Como as estruturas granuladas de titânio e aço inoxidável afetam a conformação das peças?

Os benefícios podem ser obtidos observando uma camada mais profunda na estrutura granulada que governa o comportamento mecânico do aço inoxidável. Getty Images

A seleção de aço inoxidável e ligas de alumínio geralmente é centrada na resistência, ductilidade, alongamento e dureza. Essas 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 suportar o processo de conformação sem quebrar.

Testes destrutivos de tração e dureza podem ser uma maneira confiável e econômica de determinar as propriedades mecânicas. No entanto, esses 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 os benefícios podem ser obtidos examinando uma camada mais profunda na estrutura granular que governa seu comportamento mecânico.

O metal consiste em uma matriz de cristais microscópicos chamados grãos. Eles são 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 de repetição 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 uma função das estruturas cristalinas da liga. O tamanho e a disposição dos grãos de cada fase também influenciam.

Como os grãos se formam?

As fases da água são familiares para a maioria. Quando a água líquida congela, ela se transforma em gelo sólido. No entanto, quando se trata de metais, não existe apenas uma fase sólida. Certas famílias de ligas são nomeadas 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 as ligas de titânio. Os nomes de cada grupo de liga indicam sua fase dominante à temperatura ambiente - alfa, beta ou uma mistura de ambos. Existem ligas alfa, quase-alfa, alfa-beta, beta e quase-beta.

Quando um metal líquido se solidifica, os grãos sólidos da fase preferida termodinamicamente irão precipitar 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 nucleia, a estrutura cristalina cresce em uma orientação até encontrar outro grão. Como as estruturas cristalinas são orientadas de maneira diferente, um contorno de grão é formado na interseção das redes incompatíveis. Imagine jogar um monte de cubos mágicos de tamanhos diferentes em uma caixa. Cada cubo tem o arranjo de grade quadrada, mas todos eles se acomodam em orientações diferentes e aleatórias. Uma peça de metal totalmente solidificada consiste em uma matriz de grãos aparentemente orientados aleatoriamente.

Sempre que um grão é formado, há uma chance de desenvolvimento de defeitos de linha. Esses defeitos são peças faltantes de uma estrutura cristalina conhecida como deslocamentos. Esses deslocamentos e seus movimentos subseqüentes 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 parecerá diferente dependendo da orientação da seção transversal da peça de trabalho.