Condições da deformabilidade/forjabilidade dos metais

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Condições da deformabilidade/forjabilidade dos metais

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De uma forma geral, a deformabilidade (ou forjabilidade) pode ser avaliada através de um ensaio de tração para um efeito comparativo entre diferentes materiais ou histórico de um mesmo material. Nesse sentido,  pode-se analisar efeitos da microestrutura, temperatura, velocidade de deformação (strain rate) e deformação

A deformabilidade dos materiais metálicos depende, além das características dos materiais, das condições de conformação. Entre os principais parâmetros que interferem na deformabilidade (ou forjabilidade, para o caso do processo de forjamento) está o estado de tensão (sm), a temperatura (?) e a velocidade de deformação (f.) (strain rate). Em princípio, são estes os parâmetros relacionados à conformação que definem se o material vai se comportar de maneira frágil ou dútil. Portanto, as condições de fragilidade ou dutilidade estão condicionadas às condições de conformação dos materiais. Esses fundamentos são necessários serem conhecidos para adaptá-los aos processos de conformação. Assim, as trincas que surgem durante o forjamento ou extrusão podem simplesmente ser originadas dos parâmetros de processo, e não exclusivamente do material que está sendo conformado. Um material como o mármore (tipicamente frágil) pode apresentar plasticidade dependendo do estado de tensões atuando sobre o material.

Considerações Gerais

De uma forma geral, a deformabilidade (ou forjabilidade) pode ser avaliada através de um ensaio de tração para um efeito comparativo entre diferentes materiais ou histórico de um mesmo material. Nesse sentido, pode-se analisar efeitos da microestrutura, temperatura, velocidade de deformação (strain rate) e deformação. No ensaio de tração, a medição do alongamento até a ruptura (erup) ou a redução em área até a ruptura (drup) pode ser um parâmetro indicativo da deformabilidade. A Fig. 1 mostra esquematicamente a medição destas variáveis num diagrama tensão de engenharia (s) e deformação relativa (e).

Empregando-se o ensaio de tração, pode-se tecer considerações sobre os efeitos da deformação a frio (f) (histórico anterior do material) (Fig. 2 a) da velocidade de deformação (f. [s-1]) (Fig. 2 b) e da temperatura (? [ºC]) (Fig. 2 c) sobre a deformabilidade.

Caso haja interesse em analisar os efeitos de tensões (de compressão ou de tração), pode-se fazer uso do ensaio de compressão. Neste ensaio, pode-se verificar nitidamente o efeito danoso das tensões de tração que podem ocorrer em algumas regiões das peças forjadas (ou no ferramental). A Fig. 3 mostra esquematicamente o efeito das tensões de tração (-s) e das tensões de compressão (+s) na deformabilidade dos materiais.

Efeitos do Estado de Tensões

A Fig. 4 mostra esquematicamente o estado de tensões que ocorre na extrusão de um componente no material que está sendo extrudado e na ferramenta. O efeito da contratensão aumenta as tensões na peça, evitando defeitos como “chevrons”.

O estado de tensões poderá ser alterado caso seja possível trabalhar com uma contratensão. A Fig. 5 mostra esquematicamente como se alteram as tensões no material quando uma contratensão (?constante) é aplicada. As tensões radiais (sr) e as tensões circunferenciais na direção do perímetro (sp) são minimizadas. Observa-se que se a tensão radial (sr) diminui, a tensão radial na ferramenta também diminui. Desta forma, o cintamento da ferramenta pode também ser otimizado. A contratensão (?constante) pode ser conseguida através do uso de um punção acionado com molas, ação hidráulica ou pneumática. Esse mesmo punção pode ser usado como o extrator da peça da ferramenta.

Efeito do Campo de Deformação

Outro exemplo usado no forjamento, é a compressão simples, muitas vezes usada como pré-forma (Fig. 6). Na compressão com ferramentas planas podem ocorrer defeitos por deformações localizadas, provocando bandas de cisalhamento (Fig. 6 a).

Uma pequena alteração na ferramenta inferior pode originar uma distribuição de deformação que dá origem a uma boa forjabilidade, evitando-se o aparecimento de trincas (Fig. 6 b).

De uma forma geral, para se evitar valores de deformações localizadas indesejáveis ou bandas de cisalhamento e obter uma boa deformabilidade, pode-se controlar analisando as seguintes propriedades dos materiais [2]:

a) Alto índice de encruamento – a capacidade de aumento da dureza por deformação (n).

Neste caso, avalia-se o índice de encruamento (n) da curva de escoamento (tensão de escoamento (f) x deformação (f)).

kf = C .fn                             eq. (1)

b) Alto coeficiente de sensibilidade a velocidade de deformação (m): Este índice pode ser avaliado em uma curva de escoamento descrita com a influência da velocidade de deformação (f).

kf = C .fn.f.m                      eq. (2)

c) Baixa taxa de amortecimento térmico (ß)

kf = C .fn.f .m (1-ß?T)      eq. (3)

Para os aços próximos a temperatura ambiente (T), a constante ß, que representa a sensibilidade ao calor, tem valores aproximados de -0,0015 a -0,002 (°C -1) até temperaturas de 100ºC [2].

d) Baixa densidade de energia elástica acumulada, onde E é o módulo de elasticidade

Considerações Finais

Este trabalho abordou a questão da deformabilidade (ou, em especial, a forjabilidade, no caso, processo de forjamento) de uma forma qualitativa. Os próximos passos precisam ser suportados por uma análise quantitativa. Essa tarefa deverá ser realizada com o auxílio da simulação computacional. Existem vários softwares de mercado que podem permitir essa análise.

Referências


[1] Geiger, R, Umformung bei bewusst geändertem Spannungszustand. Livro: Umfortechnick de K. Lange, Vol 4, pp 80-99, Editora Springen Verlag, 1993;
[2] International Cold Forging Group (IFCG): 40 Years History Document (Nov. 18/07). Grumer Drück GmbH, Erlanger, Germany, pp 9-25.

 

Lirio Schaeffer
Lirio Schaeffer
é Prof. Dr. -Ing. Coordenador do Laboratório de Transformação Mecânica (LdTM), Departamento de Metalurgia, PPGEM, UFRGS, Porto Alegre (RS), schaefer@ufrgs.br

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