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Conformação Mecânica Conformabilidade: capacidade de um material metálico ser deformado plasticamente sem trincar. Depende: Rede cristalina do material: como os átomos se organizam nos materiais. CFC (4 átomos), CCC (2 átomos), HC (4 átomos). O material quando se solidifica nunca forma as estruturas cristalinas exatas, sempre forma defeitos. - Defeitos Cristalinos: 0 dimensional (ponto) – lacunas (vazio), intersticiais (em locais que não deveria estar, carbono), substitucionais (outros elementos de liga) 1 dimensional (linha) – discordâncias (aresta, cunha, espiral) 2 dimensional (superfície) – contorno de grão, maclas 3 dimensional (volume) – poros, inclusões (metálicas, não metálicas, carbonetos) Movimento de discordâncias (rompe-se uma ligação e forma outra) - Material: 105 disc/cm2 - O afloramento de uma discordância para a superfície às vezes não acontece porque o contorno de grão pode ser uma barreira - Átomo intersticial também dificulta a passagem da discordância - Intersecção de discordância (discordâncias em todos os planos do espaço) também pode ser uma barreira - Discordâncias formam campos de tensões (tração e compressão). Interação de campos de tensões: podem interagir entre si e privar o movimento das discordâncias. - Átomos substitucionais maiores: provocam uma distorção da rede cristalina - Grãos grandes: grande movimento de discordâncias - Inclusões: forma um anel de discordância em volta do precipitado - Encruamento: grande aumento de discordâncias Fratura: intergranular (+ frágil), intragranular (+ dúctil) Planos preferenciais + Direções compactas = Sistema de deslizamento Maclação: deformação plástica com movimento de átomos menor que um parâmetro atômico, e uma parte possui imagem especular da outra. Muito comum no CFC. CFC – apresenta plano compacto, melhor condição de deformação plástica. CCC- não possui plano compacto apenas direção, tensão para iniciar deslizamento é maior e deformidade menor que CFC. HC – planos basais são os planos compactos, ductilidade baixa.Microestrutura do material propriedades mecânicas - Composição química: influencia a adição de elementos de liga - Tratamentos térmicos: amolecer material, dureza, etc. - Tamanho de grão: temperatura de austenização volume (tamanho de grão) = energia (de contorno de grão) (tudo tende ao mais baixo nível de energia) tamanho de grão = resistência mecânica Principal elemento substitucional do aço: carbono Tensões iguais se repelem, tensões diferentes se atraem Cementita é ortorrômbica, ferrita é CCC estruturas totalmente diferente do Fe Além do C intersticial, os contornos de grão também atrapalham na conformabilidade Na conformação nunca se ultrapassa o limite de escoamento, 15/20/25% é o máximo que se pode ter de def. plástica. Átomos intersticiais: H, N, B, O, C H: causa fragilidade - 2 átomos de H (H2) exige um espaço muito maior, que gera um campo de tensão grande. - material dúctil absorve essas tensões, em outros materiais pode trincar - tendência a ir para o contorno de grão onde ocorre trinca intercristalina Aços ferramenta: elevado teor de elementos de liga e de C. Na temperatura de austenização aumenta a solubilidade, no resfriamento rápido não permite a difusão, o que causa as trincas. Usinabilidade - bom cavaco é curto e quebradiço, um cavaco encruado é quebradiço - enxofre: 0,2% em aço, melhora a usinabilidade se combinado com Mn, forma sulfeto de manganês Tratamentos térmicos - recozimento - de alivio de tensões - de recristalização acabar com encruamento - recozimento pleno para tirar a têmpera - normalização diminuir tamanho de grão - têmpera revenimento precipitação solubilização T austenização PP dissolve martensita tetragonal gera tensões revenimento - esferoidização melhora a conformabilidade Esferoidização da cementita: diminuir a energia livre por difusão (próximo a temperatura eutetóide ~ 700°C). Deve ocorrer na temperatura mais alta possível para evitar o crescimento de grão. -Ex. Cu TF = 1081°C velocidade que os átomos se movimentam 1027x/s, no processo de esferoidização é bastante demorado ~ 30 horas. - Esferoidização não fica boa, então pode fazer a conformação a quente, porém fica sem encruamento, então faz uma têmpera para deixar com melhores propriedades mecânicas. Tensão cisalhante a 45° tensão normal = tensão máxima. Tamanho de grão austenítico: austenita a altas temperaturas = energia elevada, crescimento de grão = energia - partículas e átomos que se difundem com dificuldade, dificultam o crescimento de grão, estabilidade em temperaturas elevadas. - pequeno tamanho de grão = limite elástico elevado - escoamento do material aumenta com tamanho de grão Efeito da taxa de deformação - escoamento do material aumenta com taxa de deformação - temperatura do material aumenta devido ao aquecimento adiabático - melhor lubrificação na interface metal-ferramenta, se filme do lubrificante for mantido - Taxa de deformação Equação de Hall-Petch Temperatura na Conformação Mecânica Conformação a Frio (30% Tf) - para ter elevada conformabilidade esferoidização grãos de cementita - maior desordem das discordâncias = encruamento. Quando aquecer acaba com o encruamento (estado de tensão interna elevado, ex. cerca de arame farpado) - menos energia, mais resistente, porém mais frágil - apresenta instabilidade, pois se aquecido pode mudar as propriedades e alterar o material - com a composição definida representa a redução ao movimento das discordâncias - pode-se usar lubrificantes de extrema pressão. Lubrificação com pressão precária pode gerar atrito entre 2 partes e aumentar demais a temperatura e até gerar solda, com lubrificação adequada isso não acontece Conformação a Morno (30% - 50% Tf) - recuperação: anulação das discordâncias + e – que se encontram e acabam com o encruamento, porém não ocorre à recristalização, há certa relaxação - parâmetros atômicos ficam maiores nessa faixa de temperatura - temperatura interna que permite certa mobilidade dos átomos, que gera certo rearranjo nas discordâncias - nível de tensões internas é consideravelmente mais baixo, mas não ocorre a recristalização, grãos continuam largos = recuperação do material efeito da conformação a morno nas propriedades mecânicas: temperatura de deformação deformação e taxa de deformação resistência ductilidade do produto Vantagem a morno com relação a frio: aumentos similares de resistência melhor tenacidade e ductilidade do material Evolução microestrutural na conformação a morno: - estudos de laminação entre 500 e 750°C mecanismo de amolecimento dinâmico dos aços ferríticos é recuperação (subestrutura de discordância é produzida na ferrita). Nesta faixa de temperaturas não ocorre recristalização aço 0,07% a 840°C com redução na laminação de 40% certa de 10% recristalizou estaticamente. Conformação a Quente (50% Tf) - recuperação e recristalização Recristalização = surgimento de um novo grupo de grãos a partir da estrutura existente, redução do tamanho de grão. Ocorre nos pontos de maior concentração de tensões, como contornos e intersecção de grãos FIGURA - nucleação depende da temperatura de conformação e da taxa de deformação (energia interna do material), que quanto maior a deformação maior é o refino de grão - recristalização termicamente ativa - Ex. jamais de consegue laminar de 5mm para 1mm, pois haverá muito encruamento e pode estragar o material. Faz-se então um tratamento (intermediário) para haver a recristalização, acima da temperatura de conformação a quente processo de forma contínua Vantagem: força menor Desvantagens: energia alta, dimensionamento da peça, descarbonetação, lubrificação (difícil de encontrar um eficiente) causa desgaste na ferramenta (custo alto) = problemas de acabamento na superfície. - Lingotamento contínuo: fundidos e vão para a laminação continua e se chega a 5mm (não da menos, porquehá muito gasto de energético para manter a chapa, que é muito grande, na temperatura quente). Influência da temperatura na deformação: difusibilidade do C, que difunde para onde a energia é menor, C esta num local de grande compressão e migra para a discordância e a segura = aumento de resistência = altera escoamento movimento de átomos intersticiais para as discordâncias prendendo-as. Menos de 300°C ainda não há energia interna suficiente para ocorrer a mobilidade esses átomos. - revenido a 300°C pode fragilizar o material = fragilidade do revenido - acima de 700°C o material fica austenítico: CFC e apresenta comportamento diferente. Em eixos temperados e revenidos e depois usinados para acabamento – pode quebrar o balanceamento e deformar Atrito em Processos de Conformação: mecanismo pelo qual se desenvolvem forças na superfície de 2 corpos em contato produzindo resistência ao deslizamento de um corpo sobre o outro. - alteração dos estados de tensão necessários a conformação - produção de fluxos irregulares de metal durante a conformação - aparecimento de tensões residuais no produto - necessária mais força para vencer atrito = problemas no acabamento superficial Shot spinning : jateamento com granalhas de aço para aumentar a tensão de compressão- atrito de deslizamento, tensão de atrito (tensão cisalhante na interface), atrito de aderência, desgaste de ferramentas Tensões residuais: influencia muito significativa. Sistema de tensões que pode existir em um corpo quando ele está livre de forças externas - tensões elásticas plásticas rompem o material - balanceada: estão em equilíbrio (Ex. na usinagem quando se faz um furo quebra esse equilíbrio e pode gerar trincas deformações plásticas, permanente) - tridimensional - embora haja tensões cisalhantes, é comum só considerar tração e compressão compressão melhora resistência a fadiga. Fatores de induzem: - deformações heterogêneas (mecânicas), aquecimento heterogêneo e restrições térmicas -metalúrgicas: variação de volume da transformação de fase (ex. martensita) - químicos: ataque químico ou corrosão preferencial pode romper equilíbrio das tensões residuais distorção - Eliminação de tensões residuais: aquecimento, deformação a frio. Lubrificação na Conformação Mecânica: reduzir atrito através da introdução de camada de fácil cisalhamento entre ferramenta e peça Função dos lubrificantes - reduzir carga necessária para deformação - aumentar deformação possível antes da fratura - controlar acabamento superficial do produto -minimizar o desgaste da ferramenta -minimizar a absorção do metal da peça pelas ferramentas -proporcionar isolamento térmico para peça e ferramenta - resfriar a peça e/ou ferramenta - possuir condutividade elétrica para assegurar o desaparecimento de cargas elétricas estáticas Requisitos para um bom lubrificante - trabalhar numa larga faixa de temperaturas, pressões e velocidades de deslizamento -boas propriedades de espalhamento e molhabilidade - ser compatível com material da peça e das ferramentas com relação ao ataque químico e molhabilidade - boa estabilidade térmica e resistência ao ataque bacteriológico e outros contaminantes - produzir resíduos inofensivos e facilmente removíveis (não manchar as peças em tratamentos térmicos e soldagens posteriores) - ser atóxico, não inflamável e barato Laminação: perfis cilindros curtos e estreitos Trefilação: arame (fieira). Puxa-se o material Extrusão: tubos, perfis de Al. Empurra-se o material Conformação de chapas: só a frio. Corte e dobramento Ferramentas: - menor desgaste da ferramenta = vida útil - ferramentas x conformabilidade Requisitos para Ferramenta Resistência mecânica: suportar elevadas tensões que o material esta sendo submetido. Também para segurar partículas duras. Relacionada a elevada dureza. Resistência ao desgaste: endurecendo a peça. A dureza (conseqüência da composição química) é necessária, porem não é suficiente. O mais importante é ter um material com partículas duras (carbonetos e nitretos) Dureza Resistência a temperatura ambiente e altas temperaturas Resistência a fadiga: evitar fazer ferramentas com cantos vivos que leva a pontos de nucleação de trincas. Conseqüência de projetos mal feitos. Bom acabamento superficial Temperabilidade Além dessas características: - Tenacidade: antagônica a dureza, tentar conciliar dureza com tenacidade. - Estabilidade Dimensional: qualquer variação na dimensão causa grandes prejuízos - Estabilidade química: relação com corrosão, Cr (óxido) principal elemento anti-corrosivo do aço, pode formar carbonetos de Cr (resistência ao desgaste), porém assim não sobram óxidos para Cr ser usado contra corrosão, compensa mais usar um lubrificante para isso. - Resistência a fluência: não é tão sério em ferramentas, porque fluência é conseqüência a longo tempo (ensaios conclusivos podem levar 11 anos) e não há um tempo longo aplicando a ferramenta. Importante em turbinas de avião (uso continuo por longo tempo) não há aplicação de força continua na maioria dos casos, há na laminação à quente. - Baixo custo: tentar relacionar essas variáveis com baixos custos. Melhorar essas variáveis: Resistência ao desgaste: - formar carbonetos elementos formadores de carbonetos: Mn, Cr, Mo, W, V, Nb, Ti, Ta Si é desestabilizador, jamais usar, ex. fofo é grafitizante e forma cementita Mn é fraco porque se junta com O e forma óxido de manganês Cr é pouco estável e se dissolve na ferrita (só vai se dissolver se não estiver na forma de carboneto) Ta mais forte formador de carboneto Nb, Ti, Ta pouco usados porque são estáveis demais Cr e V é usado para aços de ferramentas de trabalho a frio Mo, W para aços de ferramentas de trabalho a quente, V também para ter carbonetos estáveis e ter refino de grão. (Mo+V = endurecimento secundário) Ex. Fundir aço para ferramentas com determinada composição química e ao solidificar fica com determinada forma: Fundição Solidificação Carbonetos primários - Carbonetos primários: frágeis, fácil de trincar, devem ser dissolvidos - Não é uma estrutura desejada Esse aço deve ser adquirido para usinar e assim fabricar a ferramenta (usinagem pode ser eletroerosão, bem automatizado) Após a ferramenta estar pronta faz o tratamento térmico: Tratamento térmico: têmpera (aquece até a temperatura de austenita 1280°C) com tempo necessário para dissolver os carbonetos primários (por isso não se usa Nb,Ti, Ta pois são muito estáveis e seria difícil dissolver, teria que usar uma temperatura muito alta e causaria crescimento de grão, que seria um problema). Transforma-se em martensita (CFC para tetragonal). Nem sempre os elementos adicionados na austenita terão lugar nessa nova estrutura = austenita retida (metaestável) que é mole. Após o resfriamento da martensita faz o revenido. Revenido aliviar estados de tensões da martensita (tetragonal para CCC), martensita metaestável se transforma em martensita, se aquecido novamente pode voltar à tetragonal, faz-se outro revenimento para isso não acontecer. - Tetragonal para CCC: tendência a expulsar elementos de liga, mas eles levam o C junto e forma carbonetos muito pequenos e finamente dispersos na matriz (não há mais energia/temperatura para ter movimentos longos = carbonetos pequenos = secundários) -Se não dissolver todos os carbonetos primários haverá poucos secundários = fragilidade = pode trincar (acontece quando não há equipamentos adequados) Aços para trabalho a frio indeformáveis: austenita retida, por ser mole absorve as tensões da martensita transformada = não há variações volumétricas. - necessários fornos que possam manter constante a temperatura de austenitização (1280°C), qualquer variação produz grandes problemas - boa estrutura: captação de gás - tratamento térmico: complexo - Dureza martensita: dura que pode ‘segurar’ partículas de carboneto -Usinagem: pastilhas de cerâmica - Conformação: cerâmicas de alto desempenhoem fieiras (trefilação) pode usar diamante. - Metal duro: carboneto de W com Ta misturado com Co. Usa-se em pequenas quantidades (alto custo) - Cilindros de laminadores: extremamente pesados, muito gasto de material - Ferro fundido branco: porte externa, resfria mais rapidamente, não há tempo para precipitação da grafita - Ferro fundido cinzento: porte interna, resfria lentamente, há tempo para precipitação da grafita. Porém são feitos ou aço com cobertura de Cr duro ou carbonetos de Cr que dão resistência ao desgaste. Forjamento: operações efetuadas com esforços de compressão em material dúctil, de modo que tende a assumir o contorno ou perfil da ferramenta de trabalho. - matriz aberta entre 2 superfícies livres - matriz fechada com rebarba - matriz fechada sem rebarba Equipamentos empregados - Martelos de forjamento: queda livre, aceleração mecânica ou hidráulica e martelo contra golpe (matrizes superior e inferior se movem) - Prensas Mecânica: dependendo da aplicação atualmente 600-800 golpes/min Hidráulicas: grandes, velocidade baixa, somente para componentes grandes (ex. núcleo de reator nuclear) Forjamento livre: conformar por pressão com ferramentas que se movimentam umas contra as outras e que não contém a forma da peça ou somente contem em parte. Conformado entre matrizes planas ou de formato simples, que normalmente não se tocam. Operações unitárias: dar pré forma para a peça e depois em outra conformação dar formato final. Finalidades: produzir peças acabadas de feito simples; redistribuir a massa de uma peça bruta para facilitar a obtenção de uma peça complexa por posterior forjamento em matriz. - Recalque ou recalcamento: compressão direta do material entre um par de ferramentas de face plana ou côncava, visando reduzir a altura da peça e aumentar sua seção transversal. - Estiramento: visa diminuir o comprimento de uma peça a custa de sua espessura. - Encalcamento: variedade de estiramento em que se reduz a seção de uma porção intermediaria da peça por meio de uma ferramenta ou impressão adequada. - Rolamento: operação de distribuição de massa ao longo do comprimento da peça, mantendo-se a seção transversal redonda enquanto a peça é girada em torno do próprio eixo. - Alargamento: aumenta a largura de uma peça reduzindo sua espessura. - Furação: abertura de um furo na peça, geralmente por meio de um punção de formato apropriado, nem sempre é possível fazer até o final. Operações unitárias mais comuns: - Extrusão (direta ou inversa): material é forçado a passar através de um orifício de seção transversal menor que a peça. - Laminação de forja: reduz e modifica a seção transversal de uma barra passando-a entre 2 rolos que giram em sentidos opostos, tendo nada rolo um ou mais sulcos de perfil adequado, que se combina com o sulco correspondente ao outro rolo. - Caldeamento: produzir soldagem de 2 superfícies metálicas limpas postas em contato, aquecidas e submetidas a pressão. - Cunhagem: produzir impressão bem definida na superfície de uma peça, geralmente para peças pequenas como moedas. Grandes detalhes de diversos tipos em peças maiores. - Fendilhamento: separar o material, geralmente, aquecido por meio de um mandril de furação provida de gume, depois de a ferramenta ser introduzida até metade da peça, é virada e fendilhada do lado oposto. - Expansão: alargar uma fenda ou fura, fazendo passar através do mesmo uma ferramenta de maiores dimensões. Nas operações de forjamento de corte: regiões com diferentes estados de tensões diferentes graus de deformação plástica. Na conformação a quente pode usar com rebarba. Na conformação a frio as propriedades mecânicas são diferentes devido a diferença nos tamanhos de grão (recristalização), não pode usar rebarba. Fazer a peça com várias formas intermediarias para que a deformação final tenha o mesmo fluxo. Efeito do atrito: no núcleo há estado de tensões muito maior. Distribuição de tensões: pode variar quando tamanho é maior. Flambagem de peças: peça dobrada de modo a adquirir um determinado contorno que pode variar de ’V’ até seções muito complexas Aspectos tecnológicos do Forjamento Livre: Aplicações: - peças grandes para produção em matriz fechada - conferir propriedades mecânicas que não podem ser obtidas na usinagem - quantidade de peças pequena para justificar custo em matrizes fechadas - prazo de entrega pequeno para confeccionar matrizes Tamanho dos forjados: limitado pela capacidade dos equipamentos, produz desde hélices de navios até poucos cm. Equipamentos: - martelos mecânicos: peças pequenas - martelos hidráulicos: peças maiores - calda de andorinha: facilitar retirada Forjamento em matriz: peças complexas ou de precisão, alta produção. Matriz tem alto custo; pré-forma + forma final. Exige matrizes especialmente preparadas que contenham o negativo (ou contorno) da peça a ser produzida. A obtenção de um formato complexo normalmente exige uma ou mais etapas de pré-forjamento (redistribuir o metal para posições mais adequadas para forjamento subsequente). - Locais de maior desgaste da matriz faz-se um recobrimento com nitreto (também ajuda a diminuir atrito) ou nitretação total. Através da vaporização deposita-se nitreto de tântano na superfície. Nitretação: deposita-se nitrogênio na superfície, deixa no forno (não introduz nem deposita nitreto, apenas nitrogênio), material vai para nitretação com tratamento e revenido, temperatura = 540°C bem abaixo da austenita (não interfere no tratamento térmico) Funções da Rebarba: garantir preenchimento da matriz; melhorar distribuição de fluxo no material; atuar como ‘válvula de segurança’; regular escapamento do metal. Diversas etapas de trabalho e ferramentas: economizar energia e trabalho, reduzir desgaste das ferramentas e aumentar precisão. - Conformação intermediaria: distribuição de massas, dobramento (se for o caso, formação de seção transversal). Movimento na conformação final objetivo: reduzir ascensão do material Processos básicos de movimentação de material no forjamento em matriz: Do ponto de vista de forças é melhor ter recalque do que ascensão. - Recalque: redução da altura inicial com escoamento de metal perpendicularmente a direção do movimento das matrizes. - Alargamento: grande movimentação transversal de material sob atrito. - Extrusão: escoamento de material numa direção paralela ao do movimento das matrizes. - Ascensão ou Extrusão inversa: sentido do movimento do material é contrário ao do trabalho. Geralmente aumenta a altura da peça e envolve grande deslocamento de material sob atrito. Características tecnológicas: reduzir carga do forjamento, o tempo, o nº de etapas e acessórios, simplificar fabricação de matrizes e ferramentas, garantir sanidade. Princípios observados no projeto de pré-formas: -área da seção transversal ao longo do comprimento da peça deve ser = a área de seção final com rebarba - raios das concavidades da pré-forma devem ser maiores do que os correspondentes na peça final - seção transversal da pré-forma deve ser mais alta e mais estreita que a seção final Regras a serem satisfeitas no projeto de peças: - paredes laterais das peças recalcadas devem ter sempre que possível a forma de barril - evitar cantos vivos - seções transversais perpendiculares á direção de forjamento devem ser arredondadas, ou pelo menos ter cantos arredondados - superfícies paralelas à direção de forjamento devem ser inclinadas - evitar fundos finos - espessuras das paredes, ressaltos e nervuras, obtidos por elevação do material, matem relação direta com a altura dos mesmos - evitar peças com grande assimétrica de forma e volume - evitar encaixes (reentrâncias laterais) - comum não forjar furos pequenos - rebarba deve ser posicionada no local mais adequado a sua remoção posterior e ao preenchimento total da cavidade da matriz - sempre que possível convém subdividir peças complicadas em partes simples a serem forjadas individualmentee depois unidas (soldagem) - quando necessário, sobre medida para usinagem - a precisão do forjamento leva em conta o efeito da contração térmica das peças (trabalho a quente) e certo grau de desgaste das matrizes - matriz deve estar perfeitamente alinhada. Se não estiver na posição ideal não há distribuição homogênea de forças. Grandes vantagens da Conformação: há condições de simultaneamente alterar a forma da peça e as propriedades mecânicas. Termomecânica: conciliar conformação com tratamentos térmicos Forjamento: para grande produção, normalmente peças pequenas - Livre: ferradura, espadas - Matriz: com rebarba (mais força necessária para conformação); sem rebarba. (a frio não se usa rebarba) Operações posteriores ao forjamento: - rebarbação - furação, usinagem - desempeno - calibração: não pode ser feito com forjamento secundário. Peça de metalurgia do pó pode forjar (reduz porosidade e calibra a peça) Recalque: zona de atrito que não há escoamento de material, por isso não se pode fazer furo no forjamento. Operações de limpeza superficial: tamboreamento; jateamento; decapagem química; neutralização. Melhoria de propriedades mecânicas: tratamentos térmicos Defeitos de forjados: - penetração incompleta do forjamento (deformação insuficiente) - trincamento superficial - trincamento na rebarba: raio de arredondamento da rebarba -dobra (prega, fenda de superposição): em cantos vivos - falha de enchimento: rebarba mal dimensionada, temperatura, falta de material - trincamento interno: grande diferença de velocidade de uma matriz para outra, há espalhamento interno, não há caldeamento dessas superfícies. Material exigido: Mi = massa do bloco inicial Mf = massa da peça forjada Mr = massa da rebarba Mo = massa de material perdido na forma de óxidos
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