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PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO PLÁSTICA Universidade Federal do Ceará Departamento de Engenharia Mecânica Prof. Luiz Soares Júnior Semestre 2015-1 Apresentação da disciplina Introdução Aspectos metalúrgicos dos processos de conformação plástica Processos de fabricação: Laminação Extrusão Trefilação Forjamento Estampagem Conteúdo Forma de avaliação Serão 03 (três) avaliações progressivas. Aprovado (conceito A) se média aritmética das APs for igual ou superior a 7,0 (sete). No caso de avaliação final, serão aprovados os que alcançarem nota >= 4,0 (quatro) nesta avaliação e média final >= 5,0 (cinco), calculada pela seguinte fórmula: MF=(NAF + NAP/n) / 2 onde: MF= Média Final; NAF= Nota de Avaliação Final; NAP= Nota de Avaliação Progressiva; n= Número de Avaliações Progressivas. Introdução –Aspectos atuais da Fabricação FIGURE 1.7 Illustration of the range of common sizes of parts and the capabilities of manufacturing processes in producing these parts. Introdução –Aspectos atuais da Fabricação Section of an automotive engine - the Duratec V-6 - showing various components and the materials used in making them. Source: Courtesy of Ford Motor Company. Illustration by David Kimball. Introdução –Aspectos atuais da Fabricação Fundição Que processos poso utilizar para fabricação dessa peça simples? Forjamento Extrusão Usinagem Soldagem Introdução –Aspectos atuais da Fabricação Introdução O ato de talhar a pedra foi o primeiro processo de fabricação desenvolvido pelo homem; Era um processo lento e a dureza das pedras não permitia formas complexas; Este processo era usado na fabricação de utensílios domésticos e armas, como facas, machados, perfuradores, etc; Além da pedra, madeira, chifres e ossos eram usados como matéria prima. EVOLUÇÃO DOS PROCESSOS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA Idade da Pedra (2,5 milhoes de anos atrás) Introdução EVOLUÇÃO DOS PROCESSOS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA Idade do cobre (4000 até 3000 a.C) No início, a técnica utilizada para fabricar utensílios era a deformação a frio do material, por meio de golpes. O homem descobriu que se trata não de uma pedra mas de outro material. Aquecendo os metais, o homem descobriu que conseguia mudar sua forma com maior facilidade (o fogo já era usado para aquecimento, proteção contra os animais e preparo dos alimentos). A técnica utilizada para deformar o metal por meio de golpes, a fim de fabricar utensílios e ferramentas, tornou-se conhecida como forjamento. Introdução EVOLUÇÃO DOS PROCESSOS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA As primeiras ligas metálicas A Fundição O cobre em fusão (temperatura próxima a 1.000ºC) era despejado em recipientes com cavidades e assumiam, assim, a forma do produto desejado. Com isso, o homem dava os primeiros passos para o desenvolvimento da fundição, que se tornava um novo processo de fabricação de objetos. Introdução EVOLUÇÃO DOS PROCESSOS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA As primeiras ligas metálicas Idade do Bronze (2000 até 1000 a.C) Bronze: ─Ao se fundir o Cobre com pequenas adições de estanho, descobriu-se que o produto resultante era mais forte do que o cobre puro. O bronze tornou-se o principal material utilizado na fabricação de ferramentas, armas e enfeites. Dentre as vantagens, cita-se a sua resistência e facildiade de trabalhar. Introdução EVOLUÇÃO DOS PROCESSOS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA As primeiras ligas metálicas 12 Num buraco feito na terra, era aquecida uma mistura do mineral e carvão vegetal. A mistura aquecida se transformava numa massa pastosa. Essa massa era batida para a eliminação de impurezas e escórias. O que restava da massa era forjado. Eram forjadas, principalmente, armas e ferramentas. Introdução EVOLUÇÃO DOS PROCESSOS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA As primeiras ligas metálicas Ligas de Ferro: ─Ao se aquecer e forjar um novo mineral, (minério de ferro), descobriu-se um novo material, mais duro e mais resistente do que o bronze; ─A fundição do ferro possibilitava a obtenção de produtos com elevada dureza por causa do carvão. ─Foi necessário o desenvolver os primeiros fornos de fundição com injeção de ar para obtenção de altas temperaturas para aquecer o minério de ferro misturado com carvão. Introdução EVOLUÇÃO DOS PROCESSOS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA As primeiras ligas metálicas A origem do Aço O homem verificou que quanto menos carbono (oriundo do carvão) fosse absorvido pelo ferro, menos duro e menos quebradiço ficaria o produto final. Foi assim que a fundição possibilitou um grande aumento na produção de peças de ferro fundido. Dadas as vantagens técnicas, produtos que eram forjados em cobre ou bronze foram substituídos pelo ferro fundido. Nessa época, o homem dava os primeiros passos para a obtenção do aço, material mais importante da era dos metais. Introdução EVOLUÇÃO DOS PROCESSOS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA Desenvolvimento das máquinas MÁQUINAS SIMPLES MÁQUINAS COMPLEXAS Introdução EVOLUÇÃO DOS PROCESSOS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA Evolução das máquinas Torno mecânico Máquina a Vapor James Watt, no século XVIII Introdução EVOLUÇÃO DOS PROCESSOS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA Evolução das máquinas Eletricidade e Automatização Substituição da energia a vapor pela elétrica; Automatização das máquinas através de dispositivos mecânicos; Surgimento das linhas de produção; Intercambiabilidade e redução de custos de produção. Introdução – Evolução do Materiais ouro madeira peles fibras pedra cobre tijolos louça bronze vidro papel ferro colas cimento refratários ferros fundidos borracha AÇO cimento portland Epóxis polímeros de “alta” temperatura matriz metálica PRFV PRFC PRFK matriz cerâmica pirocerâmicas cerâmicas “tenazes” aços ligados baquelite nylon PE PMMA PC PS sílica fundida ligas leves superligas base Ni, Co ligas refratárias aços ARBL vidros metálicos aços inoxidáveis dúplex ligas Al-Li processamento otimizado Fonte: Ciência dos materiais 6ª Edição – James F. Shackelfrod Introdução Exemplos de peças fabricadas com materiais metálicos Introdução Exemplos de peças fabricadas com materiais metálicos Introdução Exemplos de peças fabricadas com materiais metálicos Introdução Exemplos de peças fabricadas com materiais metálicos Introdução CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS DE FABRICAÇÃO Os processos de fabricação podem ser divididos em: CONFORMAÇÃO; MOLDAGEM; CORTE; JUNÇÃO. CONFORMAÇÃO DOS METAIS Entende-se como conformação dos metais a modificação de um corpo metálico para outra forma definida. Os processos de conformação podem ser divididos em dois grupos: • processos metalúrgicos nos quais as modificações de forma estão relacionadas com altas temperaturas. • processos mecânicos nos quais as modificações são provocadas pela aplicação de tensões externas. Introdução CONFORMAÇÃO DOS METAIS Os processos metalúrgicos subdividem-se em: • Conformação por solidificação: temperatura adotada superior ao ponto de fusão do metal (Ex. fundição) • Conformação por sinterização: temperatura de processamento é inferior ao ponto de fusão do metal (metalurgia do pó). Introdução CONFORMAÇÃO DOS METAIS Os processos mecânicos subdividem-se em: • Processos de conformação plástica: tensões aplicadas inferiores ao limite de resistência à ruptura do material; • Processos de conformação por usinagem: tensões aplicadas superiores ao limite de resistência à ruptura do material com geração de cavaco. Introdução IntroduçãoCLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO PLASTICA Fonte: BRESCIANI, 1991 Introdução PROCESSOS DE FABRICAÇÃO POR CONFORMAÇÃO PLASTICA Fonte: BRESCIANI, 1991 Que processos de fabricação foram utilizados para o produto abaixo? Introdução Usualmente 15 000 peças compõe um automóvel Metalurgia da Conformação Plástica ASPECTOS GERAIS Metalurgia da conformação plástica Aspectos Gerais Importância da metalurgia para os processos de fabricação. O estudo da metalurgia aplicada para os processos de conformação plástica será dividido em quatro principais tópicos: • conceitos fundamentais da estrutura cristalina; • deformação plástica do metal; • encruamento e recozimento; • textura e anisotropia. Metalurgia da conformação plástica ESTRUTURAS CRISTALINAS A maioria dos materiais de interesse para o engenheiro tem arranjos atômicos que são repetições, nas três dimensões, de uma unidade básica. Tais estruturas são denominadas cristais. Reticulado cristalino 07 Sistemas e 14 arranjos (Redes Bravais) Metalurgia da conformação plástica Sistema cristalino Parâmetro de rede e ângulo entre os eixos Estrutura cristalina Cúbico Três eixos iguais em ângulo reto Cúbica simples a=b=c, ===90 Cúbica de corpo centrado Cúbica de faces centradas Tetragonal Três eixos em ângulo reto, dois iguais Tetragonal simples a=bc, ===90 Tetragonal de corpo centrado Ortorrômbico Três eixos desiguais em ângulo reto Ortorrômbico simples abc, ===90 Ortorrômbico de corpo centrado Ortorrômbico de bases centradas Ortorrômbico de faces centradas Romboédrico Três eixos iguais, ângulos iguais Romboédrico simples a=b=c, ==90 Hexagonal Dois eixos iguais a 120, terceiro eixo a 90 Hexagonal simples a=bc, ==90, =90 Monoclínico Três eixos desiguais, um ângulo diferente Monoclínico simples abc, ==90, 90 Monoclínico de bases centradas Triclínico Três eixos desiguais, ângulos desiguais Triclínico simples abc, 90 Conceitos fundamentais da estrutura cristalina A maioria dos cristais metálicos se cristaliza nos sistemas denominados de cúbico de face centrada (CFC), cúbico de corpo centrado (CCC) e hexagonal compacto (HC). Metalurgia da conformação plástica Tipo de estrutura de alguns materiais na temperatura ambiente: • Fe, o Cr, o Mo e o Nb são CCC • Al, o Cu, o Ni e a Ag, são CFC • Co, o Mg, o Ti e o Zn são HC. Sistema cúbico de corpo centrado - CCC Metalurgia da conformação plástica Na estrutura CCC cada átomo dos vértices do cubo é dividido com 8 células unitárias; Cada átomo de uma estrutura CCC é cercado por 8 átomos adjacentes Há 2 átomos por célula unitária na estrutura CCC. Sistema cúbico de corpo centrado - CCC Metalurgia da conformação plástica No sistema CCC os átomos se tocam ao longo da diagonal do cubo: (3) 1/2.a=4r accc= 4r/ (3) 1/2 RELAÇÃO ENTRE O RAIO ATÔMICO (R) e o PARÂMETRO DE REDE (a) PARA O SISTEMA CCC Fator de empacotamento atômico (FEA) = Número de átomos x Volume dos átomos Volume da célula unitária FEA representa a fração do volume da célula unitária ocupado pelos átomos a2 Sistema cúbico de corpo centrado - CCC Metalurgia da conformação plástica 1/8 de átomo 1 átomo inteiro Número de coordenação: corresponde ao número de átomos que cercam o átomo de referência Para a estrutura CCC o número de coordenação é 8 Sistema cúbico de face centrada - CFC Metalurgia da conformação plástica Na estrutura CFC cada átomo dos vértices do cubo é dividido com 8 células unitárias; Já os átomos das faces pertencem somente a duas células unitárias; Há 4 átomos por célula unitária na estrutura CFC. Sistema cúbico de face centrada - CFC Metalurgia da conformação plástica RELAÇÃO ENTRE O RAIO ATÔMICO (R) E O PARÂMETRO DE REDE (a) PARA O SISTEMA CFC acfc = 4 R/(2)1/2 Sistema cúbico de face centrada - CFC Metalurgia da conformação plástica Para a estrutura CFC o número de coordenação é 12 Número de coordenação: corresponde ao número de átomos que cercam o átomo de referência Metalurgia da conformação plástica Sistema Hexagonal compacto - HC O número de coordenação para a estrutura HC é 12 e, portanto, o fator de empacotamento é o mesmo da cfc, ou seja, 0,74. Metalurgia da conformação plástica Sistema Hexagonal compacto - HC Cada átomo tangencia 3 átomos da camada de cima, 6 átomos no seu próprio plano e 3 na camada de baixo do seu plano Relação entre R e a: a= 2R Metalurgia da conformação plástica Metalurgia da conformação plástica ALOTROPIA (OU POLIMORFISMO) DO FERRO A 1394°C o ferro passa novamente para CCC. A 910°C, o Ferro passa para estrutura CFC, número de coordenação 12, fator de empacotamento de 0,74 e um raio atômico de 1,292Å. Na temperatura ambiente, o Ferro tem estrutura CCC, número de coordenação 8, fator de empacotamento de 0,68 e um raio atômico de 1,241Å. CCC CFC CCC Até 910°C De 910-1394°C De 1394°C-PF Metalurgia da conformação plástica POLIMORFISMO DO FERRO POLIMORFISMO DO CARBONO Fonte: Prof. Rubens Caram – UNICAMP) http://pt.wikipedia.org/wiki/Alotropia Defeitos Cristalinos – Cristal Perfeito x Cristal Real São imperfeições do reticulado cristalino Os defeitos têm grande influência nas propriedades do cristal, particularmente as que estão associadas à deformação plástica. Os defeitos podem ser classificados como: • defeitos de ponto; • defeitos de linha; • defeitos de plano; • defeitos volumétricos. Metalurgia da conformação plástica Defeitos Cristalinos – Cristal Perfeito x Cristal Real Os defeitos de ponto são: • Vacância (lacuna); • átomo de impureza intersticial; • átomo de impureza substitucional; • átomo deslocado de sua posição no reticulado. Metalurgia da conformação plástica Defeitos Cristalinos Defeitos de ponto Metalurgia da conformação plástica Defeitos Cristalinos Defeitos de ponto Metalurgia da conformação plástica Defeitos Cristalinos Defeitos de ponto Metalurgia da conformação plástica É impossível existir um metal consistindo de um só tipo de átomo (metal puro). • As técnicas de refino atualmente disponíveis permitem obter metais com um grau de pureza no máximo de 99,9999%. Defeitos Cristalinos Os defeitos de linha são: • discordâncias de cunha (aresta); • discordâncias helicoidais; • discordâncias mistas. Metalurgia da conformação plástica Defeitos Cristalinos Defeitos de linha Os defeitos de linha - discordâncias CUNHA (ARESTA) HÉLICE Metalurgia da conformação plástica Defeitos Cristalinos Os defeitos de plano são: • contornos de grão; • contornos de sub-grão; • contornos de macla Metalurgia da conformação plástica Defeitos Cristalinos Os defeitos volumétricos (tridimensionais) são: • Vazios (poros); • fissuras; • incrustações. Metalurgia da conformação plástica Defeitos Cristalinos Defeitos volumétricos (tridimensionais) Metalurgia da conformação plástica COMPACTADO DE PÓ DE FERRO APÓS SINTERIZAÇÃO A 1150oC, POR 120min EM ATMOSFERA DE HIDROGÊNIO Deformação plástica do cristal Um corpo metálico que é solicitado por uma tensão superior à tensão limite de escoamento sofre uma deformação plástica. Dois mecanismos estruturais que podem estar presentes durante o processo de deformação plástica: • Escorregamento • Maclação. Metalurgia da conformação plástica Deformação plástica do cristal No escorregamento, uma partedo cristal move-se em relação à outra parte, segundo determinados planos e direções cristalográficas, conhecidos como planos e direções de escorregamento. Na maclação uma parte do cristal se inclina em relação à outra a partir de um plano limite das duas partes, denominado plano de maclação. Metalurgia da conformação plástica Deformação plástica do cristal ESCORREGAMENTO MACLAÇÃO Metalurgia da conformação plástica Deformação plástica do cristal O escorregamento ocorre de acordo com critérios básicos estabelecidos: • a direção e o plano de escorregamento coincide preferencialmente com as direções e os planos de maior densidade atômica; • o escorregamento ocorre segundo um sistema de escorregamento (planos e direções), onde é maior a tensão de cisalhamento decomposta. Metalurgia da conformação plástica Deformação plástica do cristal No CFC o número total de sistemas de escorregamento é 12 No HC o número total de sistemas de escorregamento é 3. No CCC o número de sistemas de escorregamento pode ser 12 ou 24, o que irá depender da combinação entre planos e direções. Metalurgia da conformação plástica Deformação plástica do cristal Sistemas de escorregamento Metalurgia da conformação plástica Deformação Plástica e Discordâncias A tensão limite de escoamento de um cristal real é bem menor que a do cristal teórico perfeito, principalmente devido à presença de discordâncias. • Decorre da facilidade apresentada pela discordância em se movimentar. • Ocorre geração de mais discordância no decorrer do processo de deformação. Metalurgia da conformação plástica Deformação Plástica e Discordâncias Tensão de escoamento. Metalurgia da conformação plástica Discordâncias Facilidade das discordâncias em se movimentar. CUNHA (ARESTA) Metalurgia da conformação plástica Discordâncias em cunha movem-se devido à aplicação de uma tensão de cisalhamento perpendicular à linha de discordância Discordâncias O resultado da movimentação da discordância através de um cristal corresponde à deformação plástica desse cristal, numa magnitude igual a uma distância interatômica. •Ocorre geração de mais discordância no decorrer do processo de deformação. O RESULTADO É O ENCRUAMENTO DO MATERIAL Metalurgia da conformação plástica Discordâncias A tensão crítica que provoca a deformação plástica não depende somente da geração e movimentação de discordâncias, mas também das forças opostas a essa movimentação. Exemplos: • Presença de outros defeitos cristalinos. • Interação das discordâncias entre si durante a movimentação. • Presença de impurezas ou de elementos de ligas nos metais em solução sólida ou formando outras fase. Metalurgia da conformação plástica Encruamento É Fenômeno no qual um material endurece devido à deformação plástica (realizado pelo trabalho à frio). Esse endurecimento dá-se devido ao aumento de discordâncias e imperfeições promovidas pela deformação, que impedem o escorregamento dos planos atômicos Um metal encruado apresenta • maiores limites de escoamento e de resistência; • maior dureza; • menor alongamento e estricção. Metalurgia da conformação plástica Encruamento A microestrutura também se altera com o trabalho a frio. Os grãos deformados se tornam alongados e adquirem uma orientação cristalográfica preferencial de acordo com a direção do processo de conformação. Metalurgia da conformação plástica Antes da deformação Depois da deformação Encruamento A energia armazenada pelo cristal deformado pode se dar nas formas de vacâncias e de maclas. Entretanto, a maior parte desta energia está relacionada à geração e interação de discordâncias, de maneira que o número destas aumenta com a elevação da intensidade de deformação plástica. Metalurgia da conformação plástica Encruamento A resistência a corrosão do metal deformado plasticamente a frio também é alterada. • A energia interna acumulada pelo encruamento eleva a reatividade química do metal, reduzindo sua resistência a corrosão. Metalurgia da conformação plástica Encruamento ALTERAÇÃO TÍPICAS DAS PROPRIEDADES Metalurgia da conformação plástica Encruamento X Energia Interna O estado de trabalho a frio é uma condição de maior energia interna do que o material não deformado. Embora a estrutura celular de discordâncias do material trabalhado a frio seja mecanicamente estável, ela não é termodinamicamente estável. Metalurgia da conformação plástica Recozimento O tratamento térmico que conduz o metal encruado a condição inicial. • O Recozimento consiste num aquecimento a uma determinada temperatura (temperatura de recristalização) durante um certo tempo. Metalurgia da conformação plástica Recozimento A temperatura que define o limite superior para o trabalho a frio é a temperatura de recristalização. Essa temperatura não pode ser expressa com exatidão, pois depende da: • composição química do material metálico; • da intensidade e velocidade de deformação. Metalurgia da conformação plástica Recozimento Para condições práticas, a temperatura de recristalização pode ser definida como: A temperatura na qual uma dada liga, num estado altamente trabalhado a frio, recristaliza-se completamente em uma hora. Metalurgia da conformação plástica Recozimento Temperatura de recristalização em diferentes materiais Metalurgia da conformação plástica Recozimento No processo de alívio de energia interna, pode-se distinguir três estágios: • recuperação; • recristalização; • crescimento dos grãos. Metalurgia da conformação plástica Recozimento Metalurgia da conformação plástica Recozimento Metalurgia da conformação plástica Prof. C. Brunetti demec.ufpr Encruamento x Recozimento Metalurgia da conformação plástica (a) Variação nas propriedades mecânicas reveladas por um ensaio de tração do níquel com quantidades cada vez maiores de deformação por laminação. (b) Recuperação das propriedades mecânicas de acordo com ciclos de recozimento de 1 hora nas temperaturas indicadas Fonte: Meyers & Chawla (1999). Encruamento x Temperatura de recristalização Metalurgia da conformação plástica É essa temperatura de recristalização mínima, ou limite, que é normalmente especificada na literatura. Recozimento Metalurgia da conformação plástica Influência da temperatura de recozimento nas propriedades de uma liga de latão Recozimento Efeito do crescimento de grão sobre a superfície do material “Casca de laranja” Metalurgia da conformação plástica “orange-peel efect” Causado por maior ou menor tamanho de grão? Textura e Anisotropia A forma da orientação dos cristais constituintes do material metálico é denominada de textura. Considera-se um metal com ausência de textura, quando a distribuição das orientações dos cristais no agregado policristalino é aleatória. Pode ser resultante de tratamento térmico ou deformação plastica. Metalurgia da conformação plástica Textura e Anisotropia Metalurgia da conformação plástica Textura e Anisotropia Metalurgia da conformação plástica Textura chapa de aço inoxidável laminada Textura e Anisotropia Metalurgia da conformação plástica Textura e Anisotropia A formação de textura pode ser benéfica: • aproveitamento das propriedades elásticas em molas metálicas. • a textura preferencial para melhorar a estampabilidade dos materiais. • aproveitamento da propriedade de resistênciamecânica maior numa direção específica; • redução das perdas elétricas e magnéticas em chapas de transformadores e máquinas elétricas. Metalurgia da conformação plástica Textura e Anisotropia Pode-se citar como exemplos de processos de deformação plástica que podem condicionar o material a possuir determinada textura: • Laminação; • Trefilação Metalurgia da conformação plástica Atividade extra-classe Quais os materiais e propriedades específicas que definem seu uso nesses equipamentos/objetos? • Bateria de celular • Células fotovoltaicas • Turbinas para propulsão à jato • Pistão de motor de combustão interna • Blocos de motores automotivos • capacete balístico • Parafusos para implantes dentários • Válvulas cardíacas • Prancha de surf • agulha de sutura cirúrgica • disco de freio • microondas • fios de sutura cirúrgica • capo de um veículo • vara para salto • lâmpada de vapor de sódio • Broca de metal duro • Taco de golfeara para salto Metalurgia da conformação plástica
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