CENTRO UNIVERSITÁRIO ANHAGUERA DE SÃO PAULO

Departamento de Engenharia Mecânica

Denis Marin – RA 2164257375

Fernando Vanilto – RA 1094160807

Rafael Pulido – RA 3251573355

Roberto A. Lima – RA 3276572630

Victor Turssi de Araújo – RA 4997022399

CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA

PROCESSOS DE FABRICAÇÃO II

SÃO PAULO

2013

2

Conformação de Chapas

Introdução

O que é?

Conformação de chapas é o processo de transformação mecânica que consiste em

conformar um disco plano ("blank") à forma de uma matriz, pela aplicação de esforços

transmitidos através de um punção.

Na operação ocorrem: alongamento e contração das dimensões de todos os

elementos de volume, em três dimensões. A chapa, originalmente plana, adquire uma

nova forma geométrica.

Classificação dos Processos:

A conformação de chapas metálicas finas pode ser classificada através do tipo de

operação empregada. Assim pode-se ter: estampagem profunda, corte em prensa,

estiramento, etc.

Máquinas utilizadas A maior parte da produção seriada de partes conformadas a partir de chapas

finas é realizada em prensas

mecânicas ou hidráulicas.

Nas prensas mecânicas a energia é geralmente, armazenada num volante e

transferida para o cursor móvel no êmbolo da prensa. As prensas mecânicas são quase

sempre de ação rápida e aplicam golpes de curta duração, enquanto que as prensas

hidráulicas são de ação mais lenta, mas podem aplicar golpes mais longos. As prensas

podem ser de efeito simples ou de duplo efeito.

Algumas vezes pode ser utilizado o martelo de queda na conformação de chapas

finas. O martelo não permite que a força seja tão bem controlada como nas prensas, por

isso não é adequado para operações mais severas de conformação.

OBS: As máquinas de conformar serão tratadas mais detalhadamente em seção

específica.

Ferramental Acessório As ferramentas básicas utilizadas em uma prensa de conformação de peças

metálicas são o punção e a matriz.

O punção, normalmente o elemento móvel, é a ferramenta convexa que se acopla

com a matriz côncava. Como é necessário um alinhamento acurado entre a matriz e o

punção, é comum mantê-los permanentemente montados em uma subprensa, ou porta

matriz, que pode ser rapidamente inserida na prensa.

Geralmente, para evitar a formação de rugas na chapa a conformar usam-se

elementos de fixação ou a ação de grampos para comprimir o "blank" contra a matriz. A

fixação é conseguida por meio de um dispositivo denominado anti-rugas ou prensa-

chapas, ou ainda, em prensas de duplo efeito por um anel de fixação.

A seguir especificam-se alguns dos conjuntos típicos do ferramental usado em

processos específicos, a saber: estampagem profunda, conformação progressiva

(corte/perfuração), processo Guerin e repuxamento.

A figura abaixo mostra esquematicamente uma prensa e o ferramental de

estampagem profunda.

3

Freqüentemente, matrizes e punções são projetados para permitir que os estágios

sucessivos de conformação de uma peça sejam efetuados na mesma matriz, a cada golpe

da prensa. Este procedimento é conhecido como conformação progressiva.

Um exemplo é a matriz para recorte e perfuração de arruelas planas, figura

abaixo. A tira metálica é alimentada, deslizando até a primeira posição de corte. O furo

da arruela é puncionado. Segue-se um segundo deslizamento, após o que a arruela é

recortada. Durante o corte da arruela o punção executa o furo central da próxima peça.

O processo Guerin é uma variação do processo convencional de matriz e

punção. Neste processo, ver figura, uma "almofada" de borracha serve como matriz. O

punção é fixado à base de uma prensa hidráulica de efeito simples a camada de borracha

fica numa caixa retentora, na trave superior da prensa. O disco (ou blank) é colocado

sobre o bloco de modelar (punção), e pressionado contra a borracha. Uma pressão

aproximadamente uniforme é conseguida entre a borracha e o disco (blank). Este

processo permite a fácil produção de peças rasas flangeadas, com flanges estirados.

4

O repuxamento é um método empregado para a fabricação de fundos para

tanques de aço e outras peças profundas de simetria circular. O "blank" é fixado contra

um bloco de modelagem que gira em alta velocidade. O “blank” é conformado

progressivamente contra o bloco por intermédio de uma ferramenta manual ou através

de roletes, ver figura abaixo.

Corte de Chapas

Características Destina-se à obtenção de formas geométricas, a partir de chapas submetidas à

ação de pressão exercida por um punção ou uma lâmina de corte. Quando o punção ou a

lâmina inicia a penetração na chapa, o esforço de compressão converte-se em esforço

cisalhante (esforço cortante) provocando a separação brusca de uma porção da chapa.

No processo, a chapa é deformada plasticamente e levada até a ruptura nas superfícies

em contato com as lâminas.

A aresta de corte apresenta em geral três regiões: uma rugosa (correspondente à

superfície da trinca da fratura), uma lisa (formada pelo atrito da peça com as paredes da

matriz) e uma região arredondada (formada pela deformação plástica inicial). A

qualidade das arestas cortadas não é a mesma das usinadas, entretanto quando as

lâminas são mantidas afiadas e ajustadas é possível obter arestas aceitáveis para uma

grande faixa de aplicações.

5

A qualidade das bordas cortadas geralmente melhora com a redução da espessura da

chapa.

No corte por matriz e punção (“piercing” ou “blanking”) não existe uma regra

geral para selecionar o valor da folga, pois são vários os parâmetros de influência. A

folga pode ser estabelecida com base em atributos, como: aspecto superficial do corte,

imprecisões, operações posteriores e aspectos funcionais. Se não houver nenhum

atributo específico desejado para superfície do “blank”, a folga é selecionada em função

da força mínima de corte.

Força e Potência de Corte Na figura abaixo podem ser identificados os parâmetros envolvidos no corte .

Admite-se o cálculo simples da força pelo produto da área pela tensão de ruptura em

cisalhamento. Observe que a profundidade (s) adotada para este cálculo representa a

penetração do punção na chapa no momento da ruptura.

A potência necessária para o corte é calculada pelo produto entre a força do

punção e a velocidade da lâmina.

OBS: A força necessária para o corte pode ser bastante reduzida construindo-se

as bordas da ferramenta em plano inclinado em relação ao plano da chapa, de maneira

que apenas uma pequena fração do comprimento total do corte seja feita de uma só vez.

Tipos de Corte Dependendo do tipo de corte, são definidos diversos grupos de operações da prensa,

conforme listagem abaixo:

A operação de corte é usada para preparar o material para posterior

estampagem ("blank"). A parte desejada é cortada (removida) da chapa original.

A fabricação de furos em prensa (piercing ou punching) caracteriza uma

operação de corte em que o metal removido é descartado.

A fabricação de entalhes (notching) nas bordas de uma chapa pode ser feita em

prensa através do puncionamento destas regiões.

O corte por guilhotina é uma operação que não retira material da chapa

metálica.

6

A rebarbação (trimming) é uma operação que consiste em aparar o material em

excesso (rebarbas) da borda de uma peça conformada. A remoção de rebarbas de

forjamento em matriz fechada é uma operação deste tipo.

Existe um processo relativamente recente de corte fino de "blanks" (fine

blanking), que se caracteriza pelo emprego de folgas muito pequenas (0,0002

pol.), com prensas e jogo de matrizes muito rígidas (para evitar dobramento da

chapa). Com este equipamento é possível produzir "blanks" com superfícies de

corte quase isentas de defeitos. As peças produzidas podem ser empregadas

como engrenagens, cames, etc., sem que seja necessária a usinagem das bordas

cortadas.

Dobramento

Características Nesta operação, a tira metálica é submetida a esforços aplicados em duas direções

opostas para provocar a flexão e a deformação plástica, mudando a forma de uma

superfície plana para duas superfícies concorrentes, em ângulo, com raio de

concordância em sua junção. A figura mostra os esforços atuantes e a forma adquirida

por uma tira submetida a dobramento.

Raio de Dobramento Para a operação de dobramento existe um raio de dobramento abaixo do qual o

metal trinca na superfície externa. É o raio mínimo de dobramento, expresso geralmente

em múltiplos da espessura da chapa.

Um raio de dobramento de 3t indica que o metal pode ser dobrado formando um

raio de três vezes a espessura da chapa sem que haja o aparecimento de trincas. O raio

mínimo de dobramento é portanto um limite de conformação, que varia muito para os

diversos metais e sempre aumenta com a prévia deformação a frio do metal.

Alguns metais muito dúcteis apresentam raio mínimo de dobramento igual a zero.

Isto significa que as peças podem ser achatadas sobre si mesmas, mas geralmente não se

utiliza este procedimento para evitar danos no punção ou na matriz.

Efeito mola A operação de dobramento exige que se considere a recuperação elástica do

material (efeito mola), para que se tenham as dimensões exatas na peça dobrada. A

7

recuperação elástica da peça será tanto maior quanto maior for o limite de escoamento,

menor o módulo de elasticidade e maior a deformação plástica. Estabelecidos estes

parâmetros, a deformação aumenta com a razão entre as dimensões laterais da chapa e

sua espessura.

O efeito mola ocorre em todos os processos de conformação, mas no dobramento

é mais facilmente detectado e estudado. O raio de curvatura antes da liberação da carga

( Ro) é menor do que após a liberação ( Rf ). O efeito mola (ver figura abaixo) é

representado pelo símbolo K .

Estiramento

Características É a operação que consiste na aplicação de forças de tração, de modo a esticar o

material sobre uma ferramenta ou bloco (matriz). Neste processo, o gradiente de tensões

é pequeno, o que garante a quase total eliminação do efeito mola.

Como predominam tensões trativas, grandes deformações de estiramento podem

ser aplicadas apenas para materiais muito dúcteis. Para estes materiais, almejam-se altos

valores de coeficiente de encruamento.

Ferramental

O equipamento de estiramento consiste basicamente de um pistão hidráulico

(usualmente vertical), que movimenta o punção. Duas garras prendem as extremidades

da chapa. Na operação, não existe uma matriz fêmea. As garras podem ser móveis

permitindo que a força de tração esteja sempre em linha com as bordas da chapa

(figura).

Garras fixas devem ser usadas somente para conformação de peças com grandes

raios de curvatura, evitando-se com isto o risco de ruptura da chapa na região das

garras.

8

O estiramento é uma das etapas de operações complexas de estampagem de

chapas finas. Na conformação de peças como partes de automóveis ou de

eletrodomésticos, é comum haver componentes de estiramento.

A Estricção no Estiramento O limite de conformação no estiramento pode ser estabelecido pelo fenômeno da

estricção. A estricção é a redução das dimensões da seção transversal, provocada pelas

cargas de tração do processo. No estiramento deve ser evitada estricção localizada,

comumente conhecida por empescoçamento.

Base Teórica Em um ensaio de tração uniaxial, a estricção localizada acontece quando (dσ/σ) =

dε, o que significa que assumindo uma lei potencial entre tensão e deformação (Equação

de Hollomon,a maior deformação verdadeira iguala-se ao coeficiente de encruamento

(n)). Nas operações de estiramento uniaxial e biaxial, a estricção localizada acontece

para as condições especificadas abaixo:

Assim, o empescoçamento só acontecerá quando εu=2n . Ou seja, estricção é

muito mais difusa, implicando em um "amolecimento" geométrico, com a diminuição

de espessura ao longo de toda a peça. Isto não constitui limitação para a operação.

Contudo, assim que ocorre a estricção localizada, facilmente detectada nas superfícies

expostas, segue-se a fratura. Logo, a estricção localizada é um limite de conformação.

É comum haver gradientes de deformação em operações de estiramento. A região

que deforma mais se torna mais encruada e a deformação é transferida para o elemento

de volume vizinho. Se o coeficiente de encruamento for suficientemente grande, haverá

9

a redistribuição das deformações ao longo de toda a peça e esta suportará mais

deformações, antes que a estricção localizada se inicie. Então, para operações que

exigem altos graus de estiramento, exigem-se materiais com altos valores de n.

Operações De Estampagem Profunda Ou Embutimento

Características É o processo utilizado para fazer com que uma chapa plana (“blank”) adquira a

forma de uma matriz (fêmea), imposta pela ação de um punção (macho). O processo é

empregado na fabricação de peças de uso diário (pára-lamas, portas de carros;

banheiras, rodas, etc.).

A distinção entre estampagem rasa (shallow) e profunda é arbitrária. A

estampagem rasa geralmente se refere à conformação de um copo com profundidade

menor do que a metade do seu diâmetro com pequena redução de parede. Na

estampagem profunda o copo é mais profundo do que a metade do seu diâmetro.

Para melhorar o rendimento do processo, é importante que se tenha boa

lubrificação. Com isto reduzem-se os esforços de conformação e o desgaste do

ferramental. Os óleos indicados normalmente são para extrema pressão, devendo

garantir boa proteção contra a corrosão da chapa, ser de fácil desengraxe e não levar à

oxidação do material (devido às reações de subprodutos dos gases formados no

aquecimento do metal). Geralmente, são óleos minerais com uma série de aditivos (Cl,

Pb, P, gorduras orgânicas, etc.).

Outros Aspectos Deve-se ainda estudar a pressão a ser aplicada no prensa-chapas: se esta for

muito pequena, surgem rugas nas laterais da peça; se, por outro lado, for muito elevada,

pode ocorrer a ruptura da peça na prensa.

Cuidado deve se ter com o ferramental, para que haja folga suficiente entre a

matriz e o punção que permita o escoamento do material para o interior da matriz, sem

10

que surjam tensões cisalhantes ocasionadas pelo atrito e que levem à ruptura do metal

em prensa.

Às vezes, o diâmetro do "blank" é muito superior ao diâmetro da peça a estampar,

sendo que esta deve atingir uma profundidade de copo muito elevada. A fabricação

poderá exigir uma sequência de operações de estampagem, utilizando uma série de

ferramentas, com diâmetros decrescentes (da matriz e do punção). O número de

operações depende do material da chapa e das relações entre o disco inicial e os

diâmetros das peças estampadas.

A Estampabilidade dos Materiais Metálicos Estampabilidade é a capacidade que a chapa metálica tem de adquirir à forma de

uma matriz, pelo processo de estampagem sem se romper ou apresentar qualquer outro

tipo de defeito de superfície ou de forma.

A avaliação da estampabilidade de uma chapa metálica depende de muitos

testes, tais como: ensaios simulativos (tipo Erichsen, Olsen, Fukui, etc.), ensaios de

tração (obtendo-se o limite de escoamento e de resistência, a razão elástica, o

alongamento total até a fratura, o coeficiente de encruamento, os coeficientes de

anisotropia normal e planar), ensaios de dureza, medida da rugosidade do material,

metalografia, etc.

Ainda assim, a análise é incompleta, pois nas operações reais de estampagem

ocorre uma combinação complexa de tipos de conformação. A estampabilidade torna-se

função não somente das propriedades do material, mas também das condições de

deformação e dos estados de tensão e de deformação presentes.

Anisotropia Durante os processos de conformação de chapas, grãos cristalinos individuais são

alongados na direção da maior deformação de tração. O alongamento é conseqüência do

processo de escorregamento do material durante a deformação. Nos materiais

policristalinos os grãos tendem a girar para alguma orientação limite devido a um

confinamento mútuo entre grãos. Este mecanismo faz com que os planos atômicos e

direções cristalinas dos materiais com orientação aleatória (materiais isotrópicos)

adquiram uma textura (orientação preferencial). Os materiais conformados se tornam

anisotrópicos.

A distribuição de orientações tem, portanto um ou mais máximos. Se estes

máximos são bem definidos são chamados de orientações preferenciais, que irão

ocasionar variações das propriedades mecânicas com a direção, ou seja, anisotropia. Um

modo de avaliar o grau de anisotropia das chapas quando deformadas plasticamente é

através do coeficiente de anisotropia.

Coeficiente de Anisotropia Por definição, o coeficiente de anisotropia ou coeficiente de Lankford ( r ) é a

razão entre a deformação verdadeira na largura (εw) e na espessura (εt) de um CP de

tração, após determinada deformação longitudinal pré-definida

11

Onde: εl é a deformação verdadeira ao longo do comprimento;

w0 e wf são as larguras inicial e final, respectivamente e

l 0 e l f são os comprimentos inicial e final, respectivamente.

Considerando a anisotropia no plano da chapa, geralmente são definidos dois

parâmetros:

a) Coeficiente de anisotropia normal (Δr ):

onde: r0o, r45

o e r90

o são os valores de r medidos a 0

o , 45

o e 90

o com a direção

de laminação.

Este parâmetro indica a habilidade de uma certa chapa metálica resistir ao

afinamento, quando submetida a forças de tração e/ou compressão, no plano.

O coeficiente de anisotropia planar indica a diferença de comportamento

mecânico que o material pode apresentar no plano da chapa.

Um material isotrópico tem ṝ =1 e Δr = 0. Nos materiais para estampagem

profunda um alto valor de ṝ é desejado (maior resistência ao afinamento da chapa). A

relação entre ṝ e a razão limite de estampagem é mostrada na figura. Essa é definida

como a máxima razão possível entre o diâmetro do ‘blank’ e do copo embutido, sem

que ocorra falha.

Os valores de ṝ em aços efervecentes variam entre 0,8 e 1,2.

12

Em aços acalmados ao alumínio, adequadamente produzidos, ṝ pode variar entre

1,5 e 1,8.

Em alguns aços IF (Intersticial free) ṝ pode ser tão alto quanto 2,2.

Na direção oposta, a textura cúbica do cobre ou de aços inoxidáveis austeníticos

pode originar ṝ tão baixo quanto 0,1.

A tendência à formação de “orelhas” na estampagem é função da anisotropia

planar. As "orelhas" se formam a 0 e 90° com a direção de laminação, quando o

coeficiente de anisotropia planar (Δr) é maior que zero e a 45o e 135° com a direção de

laminação, quando o coeficiente de anisotropia planar é menor que zero.

Relação entre r e a razão limite de estampagem

Influência da anisotropia na qualidade e precisão do embutimento Os valores de coeficientes de anisotropia normal e planar são funções da textura

cristalográfica desenvolvida no material após o recozimento da tira. A textura, por sua

vez, é função de vários parâmetros do processo: composição química, temperaturas de

acabamento e de bobinamento após o laminador de tiras a quente, quantidade de

redução a frio, taxa de aquecimento, tempo e temperatura de encharque no recozimento.

A textura cristalográfica pode ser medida por técnicas especiais de difração de

raios-X.

A orientação cristalográfica ideal para maximizar (r) nos metais CCC seria uma

tira com textura [111] na sua direção normal, e com os planos {111} orientados

aleatoriamente no plano da chapa.

A anisotropia cristalográfica tem menor influência sobre operações de

estiramento. Inicialmente, esta propriedade foi considerada indesejável em materiais

destinados a operações de estampagem, devido à chance de formação de orelhas.

Contudo, é de grande importância no que se refere à estampagem profunda, uma vez

que nesta operação não se deseja a diminuição significativa da espessura do material.

13

ASPECTOS DE TEMPERATURA NA CONFORMAÇÃO

Temperatura na Conformação

Os processos de conformação são comumente classificados em operações de

trabalho a quente, a morno e a frio. O trabalho a quente é definido como a deformação

sob condições de temperatura e taxa de deformação tais que processos de recuperação e

recristalização ocorrem simultaneamente com a deformação. De outra forma, o trabalho

a frio é a deformação realizada sob condições em que os processos de recuperação e

recristalização não são efetivos. No trabalho a morno ocorre recuperação, mas não se

formam novos grãos (não há recristalização).

No trabalho a quente, devido à intensa vibração térmica - que facilita muito a difusão de

átomos e a mobilidade e aniquilamento das discordâncias - o encruamento e a estrutura

distorcida dos grãos produzida pela deformação, são rapidamente eliminados pela

formação de novos grãos livres de deformação, como resultado da recristalização. É

possível conseguir grandes níveis de deformação, uma vez que os processos de

recuperação e recristalização acompanham a deformação. Ela ocorre a uma tensão

constante. E como a tensão de escoamento plástico decresce com o aumento da

temperatura, ver figura, a energia necessária para a deformação é geralmente muito

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

Variação da tensão de compressão com a deformação em função da temperatura para

um aço de baixo carbono

No trabalho a frio, como o encruamento não é aliviado, a tensão aumenta com a

deformação. Assim a deformação total- que é possível de se obter sem causar fratura- é

menor no trabalho a frio do que no trabalho a quente e a morno. Exceto quando se

realizam tratamentos térmicos de recozimento para aliviar os efeitos do encruamento.

No trabalho a morno ocorre uma recuperação parcial da ductilidade do material

e a tensão de conformação situa-se numa faixa intermediária entre o trabalho a frio e a

quente.

14

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

quente, a morno e a frio baseadas na temperatura homóloga, que permite a

normalização do comportamento do metal, ver figura. Em um metal puro, que não sofre

transformação de fase no estado sólido, os pontos de referência em termos de

temperatura são: o zero absoluto e o ponto de fusão. Estes pontos, traduzidos em graus

Kelvin, estabelecem os extremos da escala homóloga de temperaturas.

Representação da temperatura homóloga e das faixas de temperatura:

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

Em termos de conformação mecânica, chama-se de:

trabalho a quente (TQ) aquele que é 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 é executado entre 0 e 0,3 Tf .

É importante compreender que a distinção básica entre TQ e TF é portanto,

função da temperatura em que se dá a recristalização efetiva do material. Assim,

embora para muitas ligas comerciais a temperatura do TQ seja realmente elevada em

relação à ambiente, para metais como Pb e Sn, que se recristalizam rapidamente à

temperatura ambiente após grandes deformações, a conformação à temperatura

ambiente é TQ. Por outro lado, a conformação a 1100oC é TF para o tungstênio, cuja

temperatura de recristalização é superior a esta, embora seja TQ para o aço.

Geração de Calor na Conformação Mecânica

Nos processos de conformação, tanto a deformação plástica quanto o atrito

contribuem para a geração de calor. Da energia empregada na deformação plástica 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 operações de

conformação contínua, como extrusão e trefilação, efetuadas em altas velocidades, a

temperatura pode aumentar de centenas de graus. Uma parte do calor gerado é dissipada

(transmitido às ferramentas ou perdido para a atmosfera), mas o restante permanece na

peça, elevando-lhe a temperatura.

Em condições idealmente adiabáticas e sem atrito, o máximo acréscimo teórico

de temperatura devido à deformação plástica é dado pela expressão:

15

Para uma deformação e = 1,0 tem–se ΔTmáx igual a 74oC para alumínio, 277

oC

para ferro e 571oC para o titânio.

Se a velocidade de um dado processo é alta, a perda do calor gerado será pequena e o

aumento efetivo da temperatura será próximo do valor teórico.

Faixas de Temperaturas Permissíveis no Trabalho a Quente

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

temperatura para a qual a taxa de recristalização é rápida o bastante para eliminar o

encruamento quando o metal está submetido àquela temperatura.

Para um dado metal ou liga metálica a menor temperatura de trabalho a quente

dependerá de fatores tais como a quantidade de deformação e o tempo em que o

material estará submetido a temperatura em questão.

Uma vez que quanto maior o nível de deformação menor é a temperatura de

recristalização, o limite inferior de temperatura para o trabalho a quente diminuirá para

grandes deformações.

Um metal trabalhado com elevada velocidade de deformação e resfriado

rapidamente irá requerer uma temperatura de trabalho a quente maior do que se este for

deformado e resfriado vagarosamente, para a obtenção de um mesmo nível final de

deformação.

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

ocorre o início de fusão ou o excesso de oxidação. Geralmente, a temperatura mais

elevada de trabalho a quente é limitada bem abaixo do ponto de fusão devido a

possibilidade de fragilização à quente (existência de compostos com menor ponto de

fusão).

Basta uma pequena quantidade de um filme de constituinte com baixo ponto de

fusão nos contornos de grão para fazer um material desagregar-se quando deformado

(fragilidade a quente). Geralmente emprega-se Tmáx » Tf –55oC (ou Tf –100

oF) para

evitar esta possibilidade.

Para uma dada condição de pressão e temperatura de trabalho haverá uma

quantidade máxima de deformação que pode ser fornecida à peça (limitação esta

baseada na resistência ao escoamento, e não na ductilidade), como mostrado na figura.

Se a temperatura de pré - aquecimento do tarugo inicial aumenta, a resistência

diminui e a deformação aumenta para uma dada pressão aplicada; assim, as curvas

"isobáricas" aumentam com a temperatura, que obviamente será sempre inferior à linha

solidus.

A fragilização a quente limita a temperatura de trabalho a valores inferiores á

temperatura solidus.

E visto que com taxas de deformação altas ficará retido mais calor na peça. A

temperatura da peça deverá ser menor para evitar que ela atinja a faixa de fragilidade a

quente.

16

Diagrama esquemático dos efeitos de temperatura, pressão e taxa de deformação sobre a

faixa de trabalho permissível na conformação a quente

TRABALHO A FRIO O trabalho a frio é acompanhado do encruamento (inglês "strain hardening") do

metal, que é ocasionado pela interação das discordâncias entre si e com outras barreiras

– tais como contornos de grão – que impedem o seu movimento através da rede

cristalina. A deformação plástica produz também um aumento no número de

discordâncias, as quais, em virtude de sua interação, resultam num elevado estado de

tensão interna na rede cristalina. Um metal cristalino contém em média 106 a 10

8 cm de

discordâncias por cm3, enquanto que um metal severamente encruado apresenta cerca

de 1012

cm de discordâncias por cm3. A estrutura característica do estado encruado

examinada ao microscópio eletrônico, apresenta dentro de cada grão, regiões pobres em

discordâncias, cercadas por um emaranhado altamente denso de discordâncias nos

planos de deslizamento.

Tudo isto resulta macroscopicamente num aumento de resistência e dureza e

num decréscimo da ductilidade do material (ver figura). Num ensaio de tração, isso se

traduz no aumento da tensão de escoamento, Y, e do limite de resistência, Sr, bem como

no decréscimo do alongamento total (alongamento na fratura), ef.

17

Aumento do limite de escoamento e de resistência à tração e diminuição do

alongamento (e redução de área na fratura) com o encruamento devidos ao trabalho a

frio

A figura mostra que o limite de escoamento, Y, cresce mais rapidamente e se

aproxima do limite de resistência, Sr, enquanto que a ductilidade – expressa aqui como

ef – cai de modo bastante brusco após uma limitada quantidade de trabalho a frio. A

microestrutura também muda, com os grãos se alongando na direção de maior

deformação, podendo o material como um todo desenvolver propriedades direcionais

(anisotropia).

18

TRABALHO A MORNO Os processos de deformação a morno objetivam aliar as vantagens das

conformações a quente e a frio. Dos processos de conformação a morno um dos mais

difundidos e com maiores aplicações industriais é o forjamento.

O trabalho a morno consiste na conformação de peças numa faixa de

temperaturas onde ocorre o processo de recuperação portanto, o grau de endurecimento

por deformação é consideravelmente menor do que no trabalho a frio.

Existe alguma controvérsia sobre a faixa de temperaturas empregada na

conformação a morno dos aços mas, certamente se torna importante entre 500 e 800° C.

A temperatura inferior de conformação é limitada em aproximadamente 500°C devido a

possibilidade de ocorrência da "fragilidade azul" em temperaturas mais baixas. Esta

fragilização aumenta a tensão de escoamento e diminui a ductilidade. Ela ocorre em

temperaturas em torno de 200 a 400°C onde, átomos intersticiais difundem-se durante a

deformação formando atmosferas em torno das discordâncias geradas, ancorando-as. O

nome azul refere-se a coloração do óxido formado na superfície do aço nesta faixa de

temperaturas.

Com relação ao trabalho a quente o processo a morno apresenta melhor

acabamento superficial e precisão dimensional devido à diminuição da oxidação e da

dilatação - contração do material e da matriz. Estas características permitem se ter

menores ângulos de saída (pode-se utilizar maiores cargas para a retirada da peça das

matrizes sem deformar o produto).

A maior desvantagem da conformação a morno com relação ao processo a

quente é o aumento do limite de escoamento que ocorre com o abaixamento da

temperatura de deformação. O aumento da carga de conformação implicará na

necessidade de se empregar prensas mais potentes e ferramentas mais resistentes. Os

tarugos para a conformação, por sua vez, podem requerer decapagem para remoção de

carepa e utilização de lubrificantes durante o processo.

Em relação ao trabalho a frio o processo a morno apresenta redução dos esforços

de deformação, o que permite a conformação mais fácil de peças com formas

complexas, principalmente em materiais com alta resistência. A conformação a morno

melhora ainda a ductilidade do material e elimina a necessidade de recozimentos

intermediários que consomem muita energia e tempo.

19

TRABALHO A QUENTE O trabalho a quente é a etapa inicial na conformação mecânica da maioria dos

metais e ligas. Este trabalho não só requer menos energia para deformar o metal e

proporciona maior habilidade para o escoamento plástico sem o surgimento de trincas

como também ajuda a diminuir as heterogeneidades da estrutura dos lingotes fundidos

devido as rápidas taxas de difusão presentes às temperaturas de trabalho a quente. As

bolhas de gás e porosidades são eliminadas pelo caldeamento destas cavidades e a

estrutura colunar dos grãos grosseiros da peça fundida é quebrada e refinada em grãos

equiaxiais recristalizados de menor tamanho. As variações 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 não são

tão uniformes ao longo da seção reta como nos metais trabalhados a frio e recozidos, já

que a deformação é sempre maior nas camadas superficiais. O metal possuirá grãos

recristalizados de menor tamanho nesta região. Como o interior do produto estará

submetido a temperaturas mais elevadas por um período de tempo maior durante o

resfriamento do que as superfícies externas, pode ocorrer crescimento de grão no

interior de peças de grandes dimensões, que resfriam vagarosamente a partir da

temperatura de trabalho. A maioria das operações de TQ é executada em múltiplos

passes ou estágios; em geral, nos passes intermediários a temperatura é mantida bem

acima do limite inferior do trabalho a quente para se tirar vantagem da redução na

tensão de escoamento, embora com o risco de um crescimento de grão. Como, porém,

deseja-se usualmente um produto com tamanho de grão pequeno, a temperatura dos

últimos passes (temperatura de acabamento) é bem próxima do limite inferior e a

quantidade de deformação é relativamente grande. Pequenos tamanhos de grãos darão

origem a peças com melhor resistência e tenacidade.

20

VANTAGENS E DESVANTAGENS DO TRABALHO A QUENTE De um ponto-de-vista prático o TQ – que é o estágio inicial da conformação dos

materiais e ligas – apresenta um certo número de vantagens, mas também de problemas,

como listado em seguida.

VANTAGENS:

menor energia requerida para deformar o metal, já que a tensão de escoamento

decresce com o aumento da temperatura;

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

homogeneização química das estruturas brutas de fusão (e.g., eliminação de

segregações) em virtude da rápida difusão atômica interna;

eliminação de bolhas e poros por caldeamento;

eliminação e refino da granulação grosseira e colunar do material fundido,

proporcionado grãos menores, recristalizados e equiaxiais;

aumento da tenacidade e ductilidade do material trabalhado em relação ao bruto

de fusão.

DESVANTAGENS: necessidade de equipamentos especiais (fornos, manipuladores, etc.) e gasto de

energia para aquecimento das peças;

reações do metal com a atmosfera do forno, levando as perdas de material por

oxidação e outros problemas relacionados (p.ex., no caso dos aços, ocorre

também descarbonetação superficial; metais reativos como o titânio ficam

severamente fragilizados pelo oxigênio e tem de ser trabalhados em atmosfera

inerte ou protegidos do ar por uma barreira adequada);

formação de óxidos, prejudiciais para o acabamento superficial;

desgaste das ferramentas é maior e a lubrificação é difícil;

necessidade de grandes tolerâncias dimensionais por causa de expansão e

contração térmicas;

estrutura e propriedades do produto resultam menos uniformes do que em caso

de TF seguido de recozimento, pois a deformação sempre maior nas camadas

superficiais produz nas mesmas uma granulação recristalizada mais fina,

enquanto que as camadas centrais, menos deformadas e sujeitas a um

resfriamento mais lento, apresentam crescimento de grãos.

21

PROCESSOS DE RECUPERAÇÃO E RECRISTALIZAÇÃO O efeito do TF pode ser reduzido ou mesmo eliminado pela manutenção do

material a uma temperatura suficientemente elevada para que a vibração térmica dos

átomos permita maior mobilidade das discordâncias. Em temperaturas de cerca de 0,3 –

0,5 Tf, as discordâncias são bastante móveis para formar arranjos regulares e mesmo se

aniquilarem (somente as discordâncias de sinais opostos), formando uma estrutura

celular (subgrãos) com uma pequena defasagem de orientação cristalográfica entre as

células. Este processo é chamado de RECUPERAÇÃO. É um processo que depende do

tempo (figura b) e, embora não mude a microestrutura, restaura parcialmente a maciez

(menor resistência e maior ductilidade).

A maciez original é inteiramente restaurada pelo aquecimento acima de T= 0,5

Tf, quando se formam novos grãos com baixa densidade de discordâncias. Os grãos

crescem continuamente até que a estrutura toda esteja RECRISTALIZADA. A

microestrutura resultante é equiaxial, muito embora possa ser retida ou mesmo

desenvolvida uma textura cristalográfica (textura de recozimento). Tal processo de

recozimento envolve difusão, e portanto é grandemente dependente da temperatura e do

tempo, figura c.

Alterações na resistência, ductilidade e microestrutura durante (a) trabalho a frio, (b)

recuperação e (c) recristalização

A temperatura de 0,5 Tf é apenas uma referência aproximada, pois mesmo

pequenos teores de elemento de liga podem retardar substancialmente a formação de

novos grãos, elevando a temperatura de recristalização.

Na prática, a temperatura de recristalização é convencionalmente definida como

aquela em que o metal severamente encruado recristaliza totalmente no espaço de uma

hora. A tabela abaixo apresenta as temperaturas de recristalização para alguns metais e

ligas de uso comum.

22

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

diminui a resistência, sendo então possível controlar as propriedades finais do produto

deformado por meio de um severo trabalho a frio, seguido de um recozimento de

recuperação que restaura grande parte da ductilidade sem reduzir muito a resistência.

Em resumo, os principais fatores que afetam a recristalização são:

1. uma quantidade mínima de deformação prévia: se o trabalho a frio prévio

é zero, não há energia de ativação para a recristalização e ficam mantidos

os grão originais;

2. quanto maior a deformação prévia, menor será a temperatura de

recristalização;

3. quanto menor a temperatura, maior o tempo necessário à recristalização;

4. quanto maior a deformação prévia, menor será o tamanho de grão

resultante (pois será maior o número de núcleos a partir dos quais

crescerão os novos grãos). OBS: Uma estrutura de grãos grosseiros

apresenta propriedades mecânicas pobres, ao passo que um tamanho de

grão fino fornece ao material alta resistência sem diminuir-lhe muito a

ductilidade.

5. adições de elementos de liga tendem a aumentar a temperatura de

recristalização (pois retardam a difusão).

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

grão do material recozido, para um tempo de recozimento constante, estão

esquematizados na figura abaixo.

23

Efeito do trabalho a frio prévio e da temperatura de recozimento sobre o tamanho de

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

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

reativos, que têm de ser recozidos em atmosferas inertes ou em vácuo), fornecem

também grande versatilidade, pois se ajustando adequadamente o ciclo TF -

recozimento, pode-se obter qualquer grau desejado de encruamento no produto final.

- Se for desejado um produto final mais resistente do que o material

integralmente recozido, então a operação final é um passe de TF com o grau de

deformação necessário para dar a resistência desejada, seguindo-se geralmente um

aquecimento de recuperação (abaixo da temperatura de recristalização) apenas para

aliviar as tensões residuais;

Obs.: este procedimento é mais adequado do que tentar controlar a resistência da peça

encruada por recozimento, porque o processo de recristalização avança rapidamente e é

muito sensível a pequenas flutuações de temperatura no forno.

- Se for desejado um produto final com o material inteiramente amolecido, então

o recozimento é a operação final.

Os artigos trabalhados a frio usualmente produzidos (como tiras, chapas e fios),

agrupam-se segundo classificações que dependem do grau de encruamento, conforme

mostrado na tabela abaixo, para chapas de aço laminadas a frio. Cada estado (inglês

"temper") indica uma diferente percentagem de trabalho a frio após o último

recozimento. A classificação varia conforme o metal, sendo em geral baseada em

valores comparativos do limite de resistência à tração, e não em valores de dureza de

penetração. Observe-se que nem todas as ligas admitem os graus de encruamento

correspondentes às classes mais elevadas.

24

Nas aplicações industriais, o grau de encruamento é expresso freqüentemente

como uma medida convencional da deformação, como por exemplo: a redução

percentual da área transversal da peça, r.

Onde Ao e Af são as áreas de seção transversal antes e após a conformação,

respectivamente.

Na laminação a frio de uma chapa de espessura inicial ho para a espessura final

hf , a redução pode ser obtida pela expressão 2, visto que a sua largura praticamente não

varia durante a laminação.

Normalmente, as operações de trabalho a frio/recozimento são as etapas finais

dos processos de conformação mecânica. Isto é devido principalmente às excelentes

qualidades superficiais e tolerâncias dimensionais obtidas no produto final. Porém, os

esforços de conformação são muito elevados, o que em certos casos restringe o tamanho

das peças produzidas. Também, para alguns materiais de baixa ductilidade, a

conformação não pode ser realizada.

Veja abaixo a figura mostrando as alterações granulares na recristalização.

25

FIBRAMENTO MECÂNICO

Fundamentos

Como resultado do trabalho mecânico, as partículas de segunda fase - inclusões,

vazios, segregações, etc., - tendem a distribuir-se e assumir um formato, de forma

grosseira, análogo à deformação da peça como um todo.

Se as partículas e inclusões são dúcteis e mais moles do que a matriz, assumem

forma alongada, elipsoidal (ex. MnS no aço), figura abaixo; se são frágeis, quebram-se

em fragmentos que se orientam paralelamente à direção principal de trabalho (ex. Al2O3

no aço); se são mais duras e mais resistentes do que a matriz, não se deformam (ex.

SiO2 no aço).

26

Inclusões alongadas de MnS observadas em aços laminados a quente (MEV)

Tal alinhamento de partículas de segunda fase,inclusões, segregação, cavidades

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

dos grãos no trabalho a frio, são responsáveis pela estrutura fibrosa típica dos produtos

conformados. O fenômeno é observável em macrografias, como a abaixo.

Macrografia da seção longitudinal de chapa. Estrutura fibrosa. Ataque: reagente de iodo

Efeitos do fibramento nas propriedades mecânicas

O fibramento mecânico - que não deve ser confundido com a textura

cristalográfica - produz na peça um tipo de anisotropia que afeta principalmente as

propriedades de ductilidade, tenacidade à fratura e resistência à fadiga do material.

Praticamente não influi no limite de escoamento.

Em geral, a ductilidade à tração, as propriedades de fadiga e a tenacidade à

fratura (medida, por ex., com ensaios de impacto) serão menores nas direções

transversais (normais às fibras) do que na direção longitudinal; daí ser importante a

obtenção de uma orientação adequada das fibras quando da fabricação das peças.

A limpidez (nível de inclusões), e a microestrutura das chapas de aço são

parâmetros importantes na seleção dos aços. Aços com a mesma composição química

básica podem ter uma grande variação de propriedades mecânicas em função dos

processos utilizados e das práticas de fabricação. Tratamentos de dessulfuração na

panela, escória sintética e desgaseificação a vácuo podem produzir aços com alta

limpidez (baixo nível de inclusões), necessários para algumas aplicações críticas, como

na área nuclear. Entretanto, este nível de performance pode ser altamente conservativo e

aumentar consideravelmente o custo de fabricação.

Aços com altos níveis de inclusões ao contrário, podem não ser seguros e

ocasionar fraturas catastróficas. Então, para se ter estruturas com níveis aceitáveis de

propriedades mecânicas deve-se considerar a integridade estrutural e seu custo.