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1 PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA
Os processos de conformação mecânica são processos de fabricação que empregam a deformação plástica de um corpo metálico, mantendo sua massa e integridade. É também o processo onde se obtém peças através da compressão de metais sólidos em moldes, utilizando a deformação plástica da matéria-prima para o preenchimento das cavidades dos moldes.
Características
Os processos de conformação mecânica alteram a geometria do material através de forças aplicadas por ferramentas adequadas que podem variar desde pequenas matrizes até grandes cilindros, como os empregados na laminação. Em função da temperatura e do material utilizado a conformação mecânica pode ser classificada como trabalho a Frio , a Morno e a Quente. Cada um destes trabalhos fornecera características especiais ao material e à peça obtida. Estas características serão função da matéria prima utilizada como composição química e estrutura metalúrgica (Natureza, Tamanho, forma e distribuição das fases presentes) e das condições impostas pelo processo tais como o tipo e o grau de deformação, a velocidade de deformação e a temperatura em que o material é deformado.
TRABALHO A QUENTE
O trabalho a quente é definido como a deformação sob condições de temperatura e taxa de deformação tais que processos de recuperação e recristalização ocorrem simultaneamente com a deformação. No trabalho a quente, devido à intensa vibração térmica – que facilita muito a difusão de átomos e a mobilidade e aniquilamento das discordâncias – o encruamento e a estrutura distorcida dos grãos produzida pela deformação, são rapidamente eliminados pela formação de novos grãos livres de deformação, uma vez que os processos de recuperação e recristalização acompanham a deformação. Ela ocorre a uma tensão constante. E como a tensão de escoamento plástico decresce com o aumento da temperatura, a energia necessária para a deformação é geralmente muito menor para o trabalho a quente do que para o trabalho a frio ou a morno.
TRABALHO A FRIO
O trabalho a frio é a deformação realizada sob condições em que os processo de recuperação e recristalização não são efetivos. O trabalho a frio é acompanhado do encruamento (inglês “strain Hardening”) do metal, que é ocasionado pela interação das discordâncias entre si e com outras barreiras – tais como contornos de grão – que impedem o seu movimento através da rede cristalina. A deformação plástica produz também um aumento no numero de discordâncias, as quais, em virtude de sua interação, resultam num elevado estado de tensão interna da rede cristalina. Um metal cristalino contem em média 10^6 a 10^8 cm de discordância por cm3, enquanto que um metal severamente encruado apresenta cerca de 10^12 cm de discordância por cm3. A estrutura características do estado encruado examinada ao microscópio eletrônico apresenta dentro de cada grão, regiões pobres em discordâncias, cercadas por um emaranhado altamente denso de discordância nos planos de deslizamento.
TRABALHO A MORNO
No trabalho a morno ocorre recuperação, mas não se formam novos grãos (não há recristalização). No trabalho a morno ocorre uma recuperação parcial da ductilidade do material e o tenso de conformação situa-se numa faixa intermediária entre o trabalho a firo e a quente. Costuma-se definir, para fins práticos, as faixas de temperaturas do trabalho a quente, a morno e a frio baseadas na temperatura homologam, que permite a normalização do comportamento do metal, “ver figura”. Em um metal puro, que não sofre transformação de fase no estado sólido, os pontos de referencia em termos de temperatura são: o zero absoluto e o ponto de fusão. Estes pontos, traduzidos em graus Kelvin, estabelecem os extremos da escala homóloga de temperaturas.
Tudo isto resulta macroscopicamente num aumento de resistência e dureza e num decréscimo de ductilidade do material. Num ensaio de tração, isso se traduz no aumento da tensão de escoamento, Y, e do limite de resistência, Sr, bem como no decréscimo do alongamento (alongamento da fatura), Ef.
Tipos de Conformação.
Forjamento, Laminação, Trefilação, Extrusão, repuxo, Estiramento, Dobramento, Corte por Cisalhamento.
Como resultado da operação mecânica as partículas de segunda fase e inclusões, tenderão a assumir uma forma e uma distribuição que correspondem aproximadamente à deformação do metal. De fato, os processos de conformação mecânica provocam a formação de um "fibramento" na microestrutura dos metais e ligas. Este "fibramento" será formado pela deformação preferencial de fases e / ou inclusões, conforme ilustra a figura 2.
Os processos de conformação realizados a frio são caracterizados por elevadas tensões de compressão, encruamento do produto e ductilidade da liga inferior à dos processos a quente. A qualidade superficial e a precisão dimensional dos produtos conformados a frio são superiores à obtida pelos processos a quente.
1.1 Forjamento É conformação por esforços compressivos tendendo a fazer o material assumir o contorno da ferramenta conformadora, chamada matriz ou estampo. O forjamento consiste na alteração da forma de um metal por meio de prensagem ou de martelamento. A maioria das operações de forjamento é realizada a quente, entretanto certas ligas podem ser forjadas a frio. Empregam-se duas classes de equipamentos para o forjamento: O martelo ou martelete de forjamento, que aplica golpes de impacto rápidos sobre a superfície do metal (velocidades entre 3,0 e 20 m/s) e prensas hidráulicas ou mecânicas de forjamento, que submetem a liga a forças compressivas aplicadas com velocidade lenta (velocidades entre 0,06 a 1,5 m/s). O forjamento pode ser apresentado em duas variantes:
Forjamento livre Forjamento em matriz fechada. 1.1.1 Forjamento livre O forjamento livre é realizado entre matrizes planas ou de formas muito simples. É empregado em peças de grande porte ou quando o número de componentes é pequeno. Freqüentemente, o forjamento livre é usado para preparar a forma da peça (esboço) para o forjamento em matriz. A figura 3
1.1.2 Forjamento em matriz fechada No forjamento em matriz fechada, a peça é deformada entre duas metades de matriz que dão a forma desejada ao metal, sendo possível obter tolerâncias dimensionais mais estreitas que no processo de forjamento livre. A figura 4 apresenta alguns exemplos de componentes forjados em matriz fechada.
1.4 Laminações de perfis
1.5 Trefilação de Tubos e Barras
1.6 Extrusão
É processo em que a peça é “empurrada” contra a matriz conformadora, com redução da sua seção transversal. A parte ainda não extrudada fica contida num recipiente ou cilindro (container); o produto pode ser uma barra, perfil ou tubo. O processo de extrusão de metais pode ser classificado de acordo com o método em: direto, onde o material é forçado pela prensa a passar pela matriz ocasionando grande atrito – método de alto impacto. Uma variação do processo direto é a denominada extrusão vertical , onde a direção de escoamento do material forma um ângulo reto com a direção da força exercida pelo êmbolo. Outro processo de extrusão é o indireto no qual o material permanece fixo enquanto a matriz é deslocada em direção a ele ocasionando a conformação. Esse processo não permite a aplicação de grandes pressões.
Um terceiro método de extrusão de metais é a extrusão hidrostática. Inventada na década de 1950 e depois aperfeiçoado para o processo fluido a fluido^1 , esse método consiste na extrusão sem que haja contato do material com a superfície da câmara (reduzindo o atrito). O material é colocado em uma câmara de diâmetro maior que o seu e contendo um fluido de lubrificação (que pode ser um óleo vegetal). Então ele é empurrado em direção à matriz por meio de pressão hidrostática.
De acordo com a temperatura o processo de extrusão do metal pode ser classificado em: extrusão a quente ou extrusão a frio. A extrusão a quente torna mais fácil o processo de conformação, mas a extrusão a frio permite um melhor acabamento e elimina a oxidação do material. O que irá determinar qual desses processos será usado é a ductilidade da peça (metais não muito dúcteis passam pelo processo a frio), o custo (o processo a quente é mais barato) e exigências técnicas (a alta temperatura e pressão podem ter efeitos indesejáveis sobre a peça em longo prazo). Qualquer processo de extrusão, seja de materiais plásticos ou alimentos, pode variar de temperatura de acordo com as características do material.
A profundidade de penetração depende da ductilidade e espessura do material a ser cortado. Quanto mais dúctil o metal a ser cortado, maior a penetração da faca. Contudo, metais dúcteis e muito macios(especialmente chapas finas) tendem a curvar-se na operação de corte por cisalhamento resultando em grande volume de rebarba.
A qualidade do corte por cisalhamento depende fundamentalmente da qualidade das facas de corte e da regulagem das folgas entre as facas.
1.8 Dobramento O dobramento é uma operação onde ocorre uma deformação por flexão. Quando um metal é dobrado, a sua superfície externa fica tracionada e a interna comprimida. Essas tensões aumentam a partir de uma linha interna neutra, chegando a valores máximos nas camadas externa e interna. Em outras palavras, em um dobramento a tensão varia de um máximo negativo na camada interna para zero na linha neutra e daí sobe a um máximo positivo na camada externa (fig. Abaixo). Desta forma, uma parte da tensões atuantes na seção dobrada estará abaixo do limite de escoamento (LE) e a outra parte supera este limite, conferindo à peça uma deformação plástica permanente. Uma vez cessado o esforço de dobramento, a parte da seção que ficou submetida a tensões inferiores ao LE por ter permanecido no domínio elástico, tende a retornar à posição anterior ao dobramento. Como resultado, o corpo dobrado apresenta um pequeno “retorno elástico” (springback) que deve ser compensado durante a operação de dobramento.
O retorno elástico (efeito mola) é uma função da resistência do material, do raio e ângulo de dobra e da espessura do material a ser dobrado. A tabela da figura 14 ilustra a relação entre o raio de dobra e o retorno elástico para diferentes tipos de aços inoxidáveis austeníticos. Os aços ferríticos normalmente apresentam menor retorno elástico que os aços austeníticos.
