E se você pudesse liberar a resistência oculta dos metais com apenas algumas técnicas engenhosas? Este artigo se aprofunda em quatro processos comprovados - fortalecimento de solução sólida, endurecimento por trabalho, fortalecimento de grão fino e fortalecimento 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 entender como esses processos podem beneficiar seu próximo projeto de engenharia.
O fenômeno da solução sólida de elementos de liga no metal da matriz, que causa 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 deslocamento e dificulta o deslizamento. Como resultado, a resistência e a dureza da solução sólida da liga são aumentadas. Esse fenômeno de fortalecimento do metal por meio da formação de uma solução sólida pela dissolução de um elemento soluto específico é conhecido como fortalecimento da solução sólida.
Quando a concentração do átomo de soluto é ideal, a resistência e dureza pode ser melhorado, mas sua resistência e plasticidade diminuem.
Quanto maior a concentração de átomos de soluto, mais pronunciado é o efeito de fortalecimento, especialmente em baixas concentrações, onde o efeito é mais significativo.
Quanto maior for a diferença de tamanho atômico entre o átomo do soluto e o metal da matriz, mais forte será o efeito de fortalecimento.
Os átomos de soluto intersticiais têm um efeito de fortalecimento da solução sólida mais forte do que os átomos de substituição. Além disso, a distorção da estrutura causada por átomos intersticiais em cristais cúbicos centrados no corpo é assimétrica, resultando em um efeito de fortalecimento mais forte do que em cristais cúbicos centrados na face. Entretanto, a solubilidade sólida dos átomos intersticiais é muito limitada, de modo que o efeito de fortalecimento real também é limitado.
Quanto maior for a diferença no número de elétrons de valência entre o átomo de soluto e o metal da matriz, mais pronunciado será o efeito de fortalecimento da solução sólida. Em outras palavras, o resistência ao escoamento da solução sólida aumenta à medida que a concentração de elétrons de valência aumenta.
O grau de fortalecimento da solução sólida depende principalmente dos seguintes fatores:
(1) A diferença de tamanho entre os átomos da matriz e os átomos do soluto:
Quanto maior a diferença de tamanho, mais a estrutura cristalina original é perturbada e mais difícil se torna o deslizamento dos deslocamentos.
(2) O valor de elementos de liga:
Quanto maior for a quantidade de elementos de liga adicionados, maior será o efeito de fortalecimento.
Se forem adicionados átomos muito grandes ou muito pequenos, a solubilidade será excedida. Isso resulta em outro mecanismo de fortalecimento conhecido como fortalecimento da fase de dispersão.
(3) O efeito de fortalecimento da solução sólida dos átomos de soluto intersticial é maior do que o dos átomos de substituição.
(4) Quanto maior for a diferença no número de elétrons de valência entre o átomo de soluto e o metal da matriz, mais pronunciado será o efeito de fortalecimento da solução sólida.
A resistência ao escoamento, a resistência à tração e a dureza são maiores em comparação com as do metal puro.
Na maioria dos casos, a ductilidade é menor em comparação com a do metal puro.
A condutividade elétrica é significativamente menor em comparação com a do metal puro.
O fortalecimento da solução sólida pode melhorar a resistência à fluência, ou a perda de resistência em 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 fenômeno do aumento da força e dureza do metal A resistência ao trabalho a frio dos materiais, acompanhada por uma diminuição da plasticidade e da tenacidade durante a deformação plástica abaixo da temperatura de recristalização, é conhecida como endurecimento por trabalho a frio.
O motivo disso é que, durante a deformação plástica do metal, ocorre o escorregamento do grão e os deslocamentos ficam emaranhados, fazendo com que o grão se alongue, quebre e fibrose, resultando em tensão residual dentro do metal.
O grau de endurecimento por trabalho é comumente expresso como a razão entre a microdureza da camada superficial após o processamento e aquela antes do processamento, e a profundidade da camada endurecida.
Da perspectiva da teoria do deslocamento:
(1) A interseção de deslocamentos impede seu movimento por meio da formação de deslocamentos de corte;
(2) A reação entre os deslocamentos cria deslocamentos fixos que impedem ainda mais seu movimento;
(3) A proliferação de deslocamentos leva a um aumento na densidade de deslocamentos, aumentando ainda mais a resistência ao movimento de deslocamentos.
O endurecimento por trabalho torna desafiador o processamento posterior de peças metálicas.
Por exemplo, durante a laminação a frio, o chapa de aço se tornará cada vez mais difícil até o ponto em que não poderá mais ser enrolado. Portanto, é necessário incluir um recozimento no processo de processamento para eliminar o endurecimento por aquecimento.
Por exemplo, no processo de corte, a superfície da peça de trabalho se torna frágil e dura, causando desgaste acelerado da ferramenta, aumento da força de corte e assim por diante.
O endurecimento por trabalho pode melhorar a força, a dureza e a resistência ao desgaste dos metais, especialmente para os metais puros e algumas ligas que não podem ser reforçadas por meio de tratamento térmico.
Os exemplos incluem fios de aço de alta resistência trefilados a frio e molas enroladas a frio, que usam a deformação por trabalho a frio para aumentar sua resistência e limite elástico.
Por exemplo, a esteira de tanques e tratores, a placa de mandíbula de trituradores e o desvio de trilhos de trem também usam o endurecimento por trabalho para melhorar sua dureza e resistência ao desgaste.
A resistência da superfície de materiais, peças e componentes metálicos pode ser significativamente melhorada por meio de trefilação a frio, laminação e injeção descascamento (conforme descrito no fortalecimento da superfície).
Quando as peças são submetidas a tensões, a tensão local em algumas áreas pode frequentemente exceder o limite de escoamento do material, levando à deformação plástica. Entretanto, o endurecimento por trabalho restringe o desenvolvimento contínuo da deformação plástica, melhorando, assim, a segurança das peças e dos componentes.
Quando uma peça ou um componente de metal é estampado, a deformação plástica é acompanhada pelo fortalecimento, resultando na transferência da deformação para a peça não trabalhada e endurecida ao redor.
Por meio de ações alternadas repetidas, é possível obter peças estampadas a frio com deformação uniforme da seção transversal, e o desempenho de corte do aço de baixo carbono pode ser aprimorado, facilitando a separação dos cavacos.
No entanto, o endurecimento por trabalho também torna desafiador o processamento posterior de peças metálicas. Por exemplo, o fio de aço trefilado a frio torna-se difícil de ser trefilado devido ao endurecimento por trabalho, exigindo uma quantidade significativa de energia, e pode até quebrar. Como resultado, ele precisa ser recozido para eliminar o endurecimento por trabalho antes de ser trefilado novamente.
Da mesma forma, no processo de corte, tornar a superfície da peça frágil e dura por meio do endurecimento por trabalho aumenta a força de corte e acelera o desgaste da ferramenta durante o recorte.
O método de aprimoramento das propriedades mecânicas de materiais metálicos através do refinamento de grãos é conhecido como fortalecimento de grãos finos.
No setor, o refino de grãos é utilizado para melhorar a resistência dos materiais.
Os metais geralmente são compostos de muitos grãos e são chamados de policristais. O tamanho dos grãos pode ser expresso em termos do número de grãos por unidade de volume, sendo que um número maior indica grãos mais finos.
Os experimentos mostram que os metais de granulação fina têm maior resistência, dureza, plasticidade e tenacidade em comparação com os metais de granulação grossa à temperatura ambiente. Isso ocorre porque a deformação plástica causada por forças externas em grãos finos pode ser dispersa em mais grãos, levando a uma deformação plástica mais uniforme e à redução da concentração de tensão.
Além disso, quanto mais fino for o grão, maior será a área de contorno do grão e mais tortuoso será o contorno do grão, dificultando a propagação de trincas.
Portanto, o método de aumentar a resistência do material por meio do refinamento dos grãos é chamado de fortalecimento de grãos finos no setor.
Quanto mais fino o grão, menor o número de deslocamentos (n) presentes no grupo de deslocamentos, resultando em menor concentração de tensão e maior resistência do material.
A lei de fortalecimento de grãos finos afirma que quanto mais limites de grãos 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 a resistência do material.
Os métodos para refinar os grãos de metais deformados a frio incluem:
O tamanho do grão pode ser controlado com o ajuste do grau de deformação e da temperatura de recozimento.
Em comparação com as ligas monofásicas, as ligas multifásicas contêm uma segunda fase além da fase matriz.
Quando a segunda fase é uniformemente dispersa como partículas finas dentro da fase da matriz, ela resulta em um efeito de fortalecimento significativo, denominado fortalecimento da segunda fase.
A segunda fase contida na liga tem os dois efeitos a seguir sobre o movimento dos deslocamentos:
(1) Efeito de reforço de partículas não deformáveis (mecanismo de desvio).
(2) Efeito de reforço das partículas deformáveis (mecanismo de corte).
Tanto o reforço por dispersão quanto o reforço por precipitação são casos especiais de reforço de segunda fase.
O fortalecimento da segunda fase se deve principalmente à interação entre a segunda fase e os deslocamentos, o que impede o movimento dos deslocamentos e aumenta a resistência da liga à deformação.
A resistência dos materiais metálicos é afetada principalmente por 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 em uma atmosfera de hidrogênio.
A forma geométrica e o tamanho da amostra e o meio de teste também têm um impacto significativo e, às vezes, podem ser decisivos.
Há apenas duas maneiras de fortalecer materiais metálicos:
Nos materiais de engenharia, a resistência geralmente é aprimorada por meio de um efeito de reforço abrangente para obter melhores propriedades gerais.
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
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