E se pudesse desbloquear a força oculta nos metais com apenas algumas técnicas engenhosas? Este artigo investiga quatro processos comprovados - reforço de solução sólida, endurecimento por trabalho, reforço de grão fino e reforço de segunda fase - que aumentam significativamente a durabilidade e o desempenho do metal. Descubra como esses métodos transformam metais comuns em materiais robustos e de alto desempenho e conheça a ciência por trás de suas aplicações. Mergulhe de cabeça para compreender como estes processos podem beneficiar o seu próximo projeto de engenharia.
O fenómeno da solução sólida de elementos de liga no metal matriz, que provoca um certo grau de distorção da rede, melhora a resistência da liga.
Os átomos do soluto que são dissolvidos na solução sólida causam distorção da rede, o que aumenta a resistência ao movimento de deslocação e torna o deslizamento mais difícil. Como resultado, a resistência e a dureza da solução sólida da liga são aumentadas. Este fenómeno de reforço do metal através da formação de uma solução sólida pela dissolução de um elemento soluto específico é conhecido como reforço da solução sólida.
Quando a concentração do átomo de soluto é óptima, a resistência e dureza pode ser melhorado, mas a sua tenacidade e plasticidade diminuem.
Quanto maior a concentração de átomos de soluto, mais pronunciado é o efeito de reforço, particularmente em baixas concentrações, onde o efeito é mais significativo.
Quanto maior for a diferença de tamanho atómico entre o átomo do soluto e o metal da matriz, mais forte será o efeito de reforço.
Os átomos de soluto intersticiais têm um efeito de reforço da solução sólida mais forte do que os átomos de substituição. Além disso, a distorção da rede causada pelos átomos intersticiais em cristais cúbicos de corpo centrado é assimétrica, resultando num efeito de reforço mais forte do que nos cristais cúbicos de face centrada. No entanto, a solubilidade sólida dos átomos intersticiais é muito limitada, pelo que o efeito de reforço efetivo também é limitado.
Quanto maior for a diferença no número de electrões de valência entre o átomo de soluto e o metal da matriz, mais pronunciado se torna o efeito de reforço da solução sólida. Por outras palavras, o limite de elasticidade da solução sólida aumenta à medida que a concentração de electrões de valência aumenta.
O grau de reforço da solução sólida depende principalmente dos seguintes factores
(1) A diferença de tamanho entre os átomos da matriz e os átomos do soluto:
Quanto maior for a diferença de tamanho, mais a estrutura cristalina original é perturbada e mais difícil se torna o deslizamento das deslocações.
(2) O montante de elementos de liga:
Quanto maior for a quantidade de elementos de liga adicionados, maior será o efeito de reforço.
Se forem adicionados demasiados átomos, demasiado grandes ou demasiado pequenos, a solubilidade será excedida. Isto resulta num outro mecanismo de reforço conhecido como reforço da fase de dispersão.
(3) O efeito de reforço da solução sólida dos átomos de soluto intersticiais é maior do que o dos átomos de substituição.
(4) Quanto maior for a diferença no número de electrões de valência entre o átomo de soluto e o metal da matriz, mais pronunciado se torna o efeito de reforço da solução sólida.
O limite de elasticidade, a resistência à tração e a dureza são mais fortes em comparação com os do metal puro.
Na maioria dos casos, a ductilidade é inferior à do metal puro.
A condutividade eléctrica é significativamente menor em comparação com a do metal puro.
O reforço de soluções sólidas pode melhorar a resistência à fluência, ou a perda de resistência a altas temperaturas.
Com o aumento da deformação a frio, a resistência e a dureza dos materiais metálicos aumentam, mas a plasticidade e a tenacidade diminuem.
O fenómeno de aumento da força e dureza do metal A endurecimento por trabalho a frio é o termo utilizado para designar o endurecimento por trabalho a frio dos materiais, acompanhado por uma diminuição da plasticidade e da tenacidade durante a deformação plástica abaixo da temperatura de recristalização.
A razão para isso é que, durante a deformação plástica do metal, ocorre o escorregamento do grão e as deslocações ficam emaranhadas, fazendo com que o grão se alonga, parta e fibrose, resultando em tensão residual dentro do metal.
O grau de endurecimento por trabalho é geralmente expresso como a relação entre a microdureza da camada superficial após o processamento e a camada antes do processamento, e a profundidade da camada endurecida.
Na perspetiva da teoria da deslocação:
(1) A intersecção de deslocações impede o seu movimento através da formação de deslocações de corte;
(2) A reação entre as deslocações cria deslocações fixas que impedem ainda mais o seu movimento;
(3) A proliferação de deslocações leva a um aumento da densidade de deslocações, aumentando ainda mais a resistência ao movimento de deslocações.
O endurecimento por trabalho torna difícil o processamento posterior de peças metálicas.
Por exemplo, durante a laminagem a frio, o chapa de aço tornar-se-á cada vez mais duro até ao ponto em que já não pode ser enrolado. Por conseguinte, é necessário incluir medidas intermédias recozimento no processo de transformação para eliminar o endurecimento por aquecimento.
Por exemplo, no processo de corte, a superfície da peça de trabalho torna-se frágil e dura, provocando um desgaste acelerado da ferramenta, um aumento da força de corte, etc.
O endurecimento por trabalho pode melhorar a força, a dureza e a resistência ao desgaste dos metais, particularmente para os metais puros e algumas ligas que não podem ser reforçadas através de tratamento térmico.
Os exemplos incluem o fio de aço de alta resistência estirado a frio e as molas enroladas a frio, que utilizam a deformação por trabalho a frio para aumentar a sua resistência e limite elástico.
Por exemplo, as lagartas dos tanques e dos tractores, a placa de mandíbulas dos trituradores e a placa de mudança de via das vias férreas também utilizam o endurecimento por trabalho para melhorar a sua dureza e resistência ao desgaste.
A resistência da superfície de materiais, peças e componentes metálicos pode ser significativamente melhorada através de trefilagem a frio, laminagem e injeção descasque (como descrito no reforço da superfície).
Quando as peças são sujeitas a tensão, a tensão local em algumas áreas pode frequentemente exceder o limite de elasticidade do material, levando à deformação plástica. No entanto, o endurecimento por trabalho restringe o desenvolvimento contínuo da deformação plástica, melhorando assim a segurança das peças e componentes.
Quando uma peça ou componente metálico é estampado, a deformação plástica é acompanhada por um reforço, resultando na transferência da deformação para a parte envolvente não trabalhada e endurecida.
Através de acções alternadas repetidas, podem ser obtidas peças estampadas a frio com deformação uniforme da secção transversal e o desempenho de corte do aço de baixo carbono pode ser melhorado, facilitando a separação das aparas.
No entanto, o endurecimento por trabalho também torna difícil o processamento posterior de peças metálicas. Por exemplo, o fio de aço trefilado a frio torna-se difícil de trefilar devido ao endurecimento por trabalho, exigindo uma quantidade significativa de energia, e pode mesmo partir-se. Consequentemente, tem de ser recozido para eliminar o endurecimento por trabalho antes de ser estirado.
Da mesma forma, no processo de corte, tornar a superfície da peça de trabalho frágil e dura através do endurecimento por trabalho aumenta a força de corte e acelera o desgaste da ferramenta durante o re-corte.
O método para melhorar as propriedades mecânicas de materiais metálicos através do refinamento do grão é conhecido como reforço de grão fino.
Na indústria, a refinação de grãos é utilizada para melhorar a resistência dos materiais.
Os metais são normalmente compostos por muitos grãos e são designados por policristais. A dimensão dos grãos pode ser expressa em termos do número de grãos por unidade de volume, sendo que um maior número indica grãos mais finos.
As experiências mostram que os metais de grão fino têm maior resistência, dureza, plasticidade e tenacidade em comparação com os metais de grão grosso à temperatura ambiente. Isto deve-se ao facto de a deformação plástica causada por forças externas em grãos finos poder ser dispersa por mais grãos, levando a uma deformação plástica mais uniforme e a uma menor concentração de tensões.
Além disso, quanto mais fino for o grão, maior será a área do contorno de grão e mais tortuoso será o contorno de grão, dificultando a propagação de fissuras.
Por conseguinte, o método de aumentar a resistência do material através do refinamento do grão é referido como reforço de grão fino na indústria.
Quanto mais fino for o grão, menor será o número de deslocações (n) presentes no aglomerado de deslocações, resultando numa menor concentração de tensões e num aumento da resistência do material.
A lei de reforço do grão fino estabelece que quanto mais fronteiras de grão estiverem presentes, mais finos serão os grãos.
De acordo com a relação Hall-Petch, quanto menor for o tamanho médio do grão (d), maior será o limite de elasticidade do material.
Os métodos de afinação dos grãos dos metais deformados a frio incluem:
O tamanho do grão pode ser controlado através do ajuste do grau de deformação e da temperatura de recozimento.
Em comparação com as ligas monofásicas, as ligas multifásicas contêm uma segunda fase para além da fase matriz.
Quando a segunda fase está uniformemente dispersa como partículas finas dentro da fase matriz, resulta num efeito de reforço significativo, referido como reforço da segunda fase.
A segunda fase contida na liga tem os dois efeitos seguintes no movimento das deslocações:
(1) Efeito de reforço das partículas não deformáveis (mecanismo de bypass).
(2) Efeito de reforço das partículas deformáveis (mecanismo de corte).
Tanto o reforço por dispersão como o reforço por precipitação são casos especiais de reforço de segunda fase.
O reforço da segunda fase deve-se principalmente à interação entre a segunda fase e as deslocações, o que impede o movimento das deslocações e aumenta a resistência da liga à deformação.
A resistência dos materiais metálicos é principalmente afetada pela sua composição, microestrutura e estado da superfície.
O segundo fator é o estado de tensão, como a taxa de força aplicada e o modo de carregamento, que pode resultar em diferentes resistências, por exemplo, a resistência à tração do aço de ultra-alta resistência pode diminuir quando testado numa atmosfera de hidrogénio.
A forma geométrica e o tamanho da amostra e do meio de ensaio também têm um impacto significativo e podem, por vezes, ser decisivos.
Existem apenas duas formas de reforçar os materiais metálicos:
Nos materiais de engenharia, a resistência é geralmente melhorada através de um efeito de reforço abrangente para obter melhores propriedades globais.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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