Exercícios de Processos de Conformação

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO
CENTRO TECNOLÓGICO
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
1) Os processos de conformação mecânica podem ser classificados quanto ao estado de tensão, local e natureza das deformações, aplicação, tipo de esforços envolvidos e temperatura de trabalho. No que tange à temperatura de trabalho, a conformação mecânica pode ser realizada a quente ou a frio, dependendo se o trabalho é realizado acima ou abaixo da temperatura e recristalização. A tabela abaixo apresenta alguns valores da temperatura de recristalização. (0,5 pontos)
Cite uma vantagem da laminação a frio e uma da laminação a quente.
Na laminação a quente, a estrutura se modifica e melhora as propriedades mecânicas e metalúrgicas do metal. Na laminação a frio, há um aumento da resistência mecânica do material e um excelente acabamento superficial.
Com relação a temperatura de recristalização, responda:
a) O que é a temperatura de recristalização?
A temperatura de recristalização é a temperatura em que o metal recristaliza no período de uma hora. A menor temperatura na qual os grãos livres de deformação aparecem é a temperatura de recristalização, ao redor de 0,3 a 0,5 da temperatura de fusão. Esse processo pode acontecer no recozimento do metal, e existem três etapas definidas: recuperação, recristalização e crescimento de grão.
b) Quais fatores influenciam na temperatura de recristalização?
· O grau de encruamento e a temperatura de trabalho mecânica influenciam na recristalização, o maior grau de encruamento reduz o tempo e a temperatura necessários para que ocorra recristalização. 
· A redução da temperatura de trabalho mecânico favorece a recristalização, sendo que as ligas trabalhadas a temperaturas acima de 400 ºC são mais difíceis de serem recristalizadas. 
· A composição química também influencia a recristalização: a adição de qualquer impureza (átomos de soluto) aumenta substancialmente a temperatura de recristalização em relação à do alumínio puro. A existência de partículas em uma matriz de alumínio pode acelerar ou retardar o processo de recristalização, dependendo de seu tamanho, espaçamento e estabilidade nas temperaturas de recozimento. 
· Outro fator importante para a recristalização e para o tamanho final dos grãos recristalizados é a taxa de aquecimento até a temperatura de recozimento. Quanto mais lento o aquecimento maior o tamanho de grão resultante. Quanto maior a temperatura de recozimento, maior o tamanho de grão resultante, porém menor o grau de encruamento necessário para que a recristalização aconteça.
c)Explique o porquê os metais da tabela acima possuem temperaturas de recristalização iguais, apesar de terem temperatura de fusão tão diferentes.
A temperatura de recristalização depende do tipo de material e do grau de deformação, ela varia entre 1/3 e 1/2 da temperatura de fusão, mas pode não acontecer a uma temperatura fixa. 
2) Cite as principais vantagens e desvantagens do trabalho a frio e a quente. Faça um desenho esquemático representando as transformações que ocorrem na morfologia dos grãos do material que passou pelo processo de conformação mecânica a frio e a quente. .(0,5 pontos)
As vantagens do trabalho a quente são, a menor energia requerida para deformar o metal, já que a tensão de escoamento decresce com o aumento da temperatura; aumento da capacidade do material para escoar sem se romper (ductilidade) e eliminação de bolhas e poros por caldeamento. As desvantagens do trabalho a quente são formação de óxidos, prejudiciais para o acabamento superficial, desgaste das ferramentas é maior e a lubrificação é difícil, necessidade de grandes tolerâncias dimensionais por causa de expansão e contração térmicas.
As vantagens do trabalho a frio são, um melhor acabamento final na peça, e o material da peça fica encruado, isso ajuda a aumentar a resistência mecânica, mas diminui a ductilidade. Já as desvantagens, quanto mais intenso for o trabalho a frio, mais difícil deformar, tendo prejuízo da ductilidade.
As figuras abaixo apresentam modificações estruturais que ocorrem nos trabalhos mecânicos a frio e a quente. Verifica-se, portanto, no caso do trabalho a frio (em a), no final do processo, a estrutura completamente deformada e alinhada na mesma direção da deformação. Situação contrária é observada para o trabalho a quente (em b) onde, durante o processo, ocorre a recristalização da estrutura.
3) Descreva as etapas do recozimento (recuperação, recristalização e crescimento de grão). .(0,5 pontos)
Na etapa de recuperação, a estrutura deformada não é modificada, apenas a densidade e a distribuição dos defeitos presentes são alteradas. Já na recristalização, ocorre a nucleação de novos grãos, principalmente nos contornos de grãos deformados. Devido à elevada energia interna presente no material gerada na deformação, os novos grãos crescem às custas da estrutura deformada, até eliminá-la completamente. A continuidade do recozimento leva ao crescimento de grão, etapa na qual a estrutura já recristalizada passa a apresentar crescimento anormal de alguns grãos pela continuação do processo de migração dos contornos de grão e essa etapa é ativada pela redução de energia superficial dos contornos de grão.
4) Uma chapa de aço de alta resistência, utilizada em peças estruturais dos automóveis, passou por um processo final de laminação a frio, obtendo assim, um material com estrutura de grãos encruada. Explique o fenômeno de encruamento e sua influência na estampagem da peça. .(0,5 pontos)
O encruamento, também chamado de trabalho a frio, é um fenômeno modificativo da estrutura cristalina dos metais e ligas pouco ferrosas, em que a deformação plástica realizada abaixo da temperatura de recristalização causará o aumento de discordâncias na estrutura cristalina e consequentemente o aumento de resistência do metal. Assim encruamento, nada mais é que o aumento do limite elástico do material (resistência a tração) por deformação plástica. A estampagem se dá pela prensagem das peças a frio, onde uma grande vantagem é a maior resistência mecânica das peças devido à conformação, que causa o encruamento no material.
5) Uma indústria que produz peças para o setor de bens de consumo deseja produzir copos por embutimento profundo a frio. O engenheiro responsável pela seleção de materiais tem a sua disposição uma A e um aço de alta resistência 4130. Com base nessas informações, qual desses materiais deve ser selecionado para fabricação da peça acima? Quais as propriedades mecânicas devem ser levadas em conta nessa escolha? Justifique a sua resposta. .(0,5 pontos)
A melhor escolha seria a liga de alumínio AA 2022, pois o embutimento profundo a frio caracteriza-se pelo uso de material não termoestável, de baixa resistência à pressão e frágil, o que caracteriza a liga AA 2022.
6) O gráfico abaixo apresenta o comportamento de um material ensaiado em tração, com temperaturas variando deT1 aT4 (T1<T2<T3<T4). Com relação ao módulo de elasticidade, limite de escoamento, resistência mecânica máxima, ductilidade e tenacidade, como deve ser o comportamento desse material com a variação de T1 para T4? .(0,5 pontos)
A medida que a temperatura aumenta, de T1 a T4, o módulo de elasticidade, o limite de escoamento e a resistência mecânica diminui. Já a ductilidade e a tenacidade aumentam significativamente. 
7) Disserte sobre a influência da velocidade de deformação, do atrito e da anisotropia nos processos de conformação mecânica dos metais .(0,5 pontos)
A influência do atrito nos processos de conformação mecânica são: alteração do estado de tensão para conformação, fluxos irregulares de escoamento e criação de tensões residuais, também influência sobre a qualidade do produto conformado, indução de temperaturas elevadas durante o processo e desgaste de ferramental. A influência da anisotropia é a variação das propriedades em relação a espessura, é responsável pela formação de orelhas no repuchamentode copos e efeito do gráfico sobre o critério de escoamento, quando R>1 há
boa resistência à redução de espessura, quando R=1 o material é isotrópico e quando R<1 não resiste a redução de espessura. Em relação a velocidade, à medida que ela aumenta, há o aumento da tensão de escoamento, aumento da temperatura do material, devido ao aquecimento adiabático e melhor lubrificação na interface metal-ferramenta.
8) Classifique os processos de dobramento, estampagem e trefilação, conforme a tabela abaixo. (0,5 pontos)
	Critérios
	Dobramento
	Estampagem
	Trefilação
	Temperatura 
	Quente/frio
	Quente/frio
	 Frio
	Estado de Tensão
	Simples:Tração;compressão
	Complexo: Tração e compressão em vários pontos
	Complexo:Tração e compressão em pontos diferentes
	Deformação
	local
	Geral
	Geral
	Natureza da Deformação 
	Não Uniforme
	Não Uniforme
	Uniforme
	Aplicação
	secundário
	secundário
	Secundário
	Tipo de Força
	flexão
	 Compressão indireta em parte
	 Compressão indireta 
9) Uma liga de Cobre-Cromo C18200 é um material que tem a sua resistência mecânica aumentada pelo processo de tratamento térmico e trabalho a frio, sendo utilizado em aplicações que requerem materiais com alta condutividade térmica e baixas deformações em temperaturas elevadas, além de alta resistência mecânica em tração. Visando verificar o comportamento deste material em altas temperaturas, foram realizados ensaios de tração nas temperaturas de 27 °C e 100°C, respectivamente. Os gráficos abaixo apresentam esses resultados. Com base na análise, responda as seguintes perguntas. (0,5 pontos)
a) Como a temperatura de ensaio influência nos resultados das propriedades mecânicas? Justifique com base na mobilidade das discordâncias.
Quando a temperatura é maior, como no caso quando está a 100C, os átomos se agitam muito mais, isso faz com que há uma diminuição da resistência à separação interatômica e consequentemente a diminuição dessa força de interação entre os átomos. Já na liga a 27C não há mobilidade de discordâncias pois a deformação é elástica.
b) Calcule o coeficiente de encruamento n utilizando a equação de Holoman para o caso do cobre ensaiado a 100°C. 
Também é possível provar matematicamente que o valor do coeficiente de encruamento vale a deformação real no ponto de início de estricção (limite de ruptura). Nesse caso, no gráfico vemos que a deformação é igual a 0,085, logo o coeficiente de encruamento n = 0,085.
C) Se você tivesse que utilizar esse material para estampagem, você a faria a quente ou a frio? Justifique.
A estampagem seria a quente, pois o material nesse estado possui maior ductibilidade, o que é importante para o processo de estampagem, caso seja feito a
frio o material pode se romper.
10)Determine algebricamente a porcentagem de aumento da tensão de escoamento, pelo critério de Hall-Petch, quando o tamanho de grão é reduzido pela metade. (1,0 pontos) 
Fazer no papel
Dados
11) Com base na relação obtida no exercício anterior, considere os dados abaixo para o Al puro e calcule a tensão de escoamento para a redução do tamanho de grão de 50%. .(0,5 pontos)
Fazer no papel
Dados
0=15 MPa
k=0,07 MPa/ m2
diâmetro médio dos grãos inicial= 100 um 
diâmetro médio dos grãos final= 50 um 
12) Considerando a estrutura cristalina de elementos puros, mostre que: (0,5 pontos)
a) o fator de empacotamento atômico para a estrutura CCC é 0,68;
b) o fator de empacotamento atômico para a estrutura CFC é 0,74;
c) o fator de empacotamento atômico para a estrutura HC é 0,74.
13) No interior de uma célula unitária cúbica, esboce as seguintes direções. (0,5 pontos)
Fazer no papel
a) [1 0 1]
b) [2 1 1]
c) [1 0 2]
d) [31 3]
e) [1 1 1]
f) [2 1 2]
g) [3 12]
h) [3 0 1]
14)Numa estrutura cúbica, desenhe os seguintes planos cristalinos: .(0,5 pontos)
a) (111)
b) (311)
Desenhar no papel
c) (420)
Desenhar no papel
15) Considere os seguintes sistemas de deslizamento apresentados na tabela abaixo e responda: .(1,0 pontos)
a) Qual das estruturas cristalinas abaixo tem maior facilidade de se deformar, segundo o critério de Von Mises? Justifique. 
Para que haja compatibilidade de deformação entre grãos vizinhos é necessário que haja 5 sistemas de escorregamento independentes em cada grão, condição de Von Mises. Os metais CFC e CCC que possuem respectivamente 12 e 48 sistemas de escorregamento preenchem essa condição, os HC não.
b)A estrutura CCC possui 48 sistemas de deslizamento, explique o porquê materiais de estrutura cristalina CCC apresentam dificuldsades para se deformarem plasticamente comparativamente com a CFC.
Apesar da estrutura CCC possuir os 48 sistemas de deslizamento, ela é menos compacta em relação a estrutura CFC, e quanto menor o fator de empacotamento, mais difícil do material se deformar plasticamente.
	Sistema
	Planos
	Direções
	Total
	CFC
	4 planos {111}
	3 direções <110>para cada plano 
	12 sistemas
	HC
	1 plano {0001}
	3 direções <1120> do plano 
	3 sistemas
	CCC
	6 planos {110}
12 planos{211}
24 planos{321}
	2 direções <111> para cada plano
1 direções <111> para cada plano
1 direção<111>paracada plano
	12 sistemas
12 sistema
24 sistemas
16) A tabela abaixo apresenta os valores teóricos da tensão cisalhante requerida para que o material deforme plasticamente segundo o modelo de Frenkel. Porém, esses diferem da ordem de 100 vezes dos valores obtidos experimentalmente. Explique a razão pela qual a tensão experimental de cisalhamento é menor do que a teórica. .(0,5 pontos)
A diferença entre os valores teóricos e experimentais se dá devido aos movimentos das discordâncias, que são responsáveis pela deformação plástica. A tensão necessária para iniciar os movimentos das mesmas é menor do que a tensão resolvida crítica dos cristais perfeitos.
17) Explique por que as propriedades dos materiais policristalinos são, na maioria das vezes, isotrópicas. (0,5 pontos)
Embora cada grão individual em um material policristalino possa ser anisotrópico, se os grãos tiverem orientações aleatórias, o agregado sólido de muitos grãos anisotrópicos se comportará isotropicamete.
18) Explique a deformação plástica por maclação e como ela se difere da deformação por movimentação de discordâncias nos sólidos.(0,5 pontos)
A maclação ocorre em um plano cristalográfico determinado segundo uma direção cristalográfica específica. O conjunto plano/direção depende do tipo de estrutura cristalina. A deformação por maclação é um mecanismo importante na deformação plástica de metais HC e CCC, principalmente a baixas temperaturas e em altas velocidades de deformação. A movimentação de discordâncias é o principal fator envolvido na deformação plástica de metais e ligas e essa mobilidade de discordâncias pode ser alterada por diversos fatores (composição, processamento. Diferente da maclação, as discordâncias afetam outras propriedades do material, além das mecânicas ( ex. propriedades elétricas de semicondutores)