1. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA PROGRAMA DE
PS-GRADUAO EM CINCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS MARCIO ROBERTO DA
ROCHA ESTUDO DA CONFORMABILIDADE DOS AOS INOXIDVEIS AUSTENTICOS
304N E 304H E SUAS CORRELAES COM AS MICROESTRUTURAS OBTIDAS Tese
submetida ao programa de Ps- Graduao em Cincia e Engenharia de
Materiais da Universidade Federal de Santa Catarina para obteno do
ttulo de Doutor em Cincia e Engenharia de Materiais. Prof. Dr.
CARLOS AUGUSTO SILVA DE OLIVEIRA ORIENTADOR Florianpolis, 12 de
dezembro de 2006
2. Marcio Roberto da Rocha ESTUDO DA CONFORMABILIDADE DOS AOS
INOXIDVEIS AUSTENTICOS 304N E 304H E SUAS CORRELAES COM AS
MICROESTRUTURAS OBTIDAS Tese submetida ao programa de Ps- Graduao
em Cincia e Engenharia de Materiais da Universidade Federal de
Santa Catarina para obteno do ttulo de Doutor em Cincia e
Engenharia de Materiais. Profa. Dra. Ana Maria Maliska Coordenadora
Prof. Dr. Carlos Augusto Silva de Oliveira Orientador BANCA
EXAMINADORA Prof. Dr. Augusto Buschinelli Examinador - UFSC Prof.
Dr. Pedro A. N. Bernardini Examinador - UFSC Prof. Dr. Srgio S.
Tavares Examinador UFF Prof. Dr. Lrio Schaeffer Examinador -
UFRGS
3. Cus e trovoadas podem assustar o homem, mas nunca a sua
curiosidade.
4. Deus. minha famlia.
5. AGRADECIMENTOS Ao Professor Carlos A. S. de Oliveira pela
orientao e amizade. Aos professores que de alguma forma
oportunizaram um maior aprofundamento nos contedos estudados. A
ACESITA pelo fornecimento das chapas utilizadas neste trabalho.
CAPES pela bolsa concedida. Ao PPGMat pela oportunidade na realizao
do doutorado. Aos bolsistas e estagirios, Andr, Robson, Mark e
Carlos, pelo valioso auxlio no laboratrio. Ao amigo Eldio
Angioletto pelo apoio nos raios-X e ao Carioca, nas metalografias.
Aos amigos que estiveram sempre presentes. minha famlia, pelo
apoio. Andra C. Neves, pela pacincia e auxlio. Enfim, todos que de
alguma forma participaram da elaborao deste trabalho, de forma
direta ou indireta.
6. RESUMO O presente trabalho teve por objetivo estudar o
comportamento das transformaes martensticas induzidas por deformao
de duas chapas de aos inoxidveis austentico AISI304N e AISI304H,
submetidas a diferentes caminhos de deformao. Este estudo utilizou
curvas de limite de conformao CLCs, para determinar possveis
correlaes entre a conformabilidade das chapas e suas variaes
microestruturais obtidas durante a deformao. Quando os aos
inoxidveis austenticos so deformados, podem transformar parte da
austenita em martensita- e/ou , principalmente se os esforos
aplicados estiverem abaixo da temperatura Md. Durante estas
transformaes, h tambm uma mudana no seu comportamento magntico que
pode ser utilizada para o acompanhamento da proporo de fases
transformadas sob diferentes condies de deformao. Embora tenha se
verificado a existncia de inmeros trabalhos que relacionam a obteno
desta martensita com diferentes nveis de deformao e temperaturas,
existe ainda pouca informao sobre as relaes destas propriedades com
as caractersticas de conformabilidade das chapas de ao inoxidvel
austentico e, que sejam aplicadas a condies fora de carregamentos
trativos. Assim, este trabalho avaliou as propriedades de
conformabilidade de duas qualidades de chapas de aos inoxidveis
austenticos, o AISI304 e o AISI304N, por ensaios de trao e de
Nakazima, relacionando as variaes dos caminhos de deformao com as
mudanas microestruturais. Os resultados mostraram uma dependncia
das microestruturas induzidas com os diferentes caminhos de
deformao. Palavras-chave: AISI 304, ao inoxidvel austentico,
conformabilidade, martensita, TRIP
7. ABSTRACT The present work was intended to study the effect
of strain paths on the martensitic induced transformation of
austenitic stainless steel AISI304N and AISI304H, and its
correlations between mechanical behavior and conformability. The
austenite present in this steels, can be transformed by
deformation, change of initial microstructure to martensite-e and
martensite- . This transformation changes too the magnetic
properties, from paramagnetic to ferromagnetic and the mechanical
properties of austenitic stainless steels, and depending of
conditions, to contribute to improve the uniform deformation.
Although many works has been done about the mechanic properties and
martensitic induced transformations, its a few in studies about
strain path from tension test and rolling process. Then, the
objective of this work was to study two austenitic stainless
steels, AISI304N (with 1,5%w copper) and AISI304H, by
microstructural and mechanical evaluation, and to correlate their
conformabilities with microstructures, using like base the Foming
Limits Diagrams to simulate different strain paths. Key words:
martensite, AISI 304, stainless steel, TRIP, conformability.
8. SUMRIO
Resumo.....................................................................................................................................I
Abstract
....................................................................................................................................II
Lista de
Figuras........................................................................................................................III
Lista de
Tabelas........................................................................................................................V
Lista de
Smbolos.....................................................................................................................VII
1.INTRODUO
....................................................................................................................1
2.REVISO
BIBLIOGRFICA..............................................................................................
4 2.1.COMPORTAMENTO MECNICO DAS CHAPAS
....................................................... 4 2.1.1.
Plasticidade das chapas metlicas
..................................................................................
5 2.2. CONFORMABILIDADE
.................................................................................................
17 2.2.1. Efeito da Anisotropia sobre a
conformabilidade............................................................
19 2.2.2. Ensaios de Conformabilidade
........................................................................................
24 2.2.3. Curvas de Limite de Conformao CLC
...................................................................
29 2.3. CARACTERSTICAS
MICROESTRUTURAIS.............................................................
30 2.3.1.Fatores que Afetam a Microestrutura de um Metal Deformado
..................................... 30 2.3.2. Heterogeneidades de
deformao na
Microestrutura.....................................................
36 2.4. MARTENSITA CARACTERSTICAS E
COMPORTAMENTO................................ 39 2.4.1. Martensita
Ferrosa..........................................................................................................
39 2.4.2. Transformaes
martensticas........................................................................................
43 2.5. AOS INOXIDVEIS AUSTENTICOS
.......................................................................46
2.5.1. Composio Qumica e Propriedades dos Aos Inoxidveis
Austenticos.................... 46 2.5.2.Martensita Induzida por
Deformao em Aos Inoxidveis Austenticos...................... 49
2.5.3.ESTAMPAGEM DE AOS INOXIDVEIS
AUSTENTICOS................................... 54 2.5.3.1.
Estiramento dos aos inoxidveis austenticos
........................................................... 54
2.5.3.2. Embutimento dos aos inoxidveis
austenticos.........................................................
58 2.7. COMPORTAMENTO MAGNTICO
.............................................................................
59 2.7.1. Curva de Histerese Magntica
.......................................................................................
60 2.7.2. Efeito da composio qumica nas perdas magnticas
.................................................. 63 3.
METODOLOGIA E PROCEDIMENTO
EXPERIMENTAL............................................. 64 4.
RESULTADOS....................................................................................................................73
5.
DISCUSSO........................................................................................................................98
10. Lista de Figuras Captulo 2 Figura 2.1.1 - Trao uniaxial. a)
corpo-de-prova; b) curva tenso-deformao. ............6 Figura 2.1.2
- Tenses, deformaes e taxa de deformao.
............................................7 Figura 2.1.3 Forma
das curvas para as diferentes equaes para o comportamento tenso x
deformao..............................................................................................7
Figura 2.1.4 - Representao geomtrica de um estado de tenses plstico
no espao ...11 Figura 2.1.5 - Local de escoamento no plano pi para
os critrios de Tresca e de von Mises..
........................................................................................................11
Figura 2.1.6 - Modelos matemticos para a repres.
encruamento.....................................12 Figura 2.1.7 a,
b, c Representao esquemtica da deformao em pontos diferentes
durante a estampagem de uma
pea...........................................................................13
Figura 2.1.8 Diagrama de deformaes apresentando os diferentes modos
de deformao correspondentes a diferentes valores de beta
.........................15 Figura 2.1.9 Estiramento equi-biaxial
no domo de um puno......................................16 Figura
2.1.10 Deformao plana na parede de uma pea
comprida.................................16 Figura 2.1.11 Extenso
uniaxial da borda de um furo
extrudado.....................................16 Figura 2.1.12
Embutimento em uma flange de um copo embutido
.................................17 Figura 2.2.1 Representao das
principais direes avaliadas para o clculo da anisotropia plstica de
chapas.
...................................................................20
Figura 2.2.2 Efeito da variao de sob a deformao de um copo
embutido.................21 Figura 2.2.3 - As curvas superiores
indicam a maneira tpica na qual varia com a direo de teste para um
ao de baixo carbono. A relao do coeficiente de anisotropia normal,
no embutimento indicada pelo tamanho relativo dos copos abaixo de
cada
curva........................................................................21
Figura 2.2.5 Ilustrao do embutimento profundo de um copo cilndrico
(a) antes e (b) aps o embutimento.
..................................................................................22
Figura 2.2.6 - Influncia de sobre o LDR para vrias
chapas...........................................23 Figura 2.2.7a
Ensaios de Olsen (a) e de Erichsen
(b).......................................................26 Figura
2.2.8 Ensaio de Swift
..........................................................................................27
Figura 2.2.9 Esboo dos ensaios de
dobramento............................................................27
Figura 2.2.10 Ensaio de
Fukui..........................................................................................28
11. Figura 2.2.11 Grade de crculos gravada antes e aps a sua
conformao.......................28 Figura 2.2.12 - Crculo deformado
na forma de
elipse.......................................................29
Figura 2.2.13 - Diagrama esquemtico de uma CLC. A linha crtica (em
negrito) separa as condies de falha e sem falha. Os eixos e1 e e2
referem-se a mxima e mnima deformaes principais, respectivamente
.....................................29 Figura 2.3.1 Micrografias
revelando o padro de escorregamento em materiais deformados. (a)
escorregamento planar (planar glide) em material com baixa EFE; (b)
escorregamento ondulado (wavy glide) em material com alta
EFE......................................................................................................32
Figura 2.3.3 (a) Amostra de ao inoxidvel austentico de baixa EFE,
deformada 3% em trao. (b) Amostra de ao inoxidvel austentico de
alta EFE, deformada por forjamento rotativo com 15% de reduo em
rea. MET....................34 Figura 2.3.4 Correlaes entre os
mecanismos de deformao, EFE e microestruturas na liga
0,3%C-17%Cr-10%Mn-3%Si-10%Cr-0,1%N....................................35
Figura 2.3.5 - Bandas de transio em gro deformado com subestrutura
celular. ..........36 Figura 2.3.6 Representao esquemtica de bandas
de cisalhamento em um metal deformado, vistas no corte longitudinal
(macroscpico). ..........................37 Figura 2.3.7 (a) Macla
de deformao esquemtica e (b) rede de maclas em uma chapa de ao
revestida com zinco.
.......................................................................38
Figura 2.4.1 Estrutura TCC da martensita para ligas de Fe-C
mostrando os interstcios ocupados pelos tomos de
carbono............................................................39
Figura 2.4.2 Efeito do carbono sobre os parmetros de rede da
austenita e martensita no ao.
.............................................................................................................40
Figura 2.4.3 - Distoro de Bain para a formao de martensita CCC
(TCC) da austenita CFC em ligas ferrosas.
...............................................................................41
Figura 2.4.4 (a) Diagrama esquemtico da martensita em ripas e (b)
micrografia de um ao de baixa liga.
...................................................................................................42
Figura 2.4.5 (a) Representao esquemtica de uma placa de martensita
e o plano denominado midrib e (b) martensita em placa (regio
escura) e austenita retida de um ao com 1,39%C.
..................................................................43
Figura 2.4.6 Diagrama esquemtico apresentando as tenses crticas
necessrias para as transformaes martensticas assistidas por tenso e
induzidas por
deformao.................................................................................................44
12. Figura 2.4.7 - Representao esquemtica do comportamento de
transformao da austenita mostrando um aumento no porcentual da
martensita induzida mecanicamente com a deformao em temperaturas
(a) acima e (b) abaixo
de................................................................................................................46
Figura 2.5.1 - Diagrama de Schaeffer indicando as microestruturas
esperadas. A - austenita; F - ferrita; M - martensita, para
diferentes valores de Cromo e Nquel
equivalentes....................................................................................47
Figura 2.5.2 - Variao da frao volumtrica da fase (a) e (b), de dois
aos Fe- 18%Cr-10%Ni, A e B
................................................................................50
Figura 2.5.3 Comparao das curvas de transformao calculadas e
experimentais, para o ao 304. f a proporo de martensita formada em
funo da deformao imposta, em diferentes
temperaturas......................................53 Figura 2.5.4 -
Frao volumtrica de martensita induzida por deformao em amostras
deformadas a frio (5%) e envelhecidas (973K/3 dias) em funo da
temperatura de
deformao........................................................................53
Figura 2.5.5 Efeito do contedo de nquel sobre a curva tenso real
deformao real e encruamento de aos com 0,1%C-18%Cr.
................................................56 Figura 2.5.6
Efeito do nquel sobre a taxa de encruamento (work-hardening rate)
de aos com
0,1%C-18%Cr............................................................................56
Figura 2.5.7 Efeito do nquel em aos com 17%Cr (a) e do cromo em aos
com 8%Ni (b) sobre a mxima deformao uniforme e total
.....................................57 Figura 2.6.1 - Variao da
induo residual com a deformao imposta para um ao AISI 304L
...........................................................................................................60
Figura 2.6.2 - Curvas de magnetizao de amostras de ao 304 com
diferentes nveis de
deformao.................................................................................................60
Figura 2.6.3 - Representao simplificada da curva de histerese
magntica e das configuraes dos domnios
magnticos....................................................61
Figura 2.6.4 - Variao nas curvas de
histerese................................................................
62 Captulo 3 Figura 3.1 - Descrio esquemtica dos experimentos
realizados................................65 Figura 3.2 - Corpos de
prova utilizados no ensaio de trao (a) e de anisotropia (b), de
acordo com a norma ASTM A370 e ASTM A517 tipo C
.....................66 Figura 3.3 - Ferramental utilizado para o
ensaio de Nakazima ....................................67
13. Figura 3.4 - Regio de medida dos crculos nos cps Nakazima
ensaiados..................68 Figura 3.5 - Local de retirada das
amostras Regio de fratura e prxima a esta (em torno de 5mm da regio
de ruptura da chapa). As deformaes de cada amostra retirada foram
medidas aps a sua extrao................................69 Figura
3.6 - Seqncia de embutimento realizado no ensaio de Nakazima para
produzir peas com diferentes nveis de
deformao..............................................70 Figura 3.7
- Regies de extrao das amostras a partir dos corpos-de-prova de
Nakazima e cdigo utilizado. A distncia entre cada amostra extrada
foi igual a 30mm para a chapa antes da deformao. Em b so
apresentados exemplos da codificao utilizada para as
amostras.................................70 Captulo 4 Figura 4.1 -
Microestrutura da seo longitudinal ao plano das chapas 304H e 304N.
Ataque: gua rgia
glicerinada................................................................74
Figura 4.2 - Difratogramas de raios-X das chapas de ao 304N e 304H
na condio de como recebida
..........................................................................................75
Figura 4.3 - Curvas de histerese magntica obtidas para as chapas de
ao 304N e 304H, na condio de como
recebidas.....................................................75
Figura 4.4 - Microestruturas com ataque seletivo para determinao
dos tamanhos de gros das dos aos (a) 304H e (b) 304N. Ataque:
eletroltico com cido ntrico, 1,5V.
............................................................................................76
Figura 4.5 - Resultados do ensaio de trao para os aos 304N e 304H,
na direo de laminao. O comportamento foi equivalente nas demais
direes. .......76 Figura 4.6 - Determinao da deformao uniforme
mxima nas chapas em carregamento monoaxial, atravs do critrio de
Considre. ....................78 Figura 4.7 - Variao do expoente de
encruamento das chapas de ao 304H e 304N com incrementos da
deformao de 0,05.................................................78
Figura 4.8 - Microestruturas das regies de ruptura dos
corpos-de-prova de trao, para os aos 304N e 304H. Ataque: HCl + H2O
+ Metilsulfito de Na....79 Figura 4.9 Difratograma de raios-X das
amostras retiradas dos corpos-de-prova de trao na regio de ruptura,
dos aos 304N e 304H.................................80 Figura 4.10
- Curvas de histerese magntica obtidas a partir das amostras
extradas dos corpos-de-prova tracionados na sua regio de
ruptura.............................80 Figura 4.11 - Conjunto de
amostras obtidas no ensaio de Nakazima. ...........................
81
14. Figura 4.12 - Curva de limite de conformao para a chapa
304H, obtida a partir do ensaio de
Nakazima..................................................................................81
Figura 4.13 - Curvas de limite de conformao para a chapa 304N,
obtida a partir do ensaio de
Nakazima..................................................................................82
Figura 4.14 - Comparao das curvas de limite de conformao entre os
aos 304H e
304N.........................................................................................................82
Figura 4.15 - Difratograma de raios-X para as amostras de ao 304N,
sem deformao (CR adotada como referncia de deformao zero) e
deformadas. ......83 Figura 4.16 - Detalhe da Figura 4.15 Ampliao
dos intervalos entre (a) 42 53 e (b) 60 95, para a melhor
identificao e observao das fases presentes..84 Figura 4.17 -
Difratograma de raios-X para as amostras de ao 304H, sem deformao
(CR) e deformadas.
..................................................................................85
Figura 4.18 - Detalhe da Figura 4.17 Ampliao dos intervalos entre
(a) 42 53 e (b) 60 95, para a melhor identificao e observao das
fases presentes..86 Figura 4.19 - Variao da histerese magntica com
a deformao aplicada em amostras do ao ao 304H, at a sua ruptura.
........................................................86 Figura
4.20 - Variao da espessura e da microdureza ao longo do
corpo-de-prova com largura igual a 215mm, conformado no ensaio de
Nakazima..................87 Figura 4.21 - Micrografias
apresentando a regio de falha de chapas de ao 304N e 304H sob
condies de carregamentos aproximadamente (a) trao- compresso = -0,5
e (b) trao-trao = + 0,5. Regies claras: austenita; regies escuras:
martensita-a e e. ...........................................87
Figura 4.22 - Fractografia das amostras com 30, 135 e 215mm de
largura, na regio de falha das mesmas para o ao 304H.
.........................................................88 Figura
4.23 - Fractografia das amostras com 30, 135 e 215mm de largura, na
regio de falha das mesmas para o ao 304N.
.........................................................89 Figura
4.24 - Corpos de prova testados no ensaio de Nakazima com alturas
obtidas...89 Figura 4.25 - Microscopia ptica das amostras com
diferentes larguras e alturas de embutimento utilizadas no ensaio
de Nakazima para o ao 304H...........91 Figura 4.26 - Microscopia
ptica das amostras com diferentes larguras e alturas de embutimento
utilizadas no ensaio de Nakazima para o ao 304N...........92 Figura
4.27 - Microscopia eletrnica de varredura para as amostras de ao
304H com diferentes larguras e submetidas a diferentes nveis de
deformao........93
15. Figura 4.28 - Microscopia eletrnica de varredura para as
amostras de ao 304N com diferentes larguras e submetidas a
diferentes nveis de deformao........94 Figura 4.29 - Indicao da
variao da deformao efetiva com a mudana de , variando de -1/2
(trao) +1 (estiramento equibiaxial), com a indicao das CLCs para os
aos 304H e
304N......................................................95 Figura
4.30 - Variao da dureza e frao volumtrica de martensita com a (a)
mudana dos caminhos de deformao. Deformao mxima = 0,4 e deformao
intermediria = 0,15. (b) Indicao da frao de martensita obtida para
cada caminho indicado em (a) e; (b) microdurezas obtidas..96 Figura
4.31 - Relao entre as deformaes efetivas e a dureza obtida nas
amostras deformadas.
..............................................................................................97
Figura 4.32 - Relao entre a deformao aplicada, microdureza e
saturao magntica das amostras
deformadas..........................................................................97
16. Lista de Tabelas Tabela 2.2.1 Valores tpicos de R e R para
aos inox. austenticos (Guida, 2005).............22 Tabela 2.2.2
Efeito da reduo a frio no R e R para o ao 304 (Guida, 2005).
..................22 Tabela 2.2.3 Conformabilidade dos aos
inoxidveis (Guida, 2005). ....................................24
Tabela 2.3.1 Energia de falha de empilhamento para metais CFC
(Hertzberg, 1996). .......... 33 Tabela 2.3.2 Carter de
escorregamento e coeficientes de encruamento para vrios metais..34
Tabela 2.5.1 - Especificao e composio qumica de alguns aos
inoxidveis austenticos..48 Tabela 3.1 Composio qumica das chapas de
ao 304H e 304N utilizadas.......................65 Tabela 4.1
Estimativa da diferena da energia de falha de empilhamento entre as
chapas de ao 304N e
304H................................................................................................
74 Tabela 4.2 Resultados obtidos na caracterizao mecnica das chapas
como recebidas......77
17. Lista de smbolos e abreviaes Relao entre tenses Relaes
entre deformaes Austenita i Energia interfacial t,n Tenses
cisalhantes e normais Ferrita delta Variao deformao absoluta
(deformation) Variao R Coeficiente de anisotropia planar Deformao
real ou verdadeira (strain) e1,2 Deformao real no comprimento e
largura et Deformao real na espessura E Deformao verdadeira na
direo da espessura L Deformao verdadeira na direo da largura Taxa
de deformao eff Deformao efetiva Eficincia do processo Parmetro de
encruamento Tenso cisalhante Coeficiente de Poison Densidade de
discordncias Tenso aplicada s Saturao magntica 1, 2 e 3 Tenses
principais e Tenso limite de escoamento n Tenso normal resolvida
normal ao plano de hbito. r Tenso limite de resistncia s m Tenses
hidrostticas Tenso mdia
18. Relao entre locais de nucleao e fator auto-cataltico A rea
final Al Deformao Ao rea inicial |b| Mdulo do vetor de Burgers b
Vetor de burges 3,2b Vetor de burges das discordncias parciais c
Coeficiente de resistncia c, a Parmetros de rede CCC Estrutura
cristalina cbica de corpo centrado CFC Estrutura cristalina cbica
de face centrada CLC Curva de limite de conformao d Distncia entre
discordncias parciais d Separao da discordncia parcial; d Tamanho
de gro D0, f Dimetro inicial e final do copo embutido d0,1,2
Dimetro e Deformao convencional ou de engenharia, % E Mdulo de
elasticidade ou de Young EFE Energia de falha de empilhamento f( )
Funo de escoamento FCT Estrutura cristalina tetragonal de face
centrada fm Frao volumtrica de martensita mf Taxa de formao de
martensita G Mdulo de cisalhamento g( ) Funo escalar dos
invariantes da tenso desviadora h( ) Funo escalar dos invariantes
da tenso desviadora HC Estrutura cristalina hexagonal I1,2,3
Invariante do tensor tenses J2,3 Invariante do tensor de tenses
desviadoras K Constante k Coeficiente de resistncia l Comprimento
final
19. LDR ndice de limite de embutimento lo Comprimento inicial m
Expoente de sensibilidade taxa de deformao m- Martensita CCC Md
Temperatura acima da qual no h formao de martensita induzida por
deformao Md30 Temperatura acima da qual no h formao de martensita
induzida por deformao, com 0,3 de deformao e obteno de 50% de
martensita. Mf Temperatura de fim de transformao martenstica
induzida por tenso Mi Temperatura de incio da transformao
martenstica por tenso MID Martensita induzida por deformao MIT
Martensita induzida por tenso Ms Temperatura acima da qual no h
formao de martensita induzida por tenses m-e Martensita HC sM
Martensita induzida por tenses elsticas sM Temperatura limite entre
a martensita induzida por tenso e por deformao n Constante
dependente do modo de deformao / expoente de encruameto r
Coeficiente de anisotropia ou de Lankford r0 Relao de deformao na
direo longitudinal de laminao r45 Relao de deformao medida a 45 com
a direo de laminao r90 Relao de deformao na direo transversal de
laminao R , R Coeficiente de anisotropia normal RE Razo elstica t
Espessura t ,o Espessura final e inicial TC Estrutura cristalina
tetragonal TRIP Plasticidade induzida por deformao U Fora motriz
mecnica Wp Trabalho plstico total Y Limite de escoamento Z Parmetro
relacionado nucleao de martensita
20. 1 Captulo 1 22 IINNTTRROODDUUOO A avaliao da
conformabilidade de chapas de aos um fator importante, pois a
partir dela pode-se definir se um determinado material apresentar
bom desempenho quando submetido a uma determinada operao de
conformao. Porm, a conformabilidade no pode ser definida
simplesmente como uma propriedade dependente unicamente do
material. Ela depende tambm do processo de conformao que ser
utilizado e da espessura da chapa. Todavia, a sua avaliao no
trivial, exigindo-se que sejam executados vrios ensaios, como trao,
dureza e, ensaios simulativos, como os de Erichsen, Olsen, Fukui,
entre outros. Alm destes, com o objetivo de melhorar a estimativa
do comportamento das chapas durante o processo de conformao, novos
ensaios tm sido desenvolvidos, envolvendo o uso crescente de mtodos
de anlises de simulao computacional. Isto tem auxiliado na otimizao
e desenvolvimento dos processos, reduzindo o tempo de testes
(try-out), de fabricao (lead time) e o nmero de refugos (Ferran et
al., 1986; Doedge et al., 1997; Metals Handbook, 1969). Dentre os
materiais metlicos comumente utilizados na conformao de chapas, os
aos inoxidveis austenticos, destacam-se por apresentar excelente
conformabilidade. Estes aos contm elementos estabilizadores da
austenita, como o Ni e o Mn, os quais, em teores adequados,
estabilizam a austenita na temperatura ambiente ou abaixo dela.
Quando os aos inoxidveis austenticos so deformados, a austenita,
dependendo do seu nvel de estabilidade termodinmica, poder
transformar em martensita induzida por deformao (Tsakiris, 1999).
Estas alteraes microestruturais podero resultar em grande
endurecimento das chapas e em alguns casos, promover a induo de
plasticidade por deformao, comumente denominado de efeito TRIP.
Isto habilita a utilizao destes materiais em uma ampla quantidade
de aplicaes industriais, inclusive para fins estruturais. A formao
de martensita induzida por deformao est relacionada a estabilidade
da austenita, a temperatura e as condies de deformao impostas nas
chapas durante a sua conformao. Como exemplo, pode-se obter um
considervel aumento da resistncia mecnica das chapas quando as
deformaes so realizadas abaixo da temperatura Md, que a temperatura
abaixo da qual ocorre a formao de martensita-a induzida por
deformao.
21. Entretanto, apesar do efeito de endurecimento da martensita
induzida por deformao ser bem conhecido, dispe-se de poucos
trabalhos sobre a sua influncia na conformabilidade das chapas em
diferentes condies de deformao (Andrade et al, 2004). Isto pode ser
verificado nos trabalhos desenvolvidos por Dumbleton et al. (2000),
Hsu, Smith et al. (2000), Yang et al. (2000) e, Farias et al.
(2000), os quais abordam os mecanismos de formao da martensita
induzida por deformao em aos inoxidveis austenticos, porm, sem
relacion-los diretamente com a conformabilidade das chapas.
Destaca-se ainda que a maioria destes trabalhos foi desenvolvida
sob condies de carregamento trativo monoaxial, possivelmente pela
facilidade de controle e realizao dos experimentos. Porm, a
estampagem de peas com geometrias variadas desenvolve diferentes
condies de carregamento ao longo do plano da chapa. Disto resulta
em variaes microestruturais no material, em maior ou menor
intensidade, as quais iro depender da intensidade e combinao dos
esforos aplicados (alm da temperatura). Tais alteraes afetam o
comportamento mecnico das chapas e, conseqentemente, a sua
conformabilidade. Objetivos do trabalho O presente trabalho teve
por objetivo principal estudar as transformaes martensticas
induzidas por deformao em dois aos inoxidveis austenticos,
identificados como AISI 304N e 304H. As transformaes martensticas
nestes aos foi induzida por diferentes caminhos de deformao e
avaliada, de modo a melhor compreender seus efeitos sobre a
propriedades finais das chapas. Alm disso, procurou-se relacionar
estas variaes microestruturais com as propriedades mecnicas do
material, e a influncia sobre a conformabilidade da chapas. Os aos
AISI 304N e 304H estudados so comumente utilizados em uma larga
variedade de peas estampadas, em virtude de sua boa
conformabilidade e excelente resistncia a corroso/oxidao. Porm,
quando deformados, apresentam comportamentos ligeiramente
distintos, sendo o ao 304N indicado principalmente para operaes em
que se desejam maiores profundidades de embutimento. Estes aos
apresentam transformao de fase induzida por deformao, a qual
contribui para o aumento da sua deformao uniforme e da sua
resistncia mecnica. Deve-se destacar que este comportamento no
exclusivo dos aos inoxidveis austenticos, sendo tambm apresentado
por outros aos com austenita metaestvel/instvel. Como exemplo
pode-se citar os aos TRIP e os aos austenticos duplex. Os ferros
fundidos ADI e aos Hadfield tambm
22. apresentam a formao de martensita induzida por deformao, a
qual aumenta significativamente a sua resistncia mecnica. Porm,
diferentemente dos exemplos anteriores, estas ligas tm baixa
ductilidade e no apresentam o efeito de plasticidade induzida por
deformao (TRIP). Desta forma, os resultados obtidos neste trabalho
podem ser estendidos a outras ligas que apresentem transformaes
martensticas induzidas por deformao, com o intuito de contribuir
para a compreenso destas transformaes sobre o seu comportamento
mecnico.
23. 4 Captulo 2 33 RREEVVIISSOO BBIIBBLLIIOOGGRRFFIICCAA Neste
captulo apresentada uma reviso sobre o comportamento mecnico das
chapas metlicas e as caractersticas microestruturais. Estas
caractersticas so tambm relacionadas com a conformabilidade das
chapas, bem como com as variveis que as influenciam. Os aos
inoxidveis, em particular os austenticos, tambm so apresentados.
Tais aos podem apresentar transformaes de fase induzidas por
deformao, a qual altera o seu comportamento mecnico durante a
conformao. Alm disso, a medida que a austenita transforma-se em
martensita, h uma mudana no comportamento magntico destes aos. Esta
caracterstica pode ser utilizada para a determinao das fraes
volumtricas dos produtos transformados, por meios magnticos e, por
este motivo, o ltimo tpico abordado se refere a estas propriedades.
3.1 COMPORTAMENTO MECNICO DAS CHAPAS A conformao de chapas metlicas
um processo comum para a produo de peas de variadas formas e
tamanhos. Estas operaes de conformao so executadas em matrizes e
punes, montados em prensas, de variadas capacidades, as quais so
dimensionadas para suprir os esforos necessrios na fabricao. Neste
sentido, a necessidade de determinar os esforos envolvidos nas
operaes de conformao de grande interesse, de modo que previses
possam ser feitas sobre as foras requeridas para produzir a pea com
a forma desejada. Entretanto, a distribuio dos esforos e deformaes
so geralmente complexas, tornando difcil a sua determinao de modo
simplificado e, o desenvolvimento de modelos que possam atender as
mais variadas formas produzidas. Neste contexto, a teoria da
plasticidade tem sido desenvolvida continuamente, de modo a
melhorar as previses dos esforos gerados nos diferentes processos
de conformao de chapas. Como o equacionamento envolve uma grande
quantidade de variveis inter-relacionadas, o desenvolvimento de
modelos nem sempre fcil, necessitando de um conhecimento mais
profundo das ferramentas matemticas disponveis. Porm, no intuito de
facilitar o
24. 5 entendimento destas operaes e dos mecanismos de deformao
envolvidos, modelos baseados em expresses e formas simples so
geralmente sugeridos e utilizados. Na mecnica dos meios contnuos,
alm da teoria clssica da plasticidade, destaca-se o enfoque
experimental dado aos limites de conformabilidade de chapas de
Keeler & Backhofen (1964) apud Stoughton (2000) e Goodwin
(1968) apud Stoughton (2000), com a apresentao dos diagramas de
limite de conformao. Os limites de deformao obtidos podem servir de
parmetros para controle, permitindo uma primeira forma de otimizao
do processo de conformao. Isto principalmente quando aliado aos
testes de conformabilidade e a todo aparato tcnico disponvel tanto
na indstria como em laboratrios. Nesta linha, diversos autores
(Marciniak et al., 2002) apresentaram consideraes tericas acerca
dos limites aceitveis de deformao no processo. Modelos matemticos
foram criados para apresentar de modo macroscpico alguns defeitos
presentes, uma vez que estes so uma das causas do limite dos
processos. Isto foi considerado no modelo de Marciniak &
Kuczynski (1967), sendo descrito em Marciniak & Duncan (1992).
As grandezas que podem ser utilizadas para descrever o mecanismo de
deformao de um corpo, passando de uma configurao para outra por
meio de uma aplicao de um carregamento externo, so a tenso,
deformao e a taxa de deformao (KOBAYASHI et al., 1989). Assim, a
seguir apresentada uma viso geral das principais equaes disponveis
para a conformao de chapas, bem como um entendimento do
comportamento do material frente a diferentes condies de
carregamento. 3.1.1 Plasticidade das chapas metlicas Na Figura
2.1.1 apresentado o corpo de prova utilizado em um ensaio de trao
uniaxial, com comprimento inicial l0 e seo de rea A0. Aps o
acompanhamento da deformao em funo dos esforos aplicados, obtm-se o
grfico tenso x deformao apresentado nesta figura. A curva
resultante pode ser separada em trs regies distintas: a primeira,
que apresenta deformaes elsticas, proporcionais tenso aplicada; a
segunda, apresentando uma deformao plstica uniforme, com gradativo
encruamento do material e a terceira, a regio de estrico (deformao
plstica no uniforme)(Fancello, 2002).
25. 6 Figura 2.1.1 - Trao uniaxial. a) corpo-de-prova; b)
Representao das curvas de tenso- deformao de engenharia e da
tenso-deformao verdadeiras. (Kobayashi et al., 1989) Para
determinar a tenso no corpo-de-prova em trao uniaxial, utiliza-se a
seguinte equao: A P 2.1.1 em que s a tenso nominal na direo da
carga P e A a seo transversal do corpo-de-prova. 2.1.2 l o
comprimento final e a taxa de deformao. O ponto indica a derivada
em relao ao tempo para a deformao , e: l ll e 0 2.1.3 e a deformao
de engenharia. A tenso definida na eq. 2.1.1 chamada de tenso
verdadeira ou tenso de Cauchy. A deformao real obtida pela relao:
2.1.4 Onde e chamada de deformao verdadeira, logartmica ou natural.
Em um caso generalizado, pode-se fazer a representao simplificada
da Figura 2.1.2, para as tenses, deformaes e taxas de deformaes,
considerando-se um pequeno elemento do material.
26. 7 Figura 2.1.2 - Tenses, deformaes e taxa de deformao. No
grfico de tenso-deformao, a primeira parte da curva pode ser
descrita por uma relao linear, = E. , onde E o mdulo de
elasticidade do material. A segunda parte, particularmente
importante para os processos de conformao plstica, pode ser
descrita de modo aproximado, pela relao proposta por Hollomon: = K.
n (2.1.5) Onde: n o expoente de encruamento e K uma constante
inerente ao material. A curva descrita pela equao 2.1.5 ajusta-se
bem aos dados obtidos para uma chapa recozida, exceto na regio
prxima do incio do escoamento; isto mostrado na Figura 2.1.3a.
Figura 2.1.3 Forma das curvas para as diferentes equaes para o
comportamento tenso x deformao (Marciniak & Duncan, 1992). A
equao de Hollomon descreve de forma razovel o comportamento de aos
de mdio carbono e inoxidveis ferrticos. Entretanto, esta equao no
deveria ser utilizada para descrever o comportamento tenso-deformao
dos aos inoxidveis austenticos e dual- phase, devido a
instabilidade das fases presentes, que alteram o expoente de
encruamento (n)
27. 8 com a deformao (Klein e Cervelin, 1982). H outras equaes
que poderiam ser utilizadas, porm so empricas e, frequentemente
apresentam coeficientes que so de difcil determinao por anlises
matemticas simplificadas (KARL, 1977). Uma outra desvantagem da
relao de Hollomon que com deformao igual a zero, ela prediz que a
tenso igual a zero, obtendo-se uma inclinao infinita para a curva.
Ela no indica a real tenso para o escoamento inicial. Para resolver
este problema, poderia ser considerada uma pr-deformao inicial no
material, o, obtendo-se uma relao do tipo: n K 0. (2.1.6) A equao
2.1.6 til e ajusta-se bem a um material com uma tenso de escoamento
definida, como mostrado na Figura 2.1.3b. Se o material foi
endurecido por algum processo prvio, esta constante indica uma
alterao nos eixos de deformao correspondentes para esta quantidade
de deformao como mostrado na Figura 2.1.3b. Em materiais recozidos,
a deformao inicial 0 praticamente zero, tornando a equao 2.1.6
igual a equao 2.1.5. A equao 2.1.7 pode tambm pode ser utilizada, a
qual aproxima o comportamento de encruamento do material para uma
relao na forma linear: PY (2.1.7) Onde: Y e P so constantes obtidas
no ajuste da curva de deformao. Em modelos aproximados
(considerando um modelo rgido e perfeitamente plstico), o
encruamento pode ser negligenciado e a relao Y empregada. Se a
faixa de deformaes do processo conhecida, o valor de Y pode ser
avaliado assim que o trabalho for calculado a partir daquela relao,
igualando com o trabalho realizado no processo real. Isto , a rea
sob a curva aproximada ser igual aquela sob a rea real da curva (as
reas hachuradas na Figura 2.1.3d sero iguais). 3.1.1.1 Critrios de
Escoamento para Materiais Isotrpicos Inicialmente, para o
entendimento do comportamento de deformao dos materiais, cabe
definir o tensor deformao e o tensor tenso. Assim, o tensor de
deformao [ ij], em que i,j = |x,y,z, simtrico e seus componentes
podem ser definidos por: 2.1.8
28. 9 O ponto indica a derivada em relao coordenada u de
deslocamentos de um ponto considerado. O tensor de tenses de Cauchy
[ ij], representado por: 2.1.9 No caso em que ij = 0 com i j, para
i = j, e que sejam iguais a 1, 2 ou 3, obtm-se as tenses principais
representadas por: 2.1.10 E do tensor tenses extraem-se I1, I2, I3,
que so quantidades independentes das direes dos eixos selecionados
e chamadas de invariantes do tensor de tenses ij. 2.1.11 Um critrio
de escoamento pode ser definido, de modo simplificado, como uma lei
que define um limite de elasticidade sob qualquer combinao de
tenses possvel (Evangelista, 2002). Este pode ser expresso por: f(
ij) = C (const) A funo das tenses f( ij) chamada de funo de
escoamento. Para materiais isotrpicos, o escoamento plstico pode
ser expresso como: f(I1,I2,I3) = C A partir de resultados
experimentais (Kobayashi et al., 1989) considera-se que o
escoamento do material no , em primeira aproximao, afetado por uma
presso hidrosttica moderada, e portanto, o escoamento depender
somente dos trs componentes principais do tensor tenses desviatrias
( 1, 2 e 3), tais que: 2.1.12 em que m = ( 1+ 2+ 3)/3 o componente
hidrosttico da tenso e ij o delta de Kronecker. Os trs componentes
principais do tensor de tenses desviatria no so independentes, uma
vez que 1+ 2+ 3 igual a zero.
29. 10 Assim, o critrio de escoamento isotrpico pode ser
descrito da forma: f(J2,J3) = C onde : J2 = -(s1s2 + s2s3 + s3s1)
2.1.13 J3 = s1s2s3 2.1.14 Dois critrios tm sido amplamente
utilizados em anlises de deformao de metais. O critrio de Tresca,
que estabelece que o escoamento do material inicia-se quando a
tenso de cisalhamento atinge um valor mximo | mx| = valor crtico.
Fazendo-se uma anlise das tenses, obtm-se: 2.1.15 J o critrio de
von Mises estabelece que o escoamento ocorre quando J2 atinge um
valor crtico, ou seja, que a funo de escoamento f da eq. 2.1.13 no
envolva J3. O critrio pode ser descrito como: em que k um parmetro
que regula a escala de tenso e dependncia das propriedades do
material. As constantes nas equaes 2.1.16 a 2.1.18 podem ser
determinadas a partir de um estado simples de tenses, como em tenso
uniaxial. No escoamento em trao simples, 1 = e 2 = 3 = 0. Assim,
pode-se escrever 2.1.15 e 2.1.16 como: 1 - 3 = 2.1.19 ( 1 - 2)2 + (
2 - 3)2 + ( 3 - 1)2 = 2 2 2.1.20 O parmetro k pode ser identificado
como a tenso de escoamento no cisalhamento e k = / 3 no critrio de
von Mises, comparando-se 2.1.20 com 2.1.18 e k = /2 no critrio de
Tresca. Deve-se notar que o critrio de escoamento definido pela eq.
2.1.20 deve depender do processo de deformao plstica (encruamento).
Caso assuma-se que o encruamento ocorra somente se o trabalho
plstico for realizado, ento a hiptese de que o critrio de
escoamento independente do componente hidrosttico implica que no h
mudana de volume durante a deformao plstica. 2.1.16 2.1.17
2.1.18
30. 11 Um estado de tenses completamente especificado pelos
valores dos trs componentes principais. Ento, cada estado de tenses
pode ser representado por um vetor no espao tridimensional de
tenses, em que as tenses principais so assumidas como sendo as
coordenadas cartesianas. Na Figura 2.1.4, OS o vetor ( 1, 2, 3) e
seu componente OP, o vetor representando a tenso desviatria ( 1, 2,
3). OP sempre estar sobre o plano , cuja equao 1+ 2+ 3 = 0. O
componente hidrosttico ( m, m, m) da tenso representada por PS, que
perpendicular ao plano . Figura 2.1.4 - Representao geomtrica de um
estado de tenses no espao ( 1, 2, 3) (Kobayashi et al.,1989). Um
critrio de escoamento, que seja independente do componente
hidrosttico de tenso, representado pela curva C no plano . O local
de escoamento correspondente ao critrio de tenso cisalhante e de
distoro de energia so, respectivamente, o hexgono regular e o
crculo mostrado na figura 2.1.5. Figura 2.1.5 - Local de escoamento
no plano para os critrios de Tresca e de von Mises. (Kobayashi et
al., 1989). 3.1.1.2 Encruamento Aps o escoamento inicial, o estado
de tenses no qual ocorre deformao plstica dependente agora do grau
de deformao plstica apresentado. Tal fenmeno chamado de
encruamento. Portanto, a superfcie de escoamento ir variar a cada
estgio da deformao
31. 12 plstica, com as superfcies de escoamento subseqentes
sendo de algum modo dependentes das deformaes plsticas precedentes.
Alguns modelos que descrevem o encruamento em um material so
ilustrados na Figura 2.1.6. Em (a) mostra-se um material
perfeitamente plstico, em que a tenso de escoamento independe do
grau de plastificao. Figura 2.1.6 - Modelos matemticos para a
representao do encruamento (Owen, 1986). Se as superfcies de
escoamento subseqentes forem uma expanso uniforme da curva de
escoamento original, sem translao, como mostrado em (b), o modelo
de encruamento isotrpico. Por outro lado, se as superfcies de
escoamento subseqentes preservarem suas formas e orientaes, mas
transladarem no espao das tenses como um corpo rgido, como mostrado
em (c), o encruamento dito cinemtico. Tal modelo de encruamento
representa o efeito Bauschinger observado experimentalmente no
carregamento cclico (Owen, 1986). O desenvolvimento progressivo da
superfcie de escoamento pode ser definido relacionando-se a tenso
de escoamento deformao plstica por meio do parmetro de encruamento
. Isto pode ser feito de dois modos. Primeiramente, o grau de
encruamento pode ser postulado como sendo uma funo apenas do
trabalho total plstico Wp (work hardening). Ento:
32. 13 2.1.21 em que (d ij)p so os componentes de deformao
plstica que ocorrem com o incremento de deformao. Alternativamente,
pode ser relacionado a uma medida de deformao plstica total chamada
de deformao plstica efetiva ou equivalente, a qual definida como:
2.1.22 Para situaes em que o escoamento independe de qualquer tenso
hidrosttica, vlida (d ij)p = 0 e, conseqentemente, (d ij)p = (d
ij)p. Assim, 2.1.22 pode ser reescrita como: 2.1.23 Ento o parmetro
de encruamento assumido como sendo definido por: 2.1.24 em que p o
resultado da integral de d ao longo do caminho de deformao. Este
comportamento chamado de encruamento por deformao (strain
hardening). 3.1.1.3 Distribuies de Deformao As chapas metlicas
quando so conformadas, apresentam diferentes perfis de deformao, a
qual depende da geometria da pea e do modo em como so distribudos
os esforos no material. Na Figura 2.1.7a apresentado o embutimento
de um copo, no qual acompanhada a deformao em diferentes posies ao
longo de sua seo (Fig. 2.1.7b). Verifica-se que elas no so
homogneas em todos os pontos. Isto evidenciado no diagrama de
deformaes principais no centro e na borda do copo, indicado na
Figura 2.1.7c, em um dado estgio do processo. Figura 2.1.7 a, b, c
Representao esquemtica da deformao em um copo deformado (a), em
diferentes posies (b). Em (c) indicado o caminho de deformaes
durante a estampagem (Marciniak, et al., 2002).
33. 14 Os pontos individuais sobre o local de deformao na
Figura 2.1.7(c) podem ser obtidos das medidas de uma grade de
crculos, impressa sob a superfcie das chapas. A partir destes
crculos podem ser calculadas as deformaes principais no final do
processo: 0 1 1 ln d d 0 2 2 ln d d 0 3 ln t t 2.1.25 Onde 1, 2 e 3
so as deformaes principais, d0 e d1 o tamanho inicial e final dos
crculos e, t0 e t so as larguras da chapas inicial e final,
respectivamente. Para uma anlise simplificada do caminho de
deformao, geralmente admite-se que ocorre uma relao linear entre as
deformaes principais no plano da chapa, 2 e 1. Assim, pode-se
definir a relao de deformaes como: 0 1 0 2 1 2 ln ln d d d d 2.1.26
Na prtica deve ser verificado se esta hiptese razovel, j que h
casos em que o caminho de deformao se desviar significativamente da
linearidade (Hosford,1999). Tais casos no podem ser analisados
deste modo simplificado. Durante a conformao das chapas, h certa
dificuldade em se medir as deformaes na espessura, em virtude da
variao de deformaes nos diferentes pontos, ou pela geometria
desenvolvida. Assim, a deformao na espessura pode ser determinada
utilizando a equao 2.1.26. Assim: 0 1 1 0 3 ln.1.1ln d d t t 2.1.27
Da equao 2.1.27, a espessura seria: 1030 1expexp. ttt 2.1.28 Ou,
alternativamente, considerando um volume constante, 2 0021 ...
dtddt , 21 2 0 0 dd d tt 2.1.29 Na Figura 2.1.8 apresentado um
diagrama de deformaes com diferentes valores de . Neste diagrama
podem ser observadas as deformaes 1 e 2 (onde 1 2) resultantes da
combinao das tenses principais no plano da chapa.
34. 15 Quando uma das tenses aplicadas ao plano da chapa for
igual a zero ( 1 = 0) encontra- se a partir das equaes: 1; 2= . 1;
3= -(1+ ) 1 2.1.30 1; 2 = . 1; 3 = 0 2.1.31 2 12 e 2 12 2.1.32
Onde, a relao entre as tenses principais. Quando = - , ser igual a
-2. Portanto, isto indica que todos os caminhos de deformao
possveis nos processos de conformao de chapas estaro sobre o
intervalo das linhas AO e OE da Figura 2.1.8 e a relao de deformao
estar entre 2 1. Figura 2.1.8 Diagrama de deformaes apresentando os
diferentes modos de deformao correspondentes a diferentes valores
de . (Marciniak, et al., 2002). O caminho AO indica um estiramento
equi-biaxial. A chapa estirada sobre um puno hemisfrico se deformar
neste caminho no centro da pea como mostrado na Figura 2.1.9. Nesta
situao, as deformaes na chapa sero iguais em todas as direes, e a
grade de crculos se expandir permanecendo circular. Como = 1, a
deformao na espessura 3 = - 2 1, de modo que a espessura diminui
mais rapidamente com relao a 1 do que em qualquer outro processo.
interessante notar que, neste caso a deformao efetiva ser igual a
12 e a chapa tender a encruar rapidamente com relao a 1. eff ou 2
13 2 32 2 21 9 2 2.1.33
35. 16 Figura 2.1.9 Estiramento equi-biaxial no domo de um
puno. Quando = 0, tem-se uma condio de deformao plana, a qual
representada pelo caminho OB da Figura 2.1.8a. Aqui a chapa
deforma-se somente em uma direo e o crculo impresso torna-se uma
elipse na qual o eixo menor inalterado. Tal condio promove o
aparecimento de deformao localizada na parede das peas, Figura
2.1.10, sendo susceptvel a falha por rasgamento (splitting)
(Marciniak et al., 2002). Figura 2.1.10 Deformao plana na parede de
uma pea comprida. O ponto C na Figura 2.1.8 representa o teste de
trao e ocorre na chapa quando a menor tenso igual a zero, isto ,
quando 2 = 0. A chapa estira em uma direo e contrai-se em outra,
apresentando um = -1/2. Este processo ocorrer sempre que uma borda
livre estirada, como o caso da extruso de um furo, Figura 2.1.11.
Figura 2.1.11 Extenso uniaxial da borda de um furo extrudado. No
ponto D da Figura 2.1.9, para = -1, as tenses e as deformaes na
chapa so iguais e opostas, resultando em uma deformao sem mudana na
espessura. Tal processo denominado de embutimento. O processo tambm
denominado de cisalhamento puro e ocorre no flange de um copo
embutido como mostrado na Figura 2.1.12. Da equao 2.1.30, a
deformao na espessura zero e a deformao efetiva 11 155,13/2 , com
gradual
36. 17 encruamento. O rasgamento (splitting) improvvel e em
operaes prticas, grandes deformaes so freqentemente obtidas nesta
condio. Figura 2.1.12 Embutimento ou cisalhamento puro em uma
flange de um copo embutido. 3.2 CONFORMABILIDADE A severidade de
conformao das peas durante o processo de estampagem depende tanto
da forma da pea que est sendo deformada quanto de fatores de
projeto, lubrificao e velocidade de deformao. Como conseqncia, a
conformabilidade de uma chapa no pode ser expressa atravs de uma
nica propriedade, e sim, por uma combinao de vrias propriedades do
material e do processo envolvido. Mais comumente, a
conformabilidade de uma chapa metlica a sua capacidade de se
deformar, adquirindo a forma imposta pelos esforos gerados por uma
matriz e por um puno, sem que ocorra falha ou aparecimento de
defeitos que inviabilizem a utilizao do produto (orelhas,
enrugamentos, etc.) (Hosford, 1993; Semiatin, 1984; Mielnik, 1991).
Esta falha pode ser devida ocorrncia de fratura ou instabilidade
plstica localizada (estrico), sendo esta ltima a causa mais comum
da limitao da conformabilidade (Hosford, 1993; Caladine, 1969). No
h um ndice simples para a medida da conformabilidade, uma vez que
um material que atendeu perfeitamente ao projeto de uma determinada
pea pode falhar quando da realizao de outra, j que a
conformabilidade uma funo do material e das caractersticas de
processo. Efeito do encruamento e da taxa de deformao O expoente de
encruamento, obtido no ensaio de trao, fornece uma medida da
capacidade do material distribuir a deformao durante a estampagem
na presena de um gradiente de tenses. Apesar de geralmente estados
combinados de tenso estarem envolvidos nos processos de conformao,
tal coeficiente constitui um parmetro til para predizer o
37. 18 comportamento da chapa metlica no que se refere a formao
de um pescoo difuso ou localizado. A sensibilidade taxa de deformao
tambm tem relevante efeito sobre o comportamento do material na
conformao, sendo a seguir comentada. Efeito do Expoente de
Encruamento, n A regio de deformao plstica uniforme da curva tenso
real ( ) versus deformao real ( ), obtida em ensaios de trao em aos
de baixo carbono para estampagem, razoavelmente descrita pela equao
de Hollomon, = K. n . Nesta equao, para um material sobre trao, n a
medida da habilidade do metal de resistir deformao localizada e
assim, resistir a uma deformao complexa no uniforme. De fato, a
deformao verdadeira uniforme, u, numericamente igual a n (material
sob trao uniaxial). Um metal com um alto valor de n tende a
deformar-se mais uniformemente, at mesmo sobre tenses no uniformes.
Assim, para um bom estiramento, um alto expoente de encruamento, n,
desejvel. importante destacar que K e n, embora sejam considerados
constantes do material, dependem da histria termomecnica do mesmo.
Ou seja, k e n so dependentes da microestrutura do material.
Valores tpicos de n para aos baixo carbono destinados estampagem
variam entre 0,16 e 0,26 (Filho et al, 2001). Efeito da taxa de
deformao Outro parmetro importante nas operaes de conformao o
expoente de sensibilidade taxa de deformao, m, o qual uma medida da
mudana do fluxo de tenses com uma mudana incremental na taxa de
deformao. Uma equao semelhante equao de Hollomon para o
endurecimento com a taxa de deformao apresentada abaixo (Hosford,
1993)(para temperatura constante): = c. m 2.2.1 onde: - a tenso de
escoamento - a taxa de deformao c - o coeficiente de resistncia m -
o expoente de sensibilidade taxa de deformao
38. 19 O valor de m calculado a partir da equao 2.2.1 um
indicativo da influncia da distribuio de deformaes, de modo similar
ao valor do expoente de encruamento, n. Assim, um valor de m
positivo reduz a localizao de deformao na presena de um gradiente
de tenses e ope-se a rpida formao do pescoo, tornando-o mais
difuso. De maneira reversa, um valor de m negativo promove a
localizao da deformao e gera um gradiente de deformao mais severo.
Portanto, ambos os sinais e valores de m devem ser considerados
(Graf, 1993; Hosford, 1993). 3.2.1 Efeito da Anisotropia sobre a
conformabilidade Uma chapa metlica pode apresentar comportamento
anisotrpico como resultado de sua textura. Tal variao pode ser
avaliada atravs da relao entre a resistncia oferecida deformao nas
diferentes direes do plano e espessura das chapas, obtidas a partir
de um ensaio de trao simples (Padilha, 1996; Mielnik, 1991).
Define-se ento o ndice de anisotropia plstica, r, como o quociente
das deformaes reais na largura pela espessura do corpo de prova
ensaiado: r = L / E 2.2.2 onde: r - coeficiente de anisotropia ou
de Lankford L - deformao verdadeira na direo da largura E -
deformao verdadeira na direo da espessura Como as propriedades
mecnicas podem variar nas diferentes direes no plano da chapa
(Figura 2.2.1), de interesse uma relao mdia do comportamento de
deformao ao longo deste plano. Pode-se caracterizar ento, o
coeficiente de anisotropia normal, a partir de medidas das
deformaes nas direes 0, 45 e a 90 em relao direo de laminao. Nestas
direes so extrados corpos-de-prova que sero tracionados e tero suas
deformaes L e E medidas, conforme indicado na Figura 2.2.1.
Utiliza-se ento a equao 2.2.2 para determinar os coeficientes de
anisotropia para cada direo, as quais so ento utilizadas para a
determinao do coeficiente de anisotropia normal, R (eq. 2.2.3) e
planar, R (eq. 2.2.4), pelo qual se verifica a variao do
comportamento da deformao nas diferentes direes no plano da
chapa.
39. 20 R = (r0 + 2.r45 + r90)/4 2.2.3 R = (r0 - 2.r45 + r90)/2
2.2.4 Onde: R - coeficiente de anisotropia normal R coeficiente de
anisotropia planar r0 - relao de deformao na direo longitudinal de
laminao r45 - relao de deformao medida a 45 com a direo de laminao
r90 - relao de deformao na direo transversal de laminao EL
DireodeLaminao 0 45 90 Figura 2.2.1 - Representao das principais
direes avaliadas para o clculo da anisotropia plstica de chapas.
(SME Handbook, 1978) Um R = 1 um indicativo de igual resistncia ao
escoamento na direo da espessura da chapa, em relao s outras
direes. Se a resistncia na direo da espessura maior que a mdia da
resistncia nas diferentes direes do plano da chapa, a relao de
deformao mdia maior que a unidade, ou seja, R >1. Neste caso o
material resistente ao afinamento e ter maior resistncia ao
escoamento em condies de compresso-compresso ou trao-trao (Figura
2.2.2b). Em geral, R comumente relacionado com a profundidade do
embutimento. Maiores valores de R resultam em um embutimento mais
profundo. O efeito desta relao exemplificado na Figura 2.2.3.
40. 21 Figura 2.2.2 Efeito da variao de R sob a deformao de um
copo embutido. (Hertzberg, 1996) Figura 2.2.3 - As curvas
superiores indicam a maneira tpica na qual R varia com a direo de
teste para um ao de baixo carbono. A relao do R , no embutimento
indicada pelo tamanho dos copos (SME Handbook, 1978). Quanto ao
coeficiente de anisotropia planar, se a chapa metlica apresentar um
R = 0, isto indica que o material apresenta um comportamento
isotrpico em relao ao plano da chapa. de interesse nas operaes de
embutimento que R seja igual ou prximo de zero, pois isto permite
uma deformao uniforme sem a formao de orelhas em um produto
estampado. Na Tabela 2.2.1 so mostrados valores de R e R para
alguns aos inoxidveis. Estes valores tambm podem ser afetados pela
porcentagem de reduo a frio, executada na laminao inicial das
chapas, como pode ser observado na Tabela 2.2.2, onde maiores
valores de deformaes resultaram em R mais altos.
41. 22 Tabela 2.2.1 Valores tpicos de R e R para aos inoxidveis
austenticos (Guida, 2005) Tipo R R 302 0,96 -0,14 304 0,95 -0,06
316 0,96 -0,17 Tabela 2.2.2 Efeito da reduo a frio no R e R para o
ao austentico 304 (Guida, 2005). % de Reduo R R 69 0,97 -0,18 53
1,04 -0,31 Como exemplo da influncia da anisotropia plstica sobre a
conformao do metal pode-se citar o embutimento profundo de chapas
planas em cartuchos, tubos, estojos de lanternas e painis de
automveis. Nestes processos, uma chapa metlica fixada sobre uma
matriz aberta e ento pressionada com um puno (Figura 2.2.5). Figura
2.2.5 Ilustrao do embutimento profundo de um copo cilndrico (a)
antes e (b) aps o embutimento. O carregamento do puno transmitido
ao longo das paredes laterais do copo para a rea do flange (borda)
onde a maioria da deformao ocorre. Na rea do flange, o estado de
tenses aproxima-se do cisalhamento puro, correspondendo tenso de
trao na direo radial e compresso na direo circunferencial (Figura
2.2.2a). Em contraste, uma condio de deformao plana em trao biaxial
existe na parede do copo (Figura 2.2.2b). Nesta condio, pode
ocorrer um afinamento localizado na parede do copo, logo acima do
raio do puno, resultando em uma falha na chapa. Conforme j
indicado, chapas com R baixo (p. ex. R < 1) tenderiam a
apresentar prematuramente este tipo de comportamento.
42. 23 Nas condies de embutimento, pode-se ainda determinar o
limite superior terico a partir da razo de limite de embutimento
LDR (ver seo 2.2.2), a qual pode ser estimada por: e D D LDR P max
0 2.2.5 onde D0 e Dp so os dimetros inicial e final do copo,
respectivamente e, um parmetro que considera as perdas por atrito
nos processos de embutimento. Para uma eficincia ideal, = 1,
resultando num LDR 2,7. Na prtica, porm, encontra-se entre 0,74 a
0,79, sendo encontrados LDRs entre 2,1 a 2,2. Para que se obtenham
copos mais profundos, a razo de limite de embutimento deveria ser
aumentada atravs do aumento da resistncia ao afinamento da chapa na
zona crtica prxima a base da parede do copo. Isto pode ser
conseguido pelo aumento do valor de R para valores maiores que 1.
Isto dificultaria a deformao na espessura das paredes do copo
durante a conformao da chapa. O efeito de R sobre o LDR pode ser
observado na Figura 2.2.6 para vrias ligas metlicas. Figura 2.2.6 -
Influncia de R sobre o LDR para vrias chapas metlicas (Hertzberg,
1996) Condio de Estiramento A conformao por estiramento definida
por um estado biaxial trativo de deformaes, e geralmente leva a uma
reduo na espessura das chapas. Assim, um material para ter um bom
comportamento em processo de estiramento deveria distribuir as
deformaes de forma homognea para retardar ao mximo o incio da
estrico, a qual leva fratura. Ento, chapas que apresentam alta
ductilidade e maior encruamento so particularmente desejveis para
os processos de estiramento.
43. 24 Para se determinar a capacidade de estiramento das
chapas metlicas, pode-se utilizar a equao de Holomon (equao
2.1.15). Considerando que a primeira derivada d /d = nK. n-1 e que
a mxima deformao uniforme, ou seja, o incio da estrico, ocorre
quando d /d = , pode-se deduzir que n = u (somente vlido para o
ensaio de trao). Ou seja, o coeficiente de encruamento n, alm de
ser uma medida do endurecimento por deformao, tambm uma medida da
mxima deformao logartmica uniforme. Ento, uma maneira de avaliar a
capacidade de estiramento de uma chapa metlica seria pela
determinao do alongamento uniforme u, o qual pode ser calculado a
partir dos dados fornecidos pelo ensaio de trao uniaxial, u =
ln(1+eu). Como exemplo, apresentado na Tabela 2.2.3 alguns valores
de u para os aos inoxidveis ferrticos e austenticos. Estes so ainda
comparados com os valores do ensaio de Ericksen (ver seo 2.2.2)
onde, valores maiores indicam melhor comportamento das chapas sob
condies predominantemente de estiramento. A Tabela 2.2.3 mostra que
os aos inoxidveis ferrticos (exemplificado pelo 439) apresentam
baixa deformao uniforme sob condies de estiramento, quando
comparados aos aos inoxidveis austenticos. Tabela 2.2.3
Conformabilidade dos aos inoxidveis (Guida, 2005). Tipo Estrutura
Inicial u Valores do ensaio de Erichsen (mm) 439 0,15 9,2 316 0,41
11,2 304H 0,44 12,2 304L 0,44 12,6 302 0,45 13,8 3.2.2 Ensaios de
Conformabilidade Os ensaios de conformabilidade procuram avaliar as
condies de conformao que evitem defeitos como rugas, trincas de
bordas (no caso da estampagem de copos), entre outros. Estes
ensaios tambm so teis para determinar os esforos envolvidos entre a
ferramenta de conformao e o material de trabalho nas diferentes
situaes existentes em um determinado processo. Para a avaliao do
comportamento mecnico das chapas, o ensaio de trao o mais comumente
aplicado, j que a partir dele pode-se determinar a tenso de
escoamento, limite de
44. 25 resistncia, alongamento uniforme, alongamento mximo e
expoente de encruamento. Pode-se tambm calcular, a partir de
corpos-de-prova extrados em diferentes direes da chapas, os
coeficientes de anisotropia normal e planar. Alm disso, pode ser
calculada a razo elstica, RE, que o quociente entre a tenso de
escoamento e o limite de resistncia. Para chapas que apresentam
menor RE, geralmente tm uma maior capacidade de encruamento e maior
ductilidade. Estes fatores contribuem para um maior estiramento. Os
resultados obtidos nos ensaios de trao so medidas indiretas da
conformabilidade do material e no tm relao direta com os processos
de estampagem, onde o comportamento das chapas ir depender, alm das
caractersticas j citadas, do atrito, da condio de carregamento e da
distribuio de esforos no momento da conformao. Por este motivo, a
utilizao de ensaios diretos ou simulativos, tm grande importncia na
seleo de chapas e na resoluo de problemas que ocorrem na sua
conformao. Tais testes tm por finalidade determinar o comportamento
das chapas em condies padronizadas, de acordo com o tipo de aplicao
e carregamento. Para condies de embutimento, por exemplo, poder ser
utilizado o teste de Swift (ou teste de copo), enquanto que para
condies predominantemente de estiramento, o ensaio de Ericksen o
mais utilizado. Ainda, quando se deseja avaliar a conformabilidade
das chapas em diferentes condies de deformao, isto , desde
estiramento at embutimento, pode-se construir as chamadas curvas de
limite de conformao (CLCs), as quais podem ser determinadas a
partir do ensaio de Nakazima (Silveira, 2004). Ensaios simulativos
A seguir, so brevemente comentados alguns testes comumente
utilizados para a avaliao da conformabilidade das chapas metlicas:
Ensaio de Olsen e Erichsen Os ensaio de Olsen e Erichsen so
similares, diferindo principalmente nas dimenses da ferramenta
utilizada. O ensaio de Olsen utiliza um puno esfrico de 22,2mm de
dimetro, com uma matriz de 25,4mm de dimetro interno, conforme
mostrado na Figura 2.2.7a. O teste de Erichsen, o qual muito
utilizado na Europa, utiliza um puno esfrico de 20mm de dimetro,
com uma matriz com 27mm de dimetro interno (Figura 2.2.7b).
45. 26 Em ambos os testes, a altura do copo na fratura
utilizada como uma medida da estirabilidade da chapa. Estes ensaios
so utilizados quando se deseja simular condies de estiramento. As
condies dos ensaios so descritas na norma ASTM E643-84 (2000) -
Standard Test Method for Ball Punch Deformation of Metallic Sheet
Material. (a) (b) Figura 2.2.7 Ensaios de Olsen (a) e de Erichsen
(b). (ASM Metals Handbook, 1998) Ensaio de Swift O ensaio de Swift
comumente utilizado quando se deseja simular uma condio de
embutimento. Consiste em conformar um copo cilndrico a partir de um
esboo circular, utilizando um puno de fundo plano (Figura 2.2.8). A
fora aplicada pelo prensa-chapas na chapa mnima, tendo o objetivo
somente de evitar a formao de rugas na parede do cilindro. O ensaio
consiste em deformar copos com dimetros crescentes, geralmente com
incrementos de 0,4mm. O ensaio executado at o momento do
aparecimento de fraturas ou falhas nos copos conformados. A partir
da, definida a relao entre o dimetro do ltimo copo conformado sem a
presena de falhas e o dimetro do copo conformado, comumente chamado
de LDR. Uma variante do ensaio de Swift a utilizao de um puno com
fundo semi-esfrico, no lugar de um puno plano. Esta geometria
permite simular um comportamento simultneo de deformao por
embutimento e estiramento [Guida, 2005].
46. 27 Figura 2.2.8 Ensaio de Swift (ASM Metals Handbook,
1998). Ensaio de Dobramento O ensaio de dobramento, Figura 2.2.9,
importante para a determinao do retorno elstico das chapas aps o
dobramento devido s deformaes elsticas do material. Isto permite
obter valores fsicos precisos e o ajuste adequado do ngulo de dobra
das matrizes, permitindo a conformao da pea nos ngulos desejados.
Figura 2.2.9 Esboo dos ensaios de dobramento (Evangelista, 2001).
Ensaio de Fukui O teste Fukui foi desenvolvido para acompanhar o
desempenho de um material em conformao com operaes simultneas de
estampagem e estiramento. Este tipo de ensaio consiste em conformar
um disco metlico na forma de um cone com vrtice esfrico (Figura
2.2.10). Ele exige a utilizao de diversos corpos-de-prova, e usado
para anlise de estampagem profunda. Os corpos-de-prova utilizados
tm espessuras que variam entre 0,5 e 1,6 mm, sendo a medida da
conformabilidade a altura do copo produzido no momento da fratura.
Figura 2.2.10 Ensaio de Fukui (ASM Metals Handbook, 1998).
47. 28 Ensaio de Nakazima No ensaio de Nakazima so utilizadas
chapas com diferentes larguras, que so deformadas em uma matriz com
um puno semi-hemisfrico. As variaes nas larguras das chapas visam
simular desde condies de deformao em trao-compresso, at as condies
de trao-trao. Na superfcie das chapas, inicialmente gravada uma
grade na forma de quadrados ou crculos, sendo esta ltima a mais
utilizada, por permitir a medida direta do alongamento mximo sobre
a chapa em qualquer posio. As chapas so presas por um
prensa-chapas, o qual impede o seu livre deslocamento para o
interior da matriz. O ensaio executado at o aparecimento da estrico
ou de fratura das calotas, sendo ento interrompido. Faz-se a medio
dos crculos deformados, na sua largura e comprimento (Figura
2.2.11), na regio da falha, sendo os valores registrados em um
grfico de deformaes principais. O conjunto de pontos registrados
para as diferentes larguras no ensaio de Nakazima permite a
construo da curva de limite de conformao, CLC, para a avaliao das
chapas metlicas sob diferentes condies de deformao. Figura 2.2.11
Grade de crculos gravada em uma chapa, antes e aps a sua conformao.
Durante a conformao das peas, os crculos so deformados, podendo
apresentar uma forma elptica, os quais podem ser medidos para
determinar as deformaes maiores e menores produzidas no componente.
Os valores de deformao e a relao da deformao maior e menor do uma
informao do tipo de deformao nas vrias regies da pea. A deformao
dos crculos pode ser medida diretamente sobre a superfcie das
chapas deformadas, sendo avaliadas a partir da deformao verdadeira,
, cuja equao mostrada abaixo. Na figura 2.2.12 observado um crculo
antes e aps a deformao, sendo os eixos principais de medio
indicados. Nas elipses formadas, pode-se calcular a deformao
convencional, e, por:
48. 29 e = (lo do).100/do 2.2.6 onde: lo comprimento, eixo
maior; do dimetro inicial do crculo. Circulo original da grade do
Elipse criada apos a deformacao Eixo maior Eixo menor lo Figura
2.2.12 - Crculo deformado na forma de elipse. Curvas de Limite de
Conformao CLCs A avaliao da conformabilidade de chapas metlicas
pode ser feita atravs do uso de curvas de limite de conformao, ou
CLCs. Uma CLC um diagrama empiricamente construdo, largamente
utilizado para descrever o lugar geomtrico das deformaes principais
crticas que ocorrem na superfcie da chapa, para as quais a estrico
altamente localizada se torna visvel ou ocorre a fratura. Uma CLC
tambm algumas vezes referida como mapa de conformabilidade, que
mostra, para diferentes condies de carregamento, a mxima deformao
que a chapa metlica pode suportar antes do incio da estrico, ou de
sua fratura. A CLC (Figura 2.2.13) permite inferir se o estado de
deformao a ser aplicado ao material vivel, isto , sem que ocorra a
sua ruptura (ou estrico). Ela possibilita predizer se o material
utilizado adequado para a pea projetada, bem como ajustar as
condies de lubrificao e geometria do ferramental adotado no
processo para melhorar a sua conformao. Figura 2.2.13 - Diagrama
esquemtico de uma CLC. A linha crtica (em negrito) separa as
condies de falha e sem falha. Os eixos 1 e 2 referem-se a mxima e
mnima deformaes principais, respectivamente (Savoie et al,
1998).
49. 30 Na prtica, uma combinao de deformaes que se localiza
exatamente sobre a CLC uma condio com alta probabilidade de
ocorrncia de falha na operao de conformao (ponto A na Figura
2.2.13). Pontos acima da CLC indicam condies que levam falha do
material em operao (ponto B) e pontos situados abaixo da CLC
indicam combinaes de deformaes viveis (ponto C) (Magnabosco et al,
1994). Na Figura 2.2.13, a regio do grfico direita representa
deformaes de trao-trao, as quais comumente ocorrem sobre o topo do
puno ou sobre condies de estiramento. J a poro esquerda representa
estados de trao-compresso. Quando a deformao principal 2
encontra-se prximo de zero, geralmente a CLC apresenta um mnimo.
Esta combinao de deformaes indica uma condio de deformao plana, a
qual crtica na operao de conformao das chapas. Segundo Ayres
(1979), 85 % das falhas em prensas ocorrem nestas condies, com a
menor deformao 2 apresentando valores em torno de 2% (Ayres et al,
1979). Com ambas as deformaes principais positivas, tm-se maior
distribuio das deformaes e a estrico se torna mais difusa, enquanto
que no caso de se ter uma deformao principal fortemente positiva e
outra fortemente negativa, h a tendncia de se ter uma compensao e a
deformao ao longo da espessura pequena. Por sua vez, quando uma das
deformaes principais no plano da chapa se aproxima de zero, a
estrico menos difusa, ocorrendo o afinamento da chapa devido
conservao de volume (Xua et al, 2000; Xu et al, 1998; Mielnik et
al, 1991). 3.3 CARACTERSTICAS MICROESTRUTURAIS 3.3.1 Fatores que
Afetam a Microestrutura de um Metal Deformado A densidade e
distribuio dos defeitos gerados na deformao plstica dependem da
estrutura cristalina do metal, temperatura, quantidade e velocidade
de deformao, pureza do metal e sua energia de falha de empilhamento
(Bueno et al., 2002; Kustov et al, 2004; Hull et al., 1975;
Maehara, 1990). Assim, a seguir ser apresenta uma breve reviso
sobre estes fatores, para uma melhor compreenso do processo de
deformao. 3.3.1.1 Energia de falha de empilhamento (EFE) Os
materiais cristalinos so formados pelo empilhamento de diversos
planos atmicos, organizados de forma seqencial e bem definidos ao
longo do espao. Cada plano atmico pode ser identificado por letras
A, B, C os quais podem se organizar de diferentes formas,
50. 31 resultando em estruturas cristalinas distintas. Por
exemplo, uma combinao de planos na seqncia ABCABCABCA resultaria na
formao de um cristal cbico de faces centradas, CFC, enquanto que a
seqncia ABABAB resultaria em uma estrutura HC (Hull, 1975; Cahn
& Haasen, 1996). Porm, em algumas situaes podem ocorrer falhas
na seqncia de empilhamento, resultando em estruturas diferentes em
pontos localizados dos cristais formados. Por exemplo, uma falha de
empilhamento em um cristal cbico de face centrada (CFC), poderia
ser identificada como a formao de uma camada de um cristal
hexagonal compacto (HC) na sua seqncia de planos atmicos. Quando o
empilhamento muda de ABABAB para ABABCABC, esta ltima incluir uma
camada de um cristal HC na estrutura CFC. Este tipo de falha de
empilhamento pode ocorrer pela dissociao de uma discordncia em duas
parciais e em uma falha de empilhamento (Hirth & Lothe, 1982).
Logicamente, inerente a estes defeitos cristalinos, haver tambm
associada um determinado nvel de energia livre (Hertzberg, 1996).
Assim, um material com baixa energia de falha de empilhamento
apresenta geralmente discordncias parciais bem separadas, com maior
rea de falha de empilhamento. A tenso necessria para recombinar
estas discordncias parciais depender da distncia de equilbrio de
separao entre elas, as quais dependero da magnitude da energia de
falha de empilhamento. Para materiais com baixa energia de falha de
empilhamento, a separao das discordncias parciais elevada (da ordem
de 10 a 20 vezes o vetor de burges, b) e a fora necessria para
recombin-las - no intuito de formar uma discordncia - tambm. Em
materiais com mais alta energia de falha de empilhamento, uma menor
tenso necessria para recombinar as discordncias parciais, j que a
separao entre elas pequena (da ordem de 1b ou menos). Materiais com
mais alta EFE apresentam geralmente maior facilidade para realizar
deslizamento cruzado (cross-slip) de discordncias, podendo-se
observar o aparecimento de um padro ondulado sobre as superfcies do
cristais deformados (Figura 2.3.1b). Neste caso, a deformao chamada
de deslizamento ondulado (wavy glide). Para materiais com baixa
energia de falha de empilhamento o padro apresentado o de um
deslizamento planar (planar glide), Figura 2.3.1a (Hertzberg,
1996).
51. 32 Figura 2.3.1 Micrografias revelando o padro de
escorregamento em materiais deformados. (a) escorregamento planar
(planar glide) em material com baixa EFE; (b) escorregamento
ondulado (wavy glide) em material com alta EFE. (Hosford, 1996,
p.78) De acordo com Cottrell (1975), a distncia de separao entre as
discordncias parciais varia inversamente com a energia de falha de
empilhamento, podendo ser dada por: EFE bbG d .2 )( 32 2.3.1 onde:
d = separao entre discordncias parciais; 2b e 3b = vetores de
Burgers das discordncias parciais; G = mdulo de cisalhamento e; EFE
= energia de falha de empilhamento. A energia de falha de
empilhamento dos cristais depende da composio dos metais e ligas.
Na Tabela 2.3.1 so apresentados alguns valores tpicos para
diferentes metais e ligas. O principal efeito da EFE sobre o
deslizamento cruzado o papel dominante que ela tem na determinao
das caractersticas de encruamento de um material. Quando a energia
de falha de empilhamento baixa, o deslizamento cruzado restrito.
Deste modo, as barreiras para o movimento das discordncias
permanecem efetivas para nveis mais altos de tenso do que em um
material de mais alta EFE, ou seja; um material com baixa EFE tende
a encruar mais. Os expoentes de encruamento, n, dependem dos
valores de energia de falha de empilhamento como mostrado na Tabela
2.3.2 (Hertzberg, 1996). Deve-se notar que os ns aumentam com a
diminuio da energia de falha de empilhamento, enquanto o carter de
escorregamento muda de um modo ondulado para planar. Com isso,
valores mais baixos de EFE resultam em uma distribuio mais homognea
de discordncias, menor tendncia formao de clulas de discordncias,
maior resistncia mecnica, baixa taxa de fluncia, e a uma maior
suscetibilidade formao de martensita induzida por deformao nos aos
inoxidveis austenticos (Procopiak, 2000). Na Figura 2.3.2 pode-se
observar de modo
52. 33 esquemtico um arranjo de discordncias planar (homognea)
e celular de metais com baixa e alta EFE deformados,
respectivamente. A Figura 2.3.3 ilustra dois aos inoxidveis
austenticos com diferentes EFE, e os respectivos efeitos destas
variaes sobre a distribuio de defeitos cristalinos aps a deformao a
frio. Na Figura 2.3.3a observa-se uma subestrutura tpica de um
material com baixa EFE levemente encruado
(Fe-21%Cr-7%Ni-2,2%Mo-0,22%N e EFE = 10mJ/m2 ) (Padilha, 1996),
onde so observados numerosos defeitos de empilhamento e
discordncias. Na Figura 2.3.3b observa-se a formao de clulas na
austenita, em um ao Fe-15%Cr-15%Ni- 1,2%Mo, com EFE = 30mJ/m2
(Padilha, 1996). Como apontado anteriormente, a adio de tomos de
soluto num metal puro tende a alterar a sua EFE, o que influenciar
na distribuio de discordncias aps a deformao. Por exemplo, nos aos
inoxidveis austenticos do sistema Fe-Cr-Ni, um aumento na
concentrao de cromo causa um abaixamento da EFE, enquanto que um
aumento no teor de nquel aumenta a EFE. Alm disso, a mobilidade das
discordncias pode ser diminuda com sua interao com os tomos de
soluto. medida que tomos de soluto so adicionados em um metal, h um
gradativo aumento na densidade de discordncias e da energia
armazenada na deformao, assim como a diminuio gradativa do tamanho
mdio das clulas de discordncias (Cahn & Haasen, 1996). Para um
dado grau de deformao, um metal de alta EFE apresenta menor
densidade de discordncias que um metal de baixa EFE. Isto ocorre
porque em metais de alta EFE, as discordncias tm maior mobilidade,
sendo mais freqente a sua aniquilao e rearranjo (Cahn & Haasen,
1996). Tabela 2.3.1 Energia de falha de empilhamento para metais
CFC (Hertzberg, 1996). Metal Energia de Falha de Empilhamento
(mJ/m2 ) Lato