influências à conformaçãoarfaria/mt717_09.pdf · 2019-04-24 · influências à conformação...
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Influências
à Conformação
Dr. Ronnie Rego
Dr. Alfredo R. de Faria
Instituto Tecnológico de Aeronáutica
Divisão de Engenharia Mecânica
MT-717: Introdução a materiais e processos de fabricação
2
Fechamentos3.
Influências à Conformação2.
Introdução1.
Agenda
3
[Aulas #4 e #5] Processos de Conformação Mecânica
Laminação Trefilação
ExtrusãoForjamento
4
[Aulas #6 e #7] Plasticidade
� Equações de Levy-Mises
� Critério de Escoamento
� Anisotropia
+−=
+−=
+−= )(2
1,)(
2
1,)(
2
1213331223211 σσσ
σεεσσσ
σεεσσσ
σεε d
dd
dd
d
5
� Produção de produtos de diferentes formatos a partir de chapas planas
A. Estampagem
B. Estiramento
C. Repuxamento
D. Dobramento
E. Corte
F. Calandragem
[Aula #8] Conformação de Chapas
A
B
C
D
E
F
6
[Aula #8] Conformação de Chapas
� Ensaios de Estampabilidade
Estiramento [%]
10 20 30
Emb
uti
men
to [
%]
10
20
30SWIFT
FUKUI
OLSEN / ERICHSEN
SWIFT FUKUI
OLSEN / ERICHSEN
7
� Curva Limite de Conformação (Diagrama de Keeler-Goodwin)
� Forma gráfica de registro da combinação de deformações que leva à falha no processo de conformação de chapas
[Aula #8] Conformação de Chapas
8
� Processos Não-Convencionais
� Estampagem incremental
� Conformação por Elastômero
� Hydroforming
[Aula #8] Conformação de Chapas
9
Processos de Fabricação: Estrutura do Curso
PlasticidadeFundamentos da
ConformaçãoTecnologias de Conformação
Processos Não-Convencionais
� Comportamento mecânico
� Tipos de Falhas
� Análise de tensão e deformação
� Relações plásticas
� Escoamento plástico
� Classificação
� Modelos preditivos
� Influências: atrito, temperatura; taxa de deformação e anisotropia.
� Ensaios de conformabilidade
� Trefilação
� Laminação
� Forjamento
� Extrusão
� Estampagem
� Estiramento
� Repuxamento
� Soldagem a Ponto
� Metalurgia do Pó
F
dx
10
� Compilação das principais influências sobre o processo de conformação
� Objetivos Específicos:
1. Apresentar a influência da temperatura sobre o processo de conformação
2. Apresentar a influência da taxa de deformação sobre o processo de conformação
3. Apresentar a influência do atrito sobre o processo de conformação
4. Apresentar a influência da anisotropia sobre o processo de conformação
Objetivo da aula
11
1. DIETER, G. E. Mechanical Metallurgy - SI Metric Edition. Mc Graw-Hill Book Co., Singapore, 1988.
2. CETLIN, P.R.; HELMAN, H. Fundamentos da conformação mecânica dos metais. 2.ed. Artliber editora, São Paulo, 2015.
3. HOSFORD, W.F.; CADDELL, R.M. Metal Forming Mechanics and Metallurgy. Prentice-HallInc., Toronto, 1983.
4. DOEGE, E.; BEHRENS, B. Handbuch Umformtechnik – Grundlagen, Technologien, Maschinen. Springer, Berlin, 2010.
5. DOWLING, N.E. Mechanical Behavior of Materials: Engineering Methods for Deformation, Fracture and Fatigue. 4.ed. Pearson Education Limited, Essex, 2013.
Processos de Fabricação I (MTP-34): Literatura de Referência
1 2 3 4 5
12
Fechamentos3.
Anisotropia2.4
Atrito2.3
Taxa de Deformação2.2
Temperatura2.1
Influências à Conformação2.
Introdução1.
Agenda
13
� Temperatura
� A quente: Tmat > ≈ 0,6 Tfusão.
� A frio: Tmat <≈ 0,5 Tfusão.
� A morno: 0,5 Tfusão <Tmat< 0,6 Tfusão
Influência da Temperatura
Quente, Frio ou Morno?
14
� Aumento da Temperatura
� Átomos se agitam
� ↓ Resistência à separação interatômica
� ↓ Força interatômica
Influência da Temperatura
15
� Aumento da Temperatura
� Átomos se agitam
� ↓ Resistência à separação interatômica
� ↓ Força interatômica
Influência da Temperatura
σ
ε
� Aumento da Temperatura
� ↓Módulo de Elasticidade
� ↓ Limite de Escoamento
� ↓ Resistência Mecânica
� ↑ Ductilidade
� ↑ Tenacidade
Aumento da
Aumento da
Temperatura
Temperatura
T1
T2
T3
T4
T4> T3> T2> T1
16
� Aumento da Temperatura
� Átomos se agitam
� ↓ Resistência à separação interatômica
� ↓ Força interatômica
Influência da Temperatura
σ T1
T2
T3
T4
T4> T3> T2> T1
Al5052 St 42CrMo
17
� Temperatura
� A quente: Tmat > ≈ 0,6 Tfusão
� A frio: Tmat <≈ 0,5 Tfusão
� A morno: 0,5 Tfusão <Tmat< 0,6 Tfusão
� Fenômenos microestruturais
– Recuperação: reorganização das discordâncias de sinal oposto (aniquilação)
– Recristalização: formação de novos grãos (↑ Ductilidade e ↓ Resistência Mecânica)
– Crescimento de Grão: aumento do tamanho de grão
Influência da Temperatura
18
� Temperatura
� A quente: Tmat > ≈ 0,6 Tfusão.
– Recuperação e recristalização
– Laminação, Forjamento, Extrusão, trefilação
� A frio: Tmat <≈ 0,5 Tfusão.
– Recuperação e Recristalização não-efetivos
– Embutimento, Cisalhamento, Dobramento
� A morno: 0,5 Tfusão <Tmat< 0,6 Tfusão
– Apenas Recuperação
– Forjamento, Extrusão
Influência da Temperatura
19
� Temperatura
Influência da Temperatura
20
� Laminação a Quente: Operações de Desbaste
� Temperaturas elevadas, acima da recristalização (Aços: 1000°C a 1200°C)
� Restauração da estrutura
� Promove aumento da ductilidade
– Menor força de laminação
– Maiores reduções de seção
– Alta variação dimensional
� Laminação a Frio: Operações de Acabamento
� Material: produto da laminação a quente
� Sem restauração da estrutura
� Promove aumento do encruamento e refinamento de grão
– Menores reduções de seção (50-90%)
– Maior resistência mecânica
– Baixa variação dimensional
Influência da Temperatura
21
� Laminação a Quente
� Produtos de maiores dimensões, a sofrerem processos posteriores
� Placas, Chapas, Tarugos, Barras, Vergalhões, Tubos, Perfis estruturais
� Laminação a Frio
� Produtos de dimensões refinadas, semi-acabadas ou já como aplicação final
� Chapas finas, Tiras, Folhas
Laminação: Produto Acabado / Aplicações
22
� Forjamento a Quente
� Com aquecimento prévio
– Permite altas deformações
– Demanda baixa carga de conformação
– Menor precisão dimensional
� Forjamento a Frio
– Maior precisão dimensional
– Deformações limitadas
– Demanda alta carga de conformação
Influência da Temperatura
23
� Estampagem a Quente: promove aumento da ductilidade
� Menor força de laminação, Maiores deformações; Alta variação dimensional
� Estampagem a Frio: promove aumento do encruamento e refinamento de grão
� Menores deformações; Maior resistência mecânica, Baixa variação dimensional
Influência da Temperatura
24
� Temperatura média no processo de conformação
Influência da Temperatura
Temperatura de deformação ideal
Temperatura resultante do atrito
Temperatura de interface ferramenta/peça
25
� Características
� Temperatura: Ambiente
– Promove encruamento(ductilidade reduzida)
– As grandes deformações promovem considerável aumento da temperatura
– Possível processo intermediário de recozimento
Influência da Temperatura
Medição da temperatura na fieira durante o processo de trefilação
26
� Recozimento
� Tratamento térmico para redução da dureza de um material de microestrutura deformada mecanicamente
� Altas temperaturas
Influência da Temperatura
27
� Pico de Escoamento Descontínuo
� Instabilidade na transição elasto-plástica
– Limites de Escoamento Superior e Inferior
� Deformação não-uniforme (sequência de empilhamento e liberação de discordâncias)
– Deformação do plano de cisalhamento máximo
– Espalhamento e união das estrias, gerando superfície rugosa
� Consequência: Bandas incompletas de Lüders
Influência da Temperatura
28
� Pico de Escoamento Descontínuo
Influência da Temperatura
29
� Fenômeno de “Transição dúctil-frágil”
� Temperatura em que modo de falha muda de dúctil para frágil
� Zona plástica de uma trinca pré-existente contrai com a redução de temperatura. A redução excessiva altera modo de fratura.
Influência da Temperatura
“Liberty Ships”: navio mercante americano na WW2
�Falhas catastróficas: embarcação recém-fabricada, sem carregamento, no inverno
�Maior produção de um modelo de embarcação
�Danos ou perda total: 20%
�Alta produtividade: Soldagem do casco, em substituição ao processo de rebitagem
�Concentradores de tensão: Trincas pós-produção
30
� Trincas
� Superficiais, Internas ou nas Rebarbas
� Resultado de elevada deformação quando:
– Esforço excessivo combinado com baixa temperatura
– Fragilização a quente: alta concentração de enxofre
Influência da Temperatura
31
� Fadiga térmica na superfície dos cilindros de laminação
Influência da Temperatura
32
� Alta Temperatura: Encruamento não relevante → Deformação por Fluência
� Fluência
� Deformação dependente do tempo
� Fenômeno termicamente ativado
� Deformação contínua sob aplicação de carregamento ou tensão constante
Influência da Taxa de Deformação
Primária Secundária(mínima taxa de deformação)
Terciária
I II III
Def
orm
ação
[ε]
Tempo [t]
33
Fechamentos3.
Anisotropia2.4
Atrito2.3
Taxa de Deformação2.2
Temperatura2.1
Influências à Conformação2.
Introdução1.
Agenda
34
� Definição: variação da deformação ao longo do tempo do processo
Influência da Taxa de Deformação
Faixa de taxa de
deformação [s-1]Tipo de ensaio
10-8 a 10-5 Ensaio de fluência com carregamento ou tensão constante
10-5 a 10-1 Ensaios de tração "estáticos"
(equipamento acionado hidraulicamente ou por fuso)
10-1 a 102 Ensaios dinâmicos de tração ou compressão
102 a 104 Ensaios de alta velocidade, com barras de impacto
(considerando efeito de propagação de onda)
104 a 108 Impacto de hipervelocidade, usando pistolas a gas ou projéteis
movidos por explosão (ondas de choque)
L
v
dt
du
Ldt
Lud
dt
LLd
dt
d ==+=== 1)]/1[ln()]/[ln( 00εεɺ
35
Faixa de taxa de
deformação [s-1]Processo de Fabricação
1 a 103 Forjamento e Laminação (a frio e a quente)
1 a 104 Trefilação (a frio)
10-1 a 10-2 Extrusão (a quente)
1 a 102 Conformação de Chapas
103 a 106 Usinagem
� Definição: variação da deformação ao longo do tempo do processo
Influência da Taxa de Deformação
L
v
dt
du
Ldt
Lud
dt
LLd
dt
d ==+=== 1)]/1[ln()]/[ln( 00εεɺ
36
� Efeitos principais nos processos de conformação
� Aumento da taxa de deformação:
– Aumento do limite de escoamento
– Aumento da temperatura do material devido ao aquecimento adiabático
– Melhor lubrificação na interface material-ferramenta
Influência da Taxa de Deformação
37
� Influência no escoamento, particularmente a temperaturas elevadas
� Relação com tensão: temperatura e deformação constantes:
Influência da Taxa de Deformação
ε
σ
∆σ
)/ln(/)/( 12 εεσσ ɺɺ∆=m
C: Coeficiente de resistênciam: Sensibilidade à taxa de deformação
38
Taxa de deformação
No caso de deformação ε constante
≈∆
=⇒=
1
2
1
2
1
2 lneεε
σσ
εε
σσεσ
ɺ
ɺ
ɺ
ɺɺ mC
m
m
Por exemplo, se m = 0.01, aumentar a taxa de deformação de um fator de 10 eleva a tensão em apenas ~2%. Por isso geralmente efeitos de taxa são ignorados.
. .ε2/ε1
σ 2/σ 1
100 101 102 103 1041
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
m = 0.01m = 0.01m = 0.02m = 0.04m = 0.06m = 0.08m = 0.10m = 0.15m = 0.20m = 0.30m = 0.50
39
Taxa de deformação
� O parâmetro m depende fortemente da temperatura
� Em altas temperaturas m tipicamente chega a 0.10 ou 0.20 tornando os efeitos de taxa de deformação muito mais relevantes que em temperatura ambiente
40
� Velocidade do processo
a. Baixa velocidade: prensa hidráulica
– Maior tempo de contato entre matriz e componente, facilitando a refrigeração
– Menores temperaturas
b. Elevada velocidade: prensa mecânica/excêntrica
– Menor tempo de contato, dificultando refrigeração
– Menores gradientes de temperatura
– Deformação mais uniforme, menor abaulamento
Influência da Taxa de Deformação
41
� Equipamento: Prensas
� Prensa Mecânica
– Limitada pelo curso
– Conversão de movimento rotativo em alternativo
– Mais rápido e menor custo; Menores cargas de trabalho; menor precisão
� Prensa Hidráulica
– Limitado pela carga
– Pressão hidráulica acumulada movimenta pistão em cilindro
– Controle da velocidade, maior precisão dimensional, maiores cargas; Mais lento e mais caro
Influência da Taxa de Deformação
Prensa Hidráulica:
Controle da taxa
de deformação
42
� Folga entre lâminas: Corte Convencional x Corte Fino (Fine Blanking)
� Corte fino: folga micrométrica + controle da velocidade de corte
Influência da Taxa de Deformação
CONVENCIONAL FINO
43
� Pico de Escoamento Descontínuo
Influência da Taxa de Deformação
44
Fechamentos3.
Anisotropia2.4
Atrito2.3
Taxa de Deformação2.2
Temperatura2.1
Influências à Conformação2.
Introdução1.
Agenda
45
� Definição:
� Resistência à movimentação relativa entre corpos em contato e com carregamento normal
– Possibilidade de deformação plástica localizada de pequenas regiões (irregularidades topográficas) da superfície
Influência do Atrito
46
� Relação com os processos de conformação
Influência do Atrito
47
� Relação com os processos de conformação
� Alteração do estado de tensão para conformação
� Fluxos irregulares de escoamento e criação de tensões residuais
� Influência sobre a qualidade do produto conformado
� Indução de temperaturas elevadas durante o processo
� Desgaste de ferramental
Influência do Atrito
Substrato
Lubrificante
Rugosidade
Revestimento
48
� Dependência do acabamento da superfície: RUGOSIDADE
Influência do Atrito
49
Influência do Atrito
50
� Temperatura como efeito do atrito
Influência do Atrito
Medição da temperatura na fieira durante o processo de trefilação
Microestrutura do fio como efeito da temperatura do processo
51
� Atrito entre matriz e componente
� Tensões de cisalhamento criadas na superfície de contato
� Efeito: abaulamento do perfil forjado
Influência do Atrito
52
� Atrito entre matriz e componente
� Tensões de cisalhamento criadas na superfície de contato
� Efeito: abaulamento do perfil forjado
� Anéis: perfil de abaulamento influenciado pela intensidade do atrito
Influência do Atrito
Elevado atritoBaixo atrito
SEM atrito COM atrito
53
� Relações geométricas e de deformação na laminação
� Condição de Mordida e Arrastamento
Influência do Atrito
Cilindro de Laminação
Material
hihf
AB
C
O
α
α
α
N
FAT
� Para garantir o avanço no sentido da laminação:
54
� Relações geométricas e de deformação na laminação
� Condição de Mordida e Arrastamento
Influência do Atrito
Cilindro de Laminação
Material
hihf
AB
C
O
α
α
α
N
FAT
� A partir de:
� Define-se como Deformação Absoluta Máxima
55
� Relações geométricas e de deformação na laminação
Influência do Atrito
56
� Condição de Lubrificação
1. Deformação homogênea
– Baixo atrito, extrusão hidrostática, boa lubrificação
2. Atrito aumentado
– Início do trabalho redundante (cisalhamento não resultante em redução)
3. Atrito severo
– Escoamento da parte central e formação de casca na parede do recipiente
4. Extrusão indireta
– Atrito inexistente
Influência do Atrito
1 2
3 4
Zona Morta
57
� Extrusão Direta x Extrusão Indireta (ação comparativa do atrito)
Influência do Atrito
Processo de Extrusão Indireta
Processo de Extrusão Direta
58
� Variantes do processo de extrusão: Extrusão Hidrostática
� Tarugo sujeito a pressão hidrostática uniforme
� Atrito inexistente entre tarugo e recipiente: curva de pressão similar à da extrusão indireta
Influência do Atrito
Curso do Pistão
Pre
ssão
de
Ext
rusã
o
DIRETA
INDIRETA
59
� Geometria da matriz
� FGES: Força total
� FRS: Força de atrito com a matriz (parte cônica)
� FSch: Força de cisalhamento (trabalho redundante)
� FId: Força ideal de deformação (sem atrito e cisalhamento)
� FRW: Força de atrito com o recipiente (parte cilíndrica)
Influência do Atrito
Ângulo ótimo
60
� Geometria da matriz
� FRS: Força de atrito com a matriz (parte cônica)
Influência do Atrito
0
1
2
3
4
5
6
7
0 45 90 135 180
y=f(
x)
Ângulo da matriz (2x)
y=f(x)=[1/sen(2x)]
61
Influência do Atrito
� Força de Estampagem
P: Carga total no punçãoDp: diâmetro do punçãoD0: diâmetro inicial do blankh: espessura do blankσ0: escoamento médio do blankH: força no anel fixadorμ: coeficiente de atritoB: força para dobrar e endireitar
blank
62
� Hydroforming (Hidroconformação)
� Assim como na conformação por elastômero:
– Esforços de atrito são minimizados
Influência do Atrito
63
� Rupturas centrais
� Sequência de falhas em formato de “V”, indicando a direção de trefilação
� Geometria da fieira não adequada
– Redução de seção muito pequena: superfície movendo muito mais rápida do que a região central → tensões de tração no centro do fio
– Zona de deformação muito extensa
� Lubrificação: Transição entre regimes de lubrificação (limítrofe ↔ misto)
Influência do Atrito
σ
Análogo à laminação
64
� Rupturas centrais
Influência do Atrito
65
� Trincas internas centrais (“Chevron marks”)
� Similar ao exposto para Trefilação
� Acentuada diferença de velocidades entre material externo e interno
– Baixo atrito entre recipiente e tarugo (↑vEXT)
– Baixa razão de extrusão (↓vINT)
Influência do Atrito
66
� Resistência à movimentação relativa entre corpos em contato e com carregamento normal: Deformação plástica localizada
� Mecanismos de Adesão e Abrasão
Influência do Atrito
67
� Falhas em ferramental de estampagem
Influência do Atrito
68
� Lubrificantes comumente empregados em processos de conformação
� Água (pura ou destilada)
� Óleos minerais
� Graxa
� Cera
� Sabão
� Sólidos minerais (Grafita, bissulfeto de molibdênio)
� Sólidos metálicos (Pb, Cd, Cu)
� Plásticos (lâminas de nylon, teflon ou polietileno)
� Materiais sintéticos (silicone ou polietilenoglicol)
Influência do Atrito
69
Fechamentos3.
Anisotropia2.4
Atrito2.3
Taxa de Deformação2.2
Temperatura2.1
Influências à Conformação2.
Introdução1.
Agenda
70
Anisotrópico
� Definição de Anisotropia
� Corpo possui uma certa propriedade que varia com a direção ou orientação
Influência da Anisotropia
71
� Índice de Anisotropia Normal (R)
� Variação das propriedades em relação à espessura
� Medida de espessura pode induzir erros significativos
– Fazer uso da premissa de conservação do volume
Influência da Anisotropia
72
� Índice de Anisotropia Normal (R)
� Variação das propriedades em relação à espessura
� Valores típicos:
Influência da Anisotropia
Material Anisotropia Normal (R)
Zinco 0,2
Aço laminado a quente 0,8 a 1,0
Aço laminado a frio 1,0 a 1,35
Ligas de Alumínio 0,6 a 0,8
Cobre e latão 0,8 a 1,0
Ligas de Titânio 4 a 6
73
Influência da Anisotropia
74
� Índice de Anisotropia Planar (ΔR): avalia o fenômeno de orelhamento
Influência da Anisotropia
75
Influência da Anisotropia
76
� Efeito gráfico sobre o critério de escoamento
� Caso em que o material não apresenta anisotropia com simetria de rotação (não éortotrópico)
– Encruamento cinemático
Influência da Anisotropia
77
� Definição de Anisotropia
� Corpo possui uma certa propriedade que varia com a direção ou orientação
Influência da Anisotropia
Processo de laminação:Variação da microestrutura
78
� Microestrutura do tarugo
� Evolução da microestrutura em função da condição do tarugo engendra:
– Relaxação
– Recristalização
– Segregação
� Em interação com parâmetros do processo
– Temperatura
– Velocidade
Influência da Anisotropia
79
� Falha em Conformação de Chapas: efeito da anisotropia
Influência da Anisotropia
Orelhas Casca de laranja
80
Fechamentos3.
Influências à Conformação2.
Introdução1.
Agenda
81
Objetivos Específicos
Influência da Temperatura
1
Influência da Taxa de Deformação
2
Influência do Atrito
3
Influência da Anisotropia
3
Substrato
Lubrificante
Rugosidade
Revestimento
σ T1
T2
T3
T4
T4> T3> T2> T1
82
Processos de Fabricação: Estrutura do Curso
PlasticidadeFundamentos da
ConformaçãoTecnologias de Conformação
Processos Não-Convencionais
� Comportamento mecânico
� Tipos de Falhas
� Análise de tensão e deformação
� Relações plásticas
� Escoamento plástico
� Classificação
� Modelos preditivos
� Influências: atrito, temperatura; taxa de deformação e anisotropia.
� Ensaios de conformabilidade
� Trefilação
� Laminação
� Forjamento
� Extrusão
� Estampagem
� Estiramento
� Repuxamento
� Soldagem a Ponto
� Metalurgia do Pó
F
dx