Como as estruturas de grãos de titânio e aço inoxidável afetam a formação das peças?

Jun 02, 2024

Os benefícios podem ser obtidos observando-se uma camada mais profunda na estrutura do grão que rege o comportamento mecânico do aço inoxidável. Imagens Getty

A seleção de aço inoxidável e ligas de alumínio geralmente gira em torno de resistência, ductilidade, alongamento e dureza. Estas propriedades indicam como os blocos de construção de um metal se comportam em resposta a uma carga aplicada. São métricas eficazes para gerenciar os limites de uma matéria-prima; isto é, quanto ele dobrará antes de quebrar. A matéria-prima deve ser capaz de resistir ao processo de conformação sem quebrar.

Testes destrutivos de tração e dureza podem ser uma forma confiável e econômica de determinar propriedades mecânicas. No entanto, estes testes nem sempre são tão confiáveis ​​uma vez que a espessura da matéria-prima começa a restringir as dimensões do corpo de prova. O teste de tração de um produto de metal plano certamente ainda é útil, mas benefícios podem ser obtidos examinando-se uma camada mais profunda na estrutura do grão que governa seu comportamento mecânico.

O metal consiste em uma série de cristais microscópicos chamados grãos. Eles estão distribuídos aleatoriamente por todo o metal. Os átomos dos elementos de uma liga, como ferro, cromo, níquel, manganês, silício, carbono, nitrogênio, fósforo e enxofre no caso do aço inoxidável austenítico, são os blocos de construção de um grão individual. Esses átomos formam uma solução sólida de íons metálicos ligados em uma rede por seus elétrons compartilhados.

A composição química de uma liga direciona o arranjo repetitivo de átomos termodinamicamente preferido dos grãos, chamado de estrutura cristalina. Uma seção homogênea de metal compreendendo uma estrutura cristalina repetida forma um ou mais grãos chamados de fase. As propriedades mecânicas de uma liga são função das estruturas cristalinas da liga. O tamanho e a disposição dos grãos de cada fase também influenciam.

Como se formam os grãos?

As fases da água são familiares para a maioria. Quando a água líquida congela, ela se transforma em gelo sólido. Porém, quando se trata de metais, não existe apenas uma fase sólida. Certas famílias de ligas recebem nomes de acordo com suas fases. Dentro do aço inoxidável, as ligas austeníticas da série 300 consistem principalmente de austenita quando recozidas. No entanto, as ligas da série 400 consistem em ferrita em aço inoxidável 430 ou martensita em ligas de aço inoxidável 410 e 420.

O mesmo vale para ligas de titânio. Os nomes de cada grupo de liga indicam sua fase dominante à temperatura ambiente – seja alfa, beta ou uma mistura de ambas. Existem ligas alfa, quase alfa, alfa-beta, beta e quase beta.

Quando um metal líquido solidifica, os grãos sólidos da fase termodinamicamente preferida precipitarão onde a pressão, a temperatura e a composição química permitirem. Isso geralmente ocorre em uma interface, como os cristais de gelo na superfície de um lago quente em um dia frio. Quando um grão nuclea, a estrutura cristalina cresce em uma orientação até encontrar outro grão. Como as estruturas cristalinas são orientadas de maneira diferente, um limite de grão é formado na interseção das redes incompatíveis. Imagine colocar vários cubos de Rubik de tamanhos diferentes em uma caixa. Cada cubo tem uma disposição de grade quadrada, mas todos eles se acomodarão em orientações diferentes e aleatórias. Uma peça de metal totalmente solidificada consiste em uma série de grãos aparentemente orientados aleatoriamente.

Sempre que um grão é formado, há uma chance de desenvolvimento de defeitos na linha. Esses defeitos são peças faltantes de uma estrutura cristalina conhecida como discordâncias. Essas discordâncias e seu movimento subsequente ao longo de um grão e através dos limites de grão são a base da ductilidade do metal.

Uma seção transversal da peça de trabalho é montada, retificada, polida e gravada para visualizar a estrutura do grão. Quando uniforme e equiaxial, uma microestrutura vista em um microscópio óptico parece um quebra-cabeça. Na realidade, os grãos são tridimensionais e a seção transversal de cada grão terá uma aparência diferente dependendo da orientação da seção transversal da peça.