Processos de Conformaýýo Mecýnica ý Aula 02

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Processos de Conformação 
Mecânica – Aula 02 
A metalurgia da deformação 
Prof. Leandro Entringer Falqueto 
E-mail: leandro.falqueto@hotmail.com 
1 – Introdução 
• Os processos de conformação mecânica exigem, cada vez 
mais, uma boa plasticidade dos materiais. 
• Neste segmento, os materiais devem se deformar facilmente, 
mantendo-se resistentes o suficiente para suportar os 
esforços devidos aos estiramentos e dobramentos sucessivos 
requeridos pelo processo de conformação. 
• Isso faz com que seja necessário estabelecer um bom 
compromisso entre a conformabilidade (trabalhabilidade) e a 
resistência mecânica. 
– Conformabilidade ou trabalhabilidade é a capacidade dos materiais 
deformarem-se plasticamente em um processo de conformação sem 
ruptura. 
• Porém, a conformabilidade e a resistência são propriedades 
mecânicas conflitantes. 
• Diversos estudos têm sido feitos numa tentativa de se contornar 
este conflito, nos quais novos materiais estão sendo desenvolvidos 
em variados segmentos da indústria de transformação. 
• Os aços ARBL (alta resistência e baixa liga) são exemplos de 
materiais de alta conformabilidade. 
• O desenvolvimento de novos materiais, com potencial para atender 
o compromisso entre essas propriedades conflitantes, é um 
promissor campo de estudo e requer conhecimentos específicos de 
duas áreas distintas: a metalurgia física e a metalurgia mecânica. 
2. Tipos de deformação 
• A alteração das formas ou propriedades dos materiais são obtidas por 
processos que envolvem a deformação das ligações químicas. 
• As tensões, necessárias à essa deformação, têm origem: 
– Carregamento externo; 
– Temperatura; 
– Transformações de fases; 
– Defeitos estruturais; 
– Presença de partículas de segunda fase. 
 
σ 
ε 
σ 
ε 
Material dúctil 
Material frágil 
• Deformação elástica: não há quebra de ligações químicas e a 
deformação é reversível. 
• Deformação plástica: há quebra de ligações químicas, 
deslizamento de planos cristalinos e recomposição das 
ligações. A deformação é quase toda irreversível. 
 
3. Deformação plástica em monocristais 
• Para entender a deformação plástica como processo, é 
necessário conhecer os mecanismos de deformação que 
atuam em um cristal quando submetido a um carregamento 
externo. 
• O modelo cristalográfico que mais compatibiliza com os 
processos mecânicos e metalúrgicos, em geral, é o modelo 
atômico de Bohr, de esferas rígidas. 
• Levando em conta que os cristais são constituídos por esferas 
rígidas, fica fácil admitir que a deformação só ocorre nas 
regiões e superfícies que demandam uma menor energia. 
• A deformação plástica deve ocorrer por cisalhamento de 
planos densos e espaçados entre si, nos quais as interações 
eletrostáticas são mais fracas. 
• Os planos de baixos índices de uma rede cristalina, 
geralmente os compactos, são suficientemente rígidos e 
oferecem menor resistência ao cisalhamento. 
• Logo, eles serão preferenciais para o processo de deformação. 
• Isso não significa que não existam outros planos, além dos 
compactos, pelos quais possa ocorrer a deformação plástica. 
• Geralmente, o deslizamento ocorre nas direções de maior 
densidade linear do plano de referência, sendo estas direções 
chamadas direções compactas. 
3.1. Sistemas de deslizamento 
• A conformação plástica ocorre sempre por deslizamento de 
planos de baixo índices e em direções particulares dos cristais, 
normalmente as compactas. 
• O conjunto de planos e direções que demandam os menores 
valores de energia para deformação são chamados sistemas 
de deslizamento de um cristal. 
 
 Mas, de quais cristais estamos falando? 
Quais planos? 
3.1.1. Sistemas cristalinos 
• Um material cristalino é aquele que os átomos são 
organizados de forma periódica ou repetitiva. 
• Algumas propriedades dos sólidos cristalinos dependem da 
estrutura cristalina, que representa a forma com a qual os 
átomos estão organizados. 
• Existem 7 tipos de células unitárias ou sistemas cristalinos: 
cúbico, tetragonal, romboédrico, hexagonal, ortorrômbico, 
monoclínico e triclínico. 
• 2 deles são encontradas na maioria dos metais comuns: 
– Cúbica (nas configurações CCC ou CFC); 
– Hexagonal. 
Cúbica de corpo 
centrado – CCC 
Cúbica de face 
centrada - CFC 
Hexagonal 
compacta - HC 
3.1.2. Cristalografia 
• Posições cristalinas são pontos representados na célula 
cristalina. 
 
 
 
• Direções cristalográficas são representadas por um vetor 
entre duas posições cristalográficas. 
 
• Planos cristalográficos são planos que cortam uma célula 
unitária. 
 
(a) Plano (001); (b) Plano (110); 
(c) Plano (111). 
• Densidade atômica planar (DAP): 
– Corresponde à densidade volumétrica de átomos em um plano. 
 
 
• Densidade atômica linear (DAL): 
– Corresponde à densidade de átomos em uma linha. 
 
 
• Os planos que apresentam o maior valor de DAP, para uma 
estrutura cristalina, são considerados planos compactos. 
• O mesmo vale para os valores de DAL, sendo que, neste caso, 
temos as direções compactas. 
3.1.3. Densidade atômica 
• O deslizamento é mais provável em planos e direções 
compactas, pois nestes casos a distância que a rede precisa se 
deslocar é mínima. 
• Dependendo da simetria da estrutura, outros sistemas de 
deslizamento podem estar presentes. 
Plano não compacto Plano compacto 
• Considerando um cristal hipotético de base b e altura a, sob 
uma tensão τ: 
 
 
 
 
• Para o deslocamento do átomo de referência, a tensão τ 
apresenta um comportamento senoidal: 
4. Tensão de cisalhamento teórica 
Átomo de 
referência 
 
 
 
 
 
• Quando o átomo de referência está na posição 1, ele está na 
posição instável, ou seja, qualquer tensão aplicada, por menor 
que seja, deslocará ele para a posição 0 ou 2. 
• Assim, para manter ele na posição 1, o deslocamento deve ser 
freado, utilizando uma tensão contrária. 
• Por isso, pode-se admitir que a tensão teórica de 
cisalhamento tem comportamento senoidal e vale: 
 
 
 
• Para pequenos deslocamentos, o temos: 
 
 
• Assim: 
 
 
• Por definição, temos que: 
 
– G o Módulo de Elasticidade 
– γ a deformação cisalhante, dada por γ = x/a 
• Substituindo na equação anterior: 
• Grande parte dos metais cúbicos apresentam G entre 104 e 
105 MPa, logo, τmáx estará entre 10
3 e 104 MPa. 
• Porém, em alguns monocristais metálicos foram encontrados 
valores experimentais de τmáx entre 10 e 100 MPa. 
• Como justificar tal discrepância? 
Resposta: 
Os materiais não são perfeitos como imaginávamos neste 
modelo e a deformação de um cristal não pode ser restrita a 
um simples cisalhamento entre planos. 
Os defeitos existentes interagem durante a deformação 
facilitando o cisalhamento entre planos, justificando os baixos 
valores. 
5.1.1. Defeitos pontuais 
• São defeitos que abrangem a vizinhança de poucos átomos. 
• Eles podem se apresentar como: 
– Vazios, que são importantes para os processos de difusão; 
– Átomos substitucionais; 
– Átomos intersticiais. 
 
Mecanismos de 
endurecimento 
5.1.2. Defeitos de linhas (discordâncias) 
• São defeitos que se propagam no cristal como linhas ou sob a 
forma de uma rede bidimensional. 
• Eles podem se apresentar como: 
– Aresta 
• um plano extra de átomos que termina no interior do cristal. 
– Hélice (espiral) 
• A região anterior e superior do cristal é deslocada uma distância atômica 
para a direita em relação a porção inferior. 
– Mista 
• Exibe componentes de ambos os tipos. 
Aresta Espiral Mista 
• As discordâncias fazem parte dos mecanismos de deformação,auxiliando inicialmente o cisalhamento entre planos. 
• Com a continuidade da deformação, essas discordâncias 
passam a interagir entre si, com outros defeitos do cristal ou 
com partículas de segunda fase, gerando barreiras que 
elevam a tensão necessária à continuidade da deformação. 
• Esse aumento contínuo da tensão produzido pela formação 
de barreiras é o que chamamos de encruamento. 
6. Mecanismos de deformação plástica 
• Antes de mais nada, a deformação plástica ocorrerá quando a 
tensão limite de escoamento do material for ultrapassada. 
• Ela deixa de ser proporcional à tensão aplicada, como 
acontece com a deformação elástica. 
• Logo, a lei de Hooke não é mais válida. 
• Mecanismos de deformação plástica podem ser: 
– Deformação por deslizamento; 
– Deformação por maclação; 
6.1. Deformação por deslizamento 
• Quando a tensão aplicada supera o limite de escoamento do 
material, há um deslizamento de blocos, uns sobre os outros, 
ao longo dos planos de escorregamento. 
• Ao aplicar uma tensão de cisalhamento sobre dois planos 
paralelos um plano deslizará sobre o outro 
• Em decorrência da aplicação de uma força num cristal, este 
sofre cisalhamento em diversos planos paralelos. 
• A interação desses planos de deslizamento com a superfície 
do cristal produz as linhas de deslizamento, que se agrupam 
em bandas de deslizamento. 
6.2. Deformação por maclação 
• Maclação é um processo associado a um defeito de plano 
conhecido como contorno de macla. 
• Nesse processo, os átomos localizados em planos sucessivos 
movem-se em distâncias diferentes. 
• Ao final da maclagem, a rede cristalina se altera de tal forma 
que uma metade dela é a imagem em espelho da outra. 
Contorno de macla 
• A tensão para que ocorra maclagem deve ser menor que a 
necessária para produzir deslizamento. 
• A importância da maclação está em colocar novos sistemas de 
deslizamento em orientações favoráveis em relação ao eixo da 
tensão tornando possível o deslizamento adicional. 
• Este é um processo importante no caso da deformação de 
metais com poucos sistemas de deslizamento. 
 
 
 
 
 
 
 
• Estágio I 
– Nesta região a deformação ocorre em um único sistema de planos 
de deslizamento. 
– Não há interação entre as discordâncias. 
6.3. Encruamento em monocristais 
 
 
 
 
 
 
• Estágio II 
– Deformação em mais de um sistema de deslizamento. 
– Surgem interações entre discordâncias que dificultam a deformação. 
– O comprimento de deslizamento é encurtado e o encruamento 
cresce quase que linearmente. 
 
 
 
 
 
 
• Estágio III 
– A taxa de encruamento decresce. 
– Este estágio depende da temperatura, pois o aumento de temperatura 
promove a aniquilação de discordâncias por escalagem e deslizamento 
cruzado. 
 
7. Aspectos metalúrgicos da mecânica do 
contínuo 
• Os materiais empregados na conformação mecânica da 
indústria são policristalinos e, na condição de não 
deformados, são isotrópicos. 
• A isotropia de propriedades, que se justifica pela 
aleatoriedade da orientação dos grãos, simplifica as análises 
dinâmicas dos processos de conformação. 
• Desse modo, é possível aplicar os critérios de escoamento 
com base na teoria da plasticidade, considerando-se o 
material como um meio contínuo. 
• Como já visto, as deformações de um monocristal dependem 
do tipo de estrutura cristalina e seus sistemas de 
deslizamento, da tensão de cisalhamento e da mobilidade de 
discordâncias. 
• Nos materiais policristalinos, a complexidade dos mecanismos 
de deformação torna difícil a previsão analítica das 
propriedades do material com alto grau de precisão. 
• Por isso, parâmetros como tensão de escoamento, 
alongamento máximo ou taxa ideal de deformação para o 
processo de conformação são determinados 
experimentalmente. 
8. Influência dos contornos de grãos 
• Um material policristalino é composto por vários monocristais 
juntos, com uma interface contendo uma grande densidade 
de defeitos. 
• Nesse contexto, os monocristais são chamados de grãos e a 
interface de contornos de grãos. 
• Esses contornos tem função restritivas à deformação e, 
devido à esse efeito, os grãos individuais não se deformam 
como monocristais isolados. 
• Apenas o efeito do contorno (restrição) não explica o 
comportamento nos materiais policristalinos. 
• Para entender a dificuldade em deformar um grão através dos 
seus contornos é preciso considerar o grau de desorientação e 
a energia elástica associada a ele. 
– Pequena desorientação entre grãos: há baixa desordem quando a 
desorientação é menor que 1 °. Assim, haverá baixa energia elástica 
nesta região. 
– Grande desorientação entre grãos: há grande desordem e alta energia 
elástica. Desse modo, este contorno é bastante rígido e, pela grande 
quantidade de defeitos, tende a transformar-se numa região 
preferencial para transformações de fase. 
• A presença de segunda fase no contorno de grão tende a 
aumentar ainda mais a rigidez do material. 
Representação 
de contornos de 
grãos de baixo 
ângulo. 
Comparando o 
deslocamento de 
direções compactas 
entre os dois casos 
9. Influência do tamanho de grãos 
• Observa-se, experimentalmente, que a plasticidade de um 
material policristalino aumenta a medida que o tamanho de 
grão diminui. 
• Quanto menor o tamanho do grão, mais homogênea é a 
deformação. Isso porque, com gradientes menores de 
deformação, os efeitos destas distribuem-se mais facilmente 
pelo interior dos grãos. 
• Por isso, busca-se formas variadas de refino do grão, 
aumentando a plasticidade dos materiais. 
 
10. Trabalhabilidade dos metais e ligas 
• Trabalhabilidade, como já explicado, é a capacidade do 
material em deformar-se plasticamente sem fraturar. 
• A medida que o material é conformado, ocorre o 
encruamento, o que diminui a plasticidade. 
• Quando a conformação ocorre a frio, há um aumento 
contínuo do encruamento. 
– Desse modo, a trabalhabilidade do material fica condicionada à 
utilização de tratamentos térmicos intermediários. 
• Quando a conformação se dá a quente, a restauração da 
microestrutura ocorre simultaneamente à deformação. 
11. Limite de temperatura no PCM 
• No caso de processos a quente, o valor da temperatura de 
pré-aquecimento deve ser estimado, levando em conta o 
aumento natural na temperatura do material durante a 
deformação. 
– Esse aumento da temperatura é diretamente proporcional a taxa de 
deformação com a qual o material é deformado. 
• Outro aspecto importante a se levar em conta é a dissipação 
de calor pela ferramenta. 
• Desse modo, para que o material se mantenha na 
temperatura acima da recristalização, é necessário que o calor 
gerado pelo material seja, no mínimo, igual ao calor dissipado 
pela ferramenta. 
12. Tensão de escoamento no PCM 
• A tensão de escoamento é a tensão mínima para manter o 
material escoando. 
• Ela é fortemente influenciada por parâmetros como a taxa de 
deformação e a temperatura durante os processos de 
conformação. 
• Durante o trabalho a frio, essa tensão varia em função da 
deformação devido ao encruamento do material. Por isso, 
nesses casos, seu valor é instantâneo. 
• No caso dos ensaios a quente, a tensão de escoamento é 
constante e dependente unicamente da temperatura. 
 
Gráfico de tensão versus deformação, que ilustra o fato de a tensão de 
escoamento ter valores instantâneos durante o trabalho a frio. 
13. Condição de escoamento 
• A condição de escoamento, de modo analítico, requer 
combinações de diversas relações algébricas baseadas na 
teoria da plasticidade. 
• Os critérios mais bem aceitos são o de Tresca e o de Von 
Mises. 
• SegundoTresca: 
– O escoamento é iniciado quando a tensão de cisalhamento máxima 
atinge o valor do cisalhamento uniaxial. 
• Neste mesmo caminho, Von Mises propôs um critério 
equivalente, porém matematicamente mais simples de ser 
trabalhado. 
• De acordo com Von Mises: 
– Um material isotrópico começa a se deformar quando a energia de 
distorção por unidade de volume do material é, no mínimo, igual a 
energia de deformação por unidade de volume do mesmo material 
quando submetido a escoamento em um ensaio de tração uniaxial. 
 
 
 
 
• Considerando o estado plano de tensões, no qual σ3 = 0, 
temos: 
 
 
 
σ1 e σ2 = Tensões aplicadas ao material; 
σE = Tensão de escoamento do material.