Extrusão a Quente de Tubos: Análise Experimental da ... · trabalho investiga a distribuição de...

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA

Francianne Santos Gonzaga de Carvalho

Extrusão a Quente de Tubos: Análise

Experimental da Distribuição de Tensões

Residuais na Parede do Tubo

São João Del Rei, 2013

i

Francianne Santos Gonzaga de Carvalho

Extrusão a Quente de Tubos: Análise

Experimental da Distribuição de Tensões

Residuais na Parede do Tubo

Dissertação apresentada ao Curso de Mestrado da

Universidade Federal de São João del-Rei, como

Requisito para a obtenção do título de Mestre em

Engenharia Mecânica

Área de Concentração: Materiais e Processos de

Fabricação

Orientador: Frederico Ozanan Neves

São João Del Rei, 2013

ii

Ficha catalográfica elaborada pelo Setor de Processamento Técnico da Divisão de Biblioteca

da UFSJ

Cavalho, Francianne Santos Gonzaga de

C331e Extrusão a quente de tubos: análise experimental da distribuição de tensões residuais na parede do

tubo[manuscrito] / Francianne Santos Gonzaga de Carvalho. – 2013.

74f . ; il.

Orientador: Frederico Ozanan Neves

Dissertação (mestrado) – Universidade Federal de São João del-Rei. Departamento de Engenharia

Mecânica .

Referências: f. 75-80.

1. Extrusão de tubos de alumínio - Teses. 2. Tensões residuais - Teses. 3. Alumínio – Teses.

I. Neves, Frederico Ozanan(orientador) II. Universidade Federal de São João Del- Rei. Departamento

de Engenharia Mecânica. III. Título

CDU: 669.71

iv

DEDICATÓRIA

Dedico este trabalho aos meus pais que puderam me dar a oportunidade da educação

v

AGRADECIMENTOS

Agradeço primeiramente a Deus, sempre pelo amparo nos momentos de fraqueza.

Ao meu orientador, Professor Frederico, pela oportunidade, paciência, por acreditar

neste trabalho, pela ajuda nos momentos em que estive distante, enfim, por todos os

ensinamentos.

A todos os professores e secretária do Programa de Mestrado em Engenharia Mecânica

da UJSF, pela contribuição, especialmente ao Professor Lincoln, pela ajuda na construção da

ferramenta.

Aos técnicos, Camilo, Luiz e Emílio pela dedicação na confecção da ferramenta, corpos

de prova e condução do experimento.

À coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES), pela bolsa

que me foi concedida.

A todos amigos e companheiros de estudo, em especial, Camila, Sávio, Ana Paula,

Robson, Diogo, Caíque e Elifas.

Ao aluno de Iniciação Científica, Frederico, pela ajuda no experimento.

Às minhas colegas de moradia, Rachel, Patrícia, Mariana, Manuella e Potira, pelo

companheirismo, risadas, apoio nas horas difíceis, enfim, todos os momentos que passamos

juntas.

À Fátima, pela dedicação e carinho.

Em especial, a meu noivo, Luciano, sem seu incentivo este trabalho não teria se

concretizado.

Aos meus pais, pela oportunidade de estudo e minhas irmãs, pelo carinho.

À todos que contribuíram para a realização deste trabalho, de forma indireta.

vi

EPÍGRAFE

“O gênio é composto por 2% de talento e de 98% de perseverante aplicação.”

Ludwig Van Beethoven

http://pensador.uol.com.br/autor/ludwig_van_beethoven/

vii

RESUMO

As operações de manufatura podem provocar o aparecimento de tensões residuais. Estas

podem estar presentes nos componentes e tem importante papel na resistência às solicitações,

pois elas se somam às tensões externas atuantes, podendo aumentar ou diminuir sua

magnitude, determinando assim a capacidade de carga e vida útil do componente. Este

trabalho investiga a distribuição de tensões residuais na parede de tubos de alumínio

extrudados a quente, estabelecendo o mapa de intensidade e de natureza (compressiva ou

trativa). Foram confeccionados corpos de prova em tarugos de alumínio comercialmente puro,

com dimensões 20 x 5 mm (diâmetro x altura). Os corpos de prova foram deformados em três

temperaturas acima da temperatura de recristalização do alumínio. Também foram feitas

extrusões de corpos de prova com três ângulos diferentes de matrizes e duas reduções

diferentes. Em seguida os corpos de prova foram seccionados em relação ao seu eixo de

simetria longitudinal para expor a seção transversal da parede do tubo. Ensaios de

microdureza instrumentada foram executados para avaliar as tensões residuais ao longo da

parede do tubo e confirmar os resultados de tensão residual. Para avaliação foram feitas

análises estatísticas de resultados experimentais obtidos através de planejamento fatorial

completo aleatorizado por níveis, onde a variável de resposta foi a dureza medida na parede

do tubo. Para garantir a repetibilidade do processo foram realizadas 4 réplicas para cada

ensaio. Foram encontradas condições favoráveis de extrusão, com indução de tensões

residuais compressivas nas paredes interna e externa dos tubos.

Palavras chave: extrusão de tubos, tensões residuais, alumínio

viii

ABSTRACT

Manufacturing process induce residual stresses on the parts. These may are present in the

mechanical components and have an important influence in their mechanical strength as they

are added to the external stresses and may increase or decrease its magnitude, thus

determining their load strength and life. This study investigate the distribution of residual

stresses in the wall of hot extruded aluminum tubes, setting the map of intensity and nature

(compressive or tensile, Samples of commercially pure aluminum with dimensions 20 x 5 mm

(diameter x height) were hot extruded at three temperatures above the recrystallization

temperature of aluminum. Three angles of tool and two thin wall were tested. Then the

specimens were sectioned in its longitudinal axis of symmetry to expose the cross section of

the tube wall. Instrumented microhardness tests were performed to evaluate the residual stress

along the wall of the tube and evaluate the residual stress. A statistical analyzes were done

using a full factorial design, randomized by levels. To ensure repeatability of the process, four

replicates were done to each test. We found favorable conditions of extrusion, with induced

compressive residual stresses in the inner and outer walls of the tubes.

Keywords: Residual stress. Aluminum. Hot extrusion.

ix

Lista de Figuras

Figura 1- Processo de extrusão (LAUE and STENGER, 1981) ............................................... 4

Figura 2- Extrusão direta ........................................................................................................ 6

Figura 3- Extrusão indireta ..................................................................................................... 7

Figura 5- Início da extrusão de um tubo com tarugo maciço (DIETER, 1981) ...................... 10

Figura 6- Extrusão do tubo com tarugo maciço (DIETER, 1981) .......................................... 10

Figura 7- Representação esquemática do processo de extrusão a quente de tubos ................. 11

Figura 8- Gráfico da pressão de extrusão de acordo com o percurso do pistão nas extrusões

direta e indireta (DIETER, 1981) ......................................................................................... 12

Figura 9- Ângulo de uma matriz de extrusão (LAUE and STENGER, 1981) ........................ 13

Figura 10- Tensões residuais desenvolvidas junto à superfície de uma peça sendo esmerilhada

(MODENESI, 2008) ............................................................................................................ 14

Figura 11- Padrão típico de distribuição de tensões residuais ao longo da seção de um eixo

(OGATA, 2003) ................................................................................................................... 15

Figura 12- Superposição de tensão residual e tensão aplicada (NUNES, 2008) ..................... 17

Figura 13- Tensões residuais do Tipo I (NUNES, 2008) ....................................................... 20

Figura 14- Tensões residuais do Tipo II (NUNES, 2008) ..................................................... 21

Figura 15- Tensões residuais do Tipo III (NUNES, 2008) .................................................... 22

Figura 16- Espalhamento e difração de raios-X em um arranjo cristalino (NUNES, 2008).... 27

Figura 17- Princípios da medição de tensões residuais pela difração de raios-X (NUNES,

2008)............ ........................................................................................................................ 28

Figura 18- Elipsóide de tensões deformações (GUIMARÃES, 1990) ................................... 30

Figura 19- Modelo de tensões elástico planas (NUNES, 2008) ............................................. 31

Figura 20- Contato entre indentador e material (ANTUNES, 2006) ...................................... 34

Figura 21- Esquema de ensaio de indentação com indentador piramidal (CIMM, 2011) ....... 35

Figura 22- Gráfico entre força de indentação e profundidade de indentação (SUTERIO,

2005)........... ......................................................................................................................... 36

x

Figura 23- Base inferior e punção piramidal ......................................................................... 38

Figura 24- Container inferior e container superior ................................................................ 38

Figura 25- Suporte superior da matriz e matriz ..................................................................... 39

Figura 26- Base superior e pistão ......................................................................................... 39

Figura 27- À esquerda, foto do forno de mufla utilizado para tratamento térmico, ao centro,

foto da ferramenta montada e à direita, detalhe da base com o punção. ................................. 40

Figura 28- Ordem de montagem das peças da ferramenta de extrusão .................................. 40

Figura 29- Matrizes e punções.............................................................................................. 40

Figura 30- Fotos dos corpos de prova ................................................................................... 41

Figura 31- À esquerda, interior da ferramenta montada, e à direita, grafite em pó ................. 41

Figura 32- Extrusão dos tubos com prensa hidráulica ........................................................... 42

Figura 33- Resíduos retirados após a extrusão dos corpos de prova, punção cônico (à

esquerda), e punção redondo (à direita) ................................................................................ 42

Figura 34- À esquerda, foto do tubo na ferramenta desmontada após extrusão, e à direita,

detalhe do tubo aderido ao punção redondo .......................................................................... 43

Figura 35- Fotos dos corpos de prova após tentativas de extrusão com alumínio ASTM 6351-

T6.......... .............................................................................................................................. 44

Figura 36- Tubo seccionado longitudinalmente .................................................................... 44

Figura 37- Policorte Mesotom .............................................................................................. 44

Figura 38- Máquina de embutir e Politriz ............................................................................. 45

Figura 39- Ultra Micro Durômetro ....................................................................................... 46

Figura 40- Amostras embutidas em baquelite ....................................................................... 46

Figura 41- Detalhe da indentação ......................................................................................... 47

Figura 42- Resultado direto de dureza obtido para a amostra 2, do corpo de prova extrudado a

400 º C, matriz de 15 graus e espessura do tubo de 2,5 mm .................................................. 48

Figura 43- Gráfico de dureza média, paredes externas x paredes internas, temperatura de 400°

e espessura de tubo de 2,5 mm ............................................................................................. 53

xi











Figura 49- Gráfico de deslocamento x força, para extrusão de tubos com matrizes de ângulos

curvos e punções retos (CHITKARA E ALEEM, 2001) ....................................................... 56

Figura 50- Gráfico de comparação entre ângulos de matrizes de extrusão na temperatura de

400 graus Celsius, espessura de 2,5 mm e superfície de análise interna ................................ 57






400 graus Celsius, espessura de 2,5 mm e superfície de análise externa ................................ 59











xii







Figura 62- Gráfico de micro dureza para cilindros de alumínio extrudados a frio com matrizes

de ângulos 30º, 45º e 60º (CHAUDHARI et al., 2012) ......................................................... 63

Figura 63- Gráfico de dureza média para temperaturas de 400º, 450º e 500° Celsius, em

relação ao ângulo de 15° para matriz de extrusão e espessura de tubo de 2,5 mm ................. 65










relação ao ângulo de 30° para matriz de extrusão e espessura de tubo de 3,5 m .................... 67

Figura 69- À esquerda, foto dos punções utilizados, à direita, gráfico com a carga requerida

para extrusão para cada tipo de punção, conical (cônico), ogival (ogival) e polynomial

(redondo) (CHITKARA E ALEEM, 2001) ........................................................................... 68

Figura 70- Gráfico de dureza média em relação ao tipo de punção para a temperatura 450°

Celsius, superfície de análise interna e espessura do tubo de 2,5 mm .................................... 69

Figura 71- Gráfico de dureza média em relação ao tipo de punção para a temperatura 450°

Celsius, superfície de análise externa e espessura do tubo de 2,5 mm ................................... 69

Figura 72- Fotos de tubos extrudados de 2,5mm de espessura, compunção cônico, a 400, 450

e 500 graus Celsius, respectivamente ................................................................................... 70

xiii

Figura 73- Fotos de tubos extrudados de 2,5mm de espessura, com punção cônico, a 500, 450

e 400 graus Celsius, respectivamente ................................................................................... 71

Figura 74- Fotos de tubos extrudados de 2,5mm de espessura, com punção redondo, a 400 e

450 graus Celsius, respectivamente ...................................................................................... 71

Figura 75- Fotos de tubos extrudados de 2,5mm de espessura, com punção redondo, a 400 e

450 graus Celsius, respectivamente ...................................................................................... 71

xiv

Lista de Tabelas

Tabela 1- Faixas de temperatura para extrusão de vários metais (CIMM, 2011) ..................... 9

Tabela 2- Mecanismos básicos de geração de tensões residuais (RODACOSKI, 1997 citado

por OGATA, 2003) .............................................................................................................. 16

Tabela 3- Composição química do Alumínio ASTM 6351-T6 (ABNT/CB-35 Alumínio) ..... 43

Tabela 4- Resultados dos ensaios de ultra micro dureza........................................................ 49

Tabela 5- Análise de Variância ............................................................................................ 51

Tabela 6- Resultados de dureza para os punções redondo e cônico, nas mesmas ................... 51

Tabela 7- Analise de variância para os tipos de punção ........................................................ 52

Tabela 8- Análise de variância para o punção redondo ......................................................... 52

Tabela 9- Análise de variância para o punção cônico ............................................................ 53

xv

Lista de Abreviaturas e Siglas

Letras Latinas

A0 área projetada da indentação [mm²]

Af área final da seção transversal do tarugo [mm²]

Ai área inicial da seção transversal do tarugo [mm²]

d espaçamento entre planos cristalinos [Å]

D detector de Raios-X [ ]

d0 distância interplanar [ ]

dϕ0 espaçamento entre planos cristalinos para material livre de tensões residuais [Å]

E Módulo de Elasticidade [GPa]

F força de extrusão [N]

K resistência específica à extrusão [ ]

n ordem de difração [ ]

N perpendicular à superfície [ ]

P0 carga residual de indentação do material livre de tensões residuais [N]

Pc carga residual de indentação do material com tensões residuais [N]

Pres carga residual de indentação do material com tensões residuais menos a carga de

indentação do material livre de tensões residuais [N]

Pt carga residual de indentação do material com tensões residuais [N]

S fonte de Raios-X [ ]

xvi

Letras Gregas

ε1 direção principal [ ]



εx deformação linear [mm/mm]

εϕψ deformação [mm/mm]

λ comprimento de ondas de Raios-X [Å]

ψ ângulo de rotação [°]

σ1 tensão principal [MPa]



σr tensão de serviço [MPa]

σs tensão de residual [MPa]

σx tensão em uma dada direção [MPa]

σϕ tensão em uma direção [MPa]

σres tensões residuais [MPa]

xvii

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ...................................................................................................... 1

2 REVISÃO DA LITERATURA ................................................................................ 4

2.1 Extrusão .................................................................................................................. 4

2.2 Tipos de Extrusão .................................................................................................... 5

2.2.1 Extrusão Direta ........................................................................................................ 5

2.2.2 Extrusão Indireta ..................................................................................................... 6

2.2.3 Extrusão Hidrostática .............................................................................................. 7

2.2.4 Extrusão a Frio ........................................................................................................ 8

2.2.5 Extrusão a Quente ................................................................................................... 8

2.3 Extrusão a Quente de Tubos: Características do Processo ........................................ 9

2.4 Tensões Residuais ................................................................................................. 14

2.4.1 Tipos de Tensões Residuais ................................................................................... 18

2.4.1.1 Macrotensões ou Macroscópicas ........................................................................... 19

2.4.1.2 Microtensões ou Microscópicas ............................................................................ 20

2.4.1.3 Submicroscópicas ................................................................................................. 21

2.4.2 Efeito das Tensões Residuais ................................................................................ 22

2.4.3 Medição de Tensões Residuais ............................................................................. 23

2.4.4 Medição de Tensões Residuais pelo Método da Difração de Raios-X.................... 26

2.4.5 Método de Medição de Tensões Residuais por Indentação .................................... 33

2.5 Alumínio Comercialmente Puro ............................................................................ 36

3 MATERIAIS E MÉTODOS ................................................................................. 38

3.1 Ferramenta Para Extrusão ..................................................................................... 38

3.2 Confecção dos Corpos de Prova ............................................................................ 41

3.3 Procedimentos Experimentais ............................................................................... 41

3.4 Planejamento Estatístico ....................................................................................... 47

xviii

4 RESULTADOS E DISCUSSÃO .......................................................................... 48

4.1 Ensaios de Micro Dureza ...................................................................................... 48

4.1.1 Superfície de Análise ............................................................................................ 53

4.1.2 Ângulo da Matriz de Extrusão .............................................................................. 57

4.1.3 Espessura da Parede do Tubo ................................................................................ 64

4.1.4 Temperatura de Extrusão ...................................................................................... 64

4.1.5 Tipo de Punção ..................................................................................................... 68

4.2 Análise Superficial dos Tubos Extrudados ............................................................ 70

5 CONCLUSÕES .................................................................................................... 72

6 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ................................................. 74

REFERÊNCIAS ................................................................................................... 75

ANEXO...................................................................................................................81

1

CAPÍTULO 1

INTRODUÇÃO

A extrusão é um processo de conformação plástica no qual um corpo é forçado a passar

através de uma matriz por meio de compressão. Ao passar através da matriz o corpo adquire o

formato da seção transversal do furo da ferramenta. Este processo é usado comercialmente

desde o século XIX, mas com a Segunda Guerra Mundial, passou a ser mais utilizado, quando

os perfis extrudados começaram a ser produzidos em grandes quantidades para componentes

aeronáuticos. O processo de extrusão obtém peças com estreitas tolerâncias dimensionais e

com grande relação comprimento/diâmetro.

A produção de tubos metálicos a partir da extrusão tem sido muito utilizada para

materiais metálicos não ferrosos, especialmente o alumínio. Este tem aplicações em diversos

setores da indústria e a sua freqüente presença no nosso dia a dia representa bem a sua

importância econômica no mundo atual. Tubos de alumínio são utilizados em estruturas

espaciais permitindo a cobertura de grandes vãos com o mínimo de apoios, em tubulações

para irrigação e em trocadores de calor como radiadores e componentes de ar condicionado,

entre outros, ideais para os setores da construção civil, bens de consumo, indústria elétrica e

de transportes. A variedade de perfis que podem ser extrudados em alumínio é praticamente

ilimitada. O processo reduz custos, pois elimina operações posteriores de usinagem,

possibilitando a obtenção de seções mais resistentes pela adequada eliminação de juntas

frágeis e uma melhor distribuição de metal. Entre os principais tipos de produtos extrudados

estão perfis sólidos, tubulares e semi-tubulares.

Nos produtos produzidos por qualquer processo de manufatura, especialmente durante a

produção de elementos de máquinas e componentes, pode ocorrer o aparecimento de tensões

residuais que resultam numa série de efeitos que poderão ser benéficos ou não, dependendo da

aplicação do componente, e da intensidade da tensão. Apesar dos estudos dos efeitos de

tensões residuais terem sido iniciados há mais de 100 anos, somente a partir do final da

década de 30 do século passado, com o desenvolvimento das tecnologias de medição com

raios-x e extensômetros, é que as técnicas experimentais de medição de tensões residuais

começaram a ser utilizadas em larga escala.

A presença de tensões residuais leva o projetista a superdimensionar as peças, de

modo a evitar sua falha prematura em serviço. Submetendo a peça produzida a tratamento

2

térmico para alívio de tensões poderia resolver o problema, mas além de custo adicional como

no seu superdimensionamento, ainda pode acontecer alterações dimensionais durante o

tratamento térmico, com perda das tolerâncias fixadas no projeto. A redução ou anulação das

tensões residuais em peças mecânicas que trabalham em tensões cíclicas reduz a possibilidade

de falhas em serviço, reduzindo substancialmente os custos de reposição e de manutenção dos

sistemas dos quais estes elementos são componentes. Tubos de alumínio extrudados são

largamente empregados na indústria mecânica, mas, até o presente, não existe um estudo

sobre a presença de tensões residuais na sua produção e a sua natureza.

Desta forma, um estudo exploratório sobre os mecanismos de formação de tensões

residuais e suas características quando oriundas da extrusão direta a quente pode ser uma boa

contribuição ao projeto de estruturas mais resistentes e mais econômicas.

É objetivo desta pesquisa, investigar a distribuição de tensões residuais na parede de

tubos de alumínio extrudados a quente, estabelecendo o mapa de intensidade e de natureza

(compressiva ou trativa). Para a investigação foi escolhida a operação de extrusão direta a

quente de tarugos de Alumínio Comercialmente Puro.

Este trabalho foi estruturado e formatado seguindo as diretrizes para apresentação de

dissertações do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da Universidade

Federal de São João Del-Rei, PPMEC-UFSJ, procurando produzi-lo de forma a proporcionar

uma leitura objetiva e concisa. Para tanto este documento é composto pelas seguintes partes:

Introdução: Introdução onde se apresenta um breve contexto sobre o processo de

extrusão e tensões residuais, além de serem apresentados o objetivo, justificativa e a estrutura

desse trabalho.

Revisão da Literatura: Apresenta a revisão da literatura abordada, necessária para

um melhor entendimento do assunto estudado. Neste capítulo são abordados os temas

relacionados ao processo de extrusão de tubos, determinação de tensões residuais, os métodos

para determinar e medir tais tensões, alumínio, dentre outros.

Materiais e Métodos: descreve detalhadamente os equipamentos, materiais e

procedimentos usados.

Resultados e Discussão: análises e discussões dos resultados obtidos.

3

Conclusões: Apresenta as conclusões obtidas a partir dos resultados dos ensaios.

Sugestões Para Trabalhos Futuros: Composto por sugestões para trabalhos

posteriores.

4

CAPÍTULO 2

REVISÃO DA LITERATURA

2.1. Extrusão

A extrusão é um processo de conformação plástica que consiste em fazer passar um

tarugo ou lingote de seção circular, colocado dentro de um container, por uma abertura

existente no meio de uma ferramenta, por meio da ação de compressão de um pistão, com

auxílio de uma prensa. Os produtos da extrusão são perfis, tubos e barras de seção circular.

Praticamente qualquer forma de seção transversal vazada ou cheia pode ser produzida por

extrusão. Como a geometria da matriz permanece inalterada, os produtos extrudados tem

seção transversal constante (BRESCIANI FILHO et al., 1997). A figura 1 exemplifica o

processo de extrusão.

Figura 1- Processo de extrusão (LAUE and STENGER, 1981)

Ao passar através da matriz, o corpo adquire o perfil da seção transversal do furo da

ferramenta. O processo pode ser utilizado na fabricação de tubos sem costura e pode ocorrer a

quente ou a frio. O perfil do produto vazado pode ser muito complexo (MOSHKSAR and

EBRAHIMI, 1998) ou bastante simples, como é o caso de tubos com orifício cilíndrico. A

fabricação de tubos pelo processo de extrusão passou a substituir a laminação, pois se tornou

mais econômica e competitiva para comprimentos relativamente curtos e em pequenas

quantidades (CHITKARA e ALEEM, 2001).

5

Pugh e Watkins (1961) fizeram uma análise da extrusão e dos produtos extrudados,

comparando a extrusão a quente de alumínio puro e da liga DTD 363, investigando o efeito da

temperatura e da velocidade de extrusão na pressão de extrusão. Também foi feita uma

investigação da extrusão a frio de metais não ferrosos, com análises de efeito da redução e

velocidade na pressão de extrusão.

Hsiang e Liao (1997) estudaram um modelo de simulação numérica para processos de

extrusão a quente de tubos, para prever o comportamento das variáveis no processo de

extrusão, analisando o fluxo de metal através de testes de desempenho mecânico.

Chitkara e Aleem (2001) analisaram mecanismos de extrusão de um tubo axi-simétrico

a partir de um tarugo oco, comparando os resultados das pressões de extrusão na extrusão de

um material modelo com punções de formatos diferentes.

Lyal’Kov et al. (2006) desenvolveram um método para calcular os principais

parâmetros na extrusão de tubos de difícil conformação, permitindo prever a facilidade com

que tubos de dadas dimensões podem ser conformados.

Sadeghi et al. (2012) utilizaram um algoritmo genético para selecionar os parâmetros de

extrusão de tubos de ferro, aumentando a velocidade de produção.

2.2. Tipos de Extrusão

De acordo com Campana (2008), as diferentes características dos produtos a serem

extrudados, bem como os diferentes tipos de ligas metálicas utilizadas, fazem com que não se

possa utilizar apenas um método aplicado para extrusão. Assim, podem ser listados como

meios de obtenção de produtos extrudados:

2.2.1. Extrusão Direta

Na extrusão direta apresentada na figura 2, o pistão age sobre o tarugo forçando sua

passagem pela ferramenta e o metal é movido na mesma direção do pistão, provocando atrito

entre ele e o container. Este processo possui maior utilização, pois não precisa de

equipamentos complexos, consegue elevado controle dimensional e pode trabalhar com perfis

extrudados de grande diâmetro sem comprometer a fluidez do perfil (SILVA, 1989).

6

Figura 2- Extrusão direta

2.2.2. Extrusão Indireta

No processo de extrusão indireta, também conhecida como extrusão reversa ou

invertida, a matriz se desloca na direção do tarugo. Ocorre o deslocamento da ferramenta e

não do tarugo. Como não há movimento relativo entre o tarugo e as paredes do container, as

forças de atrito e pressões necessárias são menores comparados à extrusão direta. Entretanto,

como o êmbolo é furado, as cargas necessárias para a extrusão são limitadas e não é possível

obter perfis com formatos complexos. Como vantagens, a extrusão indireta apresenta

benefícios no que diz respeito ao aproveitamento da matéria-prima. Apenas 5 % do tarugo

inicial são desperdiçados. A extrusão pode ocorrer em uma menor temperatura, evitando

defeitos como desgaste, o container tem uma maior vida útil, há maior uniformidade de

deformação e uma menor pressão de pico, resultando em menos carga aplicada. A principal

desvantagem consiste na maior complexidade e no alto custo das ferramentas (SANTOS,

1998 e CAMPANA, 2008). A figura 3 mostra o processo de extrusão indireta.

7

Figura 3- Extrusão indireta

2.2.3. Extrusão Hidrostática

Neste processo ilustrado pela figura 4, um tarugo é colocado sobre a matriz e envolvido

por um fluido, ambos contidos no interior de um container. O fluido tem sua pressão

aumentada por meio de um pistão, até o ponto em que o tarugo é forçado a escoar pela

abertura da matriz, dando forma final ao produto. O apoio da matriz é obtido pelo fluido sob

pressão, sendo a vedação do sistema feita através de selantes colocados em torno do pistão e

da matriz. O fluido pressurizado facilita a deformação do material pelo estabelecimento de um

estado de tensões favorável e pela redução do atrito entre o tarugo e a matriz. Entre as

vantagens deste tipo de extrusão estão o controle do estado de tensões sobre o produto,

evitando que haja a fratura do mesmo no caso de materiais frágeis, melhor qualidade de

extrusão, eliminação do atrito possibilitando grandes reduções sem que seja necessário

aquecer o material que será extrudado, maior rapidez na operação, uma maior vida útil e uso

de materiais menos nobres na confecção das matrizes (BUTTON, 1985 e 1990).

8

Figura 4- Extrusão hidrostática (CIMM, 2011)

Quanto à temperatura de extrusão, podem classificar-se como:

2.2.4. Extrusão a Frio

É o processo em que o material que será extrudado tem ductilidade suficiente à

temperatura ambiente, não necessitando ser aquecido para diminuir as forças necessárias para

a extrusão. Este processo tem como vantagens (SILVA, 1989 e MORO e AURAS, 2006):

Melhores propriedades mecânicas resultantes do encruamento;

Controle das tolerâncias, requerendo pouca ou nenhuma operação posterior de

acabamento;

Melhor acabamento superficial, devido à não existência de camada de óxido;

Eliminação do pré-aquecimento do tarugo.

Como desvantagem, este tipo de processo apresenta altos custos na aquisição de

maquinário e ferramentas, para trabalhar com peças grandes ou que possuem alto teor de

carbono.

2.2.5. Extrusão a Quente

A extrusão a quente é feita para ligas que não tem ductilidade suficiente à temperatura

ambiente ou quando o material exige grande esforço à deformação. Com a extrusão a quente

não se tem ganhos tão substancias em relação ao acabamento superficial e aumento da

resistência mecânica (CHIKTARA e ALLEM, 2001), mas consegue-se reduzir as forças

9

necessárias para a realização do processo com grandes reduções de seção numa só etapa.

Possui alguns problemas como desgaste excessivo da matriz, deformações não uniformes

devido ao resfriamento do tarugo no container, filme de óxido no tarugo após ser aquecido

gerando acabamento superficial ruim, mas algumas medidas preventivas podem resolver ou

diminuir o efeito destes problemas como o pré-aquecimento da matriz (MORO e AURAS,

2006).

A seguir apresenta-se a Tabela 1, com os principais metais e suas respectivas

temperaturas de extrusão:

Tabela 1- Faixas de temperatura para extrusão de vários metais (CIMM, 2011)

Faixas de Temperatura de Extrusão para vários Metais

Metal Temperatura ºC

Chumbo 200 - 250

Alumínio e suas Ligas 375 - 475

Cobre e suas Ligas 650 - 950

Aços 875 - 1300

Ligas Refratárias 975 - 2200

2.3. Extrusão a Quente de Tubos: Características do Processo

A indústria de tubos vem encontrando desafios no mercado atual. Primeiramente,

porque os compradores vem exigindo produtos numa variedade maior de tamanhos e formas,

10

além de melhor qualidade e menores custos. Para cumprir essas necessidades, é necessário o

uso de ferramentas otimizadas e técnicas avançadas de controle de qualidade e fabricação

(CARDOSO, 2007).

Tubos extrudados podem ser produzidos pela adaptação de um punção na extremidade

do pistão. O espaçamento entre o punção e a parede da matriz é o que determinará a espessura

da parede do tubo. A produção pode ser feita com a utilização de tarugos maciços ou tarugos

inicialmente vazados numa operação em dois estágios, na qual o tarugo maciço é

primeiramente perfurado e depois extrudado (DIETER, 1981). As figuras 5 e 6 ilustram a

extrusão de um tarugo maciço, mostrando a operação da produção de tubos em uma única

operação.

Figura 5- Início da extrusão de um tubo com tarugo maciço (DIETER, 1981)

A técnica de extrusão a quente de tubos consiste na conformação de um tarugo pré-

aquecido em forno, forçando-o a passar por uma ferramenta cilíndrica, com o auxílio de um

pistão e um punção cilíndrico, através de uma prensa hidráulica, como mostra a figura 7.

Figura 6- Extrusão do tubo com tarugo maciço (DIETER, 1981)

11

Figura 7- Representação esquemática do processo de extrusão a quente de tubos

De acordo com Bresciane Filho et al. (1997), existem fatores de influência que

favorecem ou não as condições de trabalho, levando à obtenção de um produto de qualidade e

custos especificados. Segundo Dieter (1981), estas variáveis são:

a) Tipo de Extrusão

O processo de extrusão direta apresenta um elevado nível de pressão inicial para fazer o

tarugo passar pela matriz, depois este nível cai com o avanço do pistão até um valor mínimo

pela redução de comprimento do tarugo no container, tendendo a crescer novamente no fim.

A pressão de extrusão é a força de extrusão dividida pela área da seção transversal do tarugo.

Na extrusão indireta, a pressão cresce constantemente com o avanço do pistão em decorrência

dos resíduos de material retidos entre a ferramenta e o container, o que dificulta o movimento.

A figura 8 mostra o gráfico da pressão de extrusão de acordo com o movimento do pistão nos

processos de extrusão direta e indireta. A maioria das extrusões a quente são feitas pelo

processo de extrusão direta, pois a extrusão indireta cria limitações quanto ao tamanho da

peça extrudada e a pressão de extrusão máxima que pode ser atingida.

12

Figura 8- Gráfico da pressão de extrusão de acordo com o percurso do pistão nas

extrusões direta e indireta (DIETER, 1981)

b) Razão de Extrusão

A razão de extrusão é a divisão entre a área inicial da seção transversal do tarugo e a

área final da seção depois da extrusão. Como a taxa de escoamento de metal na passagem pela

matriz pode ser considerada constante, a pressão de extrusão está diretamente ligada com o

logaritmo neperiano da razão de extrusão. Então, a força de extrusão pose ser expressa como:

(

) (1)

Onde:

F = força de extrusão

Ai = área inicial da seção transversal do tarugo

Af = área final da seção depois da extrusão

k = resistência específica à extrusão

13

Na extrusão a quente, a resistência específica à extrusão depende da tensão de

escoamento, atrito e deformação heterogênea e é apresentada em gráficos ou como as

equações das curvas de resistência à extrusão.

c) Temperatura de Trabalho

A temperatura de trabalho deve ser alta o suficiente para dar trabalhabilidade plástica ao

metal, diminuindo a tensão de escoamento, mas não pode ser muito alta para se evitar gastos

excessivos de energia, desgastes dos elementos da máquina de extrusão e matrizes e evitar a

oxidação do tarugo. Escolhe-se a temperatura máxima abaixo do ponto de fusão ou abaixo da

faixa de fragilidade a quente do metal, como já foi apresentado na Tabela 1, anteriormente.

d) Velocidade de Deformação

O aumento da velocidade no pistão acarreta no aumento da pressão de extrusão. A

velocidade de extrusão interfere na temperatura de trabalho e na pressão de extrusão e

depende do material a ser extrudado. Maiores velocidades acarretam em maior produção, e

com o aumento da velocidade na extrusão a quente, aumenta-se a temperatura de trabalho,

evitando-se o aumento da pressão de extrusão.

e) Condições de Atrito na Matriz e nas Paredes do Container

O atrito entre o container e o tarugo e entre a matriz e o tarugo tem uma enorme

influência no escoamento do material, refletindo na qualidade do produto extrudado, tanto em

suas propriedades mecânicas quanto nos defeitos que podem se apresentar ou não, além de

produzir desgaste nas ferramenta. O ângulo da matriz também influi no atrito que será

produzido, pois ângulos maiores aumentam a área de contato entre o material a ser extrudado

e a ferramenta, aumentando assim o atrito. A figura 9 exemplifica o ângulo de uma matriz de

extrusão.

Figura 9- Ângulo de uma matriz de extrusão (LAUE and STENGER, 1981)

14

2.4. Tensões Residuais

As tensões residuais são tensões internas que se desenvolvem em componentes que se

apresentam em um estado de equilíbrio. Os campos de tensões residuais ocorrem no material

mesmo sem a existência de carregamentos externos, gradientes de temperatura ou influência

da gravidade. (LU, 1996 e RODACOSKI, 1997 e CORDOVIL, 2001 citados por SUTERIO,

2005)

Para Hauk (1997), as tensões residuais são tensões auto-equilibradas, originadas sempre

que o componente sofre deformação plástica localizada ou deformação elástica não-

homogênea. Como exemplo, pode-se citar o processo de esmerilhamento de uma peça,

ilustrado na figura 10, que causa o escoamento plástico de material próximo à superfície da

peça, introduzindo tensões residuais nesta região.

Praticamente todas as operações de manufatura podem provocar o aparecimento de

tensões residuais. Portanto, podemos afirmar que as tensões residuais podem ser ocasionadas

por um ou mais motivos, que podem ser de origem mecânica, química e/ou térmica, ou a

interação destes. A seguir encontra-se a Tabela 2, com exemplos dos mecanismos básicos de

geração de tensões residuais.

Figura 10- Tensões residuais desenvolvidas junto à superfície de uma peça sendo

esmerilhada (MODENESI, 2008)

15

Todo sistema de tensões residuais está em equilíbrio e o somatório das forças

resultantes e dos momentos produzidos será zero. O valor máximo em módulo que as tensões

residuais poderão chegar é o próprio limite de escoamento do material. Valores de tensões

acima do limite de escoamento do material irão ocasionar uma deformação plástica do

material, havendo assim, uma redistribuição das tensões residuais (LU, 1996). A figura 11

mostra a distribuição de tensões residuais ao longo de um eixo, com o valor máximo da

tensão ocorrendo próximo da superfície e diminuindo à medida que a profundidade aumenta.

Depois ocorre uma inversão de sinal para satisfazer a condição de equilíbrio das forças

internas (OGATA, 2003).

Figura 11- Padrão típico de distribuição de tensões residuais ao longo da seção de um

eixo (OGATA, 2003)

16

Tabela 2- Mecanismos básicos de geração de tensões residuais (RODACOSKI, 1997 citado

por OGATA, 2003)

ORIGEM PROCESSO OBSERVAÇÕES

Deformação Mecânica

Diferencial

Conformação Laminação, Estampagem, Extrusão,

Estiramento

Auto-fretagem Armas, Vasos Pressão

Conformação

Superficial Jateamento, Granalhamento

Processos de Usinagem Torneamento, Frezamento,

Retificação, Furação, etc.

Transformação de Fase

do

Material

Soldagem Todos os Tipos

Tratamentos Térmicos Têmpera, Normalização, etc.

Contração ou Expansão

Térmica Diferencial

Processos de Usinagem Torneamento, Frezamento, Retificação,

Furação, etc.

Soldagem Todos os Tipos


Fundição Seções Transversais Diferentes, Grandes

Dimensões

Tratamentos

Termoquímicos

Contração ou Expansão Térmica

Diferencial

Desigualdades

Estruturais

Montagem e ajustes Estruturas, Desalinhamento de Uniões

Bi materiais Peças com Inserto, Peças Bi Metálicas

Microestrutura

Diferencial

Materiais Compósitos Todos Materiais Agregados à Superfície

Materiais Agregados à

Superfície

Deposições por Plasma, Revestimentos

Protetores, Anti-desgaste


17

Tensões residuais podem estar presentes nos componentes de transmissões e tem

importante papel na resistência às solicitações destes, pois elas se somam às tensões externas

atuantes, podendo aumentar ou diminuir sua magnitude, determinando assim a capacidade de

carga e vida útil do componente. O conhecimento do valor e da distribuição das tensões

residuais é um fator muito importante para a integridade da estrutura. A medição destas

tensões é um passo fundamental para assegurar o bom desempenho de um componente e pode

ser obtida durante a fabricação, permitindo corrigir possíveis imperfeições na execução do

projeto, facilitando o posterior controle da integridade e contribuindo para o planejamento da

manutenção (SOARES, 2003 e MACHERAUCH e WOHLFAHRT, 1977 e MACHERAUCH

e KLOOS, 1986 citados por GUROVA e LEONTIEV 2009).

A figura 12 demonstra a superposição de dois tensores em um material. σS é a tensão de

serviço, e σR é a tensão residual. Quando os dois tensores se sobrepõem, forma-se um novo

tensor, que é a soma dos dois.

Figura 12- Superposição de tensão residual e tensão aplicada (NUNES, 2008)

As tensões residuais influenciam substancialmente nas características de resistência

mecânica e no funcionamento dos elementos de uma estrutura. Podem causar uma série de

efeitos que poderão ser benéficos ou prejudiciais, dependendo da aplicação do componente,

em relação aos esforços mecânicos, térmicos ou químicos desempenhados por ele (OGATA,

2003).

18

Prevéy (1986) empregaram um algoritmo para determinar a distribuição de tensões

residuais em subsuperfícies de uma liga de titânio, eliminando erros causados por

desfocalização dos picos de difração de larguras intermediárias.

Yazdi et al. (1998) examinaram o campo de tensões residuais induzidas por têmpera

através do método de elementos finitos, analisando os aspectos térmicos e mecânicos no

resfriamento de ligas de alumínio.

Withers e Bhadeshia (2001) escreveram o efeito das tensões residuais em estruturas,

mostrando suas origens para vários tipos de materiais e avaliando cada técnica para medição.

Xu et al. (2005) apresentaram o método de indentação com penetrador cilíndrico e um

método numérico para determinar a tensão residual em espécimes de cobre, ajudando no

melhor entendimento da influência da tensão residual.

Bocciarelli e Maier (2007) empregaram a combinação de métodos tradicionais de

medição com o mapeamento das deformações residuais para identificar tensões residuais,

testando seu desempenho através de exemplos numéricos e validando seu uso por meio de

dados experimentais disponíveis na literatura.

Raj et al. (2009) avaliaram danos em materiais de aeronaves causados por vida em

fadiga utilizando a medição de tensões residuais, permitindo a continuidade de sua utilização

com a remoção da superfície danificada sem afetar sua integridade estrutural.

2.4.1. Tipos de Tensões Residuais

As tensões residuais podem ser classificadas quanto à sua natureza e quanto à sua área

de abrangência, isto é, o volume do material sujeito à sua ação.

Quanto à natureza, as tensões residuais podem ser trativas ou compressivas. As tensões

residuais trativas devem ser evitadas em peças submetidas a esforços mecânicos cíclicos

devido ao fato de facilitarem a nucleação e a propagação de trincas, levando-as a falharem por

fadiga mecânica (BIANCH et al., 2000). Já as compressivas, geralmente possuem um efeito

benéfico na vida em fadiga, propagação de trincas ou corrosão sob tensão (SUTERIO, 2005).

Tomando como exemplo o mecanismo de fadiga, a vida em fadiga de uma componente e sua

integridade estrutural podem melhorar através da introdução de tensões residuais

compressivas na superfície. Isto reduz a iniciação de trincas devido à diminuição do valor

19

efetivo das tensões de tração necessárias para a nucleação e crescimento de trincas de fadiga

(ROCHA, 2009). A presença de tensões residuais leva o projetista a superdimensionar as

peças, de modo a evitar sua falha prematura em serviço. Uma outra alternativa é submeter o

elemento produzido a tratamento térmico para alívio de tensões. Os dois casos representam

custo adicional. No segundo caso, outro inconveniente é a possibilidade de alterações

dimensionais durante o tratamento térmico, com perda das tolerâncias fixadas no projeto.

De acordo com a sua área de abrangência, as tensões residuais podem ser classificadas

como:

2.4.1.1. Macrotensões ou Macroscópicas

São tensões que se estendem sobre grandes porções volumétricas quando comparadas

com o tamanho de grão do material (RODRIGUES, 2007). As Macrotensões, Tensões

Macroscópicas ou Tensões Residuais do Tipo I, apresentadas na figura 13, são homogêneas

no volume de vários grãos e causam deformações uniformes da rede cristalina na região em

que atuam (GUIMARAES, 1990). O material é considerado como sendo homogêneo numa

visão macroscópica. São medidas por métodos de dissecção do material e secção. Estas tensões

são causadas pelas interações mútuas de zonas de tamanhos macroscópicos do material. Elas

podem ser originadas pelos processos de manufatura e se superpõem às tensões externas

aplicadas no componente. A formação destas tensões é causada principalmente por fatores

externos, tais como efeitos de deformação plástica não uniforme no material durante os

processos de fabricação ou ainda gradientes de temperatura que causam expansões não

uniformes no material (NUNES, 2008).

As tensões residuais macroscópicas assumem um estado de equilíbrio e qualquer

alteração, como a retirada do material ou surgimento de uma nova superfície, exige que as

tensões se re-arranjem para que uma nova configuração de equilíbrio seja atingida. Tais

tensões são quantidades tensoriais, com magnitudes e direções principais que variam em

diferentes regiões do material. Um exemplo típico de tensões residuais macroscópicas é

encontrado em união por processo de soldagem de chapas finas (SUTERIO, 2005). Também

são exemplos de tensões residuais macroscópicas materiais deformados plasticamente de

maneira não uniforme, processos de laminação, gradientes térmicos e têmpera em aço.

Em geral é o tipo de tensão residual de maior interesse para a engenharia devido aos

seus efeitos sobre os materiais.

20

Figura 13- Tensões residuais do Tipo I (NUNES, 2008)

2.4.1.2. Microtensões ou Microscópicas

As Tensões Residuais Microscópicas, Microtensões ou Tensões Residuais do Tipo II

cobrem uma distância de um grão ou uma parte de grão, assim, a região de influência no

equilíbrio destas tensões se estende a um pequeno número de grãos. Estas tensões, ilustradas

pela figura 14, ocorrem pelo simples processo de orientação dos grãos, ou seja, pela não

homogeneidade da estrutura cristalina do material. Após a remoção das cargas, os grãos que

não escoam tendem a retornar a sua geometria inicial e os que sofreram escoamento tendem a

manter a sua deformação elástica permanente. Estas tensões resultam, ainda, da interação de

fases presentes no material ou ao balanço entre diferentes grãos, podendo ser detectadas

através da largura dos picos característicos no Raio-X (SILVA, 1999 citado por OGATA

2003; SUTERIO, 2005 e NUNES, 2008).

21

Figura 14- Tensões residuais do Tipo II (NUNES, 2008)

2.4.1.3. Submicroscópicas

Conhecidas também como Microtensões Localizadas ou Tensões Residuais do Tipo III,

as Tensões Residuais Submicroscópicas abrangem distâncias interatômicas, sendo

homogêneas em regiões bastante limitadas, menores que um grão ou dentro de uma pequena

porção de um grão. Ocorrem nos materiais metálicos sujeitos a processos que produzam

descontinuidades na rede cristalina, como vazios, impurezas, falhas de empilhamento, entre

outros (RODRIGUES, 2007). Estas imperfeições provocam pequenas flutuações no

espaçamento dos planos da rede cristalina do material próximas às discordâncias onde estão

presentes. Não são direcionais em nível macroscópico e não são mensuráveis, ou influem

diretamente no comportamento mecânico macroscópico (GUIMARAES, 1990 e OGATA,

2003). A figura 15 mostra as tensões submicroscópicas.

22

Figura 15- Tensões residuais do Tipo III (NUNES, 2008)

2.4.2. Efeito das Tensões Residuais

Na maioria dos casos, os efeitos das tensões residuais sobre os materiais são nocivos,

uma vez que, por sua superposição com as tensões de serviço ou cargas aplicadas, podem

causar deformações, acelerar transformações de fase e processos de corrosão. Nas situações

onde pequenas deformações estão envolvidas, como fadiga, corrosão sob tensão e trincas por

fragilização, as tensões residuais podem provocar fraturas (GUIMARAES, 1990 e SUTERIO,

2005).

O desempenho de carga estática em materiais frágeis pode melhorar significativamente

com o uso inteligente de tensões residuais. Exemplos comuns são o vidro temperado e o

concreto protendido (WITHERS E BHADESHIA, 2001).

De acordo com Andrino (2003), quando uma estrutura está submetida a um

carregamento adicional, além do limite de escoamento do material, as tensões residuais se

23

tornam desprezíveis. Com carregamentos inferiores ao limite de escoamento do material,

podem ocorrer fraturas frágeis ou corrosão sob tensão.

A partir do conhecimento dos seus efeitos sobre os materiais, o monitoramento das

tensões residuais tornou-se uma etapa indispensável na fabricação de alguns componentes.

Para isso, houve o desenvolvimento de instrumentos e técnicas de medição de tensões

residuais com o objetivo de atender às exigências dos laboratórios de pesquisa e da indústria.

2.4.3. Medição de Tensões Residuais

Withers e Bhadeshia (2001) fizeram uma análise dos tipos de tensões residuais e seus

efeitos nas estruturas mecânicas, e uma avaliação das técnicas de medição de tensões

residuais, comparando a escala de comprimento característica de cada uma. As tensões

residuais são mais difíceis de prever do que as tensões externas aplicadas. Por este motivo, é

de grande importância ter métodos confiáveis para a medição destas tensões.

As técnicas tradicionais de medição de tensões se baseiam na mudança de determinadas

propriedades antes e depois da aplicação de um carregamento. Como as tensões residuais são

o estado de tensões em um material, sem que nele sejam aplicadas forças externas, estas

técnicas não percebem as tensões residuais (SOARES, 2003).

Outra dificuldade para a medição de tensões residuais é o fato de que as tensões não são

diretamente medidas. O que é medido é a deformação elástica causada pelas microtensões e

macrotensões residuais. Os primeiros métodos utilizados na determinação qualitativa das

tensões residuais eram baseados no alívio das tensões pela realização de cortes, remoção de

camadas por meio de ataques químicos e pela medição do empenamento resultante no

material. Estes métodos ainda são usados hoje, mas já foram aperfeiçoados. Ainda assim,

existem algumas hipóteses para a medição de tensões residuais que continuam inalteradas.

Elas assumem que:

a) o material é isótropo;

b) as técnicas de medição não introduzem novas tensões residuais;

c) o campo de tensão é uniforme;

d) existe um estado plano de tensões no ponto de medição.

24

Vários métodos de medição da tensão residual podem ser usados e a escolha específica

de um método depende de vários fatores como, a natureza do campo da tensão residual, a

geometria e a região da parte analisada (profundidade, dimensão e forma da superfície), o

custo da medição e dos equipamentos necessários, o tempo disponível para a medição, a

incerteza requerida e a repetitividade do método, a extensão da região de interesse

(superficial, sub-superficial ou o volume total do material). Cada método possui um domínio

de aplicações bem definido e dependente do problema (OGATA, 2003 e PITELLA, 2003).

Em geral, as várias técnicas de medição de tensão residual podem ser classificadas

como métodos destrutivos, semi-destrutivos ou não-destrutivos.

Os métodos destrutivos e semi-destrutivos baseiam-se na alteração do estado de

equilíbrio das tensões residuais, medindo-se a relaxação da tensão através da deformação por

extensômetros. Com o alívio destas tensões no ponto ou na região de medição, a variação da

deformação é medida e, através de modelos matemáticos adequados, são determinadas as

tensões residuais originais. Nestes dois métodos são analisadas somente as tensões residuais

macroscópicas (ANDRINO, 2003 e SUTERIO, 2005). As técnicas destrutivas comprometem

ou impossibilitam o uso do componente medido, enquanto as técnicas semi-destrutivas

provocam danos no componente medido, mas não comprometem a sua integridade,

possibilitando seu uso após a medição das tensões residuais. De acordo com Lu (1996), dentre

os métodos destrutivos, os mais usados são:

Método da Remoção de Camadas (Deflexão) – são retiradas camadas do

material com ataque químico;

Método do Seccionamento – são feitos cortes parciais longitudinais ou

transversais ao longo do eixo de peças assimétricas;

Oettel (2000) diz que o método semi-destrutivo mais usado é o método do furo cego,

que é regido pela norma ASTM-E 837.

Os métodos não-destrutivos analisam as variações de parâmetros físicos ou parâmetros

cristalográficos que foram provocadas pelas tensões residuais em um material. Estes métodos

podem determinar todo tipo de tensões residuais, isoladas ou combinadas, mas não

conseguem distingui-las entre si. Conseguem analisar tensões residuais sem a necessidade de

25

remoção de material, não provocando nenhum tipo de dano ao componente analisado

(SUTERIO, 2005 e RODRIGUES, 2007).

Lu (1996) descreve os métodos não-destrutivos mais usados:

Método da Difração de Raios-X - analisa a distorção elástica linear do parâmetro

cristalino. Sabendo-se o valor da deformação, podemos calcular o valor da

tensão;

Difração de Nêutrons - é baseado na variação das distâncias entre planos

medidas com as tensões atuantes no componente. Os raios nêutrons penetram

profundamente no interior do material, possibilitando a análise de porções

maiores;

Método do Ultra-som - é baseado no fato que a velocidade de propagação das

ondas ultra-sônicas varia de forma aproximadamente linear com a tensão sob a

qual o material cristalino está submetido. Com uma amostra de um material sem

tensões residuais e suas características microestruturais (tamanho de grão,

forma, orientação e fases secundárias), pode-se fazer uma comparação com uma

amostra de um mesmo material com mesma composição química, com tensões

residuais;

Método Magnético (Barkhausen) - os materiais ferromagnéticos são constituídos

de regiões microscópicas magneticamente ordenadas conhecidas por domínios.

Cada domínio é magnetizado segundo direções cristalográficas preferenciais à

magnetização. Quando se aplica um campo magnético ou tensões mecânicas

nestes materiais, acontece um rearranjo na orientação magnética dos domínios.

Medindo-se a amplitude do ruído eletromagnético provocado pela magnetização

local destes materiais consegue-se medir as tensões residuais adicionadas;

Método da Indentação - consiste na aplicação de uma carga sobre a superfície da

peça que se pretende analisar através de uma ponta cônica, esférica ou piramidal.

A pressão exercida pela ponta do indentador induz novas tensões provocando

uma alteração plástica localizada na superfície do material. Com esta

perturbação, há uma alteração do campo de deslocamento em torno da

indentação, sendo possível correlacioná-lo com as tensões residuais existentes.

26

A seguir, os métodos da Difração de Raios-X e Indentação serão tratados mais

detalhadamente, por se tratarem dos métodos não destrutivos mais utilizados para medição de

tensões residuais.

2.4.4. Medição de Tensões Residuais pelo Método da Difração de Raios-X

O uso de difratometria por raios-X iniciou-se por volta do final do século XIX, com a

descoberta de Max von Laue (SOUZA e BITTENCOURT, 2008). A partir daí, foi possível

conhecer melhor a estrutura dos materiais e as relações entre essa estrutura e suas

propriedades. Com a difratometria de raios-X pode-se fazer atualmente a análise quantitativa

de fases amorfas e cristalinas, análise de tensão residual, análise de filmes finos, análise de

reflexão e textura, além de estudos de transformação de fase, reação cinética e comportamento

da tensão em temperatura com auxílio de acessórios de alta temperatura (GOLDSMITH et al.,

2000, citado por SILVA, 2007).

De acordo com Ruud (2002), considerando que os metais são compostos de átomos

dispostos em uma matriz tridimensional regular para formar um cristal, estes átomos formam

pequenos cristais ou grãos, que se orientam aleatoriamente em relação ao arranjo cristalino do

metal. Quando um metal policristalino é colocado sob tensão, externa ou residual, as tensões

elásticas são produzidas na rede cristalina dos pequenos cristais, gerando modificações nas

distâncias entre os átomos. É esta modificação que a difração de raios-X pode medir.

O método de medição de tensões residuais por difração de raios-x analisa o

espaçamento entre os planos de materiais cristalinos. As tensões residuais causam uma

modificação nesse espaçamento, que é uniforme. Medindo-se essa deformação relativa à

superfície da amostra, em duas orientações diferentes e conhecidas, consegue-se calcular a

tensão residual da amostra pela proporção entre a deformação no regime elástico e a tensão

(PITELLA e ANDRINO, 2003).

Em um difrator de raios-X, o feixe de raios-X é gerado por uma fonte, passa por um

colimador para direcionar e limitar este feixe de acordo com as especificações, e incide sobre

a amostra a ser analisada (GUIMARÃES, 1990). Uma parte dos raios-X é absorvida pelos

átomos enquanto outra parte é enviada de volta em todas as direções da área irradiada. No

caso dos raios-X que incidem sobre um corpo cristalino, ao contrário dos corpos de

substâncias amorfas, a dispersão ou espalhamento devido a cada átomo é reforçada em certas

direções específicas com variação angular muito pequena. Esse é o fenômeno denominado

27

difração. O ângulo formado pela direção de incidência dos raios-X e o ângulo do raio

difratado é designado como 2θ, sendo a metade deste ângulo o ângulo de BRAGG (PREVÉY,

1986).

Mais precisamente, as condições de difração são expressas pela equação de Bragg:

(2)

onde n é um número inteiro que indica o ordem de difração;

λ é o comprimento de onda de raios-X;

d é o espaçamento entre os planos cristalinos e

θ é o ângulo de difração.

A figura 16 exemplifica a equação de Bragg.

Figura 16- Espalhamento e difração de raios-X em um arranjo cristalino (NUNES,

2008)

28

Qualquer mudança no espaçamento entre os planos cristalinos resulta em uma mudança

correspondente no ângulo de difração. Se for aplicada uma tensão de tração na amostra, o

espaçamento entre os planos cristalinos será reduzido na proporção do coeficiente de Poisson

e o ângulo de difração irá aumentar. Se a amostra for rotacionada através de um ângulo ψ

conhecido, as tensões trativas presentes na superfície da amostra irão aumentar o espaçamento

entre os átomos acima do estado livre de tensões e assim haverá uma diminuição no ângulo de

difração. Medindo-se a mudança em relação à posição angular do pico de difração em pelo

menos duas orientações da amostra definida pelo ângulo ψ, pode-se calcular as tensões na

superfície da amostra (PREVÉY, 1986).

A figura 17 mostra os princípios da medição de tensões residuais pela difração de raios-

X. Em a), a amostra tem o ângulo ψ = 0. Em b), a amostra tem o ângulo ψ = ψ . D é o detector

de raio-x, S é a fonte de raios-X, N é perpendicular à superfície e d0 é o espaçamento entre os

planos cristalinos para um material livre de tensões residuais.

Figura 17- Princípios da medição de tensões residuais pela difração de raios-X

(NUNES, 2008)

De acordo com a Teoria da Elasticidade, a tensão em uma determinada direção está

relacionada com a deformação na mesma direção através do módulo de elasticidade segundo a

Lei de Hooke (TIMOSHENKO e GOODIER, 1951):

29

(3)

Onde:

σx = tensão em uma dada direção

E = módulo de elasticidade

εx = deformação linear

Quando uma força de tração é aplicada em um material em uma direção x, não ocorre

apenas uma deformação linear (εx) na direção da força de tração, mas também ocorre

deformação transversal e longitudinal. A razão entre a deformação transversal e a longitudinal

é denominada Coeficiente de Poisson (ν).

(4)

Considerando um corpo em um sistema triaxial de tensões (σ1, σ2, σ3), a deformação em

qualquer uma das três direções principais (ε1, ε2, ε3) se deve à tensão que atua ao longo do

eixo escolhido, somada às deformações causadas pelo Coeficiente de Poisson na tensão

principal atuando ao longo dos outros eixos.

[ ]

[ ] (5)

[ ]

De acordo com Pitella (2003), no caso de deformação plana, com as tensões σ1 e σ2

paralelas à superfície e σ3 nula, teremos:

(6)

30

A figura 18 mostra um elipsóide de tensões deformações. Nele, a deformação εϕψ pode

ser expressa em função das deformações principais, como:

(7)

Figura 18- Elipsóide de tensões deformações (GUIMARÃES, 1990)

A medição de tensões residuais por difração de raio-X é feita apenas na superfície da

amostra. Para isto, assume-se que existe um estado plano de tensões na superfície da amostra,

então a distribuição de tensões é descrita por σ1 e σ2, e σ3 é igual a zero na superfície da

amostra. Mas existe um componente de deformação ε3 perpendicular à superfície, devido ao

coeficiente de Poisson e causada pelas duas tensões principais. A figura 19, a seguir, mostra o

modelo de tensões elástico planas, onde dϕψ representa o espaçamento entre os planos

cristalinos na direção definida pelos ângulos ϕ e ψ; ϕ é o ângulo entre um dos eixos principais

de tensão e a projeção da direção da deformação medida sobre a superfície da amostra; ψ é o

ângulo entre a direção normal à superfície e a direção da medida; dϕ0 é o espaçamento entre os

planos cristalinos para um material livre de tensões residuais na direção definida pelo ângulo

ϕ e εϕψ é a tensão na direção definida pelos ângulos ϕ e ψ. (PREVÉY, 1986 e RAJ et al.,

2009).

31

Figura 19- Modelo de tensões elástico planas (NUNES, 2008)

De acordo com Prevéy (1986), a deformação, εϕψ na direção definida pelos ângulos ϕ e

ψ é:

ϕ *

+ *

+ (8)

E é o módulo de elasticidade e ν é o coeficiente de Poisson.

Substituindo α1 e α2 na equação (8) por:

(9)

Teremos:

*

+ *

+ (10)

Se considerarmos o ângulo ψ como 90º, o vetor deformação ficará na superfície da

amostra, e a componente de tensão na superfície da amostra será:

(11)

32

Substituindo (11) na equação (10):

*

+ *(

) + (12)

A equação acima relaciona a tensão na superfície da amostra, na direção definida pelo

ângulo ψ, a deformação ε, na direção (ϕ, ψ) e as tensões principais na superfície. Se dϕψ é o

espaçamento entre os planos cristalinos medido no sentido definido por ϕ e ψ, a deformação

pode ser expressa em termos de mudanças nas dimensões lineares de da rede cristalina.

(13)

Substituindo (13) em (12), as constantes elásticas (

) e (

) serão os valores

cristalográficos para a direção normal aos planos da rede em que a deformação é medida,

como especificado pelos índices de Miller, pois nos cristais isolados a deformação pode ser

diferente.

[(

)

] [(

)

] (14)

Fazendo dϕψ para qualquer orientação, teremos:

[(

)

] [(

)

] (15)

Para = 0, então:

(

)

[ (

)

] (16)

Determinando o coeficiente angular, temos:

(

)

(17)

Resolvendo a equação (15) para a tensão σϕ :

(

)

(

) (18)

33

De acordo com Nunes (2008), como dϕ0 não difere de d0 em mais de 1%, a equação (18)

pode ser escrita da seguinte forma:

(

)

(

) (19)

A equaçao (19) faz com que a medição de tensões residuais por difração de raios-X

torne-se um método diferencial, não precisando de nenhuma amostra livre de tensões

residuais para se determinar o estado biaxil de tensões residuais na superfície de uma amostra.

Como o corpo, no estudo de trabalho, não está carregado, Neves (2003) diz que a tensão

residual será a relação entre a tensão residual e a deformação produzida no plano

perpendicular, devido ao efeito do Coeficiente de Poisson:

(20)

2.4.5. Método de Medição de Tensões Residuais por Indentação

Segundo Callister (2007), a dureza é uma propriedade mecânica do material, que está

relacionada à facilidade ou dificuldade de deformação plástica localizada, ou seja, é a

resistência que o material oferece à pequenas impressões ou riscos. A técnica da indentação é

um método não destrutivo que consiste na aplicação de uma carga sobre a superfície do

material a ser analisado através de um penetrador rígido. Esse penetrador é padronizado, pode

ser esférico, cônico ou piramidal e é semelhante aos usados em ensaios de dureza. A pressão

feita pelo penetrador causa um re-equilíbrio no estado de tensão do corpo o que provoca um

campo de deslocamentos ao redor da indentação. O campo de deformações locais decorrentes

da indentação é função da forma da ferramenta de indentação, das propriedades do material,

da carga de indentação e da magnitude e direção das tensões residuais inicialmente presentes

no material (SUTERIO et al., 2002). Assim com técnicas apropriadas de medição de

deslocamentos e deformações, é possível estabelecer uma relação entre a quantidade de

tensões residuais presentes no material e (SUTERIO, 2005):

medição da variação da sua dureza;

medição da relação entre força e profundidade de indentação;

medição da forma geométrica de indentação;

medição da deformação ao redor da indentação.

34

O ensaio de dureza é um dos ensaios mecânicos mais utilizados, pois apresenta

vantagens interessantes sobre os demais. Dentre elas, está sua simplicidade e custo, pois os

corpos de prova não precisam de preparação complexa (no máximo lixar e polir). Além do

mais, o ensaio é considerado não destrutivo, pois não há deformação, e tampouco fratura da

amostra. Por último, é um ensaio que pode gerar outras informações tais como módulo de

elasticidade e limite de resistência (MANEIRO e RODRÍGUEZ, 2006).

O desenvolvimento de novos materiais e a crescente aplicação de revestimentos de fina

espessura fazem com que os ensaios de dureza convencionais não possam ser utilizados. As

cargas máximas aplicáveis e as dimensões reduzidas limitam as cargas máximas aplicáveis e,

consequentemente, reduzem as dimensões das indentações. Estas restrições motivaram o

desenvolvimento de técnicas e equipamentos de medição de dureza nos últimos anos. Os

ensaios de ultramicrodureza surgiram, combinando o emprego de baixas cargas (abaixo de 2

Newtons) e profundidades pequenas. A área de contato do indentador com a superfície do

material a ser ensaiado é calculada pelo deslocamento da ponteira, que é continuamente

registrado durante a aplicação de carga, demonstrada pela figura 20 (ANTUNES, 2006).

Figura 20- Contato entre indentador e material (ANTUNES, 2006)

Na utilização de ensaios de ultramicrodureza para medição de tensões residuais, espera-

se que um material deformado a frio, submetido a um ensaio de dureza superficial, apresente

um resultado diferente do resultado do mesmo ensaio em um material não deformado. Se a

natureza das tensões residuais na superfície forem trativas, o ensaio apresentará um valor

menor para a dureza superficial em relação ao material não deformado, havendo uma

penetração maior do indentador com uma aplicação menor de carga. Caso contrário, sendo

compressivas as tensões residuais na superfície, a penetração será mais difícil e o resultado do

35

ensaio apresentará valores maiores (BOCCIARELLI e MAIER, 2006). A figura 21 apresenta

o esquema de um ensaio de indentação com indentador piramidal.

Figura 21- Esquema de ensaio de indentação com indentador piramidal (CIMM, 2011)

A medição de tensões residuais é feita pela comparação entre um material com tensões

residuais e outro com a mesma composição, livre de tensões. Através da relação entre a força

e a profundidade de indentaçao temos (SUTERIO, 2005):

(21)

Onde:

σres são as tensões residuais do material;

α é a constante característica do indentador e do material;

Pres é a carga residual de indentação do material com tensões residuais menos

a carga do material livre de tensões residuais (Pc – Po ou Pt – Po);

36

A0 é a área projetada da indentação.

A carga residual de indentação é calculada pelo gráfico da força X profundidade de

indentação, que é apresentado na figura 22, a seguir.

Figura 22- Gráfico entre força de indentação e profundidade de indentação (SUTERIO,

2005)

O método da indentação possui as vantagens de se poder medir a influência do tamanho

da indentação na determinação da dureza, analisar variação de dureza ao longo do perfil e

avaliar a dureza em filmes finos de materiais através da análise da tensão elasto-plástica em

testes de microindentação, mas não pode ser usado para medir tensões residuais em materiais

que apresentam gradientes ou variações de tensões na sua superfície (SUTERIO, 2005).

2.5. Alumínio Comercialmente Puro

Segundo Fink (1936), o Alumínio é um material, que devido á combinação de suas

propriedades físicas e químicas vem sendo utilizado nas indústrias e está em constante

expansão. Possui estrutura cristalina cúbica de face centrada, número de coordenação igual a

12 e fator de empacotamento atômico igual a 0,74.

37

Considerado o terceiro elemento mais abundante da crosta terrestre, possui as vantagens

de ser resistente à corrosão, ter alta condutibilidade térmica, baixo peso específico, grande

ductilidade, não deixar passar luz, oxigênio, odor e umidade e ainda pode ser reciclado com

facilidade. O alumínio é amplamente utilizado no mundo moderno devido ao seu excelente

desempenho e às propriedades superiores na maioria das aplicações, pois suas técnicas de

fabricação permitem a manufaturação do produto acabado a preços competitivos no mercado.

Estas características tornam o Alumínio o metal não ferroso mais consumido no mundo.

Dentre as indústrias consumidoras de alumínio, estão as fabricantes de tubos, que são

utilizados em estruturas espaciais permitindo a cobertura de grandes vãos com o mínimo de

apoios, além de tubulações para irrigação e trocadores de calor (ABAL, 2007).

38

CAPÍTULO 3

MATERIAIS E MÉTODOS

Neste capítulo são apresentados os materiais e métodos utilizados na pesquisa a fim de

determinar qualitativamente tensões residuais introduzidas no processo de extrusão a quente

de tubos. O estudo foi realizado utilizando alumínio comercialmente puro. Deste, foram

confeccionados corpos de prova. O procedimento adotado na preparação da ferramenta para a

extrusão dos corpos de prova e geração dos tubos, até a condução dos ensaios de microdureza

serão descritos.

3.1. Ferramenta Para Extrusão

Para a extrusão dos corpos de prova, foi confeccionada uma ferramenta composta por 8

peças no Laboratório de Usinagem da UFSJ. O material utilizado foi o aço 1045.

As figuras 23, 24, 25 e 26, a seguir, mostram de forma detalhada as peças que compõem a

ferramenta de extrusão confeccionada.

Figura 23- Base inferior e punção piramidal

Figura 24- Container inferior e container superior

39

Figura 25- Suporte superior da matriz e matriz

Figura 26- Base superior e pistão

Foi feito tratamento térmico de têmpera nas peças da ferramenta de acordo com a GGD

Metals (2011), em um forno de mufla, da marca JUNG, com temperatura inicial de 450 graus

Celsius. Após estabilização marcou-se o tempo de 30 minutos. A temperatura foi elevada,

então, para 950 graus Celsius e após estabilização, as peças da ferramenta permaneceram no

forno por 1 hora. Para evitar a formação de carepa, as peças foram introduzidas no forno

dentro de uma caixa de grafite. Ao serem retiradas do forno, as peças foram imersas em óleo

de têmpera para resfriamento ao invés de água, para se evitar trincas. Após chegarem à

temperatura ambiente, as peças foram introduzidas novamente no forno, dentro da caixa de

grafite, à temperatura de 400 graus Celsius. Após estabilização, marcou-se o tempo de 30

minutos. As peças foram retiradas logo após o tempo marcado e foram resfriadas no ar,

concluindo o processo de revenimento de acordo com a GGD Metals (2011), para alívio de

tensões.

40

Figura 27- À esquerda, foto do forno de mufla utilizado para tratamento térmico, ao

centro, foto da ferramenta montada e à direita, detalhe da base com o punção.

Figura 28- Ordem de montagem das peças da ferramenta de extrusão

Foram confeccionados também além das 8 peças, mais um punção cônico, para extrusão

de tubos de 3,5mm de espessura, e dois punções com ponta redonda para extrusão de tubos de

2,5mm e 3,5mm de espessura, além de mais duas matrizes com ângulos de 24 e 30 graus.

Figura 29- Matrizes e punções

41

3.2. Confecção dos Corpos de Prova

Na preparação dos corpos de prova, foram utilizadas chapas de alumínio comercialmente

puro. As chapas foram cortadas em pequenos pedaços e colocadas em um cadinho de grafite.

Em seguida foram aquecidas em forno de mufla na temperatura de 700 graus Celsius até

estabilização. Após a fundição, o alumínio foi despejado em moldes de areia. Os moldes

foram feitos em uma caixa com areia de fundição previamente peneirada, umedecida e

compactada. Como modelo para construção dos moldes, foram usados bastões de metal de 25

mm de diâmetro, retirados logo após a compactação da areia. Depois de resfriados, os tarugos

foram retirados da areia, limpos e desbastados. Dos tarugos foram preparados corpos de

prova com dimensões de 20mm de diâmetro por 5mm de altura. Foi feito um furo de centro

em cada corpo de prova para direcionar a conformação, como é mostrado na figura 30.

Figura 30- Fotos dos corpos de prova

3.3. Procedimentos Experimentais

Para extrusão, a ferramenta foi montada e um corpo de prova colocado no seu interior.

Como lubrificante, foi utilizado grafite em pó (textura de talco), colocado por cima do corpo

de prova, até preencher toda a ferramenta, apresentado na figura 31.

Figura 31- À esquerda, interior da ferramenta montada, e à direita, grafite em pó

42

Depois de o grafite ser compactado com o próprio pistão da ferramenta, esta foi levada

para o forno, e permaneceu 10 minutos no seu interior, após a estabilização da temperatura.

Em seguida, foi retirada e levada à Prensa Hidráulica da marca CONEMAG. Nela o corpo de

prova foi prensado, como mostrado na figura 32, e retirado logo em seguida, desmontando-se

a ferramenta.

Figura 32- Extrusão dos tubos com prensa hidráulica

Foram feitas extrusões nas temperaturas de 400, 450 e 500 graus Celsius. A velocidade

da prensa foi a mesma em todos os ensaios. Variou-se o ângulo da matriz de extrusão, com

15, 24 e 30 graus, e a espessura dos tubos, com 2,5 e 3,5 mm. O punção utilizado para

extrusão na ferramenta foi de dois tipos: cônico e redondo. No total, foram extrudados 39

corpos de prova, 36 com os punções cônicos e 3 com o punção redondo.

A cada dois corpos de prova extrudados, as matrizes e os punções foram lixados, para

remover resíduos de alumínio, como mostrado na figura 33, a seguir.

Figura 33- Resíduos retirados após a extrusão dos corpos de prova, punção cônico (à

esquerda), e punção redondo (à direita)

43

Figura 34- À esquerda, foto do tubo na ferramenta desmontada após extrusão, e à

direita, detalhe do tubo aderido ao punção redondo

Inicialmente, o alumínio utilizado foi o ASTM 6351–T6, que tem como principais

elementos de liga o silício e o magnésio. A combinação destes dois elementos reduz o ponto

de fusão e aumenta a fluidez da liga, conseguindo também maior resistência mecânica aliada

à resistência à corrosão (BUZINELLI, 2000). A adição de manganês proporciona aumento de

resistência mecânica, causando uma redução ligeira na ductilidade (MARTINS e PADILHA,

2006). São largamente utilizadas em produtos extrudados como tubos e perfis (LIMA, 2002).

A composição química do Alumínio ASTM 6351-T6 é apresentada na Tabela 3, a

seguir.

Tabela 3- Composição química do Alumínio ASTM 6351-T6 (ABNT/CB-35 Alumínio)

Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti

Outros Elementos

Al

Cada Total

0,7 - 1,3 0,50 0,10 0,4 - 0,8 0,4 - 0,8 - 0,20 0,20 0,05 0,15 Restante

Entretanto, devido à dificuldades nos ensaios preliminares com matriz com ângulo de

10 graus, e temperatura de extrusão de 350 a 550 graus Celsius, este foi substituído por

alumínio comercialmente puro, mais maleável.

44

Figura 35- Fotos dos corpos de prova após tentativas de extrusão com alumínio ASTM

6351-T6

Após a extrusão, para que fosse possível realizar os ensaios de microdureza

instrumentada, os tubos foram seccionados em relação ao seu eixo de simetria longitudinal,

como mostra a figura 36. Foi cortada uma amostra da parede de cada tubo. Para o corte foi

utilizado um policorte da marca Mesotom, com refrigeração por meio de fluido de corte

apresentado na figura 37. O corte foi lento, constante e com muita refrigeração para não

introduzir tensões residuais indesejadas ao longo no corpo de prova. O procedimento foi

realizado da mesma forma para todas as amostras.

Figura 36- Tubo seccionado longitudinalmente

Figura 37- Policorte Mesotom

45

As amostras foram embutidas a quente em baquelite em uma máquina de embutir

TEMPOPRESS e polidas com lixas de granulometria que variaram de 240, 320, 400, 600,

800, 1000 a 1200 mesh em uma máquina politriz PANAMBRA DP-9ª, com fluxo de água

contínuo, segundo a norma ASTM E 3 – 01.

Em seguida, as amostras foram polidas com feltro e pasta de alumina 3 µm.

Figura 38- Máquina de embutir e Politriz

Imediatamente após o polimento, para se evitar a oxidação das amostras, foram feitos

ensaios de microdureza instrumentada Vickers, de acordo com a norma ABNT NBR 6672.

Nesses ensaios um penetrador de diamante, muito pequeno, com geometria piramidal, é

forçado contra a superfície do corpo de prova. A impressão resultante é observada sob um

microscópio e medida; essa medição é então convertida em um número de índice de dureza.

Foi utilizado um ultra micro durômetro SHIMADZU, modelo DUH-211S (Dynamic Ultra

Micro Hardness Tester) alocado no Laboratório de Microcospia da Universidade Federal de

São João Del-Rei, A figura 37 apresenta o equipamento. Os parâmetros utilizados foram:

a) força média de 500 mN;

b) força mínima de 1,96 mN;

c) velocidade de carregamento de 1,0 mN/seg;

d) coeficiente de Poisson do punção piramidal de base quadrada igual 0,070.

46

Figura 39- Ultra Micro Durômetro

Figura 40- Amostras embutidas em baquelite

Foram feitas 8 indentações em cada amostra, sendo 4 na parede interna e 4 na parede

externa dos tubos.

47

Figura 41- Detalhe da indentação

As medidas de microdureza encontradas foram comparadas com os resultados de

microdureza do material virgem.

Como variáveis de controle, foram adotados:

a) superfície de análise;

b) ângulo da matriz;

c) espessura da parede do tubo;

d) temperatura de extrusão.

A variável de resposta foi a dureza medida nas bordas internas e externas das paredes

dos tubos.

3.4. Planejamento Estatístico

Para avaliar se houve indução de tensões residuais no processo de extrusão dos tubos,

foi realizado um planejamento estatístico fatorial aleatorizado por níveis, em que:

A é a superfície de análise em dois níveis (interna e externa);

B é o ângulo da matriz em três níveis (15º, 24º e 30º);

C é a espessura da parede do tubo em dois níveis (2,5mm, e 3,5 mm);

D é a temperatura de extrusão em três níveis (400º C, 450º C e 500º C).

48

CAPÍTULO 4

RESULTADOS E DISCUSSÃO

A seguir são apresentados os resultados e discussões dos experimentos e ensaios realizados.

Através de análises experimentais, estatísticas e conceituais, serão discutidos os resultados.

4.1. Ensaios de Micro Dureza

Nesta seção são apresentados os resultados dos ensaios de Micro Dureza Instrumentada

Vickers.

O equipamento para medição de ultra micro dureza utilizado, fornece algumas

informações importantes tais como: curva de dureza (força x deslocamento), força máxima,

profundidade máxima, número de análises, média dos valores obtidos, dentre outros. Dessa

forma é gerado um arquivo que compõe todos estas informações.

Podem ser obtidos resultados de duas formas: a primeira através de uma leitura direta

no equipamento e, a segunda, utilizando cálculos disponíveis na literatura, como foi citado na

seção 2.4.5 do Capítulo 2. Nesta pesquisa, optou-se pela maneira direta.

Os resultados diretos mostram os parâmetros do ensaio, a força máxima de indentação,

a profundidade máxima e a dureza medida para cada sequência de indentação. A seguir,

encontra-se um dos resultados obtidos pela forma direta.

Figura 42- Resultado direto de dureza obtido para a amostra 2, do corpo de prova

extrudado a 400 º C, matriz de 15 graus e espessura do tubo de 2,5 mm

49

Os resultados de dureza medidos para todos os corpos de prova ensaiados são

apresentados na Tabela 4 a seguir.

Tabela 4- Resultados dos ensaios de ultra micro dureza

Temperatura 400º C

2,5mm 3,5mm

Superfície de Análise

Ângulo da

Matriz Interna Externa Interna Externa

15 graus

45,3 67,9 46,2 71,3

54,2 63,9 56,2 54,4

47,8 69,3 54,7 57,9

48,2 68,1 57,4 62,3

24 graus

51,7 76,6 49,9 66,2

52,8 81,6 52,3 66,5

55,5 79,5 48,9 62,2

46,4 73,9 47,4 60,9

30 graus

21,8 43,7 60,4 71,9

36,8 49,7 62,4 73,9

23,4 27,9 53,7 64,7

36,5 48,6 62,7 55,7

Temperatura 450º C

2,5mm 3,5mm


Ângulo da


15 graus

48,0 61,3 56,9 61,9

59,2 63,0 60,6 64,0

60,8 70,6 63,4 56,5

61,0 65,0 64,7 57,6

24 graus

44,4 66,2 53,4 52,4

46,5 73,5 67,4 58,8

49,2 72,8 56,6 60,5

53,1 72,0 53,8 60,7

30 graus

40,5 63,3 67,4 70,5

57,3 67,6 64,6 74,5

67,4 64,1 49,2 64,5

58,2 64,3 58,6 59,6

50

Temperatura 500º C

2,5 3,5


Ângulo da


15 graus

54,5 61,6 47,8 57,7

58,6 60,5 51,4 56,7

47,2 51,9 41,4 48,6

42,0 49,0 36,9 45,9

24 graus

37,2 60,7 41,9 54,0

47,2 61,8 45,1 53,1

51,7 67,2 36,3 45,5

54,2 76,0 32,4 42,9

30 graus

62,9 63,3 61,3 64,3

71,5 68,2 62,6 64,5

75,4 66,0 64,8 63,7

78,9 65,2 64,5 53,5

O material virgem apresentou ultra micro dureza Vickers de 34 HV. Segundo Bocciarelli

e Maier (2007), espera-se que um material deformado, submetido a um ensaio de dureza

superficial, apresente um resultado diferente do resultado do mesmo ensaio em um material

não deformado. Quando há tensões residuais trativas na superfície de um material, os ensaios

de dureza apresentam valores menores de dureza comparados com o material virgem, caso

contrário, as tensões residuais são compressivas, pois o indentador precisará de mais força

para penetrar a amostra.

Com o aumento da dureza, há também o aumento da tensão residual. Os resultados

mostraram indução de tensão residual nas paredes dos tubos, de natureza compressiva. A

análise de variância na Tabela 5 mostra, com uma confiança de 95%, se houve influência da

superfície de análise, ângulo da matriz, espessura dos tubos e temperatura de extrusão.

Na análise feita, SST é a soma dos quadrados de todas as medidas, SSA é a soma dos

quadrados das medidas para cada superfície de indentação, SSB é a soma dos quadrados das

medidas para cada ângulo de matriz de extrusão, SSC é a soma dos quadrados das medidas para

cada espessura de tubo extrudado, SSD é a soma dos quadrados das medidas para cada

temperatura de extrusão. O restante é a soma dos quadrados das interações. SSERRO é o erro

embutido em toda a soma, GL é o grau de liberdade para cada variável. Ftab é dado na Tabela de

Distribuição de Fisher, de acordo com a confiança e os graus de liberdade da variável e do erro.

51

Tabela 5- Análise de Variância

SS GL MÉDIA Fcalc Ftab

T 17.218,56 143,00

A 3.453,94 1,00 3.453,94 102,61 3,93 Influencia

B 164,24 2,00 82,12 2,44 3,08 Não influencia

C 4,98 1,00 4,98 0,15 3,93 Não influencia

D 546,11 2,00 273,05 8,11 3,08 Influencia

AB 1.032,96 2,00 516,48 15,34 3,08 Influencia

AC 311,80 1,00 311,80 9,26 3,93 Influencia

AD 385,65 2,00 192,82 5,73 3,08 Influencia

BC 1.088,43 2,00 544,21 16,17 3,08 Influencia

BD 2.919,06 4,00 729,77 21,68 2,45 Influencia

CD 818,84 2,00 409,42 12,16 3,08 Influencia

ABC 148,07 2,00 74,04 2,20 3,08 Não influencia

ABD 476,26 4,00 119,07 3,54 2,45 Influencia

BCD 1.708,18 4,00 427,04 12,69 2,45 Influencia

ABCD 457,40 4,00 114,35 3,40 2,45 Influencia

ERRO 3.702,64 110,00 33,66 1,00

As variáveis de controle que tiveram influência na indução de tensões residuais nas

paredes dos tubos extrudados foram superfície de análise e a temperatura de extrusão.

Também foi feita uma análise de variância para uma comparação entre os tipos de

punção utilizados na extrusão. A seguir, encontram-se os resultados de dureza para os dois

tipos de punção, redondo e cônico, nas mesmas condições de temperatura de extrusão e

espessura de tubo na Tabela 6.

Tabela 6- Resultados de dureza para os punções redondo e cônico, nas mesmas condições

Punção Redondo

Ângulo

da

Matriz

Superfície de

Análise Ângulo da

Matriz

Superfície de

Análise Ângulo da

Matriz

Superfície de

Análise

Interna Externa Interna Externa Interna Externa

15

62,31 46,11

24

62,31 79,45

30

53,15 66,69

45,68 42,67 78,25 87,52 49,87 76,93

56,11 39,36 56,11 72,04 66,42 48,66

67,70 39,58 67,70 54,41 89,68 84,98

Punção Cônico

Ângulo

da

Matriz

Superfície de

Análise Ângulo da

Matriz

Superfície de

Análise Ângulo da

Matriz

Superfície de

Análise

Interna Externa Interna Externa Interna Externa

15

47,96 61,29

24

44,38 66,19

30

40,53 63,33

59,15 62,98 46,53 73,52 57,31 67,59

60,80 70,62 49,23 72,83 67,44 64,11

60,96 64,96 53,07 71,95 58,21 64,35

52

As variáveis de controle foram:

A, o tipo de punção em dois níveis, cônico e redondo;

B, a superfície de análise, em dois níveis, interna e externa;

C, o ângulo da matriz de extrusão em três níveis, 15, 24 e 30 graus.

A temperatura de extrusão foi de 450 graus Celsius, e a espessura do tubo foi de 2,5mm

para todas as indentações. A tabela 7 apresenta a análise de variância para os dois tipos de

punção.

Tabela 7- Análise de variância para os tipos de punção


T 7.380,92 47,00

A 41,10 1,00 41,10 0,42 4,11 Não Influencia

B 415,59 1,00 415,59 4,27 4,11 Influencia

C 814,84 2,00 407,42 4,18 3,26 Influencia

AB 638,33 1,00 638,33 6,55 4,11 Influencia

AC 1.035,89 2,00 517,95 5,32 3,26 Influencia

BC 740,36 2,00 370,18 3,80 3,26 Influencia

ABC 188,14 2,00 94,07 0,97 3,26 Não Influencia

ERRO 3.506,66 36,00 97,41

Além destas duas análises, também foi feita outra para verificar a influência do ângulo

da matriz de extrusão em relação à superfície de análise para cada punção, na temperatura de

450 graus Celsius e com tubos de espessura de 2,5 mm.

A é a superfície de análise, em dois níveis, interna e externa;

B é o ângulo da matriz de extrusão, em 3 níveis, 15, 24 e 30 graus.

As Tabelas 8 e 9, a seguir, mostram a análise de variância para os punções redondo e

cônico, respectivamente.

Tabela 8- Análise de variância para o punção redondo


T 5.381,01 23,00

A 11,90 1,00 11,90 0,07 4,41 Não influencia

B 1.843,15 2,00 921,58 5,76 3,55 Influencia

AB 648,12 2,00 324,06 2,03 3,55 Não influencia

ERRO 2.877,83 18,00 159,88

53

Tabela 9- Análise de variância para o punção cônico


T 1.958,81 23,00

A 1.042,02 1,00 1.042,02 6,52 4,41 Influencia

B 7,58 2,00 3,79 0,02 3,55 Não influencia

AB 280,38 2,00 140,19 0,88 3,55 Não influencia

ERRO 628,83 18,00 34,93

Na extrusão dos tubos com punção redondo, a única variável que teve influência na

indução de tensões residuais foi o ângulo da matriz de extrusão, já na extrusão de tubos com

punção cônico, a superfície de análise teve influência na indução de tensões residuais,

enquanto o ângulo da matriz não influenciou a indução de tensões residuais.

4.1.1. Superfície de Análise

As superfícies interna e externa das paredes dos tubos exerceram influência na indução

de tensão residual. Como é observado nas figuras 43, 44, 45, 46, 47 e 48, a seguir, a dureza

nas paredes internas foi menor que nas paredes externas.

Figura 43- Gráfico de dureza média, paredes externas x paredes internas, temperatura de

400° e espessura de tubo de 2,5 mm

0

20

40

60

80

1524

30

Dure

za (

HV

)

Ângulo da Matriz de Extrusão (graus)

Variação de Dureza Média na Temperatura de 400° C e

espessura 2,5 mm

Interna

Externa

54





0

20

40

60

80

1524

30

Du

reza

(H

V)



espessura 2,5 mm

Interna

Externa

0

20

40

60

80

1524

30

Du

reza

(H

V)



espessura 2,5 mm

Interna

Externa

55





0

20

40

60

80

1524

30

Du

reza

(H

V)



espessura 3,5 mm

Interna

Externa

0

20

40

60

80

1524

30

Du

reza

(H

V)



espessura 3,5 mm

Interna

Externa

56



Em todos os gráficos de dureza média para as diferentes temperaturas de extrusão, a

dureza externa foi maior que a dureza interna.

De acordo com Chitkara e Aleem (2001), isto se deve ao fato de que à medida que o

pistão se desloca, há um aumento da carga necessária para comprimir o tarugo, até que esta

alcança um pico, que indica o início da extrusão. A partir deste momento, a resistência entre a

parede do tubo e a matriz decresce.

Figura 49- Gráfico de deslocamento x força, para extrusão de tubos com matrizes de

ângulos curvos e punções retos (CHITKARA E ALEEM, 2001)

0

20

40

60

80

1524

30

Du

reza

(H

V)



espessura 3,5 mm

Interna

Externa

57

4.1.2. Ângulo da Matriz de Extrusão

O ângulo da matriz de extrusão não teve influência na dureza do material.

A literatura diz que quanto maior o ângulo da matriz, maior a área de contato entre as

paredes do tubo e a matriz, consequentemente, maior o atrito entre elas. Entretanto, com o

aumento do ângulo da matriz de extrusão não foi verificado o aumento da dureza nas paredes

dos tubos.

As figuras 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60 e 61, a seguir, mostram os gráficos

com uma comparação entre os ângulos das matrizes de extrusão, de acordo com a

temperatura, espessura dos tubos e superfície de análise. Os resultados não seguiram um

padrão.

Figura 50- Gráfico de comparação entre ângulos de matrizes de extrusão na temperatura

de 400 graus Celsius, espessura de 2,5 mm e superfície de análise interna

0

10

20

30

40

50

60

1 2 3 4

Du

reza

(H

V)

Indentação

Dureza na Superfície Interna, Temperatura de 400°

C e Espessura de 2,5 mm

15°

24°

30°

58





0

10

20

30

40

50

60

70

1 2 3 4

Du

reza

(H

V)

Indentação

Dureza na Superfície Interna, Temperatura de

450° C e Espessura de 2,5 mm

15°

24°

30°

0

10

20

30

40

50

60

70

80

1 2 3 4

Du

reza

(H

V)

Indentação



15°

24°

30°

59


de 400 graus Celsius, espessura de 2,5 mm e superfície de análise externa



0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

1 2 3 4

Dure

za (

HV

)

Indentação

Dureza na Superfície Externa, Temperatura de


15°

24°

30°

54

56

58

60

62

64

66

68

70

72

74

1 2 3 4

Du

reza

(H

V)

Indentação



15°

24°

30°

60





0

10

20

30

40

50

60

70

80

1 2 3 4

Dure

za (

HV

)

Indentação



15°

24°

30°

0

10

20

30

40

50

60

70

1 2 3 4

Du

reza

(H

V)

Indentação



15°

24°

30°

61





0

10

20

30

40

50

60

70

1 2 3 4

Dure

za (

HV

)

Indentação



15°

24°

30°

0

10

20

30

40

50

60

70

1 2 3 4

Du

reza

(H

V)

Indentação


500° e Espessura de 3,5 mm

15°

24°

30°

62





0

10

20

30

40

50

60

70

80

1 2 3 4

Dure

za (

HV

)

Indentação



15°

24°

30°

0

10

20

30

40

50

60

70

80

1 2 3 4

Du

reza

(H

V)

Indentação

Dureza na Superfície Externa, Temperatura de 450°


15°

24°

30°

63



Chaudhari et al. (2012), encontraram valores de micro dureza que também não

seguiram a regra, para cilindros extrudados com matrizes de ângulos diferentes.

Figura 62- Gráfico de micro dureza para cilindros de alumínio extrudados a frio com

matrizes de ângulos 30º, 45º e 60º (CHAUDHARI et al., 2012)

Uma das razões pelas quais a dureza não teve variação pode ser a temperatura de

extrusão. Com esta variável acima da temperatura de recristalização do alumínio, pode-se ter

0

10

20

30

40

50

60

70

1 2 3 4

Dure

za (

HV

)

Indentação

Dureza na Superfície Externa, Temperatura de 500°


15°

24°

30°

64

conseguido uma plasticidade suficiente para não tornar a variação do atrito entre as paredes

dos tubos e a matriz significativa.

4.1.3. Espessura da Parede do Tubo

Quando a razão de extrusão aumenta, a pressão necessária para extrusão também

aumenta. De acordo com Ebrahimi et al. (2008), o efeito da redução da área é somente

significativo em altos valores do fator de atrito, uma vez a baixos valores do fator de atrito,

a área de superfície de atrito não tem qualquer efeito significativo sobre a

potência de extrusão. Isto explica as diferentes espessuras dos tubos não terem influenciado as

medidas de dureza, pois as reduções foram de 10% para a espessura de 3,5 mm e 20% para a

espessura de 2,5 mm.

4.1.4. Temperatura de Extrusão

O fator mais importante para se lembrar no processo de extrusão é a temperatura. A

temperatura é o parâmetro mais crítico, porque dá as características desejadas ao alumínio tais

como dureza e acabamento. Na extrusão a frio, o material endurece por encruamento durante

a deformação porque os grãos do metal se deformam e assim permanecem, aumentando as

tensões na estrutura e, consequentemente, sua dureza. Na extrusão a quente, os grãos se

reconstituem após a extrusão por causa da alta temperatura, por isso a indução de tensões

residuais é menor nesse tipo de extrusão. Temperaturas baixas causam maior atrito entre o

tarugo e as paredes da ferramenta e um longo tempo necessário para iniciar a extrusão do

tarugo.

A temperatura de extrusão influenciou as medidas de dureza e quanto maior a

temperatura, menor a tensão residual induzida.

As figuras 63, 64, 65, 66, 67 e 68, a seguir, mostram gráficos que comparam a

temperatura de extrusão e os ângulos das matrizes para cada espessura de tubo e superfície de

análise.

65


relação ao ângulo de 15° para matriz de extrusão e espessura de tubo de 2,5 mm



0

10

20

30

40

50

60

70

InternaExterna

Du

reza

(H

V)


Dureza Média para Ângulo de Matriz de 15° e

Espessura do Tubo de 2,5 mm

400°

450°

500°

0

10

20

30

40

50

60

70

InternaExterna

Dure

za (

HV

)




400°

450°

500°

66





0

10

20

30

40

50

60

70

80

Interna

Externa

Du

reza

(H

V)




400°

450°

500°

0

10

20

30

40

50

60

70

InternaExterna

Du

reza

(H

V)


Dureza Médiapara Ângulo de Matriz de 15° e


400°

450°

500°

67




relação ao ângulo de 30° para matriz de extrusão e espessura de tubo de 3,5 m

0

10

20

30

40

50

60

70

Interna

Externa

Du

reza

(H

V)




400°

450°

500°

0

10

20

30

40

50

60

70

InternaExterna

Du

reza

(H

V)




400°

450°

500°

68

4.1.5. Tipo de Punção

Na extrusão de tubos simétricos em torno de um eixo, Chitkara e Aleem (2001),

variaram o tipo de punção utilizado na extrusão. Entre eles, punções cônicos, ogivais e

redondos. Os resultados apresentados na figura 69, mostram que as maiores cargas requeridas

foram pelos punções cônicos e ogivais, respectivamente. O punção redondo foi o que menos

requereu carga para realizar a extrusão dos tubos. O mesmo resultado foi encontrado neste

trabalho, porém, o tipo de punção não exerceu influência na indução de tensões residuais nos

tubos extrudados como é apresentado nos gráficos das figuras 70 e 71.

Figura 69- À esquerda, foto dos punções utilizados, à direita, gráfico com a carga

requerida para extrusão para cada tipo de punção, conical (cônico), ogival (ogival) e

polynomial (redondo) (CHITKARA E ALEEM, 2001)

69

Figura 70- Gráfico de dureza média em relação ao tipo de punção para a temperatura

450° Celsius, superfície de análise interna e espessura do tubo de 2,5 mm

Figura 71- Gráfico de dureza média em relação ao tipo de punção para a temperatura

450° Celsius, superfície de análise externa e espessura do tubo de 2,5 mm

0

10

20

30

40

50

60

70

RedondoCônico

Du

reza

(H

V)

Tipo de Punção

Dureza Média Parede Interna x Tipo de Punção

15°

24°

30°

0

10

20

30

40

50

60

70

80

RedondoCônico

Du

reza

(H

V)

Tipo de Punção

Dureza Média Parede Externa x Tipo de Punção

15°

24°

30°

70

Analisando separadamente cada punção, nas mesmas condições de temperatura de

extrusão e espessura da parede dos tubos, diferentemente do que foi observado na análise para

diferentes condições de temperatura de extrusão e espessura dos tubos, foi verificada a

influência do ângulo da matriz de extrusão na indução de tensões residuais nas paredes dos

tubos e não influência da superfície de análise para o punção redondo. Para o punção cônico,

os resultados foram os mesmos da análise em condições diferentes.

As diferenças nos resultados podem ser explicadas pela menor carga exigida pelo

punção redondo no processo de extrusão. Chitkara e Alem (2001), encontraram na extrusão de

tubos simétricos em volta de um eixo, a diferença de cerca de 15 a 20% de carga necessária

para extrusão, comparando punções cônicos, redondos e ogivais de mesmo diâmetro, para

matrizes iguais. Como o atrito é menor, qualquer alteração na área de contato é significativa,

fazendo com que a tensão residual aumente com o aumento do ângulo da matriz de extrusão.

4.2. Análise Superficial dos Tubos Extrudados

Comparando o acabamento interno e externo dos tubos, foram observadas as seguintes

características:

a temperatura não teve influência significativa;

o punção redondo mostrou melhor acabamento externo, e visualmente melhor

escoamento do material durante a extrusão, porém, o acabamento interno foi pior;

o punção cônico apresentou pior acabamento externo e melhor acabamento interno;

a variação do ângulo da matriz não influenciou no acabamento.

As figuras 72, 73, 74 e 75, a seguir apresentam fotos de trubos extrudados com 2,5mm

de espessura e diferentes punções e temperaturas.

Figura 72- Fotos de tubos extrudados de 2,5mm de espessura, compunção cônico, a 400,

450 e 500 graus Celsius, respectivamente

71

Figura 73- Fotos de tubos extrudados de 2,5mm de espessura, com punção cônico, a

500, 450 e 400 graus Celsius, respectivamente

Figura 74- Fotos de tubos extrudados de 2,5mm de espessura, com punção redondo, a


Figura 75- Fotos de tubos extrudados de 2,5mm de espessura, com punção redondo, a


72

CAPÍTULO 5

CONCLUSÕES

O objetivo desta pesquisa foi investigar a distribuição de tensões residuais na parede de

tubos de alumínio comercialmente puro extrudados a quente, estabelecendo o seu mapa de

intensidade e de natureza (compressiva ou trativa).

Na realização do experimento, podemos concluir que:

- Foram encontradas tensões residuais nas paredes dos tubos. Estas tensões mostraram-se de

natureza compressiva, o que favorece a utilização destes tubos como elementos estruturais,

pois a indução de tensões residuais compressivas favorece a sua resistência à fadiga.

- Houve diferenças quanto à valores de tensão residual nas paredes interna e externa dos tubos

extrudados, sendo que as paredes internas mostraram menor tensão residual.

- O ângulo da matriz de extrusão não teve influência na dureza do material.

- As diferentes espessuras dos tubos não exerceram influência nas medidas de dureza, pois as

reduções de 10% para a espessura de 3,5 mm, 20% para a espessura de 2,5 mm resultaram em

baixos fatores de atrito.

- A temperatura de extrusão influenciou as medidas de dureza e quanto maior a temperatura,

menor a tensão residual induzida.

- Apesar de o punção redondo requerer menor carga para realizar o processo de extrusão, o

tipo de punção não influenciou a indução de tensões residuais nas paredes dos tubos

extrudados.

- Quanto ao acabamento dos tubos, a temperatura de extrusão, não mostrou diferenças

significativas.

- O punção redondo mostrou melhor acabamento externo, porém, o acabamento interno foi

pior.

- O punção cônico apresentou melhor acabamento interno e pior acabamento externo.

73

- A variação no ângulo da matriz de extrusão não mostrou diferenças no acabamento dos

tubos.

74

CAPÍTULO 6

SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS

Este trabalho analisou a indução de tensões residuais na extrusão a quente de tubos de

alumínio comercialmente puro. A partir das conclusões, podemos sugerir os seguintes

trabalhos futuros:

- Verificar os parâmetros de extrusão a quente de tubos para a liga de alumínio ASTM 6351-

T6;

- Analisar a indução de tensões residuais através de outros métodos de medição;

- Extrudar tubos de alumínio com maiores reduções;

- Verificar a influência de lubrificantes na extrusão a quente de tubos de alumínio;

- Medir a força no processo de extrusão a quente de tubos de alumínio;

- Avaliar a vida em fadiga dos tubos de alumínio extrudados a quente;

- Avaliar a corrosão sob tensão de tubos de alumínio extrudados a quente;

- Verificar a extrusão a quente de tubos para outros metais.

75

REFERÊNCIAS

ABAL: Associação Brasileira do Alumínio. Fundamentos e Aplicações do Alumínio. São

Paulo: ABAL, 2007. 68p.

ALCOA. Perfis Extrudados de Alumínio: Catálogo de Ligas e Têmperas de Extrusão.

2010. 52p.

ANDRINO, Marcílio Haddad. Avaliação de Tensões Residuais em Soldas de Dutos

Utilizando o Efeito Acustoelástico. 2003. 186 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia).

Universidade Estadual de Campinas. Campinas.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Comitê Brasileiro do Alumínio

(CB-35): PROJETO 35:000.09-003: Ligas de Alumínio - Perfis Extrudados Para Aplicações

Estruturais. 2009.

BIANCH, E. C.; MONICI, R. D.; SILVA, E. J.; AGUIAR, P. R.; VALARELLI, I. D. D.

Análise do Comportamento da Microestrutura de Materiais Endurecidos Retificados com

Rebolos de CBN. Revista Materials Research, São Carlos, v. 3 n. 4, p.147-154, 2000.

BOCCIARELLI, M.; MAIER, G. Indentation and imprint mapping method for identification

of residual stresses. Computational Materials Science, v. 39, n. 2, p.381-392, 2007.

BRESCIANI FILHO, E. et al. Conformação Plástica dos Metais. 4. ed. Campinas: Editora

da UNICAMP, 1997. 385p.

BUTTON, Sergio Tonini. Desenvolvimento de uma Máquina de Laboratório Para a

Extrusão Hidrostática de Metais Não Ferrosos. 1985. 130f. Dissertação (Mestrado em

Engenharia Mecânica) - Faculdade de Engenharia de Campinas, Universidade Estadual de

Campinas. Campinas.

BUTTON, Sergio Tonini. Estudo da Lubrificação Hidrodinâmica na Extrusão

Hidrostática. 1990. 197f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Faculdade de

Engenharia Mecânica, Universidade Estadual de Campinas. Campinas.

BUZINELLI, Didiane Victoria. Dimensionamento de Elementos Estruturais em Alumínio.

2000. 160f. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Estruturas). Escola de Engenharia de

São Carlos. Universidade de São Paulo. São Carlos.

76

CALLISTER, W. D. Materials Science and Engineering: An Introduction. 7. ed. New

York: J. Wiley & Sons, 2007. 975p.

CAMPANA, Rodrigo Camargo. Parâmetros de Processo, Microestrutura e Textura das

Ligas de Alumínio AA6063 e AA6082 Extrudadas. 2007. 115 f. Dissertação (Mestrado em

Engenharia) - Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo.

CARDOSO, Bruno Reis. Avaliação da Acustoelasticidade em Tubos de Aço API 5L X 46

com e sem Costura Visando o Estudo do estado de Tensões. 2007. 96 f. Dissertação

(Mestrado em Engenharia Metalúrgica e de Materiais) - Universidade Federal do Rio de

Janeiro. Rio de Janeiro.

CHAUDHARI G. A.; ANDHALE S.R. ; PATIL N.G. Experimental Evaluation of Effect of

Die Angle on Hardness and Surface Finish of Cold Forward Extrusion of Aluminum.

International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering, ISSN 2250-

2459, Volume 2, Issue 7, July 2012.

CHITKARA, N.R.; ALEEM, A. Extrusion of Axi-Symmetric Tubes From Hollow Solid

Circular Billets: a Generalized Slab Method of Analysis and Some Experiments.

International Journal of Mechanical Sciences, v. 43, n.7, p.1661-1684. 2001.

CIMM. Material Didático, Processos de Fabricação. Disponível em:

<http://www.cimm.com.br/portal/material_didatico>. Acesso em: 25 de abril de 2011.

DIETER, George E. Metalurgia Mecânica. 2. ed. Rio de Janeiro: Editora Guanabara Dois.

1981. 653p.

FINK, WM. L. Aluminium And Its Alloys. Industrial And Engineering Chemistry. v. 28,

n.12, p.1402-1406, dec. 1936.

GGD METALS, Aços para Construção Mecânica. Disponível em:

<http://www.ggdmetals.com.br/aco-construcao-mecanica/sae-1045/>. Acesso em: 25 de abril

de 2011.

GUIMARÃES, Luciana Ribeiro. Estudo de Parâmetros Experimentais Envolvidos na

Determinação de Macrotensões Residuais, em Tubos de Aço Inoxidável, pelo Método da

Difraçfto de Raios-X. 1990. 81 f. Dissertação (Mestrado em Tecnologia Nuclear). Instituto

http://www.elsevier.com/locate/ijmecsci

http://www.cimm.com.br/portal/material_didatico

77

de Pesquisas Energéticas e Nucleares. Autarquia Associada à Universidade de São Paulo. São

Paulo.

GUROVA, Tatiana; LEONTIEV, Anatoli. Nova Técnica de Mapeamento das Tensões

Mecânicas. 2009. Trabalho apresentado à 10. Conferência Sobre Tecnologia de

Equipamentos. Salvador, 2009.

HAUK, Viktor. Structural and residual stress analysis by nondestructive methods:

evaluation, application, assessment. Elsevier, 1997. 640p.

HSIANG, Su-Hai; LIAO, Chao-Shun. Study on Hot Extrusion of Tubes. Journal of

Materials Processing Technology. v. 63, n. 1-3, p. 254-259, jan. 1997.

LAUE; K. and STENGER H. Extrusion, Processes, Machinery, Tooling. American Society

for Metals, Metals Park, Ohio, 1981. Apresentação ppt. Disponível em:

<faculty.ksu.edu.sa/maesaleh/IE%20351/Ch6-Extrusion.ppt>. Acesso em: 25 de abril de

2011.

LIMA, Emmanuel P. R. Estudo da Cinética de Recristalização da Liga de Alumínio AA

8011 na Condição H18. 2002. 80f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica).

Universidade Federal de Pernambuco. Recife.

LU, J. - Handbook on Measurement of Residual Stresses - SEM - Society for Experimental

Mechanics, The Fairmont Press, Lilburn, GA, USA, 1996.

LYAL’KOV, A.; MEDVEDEV, M.; TSAR’KOV, A.; BESPALOVA, N. A. Main parameters

in the extrusion of tubes made of hard-to-deform complex alloy steels. Metallurgist, New

York, v. 50, n. 3, p.194-198, ago. 2006.

MANEIRO, M. A. G.; RODRÍGUEZ, J. “A procedure to prevent pile up effects on the

analysis of spherical indention data in elastic-plastic materials”. Mechanics of Materials,

Madrid, Spain, 2006.

MARTINS, Juliana de P.; PADILHA, Angelo F. Caracterização da Liga Comercial de

Alumínio 3003 Produzida por Fundição Contínua de Chapas (Twin Roll Caster) -

Microestrutura. Revista Escola de Minas, Ouro Preto, v. 59, n. 4, p. 427-431, out./dez. 2006.

78

MODENESI, P. J. Efeitos Mecânicos do Ciclo Térmico. Universidade Federal de Minas

Gerais, Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais. 2001. 26p.

MORO, Norberto; AURAS, André P. Processos de Fabricação Conformação Mecânica II

– Extrusão, Trefilação e Conformação de Chapas. Centro Federal de Educação

Tecnológica de Santa Catarina: Florianópolis. 2006. 24 p.

MOSHKSAR, M. M.; EBRAHIMI, R. An analytical approach for backward-extrusion

forging of regular polygonal hollow components. International Journal of Mechanical

Sciences, Great Britain, v. 40, n. 12, p.1247-1263, 1998.

NEVES, Frederico Ozanan. Análise de Tensões Residuais em Tubos Trefilados de Aço

Inox ABNT 304. 2003. 164 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica). Faculdade de

Engenharia Mecânica. Universidade Estadual de Campinas. Campinas.

NUNES, Rafael Menezes. Análise de Tensões Residuais no Processo de Trefilação

Combinada ao Aço AISI 1048 Visando Minimizar Distorções Pós Processamento. 2008.

110 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia) Universidade Federal do Rio Grande do Sul.

Porto Alegre.

OETTEL, R. The Determination of Uncertainties in Residual Stress Measurement (using the

hole drilling technique). Manual of Codes of Practice for the Determination of

Uncertainties in Mechanical Tests on Metallic Materials. Code of Practice, Dresden, v.

15, n. 1, 18 p. 2000.

OGATA, Humberto T. da S. Determinação da Influência das Tensões Residuais nas

Propriedades de Fadiga em Aço SAE 8620 Processado com Diferentes Profundidades de

Camada de Cementaçao. 2003. 129 f. Dissertação (Mestrado em Ciência dos Materiais).

Universidade Federal do Paraná, Curitiba.

PITELLA, Rogério M. Determinação de Tensões Residuais em Aço C45 PBK em

Condições Limites de Usinagem. 2003. 121 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia

Mecânica). Universidade Federal do Paraná. Curitiba.

PREVÉY, Paul S. X-ray Diffraction Residual Stress Techniques. In: Metals Handbook.

Metals Park: American Society for Metals, v. 10, p. 380-392, 1986.



79

PUGH, H. LI. D.; WATKINS, M. T. Experimental Investigation of The Extrusion of Metals.

Production Engineer. v. 40, n. 4, p.256 - 282, ago. 1961.

RAJ, Baldev; JAYAKUMAR, T.; MAHADEVAN, S.; RAI, Sanjay K. X-ray Diffraction

Based Residual Stress Measurements for Assessment of Fatigue Damage and Rejuvenation

Process for Undercarriages of Aircrafts. Journal of Nondestructive Evaluation, v. 28, n. 3,

p. 157-162, dez. 2009.

ROCHA, Ricardo Silva. Avaliação do Alívio Mecânico de Tensões Residuais Devido à

Sobrecarga Provocada Por Teste Hidrostático. 2009. 72 f. Dissertação (Mestrado

Profissional em Engenharia). Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Escola de

Engenharia. Porto alegre.

RODRIGUES, Leonardo Dantas. Medição de Tensões Residuais em Tubos Visando a

Determinação de Esforços em Dutos Enterrados. 2007. 155 f. Dissertação (Mestrado em

Engenharia Mecânica). Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro.

RUUD, C. Measurement of Residual Stresses. In: Handbook of Residual Stress and

Deformation of Steel, eds G. Totten, M. Howes and T. Inoue, ASM International, Materials

Park, Ohio, p. 99-117, 2002.

SADEGHI, A. ; HOSEINI, M. ; PEKGULERYUZ, M. Tube Extrusion of AZ31 Alloy With

Sr Additions. Materials Science & Engineering A, May 15, 2012, Vol.544, p.70.

SANTOS, J. F. Oliveira. Tecnologias de Produção. MODULFORM - Formação Modular.

Guia do Formando. 1. ed. Portugal, Lisboa. Instituto do Emprego e Formação Profissional.

Janeiro de 1998. 256p.

SILVA, Iris B. da. Método da Simulação Para Determinar a Tensão de Extrusão a Frio.

1989. 198 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Faculdade de Engenharia de

Campinas, Universidade Estadual de Campinas. Campinas, São Paulo,

SILVA, Ronaldo P. da. Simulação e Análise do Desempenho de um Laboratório Analítico

em um Cenário Auto-sustentável. 2007. 129 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia

Industrial). Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro.

http://www.springerlink.com/content/0195-9298/

http://www.springerlink.com/content/0195-9298/28/3-4/

80

SOARES, A. C. C. Avaliação dos Efeitos da Plasticidade na Medição de Tensões

Residuais Pela Técnica do Furo Cego. 2003. 236 f. Tese (Doutorado em Engenharia

Mecânica). Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro.

SOUZA, Adriana A. de; BITTENCOURT, Marco Aurélio. A Contribuição da Difração dos

Raios-X Para Configuração Molecular. Ensino e Pesquisa, v. 1, n. 5, p. 122-132. 2008.

SUTERIO, R. Medição de Tensões Residuais por Indentação Associada à Holografia

Eletrônica. 2005. 143f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal

de Santa Catarina. Florianópolis.

SUTERIO, Ricardo; VIOTTI, Matias Roberto; ALBERTAZZI JR, Armando; KAUFMANN,

Guillermo Héctor. Avaliação Preliminar de Métodos Alternativos de Medição de Tensões

Residuais por Indentação e por Aquecimento Localizado Combinados a Holografia

Eletrônica. Trabalho apresentado à 6. Conferência sobre Tecnologia de Equipamentos,

Salvador, 2002.

TIMOSHENKO, S.P.; GOODIER, J. N. Theory of Elasticity. 2. ed. New York: McGraw-

Hill, Engineering Societies Monographs. 1951. 506p.

XU, B. X.; ZHAO, B.; YUE, Z. F. Investigation of Residual Stress by the Indentation Method

with the Flat Cylindrical Indenter. Journal of Materials Engineering and Performance, v.

15, n. 3, p. 299-305, jun. 2006.

YAZDI, S Rasouli; RETRAINT, D.; LU, J. Study of through-thickness residual stress by

numerical and experimental techniques. Journal of Strain Analysis, v. 33, n. 6, p. 449-458.

1998.

WITHERS, P. J.; BHADESHIA, H. K. D. H. Residual Stress Part 1 - Measurement

Techniques. Materials Science and Technology, v. 17, n. 4, p. 355-365, abr. 2001.

WITHERS, P. J.; BHADESHIA, H. K. D. H. Residual Stress Part 2 - Nature and Origins.

Materials Science and Technology, v. 17, n. 4, p. 366-375, abr. 2001.

http://lattes.cnpq.br/8464326901644595

http://www.msm.cam.ac.uk/phase-trans/2001/stress1.html

http://www.msm.cam.ac.uk/phase-trans/2001/stress1.html

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ANEXO – Tabelas de Distribuição de Fisher

Extrusão a Quente de Tubos: Análise Experimental da ... · trabalho investiga a distribuição de...

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