CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA

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1 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA COORDENADORIA DE METALURGIA E MATERIAIS - IFES Prof. ANDRÉ ITMAN FILHO VITÓRIA AGOSTO 2010

2 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 2 1- INTRODUÇÃO À CIÊNCIA DOS MATERIAIS 1.1- Princípio básico As propriedades mecânicas de um material dependem da: a- composição química conforme o teor dos elementos na composição das ligas; b- estrutura interna orientação e interações dos átomos com os vizinhos nas ligações químicas influencia o módulo de elasticidade; c- processamento é responsável pela característica final do produto. O grau de redução e a temperatura de conformação influenciam a microestrutura; d- tratamentos térmicos alteram a microestrutura e as propriedades dos materiais; 1.2- Ligações químicas: As ligações químicas dependem do tamanho dos átomos e das forças de atração inter-atômicas. São responsáveis pela estabilidade energética da estrutura eletrônica dos átomos individuais envolvidos e são classificadas em primárias e secundárias. As ligações primárias são classificadas em iônicas, covalentes e metálicas. A principal ligação secundáriaé a de Van der Waals Ligação iônica Ocorre em compostos cuja composição envolve elementos metálicos como não metálicos. Os átomos de um elemento metálico perdem facilmente os seus elétrons de valência para os átomos não metálicos. O cloreto de sódio NaCl é o material iônico clássico. A ligação iônica é chamada não direcional, isto é, a magnitude de ligação é igual em todas as direções ao redor do íon. É responsável pela temperatura alta de fusão dos materiais cerâmicos: fusão do MgO = 2800 o C Ligação covalente As configurações eletrônicas estáveis são adquiridas pelo compartilhamento de elétrons entre átomos adjacentes. Cada um contribuirá com pelo menos um elétron para a ligação e os elétrons compartilhados podem ser considerados como pertencentes a ambos. A ligação covalente é direcional. A força atrativa entre os átomos é grande como no caso do diamante que apresenta alto grau de dureza e elevada temperatura de fusão. A água também apresenta ligações com caráter covalente Ligação metálica É encontrada nos metais e ligas. Os materiais metálicos possuem um, dois ou no máximo três elétrons de valência. A ligação metálica é encontrada para os elementos do Grupo IA e IIA na tabela periódica e para todos os metais elementares. Os elétrons de valência formam uma nuvem eletrônica uniformemente dispersa em torno dos núcleos e são responsáveis pelas características de condutividade elétrica e térmica dos metais. A ligação metálica apresenta caráter não direcional Ligações de Van der Waals Ligação inter-atômica ou inter-molecular mais fraca e que ocorre principalmente em gases inertes. Nesses gases, a órbita mais externa de valência está completa e como

3 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 3 conseqüência, os átomos possuem atração mútua muito pequena. São importantes na formação dos compostos poliméricos e apresentam 3 tipos: - moléculas simétricas (CH 4 ). - moléculas assimétricas ou polares (H 2 O). - pontes de hidrogênio (influência na alta temperatura de evaporação da H 2 O). 2- ESTRUTURA CRISTALINA A cristalização dos metais ocorre durante a solidificação e está relacionado ao fenômeno de equilíbrio energético do sistema. Em condições ideais o processo é caracterizado pela formação inicial de inúmeros centros ou núcleos de cristalização, chamados embriões, aleatoriamente distribuídos na massa líquida, como mostra a figura abaixo: Figura 2.1 Esquema de nucleação e crescimento do cristal na fase líquida: (a) formação do embrião ; (b) núcleo cristalino; (c) crescimento do cristal; (d) interface sólido-líquido À medida que os núcleos de cristalização incorporam novos átomos da vizinhança há formação de cristais. De uma forma geral os materiais metálicos e cerâmicos apresentam estrutura cristalina com arranjos atômicos tridimensionais que não se alteram quando as superfícies externas são alteradas. A estrutura interna de um cristal de quartzo é mantida quando as superfícies são desgastadas para formar grãos de areia. Quando o mesmo elemento químico apresenta estruturas cristalinas diferentes em função da temperatura é denominado alotrópico. Ex: carbono e ferro Sistemas Cristalinos. A maioria dos metais se apresenta na forma cúbica com exceção do magnésio e do zinco (hexagonais). As sete principais geometrias dos sistemas cristalinos ou empacotamentos atômicos são apresentados abaixo:

4 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA Os cristais cúbicos. Os átomos podem ser agrupados em três diferentes sistemas cúbicos: simples (CS), corpo centrado (CCC) e de faces centradas (CFC). a- cúbico simples: A estrutura mostrada na Fig. 2.2 contém um átomo metálico por célula unitária e apenas um oitavo de cada um dos átomos está dentro da célula. Figura 2.2 (a) Estrutura cúbica simples. Os vértices estão em posições equivalentes no cristal. a = a = a. Os eixos são perpendiculares entre si. (b) A estrutura cristalina cúbica do NaCI na forma de cubos. b- cúbico de corpo centrado: O ferro tem estrutura cúbica de corpo centrado à temperatura ambiente com dois átomos por célula unitária: um no centro do cubo e oito oitavos nos oito vértices (Fig.2.3). Figura 2.3- Estrutura cúbica de corpo centrado. (a) e (c) são representações esquemáticas, mostrando a localização dos centros dos átomos. (b) Modelo de esferas rígidas.

5 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 5 Figura 2.4- Célula unitária cúbica de corpo centrado. Em um metal, a estrutura CCC tem dois átomos por célula e um fator de empacotamento atômico de 0,68. c- cúbico de faces centradas. O arranjo atômico do cobre CFC mostrado na Figura 2.5 apresenta um átomo em cada vértice da célula unitária e um no centro de cada face e é o mais comum nos metais. Ex: alumínio, cobre, chumbo, prata e níquel. Figura 2.5- Estrutura cúbica de faces centradas de um, metal. (a) e (c) são representações esquemáticas, mostrando a localização dos centros dos átomos. (b) Modelo de esferas rígidas Cristais hexagonais. As Figuras 2.6.a e 2.6.b representam células unitárias hexagonais simples. Estas células não têm nenhuma posição interna que seja equivalente aos vértices. Figura 2.6- Células unitárias hexagonais simples. (a) Representação hexagonal. (b) Representação rômbica. Ambas são equivalentes com um ângulo basal de 120 e ângulos verticais de 90.

6 a- estrutura hexagonal compacta. CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 6 A estrutura hexagonal formada pelo magnésio mostrada na Figura 2.7 é mais densa que a representada na Figura 2.6 e é denominada de hexagonal compacta (HC). É caracterizada pelo fato de que cada átomo de uma dada camada está diretamente abaixo ou acima dos interstícios formados entre três átomos das camadas adjacentes. Portanto, cada átomo tangencia três átomos na camada acima do seu plano, seis átomos no seu próprio plano e três átomos na camada abaixo do seu plano. Figura 2.7- Estrutura hexagonal compacta. (a) Vista esquemática, mostrando a localização dos centros dos átomos. (b) Modelo de esferas rígidas Outros retículos cristalinos. A célula unitária é o menor arranjo repetitivo com as características do elemento e o parâmetro cristalino é a dimensão da aresta da célula unitária. Os grupos espaciais mostrados abaixo representam os tipos de estruturas cristalinas. Figura Grupos espaciais. Estes 14 reticulados de Bravais se repetem nas três dimensões. Cada ponto indicado tem idênticas vizinhanças.

7 Número de coordenação: CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 7 Os átomos se agrupam em função da valência e do raio atômico. Quanto maior o número de coordenação maior será a distância inter-atômica e a repulsão eletrônica. As formas como os átomos se agrupam e as densidades destes arranjos são definidas pelo fator de empacotamento que é uma constante para cada estrutura. Ex: raio atômico dos íons Fe +2 = 2 Fe +3 Fator de empacotamento = volume dos átomos / volume da célula unitária a- F e CCC = 0,68 na temperatura ambiente o número de coordenação é igual a 8 e o parâmetro de rede = 1,241A. b- F e CFC = 0,74 a 910 o C o número de coordenação é igual a 12 e o parâmetro de rede = 1,292A Direções no cristal. As propriedades mecânicas nos materiais estão associadas às direções cristalinas. Figura Direções no cristal. Usualmente, utilizam-se colchetes [h k I] para indicar as direções no cristal. Os parênteses (h k l) indicam planos cristalinos Planos cristalinos. Os planos de átomos influenciam as propriedades e o comportamento do cristal. Os mais facilmente visualizados são os que limitam a célula unitária e estão mostrados nas Figuras 2.10, 2.11, e Estes planos são designados pelos índices de Miller. Figura Planos (010) em estruturas cúbicas. (a) Cúbica simples. (b) CCC. (c) CFC. [Observe que os planos (020) incluídos para as estruturas CCC e CFC, são idênticos aos planos (010)].

8 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 8 Figura Planos (110) em estruturas cúbicas. (a) Cúbica simples. (b) CCC. (c) CFC. [Os planos (220) incluídos para a estrutura CFC, são equivalentes aos planos (110)]. Figura Planos (111) em estruturas cúbicas. (a) Cúbica simples. (b) CCC. (c) CFC. Interseções negativas são indicadas com barras sobre o índice. [Os planos (222) incluídos para a estrutura CCC, são equivalentes aos planos (-111)] Imperfeições ou defeitos na estrutura cristalina. Os defeitos pontuais estão associados individualmente aos átomos deslocados, átomos extras ou falta de átomos. Os defeitos de linha envolvem a aresta de um plano extra de átomos. Estas imperfeições influenciam as características dos materiais, tais como resistência mecânica, propriedades elétricas e químicas Defeitos pontuais. a- vazios. O mais simples defeito pontual é um vazio, o qual envolve a falta de um átomo dentro de um metal. Tais defeitos podem resultar de um empacotamento imperfeito durante a cristalização ou das vibrações térmicas dos átomos em temperatura elevada. b- defeitos de Schottky. Envolvem vazios de par de íons de cargas opostas. Tanto os vazios como os defeitos de Schottky facilitam a difusão atômica. c- defeitos intersticiais. Um átomo extra se aloja em uma estrutura cristalina e produz uma distorção no reticulado salvo se o átomo intersticial for menor que os átomos restantes do cristal.

9 d- defeitos de Frenkel. CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 9 Quando um íon é deslocado de sua posição no reticulado para um interstício temos o defeito de Frenkel. Figura Defeitos pontuais. (a) Vazios. (b) Vazio duplo (faltam dois átomos). (c) Defeitos de Schottky (vazios de um par de íons). (d) Defeitos intersticiais (e) Defeito de Frenkel (deslocamento de um íon) Defeitos de linha ou discordâncias. a- discordância em cunha. O tipo mais comum de defeito de linha, no interior de um cristal, é uma discordância. A discordância em cunha é descrita como um plano atômico extra na estrutura cristalina. Zonas de compressão e de tração acompanham uma discordância em cunha provocando um aumento de energia ao longo da discordância. O vetor de Burgers perpendicular à linha da discordância é a distância de deslocamento dos átomos. Figura Discordância em cunha. Um defeito em linha ocorre na aresta de um plano atômico.

10 b- discordância helicoidal. CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 10 Uma discordância helicoidal tem o deslocamento, ou vetor de Burgers, paralelo ao defeito de linha. Tensões de cisalhamento estão associadas aos átomos adjacentes e também nesse caso ocorre um aumento de energia. Figura Discordância helicoidal. O vetor de deslocamento (vetor de Burgers) é paralelo ao defeito de linha Contornos de Grão. A microestrutura dos materiais apresenta grãos em várias orientações onde os átomos estão arranjados em uma única direção. Entre dois grãos adjacentes há uma zona de transição não alinhada com nenhum dos grãos (Fig.2.16). Quando um metal preparado metalograficamente é observado no microscópio é possível localizar estes contornos. Figura Contornos de grão. Observe a área de desordem na transição de um grão para outro. Figura Contornos de grão: (a) Molibdênio (250 x) e (b) MgO de alta densidade (250 x).

11 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 11 Os átomos da área de transição entre os grãos se dissolvem mais facilmente e deixam uma linha que pode ser vista com o microscópio (Fig. 2.17). O contorno de grão é considerado bidimensional embora, na verdade, tenha uma espessura de 2 a 10 distâncias atômicas. Há ainda um segundo tipo de contorno denominado de baixo ângulo que é, na realidade, uma série de discordâncias alinhadas (Fig.2.18). A energia associada a este contorno é relativamente pequena e tende a ancorar os movimentos das discordâncias que normalmente contribuem para a deformação plástica. (a) Figura Contorno de pequeno ângulo: (a) cristal de germânio atacado para mostrar as extremidades das discordâncias em cunha (100x) e (b) representação esquemática, mostrando apenas as células unitárias. O angulo θ foi exagerado Metálicos: 3- TIPOS DE MATERIAIS. a- são condutores elétricos e térmicos; b- apresentam resistência à tração e compressão comparáveis; c- módulo elástico (e = σ/e) e tenacidade variáveis; d- deformação plástica e formação de discordâncias com aumento da dureza e resistência mecânica; 3.2- Cerâmicos: a- formado por elementos metálicos e não metálicos: MgO, SiO 2, Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 ; b- estruturas cristalinas similares às dos metais; c- resistência à compressão maior que a de tração; d- suportam temperaturas altas mas não resistem ao choque térmico; e- ligação covalente reduz mobilidade dos elétrons há redução da condutividade térmica e elétrica Poliméricos: a - ligações fracas secundárias entre as moléculas.

12 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 12 b - isolantes térmicos e elétricos. c - arranjos são ordenados entre as moléculas. d - temperatura de fusão depende do tamanho dos hidrocarbonetos C n H 2n ASPECTOS DA CONFORMAÇÃO DOS METAIS Um material com geometria simples é transformado em um componente útil através de um processo de fabricação. A conformação dos materiais é a tecnologia da experiência orientada, pois no decorrer dos anos uma grande quantidade de conhecimento e experiência tem sido acumulada por meio da tentativa-e-erro Classificação dos processos de fabricação. A fabricação e montagem de componentes metálicos podem ser classificadas, de maneira simplificada, em cinco áreas gerais: a. Processos primários fundição, lingotamento e metalurgia do pó: o componente adquire a forma final. b. Processos de conformação dos metais laminação, extrusão, forjamento, dobramento e repuxo: o componente adquire a forma final por meio de deformação plástica. c. Processos de usinagem dos metais corte em serra, torneamento, fresamento e brochamento: o componente adquire a forma final por meio da remoção de material. d. Processos de tratamentos térmicos e superficiais têmpera, anodização e endurecimento superficial: a forma do componente é mantida mas sofre mudanças de aparência e propriedades. e. Processos de união física por meio da soldagem (difusão) ou união mecânica rebitamento, união eixo-cubo por contração e montagem mecânica. 4.2 Fatores importantes nos processos de fabricação. Existem quatro fatores principais em qualquer processo de fabricação: a- Geometria. Cada processo de manufatura é responsável por geometrias características como no caso do forjamento que permite a produção de componentes com formas complexas, mas facilmente extraídos da matriz. b- Tolerâncias. Cada dimensão é associada a uma tolerância relativa ao processo de fabricação. Este processo permite a forma e o acabamento superficial adequado para garantir a montagem e o funcionamento dos componentes como a de uma engrenagem em um eixo de motor de automóvel. Da mesma forma. o processo de fundição em cera perdida permite geometria mais complexa e com tolerância menor do que a do processo com moldes de areia.

13 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 13 c- Razão de produção ou produtividade. A produtividade de um processo é provavelmente o fator mais significativo, pois envolve aspectos econômicos. O aumento da produtividade está relacionado aos recursos gerenciais para treinamento e os investimentos em equipamentos. d- Fatores Ambientais e Humanos. Todo processo de fabricação deve ser analisado conforme os efeitos ambientais, recursos energéticos e a segurança humana Conformação dos materiais como um sistema Envolve os aspectos relacionados à conformação dos materiais com o objetivo de melhorar as propriedades mecânicas, diminuir o tempo de produção e minimizar os custos do componente final. Os principais fatores estão relacionados abaixo: a- material de partida (geometria e composição química) propriedades térmicas, tensão de escoamento, taxa de deformação, condições superficiais, mudanças na microestrutura durante aquecimento e resfriamento. b- ferramental (geometria e composição química) dureza, tratamento térmico, condições superficiais, rigidez e precisão. c- condições na interface ferramenta-peça atrito, tipo de lubrificante, temperatura de trabalho e características de resfriamento na interface. d- mecanismo de deformação plástica fluxo de metal, transferência de calor, tensões durante a deformação, velocidade e taxa de deformação. e- equipamento usado capacidade de conversão de energia, produtividade, rigidez e precisão. f- características do produto final geometria, precisão dimensional, tolerâncias, propriedades mecânicas e acabamento superficial. g- fatores ambientais e humanos poluição do ar e sonora, resíduos e capacidade da mão-de-obra disponível Categorias dos processos de conformação Podem ser classificados em duas grandes categorias: a- Processos de conformação maciça b- Processos de conformação de chapas Em ambos os casos, as superfícies do material deformado e das ferramentas estão em contato com grande influência do atrito. Nos processos de conformação maciça o material inicial é um tarugo, barra ou vergalhão e um aumento considerável na taxa superfície-volume ocorre no componente conformado. O componente passa por uma grande deformação plástica, resultando numa apreciável mudança de forma e seção

14 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 14 transversal. Exemplos: extrusão, forjamento, laminação e trefilação. Na conformação de chapas a deformação ocorre sem mudança significativa na espessura original ou nas características superficiais. Em alguns casos, a magnitude da deformação plástica permanente é comparável à deformação elástica, portanto, o efeito mola ou retorno elástico pode ser significativo. Exemplos: dobramento convencional, repuxo profundo, conformação por estiramento e com punção flexível A deformação mecânica dos materiais Quando os metais são submetidos à ação de forças exteriores sofrem deformações, elásticas ou plásticas de acordo com a magnitude. Os mecanismos mediante os quais se deformam os metais são basicamente os seguintes: a. deformação por deslizamento b. deformação por maclação c. bandas de deformação e bandas de dobramento. Dos três mecanismos, o mais importante é o deslizamento. A maclação produz pouca deformação enquanto o mecanismo de bandas de deformação e de dobramento é pouco freqüente. De uma forma geral a deformação plástica ocorre por meio do deslizamento de blocos do cristal ao longo dos planos cristalográficos denominados planos de deslizamento. Este deslizamento pode ser considerado análogo à distorção produzida quando se espalha um baralho sobre a mesa, empurrando uma das extremidades. A Figura 4.1 ilustra a visualização clássica do deslizamento. Figura 4.1- (a) orientação dos cristais antes da aplicação da deformação; (b) orientação após a aplicação da deformação sem restrição para o deslizamento; (c) orientação após a aplicação da deformação com restrições para o deslizamento (fixação em garras no ensaio de tração) Esforços no processo de conformação Os materiais são submetidos a vários tipos de esforços durante os processos de conformação mecânica. Seguem abaixo os modelos esquemáticos dos principais efeitos:

15 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 15 Figura 4.2- Processos básicos de conformação mecânica, adaptação de Dieter (1988). a- compressão direta esforços na superfície da peça. Ex: forjamento e laminação. b- compressão indireta esforços de tração geram diferentes estados de tensão com resultante de compressão entre a superfície da peça e a matriz. Ex: trefilação, extrusão e estampagem profunda. c- tração esforços de tração nas direções do plano contra uma matriz. Ex: estiramento d- flambagem peça é dobrada para adquirir um contorno. Ex: dobramento e- cisalhamento esforços cortantes na peça. Ex: estampagem profunda As equações dos processos de conformação Para determinar os esforços mecânicos nos materiais durante os processos são estabelecidas simplificações para o cálculo das tensões, pois os fatores alteram-se conforme as variações da temperatura, velocidade de deformação, atrito e outras. Em geral, as seguintes considerações são utilizadas: a- a deformação elástica é desprezada; b- não é considerado o efeito do tamanho de grão e as discordâncias no material; c- a anisotropia é desprezada; d- o atrito é simplificado; e- as tensões são consideradas constantes durante o processo;

16 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA O efeito da temperatura na deformação mecânica Os processos de conformação podem ser realizados a frio ou a quente. A característica principal do processo realizado a quente é a microestrutura recristalizada do material. A temperatura indicativa para verificar se o processo é realizado a quente ou a frio é denominada de temperatura homóloga. Temperatura Homóloga = temperatura do processo ( k) / temperatura de fusão( k) Trabalho a quente. Para trabalho realizado a quente em geral TH > 0,6. A principal característica do trabalho realizado a quente é o refino da microestrutura que proporciona maior homogeneidade no componente final. Os materiais deformados em altas temperaturas apresentam três estágios denominados de recuperação, recristalização e crescimento de grão. No estágio de recuperação, as propriedades físicas e mecânicas que sofreram modificações pelo encruamento retornam aos valores iniciais. Há um rearranjo das discordâncias para uma configuração com menor energia nos contornos de baixo ângulo e formação de contornos de maior ângulo. A velocidade com que ocorre o processo de recuperação sempre decresce com o tempo, ou seja, o processo se inicia rapidamente e vai tornando-se cada vez mais lento, à medida que é consumida a força motriz da reação. A força motriz provém da energia armazenada durante o trabalho a frio. Uma maior porcentagem de deformação mecânica durante a conformação favorece a recristalização dinâmica. A recristalização é um processo que depende da estrutura cristalina e energia de falha de empilhamento dos metais. A cinética da recristalização é bem diferente, pois ocorre por processos de nucleação e crescimento. A recristalização se inicia lentamente até atingir um valor máximo de velocidade de reação, após o que volta a ser lenta. É favorecida pelo aumento da diferença de orientação do reticulado e da deformação no interior do grão. A força motriz é baixa comparada às outras transformações de fase. Em casos especiais pode ocorrer a recristalização antes da recuperação em materiais com menor energia de falha de empilhamento como nas ligas de alumínio. O processo depende do tempo, da temperatura e da deformação induzida no material. Nos processos realizados na mesma temperatura a velocidade de recristalização será maior no metal mais deformado. Durante a recristalização ocorre a formação de um novo conjunto de grãos, a partir da nucleação. Estes cristais se nucleiam em pontos de alta energia de deformação do reticulado, tais como interseções de linhas de escorregamento, interseções de maclas e nas regiões próximas aos contornos de grãos. Em metais trefilados é relativamente fácil um grau de deformação crítico, pois o metal é deformado de modo relativamente uniforme. Por outro lado, se houver heterogeneidade na deformação a frio o recozimento levará a um crescimento de grão localizado. Assim, pode-se dizer que o grau de deformação crítico corresponde a um valor capaz de formar núcleos necessários à recristalização. A formação destes núcleos é favorecida em pontos do reticulado que possuem maior energia de deformação. A última fase presente dentro do tratamento térmico é o crescimento de grãos. Este evento depende do tempo e da temperatura. Normalmente o crescimento de grão é rápido nos primeiros dez minutos de aquecimento e posteriormente é lento. Obs: estanho e chumbo recristalizam à temperatura ambiente. A adição de solutos no elemento pode diminuir a EDE (energia de falha de empilhamento) com a diminuição da mobilidade das discordâncias.

17 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 17 Obs: o níquel nos aços inoxidáveis aumenta a EDE. Ligas com alta EDE não apresentam recristalização dinâmica durante a deformação a quente, mas apenas recuperação dinâmica. Obs: a adição de nióbio e titânio retardam a recristalização estática entre os passes gerando acúmulo de discordâncias e aumento da taxa de nucleação. No caso dos aços comerciais a transformação austenita-ferrita acontece com granulação fina. As vantagens dos processos realizados a quente: * energia para deformar o metal é menor. * caldeamento reduz defeitos de fundição com eliminação da segregação, poros e bolhas. As desvantagens dos processos realizados a quente: * aumento do custo de ferramental e energia. * aumento da temperatura provoca a oxidação superficial. * necessário controle da temperatura para evitar a granulação grosseira Trabalho a frio. Para trabalho realizado a frio em geral TH < 0,6. A principal característica do trabalho realizado a frio é o encruamento. O material nesta condição apresenta discordâncias /cm 2 enquanto o recozido 10 6 a 10 8 discordâncias /cm 2. O encruamento é um fenômeno provocado pelo aumento das discordâncias geradas no trabalho a frio que dificultam o movimento atômico com acréscimo nos valores da dureza e resistência mecânica do material. As vantagens dos processos realizados a frio: possibilidade de combinar dureza, resistência mecânica e ductilidade com tratamento térmico posterior, como no caso da laminação de chapas e trefilação de fios. As desvantagens dos processos realizados a frio: é necessária maior energia para deformação do material. é necessário o controle da superfície do material para evitar formação de trincas Escolha da temperatura adequada Deve ser alta sem que ocorra a oxidação do material e baixa de maneira a evitar trincas superficiais. Para cada material há uma temperatura e tempo adequado O efeito do atrito na conformação mecânica O atrito é a resistência superficial ao deslizamento de dois corpos em contato. A causa principal do atrito entre dois materiais é o contato entre as regiões ao longo das superfícies deslizantes, conforme mostrado na Figura 4.3. As superfícies apresentam irregularidades microscópicas e se soldam pela intensa deformação plástica localizada.

18 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 18 Figura 4.3 Representação esquemática das regiões de contato entre duas superfícies deslizantes. Conforme os trabalhos de Helman e Cetlin as forças de atrito parecem ter origem na resistência ao cisalhamento destas uniões e apresentam como resultado um processo de similar ao de arar o metal mais duro sobre a superfície do mais macio. Durante os processos de conformação plástica dos metais ocorre contato entre o metal com as matrizes e ferramentas com o atrito presente, em maior ou menor grau. Figura Região arada em tubo para indústria automobilística (MEV). Os principais efeitos do atrito nos processos de conformação são os seguintes: - alteração, geralmente desfavorável, dos estados de tensão na deformação; - produção de fluxos irregulares de metal durante o processo; - criação de tensões residuais no produto; - aumento da temperatura e prejuízo das propriedades mecânicas; - aumento do desgaste das ferramentas; - agarramento do material pelo ferramental durante a conformação; - aumento de energia para deformação com diminuição da eficiência e rendimento. Um modelo esquemático sobre os efeitos das forças em um objeto em movimento é mostrado abaixo. Figura 4.5 Forças presentes no deslizamento de um corpo de peso W por meio de uma força H.

19 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 19 F = μ R onde μ é o coeficiente de atrito estático (adimensional) (1) Uma vez iniciado o deslizamento, a força H para manter o corpo em movimento uniforme é menor do que a força necessária para iniciar este movimento. Em conseqüência a força de atrito F será: F = μ R < F onde μ é o coeficiente de atrito dinâmico (2) A determinação do coeficiente de atrito: Uma forma qualitativa de determinar o coeficiente de atrito é realizada utilizando o teste do anel, no qual um anel é forçado a se expandir, apoiado sobre uma superfície, e os diâmetros inicial e final são medidos e correlacionados com o coeficiente de atrito presente. Se o diâmetro interno aumentar o atrito é pequeno e se diminuir o atrito é grande. O atrito também é influenciado pela viscosidade do lubrificante que diminui com o aumento da temperatura e a velocidade do processo de deformação O efeito da lubrificação das superfícies A principal finalidade da lubrificação durante o processo de conformação é facilitar o escoamento do material e evitar o desgaste do ferramental. A camada do lubrificante formada na superfície é importante é os efeitos desejados são: - reduzir o atrito de deslizamento do material; - evitar a soldagem da peça na matriz; - aumentar o isolamento da matriz com o material e evitar a transferência de calor; - ser inerte e não abrasivo; - aplicação e remoção fácil; 5 - PROJETOS DE MATRIZES Os fatores importantes na confecção de uma matriz para utilização em um equipamento para conformação mecânica são a vida útil e o custo razoável. As matrizes têm que apresentar resistência ao desgaste, ao calor, à deformação plástica, trincas superficiais, além de manter o dimensional para garantir a qualidade das peças conformadas. Para confecção de uma matriz é necessária a escolha correta do material em função das seguintes variáveis: a- características do processo deformação, tamanho e temperatura do lingote, cavidade, equipamento para deformação, lubrificação e produtividade. No caso do processo de extrusão direta o punção deve ter alta resistência à compressão enquanto que na indireta deve ter alta resistência ao desgaste para suportar o escoamento do material na superfície. b- tipo de carga velocidade de deformação, ciclos de carregamento durante o processo e o contato matriz /metal. c- propriedades mecânicas resistência mecânica ao impacto, fadiga térmica, resistência à abrasão. Em geral são utilizadas as técnicas de Cad/Cam. (Cad = computer aided design e Cam = computer aided manufacturing) além da simulação com programas computacionais para prever cargas no ferramental, determinar a variação dimensional das

20 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 20 peças durante o processo, alterar a geometria em regiões críticas de esforços e para cálculos dos volumes e estimativa do material de partida. Com relação ao desgaste da matriz os principais fatores são a erosão causada pelo deslizamento do material na interface da matriz, a fadiga térmica associada ao carregamento cíclico de compressão e tração e a fadiga mecânica com tensões locais elevadas (carregamento e descarregamento). Quanto às variáveis dimensionais que influenciam o projeto da matriz é importante salientar os seguintes cuidados no projeto: a- deixar sobremetal para usinagem em função do dimensional do componente e tolerâncias requisitadas; b- preparar os ângulos de saída e a concordância dos cantos das superfícies interna e externa para favorecer a extração da peça; c- ajustar corretamente as partes para evitar deslocamento no fechamento da matriz; d- prever a contração de resfriamento (± 1%) e a tensão de escoamento do material que será utilizado na confecção do componente; e- prever as condições de atrito e transferência de calor durante o processo; f- utilizar aços especiais com Cr, Mo, W, V, Co na confecção da matriz ; Há vários tipos de aços que podem ser selecionados para confecção das matrizes. A melhor escolha é realizada por meio do conhecimento das normas técnicas que apresentam as especificações dos materiais. Aços identificados como os da família ASM G6, GF2 e GF3 apresentam boa tenacidade e resistência ao choque, resistência à abrasão e às trincas térmicas. Elementos de liga como o Cr, Nb, V e Mo favorecem o endurecimento por precipitação e proporcionam maior resistência à abrasão no caso dos aços microligados utilizados na confecção das matrizes. Aços rápidos com Mo e W apresentam dureza, resistência e tenacidade em temperaturas elevadas. O tungstênio aumenta a tenacidade e dureza, porém diminui a resistência ao impacto no caso de resfriamento brusco da matriz. O vanádio promove maior resistência às trincas a quente e à abrasão. As características principais para selecionar o melhor material estão relacionadas à dureza superficial e tenacidade que são propriedades antagônicas. A matriz deve absorver energia sem romper ou deformar-se. A ductilidade é uma propriedade verificada por meio do ensaio Charpy. A condutividade térmica do material também é importante, pois é necessário minimizar os efeitos dos gradientes de temperatura durante o processo Características do fenômeno. 6- O ENDURECIMENTO POR PRECIPITAÇÃO O fenômeno do endurecimento por precipitação, conhecido nos aços por endurecimento secundário e nas ligas especiais como envelhecimento, ocorre com a precipitação de carbonetos durante o revenimento. Nos aços, este fenômeno ocorre em geral com a formação de carbonetos de cromo, vanádio, molibdênio ou nióbio na faixa de 400 a 550º C, devido à difusão destes elementos de liga na matriz do material. Este fato pode ser verificado quando após algum tempo de tratamento térmico a dureza do aço aumenta. Nos aços inoxidáveis com cobre é possível obter um endurecimento apreciável na faixa de temperatura de 400 a 500 o C com aumento da resistência mecânica sem perda da tenacidade. O fenômeno também ocorre nas ligas de alumínio e superligas e neste caso,

21 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 21 precipitados nucleiam a partir de uma solução supersaturada com a matriz e crescem com o aumento da temperatura. Em temperaturas baixas a difusão atômica é lenta, não ocorre precipitação apreciável e o endurecimento é demorado. Em uma determinada temperatura que favoreça a difusão, o efeito é acelerado e os precipitados formados provocam o aumento da dureza e da resistência mecânica do material. Posteriormente, nas temperaturas maiores associadas com longos tempos de exposição, ocorrerá o super-envelhecimento, ou seja, a redução da dureza e da resistência mecânica do material. Em muitos casos, estas fases precipitadas podem apresentar várias composições estequiométricas com diferentes estruturas cristalinas e somente podem ser identificadas por meio da difração dos feixes transmitidos no microscópio eletrônico de transmissão. É possível, porém, apenas no estágio avançado de super-envelhecimento, a observação destas partículas por microscopia convencional. Existem vários mecanismos para explicar o fenômeno do endurecimento através do envelhecimento e o mais aceito na literatura é que o aumento da dureza ocorre pela dificuldade do movimento das discordâncias conforme modelo proposto por Orowan. Quanto ao super-envelhecimento e a diminuição da dureza do material, a explicação mais aceita é a perda da coerência dos precipitados com a matriz, ou seja, com o crescimento contínuo dos precipitados aumenta a heterogeneidade com a matriz O efeito dos elementos de liga Os elementos de liga são adicionados aos aços para melhorar as propriedades nas diferentes temperaturas. Podem ser classificados basicamente em duas categorias: - os que ampliam o campo da austenita, como o manganês, níquel, cobalto, cobre, carbono e nitrogênio, chamados estabilizadores de austenita (gamagênicos); - cromo, silício, molibdênio, tungstênio, fósforo, alumínio e titânio, que são estabilizadores de ferrita (alfagênicos). De uma forma geral são apresentados alguns efeitos destes elementos no aço: Cromo: é um dos elementos mais importantes na composição dos aços inoxidáveis e é o principal responsável pela resistência à oxidação da liga. Nos inoxidáveis AISI 304, a resistência aos ataques químicos dos contornos de grãos é consideravelmente reduzida quando estes aços são aquecidos acima de 300º C. Neste caso ocorre o empobrecimento de cromo na matriz, devido à precipitação de carbonetos de cromo nos contornos. Níquel: favorece a estabilidade da austenita mesmo à temperatura ambiente. Das muitas ligas contendo níquel, as mais conhecidas são os aços inoxidáveis e os resistentes ao calor. O níquel é adicionado para aumentar a dureza, limite de ruptura e a tenacidade. Em teores elevados melhora a resistência do aço ao calor e à corrosão. Silício: apresenta uma grande afinidade com o oxigênio, sendo utilizado desta maneira como desoxidante e desgaseificante dos aços. Adições de cerca de 2 %, aos aços inoxidáveis AISI 304, aumentam a resistência à corrosão em altas temperaturas. Promove o aumento da resistência da ferrita nos aços microligados e nos ferros fundidos um eutético com teor de carbono menor que 4,3%. Favorece a decomposição da cementita metaestável (Fe 3 C) em grafita e ferrita. Manganês: aumenta a soldabilidade dos aços e o limite de resistência à tração com pouca diminuição da tenacidade. Este elemento também é usado como desoxidante no processo de fusão do aço, mas sua ação é menor que a do silício. Ao combinar-se com o enxofre evita a formação de sulfeto de ferro, que provoca a fragilidade a quente durante a conformação dos aços. Carbono: responsável pela dureza e resistência mecânica nos aços microligados apresenta influencia negativa nos aços inoxidáveis austeníticos. Quanto maior seu teor na

22 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 22 liga, menor será sua resistência à corrosão, pois promove a formação de carbonetos. Nos contornos de grão que reduzem a ductilidade e aumentam a fragilidade do material. Também estão presentes nos aços elementos químicos residuais como o fósforo e o enxofre que apresentam grande influência na tenacidade e soldabilidade. A influência das impurezas dissolvidas depende da quantidade, distribuição e tamanho das partículas. Obs 1: em alguns casos o enxofre é adicionado aos inoxidáveis para favorecer a usinabilidade. Obs 2: no ferro fundido o fósforo melhora a fluidez e o preenchimento de paredes finas nos moldes na fabricação pelo processo de fundição, mas fragiliza a liga. 7- OS PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA. São vários os processos de conformação mecânica. Muitas vezes os componentes podem ser obtidos por diferentes processos de fabricação e a melhor escolha implica no conhecimento dos esforços aplicados, nas condições de trabalho, produtividade e o custo. A seguir serão feitas considerações sobre os principais métodos de fabricação por meio da deformação mecânica O PROCESSO DE FORJAMENTO O forjamento é o mais antigo dos processos de transformação mecânica de metais, com registros datando de cerca de anos atrás. Há evidências de que o forjamento foi usado no Egito antigo, Grécia, Pérsia, Índia, China e Japão para a fabricação de armas, jóias e uma variedade de utensílios. Naquela época, os artesãos que dominavam as técnicas do forjamento eram tratados com muito respeito e consideração. Por volta de 1600 A.C., na ilha de Creta, placas de pedra gravadas foram usadas como matrizes para gravação em ouro e prata. Isto evoluiu para a fabricação de moedas, mediante um processo semelhante, cujos registros datam de cerca de 800 A.C. Matrizes mais complexas foram usadas em Roma, por volta de 200 A.C. A evolução do forjamento permaneceu estagnada durante muitos séculos, até o surgimento do martelamento com guia, no final do século VIII D.C. Este desenvolvimento permitiu o ingresso definitivo do forjamento na indústria, como processo de fabricação. Atualmente, o forjamento é um importante processo industrial, largamente utilizado na fabricação de componentes de elevada resistência principalmente na indústria automotiva e aeroespacial. Os componentes mais comuns são os eixos de manivela para motores (virabrequins), bielas, engrenagens, componentes estruturais para aeronaves e peças para turbinas de motores a jato. Além disso, lingotes de aço e outras ligas metálicas são submetidos a operações primárias de forjamento, produzindo formas básicas que são posteriormente usinadas Definição Forjamento é um processo de conformação provocado pela ação de tensões compressivas diretas. A ação das matrizes se dá mediante a aplicação de golpes rápidos e repetidos (martelos de queda livre ou acionados) ou pela aplicação lenta de intenso esforço compressivo (prensas hidráulicas, excêntricas e de parafuso). O forjamento a quente é o mais comum.

23 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA Forjamento livre (matriz aberta) É a forma mais simples para fabricação de anéis, eixos e esboços de grandes dimensões. O processo é de baixa produtividade e normalmente realizado com martelos, embora operações de desbaste de lingotes devam ser feitas em prensas hidráulicas. As matrizes de forjamento livre são, na maioria das aplicações, planas ou com ligeiros contornos superficiais que auxiliam a conformar a peça. Além disso, a peça deve ser manipulada freqüentemente (girando-a periodicamente e/ou movendo-a para frente e para trás) para se atingir a mudança de forma desejada. A habilidade do operador é um fator importante para o êxito nestas operações. Um exemplo de forjamento em matriz aberta é a transformação de grandes lingotes fundidos de aço com seção quadrada ou hexagonal em barras de seção transversal circular. No forjamento livre a quente é possível a obtenção de uma estrutura metalúrgica favorável em razão dos fenômenos de recuperação e recristalização, bem como da diminuição da porosidade interna nas peças. Figura 7.1 Desenho esquemático de forjamento livre em matriz aberta.

24 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 24 Figura 7.2 Equipamento para manipular material para forjamento livre em matriz aberta. Figura 7.3 Forjamento a quente de peças em matriz aberta.

25 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA Forjamento em matrizes fechadas É utilizado para fabricação de peças com geometrias complexas. O processo é de alta produtividade e normalmente realizado em prensas mecânicas. As peças apresentam homogeneidade estrutural e melhor qualidade dimensional podendo ser conformadas em várias etapas. É importante o controle da temperatura de aquecimento, o dimensional do tarugo, da matriz e do inserto. A sobra de material a ser eliminada na rebarbação é importante para garantir o preenchimento da matriz e acomodar defeitos de forjamento. Figura 7.4 Desenho esquemático de forjamento em matriz fechada. Figura 7.5 Forjamento a quente de peças complexas em matriz fechada.

26 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 26 Figura 7.6 Etapas do forjamento Forjamento a frio São considerados os processos básicos de recalque e extrusão. A seqüência do processo é o corte, seguido da lubrificação e forjamento. Os recozimentos intermediários se necessários em função do encruamento do material. Figura 7.7 Peças forjadas a frio.

27 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA Os equipamentos para forjar Figura 7.8.a Martelo de queda livre. Figura 7.8.b Martelo de dupla ação. a- martelo em queda livre: consiste de uma base que suporta colunas, nas quais são inseridas as guias do suporte da ferramenta, e um sistema para a elevação da massa até a altura desejada. b- martelo de dupla ação: a massa de carga é conectada a um pistão contido em cilindro no topo do martelo Determinação do trabalho realizado para forjamento com redução definida. dw = F dh = σ d S dh (1) Como o volume é constante V o = S o h o e V 1 = S 1 h 1 (2) Então: dw = σ d V/h (dh) W = σ d V dh/h W = σ d V ln h o /h 1 (3) Finalmente a força necessária para deformar a barra de h 0 para h 1 será: F = σ d V ln (h o /h 1 ) = σ d V ln (h o /h 1 ) (4) (h o h 1 ) e - Determinação da altura da queda de um martelo com peso conhecido para deformar:

28 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 28 W = mgh (5) Considerando W em (3) teremos: h = σ d V ln (h o /h 1 ) mg Em outros casos a força de deformação F para uma prensa pode ser determinada por meio da seguinte equação: F = V c r d ln (s 1 / s 0 ) e onde: V c é o volume do material. r d é a resistência real à deformação. s 0 e s 1 são as áreas inicial e final da peça. e é o esmagamento realizado = h o h 1 Da mesma forma a força de deformação para um martelo em queda livre pode ser dada por: F = qhη/e onde: q é o peso do martelo h é a altura da queda η é o coeficiente de rendimento e é o esmagamento realizado = h o h Vantagens do processo - elevado aproveitamento do material e grande produtividade conforme dimensional do produto e capacidade do equipamento; - resistência elevada das peças forjadas comparadas com a das peças fundidas tem como conseqüência a possibilidade de redução das dimensões de um elemento de máquina. Ex.: em um eixo virabrequim forjado pode ser reduzido em até 20% do peso proporcionando uma redução do consumo de combustível; Recalque O recalque é considerado similar ao forjamento livre, onde um recorte bruto do material é reduzido por compressão entre duas interfaces paralelas, geralmente planas. Figura 7.9- Modelo esquemático do recalque e peça recalcada.

29 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA PROCESSO DE LAMINAÇÃO A laminação é um processo de conformação mecânica onde o material é forçado a passar entre dois cilindros que giram em sentidos opostos. A mais antiga ilustração de um laminador é uma gravura de Leonardo da Vinci feita em torno de Por volta de 1600 a laminação do chumbo e do estanho era realizada à temperatura ambiente, por meio de laminadores operados manualmente. No século XVIII teve início a laminação a quente transformando barras de aço em chapas. O processo de laminação pode ser feito a frio ou a quente com uma seqüência de passes para obter produtos acabados, como chapas, barras, placas e perfis. Normalmente, a laminação a quente é usada para as operações de desbaste e a laminação a frio, para as operações de acabamento. As últimas etapas da laminação a quente e a maior parte da laminação a frio são efetuadas comumente em múltiplos conjuntos de cilindros denominados trens de laminação. As principais variáveis do processo são o diâmetro dos cilindros, a resistência à deformação do material e o atrito entre os cilindros e o material. Em geral a laminação de desbaste é feita nos laminadores duo reversíveis enquanto as etapas posteriores são realizadas nas cadeiras (estrutura fundida para sustentar os cilindros na dimensão programada). Etapas opcionais como a decapagem ácida para eliminar carepas ou o esmerilhamento dos billets para eliminar defeitos podem ser realizadas. Os tratamentos térmicos associados ao controle da redução são feitos para atender as propriedades mecânicas finais dos produtos Efeitos da temperatura na laminação a quente 8.1.a- Recristalização Inicialmente na laminação a quente, a microestrutura do aço consiste de grãos equiaxiais grosseiros de austenita, como pode ser visto na figura abaixo. Durante o passe no laminador, os grãos de austenita são deformados e alongados. As bandas de deformação podem aparecer dentro dos grãos de austenita. Figura Ilustração esquemática da recristalização estática. Na laminação à quente existem três processos de restauração dos grãos: - o estático que inicia e termina após a deformação; - o dinâmico que inicia e termina durante a deformação do material; - o metadinâmico que se inicia durante e se completa após a deformação do material;

30 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 30 Figura 8.2- Ilustração mostrando as recuperações estática e dinâmica; e as recristalizações estática, dinâmica e metadinâmica. 8.1.b- Processo de recristalização estática Os defeitos na estrutura cristalina principalmente na forma de discordâncias geram uma energia armazenada no material, chamada de força motriz, que depende da taxa de deformação e da força aplicada. Esta força é responsável pelo início da recristalização estática. O núcleo de recristalização toma lugar preferencialmente nos contornos de grãos e nas bandas de deformação. Na laminação a quente a recristalização estática normalmente ocorre entre os passes, ou seja, após a deformação. O amaciamento do material devido à recuperação e recristalização estáticas ocorre numa velocidade que depende das condições de deformação e temperaturas anteriores. Quando o aço é deformado no estado de austenita em altas temperaturas, a tensão de escoamento aumenta para um máximo e em seguida cai para um valor constante, pois após certo tempo, a formação de discordâncias e posterior eliminação alcançam um equilíbrio. Neste caso, o material pode continuar a ser deformado sem que ocorra qualquer aumento ou diminuição na tensão de escoamento e esta tensão é denominada de tensão de escoamento no regime estacionário. Neste caso, a recristalização dinâmica se inicia quando a deformação aplicada ultrapassa o valor da deformação critica. 8.1.b- Processo de restauração metadinâmico No processo de restauração metadinâmico, a recristalização do material se inicia durante a deformação e prossegue no intervalo entre passes, como mostrado na Figura 8.2. Este fenômeno normalmente ocorre na deformação a quente quando a deformação aplicada ultrapassa a deformação crítica, mas a tensão de escoamento no regime estacionário não é alcançada. A cinética da recristalização metadinâmica não depende da deformação, mas somente da taxa de deformação. Da mesma forma que na recristalização dinâmica, altas taxas de deformação favorecem o processo de recristalização metadinâmica. Em razão da grande influência da taxa de deformação, outros fatores como temperatura e elementos de liga nos aços têm pouca influencia na