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O segredo do endurecimento por trabalho: como os ferreiros forjam resistência a partir de metal quente?
No mundo da metalurgia, a resistência é uma das propriedades mais valorizadas, além da aparência e da tecnologia de processamento. À medida que a tecnologia avança, os engenheiros descobriram maneiras de alterar o limite de escoamento, a ductilidade e a tenacidade dos materiais. Uma dessas técnicas é o "endurecimento por trabalho", que não só desempenha um papel importante nas antigas operações de ferraria, mas também desempenha um papel indispensável nas aplicações modernas de engenharia.
O processo de encruamento envolve a criação de um grande número de discordâncias quando o metal é submetido a estresse, o que por sua vez leva a um aumento na resistência do material.
O cerne do encruamento está na geração e no movimento de discordâncias. Deslocamento é um defeito de rede cujo movimento e crescimento podem causar deformação plástica do material. Portanto, qualquer meio de impedir o movimento de discordâncias pode ser usado para aumentar a resistência do material. Por exemplo, quando os ferreiros usam suas ferramentas para bater metal quente, eles aumentam significativamente a resistência do material ao aumentar continuamente a densidade de discordâncias. Nesse processo, o estresse aplicado não precisa ser muito alto, mas é suficiente para promover a geração e interação de discordâncias.
Mecanismos de fortalecimento em metais
Normalmente, há cinco mecanismos principais para fortalecer materiais metálicos. Cada método dificulta o movimento de discordâncias de maneiras diferentes, e esses mecanismos também podem afetar uns aos outros.
Encruamento por Trabalho
O encruamento ocorre por meio da aplicação de forças externas, que induzem interações de discordância e tornam o material mais difícil de deformar. Por exemplo, quando um metal é comprimido ou esticado, as discordâncias podem ficar emaranhadas porque elas se repelem ou se atraem, e essa interação não apenas aumenta a densidade das discordâncias, mas também as torna mais difíceis de mover.
Há uma correlação positiva entre a densidade de discordâncias e a resistência ao cisalhamento do material, o que significa que à medida que o número de discordâncias aumenta, a resistência ao cisalhamento também aumenta.
Reforço de solução sólida
Outro mecanismo é o reforço por solução sólida, que é o processo de adicionar outros elementos para criar diferentes defeitos estruturais, aumentando assim a resistência do material. Os átomos de soluto causam distorção da rede e aumentam o estresse de cisalhamento durante o movimento de discordância.
Endurecimento por precipitação
Quando a composição da liga é maior que uma certa concentração, ela promoverá a formação de uma segunda fase. Este tipo de precipitado atua como um obstáculo no encruamento, afetando o caminho do movimento das discordâncias e aumentando novamente a resistência do material .
Fortalecimento do contorno de grão
Em metais policristalinos, o tamanho do grão também afeta as propriedades físicas. Os limites de grãos impedem o deslizamento de discordâncias. Estruturas de grãos menores frequentemente aumentam a resistência do material, mas grãos muito pequenos podem levar a uma diminuição no desempenho.
Endurecimento por transformação de fase
Essa tecnologia de endurecimento é usada principalmente para aço, incluindo métodos de reforço de solução sólida, refinamento de grãos e endurecimento por transformação de fase, que podem maximizar a resistência e a usinabilidade do aço durante diferentes processos de aquecimento e resfriamento.
Mecanismo de fortalecimento de materiais amorfos
Embora os mecanismos acima sejam principalmente específicos para metais, em materiais amorfos, como polímeros, o fortalecimento depende de mecanismos diferentes. A resistência desses materiais depende mais de sua estrutura e composição química. A rigidez e a resistência dos polímeros também podem ser melhoradas por meio de reticulação, adição de cargas e outros métodos.
Por exemplo, pontes dissulfeto e outras ligações cruzadas covalentes em plásticos termofixos permitem que eles suportem temperaturas mais altas e aumentem a resistência do material.
Por que a força não pode ser aumentada infinitamente
Embora existam muitas maneiras de aumentar a resistência de um material, na realidade, a resistência de um material não pode ser aumentada infinitamente porque outras propriedades podem ser afetadas no processo de aumento da resistência. Por exemplo, à medida que a densidade de discordâncias aumenta, a ductilidade de um material pode diminuir, tornando mais desafiador identificar propriedades para determinadas aplicações.
O endurecimento por trabalho já foi uma técnica importante na época dos ferreiros e continua sendo um fator essencial no processamento do aço atualmente. Essa capacidade transforma tecnologias antigas em ferramentas práticas para a engenharia moderna, dando-nos maior liberdade na criação de novos materiais e tecnologias. Então, como podemos equilibrar as compensações entre resistência e outras propriedades físicas em futuras tecnologias de metalurgia?
