Microestrutura de materiais deformados

Neste item serão discutidos os principais fatores que afetam a microestrutura do metal deformado, tais como energia de defeito de empilhamento, átomos de soluto em solução sólida, tamanho de grão inicial, temperatura e velocidade de deformação.

a) Energia de defeito de empilhamento

A maneira como as discordâncias se distribuem em uma liga ou metal deformado depende da energia de defeito de empilhamento (EDE). Em metais em que essa energia é baixa as discordâncias têm baixa mobilidade devido ao fato de as parciais estarem muito afastadas entre si. Isso implica em dificuldade para a realização de fenômenos de escorregamento como desvio (“cross-slip”) e escalada (“climb”) de discordâncias. Assim, por terem baixa mobilidade, as discordâncias geradas tenderão a ter uma distribuição plana (homogênea) na microestrutura, como mostrado na Figura 3.3.

Figura 3.3. Esquema do arranjo plano de discordâncias homogeneamente distribuídas em grão encruado.

Por outro lado, metais com alta EDE apresentam discordâncias dissociadas em parciais próximas umas das outras, facilitando o escorregamento com desvio e escalada. Isso implica em discordâncias com

alta mobilidade, que tendem a se localizar em planos cristalinos de baixos índices de Miller, assim como aniquilar-se com discordâncias vizinhas de sinal oposto. Devido a esses fatores, metais com alta EDE tendem a apresentar uma distribuição heterogênea de discordâncias como mostrado na Figura 3.4, que mostra esquematicamente um grão com células de deformação (ou células de discordâncias) no seu interior.

Figura 3.4. Esquema do arranjo em células de discordâncias heterogeneamente distribuídas em grão encruado.

Para um dado grau de deformação, um metal de alta EDE apresenta menor densidade de discordâncias móveis que um metal em que essa energia é baixa. A explicação para isto é que, como já mencionado, em metais de alta EDE, as discordâncias têm maior mobilidade e a ocorrência de aniquilação e rearranjo de discordâncias são mais freqüentes. Fazendo-se um paralelo com a teoria cinética dos gases, pode-se afirmar que em metais de alta EDE, as discordâncias têm um livre caminho médio maior do que em metais de baixa EDE. Em outras palavras, elas migram distâncias maiores antes de se tornarem imóveis. Na Tabela 3.2 são apresentados os valores de EDE para alguns metais.

Tabela 3.2. Valores de EDE e estrutura cristalina de alguns metais [19].

Metal Estrutura Cristalina EDE (mJ/m2)

Ag CFC 16 Cu CFC 41 Al CFC 150 Ti HC 150 Mg HC 100-300 b) Átomos de soluto

A adição de átomos de soluto em um metal puro tende a alterar a EDE, influenciando assim a distribuição das discordâncias geradas pela deformação. A partir de investigações do comportamento de soluções sólidas primárias de ligas baseadas em Cu, Ag e Ni, a conclusão geral foi que a adição de soluto acarreta uma diminuição na EDE, o que influencia o tamanho das células de discordâncias [13]. Por exemplo, quando a matriz é Al, há grande alteração de EDE com a adição de Mg [20]. À medida que se adicionam átomos de soluto em um metal há um gradativo aumento na densidade de discordâncias e da energia armazenada na deformação, assim como a diminuição gradativa do tamanho médio da célula de deformação.

Naturalmente, átomos de soluto também atuam como barreiras ao movimento das discordâncias. Quando um defeito deste tipo se move ao longo de um plano de escorregamento e encontra um átomo de soluto, os campos de tensão (que para a discordância é de cisalhamento) se encontram e estabelece-se uma força de atração entre a região de tensão compressiva da discordância e o átomo de soluto. Se este estiver localizado abaixo do plano de escorregamento (região de tensão trativa) a força será de repulsão. Aparentemente, no presente trabalho o endurecimento por solução sólida não teria relevância, não fosse pelo fato de o Ti CP ser extremamente sensível à presença de impurezas advindas do processo Kroll, no qual o TiCl4 é reduzido

a Ti metálico pelo Mg [21]. Nesse processo, que deve ser realizado totalmente ao abrigo do ar, portanto sob gás inerte, há algumas oportunidades de contaminação, por Fe, C, e principalmente por O, N e H. É possível provar que

o endurecimento por solução sólida associado a defeitos tetragonais, como os causados por átomos intersticiais em estruturas CFC e HC, é dado por:

σ

= γ G C

onde γ é uma constante pouco menor que a unidade, C a concentração (at%) do átomo de soluto e G é o módulo de cisalhamento. Segundo Welsch e outros, não há diferenças essenciais entre o mecanismo de endurecimento por átomos intersticiais e átomos substitucionais [22], exceto que no segundo caso o aumento de resistência é muito menor [23].

A influência das impurezas no Ti é de tal modo acentuado, que o metal comercialmente puro é classificado em Graus (Grades, em inglês) de um a quatro. Para os quatro Graus existentes a Figura 3.5 mostra que a relação entre a raiz quadrada da concentração de átomos de soluto e o aumento de tensão de escoamento é linear, como preconiza a equação 3.6

200 400 600 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 (O+H+N+C (% p) )1/2 T e n s ã o d e e s c o a m e n to ( M P a ) Grau 1 Grau 2 Grau 3 Grau 4

Figura 3.5. Tensão de escoamento em função da raiz quadrada da soma das impurezas para os quatro Graus de Ti CP [24].

Além disso, da Figura 3.6, pode-se concluir que o Ti Grau 2 exibe um compromisso favorável entre resistência e ductilidade; isso explica por que esse grau de pureza é o mais utilizado pelos investigadores.

0 400 800

Grau 1 Grau 2 Grau 3 Grau 4

T e n s ã o ( M P a ) 0 20 40 (% ) su alongamento σu

Figura 3.6. Limite de resistência e alongamento para os quatro Graus de Ti CP [24].

c) Influência do tamanho de grão inicial

A partir de estudos com Fe possuindo diferentes tamanhos de grão inicial, e submetidas a um mesmo grau de deformação, Keh e Weissman [25] concluíram que as amostras deformadas exibiam diferentes densidades de discordâncias, maior para amostras com menor tamanho de grão inicial. A esse respeito, Conrad e Christ [26] chegaram a uma relação entre deformação (ε), tamanho de grão inicial (d) e densidade de discordâncias (ρ).

n

d

b

k

1

.

.

ε

ρ

=

módulo do vetor de Burgers. As diferenças entre a densidade de discordâncias em metais deformados tendo tamanhos de grão inicial diferentes são menores para altos graus de deformação do que para pequenos.

d) Temperatura e velocidade de deformação

A energia armazenada na deformação, a densidade e a distribuição das discordâncias são fatores que dependem fortemente da temperatura na qual o metal foi deformado. Temperaturas elevadas favorecem a mobilidade das discordâncias facilitando a aniquilação mútua e diminuindo a energia armazenada na deformação. Reduzindo a temperatura de deformação diminui a mobilidade das discordâncias e é favorecida a formação de células maiores e mais bem definidas.

O efeito de diferentes velocidades de deformação equivale microestruturalmente às mudanças na temperatura; um aumento da velocidade de deformação é equivalente a diminuir a temperatura de deformação [14]. No entanto, é importante ressaltar que as variações de temperatura são muito mais efetivas na modificação da subestrutura de discordâncias que variações na velocidade de deformação [13].