Conformação Mecanica dos Metais

Conformação Mecanica dos Metais

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Introdução ao Processamento de Materiais

JoséAdilson de Castro

Luciano Pessanha Moreira Luiz Carlos Rolim Lopes

Escola de Engenharia Metalúrgica Industrial de Volta Redonda Universidade Federal Fluminense

IntrProcMats 2 Etapas de Produção de Aços

IntrProcMats 3 Etapas de Acabamento de Aços

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Segundo Módulo

Prof. Luciano Pessanha Moreira

2. Processamento e aplicações de materiais metálicos I 2.1 Introdução

2.2 Classificações dos Processos de Conformação Mecânica

Processos Volumétricos

Processos de Conformação de Chapas

2.3 Comportamento Mecânico dos Materiais

Propriedades Mecânicas

Efeitos do Encruamento, Temperatura e Taxa de Deformação

2.4 Processosde usinagem Corte Ortogonal, Desbastee Acabamento

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Biblio

Livros

AMSTEAD, B. H., OSTWAD, P.F. e BEGEMAN, M. L., Manufacturing Processes,

BRESCIANI FILHO, E. et al., Conformação Plástica dos Metais, Ed. da UNICAMP, Campinas, São Paulo, 1997.

HELMAN, H. e CETLIN, P.R., Fundamentos da Conformação Mecânica dos Metais. Ed.Guanabara Dois, Rio de Janeiro, 1983.

KALPAKJIAN, S., Manufacturing Processes for Engineering Materials.

SCHEY, J. A., Introduction to Manufacturing Processes. McGraw Hill, New

Internet

Centro de InformaçãoMetal Mecânicawww.cimm.com.br MATTER w w w. matter.org.uk

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Introdução

Os processos de fabricação de peças metálicas por conformação mecânica são responsáveis pela produção de um grande número de produtos;

Diversos materiais metálicos podem ser conformados, destacando-se os aços, as ligas de alumínio, as ligas de cobre e as ligas de titânio, entre os materiais empregados industrialmente;

Os produtos conformados apresentam uma grande gama de geometrias, desde as mais simples atéas mais complexas, representadas pelos produtos de grandes comprimentos como perfis, chapas, folhas, tubos, barras e peças diversas como eixos, engrenagens, bielas, entre outros;

A conformação mecânica, também denominada conformação plástica, representa um conjunto de processos em que a modificação da forma e das dimensões da peça metálica ocorre pela ação de tensões mecânicas que causam a deformação plástica dessa peça, sem que haja remoção de material como ocorre nos processos de usinagem. Assim, nos processos de conformação não hávariação do volume das peças conformadas.

Processos de Conformação Mecânica dos Metais

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Processos de Conformação Mecânica

Mecanismo básico : mudança de forma por processo de deformação plástica

Conformação de materiais policristalinos (metais) : sem mudança de volume (regime incompressível)

Desvantagens ou inconvenientes :

1.Esforços necessários são elevados (>> consumo de energia) 2.Custo elevado de usinagem/fundição de ferramental

Característica : produção em grande escala

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Processos de Conformação Mecânica

Classificação Geral Processos Volumétricos ou Massivos

Dimensões do esboço metálicos muito próximas. Exemplo: Esboço plano Largura (W) ~ Espessura (t)

Processos de Conformação de Chapas

Dimensões do esboço metálicos muito distintas. Exemplo: Esboço plano Largura (W) >> Espessura (t)

IntrProcMats 9 Processos Volumétricos ou Massivos

IntrProcMats 10 Processos de Conformação de Chapas

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Processos de Conformação Mecânica Outras classificações

1.Esforço predominante

2.Temperatura de trabalho

3.Forma do esboço ou produto final

4.Região de deformação

5.Fluxo do material 6. Produto

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Classificações : Esforço predominante

1)Compressão direta: predomina a solicitação externa por compressão sobre a peça de trabalho. Nesse grupo podem ser classificados os processos de forjamento (livre e em matriz) e laminação (plana e de perfis).

2)Compressão indireta: as forças externas aplicadas sobre a peça podem ser tanto de tração quanto de compressão, mas as que efetivamente provocam a conformação plástica do metal são de compressão indireta, desenvolvidas pela reação da matriz sobre a peça. Exemplos: trefílaçãoe extrusão de tubos e fios, e a estampagem profunda (embutimento) de chapas.

3)Estiramento: onde a peça toma a forma da matriz através da aplicação de forças de tração em suas extremidades, éo principal exemplo éo estiramento de chapas finas.

4)Cisalhamento:onde ocorrem forças cisalhantes suficientes ou não para romper o metal no seu plano de cisalhamento. Os melhores exemplos deste tipo de processo são a torção de barras e o corte de chapas.

5)Flexão: as modificações de forma são obtidas mediante a aplicação de um momento fletor. Esse princípio éutilizado para dobrar chapas, barras e outros produtos. Por exemplo, processos de dobramento livre, dobramento de borda, dobramento de matriz e calandragem.

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Esforço predominante

Processo Ilustração Laminação

Trefilação Extrusão

Forjamento

Estampagem (profunda) Estiramento de chapas Dobramento

Calandragem Corte

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Esforço predominante

Trabalho Se mi- produtos ou produtos Processo Força Preponderante a quentea frioAçosNãoferrosos

X Placas/ Chapas

Barras / Perfis

Placas/ Chapas

Barras La minação Co mpressão direta

X Chapas

Trefilação Co mpressãoindireta X Barras / Arames

Fios

Barras / Arames Fios/ Tubos

X Tubos

Barras / Tubos/

Perfis Extrusão Co mpressãoindireta

X Peças pequenas Peçaslongas

X Peçasforjadas Forja mento Co mpressão direta

X Peças pequenasforjadas

X Peças grandes esta mpadasEsta mpage m (profunda)

Co mpressãoindireta e m parte X Peças de chapas esta mpadas

Estira mento de chapas Tração X Peças de chapas estiradas

Dobra mento Flexão X X Peças de chapas e tiras dobradas Calandrage m Flexão X Tubos

Corte Cisalha mento X X Peças cortadas de chapas ou

Perfis pequenos diversos

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Classificações : Temperatura

Quando a temperatura de trabalho T émaior que a temperatura que provoca a recristalização do metal, o processo édenominado trabalho a quente e, abaixo desta temperatura, trabalho a frio.

No trabalho mecânico a frio, provoca-se o aparecimento do efeito de encruamento do metal, ou seja, o aumento da resistência mecânica com a deformação plástica.

O trabalho mecânico a frio permite aumentar a resistência mecânica de certos materiais não-ferrosos que não podem ser endurecer por meio de tratamentos térmicos.

No trabalho mecânico a quente, a deformação plástica érealizada numa faixa de temperatura, e durante um determinado tempo, em que o encruamento éeliminado por mecanismos de recuperação e recristalização do metal.

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Classificações : Temperatura

Frio Morno

Quente T /T

Temperatura Homóloga

T/T fusão

Classificações

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Placas, chapas, perfis : laminação, estampagem
Tubos, barras, fios : trefilação, extrusão

3. Forma do Esboço ou Produto Final

Localizada: laminação, trefilação, extrusão

4. Região de Deformação Generalizada : estampagem profunda, forjamento

Classificações

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5.Fluxo de Deformação do Material

Contínuo ou quase-estacionário : laminação, trefilação, extrusão

6.Produto final (Acabamento)

Intermitente : Estampagem, forjamento

Primário: semi-acabado

Secundário : acabado

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Classificações...

5.Fluxo de Deformação do Material Intermitente : Estampagem profunda

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Processos de Conformação Mecânica

Variáveis Independentes 1.Material de partida (% química)

2.Geometria do esboço de partida

3.Geometria do ferramental

4.Lubrificação

5.Temperatura de trabalho

6.Velocidade de processamento 7.Quantidade de deformação

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Processos de Conformação Mecânica

Variáveis Dependentes

1. Esforços/Energia/Potência

2.Propriedades finais do produto

3.Temperatura final ou de saída

4.Acabamento superficial

5. Tolerâncias 6.Escoamento do material

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Comportamento Mecânico dos Materiais

Medidas

Carga P Alongamento ∆L

Máquina universal de ensaios

Ensaio de tração uniaxial

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Ensaio de Tração Uniaxial Corpos de provas

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Ensaio de Tração Uniaxial Corpos de provas

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Tração Uniaxial Definições : curva tensão-deformação

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Tração Uniaxial : Medidas de Engenharia

Tensão de engenharia

Deformação de engenharia 0 0 onde

A Área inicial da seção transversal

L Base de medida inicial

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Tração Uniaxial : Medidas Verdadeiras

Tensão verdadeira A

Deformação verdadeira

L ln dL d onde

A Área atual da seção transversal

L Base de medida atual

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Tração Uniaxial : Medidas Verdadeiras X Engenharia

Aço C qualidade EEP

Defor mação

Engenharia Verdadeira

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Tração Uniaxial : Relações entre “S x e”e “σx ε”

Tensão

Deformação VerdadeiraEngenhariaDefinição

L ln

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Encruamento

Fenômeno pelo qual um material endurece devido à deformação plástica (Trabalho àFrio)

Mecanismo de endurecimento : aumento de imperfeições e discordâncias e promovidas pela deformação

Mecanismo de deformação plástica : escorregamento (Cisalhamento) de planos atômicos

A medida que se aumenta o encruamento maior éa força necessária para produzir uma maior deformação

Pode ser removido através de tratamentos térmicos (Recristalização)

IntrProcMats 31 Encruamento

IntrProcMats 32 Encruamento

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Encruamento

níquel com quantidades cada vez maiores de deformação por laminação

(a) Variação nas propriedades mecânicas, reveladas por um ensaio de tração, do (b) Recuperação das propriedades mecânicas de acordo com ciclos de recozimento de 1 hora nas temperaturas indicadas (Meyerse Chawla, 1983)

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Encruamento σ ε Trabalho a frio

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Encruamento na Tração Uniaxial

Equação de Hollomon n Kε=σ onde

K Coeficiente de resistência nExpoente de encruamento

(Regime de deformações plásticas)

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Encruamento na Tração Uniaxial... Alumínio 10-0

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Ductilidade

Capacidade ou medida de quanto um metal pode escoar plasticamente sem que ocorra fratura

Medidas de ductilidade

L e

= Deformação na fratura

A q

= Redução de área

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Resiliência e Tenacidade

Resiliência: Capacidade de um metal absorver energia quando deformado elasticamente e liberá-la quando descarregado

Energia de deformação elástica por unidade de volume

Área sob a região elástica da curva σ -ε

Tenacidade: capacidade para absorver energia no domínio plástico

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Taxa de Deformação onde

Verdadeira Lv

L/dL

L/dL

Engenharia 0

L/dL

L/dL v Velocidade da travessa da máquina de ensaios

L Comprimento de deformação

L Comprimento total

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Efeito da Taxa de Deformação

Variação no limite de escoamento em função da taxa de deformação e temperatura de teste para uma liga de alumínio (Dieter, 1988)

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Taxa de Deformação onde

K Coeficiente de resistência mExpoente de sensibilidade a taxa de deformação

Mesmo material : 2 ensaios

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Taxa de Deformação

Ensaio de tração com mudanças na taxa de deformação ao longo do ensaio (Meyerse Chawla, 1983 e Dieter1988)

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Efeito da Taxa de Deformação

Valores do parâmetro m da equação para três metais obtidos em ensaios de compressão (Helman e Cetlin, 1983)

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Efeito da Taxa de Deformação

Limite de escoamento em função da quantidade de deformação e temperatura obtido para três metais em ensaios de compressão (Helman e Cetlin, 1983)

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Efeito da Temperatura

Em geral, quando T aumenta :

Resistência ao escoamento diminui aumentando a ductilidade

Temperatura homóloga h T onde

Temperatura de trabalho (0 K)

TTemperatura de início de fusão (0 K)

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Efeito da Temperatura

Alterações microestruturais que podem ocorrer devido à conformação plástica a frio e a quente nos processos de laminação e extrusão

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Temperatura na Conformação

Evolução do processo de recuperação das propriedades mecânicas de um material encruado sofrendo tratamento de recozimento de recristalização, Callister(1997)

IntrProcMats 48 Laminação a Quente

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Laminação Mecanismos de deformações dos metais

(a) escala do sistema

(distribuição de tensões e deformação e atrito) (b) microestrutura observada por microscópio ótico (grãos e fases) (c) microestrutura observada por microscópio eletrônico (discordâncias, precipitados e sub-grãos) (d) retículo cristalino (átomos de soluto e defeitos estruturais)

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Processamento Termomecânico

Passe #1

Passe #2

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