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

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

A Metalurgia da deformação 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.

A Metalurgia da deformação Modelo Cristalográfico: Os átomos são considerados como esferas rígidas que ocupam posições no espaço gerando figuras geométricas (sólido 3D) bem definidas (cristais).

A Metalurgia da deformação Cisalhamento entre planos (densos) de maior distância entre si e sempre numa direção compacta.

A Metalurgia da deformação – Sistemas de deslizamento (cisalhamento) Rede CFC: 4 Planos {1 1 1} e 3 direções <1 1 0> 12 sistemas de deslizamento (fácil).

A Metalurgia da deformação – Sistemas de deslizamento (cisalhamento) Rede CCC: 6 Planos {1 1 0} e 2 direções <1 1 1> 12 sistemas de deslizamento fácil.

A Metalurgia da deformação – Sistemas de deslizamento (cisalhamento) Rede HC: 1 Plano {0 0 0 1} e 3 direções <1 1 -2 0> 3 sistemas de deslizamento fácil.

A Metalurgia da deformação – Sistemas variantes Rede CCC: 6 Planos {1 1 2} e 2 direções <1 1 1> 6 Planos {1 2 3} e 2 direções <1 1 1> 12 sistemas de deslizamento fácil 12 sistemas de deslizamento fácil

A metalurgia da deformação – Discordâncias 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.

A metalurgia da deformação – Vetor de burguers Ex: Considere um deslizamento do vértice (0, 0, 0) até a região central de uma das faces (1/2, 1/2, 0). Módulo a0

A metalurgia da deformação – Vetor de burguers O vetor de Burguers que caracteriza este deslizamento é dado por: A discordância nesta direção cujo módulo é é dado por:

A metalurgia da deformação – Vetor de burguers 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

A metalurgia da deformação – interações entre discordâncias 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: |b1|2 + |b2|2 ≥ |b3|2 (Associação) |b1|2 ≥ |b2|2 + |b3|2 (Dissociação) Reações Espontâneas

A metalurgia da deformação – discordâncias na rede ccc Τ // [1 0 0] Considerando as discordâncias e :

A metalurgia da deformação – discordâncias na rede ccc 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: Qual a discordância resultante? Em que plano está contido?

A metalurgia da deformação – discordâncias na rede ccc

A metalurgia da deformação – discordâncias na rede cfc

A metalurgia da deformação – discordâncias na rede hc

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

A metalurgia da deformação – encruamento em monocristais 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

A metalurgia da deformação – encruamento em monocristais 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.

Aspectos metalúrgicos da mecânica do contínuo – deformação em materiais policristalinos 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.

Aspectos metalúrgicos da mecânica do contínuo – influência dos contornos de grão 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.

Justaposição de dois monocristais Aspectos metalúrgicos da mecânica do contínuo – influência dos contornos de grão Justaposição de dois monocristais

Aspectos metalúrgicos da mecânica do contínuo – influência dos contornos de grão 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 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.

Hall e Petch mostraram que: Aspectos metalúrgicos da mecânica do contínuo – influência do tamanho de grão 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: Resultado obtido: HV(1) > HV(2) > HV(3) H – hardness V - Vickers

Aspectos metalúrgicos da mecânica do contínuo – influência do tamanho de grão 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.

Comparativo entre G e g: Aspectos metalúrgicos da mecânica do contínuo – influência do tamanho de grão Comparativo entre G e g: Região “δ“

Aspectos metalúrgicos da mecânica do contínuo – influência do tamanho de grão Curva σ x ε: g G εG εg

Aspectos metalúrgicos da mecânica do contínuo – trabalhabilidade dos materiais 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 – 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).

Aspectos metalúrgicos da mecânica do contínuo – limites de temperatura P3 > P2 > P1 (Potência da Máquina) Região de trabalho a quente (entre as curvas de Wisotérmico e de fusão ou fragilização) Região de trabalho a frio

Aspectos metalúrgicos da mecânica do contínuo – tensão de escoamento 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). Para um nível de deformação de ε1 a tensão de escoamento será σ1, para um nível ε2 a tensão será σ2 e assim por diante (ponto sobre a curva).

Aspectos metalúrgicos da mecânica do contínuo – determinação da tensão de escoamento Compressão sem atrito: Para um instante qualquer: Em processos de conformação ΔV = 0 → V = V0 = cte.

Casos reais (Práticos): Aspectos metalúrgicos da mecânica do contínuo – determinação da tensão de escoamento Casos reais (Práticos): 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.

Aspectos metalúrgicos da mecânica do contínuo – Lei potencial do encruamento Aula no quadro

Aspectos metalúrgicos da mecânica do contínuo – condição de escoamento Aula no quadro

Aspectos metalúrgicos da mecânica do contínuo – critério de von mises Aula no quadro

cálculo de esforços em processos de conformação plástica – método da deformação homogênea Aula no quadro

cálculo de esforços em processos de conformação plástica – método do diagrama de blocos Aula no quadro

Forjamento 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

Forjamento livre (recalque) Realizado entre placas planas não necessariamente paralelas e sem restrição lateral.

Forjamento livre - utilização 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 fusão Estrutura após o forjamento

Forjamento em matrizes (Fechada) 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

Equipamentos de forjamento Prensa mecânica Prensa hidráulica Prensa mecânica ou martelo de forjar Prensa hidráulica ou prensa de forjar

Taxa de forjamento Para o forjamento

Estimativa dos esforços Área transversal Tensão de escoamento média (σ = f(T)) Constante de restrição

Tensões induzidas (durante forjamento) 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).

Há dois casos a considerar 1º caso: D/h grande 2º caso: D/h pequeno Após Tensões residuais que poderão ser aliviadas durante a recristalização. Após A grande altura impede que a deformação seja sentida na região central da peça. Tensões residuais que só poderão ser aliviadas por recristalização.

Diagrama carga vs. Redução de h – efeito da relação d/h. Valores muito pequeno de h → risco de barreiras se tocarem. (D/h) ≈ 1/2 → Relação próxima da ideal. Valores muito grande de h → risco de flambagem.

Efeito do acabamento superficial

Defeitos produzidos por tensão induzida Superfícies com T abaixo de TR (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)

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

Alguns dos possíveis perfis de extrusão 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. Container Matriz Material Êmbolo ou pistão Processo de extrusão Alguns dos possíveis perfis de extrusão

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

Tipos de extrusão – extrusão direta 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.

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

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

Ferramentas da extrusão (matrizes) Matriz de face plana: Usada para extrusão de materiais dúcteis. Paralelo (redução) Ângulo de alívio

Ferramentas da extrusão (matrizes) Matriz de face cônica: Usada para extrusão de materiais de alta resistência. Obs.: A conicidade diminui a região de fluxo restringido.

Outros tipos de extrusão – extrusão por impacto Fabricação de rebites, pinos e hastes para parafuso. Etapas do processo de extrusão por impacto Processo de extrusão por impacto em dois estágios

Extrusão de revestimento Revestimento Plástico, cerâmico, etc.

Extrusão de pré-forma Escovas para motores CC, eletrodos, grafites, perfis, etc.

Extrusão de perfis vazados Parte posterior (perfil) Parte anterior Matriz de extrusão para tubos sem costura Sentido de extrusão

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

Extrusão em canal angular Método usado para refino de grãos; O grão é cisalhado diversas vezes e chega a atingir a escala nanométrica.

Lubrificação na extrusão Sem lubrificação: Gerando casca cilíndrica; Uso de antiaderente (liga quase cristalina). Com lubrificação: Lubrificantes para Extrusão BT (ambiente < T < 1000ºC) AT (T > 1000ºC) Graxas, MoS2, Asfalto, mica betonita, etc. Vidro (micro-esferas) e pós de rochas a base de feldspato.

Desempenho do lubrificante A lubrificação é eficaz quando o perfil de velocidade e as linhas de fluxo são paralelas. Linhas de fluxo Perfil de velocidade

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

Desempenho do lubrificante 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.

Estimativas de esforços de extrusão Área do tarugo (inicial) A0/AF – Razão de extrusão Constante de extrusão Área do perfil extrudado

Defeitos de extrudados Riscos produzidos por desgaste no paralelo da matriz Rugas produzidas por desalinhamento da matriz

Esforços desenvolvidos durante o processo de trefilação. 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.

Ferramenta utilizada no processo de trefilação. A fieira Ferramenta utilizada no processo de trefilação.

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

Matéria prima para a trefila 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.

Secagem numa estufa → Para trefilaria Decapagem química T=40ºC Solução a 20% de H2SO4 ou HCL As bobinas são neutralizadas (CaO) ou banho passivador a base de cianeto de sódio (10%). Secagem numa estufa → Para trefilaria

Decapagem mecânica do fio máquina. 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

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

Sequenciamento de redução 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.

Sequenciamento de redução 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.

Equipamento para trefilação Equipamento usado para trefilação. Trefiladora de cabeçotes múltiplos.

Esforços em tração uniaxial (σU) e em trefilação (σT). Trabalho redundante 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 (σU) e em trefilação (σT).

Trabalho redundante Deformação plástica (ε) por tração uniaxial (σU); Deformação plástica (ε) por trefilação (σT); Com (σT) 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 (UR).

Influência do ângulo de redução UT = UP + UA + UR α*- ângulo ótimo. Influência do ângulo da fieira na energia dissipada.

Tensões residuais (textura de deformação) Deformação excessiva: Alongamento majoritário de grãos da região central. Após sucessivos passes com esta condição.

Tensões residuais (textura de deformação) 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.

Tensões residuais (textura de deformação) Condição ideal para trefilação: Deformação homogênea dos grãos em todos os passes.

Tratamentos térmicos intermediários Recozimento (para recristalização): Aços de baixo carbono e ligas não ferrosas Aços de alto carbono

Compressão e cisalhamento no processo de laminação. 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<TR). TR – Temperatura de Recristalização. PR FA h0 hf Compressão e cisalhamento no processo de laminação.

Sequência no processo de laminação a quente.

Componentes básicos de um laminador

Tipos de laminadores São classificados em função do número de rolos (ou cilindro): Laminador Duo; Laminador Trio; Laminador Quádruo.

Representação esquemática de um laminador duo. 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.

Laminador duo 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.

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

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

Flexão do cilindro de laminação 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?

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

Laminadores para perfis especiais.

Controle de laminadores Relativo ao material (deformação plástica) Relativo ao laminador (deformações elásticas) Molejo de um laminador: Variação da tensão de escoamento para σ0’.

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

Considerações sobre o ponto neutro (PN) 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.

Efeito da tração avante e tração a ré. Deslocamento do PN Tração avante – Desloca o PN para entrada dos rolos; Tração a ré – Desloca o PN para a saída dos rolos; De acordo com a condição de escoamento de Von Mises (σ1 - σ3 = σ0’), com aplicação das tensões avante e a ré: Efeito da tração avante e tração a ré.

Tensões induzidas após a laminação. Defeitos de laminados Considerando-se LP/h0 < 0,60 Tensões induzidas após a laminação.

Defeitos de laminados Considerando-se LP/h0 >0,65

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