Envelhecimento do metal, tipos, artificial, natural, como acontece e do que depende

Envelhecimento de metais um processo bastante lento que resulta em mudanças mecânicas e alterações nas propriedades físicas e químicas.

Sobre envelhecimento de metais é influenciado por uma série de fatores, incluindo:

• movimento térmico de átomos e moléculas;
• impacto mecânico (várias cargas de flexão/compressão/rasgo, etc.);
• radiação luminosa (especialmente radiação invisível aos humanos);
• campo magnético (magnetização/desmagnetização), etc.

A essência do envelhecimento do metal é atingir um estado de equilíbrio, durante o qual as propriedades do metal se desviam do normal. Especificamente, o material pode se tornar mais macio, quebradiço, menos elástico, etc.

Tipos de envelhecimento de metais

É feita uma distinção entre envelhecimento natural e artificial.

O envelhecimento artificial do metal consiste na rápida aquisição da composição e das propriedades desejadas. O envelhecimento artificial é obtido por meio de tratamento térmico e deformação plástica. Por exemplo, na produção de duralumínio, ele é envelhecido artificialmente por várias horas.

O envelhecimento natural ocorre naturalmente e não requer condições adicionais. No entanto, o processo é mais intenso, com períodos mais longos e temperaturas próximas a 20 °C.

Aplicação de processos de envelhecimento em metalurgia e metalurgia

O envelhecimento, como tratamento adicional, é utilizado como etapa final. É aplicado a certos metais e ligas nos quais uma solução sólida supersaturada pode precipitar componentes em excesso e se decompor espontaneamente ao longo do tempo. Este método é particularmente útil na preparação de materiais para a produção de componentes e peças individuais para os quais o processo descrito acima é crítico.

Após o envelhecimento, a dureza e a resistência do metal aumentam, mas sua viscosidade e ductilidade diminuem. No entanto, é importante observar que esses valores se mantêm durante toda a vida útil do material.

O envelhecimento do aço é realizado para alterar a estrutura interna e é aplicado após a têmpera. A solução sólida de ferrita resultante, saturada com nitrogênio e carbono, se decompõe com o aquecimento. Dependendo do volume de inclusões de carbono no material "envelhecido", a estrutura interna assume as seguintes formas:

• cúbico;
• esférico;
• em forma de disco (em forma de placas finas);
• em forma de agulha.

O tratamento térmico (envelhecimento artificial do metal) é aplicado a ligas nas quais a solubilidade de um elemento no estado sólido é significativamente reduzida. Essa propriedade se torna mais pronunciada à medida que a temperatura diminui.

Em aços com baixo teor de carbono, não superior a 0,05%, o envelhecimento artificial causa a decomposição da solução alfa sólida supersaturada. Como resultado, o excesso de fases precipita. Após esse tratamento, a ductilidade diminui, mas a dureza e a resistência aumentam significativamente. Essas são precisamente as qualidades frequentemente exigidas no produto metalúrgico final.

Modelo de Orowan

A figura mostra o modelo de Orowan, que ilustra claramente o movimento de discordância. O efeito máximo pode ser alcançado através do envelhecimento natural. No entanto, isso requer um tempo considerável, o que não é econômico nem prático para uma produção contínua e em grande escala (não é como decantar vinho ou conhaque em barris). Portanto, existem métodos artificiais para acelerar esses processos naturais (é uma pena que não se possa fazer o mesmo com o uísque). No entanto, vale ressaltar que o envelhecimento artificial reduzirá significativamente as propriedades de resistência do material.

Dureza dependendo do tempo de envelhecimento

O gráfico mostrado demonstra claramente o problema descrito acima: reduzir o tempo de envelhecimento do metal não aumenta suas características de resistência.

O processo de envelhecimento depende em grande parte de carbono e nitrogênio. Isso é especialmente perceptível em aços de baixo carbono. O nitrogênio se dissolve menos facilmente no ferro alfa à medida que a temperatura diminui. Por exemplo, a 590 °C, o teor de nitrogênio dissolvido é de 0,1%, mas a 20 °C, seu teor cai para 0,004%. Durante o envelhecimento, a solução alfa libera nitretos. Portanto, o efeito do nitrogênio é menos pronunciado do que o do carbono sob influências térmicas.

À medida que o teor de carbono do aço aumenta, as alterações estruturais produzidas pelo tratamento térmico aumentam. A quantidade máxima de carbono que pode ser dissolvida no ferro alfa é de 0,02 a 0,04%. Com esse teor, um produto temperado submetido ao envelhecimento natural apresenta uma dureza uma vez e meia maior do que após o recozimento.

O envelhecimento é o principal método para aumentar a resistência de ligas resistentes ao calor (ligas com alto teor de níquel). Este grupo também inclui ligas à base de alumínio, cobre e magnésio. Além disso, a estrutura alterada desses metais e ligas confere coercividade.

O alumínio e as ligas de alumínio-cobre sofrem degradação em diferentes temperaturas (acima de 100 °C) devido às diferenças nas temperaturas de decomposição estrutural dos diferentes metais. Assim, é feita uma distinção entre decomposição estrutural em baixa e alta temperatura.

A decomposição de uma solução sólida ocorre de duas maneiras. No primeiro caso, a formação e o crescimento das partículas de fase ocorrem em todo o volume. No segundo caso, a decomposição é descontínua (celular). Durante esse processo, as células crescem em colônias. As colônias têm uma estrutura celular, e o crescimento ocorre a partir do contorno de grão e se move para dentro, diminuindo de tamanho.

Envelhecimento mecânico e térmico

Existem dois tipos de envelhecimento de metais: térmico e mecânico. Vamos analisar cada um com mais detalhes.

Envelhecimento térmico

A fase que fortalece o metal durante o tratamento térmico ocorre em seu ponto máximo. É aqui que ocorre a fase de solução metaestável, na zona de Guinier-Preston. Esse tipo de fortalecimento de metais e ligas é comumente chamado de reforço por dispersão.

Dependência da resistência em relação ao tempo e à temperatura de envelhecimento

Com uma exposição mais longa, inicia-se o envelhecimento excessivo, o que significa uma redução nas características de resistência. Isso é influenciado por:

• coagulação;
• substituição parcial de partículas por outras incoerentes.

Tipos de envelhecimento térmico do metal:

• Duas etapas: têmpera, manutenção na temperatura de substituição e, em seguida, manutenção em temperatura elevada para atingir a homogeneidade da solução sólida.
• Têmpera – têmpera e uma etapa de espera com resfriamento natural.
• Natural - para ligas de alumínio.
• Artificial – para ligas de metais não ferrosos por aquecimento a uma temperatura superior à usada para destruição natural.
• Estabilização – alta temperatura de envelhecimento e longo período de retenção ajudam a manter as dimensões e propriedades da peça.

Envelhecimento mecânico do metal

A destruição do aço por forças de deformação ocorre na faixa de temperatura abaixo do processo de recristalização. Isso é causado pela formação e movimentação de discordâncias. A deformação plástica a frio aumenta a densidade de discordâncias, que aumenta ainda mais com o aumento das cargas.

As alterações nas propriedades mecânicas do metal fazem com que os átomos de carbono e nitrogênio se movam em direção às discordâncias localizadas na solução alfa. Ao atingirem as discordâncias, os átomos formam nuvens (atmosferas de Cottrell). Esses aglomerados impedem o movimento das discordâncias, resultando em uma alteração nas propriedades. As propriedades inerentes às peças envelhecidas pelo calor se manifestam.

Embora nitrogênio, níquel e cobre afetem significativamente o efeito do envelhecimento por deformação, a adição de vanádio, titânio e nióbio elimina completamente esse efeito. Portanto, recomenda-se o uso de aço com teor de alumínio de 0,02-0,07%.

Modos recomendados para envelhecimento

Tratamento térmico:

• para aços com alto teor de carbono: temperatura de cerca de 130°C-150°C, tempo de espera de cerca de 25-30 horas;
• para ligas de metais não ferrosos: temperatura de cerca de 250°C, tempo de espera de cerca de 1 hora.

Processamento de plástico:

• para um processo natural: temperatura de cerca de 20°C;
• para fluxo de processo artificial: temperatura de cerca de 250°C, tempo de espera de cerca de 1 hora.

A temperatura de aquecimento e o tempo de retenção são selecionados individualmente para cada grau de metal e liga, dependendo de sua composição.