Fundamentos da Conformação Mecânica

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Conformação Mecânica
Profa. Dra. Hillane lima
PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO
PROCESSAMENTO DE MATERIAIS METÁLICOS
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Introdução
Conformação mecânica: qualquer operação durante a qual se aplica esforço mecânico através de ferramentas adequadas  mudança permanente de formas e dimensões (deformação plástica). 
Especificação de: 
dimensão e forma, 
propriedades mecânicas, 
condições superficiais,
O controle das propriedades mecânicas dos materiais por processos de conformação mecânica possui importância idêntica à criação de formas úteis através destas técnicas. 
Bolhas e porosidades em lingotes fundidos podem ser eliminadas através de forjamento ou laminação a quente  melhoria na ductilidade e na tenacidade à fratura. 
Em diversos produtos as propriedades mecânicas dependem do controle do encruamento durante o processamento;
Controle preciso de deformação, temperatura e taxa de deformação durante a operação para desenvolver características ótimas de estrutura e propriedades.
PROCESSAMENTO DE MATERIAIS METÁLICOS
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Introdução
PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO
Bom aproveitamento da matéria;
Rapidez na execução;
Possibilidade de controle das propriedades mecânicas; 
Possibilidade de grande precisão e tolerância dimensional. 
Ferramental e equipamentos de custo muito elevado;
Grandes produções para justificar o processo economicamente. 
VANTAGENS
LIMITAÇÕES
PROCESSAMENTO DE MATERIAIS METÁLICOS
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Atualmente cerca de 80% dos produtos manufaturados sofrem uma ou mais operações de conformação mecânica para a obtenção de peças com formas úteis, tais como tubos, barras, chapas finas além de peças com seu formato final.
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PROCESSAMENTO DE MATERIAIS METÁLICOS
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O encruamento é Influenciado por:
Estrutura cristalina;
Natureza química;
Pureza;
Orientação do cristal;
Temperatura;
Forma e dimensão do cristal;
Condições superficiais do cristal.
Conceitos importantes
Encruamento
Um metal encruado tem suas propriedades físicas e mecânicas alteradas
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Conceitos importantes
Encruamento
Alívio de tensões  Recozimento
Aquecimento numa determinada temperatura acima da temperatura de recristalização durante um tempo suficiente pra recristalizar todo material
A maior parte da energia despendida nos processos de conformação plástica é dissipada em calor, o restante fica retida contribuindo para elevação da energia interna:
Vacâncias, maclas e falhas de empilhamento;
Geração e interação de discordâncias  tensões internas;
RECOZIMENTO
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Conceitos importantes
Encruamento
PROCESSAMENTO DE MATERIAIS METÁLICOS
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Recuperação
Propriedades mecânicas alteradas pelo encruamento retornam aos valores originais;
Recristalização
Nucleação de novos cristais isentos de deformação;
Crescimento de grão
Aumento do tamanho e diminuição do número de grãos do material
Proporcional à temperatura
Fenômeno indesejável
A diminuição da temperatura diminui ou interrompe o processo, mas não o inverte
Microestrutura não sofre alteração;
Minimização ou eliminação parcial das discordâncias.
Recuperação de todas as propriedades;
Alivio da energia interna.
Nos processos de conformação tanto a deformação plástica quanto o atrito contribuem para a geração de calor. 
Apenas 5 a 10% da energia empregada na deformação plástica de um metal ficam acumulados na rede cristalina, sob a forma de energia interna, 90 a 95% restantes são convertidos em calor. 
Em algumas operações de conformação contínua, como extrusão e trefilação, efetuadas em altas velocidades, a temperatura pode aumentar de centenas de graus. Uma parte do calor gerado é dissipada (transmitido às ferramentas ou perdido para a atmosfera), mas o restante permanece na peça, elevando-lhe a temperatura.
Temperatura na conformação
Em condições idealmente adiabáticas e sem atrito, o máximo acréscimo teórico de temperatura devido à deformação plástica é dado pela expressão:
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Temperatura na conformação
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Trabalho a frio
Em condições onde não ocorre recristalização do material.
Trabalho a morno
Recuperação sem recristalização;
Trabalho a quente
Reduz esforços de conformação
Recristalização
Encruamento;
Temperaturas acima de 0,5Tf.
Temperaturas entre 0,3 e 0,5 Tf.
Temperaturas entre 0 e 0,3 Tf.
TRABALHO A QUENTE
Etapa inicial na CM da maioria dos metais e ligas;
Condições de temperatura e taxa de deformação tais que processos de recuperação ocorram simultaneamente com a deformação  grandes níveis de deformação 
O encruamento e a estrutura distorcida dos grãos produzida pela deformação são rapidamente eliminados pela formação de novos grãos livres de deformação;
Ocorre a uma tensão essencialmente constante;
Requer menos energia para deformar o metal;
Diminuição das heterogeneidades da estrutura bruta de fusão devido às rápidas taxas de difusão;
Eliminação e refino da granulação grosseira e colunar do material fundido, proporcionando grãos menores, recristalizados e equiaxiais;
Temperatura na conformação
VARIAÇÃO DA TENSÃO DE COMPRESSÃO COM A DEFORMAÇÃO EM FUNÇÃO DA TEMPERATURA PARA UM AÇO DE BAIXO CARBONO
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Limite superior de TQ: determinado pela temperatura em que ocorre o início de fusão ou o excesso de oxidação. 
Geralmente, a temperatura mais elevada de trabalho a quente é limitada por cerca de 38°C abaixo do ponto de fusão, para levar em conta a possibilidade de existência de regiões de segregação de material de ponto de fusão inferior  fragilidade a quente ou queima. 
Limite inferior de temperatura de TQ: menor temperatura para a qual a taxa de recristalização é rápida o bastante para eliminar o encruamento. 
Quantidade de deformação e tempo que o material estará submetido à temperatura.
Quanto maior o nível de deformação menor é a temperatura de recristalização;
Temperatura na conformação
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TRABALHO A QUENTE
A maioria das operações de TQ é executada em múltiplos passes: nos passes intermediários a T é mantida bem acima do limite inferior de recristalização do metal; nos últimos passes a T é bem próxima do limite inferior e a quantidade de deformação é relativamente grande.
Temperatura na conformação
Grãos encruados
Recristalização
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Para uma dada pressão e temperatura de trabalho existirá uma quantidade máxima de deformação que pode ser imposta ao material.
 
À medida que a temperatura de preaquecimento do tarugo aumenta, a tensão de escoamento diminui e a quantidade de deformação possível cresce; 
À medida que a taxa de deformação aumentar, mais calor será retido no material e sua temperatura deverá ser diminuída para que não se atinja no final a temperatura de fragilidade a quente.
DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DOS EFEITOS DE TEMPERATURA, PRESSÃO E TAXA DE DEFORMAÇÃO SOBRE A FAIXA DE TRABALHO PERMISSÍVEL NA CONFORMAÇÃO A QUENTE
Temperatura na conformação
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TRABALHO A QUENTE
Temperatura na conformação
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Limitações
Necessidade de equipamentos especiais;
Maior gasto de energia;
Reações do metal com a atmosfera do forno:
Formação de óxidos: perda de material (metais muito reativos devem ser trabalhados em uma atmosfera inerte ou protegidos do ar por uma barreira adequada)
Descarbonetação;
Dificuldade de se obter um bom acabamento superficial.
TRABALHO A QUENTE
Temperatura na conformação
PROCESSAMENTO DE MATERIAIS METÁLICOS
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Limitações
Maior desgaste das ferramentas;
Necessidade de grandes tolerâncias dimensionais (expansão e contração térmicas).
Estrutura e propriedades do produto menos uniformes do que em caso de trabalho a frio seguido de recozimento;
A maior deformação nas camadas superficiais produz uma granulação recristalizada mais fina, enquanto as camadas centrais menos deformadase sujeitas a um resfriamento mais lento, apresentam crescimento de grãos.
TRABALHO A FRIO
Encruamento;
As operações de trabalho a frio são geralmente conduzidas em diversas etapas, realizando-se recozimentos intermediários mais bem sucedido para controle de propriedades.
Embora a necessidade de recozer aumente o custo da conformação por trabalho a frio, este procedimento apresenta um grau de versatilidade que não é possível de se obter nas operações de trabalho a quente
Temperatura na conformação
Grãos encruados
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Temperatura na conformação
TRABALHO A MORNO
Conformação de peças numa faixa de temperatura onde ocorre o processo de recuperação do material, não ocorrendo a recristalização. 
 Aliar as vantagens das conformações a quente e a frio.
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Em relação ao trabalho a quente:
Em relação ao trabalho a frio:
Elimina a necessidade de recozimentos intermediários (consumo de energia e tempo); 
Redução dos esforços de deformação;
Facilita a conformação de peças com formas complexas, principalmente em materiais com alta resistência. 
Maior precisão dimensional (diminuição da oxidação e da dilatação)
Maior carga para a retirada da peça das matrizes sem deformar o produto. 
Limitação: aumento do limite de escoamento  emprego de prensas mais potentes e ferramentas mais resistentes. 
Apresenta melhor acabamento superficial
Melhora a ductilidade do material;
Temperatura na Conformação
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Engenharia de Materiais
PROCESSAMENTO DE MATERIAIS METÁLICOS
Profa. Dra. Hillane Lima
Hillane.lima@ufca.edu.br
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