9 Trabalho a quente e a frio

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TRABALHO A FRIO E A QUENTE
1. Trabalho Mecânico
Todo o processo de conformação ou de deformação plástica do metal é denominado de trabalho mecânico.
O trabalho mecânico pode ser realizado tanto a frio quanto a quente e exerce:
Profundas alterações na microestrutura dos metais e
Nas propriedades mecânicas.
Conformação a quente não é o mesmo que tratamento térmico embora possa apresentar uma associação no processamento. 
No tratamento térmico não há nenhuma conformação do metal
2.1 Mecanismos de aumento da dureza ou da resistência dos materiais:
2. Aumento da dureza dos Metais
Tratamentos Térmicos: aumentar ou diminuir dureza conforme objetivo
Alteração da composição do material- Fabricação da liga
Trabalho a frio: Conformação
Trabalho a frio e/ou Tratamento térmico
 Pode ocorrer em materiais com uma fase somente ou mais fases
Haverá o aparecimento de uma nova fase no material (Materiais Mecânicos II)
 Solução Sólida
 Refino de Grão
 Encruamento
 Transformação de Fase
 Precipitação 
2.2 Aumento da resistência por Solução Sólida:
2. Aumento da dureza dos Metais
Substitucional: Adição de um elemento que ocupa a posição dos átomos do metal na rede cristalina): Ex. adição de Cr, Ni, V ao aço
Intersticial: adição de elementos que ocupam os interstícios da rede cristalina: adição de C ao aço
Latão
Aço
2.2 Aumento da resistência por Solução Sólida:
2. Aumento da dureza dos Metais
Os metais puros apresentam menor dureza e resistência (à tração) que uma liga metálica com esse metal de base.
O aumento da dureza ocorre pela deformação da rede cristalina e maior dificuldade para o movimento das discordâncias
Liga metálica: 
As ligas metálicas são constituídas por pelo menos dois elementos no qual o elemento base ou predominante é um elemento químico metálico, e o outro ou outros elementos presentes (adicionados de forma intencional) podem ser um outro metal ou mesmo um elemento não metálico. Quando o elemento não metálico estiver presente na liga sua quantidade será necessariamente pequena.
Exemplos: 
Aço (liga metálica de Ferro com Carbono (< 2%)
Ferros Fundidos (liga metálica de Ferro com Carbono (entre 2 e 4,5 %)
Latão (liga metálica de Cobre com Zinco até 50%)
2. Aumento da dureza dos Metais
Exemplo: Aumento da resistência do Cobre pela adição de elementos substitucionais
2.2 Aumento da resistência por Solução Sólida
2.3 Aumento da resistência por Refino de grão
2. Aumento da dureza dos Metais
A expressão conhecida como equação de Hall-Petch, relaciona o tamanho do grão (d = diâmetro) com a tensão de escoamento (σy) . Os valores de σ0 e ky são constantes para cada material. 
Observando a expressão fica claro que quanto maior o valor do diâmetro do grão (maior tamanho de grão) menor é a resistência do material
2.4. Aumento da dureza/resistência por trabalho mecânico a frio:
2. Aumento da dureza dos Metais
Os processos mecânicos de conformação a frio deformam o metal plasticamente, ocorrendo uma aumento da resistência mecânica caso não houver nenhum tratamento térmico posterior
Laminação a frio
Trefilação a frio
2.4. Aumento da dureza/resistência por trabalho mecânico a frio:
2. Aumento da dureza dos Metais
Estampagem (profunda)
2.4. Aumento da dureza/resistência por trabalho mecânico a frio:
2. Aumento da dureza dos Metais
Extrusão a frio
Forjamento a frio
3.1 Deformação Plástica:
3. Deformação Plástica e Encruamento
A deformação plástica é a deformação permanente do material após ser carregado com tensões superiores ao seu limite de escoamento).
Em um sentido microscópico a deformação plástica corresponde ao movimento de um grande número de discordâncias
A deformação elástica não chega a atingir a tensão suficiente para movimentar as discordâncias, por isto quando cessa a tensão o material retorna sua posição original
3.1 Deformação Plástica:
3. Deformação Plástica e Encruamento
Durante a deformação plástica a frio surge um grande número de discordâncias. À medida que aumenta a deformação estas discordâncias terão seu movimento dificultado em função de seu elevado número.
Como o movimento das discordâncias é dificultado ou restringido ocorre um aumento na resistência e na dureza do material, pois será necessário uma carga (tensão) maior para vencer o bloqueio ao movimento das discordâncias.
Obs. Quanto menos restrito for o movimento das discordâncias maior facilidade haverá para deformar o material (material dúctil)
3.2 Encruamento:
3. Deformação Plástica e Encruamento
Encruamento ou trabalho a frio (strain hardening) é o fenômeno pelo qual um metal se torna mais duro e mais resistente à medida que é deformado plasticamente.
O metal encruado é àquele que foi deformado plasticamente a frio e apresenta uma dureza e resistência maior que a situação anterior ao seu encruamento
3.2 Encruamento:
3. Deformação Plástica e Encruamento
% TF = (Ao - Ad) / Ao x 100
O grau de deformação plástica pode ser avaliado através do % de trabalho a frio
 TF (%) = percentual de trabalho a frio
 Ao = área original que sofre a deformação
 Ad = área da secção após deformação
3. Deformação Plástica e Encruamento
Quanto maior o grau de trabalho a frio
Maior será:
LRT
LE 
Dureza
Menor será a :
ductilidade (menor o alongamento)
3.2 Encruamento:
CW = TF
3.2 Encruamento
3. Deformação Plástica e Encruamento
Quanto maior o grau de trabalho a frio maior será o aumento da resistência (LRT, LE, e dureza) , mas menor será a ductilidade
3.2 Encruamento
3. Deformação Plástica e Encruamento
Efeitos microscópicas do metal no encruamento: 
Quando o metal é encruado ocorrem as seguintes alterações na sua microestrutura:
Aumento da densidade de discordâncias de tal forma que estas vão ficando cada vez mais próximas uma das outras e seu movimento é dificultado, necessitando de uma maior tensão para continuar deformando. 
Deformação dos grãos
Surgem tensões residuais 
3.2 Encruamento
3. Deformação Plástica e Encruamento
B) Efeitos macroscópico do encruamento no metal: 
Alteração das propriedades mecânicas conforme a direção do trabalho a frio
Aumento da dureza/resistência,
Diminuição da sua ductilidade, 
Redução da condutividade elétrica (cobre por exemplo) 
Diminuição da resistência à corrosão (aumenta a taxa de corrosão
3.2 Encruamento
3. Deformação Plástica e Encruamento
As tensões residuais não são uniformemente distribuídas no metal deformado: por exemplo: pode haver tensões residuais compressivas na superfície e trativas no núcleo.
As tensões residuais geradas pelo trabalho a frio podem ser benéficas ou prejudiciais conforme a situação.
As tensões residuais podem ser aliviadas por um tratamento térmico.
C) Tensões Residuais: 
Parte da tensão aplicada no metal é armazenada na forma de tensões residuais no interior da rede cristalina como emaranhados de discordâncias.
Tensões residuais produzidas pelo processo de laminação
3.2 Encruamento
3. Deformação Plástica e Encruamento
C) Tensões Residuais: 
Tensões compressivas na superfície do material são em geral benéficas, pois qualquer trinca presente terá seu crescimento inibido.
A tensão residual soma-se algebricamente às tensões aplicadas:
Se for aplicado uma tensão trativa em um material que apresenta tensões residuais compressivas, a tensão de tração terá primeiro que anular as tensões residuais de compressão antes de começar a exercer a tensão de tração efetiva. Nesta condição o material resiste a uma carga maior que a suportada por um material que não apresentasse tensão residual compressiva.
Se for aplicada uma tensão trativa em um material que já apresenta tensões residuais trativas, a tensão total que atua na peça será a soma das tensões: aplicada mais residual de forma que o material poderá romper com cargas inferiores as cargas esperadas.
3.2 Encruamento
3. Deformação Plástica e Encruamento
Tal situação desequilibra as tensões internas domaterial que no aspecto macroscópico é evidenciado por um empenamento da peça. 
C) Tensões Residuais: 
Outro aspecto interessante que pode ocorrer com relação a presença de tensões residuais no material é o aparecimento de uma distorção ou empenamento: 
Por exemplo uma barra laminada tende a ficar com tensões residuais compressivas na superfície e trativas no núcleo. Se a barra for usinada na superfície uma parte da região que estava com tensão compressiva será eliminada.
4. Influência da Temperatura
A condição encruada é um mecanismo muito útil de aumento da resistência e é inerente quando ocorre deformação plástica a frio, no entanto pode não ser desejável, como por exemplo:
Quando é necessário uma redução acentuada da espessura ou do diâmetro como por exemplo em uma laminação, ou
Uma redução acentuada do diâmetro em uma trefilação, ou mesmo 
Se há necessidade do material sofrer deformações plásticas adicionais pois há uma diminuição da ductilidade.
4. Influência da Temperatura
As alterações microscópicas e em consequência as propriedades mecânicas do metal podem ser restauradas ou revertidas de forma parcial ou integral através de um processo térmico apropriado.
O tratamento que restaura a condição do material encruado muitas vezes é denominado de recozimento. 
4. Influência da Temperatura
O termo recozimento possui um significado amplo, de modo que o termo pode ser aplicado tanto para situações de alívio de tensões, eliminação dos efeitos da deformação plástica, ou mesmo um tratamento térmicos que envolve alterações de fases no material.
Os processos térmicos de restauração das propriedades são realizados em fornos.
O processo térmico de restauração das propriedades de forma parcial ou integral vai depender da temperatura e do tempo utilizados os quais poderão provocar os seguintes tipos de alterações no material:
Uma recuperação do material , e/ou 
Uma recristalização e/ou 
Crescimento do grão.
5. Recuperação:
A recuperação é um estágio do recozimento do metal realizado através de um aquecimento a uma temperatura relativamente baixa (inferior a temperatura de recristalização) tendo como principal objetivo aliviar as tensões geradas pelo trabalho a frio.
5. Recuperação:
Durante a Recuperação ocorre: 
Rearranjo das discordâncias, mas não sua eliminação.
Alívio parcial ou integral das tensões internas do material (por isto este tratamento é também denominado de Recozimento para alívio de tensões) 
Durante a Recuperação não ocorre:
Essencialmente uma alteração das propriedades mecânicas
Diminuição no número de discordâncias
Alteração no formato dos grãos deformados
6. Recristalização:
A recristalização é um estágio do recozimento onde ocorre a formação de um novo conjunto de grãos livres de deformação (grãos denominados de equiaxiais = dimensões iguais em todas as direções) devido ao aquecimento do material em temperatura suficiente para ocorrência da recristalização dos grãos. 
Os novos grãos se formam como núcleos muito pequenos e crescem até que todo o material tenha completado o processo de recristalização.
Vídeo
6. Recristalização:
Os Importantes objetivos da Recristalização são: 
Aumentar ou restaurar a ductilidade: por exemplo: quando se necessita continuar conformando a frio o material, mas este encontra-se muito endurecido impedindo mais uma nova redução de sua espessura ou diâmetro; 
b) Refinar o grão do material e com isto obter-se uma maior resistência e tenacidade. (Obs. Somente irá ocorrer caso o material tenha sido encruado previamente).
6. Recristalização:
Comparativo do tamanho de grão entre a situação anterior ao encruamento e após encruamento mais recirstalização
Na etapa de Recristalização ocorre:
Redução da densidade de discordâncias (similar a condição anterior ao trabalho a frio)
Restauração das propriedades mecânicas: os valores das propriedades mecânicas se aproximam dos valores anteriores ao trabalho a frio: diminui a dureza e a resistência e aumenta a ductilidade em relação ao material encruado.
Refinamento do grão: redução do tamanho de grão em relação a condição anterior ao trabalho a frio proporcionando nesta condição um aumento da resistência e da tenacidade do material em relação a situação anterior ao trabalho a frio 
Obs. O refino do grão ocorre caso o material não seja deixado em alta 	temperatura por um longo tempo quando neste caso haverá um crescimento do grão.
6. Recristalização:
Observação: A taxa de recristalização nos metais puros é maior que nas ligas metálicas pois os átomos do soluto atuam como uma espécie de barreira para a formação dos novos grãos pelo fato de segregarem nos contornos de grão.
A taxa (velocidade) de Recristalização depende da temperatura, do tempo, e do grau de trabalho a frio do material:
Quanto maior a temperatura mais rápido ocorrerá o processo de recristalização. 
Quanto maior o tempo maior será a taxa de recristalização (% de material recristalizado) do material até chegar a 100%
Quanto maior a deformação a frio inicial mais rapidamente ocorrerá a recristalização para o mesmo tempo e temperatura. Existe um % mínimo de TF para que ocorra a recristalização (entre 2 e 20%).
6. Recristalização:
Não existe uma temperatura fixa de recristalização visto que ela depende também da quantidade de trabalho a frio e do tempo 
Uma valor referencial é utilizar a relação abaixo:
A temperatura de recristalização é definida como a menor temperatura na qual um metal trabalhado a frio é completamente recristalizado em 1 hora.
Tr ≈ 0,3 a 0,5 Tf (em Kelvin)
Tr = Temperatura de recristalização
Tf = Temperatura de fusão
7. Crescimento de Grão:
Crescimento de grão é o fenômeno que ocorre no metal caso ele seja mantido em temperatura acima da temperatura de recristalização por um longo tempo: quanto maior a temperatura acima da temperatura de recristalização e maior o tempo maior será o crescimento do grão
Observações:
O crescimento do grão não ocorre apenas após a etapa de recristalização, podendo ocorrer independentemente desta.
O crescimento do grão não ocorre abaixo da temperatura de recristalização, pois abaixo dessa temperatura a mobilidade atômica é muito baixa.
Vídeo
7. Crescimento de Grão:
O crescimento do grão ocorre nas regiões mais termodinamicamente favoráveis (maior nível de energia): contorno de grão e alta densidade de discordâncias . 
Os grãos aumentam de tamanho “englobando os grãos menores. (“Lei do mais forte”)
Obs. Visto que quanto menor o tamanho de grão maior a resistência e a tenacidade do material, em geral o crescimento do grão deve ser evitado.
8. Trabalho a frio e a quente
Trabalho a quente: Quando a deformação do material ocorre acima da temperatura de recristalização. Geralmente os processos de conformação a quente são realizados entre 900 e 1200ºC para os aços. 
Trabalho a frio: Quando a deformação do material ocorre abaixo da temperatura de recristalização. A conformação a frio ocorre em geral a temperatura ambiente
8.1 Conceitos
Abaixo da Temperatura de recristalização
Acima da Temperatura de recristalização
Temperatura de recristalização
8. Trabalho a frio e a quente
O trabalho a frio permite obter peças com tolerâncias dimensionais bem apertadas e um melhor acabamento superficial (não ocorre oxidação como por exemplo no processo a quente).
O custo de fabricação do trabalho a frio é menor pois não necessita haver aquecimento em alta temperatura como no caso do trabalho a quente.
O trabalho a frio é limitado quando se necessita uma sequência elevada de deformações pois o material vai aumentando a dureza e reduzindo sua ductilidade até o ponto que não é mais possível deformar sem haver ruptura.
8.2 Comparativo: Trabalho a quente e a frio
8. Trabalho a frio e a quente
As peças ou produtos obtidos por trabalho a frio irão apresentar tensões residuais devido à deformação a frio sofrida. (As tensões residuais podem ser benéficas ou prejudiciais conforme a aplicação posterior.As tensões residuais são eliminadas ou reduzidas através dos processos de recozimento denominados de Recuperação e Recristalização).
No trabalho a frio é necessário maior energia para a deformação comparado com o trabalho a quente.
8.2 Comparativo: Trabalho a quente e a frio
8. Trabalho a frio e a quente
A peça trabalhada a frio apresentará maior dureza/resistência e menor ductilidade, caso não seja realizado nenhum tratamento térmico posterior.
No trabalho a quente os grãos são recristalizados assim que o material é conformado e portanto não ocorre encruamento e deste modo várias operações de deformação consecutivas são possíveis pois o material se mantém dúctil.
8.2 Comparativo: Trabalho a quente e a frio
8. Trabalho a frio e a quente
8.3 Exemplos de processo de conformação a quente:
A) Forjamento a quente
8. Trabalho a frio e a quente
8.3 Exemplos de Processos de conformação a quente:
B) Laminação a quente
Produtos obtidos: 
Chapas, barras, tubos, perfis
Laminação a quente
Equipamento
Cilindros
8. Trabalho a frio e a quente
A) Estampagem profunda
B) Laminação a frio
8.4 Exemplos de processos de conformação a frio:
C) Trefilação a frio
8. Trabalho a frio e a quente
A) Tubos de aço
8.5 Exemplos de aplicação:
8.5 Exemplos de aplicação
B) Chapas de aço
8. Trabalho a frio e a quente