Fortalecimento por solução sólida

1. Definição

Fenômeno no qual elementos de liga são dissolvidos no metal base, causando um certo grau de distorção da estrutura cristalina e, assim, aumentando a resistência da liga.

2. Princípio

Os átomos do soluto dissolvidos na solução sólida causam distorção da rede cristalina, o que aumenta a resistência ao movimento das discordâncias, dificulta o deslizamento e aumenta a resistência e a dureza da liga em solução sólida. Esse fenômeno de fortalecimento do metal pela dissolução de um determinado elemento soluto para formar uma solução sólida é chamado de fortalecimento por solução sólida. Quando a concentração de átomos do soluto é adequada, a resistência e a dureza do material podem ser aumentadas, mas sua tenacidade e plasticidade diminuem.

3. Fatores de influência

Quanto maior a fração atômica dos átomos do soluto, maior o efeito de fortalecimento, especialmente quando a fração atômica é muito baixa, sendo o efeito de fortalecimento ainda mais significativo.

Quanto maior a diferença entre os átomos do soluto e o tamanho atômico do metal base, maior o efeito de reforço.

Os átomos de soluto intersticiais têm um efeito de fortalecimento da solução sólida maior do que os átomos de substituição e, como a distorção da rede dos átomos intersticiais em cristais cúbicos de corpo centrado é assimétrica, seu efeito de fortalecimento é maior do que o dos cristais cúbicos de faces centradas; porém, a solubilidade sólida dos átomos intersticiais é muito limitada, portanto o efeito de fortalecimento real também é limitado.

Quanto maior a diferença no número de elétrons de valência entre os átomos do soluto e o metal base, mais evidente será o efeito de fortalecimento da solução sólida, ou seja, a resistência ao escoamento da solução sólida aumenta com o aumento da concentração de elétrons de valência.

4. O grau de fortalecimento por solução sólida depende principalmente dos seguintes fatores.

A diferença de tamanho entre os átomos da matriz e os átomos do soluto. Quanto maior a diferença de tamanho, maior a interferência na estrutura cristalina original e mais difícil o deslizamento de discordâncias.

A quantidade de elementos de liga. Quanto mais elementos de liga forem adicionados, maior será o efeito de reforço. Se muitos átomos forem muito grandes ou muito pequenos, a solubilidade será excedida. Isso envolve outro mecanismo de reforço, o reforço por fase dispersa.

Os átomos de soluto intersticiais têm um efeito de fortalecimento da solução sólida maior do que os átomos de substituição.

Quanto maior a diferença no número de elétrons de valência entre os átomos do soluto e o metal base, mais significativo será o efeito de fortalecimento da solução sólida.

5. Efeito

A resistência ao escoamento, a resistência à tração e a dureza são maiores do que as dos metais puros;

Na maioria dos casos, a ductilidade é menor do que a do metal puro;

A condutividade é muito menor do que a do metal puro;

A resistência à fluência, ou perda de resistência em altas temperaturas, pode ser melhorada pelo fortalecimento por solução sólida.

Endurecimento por trabalho

1. Definição

Com o aumento do grau de deformação a frio, a resistência e a dureza dos materiais metálicos aumentam, mas a plasticidade e a tenacidade diminuem.

2. Introdução

Um fenômeno no qual a resistência e a dureza de materiais metálicos aumentam quando deformados plasticamente abaixo da temperatura de recristalização, enquanto a plasticidade e a tenacidade diminuem. Também conhecido como endurecimento por deformação a frio. A razão é que, quando o metal é deformado plasticamente, os grãos cristalinos deslizam e as discordâncias se entrelaçam, o que faz com que os grãos cristalinos se alonguem, quebrem e se fibrosizem, gerando tensões residuais no metal. O grau de endurecimento por deformação é geralmente expresso pela razão entre a microdureza da camada superficial após o processamento e a microdureza antes do processamento, e pela profundidade da camada endurecida.

3. Interpretação sob a perspectiva da teoria da deslocação

(1) A intersecção ocorre entre deslocamentos, e os cortes resultantes dificultam o movimento dos deslocamentos;

(2) Ocorre uma reação entre deslocamentos, e o deslocamento fixo formado impede o movimento do deslocamento;

(3) A proliferação de deslocamentos ocorre e o aumento na densidade de deslocamentos aumenta ainda mais a resistência ao movimento de deslocamentos.

4. Dano

O encruamento dificulta o processamento posterior de peças metálicas. Por exemplo, no processo de laminação a frio de uma chapa de aço, ela se torna cada vez mais difícil de laminar, sendo necessário realizar recozimentos intermediários durante o processo para eliminar o encruamento por aquecimento. Outro exemplo é o endurecimento superficial da peça durante o processo de corte, que acelera o desgaste da ferramenta e aumenta a força de corte.

5. Benefícios

Pode melhorar a resistência, a dureza e a resistência ao desgaste dos metais, especialmente daqueles metais puros e certas ligas que não podem ser melhoradas por tratamento térmico. Por exemplo, fios de aço de alta resistência trefilados a frio e molas helicoidais a frio, etc., utilizam a deformação por trabalho a frio para melhorar sua resistência e limite elástico. Outro exemplo é o uso do endurecimento por trabalho a frio para melhorar a dureza e a resistência ao desgaste de tanques, esteiras de tratores, mandíbulas de britadores e aparelhos de mudança de via ferroviários.

6. Papel na engenharia mecânica

Após processos como trefilação a frio, laminação e jateamento (ver reforço superficial), entre outros, a resistência superficial de materiais, peças e componentes metálicos pode ser significativamente melhorada;

Após as peças serem submetidas a tensão, a tensão localizada em certas partes frequentemente excede o limite de elasticidade do material, causando deformação plástica. Devido ao encruamento, o desenvolvimento contínuo da deformação plástica é restringido, o que pode melhorar a segurança das peças e componentes;

Quando uma peça ou componente metálico é estampado, sua deformação plástica é acompanhada por endurecimento, de modo que a deformação é transferida para a parte endurecida não trabalhada ao seu redor. Após essas ações alternadas repetidas, podem-se obter peças estampadas a frio com deformação transversal uniforme;

Pode melhorar o desempenho de corte do aço de baixo carbono e facilitar a separação dos cavacos. No entanto, o encruamento também traz dificuldades para o processamento posterior das peças metálicas. Por exemplo, o fio de aço trefilado a frio consome muita energia para trefilação adicional devido ao encruamento, podendo até mesmo romper. Portanto, ele deve ser recozido para eliminar o encruamento antes da trefilação. Outro exemplo é que, para tornar a superfície da peça quebradiça e dura durante o corte, a força de corte é aumentada durante o recorte, o que acelera o desgaste da ferramenta.

Reforço de grãos finos

1. Definição

O método de melhorar as propriedades mecânicas de materiais metálicos através do refinamento dos grãos cristalinos é chamado de reforço por refinamento cristalino. Na indústria, a resistência do material é aprimorada pelo refinamento dos grãos cristalinos.

2. Princípio

Os metais são geralmente policristais compostos por muitos grãos cristalinos. O tamanho dos grãos cristalinos pode ser expresso pelo número de grãos por unidade de volume. Quanto maior o número, mais finos são os grãos cristalinos. Experimentos mostram que metais de grãos finos à temperatura ambiente apresentam maior resistência, dureza, plasticidade e tenacidade do que metais de grãos grossos. Isso ocorre porque os grãos finos sofrem deformação plástica sob força externa e podem se dispersar em um número maior de grãos, a deformação plástica é mais uniforme e a concentração de tensão é menor; além disso, quanto mais finos os grãos, maior a área de contorno de grão e mais tortuosos os contornos de grão. Isso torna a propagação de trincas menos favorável. Portanto, o método de melhorar a resistência do material refinando os grãos cristalinos é chamado de reforço por refinamento de grãos na indústria.

3. Efeito

Quanto menor o tamanho do grão, menor o número de deslocamentos (n) no aglomerado de deslocamentos. De acordo com τ=nτ0, quanto menor a concentração de tensão, maior a resistência do material;

A lei de reforço do grão fino é que quanto mais contornos de grão, mais finos os grãos. De acordo com a relação de Hall-Peiqi, quanto menor o valor médio (d) dos grãos, maior a resistência ao escoamento do material.

4. O método de refinamento de grãos

Aumentar o grau de subresfriamento;

Tratamento da deterioração;

Vibração e agitação;

Em metais deformados a frio, os grãos cristalinos podem ser refinados controlando-se o grau de deformação e a temperatura de recozimento.

Reforço da segunda fase

1. Definição

Em comparação com ligas monofásicas, as ligas multifásicas possuem uma segunda fase além da fase matriz. Quando a segunda fase está uniformemente distribuída na fase matriz com partículas finamente dispersas, ela apresenta um significativo efeito de reforço. Esse efeito de reforço é denominado reforço por segunda fase.

2. Classificação

Para o movimento de deslocamentos, a segunda fase contida na liga apresenta as seguintes duas situações:

(1) Reforço de partículas não deformáveis ​​(mecanismo de desvio).

(2) Reforço de partículas deformáveis ​​(mecanismo de corte).

Tanto o reforço por dispersão quanto o reforço por precipitação são casos especiais de reforço de segunda fase.

3. Efeito

A principal razão para o fortalecimento da segunda fase é a interação entre ela e a discordância, que dificulta o movimento da discordância e melhora a resistência à deformação da liga.

Resumindo

Os fatores mais importantes que afetam a resistência são a composição, a estrutura e o estado da superfície do próprio material; em segundo lugar, está o tipo de força aplicada, como a velocidade de aplicação, o método de carregamento (tratamento simples ou força repetida), que resultarão em diferentes resistências; além disso, a geometria e o tamanho da amostra, bem como o meio de teste, também exercem grande influência, sendo, por vezes, decisivos. Por exemplo, a resistência à tração de um aço de ultra-alta resistência em atmosfera de hidrogênio pode diminuir exponencialmente.

Existem apenas duas maneiras de fortalecer materiais metálicos. Uma delas é aumentar a força de ligação interatômica da liga, elevando sua resistência teórica e preparando um cristal perfeito, sem defeitos, como fibras. Sabe-se que a resistência das fibras de ferro se aproxima do valor teórico. Isso pode ser atribuído à ausência de discordâncias nas fibras, ou à presença de uma pequena quantidade delas que não consegue se proliferar durante o processo de deformação. Infelizmente, quando o diâmetro da fibra aumenta, a resistência cai drasticamente. Outra abordagem de fortalecimento consiste em introduzir um grande número de defeitos cristalinos, como discordâncias, defeitos pontuais, átomos heterogêneos, contornos de grão, partículas altamente dispersas ou inhomogeneidades (como segregação), etc. Esses defeitos dificultam o movimento das discordâncias e também melhoram significativamente a resistência do metal. Os fatos comprovam que essa é a maneira mais eficaz de aumentar a resistência dos metais. Para materiais de engenharia, geralmente se busca um melhor desempenho geral por meio de efeitos de fortalecimento abrangentes.