Tecnologia de Fabricação. Deformação dos materiais

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1 Tecnologia de Fabricação Deformação dos materiais

2 Aula 3 - Deformação nos aços (elástica x plástica); - Trabalho a frio (encruamento); - Trabalho a quente; - Processo de recozimento: recuperação, recristalização e crescimento de grão.

3 Deformação nos Aços-C A deformação possui 2 componentes: elástica e plástica; Metal Nos metais a deformação elástica é importante pois permite que o material absorva tensões sem se deformar permanentemente; A deformação plástica é importante para metais nos processo de conformação mecânica operações mecânometalúrgicas (laminação, forjamento, estampagem, estiramento, etc).

4 Deformação nos Aços A deformação elástica ocorre quando uma tensão é aplicada sobre um metal, ou sobre qualquer material sólido, até um limite que após a remoção da carga permite que o material retorne as suas dimensões originais; Quando a carga aplicada é de tração, a peça tensionada se torna ligeiramente mais longa; No caso da carga ser compressiva, a peça se torna ligeiramente menor; a)tração b)nenhuma deformação c) Compressão

5 Módulo de elasticidade (E) Dentro dessa chamada fase elástica, a deformação é proporcional á tensão correspondente ao esforço aplicado. A relação entre a tensão e a deformação é chamada de MÓDULO DE ELASTICIDADE (Módulo de Young), que é uma característica típica de cada material. s s E = s / s = tg

6 Módulo de elasticidade (E) Distribuição da deformação elástica num metal

7 Módulo de elasticidade (E)

8 Deformação Plástica Após o limite elástico a deformação torna-se permanente ou seja passa-se para a fase plástica; Significado prático da deformação plástica: 1) Conformação mecânica (fabricação); 2) Comportamento em serviço. Processo de deformação plástica: 1) Deformação por escorregamento; 2) Deformação via movimento de discordâncias; 3) Deformação por maclação.

9 Deformação plástica Os materiais podem ser solicitados por tensões de compressão, tração ou de cisalhamento. Como a maioria dos metais são menos resistentes ao cisalhamento que à tração e compressão e como estes últimos podem ser decompostos em componentes de cisalhamento, pode-se dizer que os metais se deformam pelo cisalhamento plástico ou pelo escorregamento de um plano cristalino em relação ao outro. O escorregamento de planos atômicos envolve o movimento de discordâncias.

10 Deformação plástica e discordâncias Em uma escala microscópica a deformação plástica é o resultado do movimento dos átomos devido à tensão aplicada. Durante este processo ligações são quebradas e outras refeitas; Nos sólidos cristalinos a deformação plástica geralmente envolve o escorregamento de planos atômicos, o movimento de discordâncias e a formação de maclas; Então, a formação e movimento das discordâncias têm papel fundamental para o aumento da resistência mecânica em muitos materiais. A resistência Mecânica pode ser aumentada restringindo-se o movimento das discordâncias.

11 Deformação Plástica Deformação por escorregamento: Os metais cúbicos e suas ligas desordenadas deformamse predominantemente por cisalhamento plástico, ou deslizamento, onde um plano de átomos desliza sobre o plano adjacente seguinte por cisalhamento. A tensão de cisalhamento necessária para produzir deslizamento em um determinado plano cristalino é denominada tensão critica de cisalhamento.

12 Deformação Plástica Deformação por movimento de discordâncias: O mecanismo de escorregamento por si só não explica a deformação dos metais; Existe outro mecanismo de deformação por etapas ou degraus: via discordâncias Reticulado perfeito estado de mínima energia Aplicação de tensão defeito na estrutura em linha (discordância)

13 Deformação Plástica Deformação por movimento de discordâncias:

14 Deformação Plástica Deformação por maclação: Formação de estruturas gêmeas num cristal quando sujeita a tensão

15 Deformação Plástica x Microestrutura Materiais tendem a se deformar quando submetidos a um esforço mecânico; Alguns tem deformação elástica até a ruptura: materiais frágeis; Alguns sofrem deformação permanente antes da ruptura; Deformação plástica: permite a conformação mecânica.

16 Deformação Plástica x Microestrutura Rede Cristalina = várias células unitárias juntas Grão = rede cristalina alinhada D 20 a 60 µm

17 Deformação Plástica x Microestrutura Mono Cristais Monofásicos Deformação Elástica: Retorno à condição Inicial F F Deformação Plástica: Não retorna à condição Inicial (formação de discordâncias ou maclas) F F F>tensão de Escoamento; Precisa levar em conta o tamanho de grão (TG)! Quanto menor TG mais força pra deformar.

18 Interação Discordância X Sol. Sólida - Átomo de impureza restringe o movimento da discordância. - Ou seja, necessita de energia adicional para continuar escorregamento. - Assim, soluções sólidas de metais são sempre mais resistentes que seus metais puros constituintes

19 Metais deformados plasticamente A habilidade de um material se deformar plasticamente está relacionado com a habilidade das discordâncias se movimentarem

20 Exemplos aplicação

21 Exemplos aplicação Perfil I, barra para construção civil. Cuba Retangular Treliça Caçarola

22 DEFORMAÇÃO A FRIO DEFORMAÇÃO A QUENTE

23 Deformação plástica a Frio e a Quente Costuma-se distinguir o trabalho mecânico a frio do trabalho mecânico a quente por uma temperatura indicada como temperatura de recristalização. Temperatura de recristalização A menor temperatura na qual uma estrutura deformada de um metal trabalhado a frio é restaurada ou substituída por uma estrutura nova, livre de tensões, após a permanência nessa temperatura por um tempo determinado.

24 Trabalho a Frio e a Quente

25 Trabalho a Frio Ocorre abaixo da temperatura de recristalização (próximo da temperatura ambiente); Ocorre o fenômeno do ENCRUAMENTO, ( strain hardening ) Os grãos alongam-se na direção do esforço mecânico aplicado (menos intensamente na laminação a frio e mais intensamente quando severamente estirado trefilação).

26 Trabalho a Frio Características: Objetivo: obtenção do metal na forma desejada e melhoria de suas propriedades mecânicas; Conformação do material pela aplicação de pressão ou choque; Processos: laminação, trefilação, forjamento, extrusão; Ex. aplicação: perfis estruturais, chapas, fios, cabos, etc. Aumenta a dureza e a resistência dos materiais, mas a ductilidade diminui; Permite a obtenção de dimensões dentro de tolerâncias estreitas; Produz melhor acabamento superficial; Ocorre o encruamento do material.

27 Trabalho a Frio Expressa-se o grau de deformação plástica com um percentual de trabalho a frio; O percentual de trabalho a frio (%TF) é definido como: %TF = Ao-Af x 100 Ao Onde, Ao: área original da secção reta; Af: área final, após deformação; Ao Ao Af Af Secção retangular Secção circular

28 Trabalho a Frio Vantagens: Melhor controle dimensional; Melhor acabamento superficial; Aumento da resistência mecânica e dureza do material; Desvantagens: Maior energia para deformar; Menor deformação; O material após a conformação apresenta elevado estado de tensões (<ductilidade); Exige ferramental que suportem maiores tensões.

29 Trabalho a Quente Os fenômenos de aumento de dureza causado pela deformação e o amolecimento, devido ao recozimento, ocorrem simultaneamente à temperatura acima da recristalização.

30 Trabalho a Quente Características: É a primeira etapa do processo metalúrgico de conformação mecânica; A energia para deformar é menor; O metal adquiri maior capacidade de deformar-se sem fissuração; Algumas heterogeneidades das peças (ou lingotes) como porosidades, bolhas, etc., são praticamente eliminadas pelo trabalho a quente; A estrutura granular, grosseira de peças fundidas, é rompida e transformada em grãos menores; Alguns metais dificilmente são deformados a frio sem fissurar; exemplos: tungstênio, molibdênio e outros; Ocorre o recozimento: crescimento grãos.

31 Trabalho a Quente Vantagens: Permite emprego de menor esforço mecânico para a mesma deformação (máquinas de menor capacidade comparado com o trabalho a frio); Promove o refinamento da estrutura do material, melhorando a tenacidade; Elimina porosidades; Deforma profundamente devido a recristalização. Desvantagens: Exige ferramental resistente ao calor (>custo); O material sofre maior oxidação, formando casca de óxidos; Não permite a obtenção de dimensões dentro de tolerâncias estreitas.

32 Trabalho a Frio e a Quente Comparativo: Trabalho a quente grandes deformações; recozimento; baixa qualidade dimensional e superficial; normalmente empregado para desbaste ; peças grandes e de formas complexas; contração térmica, crescimento de grãos, oxidação. Trabalho a frio pequenas deformações (relativamente); encruamento; elevada qualidade dimensional e superficial; normalmente empregado para acabamento recuperação elástica; equipamentos e ferramentas mais rígidos

33 Encruamento Encruamento ou endurecimento pela deformação à frio: É o fenômeno no qual um material endurece devido à deformação plástica (realizado pelo trabalho à frio) Esse endurecimento dá-se devido ao aumento de discordâncias e imperfeições promovidas pela deformação, que impedem o escorregamento dos planos atômicos A medida que se aumenta o encruamento maior é a força necessária para produzir uma maior deformação O encruamento pode ser removido por tratamento térmico (recristalização)

34 Encruamento Representação esquemática do efeito do encruamento na estrutura metálica Grãos alongados

35 Encruamento e microestrutura Antes da deformação Depois da deformação

36 Efeitos do encruamento nas características mecânicas de metais Liga Estado Resist. a tração Alongamento Dureza Kgf/mm² % Brinell Aço doce (1010) normal 33,6 38% 120 Aço doce (1010) Trabalhado a frio 91,0 2% 265 Aço inoxidável normal 77,0 60% 165 Aço inoxidável Laminado a a frio 129,0 9% 380

37 Encruamento e propriedade ENCRUAMENTO DEVIDOS AO TRABALHO A FRIO NA CURVA TENSÃO VS. DEFORMAÇÃO

38 Encruamento e propriedade Representação esquemática do efeito do encruamento nas propriedades resistência mecânica e ductilidade

39 Encruamento X Recozimento As propriedades e a estrutura do metal alteradas pelo trabalho a frio podem ser recuperadas ou devolvidas ao estado anterior ao encruamento mediante um tratamento térmico de recristalização ou recozimento. Com isso a elevada energia interna do encruamento tende a desaparecer e o metal tende a voltar a condição de energia livre, resultando num amolecimento (queda de dureza) e isenção paulatina das tensões internas.

40 Processo de recozimento Três etapas: 1. Recuperação 2. Recristalização 3. Aumento do tamanho de grão

41 Recuperação Há um alívio das tensões internas armazenadas durante a deformação devido ao movimento das discordâncias resultante da difusão atômica Nesta etapa há uma redução do número de discordâncias e um rearranjo das mesmas Propriedades físicas como condutividade térmica e elétrica voltam ao seu estado original (correspondente ao material não-deformado)

42 Recristalização Depois da recuperação, os grão ainda estão tensionados O número de discordâncias reduz mais ainda As propriedades mecânicas voltam ao seu estado original

43 Recristalização

44 Crescimento de grão

45 Propriedade x Temperatura de recozimento Modificação das propriedades mecânicas e do tamanho de grão pela recuperação, recristalização e crescimento de grão

46 Aumento da resistência pela diminuição do tamanho de grão O contorno de grão funciona como um barreira para a continuação do movimento das discordâncias devido as diferentes orientações presentes e também devido às inúmeras descontinuidades presentes no contorno de grão.

47 Crescimento de grão A temperatura continuando a aumentar, os grãos cristalinos, agora inteiramente livres de tensões, tendem a crescer. Este crescimento de grão é também favorecido pela permanência a temperaturas acima da de recristalização. Com isso os grãos menores são engolidos pelos maiores. Desse modo, a única maneira de diminuir ou refinar o tamanho de grão consiste em deformar plasticamente os grãos existentes e iniciar a formação de novos grãos.

48 Crescimento de grão Formação de novos grãos

49 Crescimento de grão A granulação grosseira torna o material quebradiço,porque a coesão entre os grãos é afetada pela concentração de impurezas nos seus contornos e com o aumento da granulação dessa concentração; As fissuras também se propagam mais facilmente no interior dos grãos graúdos. Por isso, entre os aços de igual composição, os grãos mais finos possuem melhores propriedades mecânicas.

50 Básica Referências Bibliográficas CHIAVERINI, V. Tecnologia Mecânica Vol I e III. Makron Books do Brasil, São Paulo, 2ª ed., CALLISTER, W. D. Ciência e Engenharia dos Materiais: Uma Introdução. Rio de Janeiro: LTC, COTRELL, H. A. Introdução à Metalurgia: Lisboa: Fundação Calouse Gulbenkian, REED-HILL, R. E. Princípios de Metalurgia Física. Guanabara Dois, Complementar VAN VLACK, Lawrence Hall / Ferrao, Luiz Paulo Camargo. Principios de ciencia dos materiais. Edgard Blucher. (1988) Sao Paulo. Cdu: Cutter: V284p. GENTIL, V.; "Corrosão" Ed. Guanabara - Rio de Janeiro, p. CHIAVERINI, V. Aços e ferros fundidos, ABM.