MARCUS NATHAN SILVESTRE ESTUDO DA DEFORMAÇÃO HETEROGÊNEA NO ENSAIO DO ANEL DE ATRITO

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1 MARCUS NATHAN SILVESTRE ESTUDO DA DEFORMAÇÃO HETEROGÊNEA NO ENSAIO DO ANEL DE ATRITO Guaratinguetá 2013

2 MARCUS NATHAN SILVESTRE ESTUDO DA DEFORMAÇÃO HETEROGÊNEA NO ENSAIO DO ANEL DE ATRITO Trabalho de Graduação apresentado ao Conselho de Curso de Graduação em Engenharia de Materiais da Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, como parte dos requisitos para obtenção do diploma de Graduação em Engenharia de Materiais. Orientador: Prof. Dr. Peterson Ferrandini Guaratinguetá 2013

3 S587e Silvestre, Marcus Nathan Estudo da deformação heterogênea no ensaio do anel de atrito / Marcus Nathan Silvestre. Guaratinguetá : [s.n], f. : il. Bibliografia : f Trabalho de Graduação em Engenharia de Materiais Universidade Estadual Paulista, Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá, 2013 Orientador: Prof. Dr. Peterson Ferrandini 1. Materiais - Deformações 2. Conformação dos metais I.Título. CDU 620.1

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5 AGRADECIMENTOS Primeiramente, agradeço a Deus por estar no controle de todas as coisas. Sei que nada sou sem ele, e pela Sua graça, conquistei todos meus objetivos. Agradeço a minha melhor amiga e namorada, Simone Tiemi Kamida, por estar sempre ao meu lado e me dar força, incentivo e apoio em todos os momentos da faculdade. Muitas conquistas só foram possíveis, pois havia sempre este maravilhoso suporte. Agradeço ao professor Dr. Peterson Luiz Ferrandini pelo apoio e empenho em me ajudar este ano. Agradeço pela preocupação demonstrada o ano todo, provando ser mais que um professor, um grande amigo. Agradeço ao professor Dr. Luis Rogério Hein pelo apoio nas fotografias do trabalho de graduação. Agradeço ao Departamento de Engenharia de Materiais, ao longo desses anos, por sempre estar de portas abertas para me ajudar a me desenvolver no meio acadêmico. Agradeço a todos os professores e técnicos por sempre estarem dispostos a me ajudar. Agradeço aos meus amigos que fiz ao longo destes cinco anos de curso, em especial agradecer ao Luiz Fernando, Rafael Kawasaka, Diego, Rubia, Juliana e Ana Carolina. Agradeço minha família que sempre esteve ao meu lado e foi meu porto seguro nos momentos difíceis. Em especial, agradeço ao meu avô Orlando e minha avó Mirta, por serem minha inspiração de hombridade, honestidade e disciplina. Agradeço ao meu pai Gilmar Silvestre por sempre me apoiar e incentivar a buscar a excelência em todas as minhas atividades. Agradeço ao meu melhor amigo e irmão Marcus Vinícius Silvestre por sempre estar ao meu lado. Divido esta conquista com todos vocês. Por último, agradeço a minha nova família, a República Móikana, onde fiz grandes amigos e muitos irmãos. Agradeço pelos cinco anos de convívio, de inúmeras histórias e ensinamentos de vida.

6 SILVESTRE, M.N. Estudo da deformação heterogênea no ensaio do anel de atrito f. Trabalho de Graduação (Graduação em Engenharia de Materiais) Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, Guaratinguetá, RESUMO A conformação plástica é amplamente utilizada no mercado metalúrgico devido aos seus fatores positivos, como: baixos preços e alta velocidade de produção. Os produtos do processo de conformação são obtidos com alta qualidade, tanto em qualidade superficial como propriedades mecânicas. Um fator importante na conformação plástica é o atrito. O estudo do atrito na conformação plástica pode ser realizado de forma indireta, como o ensaio do anel de atrito. Foram utilizadas duas amostras de materiais diferentes, sendo liga de cobre e zinco e aço baixo carbono. Os resultados obtidos mostraram a influência do atrito no comportamento do fluxo da deformação da segunda fase, evidenciado através da metalografia convencional. Observou-se que nas regiões externa do anel, a deformação plástica ocorreu na direção radial. Na região central do disco a deformação se deu na direção da compressão e na região interna do anel as linhas de fluxo mostraram que houve deformação na direção radial no sentido do centro do anel. PALAVRAS-CHAVE: conformação plástica, ensaio do anel, ensaio de compressão

7 SILVESTRE, M.N. Study of heterogeneous deformation in ring test of friction f. Graduate Work (Graduate in Materials Engineering) Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, Guaratinguetá, ABSTRACT The plastic deformation is widely used in the metallurgical market due to its positive factors such as low prices and high speed production. Forming process products are obtained in high quality, both surface quality and mechanical properties. Friction is an importante factor in metal forming. Friction study in metal forming can be accomplished indirectly, such as the ring test of friction. Two samples of different materials being mild steel and copper alloy were used. The results showed the influence of friction in the flow behavior of the deformation of the second phase, as evidenced by standard metallography. It is observed that in the outer regions of the ring, plastic deformation occured in the radial direction. In the central region of the disc deformation occured in the direction of compression and the inner region of the ring flux lines showed a significant deformation in the radial direction towards the center of the ring. KEYWORDS: metal forming, ring test, compression test.

8 LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Processo de laminação Figura 2 - Os vários tipos processo de laminação Figura 3 - Exemplo da matriz de extrusão Figura 4 - Exemplo do processo de trefilação Figura 5 - Exemplificação dos vários tipos de matrizes de trefilação Figura 6 - Ferramenta utilizada na trefilação Figura 7 - Diferença entre os tipos de forjamento: (a) Forjamento livre e (b) Forjamento em matriz Figura 8 - Matriz utilizada no forjamento Figura 9 - Representação esquemática das regiões de contato verdadeiro entre duas superfícies deslizantes, Helman (1988) Figura 10 - Representação dos elementos influenciáveis no atrito Figura 11 - Comportamento da interface entre a ferramenta e a matriz num processo de trefilação: (a) escala macroscópica e (b) escala microscópica Figura 12 - Esquematização do contato entre a superfície da peça e ferramenta quando há uma aplicação de força para baixo Figura 13 - Princípio do ensaio de dupla extrusão. Influência da velocidade do punção com relação ao fluxo do material Figura 14 - Efeito da magnitude do atrito no fluxo do metal durante o ensaio do anel Figura 15 - Curva de calibração em função de µ Figura 16 - Comportamento típico do anel durante o ensaio. (a) Anel simples; (b) Anel com baixo atrito; e (c) Anel com alto valor de atrito Figura 17 - Máquina de ensaio universal Figura 18 - Lixadeira rotativa Figura 19 - Politriz automática Figura 20 - Estereoscópio Stemi Figura 21 - Exemplo de estereoscópio utilizado realizar fotos Figura 22 - Microscópio Nikon Epiphot Figura 23 - Amostras utilizadas no experimento Figura 24 - Exemplo de um anel utilizado no ensaio Figura 25 - Exemplo do perfil do comportamento esperado do anel no ensaio Figura 26 - Exemplo do comportamento do anel no ensaio Figura 27 - Comportamento do atrito gerado em uma parte do anel Figura 28 - Exemplificação das linhas de deslocamento geradas no ensaio do anel... 42

9 Figura 29 - Comportamento próximo ao raio interno. Material: Latão, Ataque: Ácido Nítrico. Ampliação 50 X Figura 30 - Comportamento próximo ao raio interno. Material: Latão, Ataque: Ácido Nítrico. Ampliação 50 X Figura 31 - Comportamento próximo ao meio da amostra. Material: Latão, Ataque: Ácido Nítrico. Ampliação 50 X Figura 32 - Comportamento próximo ao meio da amostra. Material: Latão, Ataque: Ácido Nítrico. Ampliação 50 X Figura 33 - Comportamento da segunda fase encontrada na amostra. Material: Latão, Ataque: Ácido Nítrico. Ampliação 200x Figura 34 - Comportamento da segunda fase encontrada no meio da amostra. Material: Latão, Ataque: Ácido Nítrico. Ampliação 200x Figura 35 - Comportamento da segunda fase encontrada no meio da amostra. Material: Latão, Ataque: Ácido Nítrico. Ampliação 200x Figura 36 - Comportamento da segunda fase encontrada na extremidade da amostra. Material: Latão, Ataque: Ácido Nítrico. Ampliação 500x Figura 37 - Comportamento próximo ao raio externo. Material: Aço 1020, Sem Ataque. Ampliação 50x Figura 38 - Comportamento próximo ao raio externo. Material: Aço 1020, Sem Ataque. Ampliação 50x Figura 39 - Comportamento das linhas de deformação na porção central da amostra. Material: Aço 1020, Sem Ataque. Ampliação 50x Figura 40 - Comportamento dos carbonetos encontrados na extremidade da amostra. Material: Aço 1020, Sem Ataque. Ampliação 200x Figura 41 - Comportamento dos carbonetos encontrados na extremidade da amostra. Material: Aço 1020, Sem Ataque. Ampliação 200x Figura 42 - Comportamento dos carbonetos encontrados na extremidade da amostra. Material: Aço 1020, Sem Ataque. Ampliação 200x

10 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO OBJETIVO REVISÃO BIBLIOGRÁFICA MODOS DE CONFORMAÇÃO Laminação Extrusão Trefilação Forjamento Propriedades de produtos forjados INFLUÊNCIA DO ATRITO NO ENSAIO DE CONFORMAÇÃO O atrito nos processos de conformação mecânica Interface peça-ferramenta Definição matemática do coeficiente de atrito Modelo geral de atrito Fatores que influenciam o atrito Viscosidade do lubrificante e velocidade de deformação Temperatura Rugosidade MÉTODOS EXPERIMENTAIS PARA A DETERMINAÇÃO DO ATRITO Ensaio do Anel MATERIAIS E MÉTODOS MATERIAIS MÉTODO Ensaio do Anel Metalografia Ataque químico RESULTADOS OBTIDOS ENSAIO DO ANEL COMPORTAMENTO DO ANEL MICROSCOPIA CONCLUSÃO... 52

11 BIBLIOGRAFIA ANEXO Tabelas dos possíveis reagentes químicos... 55

12 12 1. INTRODUÇÃO O processo de conformação é amplamente utilizado no mercado metalúrgico por muitos motivos, como a conciliação de baixos preços e alta velocidade de produção. Ao mesmo tempo, o material final possui alta qualidade, seja em qualidade superficial ou em propriedades mecânicas finais. Dentre os processos de fabricação, o processo de conformação plástica é atrativo em alguns casos, bem como: a geometria dos componentes complexa não é um fator que diminui a produtividade e sim, um diferencial para produzir o material na forma desejada. As propriedades mecânicas são superiores comparados a outros processos. Frente ao panorama de oportunidades da evolução dos processos de conformação, é de fundamental importância a análise da influência de fatores influenciadores de suas performances. O atrito desempenha um papel fundamental nos processos de conformação plástica. O estudo do atrito na conformação do material, pode ser realizado na forma direta ou indireta, por exemplo, pelo método do anel de atrito. Este método é indireto e sua vantagem é que não há necessidade de se conhecer a força para determinar a deformação do anel e nem a tensão de escoamento do material do corpo de prova para determinação do coeficiente de atrito.

13 13 2. OBJETIVO O objetivo do presente estudo é analisar a deformação ocorrida durante o ensaio do anel de atrito. Este estudo será realizado com anéis feitos de dois materiais distintos: aço 1020 e liga de cobre e zinco. O estudo será baseado na análise metalográfica dos anéis deformados por meio de metalografia convencional.

14 14 3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 3.1. MODOS DE CONFORMAÇÃO Entende-se o processo de conformação dos corpos metálicos como o processo de modificação da forma desse corpo metálico para outra forma definida (1). Existem quatro grandes grupos que dividem os modos de conformação: metalurgia do pó, usinagem, fundição e conformação plástica. Dentro do processo de conformação existem subdivisões, sendo uma delas definidas se o material passa pelo estado liquefeito ou não. No processo mecânico o material sofre modificações na sua forma através da aplicação de tensões externas, mas sem a mudança do seu estado físico. Já no processo metalúrgico, ocorre a modificação de sua forma através da liquefação do material (fundição) ou na difusão das partículas (sinterização). Dentro do processo mecânico, pode-se ainda dividi-lo em função da tensão aplicada ao material, sendo divididos em processo de conformação plástica ou processo de usinagem. O processo de conformação plástica ocorre com a tensão aplicada menor que o limite de resistência à ruptura do material. Por sua vez, no processo de usinagem a tensão aplicada é maior que a tensão de ruptura e a forma final são obtidas através da retirada de material. Os processos de conformação plástica dos metais permitem a fabricação de pecas, no estado solido, com características controladas. É importante o estudo dos processos de conformação plástica dos metais porque em sua maior parte, quase todos os produtos metálicos produzidos são submetidos, em um ou mais estágios de seu processamento, a tais processos (1). Os métodos de classificação dos processos de conformação plástica mais comum são: quanto ao tipo de esforço predominante e quanto à temperatura de trabalho. Porém, ainda existem outros métodos, cujos empregos, no entanto, são menos comuns. Um deles é a classificação de acordo com a forma do metal trabalhado, como por exemplo, os processos de conformação de chapas (laminação, estampagem, dobramento, etc.) e de tubos e fios (trefilação, extrusão, etc.) (1) Laminação A laminação é um processo de conformação mecânica no qual o material é forçado a passar entre dois cilindros de mesmas dimensões, girando em sentidos opostos, com

15 15 praticamente a mesma velocidade superficial e separados entre si de uma distância menor que o valor da espessura inicial do material a ser deformado. A deformação plástica é provocada pela pressão dos cilindros sobre o material. As matérias-primas iniciais para laminação são constituídas geralmente por lingotes fundidos; blocos, tarugos ou placas do lingotamento contínuo. Os principais objetivos da laminação são: obter um produto final com tamanho e formato especificados, com uma alta taxa de produção e um baixo custo e obter um produto final de boa qualidade, com propriedades mecânicas e condições superficiais adequadas (2). A laminação é um dos processos de conformação mais utilizados na prática. Tal fato acontece porque este processo apresenta uma alta produtividade e um controle dimensional do produto acabado que pode ser bastante preciso. Na laminação é possível obter-se tanto produtos acabados, como chapas, barras e perfis, como produtos semi-acabados, tais como placas (2). Figura 01 - Processo de laminação. Fonte: (Bresciani Filho, 2011) O processo de laminação pode ser a frio e a quente. Esse parâmetro é dependente das condições em que o material precisará estar ao final do processo, como por exemplo, suas propriedades. Desta forma, as operações de acabamento podem envolver tratamentos térmicos, tais como: normalização, e recozimento, etc. ou tratamentos superficiais, como: estanhamento, cementação, etc. O equipamento do processo de laminação (laminadores) é classificado conforme o arranjo e o número de cilindros, ou seja, pode envolver um ou mais pares de cilindros, conforme Figura 2.

16 16 Figura 2 - Os vários tipos processo de laminação. Fonte: (Bresciani Filho, 2011) O número de operações necessárias para atender a estes objetivos do processo de laminação, depende das especificações estipuladas para a forma, as propriedades mecânicas, as condições superficiais (rugosidade, revestimentos, etc.) e em relação à macro e microestrutura do produto laminado. Quanto mais detalhadas forem estas especificações, mais complicado será o procedimento e um maior número de operações será necessário (2) Extrusão A extrusão é um processo de compressão indireta no qual um metal é forçado a fluir através de uma matriz aberta, por meio de uma ação de compressão de um pistão. O esforço de compressão é exercido por meio de um êmbolo que empurra o metal contra uma matriz que possui um orifício com a forma do perfil que se deseja fabricar, ou seja, a forma do material final pode ser variada. O comprimento do produto extrudado é limitado, no entanto, pela diferença entre os volumes do tarugo e do refugo que sobra no container. Geralmente são extrudadas ligas não

17 17 ferrosas (Al, Mg, Cu), por causa das baixas resistências ao escoamento e das baixas temperaturas de extrusão, embora também possam ser extrudados alguns aços comuns e inoxidáveis (2). Figura 3 - Exemplo da matriz de extrusão. Fonte: (Bresciani Filho, 2011) O fluxo do metal determina a qualidade e as propriedades mecânicas do produto final. O fluxo do metal é comparável ao escoamento de um fluido num canal. Os grãos tendem a alongar-se formando uma estrutura com orientação preferencial. O fluxo inadequado pode causar inúmeros defeitos (3 cefet). O processo de extrusão pode ser dividido em vários aspectos, tais como: pela temperatura de trabalho (extrusão a quente, extrusão a frio); quanto à dimensão do produto (processo semi-contínuo, processo discreto); quanto ao sentido de deslocamento do pistão (extrusão direta, extrusão inversa) e outros processos de extrusão (extrusão por impacto, extrusão hidrostática). A máquina de extrusão industrial e, na realidade, bem mais complexa, apresentando outros sistemas auxiliares e componentes complementares, tais como, por exemplo, cilindros hidráulicos de retrocesso do pistão, comando dos conjuntos hidráulicos e do aquecimento do recipiente. Um equipamento complementar é o forno de aquecimento dos tarugos ou lingotes, onde devem ter a capacidade de aquecer uniformemente o tarugo (ou lingote), sem ou com pouca oxidação superficial (1) Trefilação A trefilação é um processo que o material é conduzido através de uma ferramenta que contém um furo em seu centro, sendo que este furo pode ter variadas geometrias, conforme

18 18 Figura 4. O objetivo da trefilação é obter fios (ou barras ou tubos) de diâmetros menores e com propriedades mecânicas controladas. Figura 4 - Exemplo do processo de trefilação. Fonte: (Bresciani Filho, 2011) Esse furo tem o diâmetro decrescente, e apresenta um perfil na forma de funil curvo ou cônico A passagem do fio pela fieira provoca a redução de sua secção e, como a operação e comumente realizada a frio, ocorre o encruamento com alteração das propriedades mecânicas do material do fio.

19 19 Figura 5 - Exemplificação dos vários tipos de matrizes de trefilação. Fonte: (Bresciani Filho, 2011) A matéria-prima para o processo de trefilação e um produto na forma de arame (ou barra ou tubo) obtido pelo processo de extrusão (para metais não-ferrosos) ou pelo processo de laminação (para metais ferrosos e não-ferrosos). As vantagens do processo de trefilação, em função aos outros processos descritos anteriormente, são: O material pode ser estirado e reduzido em secção transversal mais do que com qualquer outro processo; A precisão dimensional que pode ser obtida é maior do que em qualquer outro processo exceto laminação a frio, que não é aplicável às bitolas comuns de arames; A superfície produzida é uniformemente limpa e polida; O processo influi nas propriedades mecânicas do material, permitindo, em combinação com um tratamento térmico adequado, a obtenção de uma gama variada de propriedades com a mesma composição química. Sobre o equipamento, vale ressaltar a fiera, um dispositivo básico da trefilação. A geometria da fieira é dividida em quatro zonas (ver Figura 6): (1) de entrada; (2) de redução; (3) guia de calibração ou zona de acabamento; (4) de saída.

20 20 Figura 6 - Ferramenta utilizada na trefilação. Fonte: (Bresciani Filho, 2011) Forjamento O forjamento consiste na alteração da forma de um metal por meio de prensagem ou de martelamento. Existem dois tipos de operações de trabalho no forjamento: operações de trabalho a quente e de trabalho a frio. Com relação à ferramenta utilizada nas operações de forjamento, existem duas classes dividas em: Martelo ou martelete de forjamento, que aplica golpes de impacto rápidos sobre a superfície do metal (velocidades entre 3,0 e 20 m/s); Prensas hidráulicas ou mecânicas de forjamento, que submetem a liga a forças compressivas aplicadas com velocidade lenta (velocidades entre 0,06 a 1,5 m/s). O processo de forjamento subdivide-se em duas categorias: forjamento livre, ou em matriz aberta, e forjamento em matriz fechada, conhecido apenas como forjamento em matriz. A Figura 7 mostra a diferença entre os tipos de forjamento.

21 21 Figura 7 - Diferença entre os tipos de forjamento: (a) Forjamento livre e (b) Forjamento em matriz. (a) (b) Fonte: (Bresciani Filho, 2011) Um processo convencional de forjamento e composto por uma serie de passos típicos: corte, aquecimento, forjamento livre e forjamento em matriz (em uma única etapa ou em mais), rebarba e tratamento térmico. Através da deformação plástica produzida pelo forjamento, podem-se conseguir dois efeitos: dar a forma desejada a peça e melhorar as propriedades mecânicas do metal (modificando e distribuindo seus constituintes e refinando o grão). Diversos metais e ligas metálicas podem ser forjados, tais como: aços-carbono, açosliga, aços para ferramentas, aços inoxidáveis, ligas de alumínio, ligas de cobre e ligas de titânio. As principais formas iniciais para o forjamento são o metal fundido e o metal laminado. No processo de forjamento livre o material e deformado entre ferramentas planas ou de formato simples. O processo de deformação é efetuado por compressão direta e o material escoa no sentido perpendicular a direção de aplicação da força (caminho de menor atrito). Esse processo é usado geralmente para grandes peças, ou quando o número a ser produzido e pequeno não compensando a confecção de matrizes caras. Frequentemente o forjamento livre e usado para pré-conformar a peça para forjamento em matriz.

22 22 Figura 8 - Matriz utilizada no forjamento. Fonte: (Marcelo F Moreira, [20--?]) No forjamento em matriz, o material é deformado entre duas metades de matrizes, que fornecem à forma desejado a peça. A deformação ocorre sobre alta pressão em uma cavidade fechada e, assim, se obtém peças forjadas com tolerâncias dimensionais mais estreitas. É necessário um grande volume de produção de pecas para justificar as matrizes de elevado custo, é importante, nesse processo, utilizar material em quantidade suficiente de modo que a cavidade da matriz seja completamente preenchida. Como é difícil determinar exatamente essa quantidade, costuma-se trabalhar com um ligeiro excesso. Ao final do processo de forjamento, o excesso de material sai da cavidade da matriz para a chamada "bacia de rebarba", sendo que a ultima operação de forjamento em matriz e a remoção dessa rebarba Propriedades de produtos forjados Existe uma grande diferença de características mecânicas (resistência e ductilidade) entre os forjados a quente e a frio. Estes últimos apresentam o material encruado, isto e, com limites de resistência maiores e ductilidades menores. Em alguns casos e possível substituir um material de custo maior (aço liga), usado no processo de forjamento a quente, por outro de custo menor (aço-carbono), aplicando o processo de forjamento a frio, obtendo assim uma peça forjada de propriedades mecânicas equivalentes.

23 23 Quanto maior a secção transversal de uma peça conformada, a frio ou a quente, maior e a diferença de propriedades (por exemplo, a dureza) entre as regiões superficiais e centrais da peca. Além disso, e marcante também a diferença de propriedades entre as direções de escoamento do material (longitudinal e transversal) e as direções normais (direção de aplicação do esforço de conformação). Isso decorre da formação de "fibras", ou melhor, da orientação cristalina preferencial. O estado da superfície também depende de como o processo é conduzido, se a quente ou a frio. No caso do último, obtém-se um índice de rugosidade superficial bem menor. Outros fatores, no entanto, também influenciam: intensidade da deformação, condições de lubrificação e estado superficial da ferramenta (nova e usada). A precisão das dimensões da peca depende essencialmente dos procedimentos de fabricação, do estado de conservação das maquinas e das matrizes de forjamento. E, ainda, no caso de forjamento a quente, as tolerâncias dependem da temperatura de trabalho, da intensidade de oxidação superficial e das perdas de material (queima). Em decorrência disso, o controle da qualidade dimensional do forjado não e uma operação simples. Algumas normas técnicas, nacionais e internacionais, estabelecem as variações dimensionais admissíveis para determinados tipos de pecas e materiais constituintes dessas peças, destacando-se o fato de que as pecas forjadas a frio podem apresentar tolerâncias mais estreitas INFLUÊNCIA DO ATRITO NO ENSAIO DE CONFORMAÇÃO Atrito é o mecanismo pelo qual se desenvolvem forças de resistência superficiais ao deslizamento de dois corpos em contato. Sua causa correlaciona-se com o contato entre pequenas regiões ao longo das superfícies deslizantes, conforme mostrado na Figura 9. Estas superfícies apresentam irregularidades microscópicas que podem soldar-se pela intensa deformação plástica localizada (Morais).

24 24 Figura 9 Representação esquemática das regiões de contato verdadeiro entre duas superfícies deslizantes, Helman (1988). Fonte: (Helman, 1988). Considerando que os processos de conformação plástica dos metais envolvem o contato entre o metal a ser conformado e as matrizes ou ferramentas de conformação, então se concluí que o atrito deverá estar sempre presente, em maior ou menor grau [UNISANTA]. Não pode As principais características que o atrito causa no processo são as seguintes: Alteração, geralmente desfavorável, dos estados de tensão presentes durante a deformação; Criação de tensões residuais no produto; Influência sobre a qualidade superficial; Elevação da temperatura a níveis capazes de comprometer-lhe as propriedades mecânicas; Aumento do desgaste de ferramentas; Diminuição da eficiência devido ao aumento do consumo de energia necessária à deformação O atrito nos processos de conformação mecânica Nos processos de conformação estudados, a peça a trabalhada é deformada por meio de uma ferramenta de contato. A pressão requerida para a deformação gera uma pressão normal para a superfície da ferramenta, e um movimento relativo da peça para a superfície da ferramenta gera uma tensão cisalhante na interface. Surge então, uma situação tribológica com atrito na interface peça-ferramenta, e com potencial para desgaste de ambos os materiais da peça e ferramenta.

25 25 Fatores relacionados à tribologia nos processos de conformação mecânica são numerosos e suas interações são complexas. A Figura 10 exemplifica a representação dos parâmetros de entrada, variáveis do sistema e resultados. Figura 10 - Representação dos elementos influenciáveis no atrito. Fonte: (Martin Geiger, 2007).

26 Interface peça-ferramenta Durante o processo de conformação mecânica, o movimento relativo entre a peça e a matriz ocorre sobre pressão ou forma de deformação, que é norma a interface entre a peçaferramenta. O resultado desse contato é a força de atrito tangencial gerada na interface que se opõe ao movimento relativo. As condições de atrito na interface afetam o comportamento de escoamento do metal, perdas de energia e desgaste rápido do ferramental. Pode-se então, afetar as propriedades finais do produto de maneira negativa. Entretanto, há certas situações que o atrito é necessário, como nos processos de trefilação de chapas finas, estampagem profunda, laminação e forjamento de matrizes de auto compensação. Para se analisar o processo de conformação é fundamental o conhecimento do comportamento do escoamento do material, o atrito na interface e a conformabilidade do material. A Figura 11 mostra o comportamento na interface entre a matriz e a ferramenta. Figura 11 - Comportamento da interface entre a ferramenta e a matriz num processo de trefilação: (a) escala macroscópica e (b) escala microscópica. Fonte: (Martin Geiger, 2007) Definição matemática do coeficiente de atrito Uma critica análise da superfície plana do metal revela que ela não é lisa, e sim, que possui inúmeras irregularidades como picos e vales (rugosidade do material). Sendo assim, o

27 27 contato entre a ferramenta e a peça se restringe apenas aos contatos entre os picos elevados da superfície. A Figura 12 mostra uma representação do contato da ferramenta com a peça, de um nível microscópico. Através da figura, pode-se então dizer que o contato ao nível das asperezas, a área real é inferior a área aparente (A t < A a ). Portanto, a dimensão real do contato entre as duas superfícies estará diretamente relacionada com o valor da carga aplicada entre as duas superfícies para manter o equilíbrio estático, conforme fórmula (1). (1) Figura 12 - Esquematização do contato entre a superfície da peça e ferramenta quando há uma aplicação de força para baixo. Fonte: (Martin Geiger, 2007). A força tangencial, F, necessária para vencer o atrito entre as duas superfícies pode ser expressa a partir da equação (2): (2) A partir desses pressupostos, pode-se definir então que o coeficiente de atrito µ, como sendo a razão entre a força tangencial e a força normal aplicada nas superfícies, como mostra equação (3): (3) Sendo o μ t é o coeficiente de atrito definido no contato.

28 Modelo geral de atrito Os modelos apresentados anteriormente (modelo de Amonton-Coulomb e modelo do fator de atrito interfacial) apresentam algumas deficiências diferentes quanto a avaliação do atrito. O modelo de Amonton discreve de forma precisa o comportamento do atrito em casos de baixa pressão, enquanto o modelo de Coulumb o faz apenas para pressões elevadas de contato. Wanheim e Bay propuseram um modelo geral de artito incluindo as duas leis mencionadas anteriormente, seguindo o seguinte modelo [GEIGER]. (5) Na equação 5, alfa é a razão entre as áreas de contato real e aparente e f é o fator de atrito, sendo que este fator varia de 0 a 1. O modelo geral de atrito assume que o atrito é linearmente proporcional a tensão nominal em condições de baixas pressões mas tende a um valor constante a pressões elevadas Fatores que influenciam o atrito Em um processo real de conformação plástica mecânica, o atrito depende de vários parâmetros, como: tipo e qualidade do material das ferramentas; tipo e qualidade da peça; rugosidade superficial e reatividade; temperatura; pressão de contato e velocidade de deslizamento Viscosidade do lubrificante e velocidade de deformação A deformação que a peça sofre é um parâmetro que influência o atrito entre a peça e a ferramenta, mas está relacionado ao lubrificante utilizado. Portanto, a influência da deformação no atrito, sob condições de superfícies lubrificadas, é distinta conforme o tipo de lubrificação: Lubrificantes líquidos: a medida que a deformação cresce o lubrificante tende a escoar para fora da interface peça-ferramenta e o atrito pode aumentar, com condições favoráveis de viscosidade e velocidade

29 29 Lubrificantes sólidos: para este tipo de lubrificante o atrito tende a manter-se constante, a não ser que a deformação seja tal que o lubrificante se rompa (no caso do lubrificante ser um filme fino). Figura 13 - Princípio do ensaio de dupla extrusão. Influência da velocidade do punção com relação ao fluxo do material. Fonte: (Martin Geiger, 2007) Temperatura A temperatura irá definir a formação de óxidos, os quais têm comportamento particular para cada tipo de material e faixa de temperatura, apresentando diferentes propriedades mecânicas e de adsorção, e consequentemente, diferentes condições de atrito. Segundo estudos, o aumento ou diminuição do atrito é devido, respectivamente, ao aumento ou diminuição da tensão cisalhante do óxido, que é função da temperatura. A temperatura pode afetar as propriedades do lubrificantes, pelos seus efeitos na viscosidade e na taxa de oxidação [GEIGER] Rugosidade Como já dito anteriormente, as faces da ferramenta e da peça não são perfeitamente planas e sim formadas com vários picos, de tamanhos diferentes. No inicio do processo de

30 30 conformação, a ferramenta está em contato apenas com os picos das asperezas, as propriedades de atrito dependem da distribuição dessas asperezas até que ocorra o aplainamento da área de contato, alterando as condições de atrito MÉTODOS EXPERIMENTAIS PARA A DETERMINAÇÃO DO ATRITO Existem dois modos que podem ser determinados o atrito: a medição direta e a medição indireta. Para a medição direta, são medidas as tensões de cisalhamento de atrito e a tensão normal na superfície de contato entre o material deformado e as matrizes. A medição é possível através de extensômetros. A medição direta permite medir o atrito em pontos específicos da matriz e dessa forma pode-se realizar uma avaliação do comportamento do atrito ao longo da superfície. Sua desvantagem está no grau de complexidade dos equipamentos e dispositivos exigidos. Para a medição indireta pode ser realizado de várias formas com o emprego de vários métodos, dependendo das variáveis de processo de forjamento. O método mais conhecido é o ensaio do anel Ensaio do Anel O ensaio do anel consiste na deformação de corpos de prova em formas de anéis com superfícies planas e medidas padronizadas. Esse método submete o corpo de prova a uma carga que reduz a altura do anel, variando os diâmetros interno ou externo. A variação do diâmetro é dependente do atrito entre o corpo de prova com a superfície as quais exercem as forças de compressão. Sua vantagem é a não há necessidade de conhecer-se a força para deformação do anel (Male), nem a tensão de escoamento do material do corpo de prova, para determinação do coeficiente de atrito (Male). Quando uma amostra de anel plano é plasticamente comprimida entre duas matrizes, aumentando o atrito com fluxo no sentido para dentro do material, enquanto diminui simultaneamente o atrito para fora do material, mostrado na Figura 14. Para uma dada porcentagem de redução de altura durante o teste de compressão, a correspondente medida do diâmetro interno da amostra testada fornece um conhecimento quantitativo da magnitude do coeficiente de atrito que prevalece na interface matriz/peça. Se o

31 31 diâmetro interno aumenta durante a deformação, significa que o atrito é baixo. De modo análogo, se o diâmetro interno da amostra diminui durante a deformação, o atrito é alto. As curvas de calibração de atrito foram geradas pelo Homem e Cockcroft relativa à percentagem de redução do diâmetro interno da amostra de teste para a sua redução da altura para diferentes graus do coeficiente de atrito, como se mostra na Figura 15. Figura 14 Efeito da magnitude do atrito no fluxo do metal durante o ensaio do anel Fonte: (Male, 20--).

32 32 Figura 15 Curva de calibração em função de µ Fonte: (Male, 20--). O princípio do modelo do ensaio do anel consiste na evolução geométrica de dois anéis idênticos que tem o tamanho reduzido pela mesma quantia, mostrado na Figura 16. Um dos anéis é perfeitamente lubrificado e é pressionado a uma baixa velocidade de deformação enquanto o outro anel é ensaiado sem lubrificação e com alta velocidade de deformação. Os comportamentos característicos dos dois anéis são completamente diferentes. No caso do ensaio a baixa deformação, o raio interno do anel (Ri) aumenta, enquanto no caso da alta taxa de deformação, há tanto uma pequena expansão no raio interno ou uma diminuição no tamanho, dependendo na magnitude se a taxa de deformação é suficientemente alta, conforme Figura 16(c). Para os dois casos do anel, o raio externo expande. No caso do anel ensaiado a alta taxa de deformação, todos os pontos de raio R maior que o raio Rn move no sentido para fora do anel, enquanto os pontos de raio R menor que o raio Rn move no sentido para dentro.

33 33 Os pontos em que o valor de R é igual a R são estacionário e, portanto, o raio é chamado de raio neutro. O valor do raio neutro é diretamente ligado ao coeficiente de atrito. Para altos valores de atito, o raio neutro é localizado dentro do raio neutro e então, o raio R é maior que o raio interno. Já para baixos valores de atrito, o raio neutro é menor que o raio interno. A Figura 16 exemplifica o fenômeno. Figura 16 - Comportamento típico do anel durante o ensaio. (a) Anel simples; (b) Anel com baixo atrito; e (c) Anel com alto valor de atrito. Fonte: (M Sahi et al, 1995).

34 34 4. MATERIAIS E MÉTODOS Os ensaios do anel foram realizados nas dependências do Laboratório Mecânico do Departamento de Engenharia de Materiais da Faculdade de Engenharia de Materiais (FEG). A preparação das amostras para análise macroscópica e de contorno de grãos foram preparados no Laboratório Metalúrgico do Departamento de Engenharia de Materiais da Faculdade de Engenharia de Materiais (FEG). Os equipamentos utilizados para o ensaio foram: Máquina de Ensaio Universal: utilizada para realizar o ensaio do anel. Figura 17 Máquina de ensaio universal. Fonte: (O autor, 2013). Lixadeira rotativa: utilizada na preparação da amostra para o polimento das amostras.

35 35 Figura 18 Lixadeira rotativa. Fonte: (O autor, 2013). Politriz Arotec: utilizada para a preparação do material para os ataques químicos. Figura 19 - Politriz automática. Fonte: (O autor, 2013). Estereoscópio Stemi: utilizado para verificação da superfície polida: Figura 20 - Estereoscópio Stemi. Fonte: (O autor, 2013). Estereoscópio Nikon 40: utilizado para fotografar as amostras em ampliações inferiores a 50 vezes.

36 36 Figura 21 - Exemplo de estereoscópio utilizado realizar fotos. Fonte: (Econolab, 2013). Microscópio Nikon Epiphot 200: utilizado para fotografar as amostras em ampliações superiores a 50 vezes. Figura 22 - Microscópio Nikon Epiphot 200. Fonte: (Samwoo Scientific Co., 2013).

37 MATERIAIS Os materiais utilizados para a análise do ensaio do anel foram, conforme Figura 23: (a) Aço 1020; (b) Liga de cobre e zinco; Figura 23 - Amostras utilizadas no experimento. (a) (b) Fonte: (O autor, 2013) MÉTODO Ensaio do Anel No teste de compressão o corpo de prova é testado pela aplicação de uma carga axial compressiva em uma amostra padronizada. Durante o ensaio podem ser anotados os alongamentos sofridos pela amostra, correspondente às forças aplicadas. São usualmente testados em compressão os seguintes materiais: concreto, cerâmicas, metais, plásticos e compostos. A máquina do ensaio de compressão pode ser a mesma utilizada para o ensaio de tração, apenas alterando as condições de fixação do corpo de prova na máquina e de ensaios (velocidade de deformação e condições de lubrificação). Existem dois comportamentos esperados para o ensaio, dependendo se o material apresenta características dúcteis ou frágeis. Enquanto os metais frágeis rompem praticamente

38 38 sem fase elástica, os metais dúcteis sofrem grande deformação na fase plástica, às vezes sem atingir a ruptura. Para as amostras, as condições do ensaio foram de baixa velocidade de deformação e as amostras estarem lubrificadas com nylon. As amostras estavam com as dimensões padronizadas, seguindo a proporção descrita na literatura: 6:3:1, seguindo a ordem: diâmetro externo: diâmetro interno: altura Metalografia Na metalografia, existem vários modos de ser preparar a amostra, sendo o propósito da verificação e o tipo de ataque químico para ser usado determina a preparação correta da superfície de ataque. A maioria das análises macroscópicas revelam alguns detalhes da macroestrutura em uma superfície áspera, mas seria necessário um ataque excessivo pela falta de homogeneidade e superfície lisa da superfície podem facilmente esconder detalhes significativos. Geralmente, uma superfície polida requer menos ataque químico para revelar a mesma quantidade de detalhe bruto e diminui a chance de perder algum detalhe mais fino. Superfícies usinadas são aceitáveis para ataques macroscópicos e examinação. Entretanto, a usinagem com ferramentas inadequadas podem modificar a superfície e distorcer a estrutura do grão ou gerar alguma porosidade. No presente estudo, foi realizada a preparação do material da seguinte forma: primeiramente as amostras foram todas lixadas nas granas de 200, 300, 420, 600 e O polimento foi realizado com alumina de 1µm Ataque químico O ataque químico é a técnica mais antiga e comum aplicada para a produção do contraste microestrutural. Nesta técnica, o ataque químico reage com a amostra sem o uso de corrente externa. O ataque prossegue com a dissolução de acordo com as características químicas dos constituintes microestruturais. As variedades dos ataques são disponíveis, incluindo ataques com ácidos, bases, soluções neutras e sais. Grande parte das fórmulas utilizadas nos ataques foi composta empiricamente. Devido à composição e ao modo de aplicação são facilmente variados e modificados. A taxa de ataque

39 39 (permanência que o reagente permanece em contato com o material) é determinada basicamente pelo grau de dissociação do ataque e da condutividade elétrica. O tempo de ataque pode variar de alguns segundos para algumas horas. Quando não há instrução dada, o progresso é julgado pela aparência da superfície atacada. A superfície ficará usualmente menos brilhante e reflexiva a medida que o ataque prossegue. No presente estudo foi utilizado o mesmo método de ataque químico, com dois reagentes químicos diferentes. Para o aço 1020 foi utilizado o Nital 10% e para o liga de cobre e zinco foi utilizado o ácido nítrico. A amostra deve ser atacada logo após o polimento final. Ataque químico é usado para revelar a microestrutura do carbono e ligas de aço são listadas na tabela, junto com as características primárias. Nital e picral são os reagentes mais utilizados para o ataque em aços e ligas de aço. A composição do nital é geralmente usada na concentração de 1 a 3 % de HNO 3 em solução de etanol ou metanol. Para soluções com concentrações superiores é recomendado o uso de metanol para soluções. Os contornos de grão da ferrita podem ser revelados utilizando o reagente Nital na maioria dos aços carbono, apesar de que o reagente Marshall (reagente 8 da tabela 1) parece aparentemente ser melhor para aços carbonos com baixa porcentagem de carbono e aço descarbonizado. Para o estudo, foram utilizados os reagentes: Aço = Nital 10 % Liga de cobre e zinco = Ácido Nítrico Ressalta-se a dificuldade dos ataques nos materiais utilizados na pesquisa. Para todos os materiais houve uma grande dificuldade no polimento deles e inúmeras tentativas de ataques químicos, apesar de utilizar-se da literatura.

40 40 5. RESULTADOS OBTIDOS Os resultados obtidos no presente estudo podem ser divididos nos resultados do ensaio de compressão dos materiais, na microscopia analisada da superfície e no estudo da dureza dos materiais ENSAIO DO ANEL Os valores obtidos do ensaio do anel estão expostos na tabela 01. A Figura 24 mostra um rascunho de um anel e suas dimensões para facilitar o entendimento dos valores. O Ensaio do anel consiste basicamente em aplicar uma força no material, deformando no sentido da carga aplicada. Figura 24 - Exemplo de um anel utilizado no ensaio. Fonte: (O autor, 2013). Tabela 1 - Valores obtidos no ensaio de anel. Material H inicial H final D inicial externo D inicial interno D final externo D final interno Aço 2,2 1,02 11,9 6,0 15,9 3,3 Liga de cobre e zinco 3,0 1,7 18,0 10,0 23,5 9,0

41 COMPORTAMENTO DO ANEL A Figura 25 mostra o comportamento esperado em um ensaio de compressão. Entretanto, após ensaiadas os anéis apresentaram um perfil semelhante nos dois materiais, conforme Figura 26; o diâmetro externo sempre aumenta e o diâmetro interno aumenta ou diminui, segundo as condições de atrito. No ensaio a tensão devida ao atrito é mínima no diâmetro externo do anel e aumenta ao se aproximar do diâmetro interno. Na Figura 26, a seta indica o sentido da restrição à deformação devido ao atrito. O ensaio é realizado deformando o material entre duas placas planas maciças. A deformação do material ocorre com a diminuição da altura e o aumento de seu diâmetro externo. O perfil do anel é explicado devido à restrição à deformação plástica após a conformação do material que ocorre na região externa do material e em menor magnitude na região interna do material. Figura 25 - Exemplo do perfil do comportamento esperado do anel no ensaio. Fonte: (O autor, 2013). Figura 26 - Exemplo do comportamento do anel no ensaio. Indicação do sentido da restrição da deformação pelo atrito Fonte: (O autor, 2013).

42 42 A Figura 27 mostra a pressão necessária para a compressão de um disco. Nota-se que o atrito disco/matriz e a pressão são tanto maiores quanto mais interno o raio considerado. De forma análoga, na compressão de um disco, quanto mais interno o raio considerado maior a tensão de atrito que se opõe ao escoamento do material na direção radial e voltado para o diâmetro externo. Assim, durante o ensaio de compressão de um anel, o diâmetro externo é submetido a menor tensão de atrito e escoa mais livremente para fora. No outro extremo, o diâmetro interno está submetido ao maior valor de tensão de atrito e não consegue escoar, deformando-se muito mais na direção da espessura. Figura 27 - Comportamento do atrito gerado em uma parte do anel. Fonte: (O autor, 2013). A Figura 28 mostra o esquema de meio anel e ilustra aproximadamente o escoamento durante a compressão. Na região próxima central o fluxo na direção radial é limitado e na região próxima ao diâmetro interno e externo, sujeita a tensão de atrito menos intensa, o fluxo na direção radial sofre menor restrição. Figura 28 - Exemplificação das linhas de deslocamento geradas no ensaio do anel. Fonte: (O autor, 2013).

43 MICROSCOPIA As Figuras de 29 a 36 mostram os resultados obtidos com a amostra de liga de cobre e zinco. A Figura 29 mostra o comportamento das linhas de deformação na região próxima ao diâmetro externo. Como na região próxima ao diâmetro externo houve fluxo considerável do material na direção radial, as linhas reveladas pela metalografia, além de mostrarem o fluxo mostram também que ele é mais acentuado internamente, já que mesmo nesta região existe atrito se opondo ao escoamento na interface disco/matriz. O mesmo fenômeno é observado na Figura 30, onde é mostrado o comportamento próximo ao raio externo. Figura 29 - Comportamento próximo ao raio interno. Material: Liga de cobre e zinco, Ataque: Ácido Nítrico. Ampliação 50 X. Fonte: (O autor, 2013).

44 44 Figura 30 - Comportamento próximo ao raio interno. Material: Liga de cobre e zinco, Ataque: Ácido Nítrico. Ampliação 50 X. Fonte: (O autor, 2013). As Figuras 31 e 32 mostram o comportamento das linhas de deformação na porção central do disco. Nota-se claramente que o comportamento é diferente daquele observado na extremidade externa do disco. Como houve fluxo no sentido externo no maior diâmetro e fluxo no sentido interno no menor diâmetro, a porção central está na zona de transição, em que a deformação se dá basicamente na direção da compressão. Cabe aqui citar o fato de que as linhas de fluxo vistas nas fotos são uma segunda fase existente na liga. Figura 31 - Comportamento próximo ao meio da amostra. Material: Liga de cobre e zinco, Ataque: Ácido Nítrico. Ampliação 50 X. Fonte: (O autor, 2013).

45 45 Figura 32 - Comportamento próximo ao meio da amostra. Material: Liga de cobre e zinco, Ataque: Ácido Nítrico. Ampliação 50 X. Fonte: (O autor, 2013). A Figura 33 mostra a segunda fase, que se comporta de maneira dúctil e se deformou exatamente na direção transversal, na direção perpendicular em relação à superfície do disco. Figura 33 - Comportamento da segunda fase encontrada na amostra. Material: Liga de cobre e zinco, Ataque: Ácido Nítrico. Ampliação 200x. Fonte: (O autor, 2013).

46 46 As Figuras 34 a 36 mostram como a segunda fase presente no liga de cobre e zinco foi comprimida e os grãos foram achatados, já que não houve fluxo lateral de material como um todo. É necessário frisar aqui o fato de que o comportamento observado foi generalizado para ambas às fases nessa região do disco e pode ser observado pelos grãos da segunda fase. Na Figura 36 a estrutura é vista com maior ampliação e pode-se observar pequenos grãos da fase mais clara também achatados, o que revela que eles também foram comprimidos. Figura 34 - Comportamento da segunda fase encontrada no meio da amostra. Material: Liga de cobre e zinco, Ataque: Ácido Nítrico. Ampliação 200x. Fonte: (O autor, 2013).

47 47 Figura 35 - Comportamento da segunda fase encontrada no meio da amostra. Material: Liga de cobre e zinco, Ataque: Ácido Nítrico. Ampliação 200x. Fonte: (O autor, 2013). Figura 36 - Comportamento da segunda fase encontrada na extremidade da amostra. Material: Liga de cobre e zinco, Ataque: Ácido Nítrico. Ampliação 500x. Fonte: (O autor, 2013).

48 48 As Figuras 37 a 42 mostram o comportamento da amostra de aço diante do ensaio do anel. A amostra de aço, as imagens obtidas foram no estereoscópio e sem ataque químico, dadas a dificuldade em se obter a superfície atacada. As Figuras 37 e 38 mostram a alteração do comportamento das linhas de deformação que ocorrem na amostra devido à influência do atrito no escoamento do material no ensaio de deformação. A Figura 37 foi retirada próxima ao raio interno do disco, enquanto a Figura 36 está situada entre o meio do material e o diâmetro externo. Figura 37 - Comportamento próximo ao raio externo. Material: Aço 1020, Sem Ataque. Ampliação 50x. Fonte: (O autor, 2013). Figura 38 - Comportamento próximo ao raio externo. Material: Aço 1020, Sem Ataque. Ampliação 50x. Fonte: (O autor, 2013).