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Influências

à Conformação

Dr. Ronnie Rego

Dr. Alfredo R. de Faria

Instituto Tecnológico de Aeronáutica

Divisão de Engenharia Mecânica

MT-717: Introdução a materiais e processos de fabricação

2

Fechamentos3.

Influências à Conformação2.

Introdução1.

Agenda

3

[Aulas #4 e #5] Processos de Conformação Mecânica

Laminação Trefilação

ExtrusãoForjamento

4

[Aulas #6 e #7] Plasticidade

� Equações de Levy-Mises

� Critério de Escoamento

� Anisotropia

+−=

+−=

+−= )(2

1,)(

2

1,)(

2

1213331223211 σσσ

σεεσσσ

σεεσσσ

σεε d

dd

dd

d

5

� Produção de produtos de diferentes formatos a partir de chapas planas

A. Estampagem

B. Estiramento

C. Repuxamento

D. Dobramento

E. Corte

F. Calandragem

[Aula #8] Conformação de Chapas

A

B

C

D

E

F

6


� Ensaios de Estampabilidade

Estiramento [%]

10 20 30

Emb

uti

men

to [

%]

10

20

30SWIFT

FUKUI

OLSEN / ERICHSEN

SWIFT FUKUI

OLSEN / ERICHSEN

7

� Curva Limite de Conformação (Diagrama de Keeler-Goodwin)

� Forma gráfica de registro da combinação de deformações que leva à falha no processo de conformação de chapas


8

� Processos Não-Convencionais

� Estampagem incremental

� Conformação por Elastômero

� Hydroforming


9

Processos de Fabricação: Estrutura do Curso

PlasticidadeFundamentos da

ConformaçãoTecnologias de Conformação

Processos Não-Convencionais

� Comportamento mecânico

� Tipos de Falhas

� Análise de tensão e deformação

� Relações plásticas

� Escoamento plástico

� Classificação

� Modelos preditivos

� Influências: atrito, temperatura; taxa de deformação e anisotropia.

� Ensaios de conformabilidade

� Trefilação

� Laminação

� Forjamento

� Extrusão

� Estampagem

� Estiramento

� Repuxamento

� Soldagem a Ponto

� Metalurgia do Pó

F

dx

10

� Compilação das principais influências sobre o processo de conformação

� Objetivos Específicos:

1. Apresentar a influência da temperatura sobre o processo de conformação

2. Apresentar a influência da taxa de deformação sobre o processo de conformação

3. Apresentar a influência do atrito sobre o processo de conformação

4. Apresentar a influência da anisotropia sobre o processo de conformação

Objetivo da aula

11

1. DIETER, G. E. Mechanical Metallurgy - SI Metric Edition. Mc Graw-Hill Book Co., Singapore, 1988.

2. CETLIN, P.R.; HELMAN, H. Fundamentos da conformação mecânica dos metais. 2.ed. Artliber editora, São Paulo, 2015.

3. HOSFORD, W.F.; CADDELL, R.M. Metal Forming Mechanics and Metallurgy. Prentice-HallInc., Toronto, 1983.

4. DOEGE, E.; BEHRENS, B. Handbuch Umformtechnik – Grundlagen, Technologien, Maschinen. Springer, Berlin, 2010.

5. DOWLING, N.E. Mechanical Behavior of Materials: Engineering Methods for Deformation, Fracture and Fatigue. 4.ed. Pearson Education Limited, Essex, 2013.

Processos de Fabricação I (MTP-34): Literatura de Referência

1 2 3 4 5

12

Fechamentos3.

Anisotropia2.4

Atrito2.3

Taxa de Deformação2.2

Temperatura2.1


Introdução1.

Agenda

13

� Temperatura

� A quente: Tmat > ≈ 0,6 Tfusão.

� A frio: Tmat <≈ 0,5 Tfusão.

� A morno: 0,5 Tfusão <Tmat< 0,6 Tfusão

Influência da Temperatura

Quente, Frio ou Morno?

14

� Aumento da Temperatura

� Átomos se agitam

� ↓ Resistência à separação interatômica

� ↓ Força interatômica


15






σ

ε


� ↓Módulo de Elasticidade

� ↓ Limite de Escoamento

� ↓ Resistência Mecânica

� ↑ Ductilidade

� ↑ Tenacidade

Aumento da

Aumento da

Temperatura

Temperatura

T1

T2

T3

T4

T4> T3> T2> T1

16






σ T1

T2

T3

T4

T4> T3> T2> T1

Al5052 St 42CrMo

17

� Temperatura

� A quente: Tmat > ≈ 0,6 Tfusão

� A frio: Tmat <≈ 0,5 Tfusão


� Fenômenos microestruturais

– Recuperação: reorganização das discordâncias de sinal oposto (aniquilação)

– Recristalização: formação de novos grãos (↑ Ductilidade e ↓ Resistência Mecânica)

– Crescimento de Grão: aumento do tamanho de grão


18

� Temperatura

� A quente: Tmat > ≈ 0,6 Tfusão.

– Recuperação e recristalização

– Laminação, Forjamento, Extrusão, trefilação

� A frio: Tmat <≈ 0,5 Tfusão.

– Recuperação e Recristalização não-efetivos

– Embutimento, Cisalhamento, Dobramento


– Apenas Recuperação

– Forjamento, Extrusão


19

� Temperatura


20

� Laminação a Quente: Operações de Desbaste

� Temperaturas elevadas, acima da recristalização (Aços: 1000°C a 1200°C)

� Restauração da estrutura

� Promove aumento da ductilidade

– Menor força de laminação

– Maiores reduções de seção

– Alta variação dimensional

� Laminação a Frio: Operações de Acabamento

� Material: produto da laminação a quente

� Sem restauração da estrutura

� Promove aumento do encruamento e refinamento de grão

– Menores reduções de seção (50-90%)

– Maior resistência mecânica

– Baixa variação dimensional


21

� Laminação a Quente

� Produtos de maiores dimensões, a sofrerem processos posteriores

� Placas, Chapas, Tarugos, Barras, Vergalhões, Tubos, Perfis estruturais

� Laminação a Frio

� Produtos de dimensões refinadas, semi-acabadas ou já como aplicação final

� Chapas finas, Tiras, Folhas

Laminação: Produto Acabado / Aplicações

22

� Forjamento a Quente

� Com aquecimento prévio

– Permite altas deformações

– Demanda baixa carga de conformação

– Menor precisão dimensional

� Forjamento a Frio

– Maior precisão dimensional

– Deformações limitadas

– Demanda alta carga de conformação


23

� Estampagem a Quente: promove aumento da ductilidade

� Menor força de laminação, Maiores deformações; Alta variação dimensional

� Estampagem a Frio: promove aumento do encruamento e refinamento de grão

� Menores deformações; Maior resistência mecânica, Baixa variação dimensional


24

� Temperatura média no processo de conformação


Temperatura de deformação ideal

Temperatura resultante do atrito

Temperatura de interface ferramenta/peça

25

� Características

� Temperatura: Ambiente

– Promove encruamento(ductilidade reduzida)

– As grandes deformações promovem considerável aumento da temperatura

– Possível processo intermediário de recozimento


Medição da temperatura na fieira durante o processo de trefilação

26

� Recozimento

� Tratamento térmico para redução da dureza de um material de microestrutura deformada mecanicamente

� Altas temperaturas


27

� Pico de Escoamento Descontínuo

� Instabilidade na transição elasto-plástica

– Limites de Escoamento Superior e Inferior

� Deformação não-uniforme (sequência de empilhamento e liberação de discordâncias)

– Deformação do plano de cisalhamento máximo

– Espalhamento e união das estrias, gerando superfície rugosa

� Consequência: Bandas incompletas de Lüders


28



29

� Fenômeno de “Transição dúctil-frágil”

� Temperatura em que modo de falha muda de dúctil para frágil

� Zona plástica de uma trinca pré-existente contrai com a redução de temperatura. A redução excessiva altera modo de fratura.


“Liberty Ships”: navio mercante americano na WW2

�Falhas catastróficas: embarcação recém-fabricada, sem carregamento, no inverno

�Maior produção de um modelo de embarcação

�Danos ou perda total: 20%

�Alta produtividade: Soldagem do casco, em substituição ao processo de rebitagem

�Concentradores de tensão: Trincas pós-produção

30

� Trincas

� Superficiais, Internas ou nas Rebarbas

� Resultado de elevada deformação quando:

– Esforço excessivo combinado com baixa temperatura

– Fragilização a quente: alta concentração de enxofre


31

� Fadiga térmica na superfície dos cilindros de laminação


32

� Alta Temperatura: Encruamento não relevante → Deformação por Fluência

� Fluência

� Deformação dependente do tempo

� Fenômeno termicamente ativado

� Deformação contínua sob aplicação de carregamento ou tensão constante

Influência da Taxa de Deformação

Primária Secundária(mínima taxa de deformação)

Terciária

I II III

Def

orm

ação

[ε]

Tempo [t]

33

Fechamentos3.

Anisotropia2.4

Atrito2.3


Temperatura2.1


Introdução1.

Agenda

34

� Definição: variação da deformação ao longo do tempo do processo


Faixa de taxa de

deformação [s-1]Tipo de ensaio

10-8 a 10-5 Ensaio de fluência com carregamento ou tensão constante

10-5 a 10-1 Ensaios de tração "estáticos"

(equipamento acionado hidraulicamente ou por fuso)

10-1 a 102 Ensaios dinâmicos de tração ou compressão

102 a 104 Ensaios de alta velocidade, com barras de impacto

(considerando efeito de propagação de onda)

104 a 108 Impacto de hipervelocidade, usando pistolas a gas ou projéteis

movidos por explosão (ondas de choque)

L

v

dt

du

Ldt

Lud

dt

LLd

dt

d ==+=== 1)]/1[ln()]/[ln( 00εεɺ

35

Faixa de taxa de

deformação [s-1]Processo de Fabricação

1 a 103 Forjamento e Laminação (a frio e a quente)

1 a 104 Trefilação (a frio)

10-1 a 10-2 Extrusão (a quente)

1 a 102 Conformação de Chapas

103 a 106 Usinagem

� Definição: variação da deformação ao longo do tempo do processo


L

v

dt

du

Ldt

Lud

dt

LLd

dt

d ==+=== 1)]/1[ln()]/[ln( 00εεɺ

36

� Efeitos principais nos processos de conformação

� Aumento da taxa de deformação:

– Aumento do limite de escoamento

– Aumento da temperatura do material devido ao aquecimento adiabático

– Melhor lubrificação na interface material-ferramenta


37

� Influência no escoamento, particularmente a temperaturas elevadas

� Relação com tensão: temperatura e deformação constantes:


ε

σ

∆σ

)/ln(/)/( 12 εεσσ ɺɺ∆=m

C: Coeficiente de resistênciam: Sensibilidade à taxa de deformação

38

Taxa de deformação

No caso de deformação ε constante

≈∆

=⇒=

1

2

1

2

1

2 lneεε

σσ

εε

σσεσ

ɺ

ɺ

ɺ

ɺɺ mC

m

m

Por exemplo, se m = 0.01, aumentar a taxa de deformação de um fator de 10 eleva a tensão em apenas ~2%. Por isso geralmente efeitos de taxa são ignorados.

. .ε2/ε1

σ 2/σ 1

100 101 102 103 1041

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

m = 0.01m = 0.01m = 0.02m = 0.04m = 0.06m = 0.08m = 0.10m = 0.15m = 0.20m = 0.30m = 0.50

39

Taxa de deformação

� O parâmetro m depende fortemente da temperatura

� Em altas temperaturas m tipicamente chega a 0.10 ou 0.20 tornando os efeitos de taxa de deformação muito mais relevantes que em temperatura ambiente

40

� Velocidade do processo

a. Baixa velocidade: prensa hidráulica

– Maior tempo de contato entre matriz e componente, facilitando a refrigeração

– Menores temperaturas

b. Elevada velocidade: prensa mecânica/excêntrica

– Menor tempo de contato, dificultando refrigeração

– Menores gradientes de temperatura

– Deformação mais uniforme, menor abaulamento


41

� Equipamento: Prensas

� Prensa Mecânica

– Limitada pelo curso

– Conversão de movimento rotativo em alternativo

– Mais rápido e menor custo; Menores cargas de trabalho; menor precisão

� Prensa Hidráulica

– Limitado pela carga

– Pressão hidráulica acumulada movimenta pistão em cilindro

– Controle da velocidade, maior precisão dimensional, maiores cargas; Mais lento e mais caro


Prensa Hidráulica:

Controle da taxa

de deformação

42

� Folga entre lâminas: Corte Convencional x Corte Fino (Fine Blanking)

� Corte fino: folga micrométrica + controle da velocidade de corte


CONVENCIONAL FINO

43



44

Fechamentos3.

Anisotropia2.4

Atrito2.3


Temperatura2.1


Introdução1.

Agenda

45

� Definição:

� Resistência à movimentação relativa entre corpos em contato e com carregamento normal

– Possibilidade de deformação plástica localizada de pequenas regiões (irregularidades topográficas) da superfície

Influência do Atrito

46

� Relação com os processos de conformação


47

� Relação com os processos de conformação

� Alteração do estado de tensão para conformação

� Fluxos irregulares de escoamento e criação de tensões residuais

� Influência sobre a qualidade do produto conformado

� Indução de temperaturas elevadas durante o processo

� Desgaste de ferramental


Substrato

Lubrificante

Rugosidade

Revestimento

48

� Dependência do acabamento da superfície: RUGOSIDADE


49


50

� Temperatura como efeito do atrito


Medição da temperatura na fieira durante o processo de trefilação

Microestrutura do fio como efeito da temperatura do processo

51

� Atrito entre matriz e componente

� Tensões de cisalhamento criadas na superfície de contato

� Efeito: abaulamento do perfil forjado


52

� Atrito entre matriz e componente

� Tensões de cisalhamento criadas na superfície de contato

� Efeito: abaulamento do perfil forjado

� Anéis: perfil de abaulamento influenciado pela intensidade do atrito


Elevado atritoBaixo atrito

SEM atrito COM atrito

53

� Relações geométricas e de deformação na laminação

� Condição de Mordida e Arrastamento


Cilindro de Laminação

Material

hihf

AB

C

O

α

α

α

N

FAT

� Para garantir o avanço no sentido da laminação:

54


� Condição de Mordida e Arrastamento


Cilindro de Laminação

Material

hihf

AB

C

O

α

α

α

N

FAT

� A partir de:

� Define-se como Deformação Absoluta Máxima

55



56

� Condição de Lubrificação

1. Deformação homogênea

– Baixo atrito, extrusão hidrostática, boa lubrificação

2. Atrito aumentado

– Início do trabalho redundante (cisalhamento não resultante em redução)

3. Atrito severo

– Escoamento da parte central e formação de casca na parede do recipiente

4. Extrusão indireta

– Atrito inexistente


1 2

3 4

Zona Morta

57

� Extrusão Direta x Extrusão Indireta (ação comparativa do atrito)


Processo de Extrusão Indireta

Processo de Extrusão Direta

58

� Variantes do processo de extrusão: Extrusão Hidrostática

� Tarugo sujeito a pressão hidrostática uniforme

� Atrito inexistente entre tarugo e recipiente: curva de pressão similar à da extrusão indireta


Curso do Pistão

Pre

ssão

de

Ext

rusã

o

DIRETA

INDIRETA

59

� Geometria da matriz

� FGES: Força total

� FRS: Força de atrito com a matriz (parte cônica)

� FSch: Força de cisalhamento (trabalho redundante)

� FId: Força ideal de deformação (sem atrito e cisalhamento)

� FRW: Força de atrito com o recipiente (parte cilíndrica)


Ângulo ótimo

60

� Geometria da matriz

� FRS: Força de atrito com a matriz (parte cônica)


0

1

2

3

4

5

6

7

0 45 90 135 180

y=f(

x)

Ângulo da matriz (2x)

y=f(x)=[1/sen(2x)]

61


� Força de Estampagem

P: Carga total no punçãoDp: diâmetro do punçãoD0: diâmetro inicial do blankh: espessura do blankσ0: escoamento médio do blankH: força no anel fixadorμ: coeficiente de atritoB: força para dobrar e endireitar

blank

62

� Hydroforming (Hidroconformação)

� Assim como na conformação por elastômero:

– Esforços de atrito são minimizados


63

� Rupturas centrais

� Sequência de falhas em formato de “V”, indicando a direção de trefilação

� Geometria da fieira não adequada

– Redução de seção muito pequena: superfície movendo muito mais rápida do que a região central → tensões de tração no centro do fio

– Zona de deformação muito extensa

� Lubrificação: Transição entre regimes de lubrificação (limítrofe ↔ misto)


σ

Análogo à laminação

64

� Rupturas centrais


65

� Trincas internas centrais (“Chevron marks”)

� Similar ao exposto para Trefilação

� Acentuada diferença de velocidades entre material externo e interno

– Baixo atrito entre recipiente e tarugo (↑vEXT)

– Baixa razão de extrusão (↓vINT)


66

� Resistência à movimentação relativa entre corpos em contato e com carregamento normal: Deformação plástica localizada

� Mecanismos de Adesão e Abrasão


67

� Falhas em ferramental de estampagem


68

� Lubrificantes comumente empregados em processos de conformação

� Água (pura ou destilada)

� Óleos minerais

� Graxa

� Cera

� Sabão

� Sólidos minerais (Grafita, bissulfeto de molibdênio)

� Sólidos metálicos (Pb, Cd, Cu)

� Plásticos (lâminas de nylon, teflon ou polietileno)

� Materiais sintéticos (silicone ou polietilenoglicol)


69

Fechamentos3.

Anisotropia2.4

Atrito2.3


Temperatura2.1


Introdução1.

Agenda

70

Anisotrópico

� Definição de Anisotropia

� Corpo possui uma certa propriedade que varia com a direção ou orientação

Influência da Anisotropia

71

� Índice de Anisotropia Normal (R)

� Variação das propriedades em relação à espessura

� Medida de espessura pode induzir erros significativos

– Fazer uso da premissa de conservação do volume


72

� Índice de Anisotropia Normal (R)

� Variação das propriedades em relação à espessura

� Valores típicos:


Material Anisotropia Normal (R)

Zinco 0,2

Aço laminado a quente 0,8 a 1,0

Aço laminado a frio 1,0 a 1,35

Ligas de Alumínio 0,6 a 0,8

Cobre e latão 0,8 a 1,0

Ligas de Titânio 4 a 6

73


74

� Índice de Anisotropia Planar (ΔR): avalia o fenômeno de orelhamento


75


76

� Efeito gráfico sobre o critério de escoamento

� Caso em que o material não apresenta anisotropia com simetria de rotação (não éortotrópico)

– Encruamento cinemático


77

� Definição de Anisotropia

� Corpo possui uma certa propriedade que varia com a direção ou orientação


Processo de laminação:Variação da microestrutura

78

� Microestrutura do tarugo

� Evolução da microestrutura em função da condição do tarugo engendra:

– Relaxação

– Recristalização

– Segregação

� Em interação com parâmetros do processo

– Temperatura

– Velocidade


79

� Falha em Conformação de Chapas: efeito da anisotropia


Orelhas Casca de laranja

80

Fechamentos3.


Introdução1.

Agenda

81

Objetivos Específicos


1


2


3


3

Substrato

Lubrificante

Rugosidade

Revestimento

σ T1

T2

T3

T4

T4> T3> T2> T1

82

Processos de Fabricação: Estrutura do Curso

PlasticidadeFundamentos da

ConformaçãoTecnologias de Conformação

Processos Não-Convencionais

� Comportamento mecânico

� Tipos de Falhas

� Análise de tensão e deformação

� Relações plásticas

� Escoamento plástico

� Classificação

� Modelos preditivos

� Influências: atrito, temperatura; taxa de deformação e anisotropia.

� Ensaios de conformabilidade

� Trefilação

� Laminação

� Forjamento

� Extrusão

� Estampagem

� Estiramento

� Repuxamento

� Soldagem a Ponto

� Metalurgia do Pó

F

dx

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