Relatório de Ensaio Mecânico de Embutimento

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA 
CURSO ENGENHARIA DE MATERIAIS
Relatório sobre Estampagem
Allan Doring
Paula Muraro
Vinicius Alves
BLUMENAU
2017
SUMÁRIO
RESUMO..................................................................................................2
INTRODUÇÃO..........................................................................................3
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA......................................................................4
TESTE DE DUREZA...........................................................................4
TRATAMENTOS TÉRMICOS.............................................................5
AÇO 4340............................................................................................6
MÉTODOS................................................................................................7
TRATAMENTOS TÉRMICOS DAS AMOSTRAS................................7
METALOGRAFIA................................................................................7
TESTE DE DUREZA ROCKWELL A...................................................8
TESTEDE DUREZA ROCKWELL C....................................................9
TESTE DE DUREZA VICKERS.........................................................10
RESULTADOS E DISCUSSÃO DE DADOS...........................................11
CONCLUSÃO.........................................................................................13
REFERÊNCIAS.......................................................................................14
1. RESUMO
Através de uma parceria entre UFSC e CEDUP H.H., ensaiou-se aços 4340 com diversos tratamentos térmicos, a fim de analisar as durezas Rockwell A, Rockwell C e dureza Vickers. Devido aos tratamentos a microestrutura pode variar para cada peça, bem como variar de acordo com a proximidade do centro da peça. Os dados obtidos foram comparados e notou-se diferenças notáveis entre as durezas devido aos diferentes tratamentos térmicos.
Palavras -  Chave : Tratamentos Térmico, Durezas,  Rockwell A, Rockwell C, Vickers. 
Abstract
Through a partnership between UFSC and CEDUP H.H., 4340 steels were tested with various heat treatments in order to analyze as Rockwell A hardnesses, C and Vickers hardness. Due to the treatments, the microstructure can vary for each piece as well as vary according to a proximity of the center of the piece. The obtained data were compared and there is a notable differences between the hardnesses due different thermal treatments
KeyWords: Heat treatment, Harness, Rockwell A, Rockwell C, Vickers.
2. INTRODUÇÃO
Conhecer as propriedades dos materiais é fundamental para destiná-los a diversas aplicações. Existem várias propriedades e é pelos ensaios que determinamos se um material tem as propriedades necessárias para sua aplicação. Além disso, as propriedades são afetadas de acordo com a direção do esforço em que são submetidas, normalmente determinada pela forma com que a peça foi conformada. Neste relatório foi analisado a anisotropia de chapas de diferentes materiais no processo de estampagem, composta neste caso pelo embutimento e estiramento da chapa por um macho.
Para realização destes testes contou-se com a parceria do colégio estadual CEDUP Herman Hering que disponibilizou o laboratório do curso técnico de mecânica e um professor para auxiliar nos ensaios. 
A sala foi dividida em grupos de 3 a 4 alunos, sendo cada um dos grupos responsabilizado de fazer a medição de uma chapa. A composição das chapas oferecidas eram de aço carbono, aço carbono recoberta com zinco, e aço inox. Com a orientação do professor, cada grupo foi responsável por uma chapa devendo tirar as suas medidas dimensionais, analisar o gráfico obtido pela máquina e calcular as informações presentes nele.
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1 ENSAIO DE ESTAMPAGEM
Estampagem é um processo de conformação de chapas por meio da combinação do processo de embutimento e estiramento, fazendo com que o material seja submetido a diferentes estados de tensões. No processo de embutimento a chapa (blank) é empurrada para dentro de uma matriz por um punção que aplica a força de repuxo (figura 1). Nesse processo, parte da espessura da chapa se transforma em altura, fazendo com que as paredes da cavidade formada pela punção/matriz sejam estiradas. 
(figura. 1)
Os parâmetros importantes que devem ser levados em consideração nesse ensaio são o tamanho, forma e material do estampo, a velocidade da ferramenta, a espessura da chapa, as propriedades mecânicas do material, a temperatura da chapa e da ferramenta, a lubrificação utilizada e a força de fixação da chapa.
No embutimento nota-se deformações de tração e compressão, já que existe um pensa-chapa que exerce uma pressão de modo que enquanto a chapa vai sendo comprimida para dentro da matriz pelo punção, as bordas da chapa que estão presas vão sendo tracionadas visando permitir a alimentação suficiente de material para dentro da matriz. Assim, é importante que a pressão no prensa-chapa seja ideal, pois se esta for muito pequena ocorre o surgimento de dobras na lateral da peça, e se for muito grande pode ocorrer a ruptura da chapa na prensa. 
Outro fator importante para o rendimento do processo é a utilização de lubrificantes que visam diminuir o atrito ferramenta-chapa para reduzir o desgaste do ferramental, reduzir o aquecimento do estampo e melhorar o acabamento superficial da peça.
Existem dois principais ensaios de estampabilidade, o ensaio Erichsen e Olsen.
O ensaio Erichsen submete a chapa a um estiramento biaxial por meio de um punção esférico de 20 mm de diâmetro em uma matriz cilindrica até que ocorra a ruptura da chapa. Esta tem o formato de um disco com diâmetro de 90 mm e uma espessura entre 0,3 a 5 mm. O punção, neste caso, é normalmente lubrificado com uma graxa grafitada termoresistente. A pressão aplicada no prensa-chapa é de 1000 kg para a fixação do disco. O fim do ensaio é determinado pelo aparecimento de uma estricção, e então o disco é retirado da máquina e se é medida a profundidade da cavidade formada em milímetros. Neste ensaio é possível retirar informações a respeito dos defeitos locais e fibramento mecânico (anisotropias).
O outro ensaio utilizado é o Olsen, que difere do Erichsen apenas pela geometria do punção, que nesse caso é de é 22 mm de diâmetro. A chapa tem o formato de um disco também e o prensa-chapa tem o formato de aneis de 25 mm. 
As principais normas para estes testes são:
ABNT
NBR5902 (mod.11/1980) - Determinação do índice de embutimento em chapas de aço pelo método Erichsen - Aplica-se a chapas de aço de espessura nominal entre 0,3 e 5,0 mm.
ASTM
E643-84(2000) Standard Test Method for Ball Punch Deformation of Metallic Sheet Material – Cobre a padronização dos parâmetros do teste Olsen. É aplicável a chapas de espessuras entre 0,008” e 0,80” (0,2mm e 2,0 mm).
ISO
ISO 20482(2003) -Metallic materials -- Sheet and strip -- Erichsen cupping test - aplica-se a chapas de espessuras entre 0,1 e 2,0 mm.
3.2 ESTADOS DE TENSÃO E DEFORMAÇÃO NA ESTAMPAGEM
Por ser a combinação de dois processos, embutimento e estiramento, os estados de tensão e deformação nas diversas regiões da chapa são diferentes. No caso do embutimento de uma cavidade cilindrica há 3 regiões com diferentes estados de tensão deformação, mostrada na figura 2. 
Região do punção: a chapa sofre um estiramento biaxial reduzindo sua espessura, resultando num estado de tensões de tração biaxial balanceada.
Parede da cavidade: o material sofre uma tração na direção de deslocamento do punção, transformando a espessura da chapa em altura, e consequentemente reduzindo a espessura nessa área.
Flange: o material é comprimido para dentro da matriz, reduzindo a circunferência externa e gerando uma tensão trativa na direção radial e uma tensão compressiva na direção tangencial.
3.3 ANISOTROPIA
Nos materiais, principalmente chapas,as propriedades plásticas podem deferir quando muda-se a direção de esforço. Isso acontece devido as diferentes direções de laminação no processo de fabricação das chapas. A anisotropia está fortemente ligada aos esforços causados no embutimento, já que esta é medida através de um ensaio de tração uniaxial. A razão entre as deformações na largura e na espessura da chapa definem o coeficiente de anisotropia, dada pela fórmula: 
Onde wf é largura final da chapa e w0 a largura inicial, e lf é o comprimento final da chapa e l0 o comprimento inicial.
A anisotropria pode ser avaliada mediante dois parâmetros, a anisotropia planar (∆r) que indica o comportamento mecânico que o material irá apresentar no plano da chapa, e a anisotropia normal (r-), que avalia a resistência da chapa mediante a esforços de tração no plano da mesma. Esses coeficientes são dados pela fórmula abaixo, onde r0°, r45° e r90° são valores de r medidos a 0º, 45º e 90º com a direção de laminação:
Quando ∆r = 0 o material apresenta propriedades isotrópicamente no plano da chapa, mas quando ∆r ≠ 0 quer dizer que o material é anisotróprico e tende a formar dobras durante o processo de estampagem. 
A respeito do coeficiente de anisotropia normal, por definir o quanto a chapa resiste a tensões normais, é interessante que ele seja elevado no processo de estampagem. 
 
 
4. MÉTODOS
Antes da realização do teste foi necessário medir com o auxílio de um paquímetro as seguintes seções do corpo de prova: comprimento, área da seção transversal...
Com as dimensões pré estabelecidas o corpo de prova foi inserido na máquina de tração, onde o corpo de prova foi fixado por cunhas. Nota-se que não foi utilizado um extensômetro, portanto está incluso na medida erros devido ao alongamento da máquina. Com o corpo de prova preso foi então aplicada uma carga de XXXX N até que o corpo de prova se rompesse. Este foi então novamente medido para calcular o percentual de alongamento. Os dados de tensão, deformação e tempo foram armazenados em forma de tabela pela própria máquina.
5. RESULTADOS E DISCUSSÃO DE DADOS
6. CONCLUSÃO
7. REFERÊNCIAS
1 – Callister, William D., Fundamentos das ciência e engenharia de matérias: uma abordagem integrada; 4ª Edição , 2014.
2 – Olhar tabela do hallidey integrado pagina 199 (referencia de livro antigo ingles:  The escruture and proprietas of materiais)
3 – Norma ASTM E 18
4 – ASTM E 92
5 – Influência da Temperatura no Revenimento do Aço SAE 4340:
http://www.inicepg.univap.br/cd/INIC_2009/anais/arquivos/RE_1108_1409_
01.pdf – Acesso 29/04/2017.
6 - Infosolda: http://www.infosolda.com.br/biblioteca-digital/livros-senai/ensaios-nao-destrutivos-e-mecanicos/212-ensaio-mecanico-dureza.html - Acesso em 13/04/2017.
7 - Centro e Informação metal Mecânica (CIMM):
http://www.cimm.com.br/portal/material_didatico/6558-teste-de-dureza-brinell#.WPQxm6K1vIV. - Acesso em 14/04/2017.
8 - Engenharia Mecânica UFPR:
http://ftp.demec.ufpr.br/disciplinas/EngMec_NOTURNO/TM336/dureza%20rockwell.pdf. - Acesso em 13/04/2017.
9 - Catálogo de aços Gerdau 2003.
10 - Conselho Regional De Quimíca (SP):
http://www.crq4.org.br/sms/files/file/apostila_polímeros_0910082013_site.pdf
- Acesso em 13/04/2017.
http://indek.com.br/produto/acos-inoxidaveis-liga-aisi-304/