Problemas Metalrgicos comuns a vrios processos de conformao mecnica: 1.Teoria da deformao plstica dos metais:

encuramento

2. Conformabilidade dos metais

3. Taxa de deformao

4. Influncia da velocidade de conformao

5. Transferncia de Calor

6. Influncia da temperatura na conformao

Na conformao plstica dos metais, no basta somente considerar os efeitos mecnicos das foras atuantes, os efeitos metalrgicos dos materiais sendo conformados tambm constitui importante condio a ser levada em considerao. Os materiais metlicos podem responder diferentemente a uma mesma solicitao mecnica (tensor de tenses) de acordo com:

o histrico de carregamento mecnico sofrido pelo metal;

a temperatura onde esta solicitao ocorre;

a velocidade na qual este carregamento imposto;

as condies de contato entre o metal e os moldes ou atuadores de carga;

a capacidade de dissipao de calor presente no meio.

No objetivo nesta disciplina descrever os mecanismos de deformao plstica dos metais e sim as principais implicaes prticas dos mecanismos existentes com respeito resposta destes materiais aos esforos de conformao plstica.

Os metais no so materiais perfeitos e homogneos: na estrutura cristalina dos mesmos apresenta diversos defeitos que do certas caractersticas fsicas e mecnicas para os metais.

Figura 1 Representao dos possveis defeitos presentes na estrutura cristalina dos materiais metlicos, Engel and Klingele, 1981.

Os defeitos existentes, representados na figura 1, podem ser classificados como sendo defeitos pontuais (tomos de soluo slida substitucional ou intersticial), planares (contornos de gro) ou lineares (discordncias).

As discordncias so as arestas de superfcies onde existe um deslocamento relativo dos planos atmicos do metal, conforme ilustrado pela figura 2. A discordncia normalmente representada por meio da linha de sua aresta.

Pode-se provar, por meio de clculos matemticos ou mesmo atravs de analogia, que a movimentao das discordncias feita a um nvel de energia muito menor do que quela necessria ruptura dos metais.

Alm disso, cada discordncia que se move, produz uma pequena deformao irreversvel no metal (deformao plstica conforme mostrado na figura 3. Com a intensa movimentao de discordncias, maior a deformao plstica experimentada pelo metal.

A capacidade de um metal se deformar plasticamente depende diretamente da mobilidade das suas discordncias.

Figura 2 Representao simples de uma discordncia, Callister (1997)

Figura 3 (a) Esquema mostrando a origem da deformao plstica atravs do movimento de uma discordncia sob tenso de cisalhamento, Dieter (1988). (b)

Esquema mostrando com o somatrio das pequenas deformaes produzidas pela

movimentao das discordncias pode produzir grandes valores de deformao plstica,

Dieter (1988).

Metais puros, que apresentam tamanhos de gro grandes e que contenham apenas algumas discordncias devero possuir um limite elstico muito baixo. Nestes casos, as discordncias presentes movimentam-se facilmente pelo material, pois no encontram obstculos em seu percurso, dotando o material de grande capacidade de deformao plstica.

Nos materiais estruturais, deseja-se que a mobilidade das discordncias seja restringida de modo a se evitar a deformao plstica, ou seja, aumentar-se o limite de escoamento.

Durante a movimentao das discordncias no interior de um material metlico, dois eventos ocorrem de modo a atrapalhar cada vez mais a movimentao das discordncias medida que mais deformao plstica imposta ao metal:

1. interseco das discordncias com obstculos (outras discordncias, contornos de

gro, precipitados, etc.);

2. multiplicao do nmero de discordncias.

A medida que a deformao plstica progride, as discordncias em movimento encontram obstculos a sua movimentao, que ser dificultada, e mais endurecido torna-se o metal.

Ao fenmeno do aumento do limite de escoamento do metal, ou o seu endurecimento,com a deformao plstica imposta d-se o

nome de encruamento.

Figura 2.4 Alterao nas propriedades mecnicas de um metal com a presena de conformao plstica a frio (encruamento), Callister (199&).

Figura 5 (a) Variao nas propriedades mecnicas do nquel com quantidades cada vez maiores de deformao por laminao. (b) Recuperao das propriedades mecnicas de

acordo com ciclos de recozimento de 1 hora nas temperaturas indicadas, Meyers & Chawla

(1999).

Os metais possuem grande capacidade de conformao plstica, no entanto seu grau de conformao tem limites, como j visto no item 1. Estes limites so definidos pela formao de estrices, flambagem ou falha da pea em conformao. Em um ensaio de trao, o CP2 inevitavelmente apresentar uma estrico em uma regio de menor resistncia e conseqentemente ir fraturar nesta regio pela concentrao de tenses que surgir.

Uma maneira de evitar este inconveniente a utilizao de componentes de tenses compressivas, no tensor de tenses atuante: as tenses de compresso tendem a regularizar a formao da estrico e impedir a sua ocorrncia localizada.

O valor destes componentes de compresso, assim como a sua localizao deve ser conveniente para evitar efetivamente a ocorrncia de estrices.

Figura 6 (a) Dois corpos de prova de material laminado a frio testados em trao at a ruptura e um corpo de prova no testado. (b) Dois corpos de prova de material

laminado a quente. Um dos CPs ainda no havia sido testado. A escala inferior est

em cm. Notar a regio de estrico do material.

A flambagem uma questo que deve ser considerada quando so conformadas peas de seo fina (delgadas).

Este tipo de deformao impede a correta conformao da pea e pode provocar inconvenientes na linha de produo.

A soluo relativamente simples: deve-se buscar conformar peas diminuindo-se o comprimento sob compresso ou aumentando-se a espessura das mesmas.

A ocorrncia de falhas o grande limitante da conformao plstica dos metais.

Falha considerada no seu sentido mais geral, no sendo necessria a ocorrncia de uma fratura completa no material, basta o surgimento de defeitos ou irregularidades superficiais para que a pea seja considerada inapta para seu uso final.

Figura 7 Tentativa frustrada de se conformar uma longarina com ao de alta resistncia. O detalhe direita ilustra as trincas formadas na superfcie da

pea. Esta pea no adequada ao servio.

A falha durante a conformao pode se originar de duas fontes: do material sob conformao ou do tipo de conformao que est sendo imposta.

Quando a fratura devida ao material, este geralmente apresenta propriedades mecnicas ou uma estrutura interna inadequadas para o tipo de conformao.

No caso da falha oriunda do processo, geralmente os pontos externos do material, especialmente suas arestas, recebem maiores nveis de carregamento mecnico.

Este carregamento localizado pode, inclusive, vencer o limite de resistncia localizado, provocando a falha.

O coeficiente de encruamento (n) um importante parmetro para se definir a capacidade de deformao plstica do material, j que este valor igual deformao real no ponto de incio da estrio (euts)

Quanto maior o coeficiente de encruamento, maior a deformao real que o material pode suportar antes da estrio e consequentemente maior a sua capacidade de deformao plstica sem ocorrer estrio ou mesmo a fratura.

Figura 8 Sistemas de ensaios de conformabilidade (de cima para baixo e da esquerda para a direita): dobramento simples, dobramento livre, embutimento (copo), embutimento Olsen ou Erichsen,

mquina de embutimento Erichsen e vista em detalhe.

A taxa de deformao ou velocidade de deformao (strain rate) definida como sendo a variao da deformao por unidade de tempo

Alguns modelos de clculos aplicados aos processos de conformao, conforme descritos no captulo trs, calculam as velocidades de deformao do material (VX, VY e VZ) em qualquer ponto dentro da regio sob deformao.

Sabendo-se estas velocidades pode-se calcular a taxa de deformao do material e correlacion-la com a resposta mecnica do material

Da mesma forma como a soma das trs deformaes principais igual a zero, a soma das trs velocidades de deformao tambm zero, pela lei da constncia dos volumes:

A velocidade de deformao influencia no limite de escoamento e, conseqentemente,no nvel de tenso necessria para provocar uma determinada conformao em um material metlico.

Esta influncia ser tanto maior quanto maior for a temperatura em que se encontra o material.

Na equao anterior, o parmetro m conhecido como sensibilidade taxa de deformao. Seu valor pode ser obtido de um grfico log. tenso versus log. taxa de deformao, como o diagrama mostrado na figura 9.

Deve-se notar que este parmetro muda com a temperatura. Existem tabelas onde so explicitados os valores de m e de sYS0,

Helman e Cetlin (1983) apresentam uma que foi adaptada para os bacos da figura 10

Figura 9 Variao no limite de escoamento de uma liga de alumnio e do cobre puro com a variao na taxa de deformao e temperatura de teste para uma liga de

alumnio, Dieter (1988), e para o cobre puro, Dowling (1993).

Figura 10 Valores dos parmetros (a) m e (b) sYS0 da equao (2.8) para trs metais obtidos em ensaios de compresso, adaptado de Helman e Cetlin

(1983).

A sensibilidade taxa de deformao pode apresentar uma certa dependncia com a deformao;

Uma forma mais precisa de se medir o valor de m pela mudana na tenso de escoamento com uma mudana na taxa de carregamento a uma deformao e temperatura constantes.

Neste caso, considerando-se o equacionamento abaixo:

Pode-se obter o valor de m atravs da mudana na taxa de deformao, durante um ensaio mecnico, desde que se registre as variaes no limite de escoamento instantneo para cada uma das taxas de deformao, tal como mostrado nos grficos da figura 11.

Para obter os valores do limite de escoamento dos metais deve-se tomar cuidado com a aplicao dos dados coletados. No caso de se utilizar ensaio de trao, a deformao obtida nestes ensaios muito limitada, o que limita a aplicao dos valores encontrados a situaes de pequenas deformaes.

Como as operaes de conformao mecnica normalmente ocorrem com maiores deformaes, deve-se utilizar ensaios mecnicos, como os ensaios de compresso ou toro, que permitem medir os valores de resistncia em largas deformaes.

Alm disso deve-se tomar cuidado com a aplicao dos resultados obtidos, nos ensaios mecnicos realizados em altas temperaturas. Normalmente a taxa de carregamento, ou de deformao, dos ensaios menor do que a utilizada na prtica.

Como em altas temperaturas existe uma maior dependncia entre as propriedades mecnicas e a taxa de deformao, os valores medidos nos ensaios podem subestimar excessivamente os reais valores de resistncia encontrados nas operaes de conformao.

Esta tendncia ser observada para o cobre, atravs do grfico da figura 10.

Neste caso, a sensibilidade taxa de deformao praticamente nula at a temperatura de 500oC, acima desta temperatura a resistncia do cobre torna-se bastante sensvel s variaes na taxa de carregamento.

Neste caso, qualquer ensaio mecnico, realizado a baixas taxas de deformao e em temperaturas acima de 500oC C, subestimar a verdadeira resistncia do cobre em operaes de conformao a taxas de deformao maiores.

A tabela a seguir demonstra as taxas de deformao que podem ser obtidas em ensaios mecnicos.

Em alguns processos de conformao mecnica, especialmente naqueles em que altas temperaturas so utilizadas, torna-se necessrio levar em considerao as trocas de trmicas que ocorrem.

De acordo com a transferncia de calor que possa ocorrer, o material pode se tornar mais aquecido ou perder a sua temperatura de maneira suficientemente rpida para alterar o seu comportamento mecnico e conseqentemente influenciar nos clculos dos esforos de conformao.

Algumas estimativas simples do efeito das trocas trmicas podem ser feitas com base em modelos simples utilizando-se algumas propriedades dos materiais e coeficientes de transferncia de calor do meio.

A conformao plstica dos metais realizada em temperaturas que variam da ambiente at temperaturas prximas fuso do material.

A resistncia mecnica dos metais normalmente cai medida que a temperatura aumenta como pode ser facilmente percebido nos grficos das figuras 9 e 10.

Na figura 12 so mostradas as variaes as variaes nas propriedades mecnicas do ferro e do ao baixo carbono com o aumento da temperatura.

Figura 12 Variao nas curvas tenso versus deformao para (a) ferro puro, Callister (1997) e (b) ao baixo carbono, adap. de Dieter (1988).

Forma serrilhada da curva tenso versus deformao. Este fenmeno caracterstico

deste material e conhecido como envelhecimento por deformao dinmica, que uma

forma de fragilidade induzida por deformao em uma certa faixa de temperaturas do

ao. Este fenmeno deve ser evitado durante a conformao de aos.

Aparentemente, quanto maior for a temperatura de conformao, menor ser o limite de escoamento do material e consequentemente menor deve ser o gasto de energia para executar o processo de conformao. Entretanto existem alguns fatores que limitam a utilizao de temperaturas elevadas:

gasto de energia no aquecimento do material;

dificuldade de manuseio do material aquecido;

maior desgaste das partes em contato com as partes aquecidas;

necessidade de se obter encruamento ou textura no material conformado;

possvel surgimento de efeitos secundrios nas propriedades mecnicas;

ocorrncia de oxidao.

Alm disso, j foi visto anteriormente que temperaturas suficientemente altas podem produzir uma recuperao da estrutura do material, quando o material perde o encruamento induzido pelo processo de conformao mecnica.

Admite-se que isto ocorra para temperaturas maiores do que a metade da temperatura de fuso do material na escala absoluta ou utilizando-se a temperatura homloga (Th), definida pela equao

Quando o material conformado em temperaturas homlogas maiores do que 0,5, considera-se que a estrutura do material seja recuperada e que o encruamento perdido. Nestes casos, defini-se que o processo de conformao a quente.

Quando a temperatura homloga menor do que 0,5, considera-se que o processo de deformao a frio.

A deformao plstica resultante de trabalho mecnico a frio provoca encruamento,cujos efeitos so traduzidos por uma deformao da estrutura cristalina e modificao das propriedades mecnicas do material.

O trabalho a frio produz uma deformao geral dos gros que constituem o metal, tornando-os alongados em direo da deformao mecnica induzida, conforme mostrado na figura 13.

Figura 13 Alterao da

estrutura de gros

de um material

metlico devido

conformao

mecnica a frio,

Callister (1997).

A conformao mecnica a quente provoca encruamento do metal conformado, mas que imediatamente recuperado devido a temperatura em que o material se encontra.

A perda da capacidade de deformao plstica, devido ao processo de conformao plstica, tambm recuperada, tornando-se teoricamente ilimitada a capacidade de deformao plstica do metal.

Figura 14 Esquema das alteraes

microestruturais que

podem ocorrer devido a

conformao plstica a

frio e a quente nos

processos de laminao

e extruso, Plaut (1984).

Figura 2.15 Evoluo do

processo de

recuperao das

propriedades

mecnicas de um

material encruado

sofrendo

tratamento

de recozimentode

recristalizao,

Callister (1997).

Por outro lado, uma maneira de se obter grandes deformaes no material sem

necessitar de process-lo a quente pela utilizao de ciclos alternados de conformao a frio (quando o material fica encruado e perda a sua capacidade de

deformao plstica) e recozimento de recristalizao (quando o material perde o seu

encruamento e recupera a sua capacidade de deformao plstica).