz.
Os materiais de engenharia normalmente dependem de uma combinação de mecanismos de reforço para alcançar um desempenho ideal.
