O mecanismo de aumento de resistência por solução sólida está diretamente associado ao princípio da formação de uma solução sólida substitucional e envolve necessariamente a presença de átomos de soluto (em menor quantidade) e átomos de solvente, (em maior quantidade) que apresentem dentre outras características, uma boa compatibilidade entre raio atômico e estruturas eletrônicas, sendo ambos os componentes capazes de formar estruturas cristalinas próprias e com o mesmo número de coordenação (GRAF, 2004).
Estas características fazem com que ao adicionar soluto ao solvente, os átomos de soluto promovam uma substituição dos átomos do solvente dentro da estrutura cristalina do material. A quantidade de átomos de soluto que o solvente absorve varia de elemento para elemento. O limite de solubilidade corresponde à máxima quantidade de soluto que pode ser absorvida pelo solvente. Tomando como exemplo de solvente o níquel, tem-se que o limite de solubilidade do molibdênio no níquel é de 20%, já o do cromo varia entre 35 e 40%.
Em ligas de níquel comerciais, a modificação da composição química através da adição de diversos elementos químicos tem sido estudada ao longo dos anos (CARON & KHAN, 1999). Para aumentar a compreensão de como a adição de elementos de liga afetam este mecanismo de endurecimento, diversas ligas binárias de Ni têm sido produzidas e avaliadas, com o objetivo de obter informações do comportamento de cada elemento (ZACKAY & HAZLETT, 1953).
Algumas teorias têm sido propostas para tentar explicar o comportamento de materiais que têm sua resistência aumentada pela adição de átomos de soluto, as quais estão, em geral, associadas ao bloqueio de discordâncias. A teoria dos obstáculos discretos proposta por FLEISCHER (1963) atribui o aumento de resistência do material aos efeitos combinados das diferenças de tamanho e módulo de cisalhamento entre os átomos da matriz e do soluto. Átomos com tamanhos diferentes em relação à matriz causam um campo de deformação elástica localizado, o qual interage com o campo de deformação das discordâncias (Figura 2.1). Para compensar esta distorção da rede, os átomos de soluto encontram posições energeticamente mais favoráveis próximas às discordâncias, reduzindo a energia livre do sistema e causando o bloqueio ao movimento das mesmas (Figura 2.2). Assim, um incremento de tensão será necessário para iniciar o movimento das discordâncias a partir da posição onde encontra-se o átomo de soluto (HIRTH, 1996).
Figura 2.1. Campos de deformação devido a discordâncias.
Figura 2.2. Redução da distorção da rede por: (a) Átomos de soluto substitucional menor que o do solvente. (b) Átomos de soluto substitucional maior que o do solvente. (c) átomos
de soluto intersticiais.
(c) (b)
(a)
Os principais elementos que atuam no aumento de resistência por solução sólida do níquel são o titânio, o tungstênio, o molibdênio, o cromo, o ferro, o cobre e o cobalto, sendo que os três primeiros apresentam maiores potenciais de aumento de resistência frente aos demais. PELLOUX & GRANT (1960) estudaram o efeito da quantidade de soluto em ligas binárias de níquel e verificaram que a mudança no limite de escoamento das ligas não é dependente somente da mudança no parâmetro de rede, mas também da posição do soluto na tabela periódica, que está relacionada com a valência do elemento.
2.3.2 Precipitação
O segundo mecanismo de aumento de resistência é o endurecimento por precipitação, no qual é necessária uma diminuição na solubilidade do soluto na rede cristalina com a diminuição da temperatura, em outras palavras, deve ser possível a formação de uma solução sólida supersaturada. Nestas condições, os átomos de soluto presentes na solução sólida supersaturada irão precipitar com queda da temperatura, dando origem a uma nova fase. Assim, o mecanismo de aumento de resistência neste caso é atribuído ao bloqueio do movimento de discordâncias pelas fases precipitadas na matriz . Dentre as principais fases precipitados intencionalmente para atuar neste mecanismo destacam-se as fases
A Figura 2.3 apresenta uma micrografia obtida por microscopia eletrônica de transmissão (MET) de uma liga endurecida por precipitação na qual é possível ver inúmeras discordâncias alojadas ao redor dos precipitados de fase
indica como ocorre o bloqueio das discordâncias. SAFARI & NATEGH (2009) citam que as discordâncias nestas ligas encontram-se espalhadas na matriz nos corredores formados entre as partículas de precipitados.
O tamanho das partículas varia em função da temperatura e do tempo de envelhecimento para precipitação da fase XIA et al (2007) estudaram o efeito do envelhecimento sobre a resistência à ruptura de uma liga de níquel endurecida por precipitação e verificaram uma queda na resistência com o envelhecimento, a qual foi atribuída ao crescimento da fase a redução da fração volumétrica da fase com o aumento do tempo de exposição. Em muitos casos, podem ser realizados múltiplos tratamentos térmicos com o objetivo de precipitar fases formas e tamanhos, como mostrado na Figura 2.4.
A morfologia dos precipitados pode variar entre cúbica, esférica ou placas (Figura 2.4). Os fatores que governam a morfologia dos precipitados são a energia de superfície da interface /
sobre a forma na qual o precipitado irá formar. A energia elástica, a fração volumétrica dos precipitados, anisotropia, deformação plástica, tensões aplicadas e orientação cristalográfica são fatores que podem atuar para a mudança de forma do precipitado (BALDAN, 2002).
Figura 2.3. (a) Micrografia obtida por MET de uma liga de níquel endurecida por precipitação. (b) Modelo do bloqueio das discordâncias (SAFARI & NATEGH, 2009).
Figura 2.4. Precipitados de fase . (a) Morfologia cúbica; (b) Morfologia globular; (c) Morfologia globular em dois níveis (PENKALLA et al., 2003); (d) Morfologia alongada
(ROSS & SIMS, 1987).
(a) (b)
(c) (a)
(d) (b)
BROOKS (1984) cita que se a deformação da rede é pequena, a forma do precipitado que minimiza tanto a energia de superfície quanto a energia de deformação por volume de precipitado é a morfologia esférica. Entretanto, caso a deformação da estrutura cristalina seja alta, a morfologia que será formada é cúbica. A Figura 2.5 ilustra a deformação da rede cristalina pela presença de um precipitado coerente de fase -se que a rede cristalina sofre deformação caso o parâmetro de rede da fase u menor ao da matriz .
Figura 2.5. Desenho esquemático da deformação da rede cristalina na matriz devido a diferença de parâmetro de rede entre matriz e precipitado (Baseado em BROOKS 1984). (a)
Parâmetro de rede das fases e
matriz . (c) Parâmetro de rede da fase .
2.3.3 Dispersão de óxidos
O mecanismo de aumento de resistência devido a dispersão de óxido é semelhante
ao observado para a precipitação de fase grande maioria
apresentam uma microestrutura formada por uma matriz com precipitados de fase combinada com partículas muito finas de óxido dispersas tanto na matriz quanto na fase (BHADESHIA, 1997; MINO & ASAKAWA, 1987). Esta dispersão causa uma melhoria nas propriedades de resistência à fluência em altas temperaturas. Em geral são utilizados como
2O3) e óxido de titânio (Ti2O3).