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1 DISCIPLINA: CONFORMAÇÃO MECÂNICA DOS METAIS PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: CONFORMAÇÃO MECÂNICA DOS METAIS VOLUME I I - INTRODUCÃO: A DEFORMACÃO PLÁSTICA COMO PROCESSO DE FABRICAÇÃO II - ASPECTOS GERAIS DA CONFORMAÇÃO MECÂNICA DOS METAIS LABORATÓRIO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA CENTRO TECNOLÓGICO UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA COSTA, HELIO DE BRITO MIRA, FAUSTO MORENO DE FLORIANÓPOLIS, 1985 ATUALIZADA EM 2000 por Carlos Augusto Silva de Oliveira e digitalizada por Anderson Eduardo Santana

Conformação de metais

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    DISCIPLINA: CONFORMAO MECNICA DOS METAIS

    PROCESSOS DE FABRICAO: CONFORMAO MECNICA DOS METAIS

    VOLUME I

    I - INTRODUCO: A DEFORMACO PLSTICA COMO PROCESSO DE FABRICAO

    II - ASPECTOS GERAIS DA CONFORMAO MECNICA DOS METAIS

    LABORATRIO DE CONFORMAO MECNICA

    DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECNICA

    CENTRO TECNOLGICO

    UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA

    COSTA, HELIO DE BRITO

    MIRA, FAUSTO MORENO DE

    FLORIANPOLIS, 1985

    ATUALIZADA EM 2000 por Carlos Augusto Silva de Oliveira e

    digitalizada por Anderson Eduardo Santana

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    NDICE

    INTRODUO: A DEFORMAO PLSTICA COMO PROCESSO DE

    FABRICAO

    4

    I.1. PROCESSOS DE FABRICAO 4

    I.2. CLASSIFICAO DOS PROCESSOS DE CONFORMAO

    MECNICA DOS METAIS

    9

    I.2.1. Classificao quanto ao esforo conformante 10

    I.2.2. Classificao quanto variao relativa da espessura da pea 11

    I.2.3. Classificao quanto ao regime de operao 12

    I.2.4. Classificao quanto ao propsito da deformao 12

    II - ASPECTOS GERAIS DA CONFORMAO MECNICA DOS METAIS 13

    II.1. ESQUEMA GERAL DO PROCESSO DE CONFORMAO 13

    II.2. DEFORMAO PLSTICA: ASPECTOS FENOMENOLGICOS 14

    II.2.1. Trao uniaxial 14

    II.2.2. Compresso uniaxial 19

    II.2.3. Deformao plana 20

    II.3. ASPECTOS CRISTALOGRFICOS DA DEFORMAO

    PLSTICA

    22

    II.4. EFEITO DA TEMPERATURA NA DEFORMAO 29

    II.4.1. Classificao dos processos quanto a temperatura 29

    II.4.2. Trabalho a frio 31

    II.4.3. Processos de restaurao 32

    II.4.4. Trabalho a morno 36

    II.4.5. Trabalho a quente 37

    II.4.6. Gerao de calor na conformao mecnica 38

    II.5. EFEITOS DA TAXA DE DEFORMAO 40

    II.6. ALGUNS EFEITOS METALRGICOS IMPORTANTES NA

    CONFORMAO

    44

    II.6.1. Fibramento mecnico (textura metalogrfica)

    44

    II.6.2. Acelerao de transformaes metalrgicas no trabalho

    a quente

    44

    II.6.3. Controle do tamanho de gro 45

    II.6.4. Bandas de deformao e de cisalhamento 45

    II.7. TRABALHABILIDADE OU CONFORMABILIDADE 45

  • 3

    II.7.1 Conceito e critrios 45

    II.7.2. Ligas trabalhveis 46

    II.8. ELEMENTOS DE MECNICA DA CONFORMAO 49

    II.8.1. Tenso de conformao 49

    II.8.2. Tenso de escoamento (Resistncia a mudana de

    forma)

    49

    II.8.3. Trabalho de deformao homognea 50

    II.8.4. Deformao heterognea 52

    II.8.5. Atrito em processos de conformao 54

    II.8.6. Eficincia (rendimento) do processo 55

    II.8.7. Lubrificao em conformao 56

    II.9. TENSES RESIDUAIS EM PRODUTOS CONFORMADOS 58

    REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS. 60

    APNDICE I - TABELAS

    II.A. Propriedades de fabricao de aos e ligas no ferrosas 61

    II.B. Lubrificantes tpicos e coeficientes de atrito em conformao 64

  • 4

    PROCESSOS DE FABRICAO: CONFORMAO MECNICA DOS METAIS

    I - INTRODUO: A DEFORMAO PLSTICA COMO PROCESSO DE FABRICAO

    I.1. PROCESSOS DE FABRICAO

    A fabricao pode ser definida como a arte e a cincia de transformar os materiais em

    produtos finais utilizveis e - num contexto de economia de mercado - vendveis. A nvel industrial

    a fabricao est evidentemente relacionada a diversas outras atividades tcnicas; um esquema

    simplificado das muitas interaes entre tais atividades est mostrado na Figura I.1. Note-se que

    muitas atividades tcnicas fornecem insumos essenciais aos processos de fabricao, ao mesmo

    tempo que estes criam muitas das mquinas que so necessrias converso de energia e

    matrias-primas e s atividades de construo, transporte a comunicaes. Estas indstrias,

    juntamente com o consumidor individual, determinam os produtos que a fabricao deve fornecer.

    Fig. I.1: Interaes principais entre a fabricao e outras atividades industriais.

    O processo global de fabricao em si mesmo uma srie de interaes complexas entre

    materiais, mquinas, pessoas e energia, comeando com a criao de peas individuais que iro

    finalmente constituir, atravs de operaes de montagem, um produto final. Os processos

    envolvidos na obteno de peas individuais so chamados processos unitrios, dos quais uma

    determinada classe constitui o objeto do presente curso.

    A Figura I.2. apresenta uma classificao sumria dos diversos processos unitrios de

    fabricao.

    Na seleo dos materiais para as peas tem-se normalmente em vista, por um lado, as

    caractersticas exigidas das peas e o seu comportamento nos sistemas de que faro parte; e, por

  • 5

    outro lado, as propriedades que os materiais devem apresentar para atender adequadamente s

    caractersticas exigidas com o mnimo custo e a vida til esperada.

    A escolha do processo de fabricao realizada considerando-se as caractersticas de

    trabalho das peas, seu material, forma e dimenses, o nmero de unidades a produzir, a taxa de

    produo, a vida til requerida de cada unidade e o grau de preciso e acabamento estipulados.

    Note-se que existe sempre uma interao entre o material da pea e o processo de

    fabricao, na qual um exerce restries sobre o outro e vice-versa, sendo esta, portanto uma

    considerao essencial, na maioria dos casos, para a seleo de ambos.

    No caso particular dos metais, que so os materiais mais comumente empregados em

    Engenharia e os nicos considerados no presente texto, sua obteno se inicia geralmente com a

    extrao do respectivo minrio desde jazidas naturais. O minrio em seguida submetido a um

    processo de beneficiamento a fim de eliminar ou diminuir a ganga (material associado ao minrio

    de baixo valor econmico) e facilitar a posterior extrao do metal. Esta realizada atravs de

    processos qumicos (piro -, hidro - ou eletrometalrgicos), que fornecem o metal em forma mais ou

    menos pura. Seguem-se em muitos casos operaes de refino, a fim de purificar o metal ou

    atingir-se o teor adequado de elementos de liga.

    O metal obtido diretamente pelas operaes de extrao e refino vem geralmente em forma

    lquida, ou slida bruta, ou pulverulenta. Torna-se necessrio ento converte-lo em formas que

    possam ser convenientemente utilizadas nas diversas aplicaes, o que feito mediante os

    processos de fabricao propriamente ditos.

    Os processos de fabricao de peas metlicas podem ser grupados em cinco classes

    principais: Fundio, Usinagem, Soldagem, Metalurgia do P e Conformao Mecnica.

    a) Fundio:

    O metal no estado lquido vazado dentro de um molde (de gesso, de areia, metlico, etc.)

    que um negativo da pea a ser obtida contendo algumas alteraes prprias das tcnicas de

    fundio - e se solidifica na forma desejada (Fig. I.3).

    Trata-se de um processo relativamente barato e capaz de fornecer uma enorme variedade de

    formas. Por outro lado, as peas podem facilmente vir a apresentar defeitos como bolhas de ar e

    vazios ou rechupes (devido solidificao de fora para dentro), a sua microestrutura comumente

    dendrtica de gros colunares e grosseiros, o que confere propriedades mecnicas inferiores e as

    demais desvantagens decorrentes de uma granulao grosseira e heterognea que pode conter

    tambm macro e microssegregaes (ou seja, gradientes de composio qumica entre diversos

    gros da pea ou dentro de um mesmo gro).

  • 6

    FIGURA I.2 CLASSIFICAO DOS DIVERSOS PROCESSOS DE FABRICAO

    EXTERNAS

    INTERNAS

    CONFORMAR SEPARAR UNIR ENOBRECER

    FS

    ICO

    S

    MUDANA DE

    ESTADO

    - Fundio em areia, em coquilha,

    sob presso ou centrfuga;

    -Eletroeroso;

    -Laser.

    -Corte Oxi-acetilnico;

    - Corte com plasma.

    - Soldagem a gs, eltrica ou

    por resistncia (de topo, a

    ponto ou costura);

    - Solda Aluminotrmica.

    - Galvanizao a fogo (Sn, Pb,

    Zn);

    - Metalizao pistola;

    - Esmaltao.

    AO DE FORAS

    MOLECULARES

    -Sinterizao: cermicos e metais;

    -Galvanoplastia.

    -Colagem por aderncia;

    -Solda de Sn;

    -Emassamento (Mstiques).

    -Pintura;

    -Galvanoplastia (cromagem,

    niquelagem, etc).

    MUDANA DE

    ESTRUTURA

    -Ajuste forado a quente

    (Mudana de estrutura por

    tenses).

    -Beneficiamento, tmpera,

    normalizao, recozimento,

    revenido, patenteamento.

    FS

    ICO

    - M

    EC

    N

    ICO

    S

    DESLOCAMENTO

    ESPACIAL DE

    CRISTAIS

    Forjamento livre e em matriz.

    Estampagem (dobrar, curvar,

    recalcar, rebitar, estirar por trao,

    repuxar, rolar roscas,

    embutimento, estiramento).

    Laminao, trefilao, extruso.

    -Cortar com tesoura;

    -Cortar com estampo;

    -Puncionar.

    Rebitar, amarrar, tranar.

    Unies com tenso (parafusos,

    chavetas, ajuste forado ou

    prensado)

    Compactao superficial

    (tratamento com jato de areia,

    alisamento, tornar spero,

    impregnar, recartilhar).

    SEPARAO DE

    MATERIAL

    Tornear, furar, fresar, plainar,

    limar, alargar, escariar, raspar,

    retificar, brochar, cortar roscas

    (com tarraxa, fresa, torno ou

    pente). Usinagem com ultra-som.

    -Serrar;

    -Cortar aparas.

    -Polir;

    -Retificar por lapidao;

    -Honing; -Superfinish.

    QU

    MIC

    OS

    DIFUSO -Colar;

    -Brasagem (prata, lato, etc.).

    Cementao. Nitretao.

    Calorizao. Metalizao.

    TRANSFORMA

    O QUMICA

    -Vulcanizao (borracha);

    -Fundio com posterior reao de

    cura.

    -Ataques;

    -Decapagem.

    -Oxidar (anodizao do Al);

    -Polimento eletroltico.

  • 7

    Fig. I.3: Esquema da fundio.

    b)Usinagem:

    Consiste na remoo (arrancamento) de partculas do material de um bloco ou forma bruta,

    at se atingir a forma desejada. efetuada com o auxilio de ferramentas adequadas de material duro

    em mquinas especiais (tornos, plainas, fresadoras, etc.) (Fig. I.4) ou, em sentido mais amplo,

    mediante tcnicas especiais no mecnicas como a eletroeroso. A pea inicial tem origem na

    fundio ou em outros processos.

    A variedade de formas obtenveis por usinagem praticamente infinita, sendo tambm

    possvel um controle rigoroso de dimenses e acabamentos. As maiores desvantagens so: perda de

    material; morosidade da operao; incapacidade para alterar a microestrutura da pea, no

    alterando, portanto os problemas provenientes da fundio.

    Fig. I.4: Esquema de usinagem

    c) Soldagem:

    um conjunto de processos que permitem obter peas pela unio de vrias partes,

    estabelecendo a continuidade do material entre as mesmas e usando ou no um material adicional

    para servir de ligao (Fig. I.5).

    A soldagem possibilita tambm uma grande variedade de formas: contudo, em geral no

    modifica as deficincias do material (p.ex., provenientes da fundio), podendo mesmo introduzir

    outras.

  • 8

    Fig. I.5: Esquema da soldagem com maarico.

    d) Metalurgia do P:

    O metal ou liga em forma de p colocado em uma frma ou molde, comprimido

    (compactado) e em seguida, ou simultaneamente, aquecido (sinterizado), em condies de

    temperatura, atmosfera, tempo, etc., adequadas para que se estabeleam ligaes fortes entre as

    partculas vizinhas (Fig. I.6), obtendo-se assim uma pea slida com maior ou menor porosidade,

    dependendo das condies do material e do processo. A metalurgia do p tem experimentado nos

    ltimos anos um desenvolvimento intenso e rpido.

    Fig. I.6: Esquema da fabricao por metalurgia do p;

    Como vantagens principais do processo podem-se citar: a possibilidade de se obter produtos

    e componentes com boa homogeneidade microestrutural e grande preciso dimensional, o bom

    aproveitamento de matria-prima, o controle da composio qumica do material, fabricao de

    peas e componentes no obtenveis por outros processos, tais como: componentes com porosidade

  • 9

    controlada (por exemplo: filtros metlico, mancais auto-lubrificantes...), peas de metais com alto

    ponto de fuso (W, Mo, etc...), de ligas duras a quebradias (por exemplo: intermetlicos), de

    materiais conjugados metal-cermicos (cermets como metal-duro, materiais de frico, Ligas

    endurecidas por disperso de fase cermica, etc... ).

    Como desvantagens pode-se referir: as matrias-primas devem estar disponveis na forma de

    p, freqentemente com requisitos mais ou menos rigorosos quanto forma, tamanho e distribuio

    das partculas e ao manuseio do mesmo; a porosidade nem sempre pode ser eliminada nas peas

    sinterizadas, o que prejudica as suas propriedades mecnicas; o alto custo do ferramental, obrigando

    a grandes produes para tornar o processo economicamente vivel; limitaes quanto forma das

    peas, para possibilitar sua fabricao econmica; limitao quanto ao tamanho (ou peso) das peas,

    para evitar a necessidade de potncias excessivamente altas na compactao.

    possvel tambm combinar tcnicas de metalurgia do p com conformao mecnica,

    antes, durante ou depois da sinterizao, permitindo obter-se peas praticamente isentas de poros e

    com melhores propriedades mecnicas.

    e) Conformao Mecnica:

    o nome genrico dos processos em que se aplica uma fora externa sobre a matria-prima,

    obrigando-a a tomar a forma desejada por deformao plstica. O volume e a massa do metal se

    conservam nestes processos.

    As vantagens principais so: bom aproveitamento da matria-prima; rapidez na execuo;

    possibilidade de melhoria e controle das propriedades mecnicas do material, de par com a

    homogeneizao da microestrutura. Por exemplo: bolhas e porosidade em lingotes fundidos podem

    ser eliminados atravs de conformao mecnica a quente, melhorando a ductilidade e a tenacidade;

    a dureza do produto pode ser controlada (p.ex., alternando etapas de conformao a frio e

    recozimento); h casos em que um controle preciso do grau e velocidade da deformao, assim

    como da temperatura, durante o processo, permitem otimizar a estrutura e as propriedades

    mecnicas do produto [1].

    importante observar, contudo, que o ferramental e os equipamentos para conformao

    mecnica so comumente caros, exigindo normalmente grandes produes para justificar-se

    economicamente.

    I.2. CLASSIFICAO DOS PROCESSOS DE CONFORMAO MECNICA DOS METAIS

    O nmero dos diferentes processos unitrios de conformao mecnica, desenvolvidos para

    aplicaes especficas, atinge atualmente algumas centenas. No obstante, possvel classific-los

    num pequeno nmero de categorias, com base em critrios tais como: o tipo de esforo que provoca

  • 10

    a deformao do material; a variao relativa da espessura da pea; o regime da operao de

    conformao; o propsito da deformao.

    I.2.1. Classificao quanto ao esforo conformante

    a) Processos de Compresso Direta:

    A fora aplicada na superfcie do material, o qual escoa perpendicularmente direo de

    compresso. As classes principais so:

    -FORJAMENTO: conformao por esforos compressivos tendendo a fazer o material

    assumir o contorno da ferramenta conformadora, chamada matriz ou estampo (Fig. I.7-a).

    -LAMINAO: conjunto de processos em que se faz o material passar atravs da abertura

    entre cilindros que giram, modificando-lhe (em geral reduzindo) a seo transversal (Fig. I.7-b); os

    produtos podem ser placas, chapas, barras de diferentes sees, trilhos, perfis diversos, anis e

    tubos.

    Fig. I.7 Esquema dos processos de conformao mecnica

  • 11

    b) Processos de Compresso Indireta:

    O esforo primariamente aplicado pode ser ou no compressivo; mas a fora diretamente

    responsvel pela conformao constituda em grande parte pela reao compressiva da ferramenta

    (matriz) sobre o material. Exemplos:

    -TREFILAO: reduo da seo transversal de uma barra, fio ou tubo, puxando-se a

    pea atravs de uma ferramenta (fieira, ou trefila) com forma de canal convergente (Fig. I.7-c).

    -EXTRUSO: processo em que a pea empurrada contra a matriz conformadora, com

    reduo da sua seo transversal. A parte ainda no extrudada fica contida num recipiente ou

    cilindro (container); o produto pode ser uma barra, perfil ou tubo (Fig. I.7-d).

    -EMBUTIMENTO: fabricao de peas em forma de recipiente a partir de retalhos planos

    de chapa, forando-se a chapa a penetrar na cavidade da matriz por meio de uma ferramenta

    convexa (estampo ou puno) cujo contorno igual ao que se deseja imprimir pea (Fig. I.7-e).

    Obs: Neste caso somente a aba (flange) da pea fica submetida a tal tipo de esforo.

    c) Processos de Trao:

    O esforo conformante primariamente aplicado de natureza trativa. Ex: o ESTIRAMENTO

    POR TRAO de um retalho de chapa, preso por sua periferia, em torno de um estampo ou molde

    de forma adequada (Fig. I.7-f.); a pea tem a sua rea superficial aumentada s custas da sua

    espessura.

    d) Processos de Dobramento:

    Envolvem a aplicao de momentos fletores a uma chapa, barra ou tubo, de modo a dobrar a

    pea em torno de uma ferramenta apropriada (Fig. I.7-g).

    e) Processos de Cisalhamento:

    Aplicao de foras cisalhantes suficientemente intensas para romper o metal no plano de

    cisalhamento; abrangem diferentes operaes de corte de chapas, barras e tubos (Fig. I.7-h).

    I.2.2. Classificao quanto a variao relativa da espessura da pea

    Nesta classificao pode-se distinguir entre os PROCESSOS DE DEFORMAO

    MACIA ou VOLUMTRICA nos quais a espessura da pea substancialmente alterada; e

    PROCESSOS DE CONFORMAO DE CHAPAS, nos quais cada variao da espessura da pea

    muito limitada, em geral insignificante para fins prticos.

  • 12

    I.2.3. Classificao quanto ao regime de operao*.

    tambm ti1 a seguinte distino: (a) Processos executados em REGIME

    ESTACIONRIO (PERMANENTE) nos quais a forma geomtrica da regio que sofre deformao

    plstica em cada instante (zona de deformao) se mantm constante durante toda a operao;

    exemplos tpicos so os processos contnuos, como laminao e trefilao. (b) Processos executados

    em REGIME NO-ESTACIONRIO (TRANSIENTE), nos quais a geometria da zona de

    deformao muda continuamente durante a operao; exemplos tpicos so o forjamento e a maior

    parte das operaes de conformao de chapas.

    *Processos com zona de deformao localizada - laminao, trefilao, extruso.

    Processos com zona de deformao generalizada - embutimento (estampagem profunda),

    forjamento.

    I.2.4. Classificao quanto ao propsito da deformao.

    Se o processo visa alterar a estrutura fundida de uma pea bruta atravs de passes sucessivos

    de deformao, e o produto semifabricado resultante se destina a ulterior conformao, chamado

    PROCESSO PRIMRIO ou OPERAO DE PROCESSAMENTO. Nesta categoria se incluem,

    sobretudo operaes a quente de laminao ou de forjamento.

    Os chamados PROCESSOS SECUNDRIOS ou OPERAES DE FABRICAO

    propriamente dita, partem dos produtos de algum processo primrio e transformam-os em peas

    acabadas. Esta categoria abrange variantes especficas dos processos de deformao macia e todos

    os processos de conformao de chapas [1, 2].

  • 13

    II - ASPECTOS GERAIS DA CONFORMAO MECNICA DOS METAIS

    II.1. ESQUEMA GERAL DO PROCESSO DE CONFORMAO

    Para se ter uma noo das variveis mais importantes num processo de conformao,

    interessante visualiz-lo como um sistema total (Fig. II.1.1) .

    Primariamente o processo impe uma determinada mudana de forma ao material, a qual

    tem lugar num espao determinado entre as ferramentas (zona de deformao) e do modo imposto

    pela geometria destas, e a uma velocidade (taxa) tambm imposta pelo processo e que pode ser

    constante ou varivel durante o mesmo. O grau, o modo e a velocidade (taxa) da deformao

    influem no esforo necessrio ao processo (carga mecnica) e, portanto, na energia consumida. Um

    clculo terico preciso deste esforo necessitaria uma anlise detalhada da distribuio das

    deformaes locais, velocidades e tenses na zona de deformao.

    O material na zona de deformao oferece naturalmente uma resistncia mudana de

    forma, que do ponto-de-vista mecnico visualizada como uma tenso de escoamento. Esta

    funo das caractersticas do material como a composio qumica e a estrutura metalrgica

    (natureza, tamanho, forma e distribuio das fases presentes) e das condies impostas pelo

    processo tais como o tipo e o grau de deformao, a velocidade de deformao e a temperatura em

    que o material deformado.

    Fig. II.1.1: Esquema geral do processo de conformao

    Especialmente em condies de alta temperatura e/ou grande velocidade de deformao,

    podem se tornar importantes os fenmenos metalrgicos tais como recristalizao, transformaes

    de fases, precipitao, etc.

    Visto que o material tende sempre a se deslocar ao longo da superfcie das ferramentas, o

    atrito ao longo desta interface normalmente um fator inevitvel, mantendo uma relao com a

  • 14

    eficincia do sistema de lubrificao, e influindo na taxa de desgaste das ferramentas e no

    acabamento superficial do produto.

    Finalmente, a transferncia de calor da pea para as ferramentas importante,

    principalmente, quando a pea trabalhada em temperatura muito superior ambiente.

    II.2. DEFORMAO PLSTICA: ASPECTOS FENOMENOLGICOS

    Os fenmenos macroscpicos mais importantes inerentes deformao plstica dos metais

    podem ser prontamente observados em algumas situaes tpicas, como as abordadas a seguir.

    II.2.1. Trao uniaxial

    o caso do ensaio de trao da Engenharia, amplamente usado para fornecer informaes

    bsicas sobre resistncia e ductilidade dos materiais e como teste de aceitao para a especificao

    de materiais. Um corpo-de-prova de chapa ou de barra, com seco transversal constante,

    submetido a uma fora uniaxial trativa que cresce continuamente, ao mesmo tempo em que se

    registram tanto a fora como o alongamento da amostra. A partir desses dados se constri a curva

    tenso-deformao da engenharia (Fig. II.2.1).

    Fig. II.2.1: Curva de carga deslocamento (ou tenso deformao de engenharia) de um

    material encruvel

    Tenso e deformao nominais (ou de engenharia)

    A tenso usada nesta curva representa um valor mdio da tenso longitudinal na amostra,

    sendo obtida pela diviso da carga (fora aplicada), P, pela rea original, A0, da seco transversal

    do corpo-de-prova:

    0A

    PS (II.2.1)

  • 15

    A deformao utilizada a deformao linear mdia. obtida dividindo - se o alongamento

    do comprimento-base do corpo-de-prova, L, pelo valor original desse comprimento, L0:

    0

    0

    0 L

    LL

    L

    Le

    (II.2.2)

    A tenso e a deformao assim definidas so proporcionais carga e ao alongamento,

    respectivamente, a curva fora-deslocamento tem a mesma forma que a curva tenso-deformao da

    engenharia, podendo ser intercambiada com ela.

    Medidas da resistncia

    A deformao inicialmente elstica e, se o espcime fosse descarregado nesta faixa de

    tenso, suas dimenses iniciais seriam recuperadas. A deformao cresce linearmente com a tenso

    aplicada, sendo tanto menor quanto maior o mdulo elstico (mdulo de Young) do material, E:

    e = S / E (II.2.3)

    Quando a tenso excede um certo valor, denominado limite de escoamento ou tenso de

    cedimento, Y (ingl. "yield stress"), o espcime comea a sofrer deformao permanente (plstica).

    Para fins prticos, o limite de escoamento a tenso capaz de causar uma pequena quantidade de

    deformao plstica (tipicamente 0,2%, correspondendo ao limite Y0,2).

    OBS.: As unidades de tenso mais usadas so o kgf/mm2 (sistema tcnico), o Megapascal, MPa

    (sistema internacional) e as unidades inglesas psi (lb/pol2) e ksi (1.000 psi); os fatores de converso

    so: 1 MPa = 106 Pa = 10

    6 N/m

    2 = 1 N/mm

    2 = 1,45x10

    2 psi = 0,102 kgf/mm

    2

    1 kgf/mm2 = 1 , 42 x 10

    -4 psi = 9 , 806 MPa

    1 psi = 7,04 x 104 kgf/mm

    2 = 6,93 x 10

    -3 MPa

    A carga necessria para continuar a alongar o espcime continua crescendo mesmo depois

    de iniciado o regime plstico, indicando que o material vai se tornando mais resistente, ou

    endurecido, medida que deformado plasticamente. Tal processo de endurecimento intrnseco

    conhecido como encruamento, e decorre de fenmenos internos ao nvel da estrutura cristalina do

    metal, como ser visto mais adiante.

    Outra observao importante no que diz respeito aos metais que o volume se mantm

    constante durante a deformao plstica de qualquer tipo, de modo que no caso particular da trao

    uniaxial tem-se:

  • 16

    V = Ao.Lo = A.L (11.2.4)

    Onde: Ao e A so respectivamente o valor inicial e o instantneo da rea da seo transversal do

    corpo-de-prova.

    Assim, a seo transversal vai decrescendo uniformemente ao longo do comprimento

    medida que o espcime se alonga.

    Inicialmente o encruamento mais do que compensa esta diminuio de seo, de modo que a

    tenso da engenharia, proporcional carga, continua a crescer com o aumento da deformao.

    Finalmente, porm, chega-se a um nvel crtico de deformao em que a perda de resistncia por

    diminuio da seo ultrapassa o aumento de resistncia devido ao encruamento, e toda a

    deformao ulterior passa a se concentrar no ponto mais fraco do espcime, formando um

    estrangulamento local (pescoo) ou estrico. A partir deste ponto a carga necessria deformao

    diminui e se torna instvel, porque prossegue com carga decrescente at que ocorre a fratura no

    ponto de seo transversal mnima, Af.

    A tenso convencional mxima chamada limite de resistncia trao e simbolizada por

    Sr (ingl: "ultimate tensile strength", UTS) e, embora resulte de um clculo tecnicamente inexato,

    amplamente usada na prtica como indicao da resistncia, bem como em alguns processos como

    estimativa da tenso de escoamento necessria para manter a deformao plstica.

    Medidas da ductilidade

    A deformao convencional final, ef, comumente denominada alongamento ou elongao:

    L

    LLe

    f

    f

    0

    0

    (II.2.5)

    Como pode ser observado na Fig. II.2.1, ela inclui tanto o alongamento uniforme como o

    localizado devido estrico. Trata-se, portanto de um valor composto que tambm sensvel ao

    comprimento - base empregada, j que uma menor base de medidas faria o mesmo material

    apresentar um valor maior de alongamento. Por isto tem de ser fornecido, juntamente com o valor

    do alongamento total, o comprimento - base sobre o qual ele foi medido.

    Outra medida freqentemente utilizada da ductilidade de um material a reduo de rea, q,

    medida sobre o corpo-de-prova fraturado:

    A

    AA fq

    0

    0

    (II.2.6)

    Pode-se mostrar que q uma medida da capacidade do material para resistir a tenses

    trativas triaxiais, estando, portanto relacionada a conformabilidade do material em diversos

    processos [2].

  • 17

    Tenso e deformao reais

    A maneira tecnicamente correta de calcular a tenso real suportada pelo espcime tracionado

    dividir-se a carga pelo valor instantneo da rea da seco transversal:

    = P/A (II.2.7)

    Se, por sua vez, a deformao calculada com base no comprimento instantneo do

    corpo-de-prova, L, e no no comprimento inicial, tem-se a chamada deformao real, ou natural, ou

    logartmica dada pela expresso:

    AL AL

    0

    0

    lnln (II.2.8)

    Se a deformao uniforme, ou seja, antes da estrico, pode-se obter os valores reais a

    partir dos nominais atravs das relaes [1]:

    = S(e+1) (II.2.9)

    = ln(e+1) (II.2.10)

    A diferena entre os valores reais e os nominais s se torna importante, na prtica, para

    deformaes acima de 0,1.

    A curva de tenso versus deformao reais chamada curva de escoamento do material em

    trao uniaxial (Fig.II.2.2-a). Note-se que, ao contrrio da curva convencional, ela sempre

    crescente, uma vez que o material continua a encruar mesmo depois de iniciada a estrico, at a

    fratura. Havendo estrico, a tenso real calculada com base na rea transversal mnima do

    pescoo e a deformao real dada por ln (A0/A) e as relaes II.2.9 e II.2.10 no so mais vlidas.

    Equaes empricas para a curva de escoamento

    Num grande nmero de casos o trecho plstico da curva de escoamento pode ser

    representado, no todo ou em parte, por uma expresso relativamente simples, em geral exponencial

    (lei de encruamento). Formas comuns so:

    = Kn (equao de Hollomon) (II.2.11)

    = o+K1n1

    (equao de Ludwik) (II.2.12)

    = K2(o+)n2

    (equao de Swift) (II.2.13)

    Sendo: K, n, 0, K, nl, K2, 0, n2 parmetros empricos que dependem do material e da temperatura.

    Destas a mais utilizada a II.2.11, por sua simplicidade; K chamado coeficiente de

    resistncia e n o expoente (ou coeficiente) de encruamento. K e n so prontamente determinados

    traando-se a curva tenso-deformao em papel log-log: K a tenso para deformao igual a 1 e

    n a inclinao da reta resultante (Fig.II.2.2-b).

  • 18

    O coeficiente de encruamento, n, importante para se estimar a conformabilidade do

    material, porque um valor alto de n significa maior resistncia a estrico: ao iniciar-se a formao

    de qualquer pescoo no espcime tracionado, ali se concentra a deformao e o pescoo endurece

    mais rapidamente do que as pores adjacentes, tendendo, portanto a transferir para estas a

    deformao. Pode-se mostrar que, para um material que obedece a equao II.2.11, o valor de n

    numericamente igual deformao uniforme mxima u, i.e., a deformao natural calculada para o

    incio da estrico, representando portanto tambm uma medida da ductilidade do material.

    Materiais com n mais elevado prestam-se melhor a operaes de conformao que envolvam trao,

    pois o aparecimento de estrico numa pea pode levar inutilizao da mesma.

    Fig. II.2.2: Curva tenso deformao reais de um material que obedece a lei de

    encruamento exponencial, (a) em escala normal e (b) em escala log-log

    Estado de tenso e de deformao

    Finalmente, interessante ilustrar-se o estado de tenso e de deformao que tem lugar num

    elemento de volume do corpo-de-prova tracionado. Seja z o eixo de trao; representando-se as

    tenses e deformaes principais por vetores, tem-se a situao mostrada na Fig. II.2.3. Nota-se que

    o estado de deformao triaxial (x e y so negativos, por representarem contraes nas direes

    transversais), embora o estado de tenses seja uniaxial. Pode-se mostrar que, no regime plstico, em

    virtude da constncia do volume,

    x+y+z = 0 (11.2.14)

    e, se o material mecanicamente istropo, x = y = -z /2.

  • 19

    Fig. II.2.3: Elemento de volume de um corpo submetido a trao uniaxial, mostrando (a) o

    estado de tenso; (b) o estado de deformao

    II.2.2. Compresso uniaxial

    A compresso axial de um cilindro curto entre placas planas simula, de modo mais ou

    menos simplificado, diversas operaes de forjamento e serve como ensaio para determinar a tenso

    de escoamento em aplicaes de conformao. No existe problema de estrico e o ensaio pode ser

    realizado at deformaes superiores a 2,0 se o material dctil. Por outro lado, a obteno da

    curva de escoamento no simples como na trao, porque o atrito entre o corpo de prova e as

    ferramentas de compresso - que pode ser diminudo por lubrificao, mas nunca totalmente

    eliminado - gera uma resistncia adicional e torna a deformao do corpo heterognea, fazendo-o

    assumir a forma de barril. Este problema ser tratado com maior detalhe no captulo sobre

    Forjamento.

    Se a deformao razoavelmente homognea, um cilindro de dimetro D0 e altura inicial ho,

    ao ser comprimido at a altura h aumentar seu dimetro at D de acordo com a lei da constncia de

    volume: Do2ho = D

    2h

    A tenso real para uma fora compressiva P ser dada por: = 4P/D2 (II.2.15)

    E a deformao natural por: = ln(h/ho) (II.2.16)

    Os estados de tenso e deformao correspondentes so mostrados na Fig.II.2.4.

    Fig. II.2.4: Compresso uniaxial (a) esquema do ensaio; (b) estado de tenso; (c) estado de

    deformao

  • 20

    II.2.3. Deformao plana

    Muitos processos de deformao de interesse prtico ocorrem sob condies tais que h

    pouco ou nenhum deslocamento de material em uma dada direo, ou seja, a deformao em uma

    das direes principais desprezvel ou nula. Tal situao denominada deformao plana, ou

    biaxial (ingl. "plane strain"). A tenso dominante pode ser tanto trativa como compressiva.

    De vez que um material plstico tende em princpio a se deformar em todas as direes, para

    desenvolver-se um estado de deformao plana preciso que o escoamento fique impedido em uma

    direo. Tal restrio pode ser produzida por um anteparo externo lubrificado, tal como as paredes

    de uma matriz (Fig. II.2.5-a) , ou pode surgir numa situao em que somente parte do material sofre

    deformao e o restante, fora da regio plstica, impede o espalhamento desta regio (Fig. II.2.5-b).

    Encontram-se situaes de deformao plana no forjamento, na laminao de tiras e chapas, na

    trefilao de tubos, no dobramento de chapas largas, no embutimento e, em geral, no processamento

    de formas basicamente planas.

    Fig. II.2.5: Maneiras esquemticas de produzir deformao plana: (a) num forjamento em

    matriz (o material se expande apenas na direo y); (b) num puncionamento

    No chamado ensaio de compresso plana ou ensaio Ford [1], duas placas rgidas so

    carregadas contra uma tira ou chapa de modo a comprimir uma zona estreita de metal ao longo da

    largura, produzindo escoamento atravs da espessura (Fig. II.2.6-a). Os estados de deformao e de

    tenso num elemento da zona plstica so representados na Fig. II.2.6-b e -c. Com lubrificao

    adequada o atrito nas interfaces tira-placa pode ser praticamente eliminado, de modo que a tira fica

    livre para alongar-se na direo 1, onde = 0. A restrio imposta pelo material no tensionado de

    ambos os lados da zona plstica - traduzida mecanicamente pela tenso compressiva 2 - evita que

    a tira se deforme na direo da largura, tal como se verificaria numa laminao (Fig. II.2.7). O

    ensaio simula tambm o estado de tenso encontrado neste processo.

  • 21

    Fig. II.2.6: (a) Esquema do ensaio Ford (compresso plana); (b) estado de deformao; (c)

    estado de tenso.

    Fig. II.2.7: Esquema da laminao de uma placa, mostrando o estado de deformao plana

    (largura inalterada)

    A condio 2 = 0 usualmente obtida se w/b5 e b/h est entre 2 e 4 [1, 7]. A tenso e a

    deformao verdadeiras neste ensaio podem ser determinadas pelas seguintes expresses:

    cp = 3 =P/wb (II.2.17)

    cp = - 3 = ln(h0/h) (II.2.18)

    A Fig.II.2.8 mostra resultados obtidos pelo ensaio Ford temperatura ambiente em ao

    doce, cobre e alumnio [10].

    A presso mdia sob as placas compressivas cerca de 15,5% maior do que seria no ensaio

    correspondente de compresso simples (uniaxial com deformao triaxial). A curva

    tenso-deformao reais na compresso simples (cs versus cs) pode ser obtida a partir da curva

    correspondente de compresso plana (cp X cp) mediante as relaes [1].

    cs 3 cp/2 (II.2.19)

  • 22

    cs 2 cp/ 3 (II.2.20)

    Fig. II.2.8: Curvas exponenciais de escoamento em compresso plana para ao doce, cobre e

    alumnio temperatura ambiente

    Um exemplo de deformao plana com trao encontrado na parede de um copo que est

    sendo embutido, onde a presena do estampo impede a contrao circunferencial da pea, podendo

    o material apenas estirar-se na direo de embutimento (axial) e diminuir na direo da espessura

    (Fig. II.2.9).

    Fig. II.2.9: Esquema de embutimento de um copo cilndrico (a) mostrando o estado de

    tenso (b) e o estado de deformao (c) na parede do copo durante a operao

    II.3. ASPECTOS CRISTALOGRFICOS DA DEFORMAO PLSTICA

    Aps descoberta da difrao de raios X atravs de cristais metlicos, por Von Laue, em

    1912 e constatao de que os metais so fundamentalmente constitudos de tomos dispostos em

    redes geomtricas especficas, tm sido realizadas inmeras investigaes das relaes entre a

    estrutura atmica e o comportamento plstico dos metais. A anlise difratogrfica mostra que os

    tomos num cristal metlico esto arranjados em um padro tridimensional regular e repetido no

    espao.

  • 23

    Quando observada ao microscpio tico, a superfcie de um cristal metlico deformado

    plasticamente apresenta degraus (fig. II.3.la), sugerindo que a deformao ocorre pelo deslizamento

    de uma parte do cristal sobre a outra. Sob ampliaes maiores cada degrau aparece composto de

    muitos degraus menores (fig. II.3.1b), indicando que ocorre um deslocamento ao longo de certos

    planos preferenciais (planos de deslizamento). Tal efeito fcil de visualizar, considerando-se um

    cristal em escala atmica sob ao de uma tenso cisalhante ele pode assumir a configurao

    mostrada na figura II.3.2.

    O deslizamento, porm no ocorre pelo movimento em massa de pores adjacentes inteiras

    do cristal, mas pelo movimento de defeitos lineares (discordncias ou deslocaes) nos planos de

    deslizamento preferenciais. Em seu conceito mais simples, uma discordncia pode ser considerada

    como uma linha ou plano extra de tomos inserido na estrutura (fig. II.3.lc); assim, basta que esta

    linha extra de tomos se mova ao longo do plano de deslizamento, em vez de se moverem centenas

    de milhares de tomos ao mesmo tempo sobre toda a superfcie de deslizamento. Muitas das

    caractersticas da deformao dos metais podem ser interpretadas considerando-se a facilidade com

    que essas discordncias podem se mover e os obstculos que podem impedir ou deter o seu

    movimento.

    Fig. II.3.1: Deformao de um monocristal em trao (a) com baixa ampliao, (b) com alta

    ampliao, e (c) na escala atmica

    Fig. II.3.2: Efeito da tenso cisalhante em um cristal

    importante notar que, para que a deformao plstica comece, as tenses cisalhantes tm

    que atingir um valor crtico sobre o plano de deslizamento [1, 2].

  • 24

    de se esperar que o deslizamento das discordncias seja mais fcil sobre os planos que

    possibilitem o movimento mais suave, menos irregular. De fato se constata que o deslizamento

    ocorre mais prontamente nos planos mais compactos e ao longo das direes cristalogrficas de

    maior densidade atmica da estrutura.

    Como se sabe, muitos metais comuns (ex.: Al, Ni, Cu, Ag, Au, Pb) apresentam a estrutura

    cbica de faces centradas (CFC) (fig. II.3.3a), que possui quatro planos equivalentes compactos (os

    planos octadricos {111}) com trs direes de deslizamento equivalentes , dando um total

    de 12 sistemas de deslizamento (i.e., combinaes de planos e direes de deslizamento)

    independentes. Assim, se o deslizamento ficar prejudicado sobre um dado plano por causa de

    obstculos ao movimento das discordncias, haver sempre a probabilidade de que algum outro

    sistema de deslizamento esteja orientado favoravelmente com relao s mximas tenses

    cisalhantes e possa entrar em operao. Conclui-se, portanto que os metais CFC devem ser muito

    deformveis em todas as temperaturas - o que de fato uma caracterstica dos metais citados acima,

    bem como do ferro acima de 906 0C, a temperatura de transformao para a forma CFC (chamado

    ferro gama, ou austenita) [2].

    A estrutura cbica de corpo centrado (CCC) (fig. II.3.3b), apresentada pelo ferro alfa

    (abaixo de 906 0C), titnio beta (acima de 880

    0C) e Nb, Cr, Ta, Mo, V, W, no possui planos

    compactos como os {111} da CFC, mas contm direes compactas nas diagonais dos cubos,

    . Os planos {110} so os de maior densidade atmica, mas h diversos outros planos de

    densidade quase igual e que tambm contm as direes , de modo que esta estrutura possui

    48 sistemas de deslizamento. Contudo, como os planos no so compactos, as tenses necessrias

    para iniciar o deslizamento so mais elevadas e a deformabilidade menor do que na estrutura CFC

    [1].

    A estrutura hexagonal compacta (HC) (fig. II.3.3c) possui apenas um plano compacto, o

    basal (0001), e trs direes compactas, as diagonais das bases ; existem portanto, em

    princpio, apenas trs sistemas de deslizamento. Metais como Zn, Cd, Mg a Co operam com tais

    sistemas, contudo, metais em que a relao entre a altura e a aresta basal da clula unitria, c/a,

    apreciavelmente menor do que o valor terico 1,6333 - como o caso do titnio alfa (c/a=1,587

    abaixo de 880C) e do zircnio - apresentam deslizamento preferencial sobre os chamados planos

    prismticos e piramidais (fig. II.3.3d). Em todos os casos, o nmero limitado de sistemas de

    deslizamento a razo para a ductilidade relativamente baixa dos metais HC [l].

  • 25

    Fig. II.3.3: Planos e direes de deslizamento (slip) nas estruturas (a) CFC, (b) CCC, (c)

    hexagonal com relao c/a alta, e (d) hexagonal com relao c/a baixa

    Maclao

    Freqentemente, a deformao nos metais HC ajudada pelo mecanismo denominado

    maclao (ou geminao), fenmeno que ocorre quando uma parte do cristal "flamba" assumindo

    uma nova orientao tal que forma uma imagem especular do restante no deformado do cristal (fig.

    II.3.4). Com isto, outros sistemas de deslizamento so trazidos para posies favorveis com

    respeito s tenses cisalhantes mximas, possibilitando maior deformao.

    Fig. II.3.4: Esquema de maclagem em metais CFC

    A maclao pode ser produzida por deformao mecnica em metais HC e CCC, sendo

    favorecida por baixas temperaturas a por altas velocidades de deformao; mas pode tambm ser

    produzida por um recozimento em seguida deformao. Os metais CFC, que normalmente no

  • 26

    formam maclas por deformao mecnica freqentemente passam a exibi-las ao serem recozidos

    aps uma deformao a frio. A presena de maclas na microestrutura de um metal recozido ,

    portanto uma boa indicao de que ele foi deformado plasticamente antes do recozimento.

    Deformao de monocristais

    A quantidade de deformao sofrida por um monocristal solicitado mecanicamente depende

    da magnitude da tenso cisalhante produzida pelas foras externas, da geometria da estrutura

    cristalina e da orientao dos planos de deslizamento ativos com respeito s tenses cisalhantes. O

    deslizamento comea quando a tenso cisalhante sobre o plano de deslizamento e paralela direo

    de deslizamento atinge um valor limite chamado tenso cisalhante crtica resolvida (TCCR). Este

    valor o equivalente, para o monocristal, do limite de escoamento de uma curva tenso

    deformao de policristais, e depende basicamente da composio e da temperatura.

    Considere-se, por exemplo, um monocristal carregado em trao uniaxial. Se os extremos do

    cristal forem livres para se deslocar lateralmente, o deslizamento ocorrer uniformemente sobre

    todos os planos de deslizamento ao longo do corpo de prova (fig. II.3.5a). Nas mquinas de ensaio

    normais, porm, as garras tracionadoras (guias) se mantm alinhadas, de modo que o eixo do

    corpo-de-prova permanece fixo a os planos de deslizamento so obrigados a girar em direo ao

    eixo de trao, ocorrendo uma flexo nos planos da regio prxima s guias (fig. II.3.5b). tambm

    possvel, se o metal possui grande nmero de sistemas de deslizamento (caso tpico do sistema

    CFC), ocorrer um duplo deslizamento, com dois ou mais planos de deslizamento operando

    simultnea ou alternadamente (fig. II.3.5c).

    Em geral, portanto, durante a deformao ocorre no s um deslizamento de partes do cristal

    umas com relao s outras, mas tambm uma rotao dos planos de deslizamento, sobre a direo

    de solicitao no caso de tracionamento e transversalmente a ela no caso de compresso.

    Policristais e textura

    Os produtos metlicos comerciais so em geral constitudos de um nmero enorme de

    cristais individuais, ou gros, agregados entre si. Quando um policristal sofre deformao plstica, a

    continuidade e coeso entre os gros so mantidas, contudo, como gros vizinhos podem ter

    orientaes muito diferentes entre si, poder haver considerveis diferenas em deformao e

    tenso locais entre gros vizinhos e dentro de cada gro. comum ocorrerem rotaes da rede

    cristalina de cada gro.

    Em conseqncia dessas rotaes da rede cristalina, um metal policristalino que sofreu uma

    severa deformao - por laminao ou trefilao, por exemplo - desenvolve uma orientao

    preferencial, ou textura cristalogrfica, na qual certos planos cristalinos tendem a se orientar de

  • 27

    maneira preferencial com respeito direo de mxima deformao. O tipo de orientao

    preferencial que se desenvolve depende primariamente do nmero e tipo de sistemas de

    deslizamento disponveis na estrutura cristalina e das deformaes principais, bem como, em alguns

    casos, da temperatura. Um nmero pequeno de sistemas de deslizamento disponveis favorece a

    formao de uma determinada textura; assim, os metais de estrutura hexagonal desenvolvem uma

    forte textura aps deformaes relativamente pequenas (20 a 30%), enquanto que os metais CFC s

    passam a apresent-la, e de modo menos intenso, aps deformaes da ordem de 50%.

    Fig. II.3.5: Deformao de um monocristal em trao (a) com deslocamento transversal, (b)

    sem deslocamento transversal, e (c) com duplo deslizamento

    Nos arames, fios e barras trefilados ou laminados a textura que se desenvolve normalmente

    simtrica com relao ao eixo longitudinal da pea, apresentando uma certa direo cristalogrfica

    paralela a este eixo (textura fibrosa). Nos metais CCC esta direo ; nos CFC pode ser

    tanto (predominante no Al) como (predominante em Ag, Cu, lato). Nos HC, p.ex. no

    Mg, a direo coincide com o eixo da pea.

    Nas chapas laminadas a textura descrita pelos planos cristalogrficos paralelos superfcie

    da chapa bem como pelas direes cristalogrficas deste plano que ficam paralelas direo de

    laminao. Nos metais CFC encontram-se as texturas {110} e {112} ; nos CCC

    predomina {100} e nos HC o plano basal tende a ficar paralelo ao plano da chapa com as

    direes alinhadas na direo de laminao.

    Macroscopicamente o desenvolvimento de tais texturas fica evidente nas variaes do

    mdulo de elasticidade, limite de escoamento, alongamento e muitas outras propriedades conforme

  • 28

    a direo em que so medidas (anisotropia plstica). A caracterizao mais conveniente realizada

    atravs da medio das deformaes transversais em ensaios de trao de amostras de chapas.

    Num material istropo (sem textura) a deformabilidade a mesma em todas as direes, o

    caso de um agregado policristalino cujos gros estejam orientados de maneira totalmente aleatria.

    Assim, uma amostra de chapa submetido a trao simples mostraria iguais deformaes na largura,

    w , e na espessura, t. A razo entre elas, chamada razo ou ndice de anisotropia plstica, R = w

    /t), seria igual a um (fig. II .3.6a).

    Devido tambm existncia de anisotropia no plano da chapa, geralmente so definidos dois

    parmetros:

    a) Coeficiente de anisotropia normal ( R ):

    4

    .2 90450 RRRR

    (II.3.1)

    onde: Ro, R45 e R90 so os valores de R medidos a 0, 45 e 90 com a direo de laminao

    (fig.II.3.6b).

    Este parmetro indica a habilidade de uma certa chapa metlica resistir deformaes na

    espessura, quando submetida a foras de trao e/ou compresso, no plano da mesma.

    b) Coeficiente de anisotropia planar (R):

    2

    .2 90450 RRRR

    (II.3.2)

    O coeficiente de anisotropia planar indica a diferena de comportamento mecnico que o

    material pode apresentar no plano da chapa.

    Fig. II.3.6: Medio da anisotropia num ensaio de trao: (a) definio das deformaes, e

    (b) definio das direes de ensaio

  • 29

    Um material isotrpico tem R = 1 e R = 0. Um valor de R 1 indica que a resistncia da

    chapa na direo da espessura maior do que na largura (diz-se que a chapa est reforada por

    textura), o que vantajoso em operaes de embutimento; em caso contrrio, a chapa dita

    amolecida por textura. Nos metais CCC, como os aos, consegue-se na prtica valores de R at 2,0;

    metais HC, como o titnio, permitem R da ordem de 5 a 6.

    A tendncia a formao de orelhas na estampagem funo da anisotropia planar.

    As "orelhas" se formam a 0 e 90 com a direo de laminao, quando o coeficiente de anisotropia

    planar (R) maior que zero e a 45 e 135 com a direo de laminao, quando o coeficiente de

    anisotropia planar menor que zero.

    Efeito do tamanho de gro

    Os contornos de gro podem ser fontes de discordncias, mas tambm representam barreiras

    para o movimento delas. Assim, em geral, em temperaturas inferiores a 50% do ponto de fuso do

    material em graus absolutos, a resistncia de um metal cresce com tamanho do gro decrescente de

    acordo com a chamada relao de Hall-Petch.

    D

    k 0

    Onde: D o dimetro mdio dos gros, o uma tenso de frico interna do material e k uma

    constante que funo do material.

    O controle do tamanho de gro durante a fabricao um meio poderoso de melhorar as

    propriedades tanto de fabricao como de servio dos materiais.

    II.4. EFEITO DA TEMPERATURA NA CONFORMACO

    II.4.1. Classificao dos processos quanto a temperatura

    Os processos de conformao so comumente classificados em operaes de trabalho a

    quente, a morno e a frio. O trabalho a quente definido como a deformao sob condies de

    temperatura e taxa de deformao tais que processos de recuperao e recristalizao ocorrem

    simultaneamente com a deformao. De outra forma, o trabalho a frio a deformao realizada sob

    condies em que os processos de recuperao e recristalizao no so efetivos. No trabalho a

    morno ocorre recuperao, mas no se formam novos gros (no h recristalizao).

    No trabalho a quente, devido a intensa vibrao trmica que facilita muito a difuso de

    tomos e a mobilidade e aniquilamento das discordncias o encruamento e a estrutura distorcida dos

    gros produzida pela deformao so muito rapidamente eliminados pela formao de novos gros

    livres de deformao, como resultado da recristalizao. possvel conseguir grandes nveis de

  • 30

    deformao, uma vez que os processos de recuperao e recristalizao acompanham a deformao.

    Ele ocorre a uma tenso constante e, como a tenso de escoamento plstico decresce com o

    aumento da temperatura, figura II.4.1, a energia necessria para a deformao geralmente muito

    menor para o trabalho a quente do que para o trabalho a frio ou a morno.

    No trabalho a frio, como o encruamento no aliviado, a tenso aumenta com a deformao.

    Assim a deformao total, que possvel de se obter sem causar fratura menor no trabalho a frio

    do que no trabalho a quente e a morno, a menos que seus efeitos sejam aliviados por tratamentos

    trmicos de recozimento.

    Figura II.4.1- Variao da tenso de compresso com a deformao em funo da temperatura para

    um ao de baixo carbono

    No trabalho a morno ocorre uma recuperao parcial da ductilidade do material e a tenso de

    conformao situa-se numa faixa intermediria entre o trabalho a frio e a quente.

    Costuma-se definir, para fins prticos, as faixas de temperaturas do trabalho a quente, a

    morno e a frio baseadas na temperatura homloga, que permite a normalizao do comportamento

    do metal, figura II.4.2. Em um metal puro que no sofre transformao de fase no estado slido, os

    pontos de referncia em termos de temperatura so o zero absoluto e o ponto de fuso, que quando

    em grau Kelvin fornecem os pontos extremos da escala homloga de temperaturas.

    Em termos de conformao mecnica, chama-se de trabalho a quente (TQ) aquele que

    executado em temperaturas acima de 0,5Tf, trabalho a morno (TM), executado na faixa

    compreendida (grosseiramente) entre 0,3 e 0,5 Tf e trabalho a frio (TF) aquele que executado entre

    0 e 0,3 Tf .

  • 31

    Figura II.4.2- Representao da temperatura homloga e da faixa de temperaturas onde ocorre:

    trabalho a frio (TF), a morno (TM) e a quente (TQ).

    importante compreender que a distino bsica entre TQ e TF , portanto, funo da

    temperatura em que ocorre a recristalizao efetiva do material. Assim, embora para muitas ligas

    comerciais a temperatura do TQ seja realmente elevada em relao ambiente, para metais como

    Pb e Sn, que se recristalizam rapidamente temperatura ambiente aps grandes deformaes, a

    conformao temperatura ambiente TQ. Por outro lado, a conformao a 1100oC TF para o

    tungstnio, cuja temperatura de recristalizao superior a esta, embora seja TQ para o ao.

    II.4.2- Trabalho a frio

    O trabalho a frio acompanhado do encruamento (ingls strain hardening) do metal, que

    ocasionado pela interao das discordncias entre si e com outras barreiras tais como contornos de

    gro que impedem o seu movimento atravs da rede cristalina. A deformao plstica produz

    tambm um aumento no nmero de discordncias, as quais, em virtude de sua interao, resultam

    num elevado estado de tenso interna na rede cristalina. Um metal cristalino contm em mdia 106 a

    108 cm de discordncias por cm

    3, enquanto que um metal severamente encruado apresenta cerca de

    1012

    cm de discordncias por cm3. A estrutura caracterstica do estado encruado quando examinada

    ao microscpio eletrnico apresenta, dentro de cada gro, regies pobres em discordncias cercadas

    por um emaranhado altamente denso de discordncias nos planos de deslizamento.

    Tudo isto resulta macroscopicamente num aumento de resistncia e dureza e num

    decrscimo da ductilidade do material, figura II.4.3. Num ensaio de trao, isso se traduz no

    aumento da tenso de escoamento, Y, e do limite de resistncia, Sr, bem como no decrscimo do

    alongamento total (alongamento na fratura), ef.

    As figuras II.4.3 e II.4.4a mostram que o limite de escoamento, Y, cresce mais rapidamente

    e se aproxima do limite de resistncia, Sr, enquanto que a ductilidade expressa aqui como ef cai

    de modo bastante brusco aps uma limitada quantidade de trabalho a frio. A microestrutura

    tambm muda, com os gros se alongando na direo de maior deformao, e podendo o material

    como um todo desenvolver propriedades direcionais (anisotropia).

  • 32

    O TF empregado para produzir peas de alta resistncia e dureza. Nos casos em que a

    ductilidade do material se esgota levando fratura antes de ser atingida a forma desejada,

    preciso intercalar-se uma ou mais operaes de recozimento entre estgios de TF, a fim de amolecer

    o metal encruado e restaurar-lhe a ductilidade. A seqncia de passes de TF e recozimentos

    intercalados chamada de ciclo de trabalho a frio recozimento.

    Figura II.4.3 : Aumento do limite de escoamento e de resistncia trao e diminuio do

    alongamento (e reduo de rea na fratura) com o encruamento devido ao trabalho a frio.

    II.4.3 - Processos de restaurao

    O efeito do TF pode ser reduzido ou mesmo eliminado pela manuteno do material a uma

    temperatura suficientemente elevada para que a vibrao trmica dos tomos permita maior

    mobilidade das discordncias. Em temperaturas de cerca de 0,3 0,5 Tf, as discordncias so

    bastante mveis para formar arranjos regulares e mesmo se aniquilarem (somente as discordncias

    de sinais opostos) formando uma estrutura celular (subgros) com uma pequena defasagem de

    orientao cristalogrfica entre as clulas. Este processo chamado de RECUPERAO. um

    processo que depende do tempo (figura II.4.4b) e, embora no mude a microestrutura, restaura

    parcialmente a maciez (menor resistncia e maior ductilidade).

    A maciez original inteiramente restaurada pelo aquecimento acima de T= 0,5 Tf, quando se

    formam novos gros com baixa densidade de discordncias, os quais crescem continuamente at

    que a estrutura toda esteja RECRISTALIZADA. A microestrutura resultante equiaxial, muito

    embora possa ser retida ou mesmo desenvolvida uma textura cristalogrfica (textura de

    recozimento). Tal processo de recozimento envolve difuso e , portanto, grandemente dependente

    da temperatura e do tempo, figura II.4.4c.

  • 33

    A temperatura de 0,5 Tf apenas uma referncia aproximada, pois mesmo pequenos teores

    de elemento de liga podem retardar substancialmente a formao de novos gros e, portanto elevar a

    temperatura de recristalizao.

    Na prtica, a temperatura de recristalizao convencionalmente definida como aquela em

    que o metal severamente encruado recristaliza totalmente em uma hora. A tabela II.4.1 apresenta as

    temperaturas de recristalizao para alguns metais e ligas de uso comum.

    Figura II.4.4: Alteraes na resistncia, ductilidade e microestrutura durante (a) trabalho a frio, (b)

    recuperao e (c) recristalizao.

    Em alguns metais o processo de recuperao aumenta a ductilidade mais do que diminui a

    resistncia, sendo ento possvel controlar as propriedades finais do produto deformado por meio de

    um severo trabalho a frio seguido de um recozimento de recuperao. A recuperao restaura

    grande parte da ductilidade sem reduzir muito a resistncia.

    Em resumo, os principais fatores que afetam a recristalizao so:

    1. Uma quantidade mnima de deformao prvia: se o trabalho a frio prvio zero, no h energia

    de ativao para a recristalizao e ficam mantidos os gros originais;

    2. Quanto maior a deformao prvia, menor ser a temperatura de recristalizao;

    3. Quanto menor a temperatura, maior o tempo necessrio recristalizao;

    4. Quanto maior a deformao prvia, menor ser o tamanho de gro resultante (pois ser maior o

    nmero de ncleos a partir dos quais crescero os novos gros).

    OBS: Uma estrutura de gros grosseiros apresenta baixas propriedades mecnicas, ao passo que um

    tamanho de gro fino fornece ao material alta resistncia e tenacidade.

    5. Adies de elementos de liga tendem a aumentar a temperatura de recristalizao (pois retardam

    a difuso).

  • 34

    Os efeitos do TF prvio e da temperatura de recozimento sobre o tamanho de gro do

    material recozido, para um tempo de recozimento constante, esto esquematizados na figura II.4.5.

    Tabela II.4.1: Temperaturas de Recristalizao para alguns metais e ligas de uso comum

    MATERIAL Temperatura de Recristalizao (oC)

    Cobre Eletroltico (99,999%)

    Cu 5% Zn

    Cu 5% Al

    Cu 2% Be

    Alumnio Eletroltico (99,999%)

    Alumnio (99,0%)

    Ligas de Alumnio

    Nquel (99,99%)

    Monel (Ni Cu)

    Ligas de Magnsio

    Ferro Eletroltico

    Ao de Baixo Carbono

    Zinco

    Chumbo

    Estanho

    121

    315

    288

    371

    279

    288

    315

    571

    593

    252

    398

    538

    10

    -4

    -44

    Embora os recozimentos aumentem o custo do processo (sobretudo com metais reativos, que

    tm de ser recozidos em atmosferas inertes ou em vcuo), fornecem tambm grande versatilidade,

    pois ajustando-se adequadamente o ciclo TF- recozimento, pode-se obter qualquer grau desejado de

    encruamento no produto final:

    Se este para ser mais resistente do que o material integralmente recozido, ento a operao

    final um passe de TF com o grau de deformao necessrio para dar a resistncia desejada,

    seguindo-se geralmente um aquecimento de recuperao (abaixo da temperatura de

    recristalizao) apenas para aliviar as tenses residuais;

    Obs: este procedimento mais adequado do que tentar controlar a resistncia da pea encruada por

    recozimento, porque o processo de recristalizao avana rapidamente e muito sensvel a

    pequenas flutuaes de temperatura no forno.

    Se o que se quer o material inteiramente amolecido, ento o recozimento a operao final.

    habitual produzir-se artigos trabalhados a frio (como tiras, chapas e fios) com diferentes

    classificaes, dependendo do grau de encruamento, conforme mostrado na tabela II.4.2, para

  • 35

    chapas de ao laminadas a frio. Cada estado (ingls temper) indica uma diferente porcentagem de

    trabalho a frio aps o ltimo recozimento. A classificao varia conforme o metal, sendo em geral

    baseada em valores comparativos do limite de resistncia trao, e no em valores de dureza de

    penetrao. Tambm nem todas as ligas admitem os graus de encruamento correspondentes s

    classes mais elevadas.

    Figura II.4.5: Efeito do trabalho a frio prvio e da temperatura de recozimento sobre o tamanho de

    gro do material recozido (para um tempo de recozimento constante).

    Nas aplicaes industriais, o grau de encruamento expresso freqentemente como uma

    medida convencional da deformao, como por exemplo: a reduo percentual em rea transversal

    da pea, r.

    r = Ao Af (1)

    Ao

    Onde: Ao e Af so as reas de seo transversal antes e aps a conformao, respectivamente.

    Na laminao a frio de uma chapa de espessura inicial h0 para a espessura final hf, a reduo

    pode ser obtida pela expresso 2, visto que a sua largura praticamente no varia durante a

    laminao.

    r = ho hf (2)

    h0

    Normalmente, as operaes de trabalho a frio recozimento so as etapas finais dos

    processos de conformao mecnica devido principalmente, as excelentes qualidades superficiais e

    tolerncias dimensionais. Os esforos de conformao so muito elevados o que restringe, em

    certos casos, o tamanho das peas produzidas e em alguns materiais, a conformao no pode ser

    realizada devido a baixa ductilidade do metal.

  • 36

    Tabela II.4.2 : Tabela comercial Brown & Sharp mostrando as diversas classificaes em funo do

    grau de encruamento

    Designao Comercial r (%) Classe B & S

    Chapa Recozida

    Chapa dura

    Chapa meio dura

    Chapa dura

    Chapa (100%) dura

    Chapa extradura

    Chapa com dureza de mola

    Chapa extramola

    Soft temper

    Quarter hard

    Half (medium) hard

    hard

    (full) hard temper

    extra-hard

    spring temper

    extra-spring

    0

    11

    21

    29

    37

    50

    60

    68

    -

    1

    2

    3

    4

    6

    8

    10

    II.4.4 - Trabalho a morno

    Os processos de deformao a morno objetivam aliar as vantagens das conformaes a

    quente e a frio. Dos processos de conformao a morno um dos mais difundidos e com maiores

    aplicaes industriais o forjamento.

    O trabalho a morno consiste na conformao de peas numa faixa de temperaturas onde

    ocorre o processo de recuperao, portanto, o grau de endurecimento por deformao

    consideravelmente menor do que no trabalho a frio.

    Existe alguma controvrsia sobre a faixa de temperaturas empregada na conformao a

    morno dos aos, mas certamente se torna importante entre 500 e 800C. A temperatura inferior de

    conformao limitada em aproximadamente 500C devido a possibilidade de ocorrncia da

    fragilidade azul em temperaturas mais baixas. Esta fragilizao aumenta a tenso de escoamento e

    diminui a ductilidade. Ela ocorre em temperaturas em torno de 200 a 400C onde, tomos

    intersticiais difundem-se durante a deformao formando atmosferas em torno das discordncias

    geradas, ancorando-as. O nome azul refere-se a colorao do xido formado na superfcie do ao

    nesta faixa de temperaturas.

    Com relao ao trabalho a quente o processo a morno apresenta melhor acabamento

    superficial e preciso dimensional devido diminuio da oxidao e da dilatao - contrao do

    material e da matriz. Estas caractersticas permitem se ter menores ngulos de sada (pode-se

    utilizar maiores cargas para a retirada da pea das matrizes sem deformar o produto).

    A maior desvantagem da conformao a morno com relao ao processo a quente o

    aumento do limite de escoamento que ocorre com o abaixamento da temperatura de deformao.

    O aumento da carga de conformao implicar na necessidade de se empregar prensas mais

  • 37

    potentes e ferramentas mais resistentes. Os tarugos para a conformao, por sua vez, podem

    requerer decapagem para remoo de carepa e utilizao de lubrificantes durante o processo.

    Em relao ao trabalho a frio o processo a morno apresenta reduo dos esforos de

    deformao, o que permite a conformao mais fcil de peas com formas complexas,

    principalmente em materiais com alta resistncia. A conformao a morno melhora ainda a

    ductilidade do material e elimina a necessidade de recozimentos intermedirios que consomem

    muita energia e tempo.

    II.4.5 - Trabalho a quente

    O trabalho a quente a etapa inicial na conformao mecnica da maioria dos metais e ligas.

    Este trabalho no s requer menos energia para deformar o metal e proporciona maior habilidade

    para o escoamento plstico sem o surgimento de trincas como tambm ajuda a diminuir as

    heterogeneidades da estrutura dos lingotes fundidos devido as rpidas taxas de difuso presentes s

    temperaturas de trabalho a quente. As bolhas de gs e porosidades so eliminadas pelo caldeamento

    destas cavidades e a estrutura colunar dos gros grosseiros da pea fundida quebrada e refinada

    em gros equiaxiais recristalizados de menor tamanho. As variaes estruturais devido ao trabalho a

    quente proporcionam um aumento na ductilidade e na tenacidade, comparado ao estado fundido.

    Geralmente, a estrutura e propriedades dos metais trabalhados a quente no so to

    uniformes ao longo da seo reta como nos metais trabalhados a frio e recozidos, j que a

    deformao sempre maior nas camadas superficiais. O metal possuir gros recristalizados de

    menor tamanho nesta regio. Como o interior do produto estar submetido a temperaturas mais

    elevadas por um perodo de tempo maior durante o resfriamento do que as superfcies externas,

    pode ocorrer crescimento de gro no interior de peas de grandes dimenses, que resfriam

    vagarosamente a partir da temperatura de trabalho.

    A maioria das operaes de TQ executada em mltiplos passes ou estgios; em geral, nos

    passes intermedirios a temperatura mantida bem acima do limite inferior do trabalho a quente

    para se tirar vantagem da reduo na tenso de escoamento, embora com o risco de um crescimento

    de gro. Como, porm, deseja-se usualmente um produto com tamanho de gro pequeno, a

    temperatura dos ltimos passes (temperatura de acabamento) bem prxima do limite inferior, e a

    quantidade de deformao relativamente grande. Pequenos tamanhos de gros daro origem a

    peas com melhor resistncia e tenacidade.

    II.4.5.1 - Vantagens e desvantagens do trabalho a quente

    De um ponto-de-vista prtico o TQ que o estgio inicial da conformao dos materiais e

    ligas apresenta um certo nmero de vantagens, mas tambm de problemas, como listado a seguir:

  • 38

    VANTAGENS:

    Menor energia requerida para deformar o metal, j que a tenso de escoamento decresce com o

    aumento da temperatura;

    Aumento da capacidade do material para escoar sem se romper (ductilidade);

    Homogeneizao qumica das estruturas brutas de fuso (e.g., eliminao de segregaes) em

    virtude da rpida difuso atmica interna;

    Eliminao de bolhas e poros por caldeamento;

    Eliminao e refino da granulao grosseira e colunar do material fundido, proporcionado gros

    menores, recristalizados e equiaxiais;

    Aumento da tenacidade e ductilidade do material trabalhado em relao ao bruto de fuso.

    DESVANTAGENS:

    Necessidade de equipamentos especiais (fornos, manipuladores, etc.) e gasto de energia para

    aquecimento das peas;

    Reaes do metal com a atmosfera do forno, levando as perdas de material por oxidao e

    outros problemas relacionados (p.ex., no caso dos aos, ocorre tambm descarbonetao

    superficial. Metais reativos, como o titnio, ficam severamente fragilizados pelo oxignio e tem

    de ser trabalhados em atmosfera inerte ou protegidos do ar por uma barreira adequada);

    Formao de xidos, prejudiciais para o acabamento superficial;

    Desgaste das ferramentas maior e a lubrificao difcil;

    Necessidade de grandes tolerncias dimensionais por causa das expanses e contraes

    trmicas;

    Estrutura e propriedades do produto so menos uniformes do que em caso de TF seguido de

    recozimento, pois a deformao, sempre maior nas camadas superficiais, produz nas mesmas

    uma granulao recristalizada mais fina, enquanto que as camadas centrais, menos deformadas e

    sujeitas a um resfriamento mais lento, apresentam crescimento de gros.

    II.4.6 - Gerao de calor na conformao mecnica

    Nos processos de conformao, tanto a deformao plstica quanto o atrito contribuem para

    a gerao de calor. Da energia empregada na deformao plstica de um metal, apenas 5 a 10%

    ficam acumulados na rede cristalina, sob a forma de energia interna, sendo os restantes 90 a 95%

    convertidos em calor. Em algumas operaes de conformaes contnuas, como extruso e

    trefilao, efetuadas em altas velocidades, a temperatura pode aumentar de centenas de graus. Uma

    parte do calor gerado dissipada (transmitido s ferramentas ou perdido para a atmosfera), mas o

    restante permanece na pea, elevando-lhe a temperatura.

  • 39

    Em condies idealmente adiabticas e sem atrito, o mximo acrscimo terico de

    temperatura devido deformao plstica dado pela expresso:

    Tmx = wp .

    .c.J

    Onde: wp = trabalho de deformao plstica por unidade de volume

    = densidade do material

    c = calor especfico do material

    J = equivalente mecnico do calor (4,19 Joule/cal)

    Para uma deformao, = 1,0 tem se Tmx igual a 74oC para alumnio, 277

    oC para ferro e

    571oC para o titnio.

    Se a velocidade de um dado processo alta, a perda de calor gerado ser pequena e o

    aumento efetivo da temperatura ser prximo do valor terico.

    Faixa de temperaturas de trabalho permissveis

    O limite inferior de temperatura para o trabalho a quente de um metal a menor temperatura

    para a qual a taxa de recristalizao rpida o bastante para eliminar o encruamento quando o metal

    est submetido aquela temperatura. Para um dado metal ou liga metlica a menor temperatura de

    trabalho a quente depender de fatores tais como a quantidade de deformao e do tempo em que o

    material estar submetido a temperatura em questo. Uma vez que quanto maior o nvel de

    deformao menor a temperatura de recristalizao, o limite inferior de temperatura para o

    trabalho a quente diminuir para grandes deformaes. Um metal trabalhado com elevada

    velocidade de deformao e resfriado rapidamente ir requerer uma temperatura de trabalho a

    quente maior do que se este for deformado e resfriado vagarosamente, para a obteno de um

    mesmo nvel final de deformao.

    O limite superior de trabalho a quente determinado pela temperatura em que ocorre o

    incio de fuso ou o excesso de oxidao. Geralmente, a temperatura mais elevada de trabalho a

    quente limitada bem abaixo do ponto de fuso devido a possibilidade de fragilizao quente

    (existncia de compostos com menor ponto de fuso). Basta uma pequena quantidade de um filme

    de constituinte com baixo ponto de fuso nos contornos de gro para fazer um material desagregar-

    se quando deformado (fragilidade a quente). Geralmente emprega-se Tmax Tf 55oC (ou Tf

    100oF) para evitar esta possibilidade.

    Para uma dada presso e temperatura de trabalho haver uma quantidade mxima de

    deformao que pode ser fornecida pea (limitao esta baseada na resistncia ao escoamento, e

    no na ductilidade), como mostrado na figura II.4.6.

  • 40

    Se a temperatura de pr - aquecimento do tarugo inicial aumenta, a resistncia diminui e a

    deformao aumenta para uma dada presso aplicada; assim, as curvas isobricas aumentam com

    a temperatura, que obviamente ser sempre inferior linha slidus.

    A fragilizao a quente limita a temperatura de trabalho a valores inferiores temperatura

    slidus.

    E visto que com taxas de deformao altas ficar retido mais calor na pea, a temperatura da

    mesma dever ser menor para evitar que ele atinja a faixa de fragilidade a quente.

    Figura II.4.6: Diagrama esquemtico mostrando o efeito da temperatura, presso e taxa de

    deformao sobre a faixa de trabalho permissvel.

    II.5. EFEITOS DA TAXA DE DEFORMAO

    Visto que todos os processos de restaurao exigem o movimento de tomos, o tempo

    disponvel para tais processos crtico; portanto, no TQ verifica-se uma substancial sensibilidade

    taxa de deformao aplicada pea (.

    ). Esta no deve ser confundida com a velocidade da

    ferramenta; e.g., no recalcamento (compresso axial) de um cilindro com altura instantnea h,

    movendo-se a ferramenta recalcadora com velocidade v, tem-se:

    h

    v

    dt

    dh

    hdt

    d .

    1. (II.5.1)

    Observa-se que, se o recalcamento executado com velocidade constante, a taxa de

    deformao cresce continuamente.

    De modo prtico os efeitos da taxa de deformao na conformao de metais so:

    A tenso de escoamento aumenta com.

    ;

    A temperatura da pea aumenta devido ao aquecimento adiabtico;

  • 41

    Melhora a lubrificao na interface metal-ferramenta, se a pelcula de lubrificante mantida.

    Para uma temperatura constante, a curva de escoamento pode ser aproximadamente plana

    aps o escoamento inicial, indicando que o encruamento e a restaurao esto grosseiramente se

    equilibrando, ou a curva pode ser ascendente, ou mesmo apresentar uma inflexo (amolecimento)

    (fig. II.5.1).

    Na maioria das vezes, verifica-se que a tenso de escoamento, a uma temperatura e nvel de

    deformao constantes, pode ser relacionada taxa de deformao por uma lei do tipo exponencial:

    T

    mC,

    (II.5.2)

    Onde: C um coeficiente de resistncia e m o expoente ou coeficiente de sensibilidade taxa de

    deformao.

    O expoente m pode ser obtido a partir da inclinao de uma curva de log vs. log .

    , que

    ser uma reta se a eq. (II.5.2) obedecida, sendo C o valor de tenso para .

    = 1,0 (fig. II.5.2).

    Portanto, no trabalho a quente a tenso de escoamento deve ser calculada com os valores

    apropriados de C e m, que so geralmente fornecidos em manuais para valores fixos de deformao.

    Se no se dispe dos valores de C e m para diversas deformaes, pode-se reduzir a margem de erro

    assumindo que no varia ao longo do processo (como na curva para .

    = 1s-1 na fg.II.5.1); no se

    deve extrapolar dados de tenso de escoamento obtidos em ensaios de baixa .

    , pois a sub-

    estimativa correspondente de pode ser muito grande.

    Fig. II.5.1: Curvas de escoamento tpicas no TQ

  • 42

    Fig. II.5.2: Grfico de tenso de escoamento vs taxa de deformao em escala log-log

    Um valor alto de m significa, naturalmente, que ser preciso um esforo muito maior para

    deformar o material com taxas de deformao elevadas. Mas implica tambm maior resistncia

    fratura em trao: uma vez que ao surgir um pescoo incipiente, a deformao fica a

    momentaneamente concentrada e o pescoo fica submetido a uma taxa de deformao mais alta do

    que o material adjacente no estriccionado; conseqentemente ele oferece maior resistncia

    deformao e no se estreita mais. Em vez disso, o pescoo se propaga ao longo de todo o

    comprimento (fig. II.5.3). Assim, verifica-se que (do mesmo modo que para o expoente de

    encruamento n) um valor alto de m tambm indica um maior valor possvel de alongamento, o que

    importante em operaes onde ocorre estiramento.

    Fig. II.5.3: Alongamento de materiais com alta sensibilidade taxa de deformao, em trao

    uniaxial

    Valores tpicos de m so:

    Trabalho a frio: -0,05 < m < 0,05

    Trabalho a quente: 0,05 < m < 0,3

    Superplasticidade: 0,3 < m < 0,7

    Fluido newtoniano (ex: vidro fundido) m = 1

  • 43

    A superplasticidade uma caracterstica de materiais com tamanho de gro pequeno, da

    ordem de lm (na maioria ligas bifsicas), em temperaturas acima de 0,4 Tf, onde a deformao

    ocorre primariamente por intenso deslizamento de contornos de gro e concomitante difuso. Este

    comportamento s ocorre para baixas taxas de deformao (geralmente inferiores a .

    = 0,01s-1);

    mas quando se verifica, a deformao exige um esforo muito reduzido e, em virtude da alta

    resistncia instabilidade plstica (devida ao alto valor de m), pode ser obtidos valores altssimos

    (da ordem de 1.000% ou mais). Assim, tcnicas desenvolvidas para a conformao de polmeros

    podem ser aplicadas a metais, como p. ex. o estiramento biaxial de chapas sob pequenas diferenas

    de presso (conformao por vcuo) e a moldagem por sopro. As tenses de escoamento

    encontradas so da ordem de 10 a 35 MPa. Este fato tem sido aproveitado no forjamento de

    superligas difceis de trabalhar (processo gatorizing) e na gravao de detalhes finos em outras

    aplicaes.

    A conformao com altas taxas de energia (ingl. HERF: high-energy-rate forming) um

    desenvolvimento relativamente recente que utiliza velocidades de at 200 m/s para executar

    forjamentos, extruses, conformao de chapas, etc. A energia provm da detonao de explosivos

    convencionais ou da liberao repentina de um gs sob alta presso; obtm-se alta dureza com

    pouca distoro macro ou microscpica. Produzem-se em geral peas grandes e em nmero

    limitado, algumas vantagens adicionais dos processos HERF so:

    Materiais de alta resistncia podem ser conformados com pequena recuperao elstica;

    Metal preenche prontamente todos os recessos da matriz;

    Pode-se produzir certas formas cuja confeco por outras tcnicas impraticvel.

    Valores tpicos de velocidade da ferramenta para diferentes operaes de conformao e de

    ensaio so dadas abaixo:

    OPERAO VELOCIDADE (m/s)

    Ensaio de trao

    Extruso com prensa hidrulica

    Prensa mecnica

    Ensaio de impacto Charpy

    Martelo de forja

    Conformao por explosivo

    6 x 10-7

    a 6 x 10-2

    3 x 10-3

    a 3

    0,15 a 1,5

    3 a 6

    3 a 9

    30 a 120

  • 44

    II.6. ALGUNS EFEITOS METALRGICOS IMPORTANTES NA CONFORMAO

    II.6.1. Fibramento mecnico (textura metalogrfica)

    Como resultado do trabalho mecnico, as partculas de segunda fase, incluses, vazios,

    segregaes, etc., tendem a assumir um formato e distribuio que correspondem grosseiramente

    deformao da pea como um todo. Se as partculas e incluses so dcteis e mais moles do que a

    matriz, assumem forma alongada, elipsoidal; se forem frgeis, quebram-se em fragmentos que se

    orientam paralelamente direo principal de trabalho; se so mais duras e mais resistentes do que

    a matriz, no se deformam. Tal alinhamento de partculas de segunda fase, incluses, segregao,

    cavidades etc., durante o trabalho a frio ou a quente, bem como a distoro preferencial da forma

    dos gros no trabalho a frio, so responsveis pela estrutura fibrosa tpica dos produtos

    conformados, observvel em macrografias.

    Tal fibramento mecnico - que no deve ser confundido com a textura cristalogrfica -

    produz na pea um tipo de anisotropia que afeta principalmente as propriedades de ductilidade,

    tenacidade fratura e resistncia fadiga do material, praticamente no influindo na resistncia ao

    escoamento plstico. Em geral, a ductilidade trao, as propriedades de fadiga e a tenacidade

    fratura (medida, por ex., com ensaios de impacto) sero menores nas direes transversais (normais

    s fibras) do que na direo longitudinal; da ser importante a obteno de uma orientao adequada

    das fibras quando da fabricao das peas, sobretudo por forjamento (fig.II.6.1).

    Fig. II.6.1: Etapas do forjamento do garfo do freio de uma locomotiva. A soluo (a) apresenta uma

    orientao mais favorvel das fibras mecnicas, proporcionando maior tenacidade pea

    II.6.2- Acelerao de transformaes metalrgicas no TQ

    Em virtude dos mecanismos cristalogrficos de deformao que favorecem a mobilidade

    atmica verifica-se sobretudo durante o trabalho a quente uma grande acelerao dos processos que

  • 45

    envolvem difuso de tomos na rede cristalina do metal. Assim, heterogeneidades na composio

    qumica tais como as segregaes podem ser eliminadas; e pode ocorrer um rpido crescimento de

    partculas de segunda fase quando existe alguma tendncia a isto (p.ex., a esferoidizao de um ao

    perltico fica bastante favorecida pela deformao a 700C).

    11.6.3. Controle do tamanho de gro

    Como se sabe, um tamanho de gro pequeno favorece a resistncia e a tenacidade do

    material. Para se obter um produto do granulao fina, o fator principal a temperatura do ltimo

    passe do TQ ou do ltimo recozimento de um material trabalhado a frio. Em ambos os casos

    convm em princpio, usar a temperatura menos elevada e o resfriamento mais rpido que sejam

    possveis.

    II.6.4. Bandas de deformao e de cisalhamento

    Bandas de deformao so regies de distoro nas quais uma parte de um gro gira de

    modo a assumir uma orientao diferente do material vizinho, a fim de acomodar uma deformao

    imposta externamente. Sua formao est relacionada com o desenvolvimento da textura

    cristalogrfica. Quando tais regies se estendem atravs de muitos gros, so chamadas bandas de

    cisalhamento.

    A formao de bandas de cisalhamento favorecida quando existe um forte gradiente de

    deformao no material; p.ex., quando a pea resfriada localmente pela ferramenta: visto que a

    resistncia ao escoamento em geral fortemente dependente da temperatura, uma regio resfriada

    produz uma zona local pouco ou nada deformada; a presena de um forte gradiente de

    deformabilidade leva ao desenvolvimento de bandas estreitas de cisalhamento, nas quais tende a

    ficar localizado o escoamento, resultando em elevadas deformaes cisalhantes e frequentemente

    em fratura por esgotamento de ductilidade.

    II.7. TRABALHABILIDADE OU CONFORMABILIDADE

    II.7.1. Conceito e critrios

    Trabalhabilidade ou conformabilidade a extenso at a qual um material pode ser

    deformado em um processo especfico de conformao sem o surgimento de trincas ou outros

    defeitos decorrentes da deformao excessiva. Em processos que envolvem trao (trefilao,

    estampagem de chapa, etc.) o limite de trabalhabilidade determinado pela formao de

    estrangulamento local na pea (instabilidade plstica), antes que pela ocorrncia de fratura

    propriamente dita.

  • 46

    As trincas durante os processos de conformao ocorrem pelo mecanismo chamado fratura

    dctil que induzido por componentes trativos do estado de tenso e se caracteriza pelo surgimento

    e crescimento de cavidades em torno de partculas de segunda fase ou mesmo nos pontos de

    encontro de trs ou mais gros, ao mesmo tempo que a deformao cisalhante se localiza em bandas

    estreitas e bem definidas.

    A trabalhabilidade, especialmente no caso de conformao macia, envolve duas

    componentes: (1) a ductilidade bsica do material , ou seja, a sua capacidade de suportar uma

    substancial deformao plstica sem se romper; e (2) o estado de tenses induzido pelo processo,

    que modifica a ductilidade: se o processo mantm tenses compressivas em todos os pontos da

    pea, no se inicia a formao de cavidades e no ocorre fratura dctil. Por outro lado, mesmo nos

    processos em que as tenses aplicadas so inteiramente compressivas, podem surgir tenses trativas

    em alguns pontos da pea em virtude de uma deformao heterognea (tenses trativ