Entendendo Recuperação, Recristalização e Crescimento de Grão no Recozimento de Metais

Recuperação, recristalização e crescimento de grão são mudanças microestruturais que ocorrem durante recozimento após deformação plástica a frio e/ou durante trabalho a quente de metais.

Recuperação, Recristalização e Crescimento de Grão

Deformação plástica, que distorce a rede cristalina e rompe blocos de grãos equiaxiais iniciais (com eixos de dimensões aproximadamente iguais) para produzir estrutura fibrosa ou lâminas finas, aumenta o nível de energia do metal.

Metal deformado, em comparação com seu estado não deformado, está em estado não-equilíbrio, termodinamicamente instável. Portanto, processos espontâneos ocorrem em metal endurecido por deformação, mesmo à temperatura ambiente, que o levam a condição mais estável.

Se a temperatura for elevada suficientemente, o metal tenta aproximar-se do equilíbrio através de três processos: (a) recuperação, (b) recristalização e (c) crescimento de grão.

Figura 3.16 mostra sistemática destes processos com variação temporal. Novos grãos começam a nucleados a partir de grãos trabalhados a frio no tempo T1; nucleação continua e crescem até T2. Neste ponto, todos grãos trabalhados a frio terão nucleado em novos grãos. No tempo T3, tamanho destes novos grãos cresce a taxa mais lenta.

Desenho esquemático indicando recuperação, recristalização, crescimento de grão e principais mudanças de propriedade em cada região mostrado na Fig. 2.9.

Recuperação

O que é Recuperação?

É fenômeno de baixa temperatura que resulta na restauração de propriedades físicas sem mudança perceptível na microestrutura. A recuperação é crítica para liberar tensões internas em equipamentos forjados, soldados e fabricados sem reduzir a resistência ganha durante e após o trabalho.

Funcionamento

Se metal endurecido por deformação é aquecido a temperatura comparativamente baixa, distorções elásticas da rede cristalina são reduzidas devido ao aumento da amplitude de oscilação térmica dos átomos. Este aquecimento diminuirá ligeiramente a resistência do metal endurecido, mas limite elástico e ductilidade aumentarão, embora não atinjam valores do material inicial (antes do endurecimento).

Nenhuma mudança na microestrutura é observada neste período. Esta restauração parcial das propriedades originais, produzida pela redução da distorção da rede sem mudanças microestruturais perceptíveis, é chamada recuperação.

Em dada temperatura, taxa de recuperação é mais rápida inicialmente e cai em tempos maiores. Assim, quantidade de recuperação em tempo prático aumenta com temperatura. Em dado metal trabalhado a frio, propriedades individuais recuperam em taxas diferentes e atingem vários graus de completude.

Curva Característica da Recuperação

Figura 3.18 mostra características do processo de recuperação. Mostra que (i) taxa é rápida no início e depois desacelera com tempo, e (ii) quantidade de recuperação aumenta com temperatura. Propriedades individuais recuperam em taxas diferentes nos metais.

Pela recuperação, tensões são aliviadas de ligas trabalhadas a frio, prevenindo trincas por corrosão sob tensão. É possível aliviar tensão sem afetar significativamente propriedades mecânicas. Alta temperatura de recuperação é requerida para remover completamente tensões residuais. Este tratamento de alta temperatura é benéfico para peças fundidas ou soldadas.

Recristalização

O que é Recristalização?

Processo no qual grãos distorcidos de metal trabalhado a frio são substituídos por novos grãos livres de tensão quando aquecido acima de temperatura conhecida como temperatura de recristalização. Recristalização causa queda acentuada em dureza e resistência enquanto aumenta ductilidade.

Processo de Funcionamento

A formação de novos grãos equiaxiais no processo de aquecimento, em vez da estrutura fibrosa orientada do metal deformado, é chamada recristalização. Cristais equiaxiais têm eixos de comprimento aproximadamente igual. Grãos equiaxiais podem indicar recristalização. Podem ser alcançados por tratamento térmico: recozimento e normalização.

Isto é ilustrado na Fig. 2.10. Primeiro efeito do aquecimento é formar novos grãos minúsculos (brancos em a), que aumentam rapidamente até que crescimento adicional é restringido por grão encontrar outro (b, c). Finalmente, sistema original de grãos sai de cena e nova estrutura recristalizada mostrada em (d), grãos originais indicados por linhas pontilhadas. Recristalização, de fato, não produz novas estruturas mas novos grãos ou cristais da mesma estrutura.

Em essência, consiste em átomos do metal deformado superarem ligações da rede distorcida, formação de núcleos de grãos equiaxiais e crescimento subsequente por transferência de átomos de cristalitos deformados para não deformados. Em suma, grãos são refinados e adquirem forma semelhante a fibras como na Fig. 2.11.

A temperatura na qual a cristalização ocorre, ou seja, novos grãos formam-se, é chamada temperatura de recristalização. Definida como temperatura na qual 50% do material trabalhado a frio recristaliza em uma hora.

Crescimento de Grão

O que é Crescimento de Grão?

Refere-se ao aumento no tamanho médio de grão causado por recozimento adicional após o material ter recristalizado. Grãos menores têm menos energia livre que grãos maiores. Cristais menores com átomos de energia mais alta tendem a tornar-se parte de cristais maiores. Esta propensão promove crescimento de grão.

Processo de Funcionamento

Logo após recristalização, grãos são pequenos e regulares. O grão crescerá se temperatura for alta o suficiente ou se exceder o mínimo requerido para recristalização. Este crescimento resulta de tendência a retornar a estado mais estável e maior, e parece depender principalmente da forma do grão.

Para qualquer temperatura acima da de recristalização, normalmente há tamanho máximo prático no qual grãos atingem equilíbrio e cessam de crescer apreciavelmente, não importa por quanto tempo mantidos na temperatura. Existem, porém, certos tipos de crescimento anormal de grão que ocorrem por gradientes aplicados ou residuais de deformação devido a distribuição não uniforme de impurezas, permitindo crescimento de grãos únicos muito grandes.

Fatores que Afetam/Controlam Tamanho de Grão

1. Grau de Deformação Prévia

Quantidade aumentada de deformação prévia promove nucleação e reduz tamanho final de grão. Antes que recristalização ocorra, certa deformação é requerida (~2,8% da deformação total). Quando deformação é pequena (mas > mínima), tamanho de grão é grosso pois poucos núcleos formam-se. Conforme deformação aumenta, número de pontos distorcidos aumenta, e tamanho de grão diminui.

2. Temperatura

Existe temperatura abaixo da qual recristalização não ocorre. Tamanho de grão aumenta gradualmente acima desta temperatura.

3. Aquecimento

Efeito do tempo de aquecimento no tamanho de grão é determinado pela temperatura de recristalização. Recristalização leva certo tempo para completar, mas este tempo diminui conforme temperatura sobe. Quanto mais fino o grão, menor o tempo de recozimento. Grão torna-se mais grosso conforme tempo de recozimento aumenta. Aquecimento lento promove crescimento de grão formando novos núcleos, resultando em grão grosso.

4. Impurezas

Tamanho de grão mais fino presente com maior quantidade e distribuição mais fina de impurezas. Impurezas promovem nucleação e atuam como barreira ao crescimento de grão.

Efeito da Temperatura na Recuperação, Recristalização e Crescimento de Grão

Fig. 3.21 resume efeito de vários fenômenos em propriedades mecânicas e físicas.

Q. Em qual dos seguintes processos ocorre recuperação, recristalização e crescimento de grão?
a) Endurecimento superficial
b) Revenimento
c) Fortalecimento
d) Recozimento

Resposta: D

Explicação: No processo de recozimento, o cristal passa por três estágios chamados recuperação, recristalização e crescimento de grão, nesta ordem.

Perguntas Frequentes

Qual a diferença entre recuperação e recristalização?

Recuperação — Tratamento térmico de recozimento a baixa temperatura projetado para eliminar tensões residuais introduzidas durante deformação sem reduzir resistência do material trabalhado a frio.

Temperatura de recristalização — Temperatura acima da qual efeitos de endurecimento por deformação são eliminados durante recozimento.

Qual a diferença entre recuperação, recristalização e crescimento de grão?

Recuperação ocorre em baixas temperaturas e reduz ou elimina efeitos de endurecimento por trabalho.

Recristalização ocorre quando energia térmica suficiente está disponível para impulsionar criação e crescimento livre de tensão de novos grãos na matriz existente.
Crescimento de grão é resultado de temperaturas altas contínuas após recristalização, conforme fronteiras de grão são eliminadas, resultando em aumento do tamanho de grão presente independentemente de seu tamanho de grão austenítico prévio.

Por que trabalho a frio é requerido para recuperação?

Trabalho a frio aumenta resistência do material, mas diminui ductilidade e condutividade elétrica. Além disso, tensões residuais são introduzidas por sobreposição e emaranhamento de discordâncias.

Quais as forças motrizes para recristalização e crescimento de grão?

Força motriz para crescimento de grão, seja contínuo (normal) ou descontínuo (anormal), é energia das fronteiras de alto ângulo. Força motriz principal para recristalização é energia armazenada durante deformação na forma de defeitos cristalinos.