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Universidade Federal de Pernambuco Centro de Tecnologia e Geociências Departamento de Engenharia Mecânica Professor: Tiago de Sousa Antonino.

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1 Universidade Federal de Pernambuco Centro de Tecnologia e Geociências Departamento de Engenharia Mecânica Professor: Tiago de Sousa Antonino

2  Metalurgia da Deformação  Aspectos Metalúrgicos da Mecânica do Contínuo  Cálculo de Esforços nos Processos de Conformação  Forjamento  Extrusão  Trefilação  Laminação  Conformação de Chapas

3  Modelo atômico:  Utiliza-se o modelo proposto por Bohr que considera o átomo como sendo constituído por um núcleo em torno do qual circulam os elétrons em órbitas bem definidas.  Ligação Metálica:  Produzida pela interação entre um núcleo de carga positiva que atrai os elétrons (livres) compartilhados por diversos núcleos.

4  Modelo Cristalográfico:  Os átomos são considerados como esferas rígidas que ocupam posições no espaço gerando figuras geométricas (sólido 3D) bem definidas (cristais).

5  Deformação:  Cisalhamento entre planos (densos) de maior distância entre si e sempre numa direção compacta.

6  Rede CFC: A METALURGIA DA DEFORMAÇÃO – SISTEMAS DE DESLIZAMENTO (CISALHAMENTO) 4 Planos {1 1 1} e 3 direções 12 sistemas de deslizamento (fácil).

7  Rede CCC: A METALURGIA DA DEFORMAÇÃO – SISTEMAS DE DESLIZAMENTO (CISALHAMENTO) 6 Planos {1 1 0} e 2 direções 12 sistemas de deslizamento fácil.

8  Rede HC: A METALURGIA DA DEFORMAÇÃO – SISTEMAS DE DESLIZAMENTO (CISALHAMENTO) 1 Plano { } e 3 direções 3 sistemas de deslizamento fácil.

9  Rede CCC: A METALURGIA DA DEFORMAÇÃO – SISTEMAS VARIANTES 6 Planos {1 1 2} e 2 direções 6 Planos {1 2 3} e 2 direções 12 sistemas de deslizamento fácil

10  Discordâncias: Defeitos em linha que, inicialmente, auxiliam a deformação (reduzindo a tensão de cisalhamento) porém, à medida que interagem entre si ou com partículas, formam barreiras que gradativamente elevam a tensão necessária à continuidade da deformação.  Vetor de Burguers: Característica principal de uma discordância, fornecendo sua magnitude (módulo) e direção de deslizamento.

11  Ex: Considere um deslizamento do vértice (0, 0, 0) até a região central de uma das faces (1/2, 1/2, 0). Módulo a0a0

12 O vetor de Burguers que caracteriza este deslizamento é dado por: A discordância nesta direção cujo módulo é é dado por:

13 Se o deslocamento for do vértice (0, 0, 0) até o centro do cubo (1/2, 1/2, 1/2), o módulo do vetor de Burguers e a discordância associada a este deslizamento será: Módulo Discordância associada

14  As discordâncias interagem espontaneamente desde que a energia da resultante for menor ou igual à energia da discordância de origem.  Considerando-se que U (energia da deformação) α |b|2, podemos escrever:  |b 1 | 2 + |b 2 | 2 ≥ |b 3 | 2 (Associação)  |b 1 | 2 ≥ |b 2 | 2 + |b 3 | 2 (Dissociação) Reações Espontâneas

15 Τ // [1 0 0] Considerando as discordâncias e :

16 Representação esquemática da interação entre discordâncias da rede CCC. Está contida no plano (0 1 0) que, por não ser um plano de deslizamento fácil, ficará bloqueada (ou embarreirada). Ex: Considerem as discordâncias e e respondam: a)Qual a discordância resultante? b)Em que plano está contido?

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20 Y e w – Discordâncias em cunha Z e x – Discordâncias em hélice Deslizamento Cruzado Um anel de discordância xyzw sob a ação de um carregamento externo, se expande na direção [ ]. Ao encontrar um obstáculo o anel cruza (linha [1 0 -1]) e passa a deslizar no plano (1 -1 1) na direção [ ]. Contornado o obstáculo, o anel volta a deslizar no plano de origem.

21  Estágio I – Basicamente um único sistema de deslizamento é posto em atividade. Os planos deslizam livremente sem interação de discordâncias (escoamento planar);  Estágio II – Terminada todas as possibilidades de deslizamento de um único sistema, outros sistemas passam a deslizar simultaneamente, gerando barreiras (discordâncias bloqueadas); Experimento realizado por Seegar com monocristais de alumínio

22  Obs.: A elevação da tensão necessária à continuidade da deformação é chamada de encruamento.  Estágio III – Em torno das discordâncias bloqueadas é formado um campo de tensão que, de tão intenso, produz a escalagem de algumas discordâncias que voltam a deslizar em planos paralelos (mecanismo de deslizamento cruzado).  A tensão de escalagem depende da temperatura (atividade atômica). Quanto maior a temperatura menor a tensão de escalagem.

23 ASPECTOS METALÚRGICOS DA MECÂNICA DO CONTÍNUO – DEFORMAÇÃO EM MATERIAIS POLICRISTALINOS  Policristal:  Aglomerado de monocristais que se justapõem uns aos outros através de uma interface com grande quantidade de defeitos (discordâncias e lacunas).  A interface é denominada de contorno (de grão) e os monocristais de grãos.

24  Sendo uma região de grande quantidade de defeitos, os contornos de grão têm um papel restritivo em relação a deformação.  Portanto, quanto menor o tamanho de grão (maior número de contornos) mais duro é o material.  A restrição à deformação depende do grau (ou ângulo) de desorientação entre os monocristais justapostos. ASPECTOS METALÚRGICOS DA MECÂNICA DO CONTÍNUO – INFLUÊNCIA DOS CONTORNOS DE GRÃO

25 Justaposição de dois monocristais ASPECTOS METALÚRGICOS DA MECÂNICA DO CONTÍNUO – INFLUÊNCIA DOS CONTORNOS DE GRÃO

26  Baixo grau de desorientação:  Ângulos menores que 1º, onde a região de contorno pode ser acomodada por um arranjo regular de discordâncias.  Este contorno é considerado de baixa energia (elástica) e portanto demanda pouca energia para deformar-se. ASPECTOS METALÚRGICOS DA MECÂNICA DO CONTÍNUO – INFLUÊNCIA DOS CONTORNOS DE GRÃO

27  Alto grau de desorientação:  Os ângulos entre os monocristais (grãos) que se justapõem são elevados e o contorno tem elevada densidade de defeitos. Sendo considerado um contorno de alta energia e de difícil deformação. ASPECTOS METALÚRGICOS DA MECÂNICA DO CONTÍNUO – INFLUÊNCIA DOS CONTORNOS DE GRÃO

28  Hall e Petch mostraram que:  Quanto maior o tamanho do grão menor a resistência.  Considere o seguinte experimento com alumínio (99,9% puro) deformado severamente: ASPECTOS METALÚRGICOS DA MECÂNICA DO CONTÍNUO – INFLUÊNCIA DO TAMANHO DE GRÃO Resultado obtido: HV (1) > HV (2) > HV (3) H – hardness V - Vickers

29  Justificativa:  Em grãos de grande tamanho a deformação plástica não é homogênia ao longo de uma diagonal.  Em materiais de grãos pequenos, a deformação é mais homogênia, o gradiente de dureza não é significativo. ASPECTOS METALÚRGICOS DA MECÂNICA DO CONTÍNUO – INFLUÊNCIA DO TAMANHO DE GRÃO

30  Comparativo entre G e g: Região “δ“

31  Curva σ x ε: ASPECTOS METALÚRGICOS DA MECÂNICA DO CONTÍNUO – INFLUÊNCIA DO TAMANHO DE GRÃO G g εGεG εgεg

32  Do ponto de vista termodinâmico, os processos de conformação plástica podem ser classificados como:  Trabalho a quente: Aquele realizado sob condições de temperatura e taxa de deformação nas quais os efeitos da deformação (encruamento) são eliminados instantaneamente após o processo.  Trabalho a frio: Aquele realizado sob condições de temperatura e taxa de deformação nos quais os efeitos da deformação não são restaurados. ASPECTOS METALÚRGICOS DA MECÂNICA DO CONTÍNUO – TRABALHABILIDADE DOS MATERIAIS

33 ASPECTOS METALÚRGICOS DA MECÂNICA DO CONTÍNUO – MANUTENÇÃO DA TRABALHABILIDADE Estágio I (Recuperação) – Restauração de propriedades ligadas a defeitos pontuais (propriedades físicas em geral). Estágio II (Recristalização) – Restauração das propriedades mecânicas e da microestrutura. Estágio III – A alta temperatura favorece a difusão intergranular promovendo o crescimento (efeito indesejável).

34 ASPECTOS METALÚRGICOS DA MECÂNICA DO CONTÍNUO – LIMITES DE TEMPERATURA P 3 > P 2 > P 1 (Potência da Máquina) Região de trabalho a quente (entre as curvas de W isotérmico e de fusão ou fragilização) Região de trabalho a frio

35  A tensão necessária à manutenção do escoamento e depende da temperatura e da taxa de deformação.  Para qualquer condição de T e (dε/dt) a tensão de escoamento será sempre dado pelo valor instantâneo (função da deformação). ASPECTOS METALÚRGICOS DA MECÂNICA DO CONTÍNUO – TENSÃO DE ESCOAMENTO Para um nível de deformação de ε 1 a tensão de escoamento será σ 1, para um nível ε 2 a tensão será σ 2 e assim por diante (ponto sobre a curva).

36  Compressão sem atrito:  Para um instante qualquer:  Em processos de conformação ΔV = 0 → V = V 0 = cte. ASPECTOS METALÚRGICOS DA MECÂNICA DO CONTÍNUO – DETERMINAÇÃO DA TENSÃO DE ESCOAMENTO

37  Casos reais (Práticos): ASPECTOS METALÚRGICOS DA MECÂNICA DO CONTÍNUO – DETERMINAÇÃO DA TENSÃO DE ESCOAMENTO Barreiras de atrito ou áreas de fluxo restringido. Pequenas alturas em relação a D – Risco de choque das barreiras de atrito. Grandes alturas em relação a D – Risco de flambagem. Em processos de conformação usa-se um valor intermediário de D/h entre as condições de choque de barreiras e flambagem. Na prática D/h ≈ 1/2.

38  Aula no quadro ASPECTOS METALÚRGICOS DA MECÂNICA DO CONTÍNUO – LEI POTENCIAL DO ENCRUAMENTO

39  Aula no quadro ASPECTOS METALÚRGICOS DA MECÂNICA DO CONTÍNUO – CONDIÇÃO DE ESCOAMENTO

40  Aula no quadro ASPECTOS METALÚRGICOS DA MECÂNICA DO CONTÍNUO – CRITÉRIO DE VON MISES

41  Aula no quadro CÁLCULO DE ESFORÇOS EM PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO PLÁSTICA – MÉTODO DA DEFORMAÇÃO HOMOGÊNEA

42  Aula no quadro CÁLCULO DE ESFORÇOS EM PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO PLÁSTICA – MÉTODO DO DIAGRAMA DE BLOCOS

43  É o processo de fabricação por conformação plástica no qual a forma do componente fabricado é produzida por esforços compressivos (intermitentes).  Modos de forjamento:  Forjamento Livre  Forjamento em Matrizes

44  Realizado entre placas planas não necessariamente paralelas e sem restrição lateral.

45  Produção de pré-formas para etapas posteriores (forjamento em matriz);  Melhoria (adequação) da estrutura metalúrgica de materiais (tarugos) fundidos. Ver figura abaixo. Estrutura bruta de fusãoEstrutura após o forjamento

46  A partir de uma pré-forma, uma peça pode ser acabada num forjamento em matriz;  A matriz é normalmente um bloco bi-partido, onde a parte superior (punção) e a inferior (bloco) têm cavidades que se complementam. Punção Bloco fixo

47  Prensa mecânica  Prensa hidráulica Prensa mecânica ou martelo de forjar Prensa hidráulica ou prensa de forjar

48 Para o forjamento

49 Constante de restrição Tensão de escoamento média (σ = f(T)) Área transversal

50 Devido ao atrito (formação de áreas de fluxo restringido) o escoamento fica confinado na região central da peça. Com estas considerações acima é importante considerar a relação entre o diâmetro e a altura (D/h).

51 HÁ DOIS CASOS A CONSIDERAR  1º caso: D/h grande  2º caso: D/h pequeno Tensões residuais que poderão ser aliviadas durante a recristalização. A grande altura impede que a deformação seja sentida na região central da peça. Tensões residuais que só poderão ser aliviadas por recristalização. Após

52 DIAGRAMA CARGA VS. REDUÇÃO DE H – EFEITO DA RELAÇÃO D/H. Valores muito pequeno de h → risco de barreiras se tocarem. Valores muito grande de h → risco de flambagem. (D/h) ≈ 1/2 → Relação próxima da ideal.

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54  Superfícies com T abaixo de T R (temperatura de recristalização): Trincas longitudinais produzidas quando a tensão local excede a tensão de ruptura. Trincas circunferenciais produzidas por tensões residuais que excedem o valor da ruptura. (Após o processo)

55 Durante o resfriamento de peças com geometrias complexas poderão surgir gradientes de tensão provocando empenos. Trincas poderão surgir quando fortes contrações acontecem.

56  Processo usado para fabricação de perfis de seções diversas (vazadas ou compactas).  Neste processo, o perfil é formado por forças compressivas indiretas que a matriz exerce sobre o material. Processo de extrusão Alguns dos possíveis perfis de extrusão Container Êmbolo ou pistão Material Matriz

57 Processo de extrusão direta Carga vs. Deslocamento do êmbolo no processo de extrusão direta

58  0 – i: Acomodação do material no container e deformação elástica (material e equipamento);  Ponto i: Início da extrusão (rompimento);  i – f: Redução gradativa da área resistente (atrito) diminuindo o valor da carga;  A partir de f: As áreas de estagnação (fluxo restringido) são tocadas e o valor da carga cresce assintoticamente com o deslocamento do êmbolo.

59 Processo de extrusão indireta Carga vs. Deslocamento do êmbolo no processo de extrusão indireta

60  Vantagem: Não existe movimento relativo entre o material e o container (atrito confinado na matriz);  Desvantagem: Limitação de comprimentos.

61  Matriz de face plana: Usada para extrusão de materiais dúcteis. Paralelo (redução) Ângulo de alívio

62  Matriz de face cônica: Usada para extrusão de materiais de alta resistência.  Obs.: A conicidade diminui a região de fluxo restringido.

63 OUTROS TIPOS DE EXTRUSÃO – EXTRUSÃO POR IMPACTO  Fabricação de rebites, pinos e hastes para parafuso. Processo de extrusão por impacto em dois estágios Etapas do processo de extrusão por impacto

64  Revestimento Plástico, cerâmico, etc.

65  Escovas para motores CC, eletrodos, grafites, perfis, etc.

66 Matriz de extrusão para tubos sem costura Parte anterior Parte posterior (perfil) Sentido de extrusão

67  Desvantagem do processo: Necessidade de uma pré-forma na extremidade. Dificuldade operacional: selo mecânico.

68  Método usado para refino de grãos;  O grão é cisalhado diversas vezes e chega a atingir a escala nanométrica.

69  Sem lubrificação:  Gerando casca cilíndrica;  Uso de antiaderente (liga quase cristalina).  Com lubrificação: Lubrificantes para Extrusão BT (ambiente < T < 1000ºC)AT (T > 1000ºC) Graxas, MoS 2, Asfalto, mica betonita, etc. Vidro (micro-esferas) e pós de rochas a base de feldspato.

70  A lubrificação é eficaz quando o perfil de velocidade e as linhas de fluxo são paralelas. Linhas de fluxo Perfil de velocidade

71  A lubrificação é inadequada quando os perfis de velocidade e as linhas de fluxo sofrem curvatura ao longo do container.

72  A lubrificação ineficaz ou a ausência desta gera linhas de fluxo e perfis de velocidade extremamente perturbados. (lubrificação pegajosa).  Obs.: Efeito semelhante (lubrificação pegajosa) é quando o material pré- aquecido é colocado num container frio. Durante a deformação (“casca dura - miolo mole”) será gerado gradientes de tensão e, por consequência, de deformação que perturbarão as linhas de fluxo e perfis de velocidade.

73 Área do tarugo (inicial) Constante de extrusão Área do perfil extrudado A 0 /A F – Razão de extrusão

74 Riscos produzidos por desgaste no paralelo da matriz Rugas produzidas por desalinhamento da matriz

75  Processo usado para produção de fios e arames e, eventualmente, pode ser usado para corrigir dimensões de tubos e perfis vazados;  O processo consiste em tracionar-se um fio através de uma ferramenta cônica (fieira) objetivando-se a redução da seção;  Neste processo, a redução é feita pela reação da matriz sobre o material auxiliado pela estricção. Esforços desenvolvidos durante o processo de trefilação.

76 Ferramenta utilizada no processo de trefilação.

77 Caixa porta-ferramenta da trefila. Lubrificante seco: sabão seco em pó a base de Na, Li ou Ca

78  Fio máquina ( ϕ = 5,50 e 6,34mm) → produto siderúrgico produzido por laminação a quente;  O fio máquina apresenta um fina “carepa” constituída de diversos óxidos;  Esta carepa muito dura, quando não removida, atua como abrasivo, reduzindo drasticamente a vida útil da fieira;  Tradicionalmente, a eliminação desta carepa de óxidos é realizada por um processo de decapagem química ou mecânica.

79 T=40ºC Solução a 20% de H 2 SO 4 ou HCL As bobinas são neutralizadas (CaO) ou banho passivador a base de cianeto de sódio (10%). Secagem numa estufa → Para trefilaria

80  A flexão alternada quebra toda a carepa de óxido. Como garantia, o fio máquina sofre uma escovação final. Decapagem mecânica do fio máquina. Escovação mecânica

81  Apontamento: feito por laminador ou desgaste em rebolo;  Soldagem (emenda) de topo: Tornar possível a trefilação contínua de várias bobinas. Processo de soldagem do fio máquina. A ser removido por esmerilhamento.

82  Critério: deformação homogênia.  Na prática são empregados reduções entre 17 e 22%, excluindo-se a primeira e a última. Todos os grão alongam-se homogeneamente na direção da deformação.

83  Ex:  6,35 →6,035(5%) →5,009(17%) →4,16(17%) →3,45(17%) →3,20(≈7%).  6,35 →6,035(5%) →4,707(22%) →3,671(22%) →3,20(13%).  A última sequência deve ser a escolhida (menor número de passes), desde que a deformação em cada passe seja homogênia.

84 Equipamento usado para trefilação. Trefiladora de cabeçotes múltiplos.

85  Trabalho redundante: É o gasto suplementar de energia, além daquela produzida pelo atrito;  Considerando-se uma redução numa fieira de atrito desprezível, o trabalho redundante pode ser determinado da seguinte forma: Esforços em tração uniaxial (σ U ) e em trefilação (σ T ).

86  Deformação plástica (ε) por tração uniaxial (σ U );  Deformação plástica (ε) por trefilação (σ T );  Com (σ T ) é possível deformar-se (ε * ) por tração uniaxial;  A área sob a curva produzido pela diferença entre ε * e ε é proporcional à energia por unidade de volume do trabalho redundante (U R ).

87 Influência do ângulo da fieira na energia dissipada. U T = U P + U A + U R α * - ângulo ótimo.

88  Deformação excessiva: Alongamento majoritário de grãos da região central. Após sucessivos passes com esta condição.

89  Pequenas deformações: Alongamento majoritário dos grãos da superfície. Após sucessivos passes com esta condição. Obs.: A baixa profundidade da deformação deve-se ao baixo valor da reação (P) na fieira.

90  Condição ideal para trefilação: Deformação homogênea dos grãos em todos os passes.

91  Recozimento (para recristalização): Aços de baixo carbono e ligas não ferrosas Aços de alto carbono

92  É um processo usado para fabricação de chapas, lâminas ou folhas (laminados planos) ou tarugo, vergalhões e perfis (laminados não planos).  Neste processo, a conformação é feita por esforços compressivos combinados a esforço de cisalhamento devido à rotação dos cilindros.  Do ponto de vista termodinâmico a laminação pode ser considerada a quente (T>TR) ou a frio (T

93 Sequência no processo de laminação a quente.

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95  São classificados em função do número de rolos (ou cilindro):  Laminador Duo;  Laminador Trio;  Laminador Quádruo.

96  Constituído por dois cilindros que giram no sentido da laminação.  Uso: Operação de desbaste onde pequenas reduções são empregadas. Representação esquemática de um laminador duo.

97  Variante – Duo reversível – Os rolos giram nos dois sentidos (vai e volta) possibilitando uma dupla redução no mesmo laminador.  Uso: desbaste – fábricas de pequeno comprimento.

98  Empregado para reduções intermediárias.  Como sofrem flexões menores que no caso anterior, reduções maiores podem ser empreendidas.

99 Rolo fletido pelo empuxo (reação do material sobre o cilindro) Flexão produzida pelo empuxo do material sobre os rolos.

100 Área de contato Quanto maior o diâmetro do cilindro (maior área de contato) maior o empuxo. Por outro lado, quanto menor o diâmetro maior é a flexão do cilindro. Como resolver este problema?

101  Aplica-se a qualquer etapa do processo, do desbaste ao acabamento. Rolo de apoio (minimizar a flexão) Rolos de redução (pequenos diâmetros grandes reduções)

102 Laminadores para perfis especiais.

103 Relativo ao laminador (deformações elásticas) Relativo ao material (deformação plástica) Molejo de um laminador: Variação da tensão de escoamento para σ 0 ’.

104 Geometria da laminação: contato metal/rolo.Tensões que atuam no rolos cilíndricos: Condição de puxamento dos rolos.

105  Em “E” a velocidade do rolo é maior que a do material;  Em “S” a velocidade do rolo é menor que a do material;  Entre “E” e “S” deve existir um ponto cuja velocidade relativa, entre o rolo e o material, é nula. Este ponto é denominado de ponto neutro.

106  Tração avante – Desloca o PN para entrada dos rolos;  Tração a ré – Desloca o PN para a saída dos rolos; Efeito da tração avante e tração a ré. De acordo com a condição de escoamento de Von Mises (σ 1 - σ 3 = σ 0 ’ ), com aplicação das tensões avante e a ré:

107  Considerando-se L P /h 0 < 0,60 Tensões induzidas após a laminação.

108  Considerando-se L P /h 0 >0,65

109  Defeitos de laminação produzidos pela flexão dos rolos: Defeitos produzidos por flexão positiva dos rolos. Defeitos produzidos por flexão negativa dos rolos.


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