variáveis do processo termomecânico que influenciam a relação
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MINISTÉRIO DA DEFESA
EXÉRCITO BRASILEIRO
DEPARTAMENTO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA
CURSO DE MESTRADO EM CIÊNCIA DOS MATERIAIS
BRUNA MELINA MARQUES DE SOUSA HISSANAGA
VARIÁVEIS DO PROCESSO TERMOMECÂNICO QUE INFLUENCIAM NA RELAÇÃO ELÁSTICA DO VERGALHÃO CA-60
Rio de Janeiro 2013
INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA
BRUNA MELINA MARQUES DE SOUSA HISSANAGA
VARIÁVEIS DO PROCESSO TERMOMECÂNICO QUE INFLUENCIAM NA RELAÇÃO ELÁSTICA DO VERGALHÃO CA-60
Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa
de Pós-Graduação em Ciência dos Materiais do
Instituto Militar de Engenharia, como requisito parcial
para a obtenção do título de Mestre em Ciência dos
Materiais.
Orientador: Prof. Luiz Paulo Mendonça Brandão, D.C.
Rio de Janeiro 2013
2
C2013
INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA
Praça General Tibúrcio, 80 – Praia Vermelha
Rio de Janeiro - RJ CEP: 22290-270
Este exemplar é de propriedade do Instituto Militar de Engenharia, que poderá
incluí-lo em base de dados, armazenar em computador, microfilmar ou adotar qualquer
forma de arquivamento.
É permitida a menção, reprodução parcial ou integral e a transmissão entre
bibliotecas deste trabalho, sem modificação de seu texto, em qualquer meio que esteja
ou venha a ser fixado, para pesquisa acadêmica, comentários e citações, desde que
sem finalidade comercial e que seja feita a referência bibliográfica completa.
Os conceitos expressos neste trabalho são de responsabilidade da autora e do
orientador.
620.1 Hissanaga, Bruna Melina Marques de Sousa
S673v Variáveis do processo termomecânico que influenciam na relação
elástica do vergalhão CA-60 / Bruna Melina Marques de Sousa
Hissanaga; orientada por Luiz Paulo Mendonça Brandão - Rio de
Janeiro: Instituto Militar de Engenharia, 2013.
95p. : il.
Dissertação (mestrado) – Instituto Militar de Engenharia – Rio de
Janeiro, 2013.
1. Ciência dos Materiais. 2. Fio-máquina. 3. Laminação a frio. 4.
Tensões residuais. I. Brandão, Luiz Paulo Mendonça. II. Título. III.
Instituto Militar de Engenharia.
CDD 620.1
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INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA
BRUNA MELINA MARQUES DE SOUSA HISSANAGA
VARIÁVEIS DO PROCESSO TERMOMECÂNICO QUE INFLUENCIAM NA RELAÇÃO ELÁSTICA DO VERGALHÃO
CA-60
Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em
Ciência dos Materiais do Instituto Militar de Engenharia, como requisito parcial para a
obtenção do título de Mestre em Ciência dos Materiais.
Orientador: Luiz Paulo Mendonça Brandão, D.C.
Aprovada em 8 de outubro de 2013 pela seguinte Banca Examinadora:
____________________________________________________ Prof. Luiz Paulo Mendonça Brandão, D.C. do IME - Presidente
____________________________________________________ Prof. Carlos Nelson Elias, D.C. do IME
____________________________________________________ Prof. André Luiz Pinto, D.C. do CBPF
Rio de Janeiro
2013
4
AGRADECIMENTOS
Agradeço a Deus por ter me dado força e sabedoria para concluir este curso de
mestrado.
Ao meu esposo Marcelo, por sempre apoiar meus desafios pessoais e
profissionais, pois sem o seu incentivo eu não teria conseguido, obrigada por tudo.
Aos meus pais Rosinete e Antonio e ao meu irmão Diego por todo apoio, amor
incondicional e por sempre apoiar meus desafios e também em especial as minhas
avós pela força das orações nos períodos mais difíceis.
Aos primos Lucinha e Barros, aos amigos Daniele, Anderson, Anelise, Isis,
Jheison, Fabio e todos os outros, meu muito obrigada pelo acolhimento nos
momentos em que eu precisei de apoio.
Ao meu orientador, Prof. Dr. Luiz Paulo Brandão, pelos conselhos, amizade,
incentivo, compreensão, paciência e por ter acreditado no meu potencial.
Ao Iran e ao Salvador pela oportunidade de aprendizado e vivência profissional
na área de aços longos.
Ao Sr. Hélio Fidêncio por ensinar com amor seus conhecimentos sobre
metalurgia.
Quero agradecer a Votorantim Siderurgia e toda equipe que apoiou o projeto
direta ou indiretamente, pois sem eles, este trabalho não seria possível de ser
realizado. Agradeço o empenho de cada um durante o planejamento e execução dos
testes no processo e no laboratório.
Agradeço ao CNPq, e a CAPES pelo apoio financeiro.
5
“O futuro pertence àqueles que acreditam na
beleza de seus sonhos”
Eleanor Roosevelt
6
SUMÁRIO
LISTA DE ILUSTRAÇÕES ----------------------------------------------------------------------- 08
LISTA DE TABELAS ------------------------------------------------------------------------------ 11
LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS-------------------------------------------------- 12
1 INTRODUÇÃO ---------------------------------------------------------------------------- 16
1.1 Motivação Para a Pesquisa ----------------------------------------------------------- 16
1.2 Escolha do Tema------------------------------------------------------------------------- 17
1.3 Objetivo da Pesquisa-------------------------------------------------------------------- 17
1.4 Organização do Trabalho--------------------------------------------------------------- 18
2 REVISÃO DE LITERATURA ---------------------------------------------------------- 19
2.1 Produção de Fio-máquina--------------------------------------------------------------- 19
2.2 Variáveis no Processo de Laminação ----------------------------------------------- 21
2.2.1 Tamanho de Grão------------------------------------------------------------------------- 24
2.2.2 Resfriamento do Fio Máquina no Processo Stelmor-Laminação a Quente 25
2.3 Variáveis na Laminação a Frio -------------------------------------------------------- 29
2.3.1 Encruamento ------------------------------------------------------------------------------- 29
2.3.2 Propriedades Mecânicas ---------------------------------------------------------------- 31
2.3.3 Tensões Residuais ------------------------------------------------------------------------ 33
2.3.4 Relação Elástica---------------------------------------------------------------------------- 34
2.3.5 Efeito Bauschinger------------------------------------------------------------------------- 37
3 MATERIAIS E MÉTODOS ------------------------------------------------------------- 41
3.1 Materiais------------------------------------------------------------------------------------- 41
3.2 Resfriamento do Fio Máquina --------------------------------------------------------- 42
3.3 Processamento do Fio Máquina ------------------------------------------------------ 50
3.4 Laminação a Frio do CA-60 com Dispositivo para Alívio de Tensão
Mecânica ------------------------------------------------------------------------------------ 52
3.5 Análise Química--------------------------------------------------------------------------- 56
3.6 Caracterização Microestrutural--------------------------------------------------------- 56
3.7 Ensaio de Tração-------------------------------------------------------------------------- 57
7
4 RESULTADOS---------------------------------------------------------------------------- 58
4.1 Resfriamento do Fio-Máquina do Laminador a Quente ------------------------ 58
4.2 Laminação a Frio do CA-60------------------------------------------------------------ 63
4.3 Laminação a Frio CA-60 com Dispositivo para Alívio de Tensão
Mecânica------------------------------------------------------------------------------------ 65
5 DISCUSSÃO DOS RESULTADOS-------------------------------------------------- 68
5.1 Resfriamento do Fio-Máquina--------------------------------------------------------- 68
5.2 Relação Elástica (LR/LE)--------------------------------------------------------------- 74
6 CONCLUSÃO----------------------------------------------------------------------------- 78
7 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS --------------------------------- 80
8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ------------------------------------------------ 81
9 APÊNDICES ------------------------------------------------------------------------------- 85
9.1 APÊNDICE 1: MICROGRAFIAS FIO MÁQUINA EXPERIMENTOS 1 a 7- 86
9.2 APÊNDICE 2: MICROGRAFIAS MEDIÇÃO DE CAREPAS EXPERI-
MENTO 1 a 7------------------------------------------------------------------------------- 89
9.3 APÊNDICE 3: MICROGRAFIAS VERGALHÃO CA-60 SEM DISPOSI-
TIVO------------------------------------------------------------------------------------------ 91
9.4 APÊNDICE 4: TERMOGRAFIAS DOS EXPERIMENTOS DE 1 a 7 -------- 93
8
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
FIG.2.1 Fio-máquina VS diâmetro 6,5 mm (VOTORANTIM, 2013)----------- 19 FIG.2.2 Fluxograma de uma usina siderúrgica de aços longos
(VOTORANTIM, 2013)--------------------------------------------------------- 20 FIG.2.3 Representação esquemática da laminação a quente
(TEOH, 1995)--------------------------------------------------------------------- 21
FIG.2.4 Representação esquemática da laminação convencional ou laminação controlada (TEOH, 1995)--------------------------------------- 22
FIG.2.5 Representação esquemática da recristalização na laminação
controlada (TEOH,1995)------------------------------------------------------ 23
FIG.2.6 Mapeamento da temperatura no resfriamento (FANG, 2012)------- 29
FIG.2.7 Influência do encruamento sobre as curvas tensão-deformação de um aço baixo carbono (CHIAVERINI, 1986)------------------------- 30
FIG.2.8 Resistência versus redução de área (CHIAVERINI, 2005)----------- 32
FIG.2.9 Variação das propriedades mecânicas no trabalho a frio
(Dieter, 1981)-------------------------------------------------------------------- 33 FIG.2.10 Esquema do comportamento uniaxial tensão-deformação no
efeito Bauschinger (ABEL, 1987)------------------------------------------- 38
FIG.2.11 Representação do empilhamento e linha móvel de discordâncias (BROWN, 1977)----------------------------------------------------------------- 39
FIG.3.1 Esquema mostrado o formador de espiras, a esteira e os
ventiladores do laminador a quente ---------------------------------------- 42
FIG.3.2 Termografia das espiras de fio-máquina --------------------------------- 43
FIG.3.3 Perfil térmico dos experimentos 1 & 2 versus o perfil padrão------- 44 FIG.3.4 Perfil térmico do experimento 4 versus o perfil padrão -------------- 45
FIG.3.5 Perfil térmico dos experimentos 5 & 6 versus o perfil padrão-------- 46
FIG.3.6 Perfil térmico do experimento 7 versus o perfil padrão -------------- 47
FIG.3.7 Laminador a frio (VOTORANTIM, 2013)---------------------------------- 50 FIG.3.8 Cassete e cabrestante do laminador a frio (VOTORANTIM, 2013) 51
9
FIG.3.9 Painel de retificação do laminador (aliviador de tensão) ------------- 51
FIG.3.10 a) Bobina do Vergalhão CA-60 5,0 mm laminado a frio (b) ampliação da figura (a) ------------------------------------------------------- 52
FIG.3.11 Dispositivo de alívio de tensão mecânica -------------------------------- 53
FIG.3.12 Dispositivo de alívio de tensão mecânica soldado no laminador a
frio ---------------------------------------------------------------------------------- 53
FIG.3.13 Passagem do CA-60 do cabrestante para o dispositivo -------------- 54
FIG.3.14 Fratura do CA-60 durante a laminação a frio ---------------------------- 55 FIG.4.1 Termografias das espiras do fio-máquina durante os
experimentos 4 e 5 (a) e (b) 1º medição , (c) e (d) 9º medição,
(e) e (f) 18º medição --------------------------------------------------------- 59
FIG.4.2 Termografia das espiras do fio-máquina durante o resfriamento no Stelmor ---------------------------------------------------------------------- 59
FIG.4.3 (a) Micrografia corte transversal do início da bobina do FM
experimento 4, com ampliação 200x. Ataque Picral e (b) distribuição do tamanho de grão ------------------------------------------ 60
FIG.4.4 (a) Micrografia corte transversal do final da bobina do FM
experimento 5, com ampliação 200x. Ataque Picral e (b) distribuição do tamanho de grão ------------------------------------------ 60
FIG.4.5 Micrografia da espessura da carepa do FM experimento 4.1000x.
Ataque Picral --------------------------------------------------------------------- 61 FIG.4.6 Micrografia da espessura da carepa do FM experimento 5.1000x.
Ataque Picral --------------------------------------------------------------------- 62
FIG.4.7 Micrografia da espessura da carepa do FM experimento 7.1000x. Ataque Picral --------------------------------------------------------------------- 62
FIG.4.8 Resultados do teste de tração FM 6,5 mm ------------------------------ 62
FIG.4.9 Micrografia corte longitudinal CA-60 experimento 4. 200x.
Ataque Picral (a) núcleo com 30% de redução na deformação e (b) superfície com 40% de redução na deformação ----------------- 63
FIG.4.10 Micrografia corte longitudinal CA-60 experimento 5. 200x.
Ataque Picral (a) núcleo com 35% de redução na deformação e (b) superfície com 40% de redução na deformação ----------------- 64
FIG.4.11 Resultados do teste de tração CA-60 5,0 mm -------------------------- 64
10
FIG.4.12 Micrografia corte longitudinal CA-60 experimento 4, após
dispositivo de alívio de tensão mecânica.200x. Ataque Picral a) núcleo com 20% de redução na deformação e (b) superfície com 40% de redução na deformação ------------------------------------------- 65
FIG.4.13 Micrografia corte longitudinal CA-60 experimento 5, após
dispositivo de alívio de tensão mecânica.200x. Ataque Picral (a) núcleo com 20% de redução na deformação e (b) superfície com 40% de redução na deformação ----------------------------------- 66
FIG.4.14 Resultados do teste de tração CA-60 5,0 mm com e sem
dispositivo ----------------------------------------------------------------------- 67 FIG.5.1 Resultados Boxplot do Limite de Resistência dos fios-máquina -- 69
FIG.5.2 Resultados ANOVA do Limite de Resistência dos fios-máquina---- 70
FIG.5.3 Resultados Boxplot do Limite de Escoamento dos fios-máquina 70
FIG.5.4 Resultados ANOVA do Limite de Escoamento dos fios-máquina -- 71
FIG.5.5 Gráficos estatísticos da análise residual---------------------------------- 72 FIG.5.6 Valores obtidos por meio do software MINITAB------------------------- 72 FIG.5.7 Composição do modelo matemático--------------------------------------- 73 FIG.5.8 Resultados Boxplot para o Limite de Escoamento CA-60 ----------- 74
FIG.5.9 Resultado T-test para Limite de Escoamento do CA-60-------------- 75
FIG.5.10 Resultados Boxplot para o Limite de Resistência do CA-60 -------- 75
FIG.5.11 Resultado T-test para Limite de Resistência do CA-60 --------------- 76
FIG.5.12 Resultados Boxplot para relação elástica do CA-60 ------------------ 76
FIG.5.13 Resultados T-test para relação elástica LR/LE CA-60 ---------------- 77
11
LISTA DE TABELAS
TAB.2.1 Composição química ---------------------------------------------------------- 27 TAB.2.2 Propriedades mecânicas ----------------------------------------------------- 31 TAB.2.3 Classificação dos vergalhões------------------------------------------------ 32
TAB.3.1 Composição química do aço ABNT----------------------------------------- 41
TAB.3.2 Dados dos experimentos no laminador a quente----------------------- 48
TAB.3.3 Número de amostras de fio-máquina-------------------------------------- 49 TAB.3.4 Número de amostras do CA-60--------------------------------------------- 55 TAB.4.1 Tamanho de grão-------------------------------------------------------------- 61
12
LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS
ABREVIATURAS
CA - Concreto Armado
FM - Fio Máquina
IME - Instituto Militar de Engenharia
VS - Votorantim Siderurgia
CBPF - Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas
ASTM - American Society for Testing and Materials
IBS - Instituto Brasileiro de Siderurgia
ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas
LR - Limite de Resistência
LE - Limite de Escoamento
LR/LE - Relação entre limite de resistência e limite de escoamento
Lo - Comprimento inicial
Φ PINO - Diâmetro do pino utilizado no teste de dobramento
DOE - Design of Experiments
SÍMBOLOS
d - Diâmetro médio do grão
Ke - Constante para cada material
σ0 - Constante para cada material
C - Carbono
Si - Silicio
Mn - Manganes
S - Enxofre
P - Fósforo
Cu - Cobre
Ni - Niquel
Cr - Cromo
13
Sn - Estanho
Mo - Molibdênio
Al - Alumínio
N - Nitrogênio
Ceq - Carbono equivalente
- Fluxo de tensão do metal
- Estado estacionário de tensão
- Tamanho de grão da austenita inicial
- Parâmetro de Zener-Hollomon
- Taxa de deformação
XD - Fração de volume da recristalização dinâmica
- Pico de deformação
CCC - Cúbica de Corpo Centrado
CFC - Cúbica de Face Centrada
tr - Temperatura real
txresfri - Taxa de resfriamento
resfrif - Resfriamento forçado
14
RESUMO
Este trabalho tem como objetivo avançar no conhecimento sobre as variáveis da laminação que influenciam na relação elástica do vergalhão CA-60, que é obtido por meio da laminação a frio do Fio-Máquina. Este estudo surgiu da necessidade de se obter a relação elástica no CA-60 bobina consistente com que a norma prediz. Foram realizadas avaliações nas seguintes etapas do processo do laminador a quente no processo de obtenção do Fio-máquina (matéria-prima): temperatura no formador de espiras, velocidade da esteira e vazão de ar nos ventiladores do processo Stelmor. Essas alterações foram realizadas com o intuito de se obter um tamanho de grão maior em relação ao atual, objetivando a redução do limite de resistência. Em seguida os fios-máquina gerados nos experimentos foram laminados a frio para verificação das propriedades mecânicas do CA-60 após as alterações no processo da laminação a quente. O encruamento e o alívio de tensões mecânicas durante o processo de laminação a frio causam mudanças nas propriedades mecânicas dos materiais laminados. Para reduzir o limite de escoamento e alcançar a relação elástica mínima estabelecida por norma, foi necessário acrescentar um dispositivo para alívio de tensões mecânicas no laminador a frio, de modo que se obtivesse um aumento de alívio de tensões mecânicas no CA-60. O resultado esperado com este trabalhado foi alcançado após a instalação do dispositivo que permitiu um aumento no alívio das tensões no vergalhão, sendo assim possível obter a relação elástica. Palavras-chave: fio-máquina; laminação a frio; vergalhão; tensões residuais
15
ABSTRACT
This work aims to advance knowledge about the variables that influence the rolling elastic relationship rebars CA-60, which is obtained by cold rolling Wire rod. This study arose from the need to obtain the relationship elastic coil in CA-60 consistent with the predicted standard. Evaluations were carried out in the following stages of the hot rolling mill in the process of getting the wire rod (raw): temperature in forming loops, belt speed and air flow fans in the process Stelmor. These changes were made in order to obtain a larger grain size compared to current, aiming to reduce the endurance limit. Then the wire rod experiments were generated in the cold rolled to verify the mechanical properties of the CA-60 after changes in the process of hot rolling. The hardening and strain relief during the cold rolling process cause changes in the mechanical properties of laminated materials. To reduce the yield point and achieving minimum ratio established by elastic standard was necessary to add a device for strain relief in cold rolling, so that obtain an increase of strain relief in CA-60. The expected result was achieved with this working after installing the device that allowed an increase in the easing of tensions in rebar, making it possible to obtain the relative elastic.
Key words: wire rod cold rolling, rebar, residual stresses
16
1 INTRODUÇÃO
1.1 MOTIVAÇÃO PARA A PESQUISA
A construção civil é um dos setores da economia de maior impacto no emprego e
bem-estar da população. Os investimentos em infra-estrutura e habitação
demandam grandes volumes de aço.
O setor tem uma situação privilegiada se for visualizada a interface do aço ou de
produtos em aço com o meio ambiente. O aço é um material integralmente
reciclável. Quando atinge a vida útil, produtos como carros, eletrodomésticos, latas,
barras e arames tornam-se sucatas que alimentam os fornos das usinas, produzindo
novamente aço com a mesma qualidade.
A siderurgia é um dos maiores setores recicladores, pois consome praticamente
toda a sucata de ferro e aço resultante dos processos industriais e de bens
obsoletos.
Mais de 20% da produção de aço do país provêm de usinas que operam fornos
elétricos, cuja matéria-prima básica é a sucata ferrosa (IBS, 2012).
A laminação é um processo de conformação mecânica que possui como objetivo
desenvolver a forma desejada do material, de modo a torná-lo adequado a uma
determinada aplicação.
Os produtos acabados laminados não planos ou longos podem ser classificados
em barras, vergalhões, fios-máquina, tubos, perfis comuns, perfis especiais entre
outros. Neste trabalho iremos utilizar fio-máquina com seção transversal circular. O
processo de laminação pode ser a frio ou a quente. Normalmente, a laminação a
quente é usada para as operações de desbaste e a laminação a frio, para as
operações de acabamento.
Atualmente os produtos siderúrgicos brasileiros competem diretamente com
produtos importados de países como China, Rússia e Índia (IBS, 2013).
Portanto considerando o cenário atual do mercado brasileiro, em que o aço
importado custa 25% mais barato em relação ao produto interno, é importante que
ele se torne mais competitivo. Para tornar o produto competitivo se faz necessário
realizar pesquisas a fim de desenvolver novos produtos ou realizar melhoria nos
processos.
17
1.2 ESCOLHA DO TEMA
O vergalhão CA-60 é bastante consumido no segmento de construção civil no
Brasil sendo indicado para a produção de treliças, pré-moldados e outros. Para
produzir o vergalhão obtendo as propriedades mecânicas de acordo com a norma
ABNT NBR 7480 o fio-máquina é submetido a reduções no processo de laminação a
frio, em que é necessário ter o controle das variáveis do processo para entender
possíveis alterações no mesmo.
Há inúmeras maneiras de se atingir as propriedades mecânicas solicitadas na
norma, como por exemplo, acrescentar elementos de liga como manganês ou
vanádio para se obter propriedades mecânicas adequadas (como conseqüência
ocorre aumento do custo), utilizar à temperatura de reaquecimento do tarugo na
faixa de 1200°C (aumento do consumo de gás) entre outras.
Visando redução de custo e obtenção da relação elástica para a bobina do CA-
60, em condições diferentes da fabricação deste produto no mercado, foi analisado
neste trabalho o fio-máquina com diâmetro de 6,50mm de baixo carbono, de modo
que fosse possível obter as propriedades mecânicas necessárias para atendimento
a norma.
1.3 OBJETIVO DA PESQUISA
Este trabalho tem por objetivo avançar no conhecimento sobre a influência das
variáveis do processo de laminação a quente e a frio que interferem na obtenção da
relação elástica do vergalhão CA-60 bobina.
Na laminação a quente serão avaliadas alterações no processo de resfriamento
no Stelmor, onde será avaliada a influência de três parâmetros do processo:
temperatura no formador de espiras, velocidade de resfriamento e o emprego de das
seguintes condições: com ou sem resfriamento.
Na laminação a frio será verificado o encruamento, alívio de tensões e o
atendimento das propriedades mecânicas estabelecidas por norma com foco na
18
relação elástica (1,05 mín.), utilizando a matéria-prima conseguida com as diferentes
configurações obtidas na laminação a quente.
1.4 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO
No capítulo a seguir serão discutidas as propriedades e as variáveis dos
processos de laminação a quente e a frio, que influenciam na relação elástica do
CA-60 bobina. No terceiro capítulo será apresentado o estado da arte. O quarto
capítulo informa a metodologia utilizada para a produção do fio-máquina e do
vergalhão variando parâmetros do processo de fabricação. No quinto capítulo tem-
se a discussão dos resultados obtidos e o sexto capítulo traz as considerações finais
do estudo apresentado neste trabalho.
19
2 REVISÃO DE LITERATURA
Os processos de conformação mecânica empregam a deformação plástica em
um corpo metálico, mantendo sua massa e integridade. A conformação de peças na
forma definitiva ou produtos semi-acabados podem ser realizados a quente ou a frio.
Na conformação a quente o metal é aquecido acima de sua temperatura de
recristalização e na conformação a frio abaixo da temperatura de recristalização. Na
conformação a frio, o metal apresenta-se encruado ou parcialmente encruado,
dependendo das forças envolvidas no processo.
2.1 PRODUÇÃO DE FIO-MÁQUINA
O fio-máquina ilustrado na FIG.2.1 é produzido por meio da laminação a quente
do tarugo. Ele é utilizado no Brasil e em outros países como matéria-prima para:
arames, vergalhões para construção civil entre outros. Em sua fabricação podem ser
utilizados aços de baixo a alto carbono e aços ligados.
O diâmetro do fio-máquina pode variar de 5,5 mm até 22,50 mm podendo ser de
seção esférica ou sextavado. A norma ABNT NBR 6354 é responsável pelo controle
dimensional do produto e a norma ABNT NBR 6330 rege a qualidade superficial.
FIG.2.1 Fio-máquina VS diâmetro 6,5 mm (VOTORANTIM, 2013).
20
A FIG.2.2 ilustra o fluxograma de uma usina siderúrgica de aços longos. No
processo de fabricação do fio-máquina o tarugo é inicialmente aquecido ao passar
pelo forno de reaquecimento para que ocorra a homogeneização da temperatura ao
longo do tarugo antes do mesmo entrar no desbaste.
FIG.2.2 Fluxograma de uma usina siderúrgica de aços longos
(VOTORANTIM, 2013).
A função dos fornos de reaquecimento é alcançar uma temperatura na qual os
tarugos estejam suficientemente plásticos para permitir a redução mecânica da
seção desejada.
Grandes reduções ocorrem durante o desbaste e no trem médio para
regulagem de diferentes bitolas. No bloco acabador, a velocidade de laminação
aumenta para aproximadamente 95m/s. Após estas etapas do processo, o material é
resfriado e segue para o formador de espiras. O mesmo é composto por um tubo
que gira em velocidade ajustada para cada bitola a ser produzida, formando uma
espira de fio. Em seguida as espiras vão para a mesa transportadora no Stelmor
(processo de resfriamento) e seguem para o coletor, onde são transformados em
bobinas que em seguida são compactadas.
21
2.2 VARIÁVEIS NO PROCESSO DE LAMINAÇÃO
O trabalho a quente requer menos energia para deformar o metal, proporciona o
surgimento de menos discordâncias na microestrutura, diminui as heterogeneidades
da estrutura inicial do lingote e tem o potencial de diminuir porosidades. Os grãos
colunares e grosseiros do lingote inicial são quebrados e refinados durante a
conformação, dando lugar a grãos equiaxiais. Além disso, estas variações
microestruturais proporcionam um aumento na ductilidade e na tenacidade do aço. A
estrutura e as propriedades dos metais trabalhados a quente não são tão uniformes
ao longo da seção reta como nos metais trabalhados a frio e recozidos.
Segundo TEOH (1995) na laminação a quente convencional é realizada a
decomposição da estrutura de grãos grosseiros por repetidas recristalizações na
região austenítica mostrada na FIG 2.3. A temperatura de reaquecimento e da
laminação final durante a deformação a quente precisam ser elevadas (1100-
1250°C) para exigir menor esforço na conformação mecânica. A influência mais
pronunciada no refinamento do grão austenítico é atingida se o trabalho a quente é
efetuado dentro de uma faixa de temperatura onde a recristalização da austenita não
possa ocorrer. Depois da laminação o aço é resfriado a ar e algumas usinas também
utilizam o resfriamento pulverizando água em produtos laminados.
FIG.2.3 Representação esquemática da laminação a quente (TEOH, 1995).
22
A laminação a quente também pode ser controlada para otimizar as
propriedades dos fios-máquina.
A laminação típica mostrada na FIG.2.4, é caracterizada pela alta temperatura de
reaquecimento a 1200°C para assegurar a completa dissolução da microliga, e, em
seguida, impor uma deformação moderada ou pesada no acabamento a
temperaturas muito mais baixas (950-750°C).
FIG.2.4 Representação esquemática da laminação convencional ou laminação controlada (TEOH, 1995).
Em contraste com a laminação convencional em que as operações de desbaste
e acabamento são contínuas, há um atraso entre essas duas fases na laminação, a
fim de reduzir a temperatura do aço para a fase final de laminação.
Laminar abaixo da temperatura de 1000 C, refina e recristaliza os grãos
austeniticos continuamente durante e após cada deformação. No entanto, é muitas
vezes difícil reduzir a temperatura de laminação final para abaixo de 1000°C mesmo
com a utilização do resfriamento, menor velocidade de laminação, ou introdução de
atrasos no cronograma de laminação. De forma mais clara, os atrasos no
refriamento tendem a prolongar o tempo de processamento, e a baixa temperatura
de laminação não se torna viável para muitos laminadores, devido a cargas
excessivas (TEOH, 1995). Em função disto, uma nova rota de processamento
conhecida como recristalização controlada de laminação pode ser utilizada, FIG.2.5.
Ela assume uma importância predominante na laminação de barras e fios que
corresponde a grãos refinados sem o uso de baixas temperaturas severas na
23
laminação controlada. Isto envolve o controle do crescimento do tamanho de grão
austenítico durante o reaquecimento de tarugos a 1060-1200° C, deformação
repetida acima de 1000°C e resfriamento acelerado (~ 15 °C s-1) após a laminação
de acabamento para maximizar a taxa de nucleação da ferrita.
FIG.2.5 Representação esquemática da recristalização na laminação controlada (TEOH, 1995).
O êxito desta técnica depende de se obter e manter um tamanho de grão
austenítico fino.
O refinamento de grão é um método eficaz para a produção de vergalhões de
alta resistência de baixo custo. Utilizando aço carbono comum com limite de
escoamento de 400MPa e 500MPa, podem ser produzidos por tecnologia de grão
ultra-fino com menor consumo de elemento liga, o que reduz custos (YANG, 2010).
Aumentar a taxa de resfriamento (água ou ar), após a laminação geralmente
contribui para um maior reforço decorrente do refinamento de grão. Isto é
exemplificado pela produção de fio-máquina e barras para a fabricação de
parafusos, porcas, eixos de direção, sem recorrer a tratamentos adicionais.
Quando uma taxa de resfriamento ideal é estabelecida, a taxa de resfriamento
superior reduz o nível de força para a supressão da precipitação e a introdução de
transformação de produtos de baixa temperatura. Se o resfriamento acelerado for
interrompido pode ocorrer um aumento de precipitados resultando em um aumento
da resistência ao escoamento e alongamento .
24
De maneira geral alguns dos parâmetros que podem afetar a microestrutura e as
características mecânicas no processo de laminação são as seguintes:
- Velocidade de laminação
Quando a velocidade de laminação é menor o material tem uma perda de
temperatura de forma lenta proporcionando um aumento no tamanho de grão o que
interfere no limite de resistência.
- Temperatura do formador de espiras;
Influencia na formação de carepa grossa e na microestrutura do aço. O aumento
da temperatura no formador de espiras gera uma granulação grosseira influenciando
diretamente as propriedades mecânicas. As temperaturas mais baixas oferecem
condições para se obter uma estrutura com maior refinamento e uniformidade, o que
determina transformações de fase e que o aço possa ser usado em determinadas
aplicações com menor custo de produção.
- Taxa de resfriamento – normalização processo Stelmor
O aumento da velocidade da mesa transportadora ocasiona uma distância entre
as espiras. Quanto maior essa distância, maior e mais uniforme será o resfriamento.
Por outro lado, quanto menor a velocidade da mesa as espiras se tornam mais
próximas, o que gera o acúmulo de calor. Quando os ventiladores estão fechados, à
velocidade de resfriamento é reduzida. Se os mesmos estiverem ligados o
resfriamento ocorre de maneira acelerada.
O resfriamento interfere no refinamento e a homogeneização da microestrutura
do aço, influenciando nas propriedades mecânicas.
2.2.1 TAMANHO DE GRÃO
O tamanho de grão ou diâmetro médio do grão influencia nas propriedades
mecânicas dos metais. Grãos adjacentes possuem orientações cristalográficas
diferentes e contorno de grão comum.
Um material que possui estrutura refinada com grãos pequenos é mais duro e
resistente do que os que tem uma granulação grosseira, uma vez que o primeiro
possui uma maior área total de contornos de grãos para dificultar o movimento das
25
discordâncias. A redução do tamanho de grão aumenta não somente a resistência,
mas também a tenacidade de muitas ligas.
O Limite de escoamento (LE) varia de acordo com o tamanho de grão conforme
a EQ. 2.1:
(2.1)
A equação acima é conhecida como a Equação de Hall-Petch. Nela d
representa o diâmetro médio do grão, enquanto que Ke e σ0 são constantes
específicas para cada material (HALL, 1951 e PETCH, 1953).
O tamanho de grão pode ser regulado mediante o ajuste da taxa de
solidificação a partir da fase líquida e também por deformação plástica seguida por
um tratamento térmico apropriado.
2.2.2 RESFRIAMENTO DO FIO MÁQUINA NO PROCESSO STELMOR -
LAMINAÇÃO A QUENTE.
De acordo com WAN-HUA, et al. (2009) e LABIB, et al. (2000), o Stelmor é um
processo popular que visa o controle do resfriamento e das propriedades
microestruturais na produção do fio-máquina. A sua utilização em grande escala
ocorre devido à alta velocidade de produção e propriedades mecânicas homogêneas
ao longo do comprimento da bobina.
No sistema podem-se utilizar diversas estratégias de resfriamento que
dependem do tipo e da aplicação do aço, laminação ou o tratamento térmico de
normalização.
A obtenção de uma determinada velocidade de resfriamento do fio máquina
pode ser ajustada por meio do controle dos seguintes parâmetros: temperatura do
fio-máquina no formador de espiras, velocidade da mesa transportadora (incluindo a
variação de velocidade ao longo de mesas com subdivisões) e porcentagem de
abertura dos ventiladores no sistema de ventilação (instalado sob a mesa
transportadora de espiras).
26
Neste último deve ser considerada a variação por ventilador, a seleção da
posição das tampas verificando a variação da quantidade de tampas abertas ou
fechadas. Para ajudar no controle da temperatura do fio-máquina na entrada do
formador de espiras, também pode ser aplicado um sistema de resfriamento
adicional na mesa de transporte (tanques com água fria, água aquecida ou banhos
de sal).
A utilização de aços com baixo teor de carbono ou com adição de elementos de
liga para a produção do fio-máquina induz a realização de pesquisas e
aperfeiçoamentos no processo Stelmor para possibilitar a utilização desta técnica
para a maior variedade possível de aços, em função das vantagens em termos de
produtividade deste processo (RIZZO, 2009). Entretanto, torna-se necessária a
introdução de modificações no material ou no processo para possibilitar a obtenção
de velocidades reduzidas de resfriamento para os aços.
KAZEMINEZHAD et al. (2003) observaram, os efeitos de diferentes condições
de resfriamento para um fio-máquina comercial com diâmetro de 5,5mm, após a
laminação a quente em Stelmor.
Suas propriedades mecânicas foram estudadas variando as condições de
resfriamento das seguintes formas: abrindo e fechando as tampas dos ventiladores
em sistema Stelmor, ligando e desligando-os. Isto foi realizado com o objetivo de
melhorar as propriedades mecânicas e ductilidade do material. O mesmo foi
analisado por ensaio de tração, metalografia, e analisador de imagens. Foram
analisadas cinco condições distintas de resfriamento até encontrar a condição ótima
necessária para alta resistência e ductilidade. A melhor condição foi a primeira em
que a temperatura no início do resfriamento era 850°C. Na mesa transportadora, os
ventiladores de 1 a 3 tiveram suas tampas abertas, enquanto que os de 4 a 7
tiveram suas tampas fechadas. Antes do ventilador 4 a temperatura do aço foi
medida por um pirômetro óptico, e apresentou o valor de 570°C. Nesta condição de
resfriamento, verificou-se que a temperatura da haste no intervalo entre a tampa 4 a
7 é constante.
SERAJZADEH et al. (2002) desenvolveram um modelo matemático para
presumir o campo de temperatura e a cinética de decomposição da austenita no
decorrer do resfriamento contínuo de um aço baixo carbono de composição química
conforme a TAB. 2.1.
27
TAB.2.1 Composição química.
Fonte: Serajzadeh et al., 2002.
O modelo considera os efeitos do calor de transformações de fase, a
dependência da temperatura nas propriedades termofísicas do aço, tamanho de
grão inicial da austenita e seu encruamento. O confronto entre os resultados
experimentais e teóricos EQs. 2.2 a 2.4 apresentaram boa concordância, o que
mostra a aplicabilidade do modelo como um guia em aplicações práticas.
),
onde, σ é o fluxo de tensão do metal, σp é o estado estacionário de tensão, d0 é o
tamanho de grão da austenita inicial, z é o parâmetro de Zener- Hollomon e ε é a
taxa de deformação.
)1,6],
onde, XD é a fração de volume da recristalização dinâmica.
onde, εp é o pico de deforção.
LABIB et al. (2000) realizaram a validação de medidas de transferência de calor
e testes foram realizados utilizando a normalização por meio do processo Stelmor.
Foram utilizados três diferentes aços carbono com manganês variando de 0.07wt.%
C (%) Mn (%) P(%) S(%)
0,08 0,25 0,025 0,025
(2.2)
(2.3)
(2.4)
28
a 0.67wt.%C (AISI 1008, 1019 e 1060). A primeira fase do resfriamento foi realizado
através de resfriamento com água, enquanto a segunda fase foi realizada por meio
de convecção forçada com ventilador.
As propriedades metalográficas e mecânicas foram analisadas para cada
configuração testada. O aumento em porcentagem da abertura dos ventiladores
aumenta significativamente a taxa de resfriamento, portanto diminui o tamanho de
grão da ferrita, e o espaçamento da perlita dando origem a um aumento no limite de
elasticidade e na resistência à tração. Há inúmeras formas para avaliar um novo
processo que esta sendo desenvolvido, sua liga, ou dimensional do produto
utilizando um modelo matemático. No entanto, ele ao avaliar o efeito de todos os
parâmetros de linha controláveis nas propriedades mecânicas e metalúrgicas do fio,
verificou que era possível derivar um algoritmo de controle para os parâmetros, com
a finalidade de ser capaz de alterar as variáveis de processo para atingir certas
propriedades exigidas pelos clientes (LABIB et al., 2000).
No modelo matemático utilizado por ANELLI (1992) é possível prever a evolução
da microestrutura durante a laminação a quente e investigar o efeito das condições
de trabalho e mecanismos de recristalização sobre a formação de microestruturas
austeníticas heterogêneas. O modelo estima a estrutura da austenita desenvolvida
durante cada passe.
As heterogeneidades aumentam com o aumento da temperatura e tornam-se
mais pronunciadas da superfície para o centro da barra. Usando este modelo é
possível quantificar a influência do diâmetro e do resfriamento na microestrutura e
do perfil de temperatura ao longo do Stelmor.
FANG et al., (2012) realizou uma série de experimentos com pirômetro de uma
cor e com duas cores para investigar a relação entre a taxa de resfriamento e as
propriedades mecânicas do fio máquina. A FIG.2.6 ilustra a temperatura de
superfície total das distribuições de fios durante o processo de refrigeração de ar
Stelmor. A taxa de resfriamento da zona 1 a zona 10 foram calculadas e controladas
por método de simulação de medição de temperatura móvel. A temperatura da fio-
máquina durante o processo de resfriamento a ar foi controlada com mais precisão e
a variação na resistência à tração dos fios foi reduzida de 40% para 16%.
29
FIG.2.6 Mapeamento da temperatura no resfriamento (FANG, 2012).
2.3 VARIÁVEIS NA LAMINAÇÃO A FRIO
2.3.1 ENCRUAMENTO
O encruamento de um metal é definido como o endurecimento por deformação
plástica a frio. Ele é um importante processo industrial que é utilizado para
endurecer ligas metálicas. Sua taxa pode ser verificada pela inclinação da curva de
escoamento.
Segundo BRESCIANI et al. (2011) inicialmente no processo de deformação
plástica, a tensão necessária para provocar a deformação é relativamente pequena.
À medida que ocorre o processo, multiplicam-se as discordâncias aumentando sua
densidade no cristal e se acentua o efeito de interação entre elas. Isto dificulta a
movimentação das discordâncias, exigindo, portanto níveis de tensão mais
elevados, para provocar a deformação. Esse fenômeno, caracterizado pelo aumento
da intensidade da tensão para provocar a deformação plástica.
Nos metais, ele ocorre na região da deformação plástica pelo movimento das
discordâncias que interagem entre si, com outras imperfeições do metal, ou
indiretamente com o campo de tensões internas que funcionam como obstáculos.
30
Estas interações induzem a uma redução da mobilidade das discordâncias, e
conseqüentemente, tensões maiores para provocar mais deformação plástica.
Diversos processos podem contribuir para o encruamento do material: refino de
grão, falhas de empilhamento, transformações de fase, multiplicação de
discordâncias, entre outros.
Um alto coeficiente de encruamento implica em várias discordâncias deslizantes
nos sistemas que se interceptam mutuamente. Isso pode ocorrer por meio das
interações dos seus campos de tensão e formação das discordâncias bloqueadas e
também por meio da formação de degraus de discordâncias.
A deformação a frio provoca o encruamento dos grãos e como conseqüência
aumenta o limite de resistência. Ela prejudica as propriedades relacionadas com a
ductilidade e tenacidade. Esse efeito é mais acentuado quanto mais intensa a
deformação produzida de acordo com a FIG.2.7.
FIG.2.7 Influência do encruamento sobre as curvas tensão-deformação de um
aço baixo carbono (CHIAVERINI, 1986)
31
2.3.2 PROPRIEDADES MECÂNICAS
O controle das propriedades mecânicas do aço durante a laminação contribui
para a redução de custos devido à menor necessidade de adição de elementos de
liga no refino do aço e redução de tratamentos térmicos posteriores, visando
melhores propriedades mecânicas.
O encruamento e a recristalização causam modificações microestruturais, que
provocam sensíveis mudanças nas propriedades mecânicas.
Os ensaios mecânicos podem indicar o estado microestrutural do material, uma
vez que o encruamento de um metal aumenta os seus limites de escoamento e de
resistência e diminuem o alongamento, enquanto que a recuperação e a
recristalização restauram essas propriedades.
Como exemplo pode-se citar o teste de tração onde se observa o aumento na
resistência mecânica e a ductilidade do material é reduzida com a elevação do valor
de deformação prévia.
Os vergalhões produzidos e vendidos no Brasil precisam atender as
especificações da norma brasileira ABNT NBR 7480 mostrada na TAB.2.2. Ela
determina características geométricas, massa linear, comprimento, propriedades
mecânicas e de soldabilidade que os vergalhões devem possuir para aplicação na
construção civil. A obrigatoriedade ao atendimento as normas é uma garantia ao
consumidor da qualidade do material produzido (NUNES 2009).
TAB. 2.2 Propriedades mecânicas.
Propriedades Mecânicas CA-60
LE Mín (MPa)
LR MIN (MPa)
(LR/LE) MIN
Alongamento MÍN (L0 =10X) (%)
Dobramento
180º (∅ PINO)
600 660 1,05 5 5X∅
Fonte: Norma ABNT 7480, 2007.
É estabelecido nesta norma que um vergalhão pode ser produzido em barras
ou em fios de aço. As barras de aço possuem diâmetro nominal comumente igual
ou superior a 6,30 mm, produzidas exclusivamente pelo processo de laminação a
quente sem deformação mecânica posterior.
32
Os fios de aço normalmente possuem diâmetro igual ou inferior a 10 mm,
produzidos por processos de conformação mecânica a frio como a trefilação ou
laminação de fio-máquina.
De acordo com a norma há três categorias distintas de vergalhões e na
TAB.2.3 são apresentados os valores mínimos de escoamento correspondentes.
TAB.2.3 Classificação dos vergalhões.
Vergalhões Limite de escoamento (Mín)
CA-25 liso 250 MPa
CA-50 nervurado 500 MPa
CA-60 liso ou nervurado 600 MPa
Fonte: Norma ABNT 7480, 2007.
A FIG. 2.8 ilustra como a resistência do aço que aumenta em função do
aumento da deformação a frio do material. Isto pode ser verificado na redução da
área, e também é possível observar que quanto maior a quantidade de carbono no
aço, maior a resistência.
FIG.2.8 Resistência versus redução de área (CHIAVERINI 2005).
As propriedades mecânicas do vergalhão, como resistência a tração e tensão
de escoamento, aumentam no processo de laminação a frio, conforme aumenta o
33
encruamento causado pela redução de área nos sucessivos passes. Em
compensação o alongamento e a estricção diminuem, conforme pode ser visto na
FIG.2.9.
FIG.2.9 Variação das propriedades mecânicas no trabalho a frio. (DIETER, 1981).
A propriedade que determina a máxima resistência que um vergalhão pode
sofrer em serviço é o limite de escoamento. O vergalhão em uma estrutura de
concreto deve possuir resistência adequada para suportar as cargas as quais será
submetido.
O alongamento é uma medida da capacidade de suportar deformação antes da
ruptura. A ductilidade está diretamente ligada ao alongamento do material e em
geral, há uma relação inversa entre resistência e ductilidade.
A relação elástica, relação limite de resistência e o limite de escoamento
(LR/LE) do vergalhão é uma medida da capacidade do material em suportar cargas
antes de sofrer deformações plásticas e um valor elevado desta propriedade
significa uma maior capacidade de absorção de energia antes da falha.
2.3.3 TENSÕES RESIDUAIS
Os processos de conformação mecânica como laminação, dobramento e
extrusão, têm como principal mecanismo de geração de tensões residuais a
heterogeneidade das deformações plásticas entre as várias regiões do material.
34
De forma simples, entende-se por tensões residuais aquelas existentes em um
corpo sem que estejam agindo sobre ele forças externas. As tensões residuais são
elásticas e se superpõem às cargas de serviço, podendo ser benéficas ou não às
estruturas e equipamentos, dependendo de sua magnitude, sinal e distribuição (Lu,
2005). Qualquer remoção de material, aplicação de carregamentos térmicos ou
mecânicos, altera o seu estado e causa sua redistribuição de modo que as tensões
se equilibrem novamente.
As tensões residuais podem ser classificadas como macroscópicas,
microscópicas e submicroscópias.
As tensões macroscópicas ou do tipo I, são as tensões sobre grandes porções
volumétricas quando comparadas com o tamanho de grão do material. As
deformações originadas são praticamente uniformes para muitos grãos (KESAVAN
et al., 2005). Exemplos típicos apresentam-se em materiais deformados
plasticamente de maneira não uniforme nos processos de laminação.
As tensões residuais microscópicas ou do tipo II mantém uma distribuição
uniforme ao longo de um grão ou de boa parte dele. Podem ocorrer em interfaces
entre fases e partículas precipitadas e a matriz.
As tensões residuais submicroscópicas ou tipo III incluem distâncias
interatômicas dentro de uma pequena porção de um grão (MACHERAUCH,1986).
Elas sempre estão presentes devido ao fato da deformação plástica não ser
homogênea.
Praticamente todas as operações de manufatura contribuem para o
aparecimento de tensões residuais, tais como processos de conformação mecânica
como laminação, dobramentos e extrusão.
2.3.4 RELAÇÃO ELÁSTICA
A especificação do aço é essencial para a segurança da estrutura de forma que
a mesma seja dúctil o suficiente para sofrer grandes deformações antes da fratura.
O percentual de carbono afeta o resistência e propriedades de endurecimento do
aço. Quando este teor é aumentado, ocorre o aumento da resistência, mas também
35
ocorre redução da ductilidade. O percentual de manganês influencia a usinabilidade.
Já os níveis excessivos de fósforo e enxofre, que são impurezas não metálicas
podem induzir a ruptura frágil.
Para a prática de siderurgia moderna, o enxofre e fósforo são
preferencialmentes mantidos em teores abaixo de 0,03%. Aço com um elevado nível
de gases dissolvidos, principalmente oxigênio e nitrogênio, se não controlados por
adição de pequenas quantidades de liga com afinidade particular para que eles
flutuem no aço líquido a uma temperatura elevada, podem comportar-se de uma
forma frágil (KANKAM et al., 2002).
Neste trabalho foi utilizado um aço com 0,06%C e 0,4% Mn para produzir o fio-
máquina com diâmetro de 6,5 e obter CA-60 5,00mm. Normalmente este tipo de
vergalhão é fabricado utilizando aços em torno de 0,14 a 0,18%C e 0,60 a 1,10% de
Mn, isto pôde ser confirmado pela pesquisa de ROCHA (2012). Ele utilizou fio-
máquina com diâmetro de 5,50mm para laminar CA-60 de 5,00mm utilizando um aço
com composição química de 0,14% C, 1,10% Mn, 0,05% P e 0,05% de S.
A trefilação é um processo a frio que pode ser utilizado para fabricar barras e
arames (normalmente com geometria circular) em que uma força trativa atravessa
uma fieira (ferramenta cônica) ou cassete ocasionando a redução de diâmetro.
Neste trabalho foram utilizados cassetes por eles permitirem uma regulagem fina
no acabamento do arame e por gerar maior produtividade. BERALDI, et. al.,
(2012) relata que os cassetes são montagens mecânicas de componentes com
anéis de metal duro, rolamentos precisos e robustos com sistemas de lubrificação e
refrigeração integrados em um só equipamento que garante a conformação do
material e precisão na saída do arame.
A redução no diâmetro da peça é em maior parte, devido ao escoamento
plástico permanente do material, que é causado por uma reação de compressão
realizada pela ferramenta no material enquanto este sofre a ação da força trativa.
Ela é aplicada pelo outro lado da fieira ou cassete que puxa realizando a força
necessária para que o material sofra redução e se obtenha o diâmetro esperado.
Segundo YANG (2010) a deformação a frio foi um dos primeiros métodos para a
produção de vergalhões. Neste tipo de processo embora a resistência seja
obviamente aumentada por deformação a frio e encruamento, a ductilidade é
prejudicada na conformação.
36
A norma brasileira NBR ABNT 7480 (2007) apresenta valor de especificação
mínima de 1,05 para relação entre o limite de resistência e o limite de escoamento.
MORALES (2013) relata que a norma européia EN 10080 (2005), exige uma
relação entre o limite de resistência e o limite de escoamento igual ou acima de 1,05
para CA-60 e 1,08 para CA 50, e que áreas sísmicas necessitam que esta relação
seja igual ou acima de 1,25 para CA 50 conforme a norma Filipina (PNS 49).
DAROIT (2012) apresenta em sua pesquisa valor médio de 1,38 e desvio padrão
de ± 0,03 para relação limite de resistência / limite de escoamento de vergalhões
microligados com vanádio. Ele utilizou a norma ABNT NBR 7480 categoria CA50
para comparar seus resultados.
BERNADIC et al. (2012) realizou uma pesquisa com aço de 0,22% de C para
avaliar as propriedades mecânicas de vergalhões laminados a frio com 30,5% de
redução, utilizando ensaios de tração. Foram avaliadas as propriedades mecânicas
para diâmetros distintos (4, 5,6, 8 e 10mm). O resultado médio da relação elástica
obtida após a laminação a frio do material com 5,00mm de diâmetro foi de 1,09 esta
pesquisa também utilizou a norma ABNT como referência. O processo de laminação
a frio provocou um endurecimento mecânico do material.
BELO et al., (2012) realizou análise numérica para obter uma previsão dos
limites de escoamento e de resistência da matéria-prima através de sua composição
química. Ele utilizou FM de 5,5 e 8,0mm para obter CA-60 com diâmetros de 4,20 e
6,00mm. A formulação do modelo permite que através da bitola do produto final
sejam previstas os limites de escoamento e de resistência do CA-60. Dessa forma
foi possível dinamizar a organização da matéria-prima e da utilização das fieiras
conforme o fabricante e a propriedades desejadas.
XING et al.(2012) propôs em sua pesquisa um modelo matemático ( utilizando
algoritmo) para vergalhões de pequenos diâmetros laminados a frio. Os parâmetros
relacionados foram resistência à tração, redução de área e velocidade de laminação.
YANG et al. (2004) avaliou a produção e aplicação de vergalhões microligados
de alta resistência na China. As propriedades mecânicas do vergalhão foram
avaliadas e foi constatado que elas são bastante estáveis. O limite ao escoamento
varia entre 425MPa e 500MPa, enquanto a resistência à tração oscila entre 575MPa
e 660 MPa e os valores de alongamento estão entre 19% e 32%. Os vergalhões
estudados neste artigo atendem a uma classe de exigência anti-terremoto em que a
37
relação elástica deve ser maior do que 1,25. No geral, as composições químicas dos
vergalhões microligados se mostraram adequados.
Para KARNEZIS (1998) e ELICES, (2004) a tensão residual é um aspecto muito
importante do processo de trefilação a frio, uma vez que tem um impacto
significativo no desempenho do material. Eles estudaram a minimização das tensões
residuais de tração induzidas. Eles afirmam que quebra e vida em fadiga de fios
perlíticos estirados são influenciados por tensões residuais.
ELICES (2004) afirma que as tensões residuais devido a trefilação a frio são
conhecidas por serem prejudiciais para o desempenho mecânico, particularmente no
que se refere à deformação, fadiga e ductilidade. ATIENZA, (2005) utilizando o
código ABAQUS estudou o estado da macrotensão residual gerada pela trefilação.
RIPOLL, (2010) propôs a aplicação de uma geometria de matriz avançada
realizando um tratamento pós-trefilação com base em operações de dobragem
orientadas.
Por meio dos resultados das propriedades mecânicas pôde-se verificar que
quando se utilizou o dispositivo, o vergalhão sofreu maior esforço mecânico. Este
efeito pode ser explicado pelo efeito Bauschinger. Conforme COTTRELL (1953), o
vergalhão é altamente deformado em uma direção e logo em seguida é recarregado
na direção oposta, e desta forma a redução na tensão flui nesta direção.
Nas pesquisas apresentadas, a composição química e o alívio de tensões
mecânicas apresentam influência na obtenção das propriedades mecânicas. A
determinação dessas propriedades depende do tipo de aço a ser utilizado, do tipo de
aciaria e processos de laminação a serem utilizados.
2.3.5 EFEITO BAUSCHINGER
CETLIN (2005), afirma que nos processos de conformação, o escoamento de
material é causado pela pressão transmitida da matriz para a peça conformada. As
condições de atrito na interface matriz/material apresentam influência no
escoamento do metal, na formação de defeitos superficiais e internos, nas tensões e
nas forças atuantes no processo.
38
O efeito Bauschinger é o fenômeno no qual ocorre a redução da tensão de
escoamento à tração (compressão) quando o material é descarregado e recarregado
à compressão (tração) no regime plástico e aplicada uma tração (compressão) na
mesma direção como ilustra a FIG.2.10.
FIG.2.10 Esquema do comportamento uniaxial tensão-deformação no efeito
Bauschinger (ABEL, 1987).
“Se um corpo é altamente deformado em uma direção e então imediatamente recarregado na direção oposta, ele começa a fluir nessa direção com uma redução da tensão. Este é o efeito Bauschinger.” (COTTRELL, 1953).
"Originalmente observado em policristais, porém depois encontrado também em cristal simples, o efeito Bauschinger denota certa dependência da tensão de escoamento e taxa de encruamento sobre o histórico do metal." (VAN BUEREN, 1960).
HEYN Apud HAUS (2011), considerando as tensões internas, desenvolveu uma
teoria contendo três hipóteses para explicar a redução da elasticidade observada na
inversão de carga.
(a) O material é composto de elementos de pequeno volume, que tem uma curva de
tensão- deformação ideal;
(b) O limite elástico de vários elementos de volume não são iguais uns aos outros;
(c) O valor absoluto do limite elástico de qualquer elemento de volume é
independente da direção de deformação, que é o mesmo em tensão e compressão.
39
A teoria explica que há uma curvatura na curva de tensão inicial, na transição
elástico-plástica. A deformação elástica é homogênea e uniforme na seção de carga.
Já durante a deformação plástica, a distribuição de tensões não é uniforme e,
portanto, após a descarga, tensões residuais que surgem são responsáveis pelo
efeito de redução da elasticidade ao se reverter carga.
Considerando as tensões internas, o efeito Bauschinger foi explicado como
devido à ação de tensões internas presas em metais trabalhados a frio SCHIMID e
BOAS (1950).
A teoria da tensão interna é enfraquecida quando se leva em conta os
resultados de inúmeras experiências que demonstraram a existência de um efeito
Bauschinger em monocristais, portanto, uma abordagem diferente é necessária para
a explicação desse efeito.
Há duas abordagens principais de deslocamento: a primeira, originalmente
adotada por MOTT (1952), e mais tarde desenvolvida por SEEGER (1957). Nele foi
sugerido que, durante a pré-deformação, uma larga faixa de tensões é construída
através da formação de empilhamentos de discordâncias nas barreiras. A FIG. 2.11
ilustra as discordâncias empilhadas nos obstáculos (barreiras).
FIG.2.11 Representação do empilhamento e linha móvel de discordâncias (BROWN,
1977).
As barreiras, tais como contornos de grão, são fortes o suficiente para bloquear
o movimento das discordâncias. Como resultado, as tensões produzidas pelas
discordâncias empilhadas ajudarão o movimento na direção inversa.
A concentração de tensões em torno das discordâncias daria origem à
deformação plástica por deslizamento na interseção dos planos de deslizamento
(MOTT, 1952).
40
Na reversão da tensão, as discordâncias se moveriam para trás da linha de
obstáculos, e esse movimento teria início com uma tensão aplicada relativamente
baixa, mas na ausência de empilhamento de discordâncias. O fluxo de tensão
aumentaria rapidamente na direção do valor obtido na pré-deformação, até as
discordâncias encontrarem outra linha de obstáculos ligeiramente espaçados.
Este mecanismo é mais comum nos metais que têm numerosos obstáculos às
movimentações de discordâncias, como policristais (contornos de grão), ou
endurecidos por dispersão de metais (com partículas).
Quando discordâncias com sinal oposto entram em contato, o encruamento é
reduzido e o ponto de escoamento do material sobre o carregamento é reverso. Este
mecanismo irá ocorrer em ligas onde uma segunda fase está presente, e na
dispersão de metais endurecidos.
41
3 MATERIAIS E MÉTODOS
Este trabalho teve como motivação estudar as alterações dos parâmetros de
processo de produção na laminação a quente e alteração no processo de laminação
a frio para obter o vergalhão CA-60 na Votorantim Siderurgia.
O foco deste trabalho é obter as propriedades mecânicas do vergalhão conforme
a norma NBR ABNT 7480 utilizando um aço baixo carbono sem adição de elemento
de liga e com diâmetro maior do que o habitual para realizar a laminação a frio. A
melhoria no processo é alcançada quando alguns dos parâmetros do processo da
laminação a quente são alterados e é acrescentado um dispositivo para alívio de
tensões mecânicas na laminação a frio.
Utilizar este material trará benefícios para a empresa, tais como, redução de
custo em relação à utilização de aços microligados e a adequação dos parâmetros
de processo.
3.1 MATERIAIS
O material do estudo em questão é o vergalhão CA-60 diâmetro 5,00 mm aço
ABNT, proveniente do fio-máquina diâmetro 6,50 mm. A Tabela 3.1 apresenta a
composição química nominal deste aço.
TAB.3.1 Composição química do aço ABNT.
Elementos
químicos
%
C 0,06
Si 0,134
Mn 0,40
S 0,020
P 0,021
Cu 0,19
42
Ni 0,07
Cr 0,07
Sn 0,017
Mo 0,02
Al 0,003
N 0,0100
Ceq 0,1663
3.2 RESFRIAMENTO DO FIO MÁQUINA
Inicialmente foram realizados testes utilizando um Fio-máquina com diâmetro de
6,5 mm no laminador a quente. Três variáveis foram analisadas em conjunto, são
elas a temperatura no formador de espiras, a velocidade da esteira e a porcentagem
de abertura dos ventiladores durante o resfriamento ao ar no Stelmor. A FIG.3.1
ilustra um esquema da região do laminador a quente que foi utilizado para realizar
os experimentos.
FIG.3.1 Esquema mostrando o formador de espiras, a esteira e os ventiladores do laminador a quente.
43
A alteração nessas variáveis citadas anteriormente visa identificar se há
influência do processo de resfriamento do fio-máquina na relação entre o Limite de
Resistência e o Limite de Escoamento no vergalhão CA-60.
Foi utilizada a metodologia de planejamento e análise de experimentos (DOE-
Design of Experiments) para realizar este trabalho. A opção de utilizar esta
metodologia teve como base a confiabilidade alcançada e redução de tempos e
custos de trabalho experimental.
Os parâmetros dos processos possuem interligação, sendo assim, quando se
altera algum parâmetro do processo os demais sofrem influência. Por este motivo foi
necessário programar 8 experimentos de forma a variar a temperatura do formador
de espiras (870°C e 910°C), a velocidade da esteira (35 e 49 m/min) e a
porcentagem de abertura dos ventiladores no resfriamento. Quando utilizado o
resfriamento a ar, foi realizada a seguinte programação: ventiladores 1 e 2 com 10%,
ventiladores 3 e 4 com 50% e os ventiladores 5 e 6 com 100% . Nos casos em que o
resfriamento não foi utilizado, foi adotada a seguinte configuração: ventiladores de 1
a 6 com 10% de abertura.
Foram realizadas análises termográficas utilizando uma Câmera Infravermelha
de alto desempenho com câmera digital FLIR T440 durante os experimentos. Foram
mapeados 18 pontos no Stelmor para avaliar as características e variações de
temperatura das espiras da saída do formador até o final da esteira quando é
formada a bobina. Foram realizadas cinco medições em cada ponto marcado e
utilizado o resultado da média para analisar o perfil térmico. A termografria do
resfriamento é demonstrada na FIG.3.2.
FIG.3.2 Termografia das espiras de fio-máquina.
44
Experimentos 1 e 2
No planejamento do experimento 1 o laminador foi programado para laminar 5
bobinas (numeração 1 a 5) com temperatura no formador de espiras a 870°C,
velocidade da esteira de 35 m/min e sem resfriamento.
Para realizar o resfriamento do material foi reduzida a velocidade da esteira e o
resfriamento foi desativado para manter as espiras quentes por mais tempo. Isto foi
feito para obter uma microestrutura com tamanho de grão maior, quando
comparados ao tamanho de grão do material utilizando os parâmetros atuais de
processo.
No segundo experimento o laminador foi programado para laminar 5 bobinas
(numeração 6 a 10) com temperatura no formador de espiras e velocidade do
Stelmor iguais ao do experimento anterior, porém utilizando-se resfriamento. A
FIG.3.3 ilustra o perfil térmico dos experimentos 1 com taxa de resfriamento de
8°C/s, e do experimento 2 com taxa de resfriamento de 7,6°C/s versus o perfil
padrão com taxa de resfriamento de 13°C/s.
FIG.3.3 Perfil térmico dos experimentos 1 & 2 versus o perfil padrão.
45
Experimentos 3 e 4
No terceiro experimento o laminador foi programado para laminar 5 bobinas
(numeração 11 a 15) com temperatura no formador de espiras a 870°C, velocidade
no Stelmor de 49 m/min com resfriamento. No caso deste experimento os valores
determinados foram utilizados como valores padrão para análise comparativa em
relação aos demais experimentos (experimento padrão).
No planejamento do quarto experimento o laminador foi programado para
laminar 5 bobinas (numeração 16 a 20) com temperatura no formador de espiras e
velocidade do Stelmor idênticos ao experimento 3, porém o resfriamento foi retirado
para avaliar a influência deste parâmetro na formação da espira.
A FIG.3.4 ilustra o perfil térmico do experimento 4 com taxa de resfriamento de
14°C/s, versus o perfil padrão com taxa de resfriamento 13°C/s.
FIG.3.4 Perfil térmico do experimento 4 versus o perfil padrão.
Experimentos 5 e 6
No planejamento do quinto experimento o laminador foi programado para
laminar 5 bobinas (numeração 21 a 25) com temperatura no formador de espiras a
46
910°C, velocidade no Stelmor de 49 m/min, sem resfriamento. Neste experimento a
temperatura foi aumentada em 40 ºC no formador de espiras e não foi utilizado o
resfriamento. O esperado era que fosse obtido aço com tamanho de grão maior,
quando comparado com o do material que utiliza parâmetros atuais de processo.
No sexto experimento o laminador foi programado para laminar 5 bobinas
(numeração 26 a 30) com temperatura no formador de espiras e velocidade do
Stelmor iguais ao experimento anterior acrescentando o resfriamento. A FIG.3.5
ilustra o perfil térmico dos experimentos 5 com taxa de resfriamento de 10°C/s, o
experimento 6 com taxa de resfriamento de 11°C/s versus o perfil padrão com taxa
de resfriamento de 13°C/s.
.
FIG.3.5 Perfil térmico dos experimentos 5 & 6 versus o perfil padrão.
Experimentos 7 e 8
No planejamento do sétimo experimento o laminador foi programado para
laminar 5 bobinas (numeração 31 a 35) com temperatura no formador de espiras a
910°C, velocidade o Stelmor 35m/min, sem resfriamento. Este experimento possui a
condição mais severa, que é a temperatura no formador de espiras mais alta em
relação a padrão e não ter resfriamento programado.
47
Neste experimento só foi possível laminar a bobina 31, pois durante a formação
da bobina 32 houve a junção das espiras na esteira, devido à alta temperatura e as
mesmas embolaram gerando sucata e parando o laminador o que gerou transtorno
para a produção.
No oitavo experimento o laminador foi programado para laminar 5 bobinas
(numeração 36 a 40) com temperatura no formador de espiras e velocidade do
Stelmor iguais ao do experimeto 7, mas com resfriamento. Apesar de programado,
não foi possível realizar este experimento devido ao transtorno ocasionado pelo
experimento anterior. A FIG.3.6 ilustra o perfil térmico do experimento 7 com taxa de
resfriamento de 9°C/s versus o perfil padrão também com taxa de resfriamento de
13°C/s.
FIG.3.6 Perfil térmico do experimento 7 versus o perfil padrão.
Abaixo é apresentada a TAB.3.2 com o resumo da configuração dos
experimentos de forma que se mantenham duas variáveis fixas e ocorra mudança
na terceira. O 3º experimento possui os valores atuais do processo (dados
considerados como padrão para referência), nos demais foram fixadas duas
variáveis e a terceira alterada.
48
TAB.3.2 Dados dos experimentos no laminador a quente.
Experimento Quatidade
de bobinas
Temperatura do formador de espiras
(C°)
Velocidade STELMOR
(m/min)
Ventilação STELMOR
Taxa de resfriamento
(C°/s)
1 5 870 35 sem 8
2 5 870 35 com 7,6
3 5 870 49 com 13
4 5 870 49 sem 14
5 5 910 49 sem 10
6 5 910 49 com 11
7 5 910 35 sem 9
8 5 910 35 com -
Foram realizados no laminador Morgan, utilizando uma única corrida (80 t
laminadas do mesmo lote) para evitar que a composição química pudesse nesta
avaliação se tornar mais uma variável.
Buscou-se avaliar a influência do resfriamento na laminação a quente do aço
1008 nas propriedades mecânicas, sendo realizadas análises metalográficas e
ensaios de tração após cada experimento.
Cinco bobinas de fio-máquina com aproximadamente 2 toneladas foram
laminadas a quente para os experimento de 1 a 6 e somente uma para o 7º
experimento.
Para inserir as diferentes condições dos experimentos em um mesmo lote, foram
alterados os parâmetros citados na TAB.3.2 na programação do laminador. A cada
5 bobinas laminadas foi acrescentado espaçamentos de 10 min entre a laminação
de cada experimento para que fosse possível alterar as variáveis avaliadas neste
estudo.
Do 1º ao 6º experimento não houve problemas no decorrer da laminação das
bobinas, porém no 7º experimento só foi possível laminar a 1º bobina (número 31)
das 5 programadas. Por se tratar da condição mais severa do teste, em que a
temperatura no formador de espiras foi aumentada em 40°C e a velocidade do
Stelmor reduzida e sem resfriamento, ocorreu problema de “embolamento” (após o
FM passar pelo formador de espiras durante sua trajetória na esteira as espiras
49
ficaram contorcidas antes de formar a bobina). Devido a este problema o laminador
precisou ser parado para retirada do material e não foi possível dar continuidade ao
7º experimento (bobinas 32 a 35) e conseqüentemente ao 8º (bobinas 36 a 40).
Durante os testes foram laminadas um total de 31 bobinas. As 3ª e 4ª bobinas
dos experimentos 1 a 6 e a única bobina do 7º experimento (foi considerado que na
laminação das mesmas os parâmetros alterados já estariam estabilizados) foram
separadas para análise das propriedades mecânicas por meio do teste de tração e
análise metalográfica.
Após processamento foi realizada a inspeção de qualidade em que para cada
bobina laminada foram descartadas as espiras iniciais. Foram retiradas 15 espiras
do início (“cabeça”) e 15 do final da bobina (“cauda”), pois poderia haver problemas
de qualidade por se tratar do início e do fim da bobina.
Foram cortadas 6 espiras de cada bobina para confecção das amostras para
análise. Os cortes foram feitos a cada de 500 mm para confecção de corpos de
prova para teste de tração. Foram avaliadas 6 amostras de cada bobina, 3 da
“cabeça” e 3 da “cauda”, totalizando 78 amostras ensaiadas conforme a TAB.3.3
abaixo:
TAB. 3.3 Número de amostras de fio-máquina.
FM 6,5 mm
1º Bobina 3º Bobina 4º Bobina Quantidade de amostras ensaiadas Número de amostras Número de amostras Número de amostras
Experimentos Cabeça Cauda Cabeça Cauda Cabeça Cauda
EXP.1 - - 3 3 3 3 12
EXP.2 - - 3 3 3 3 12
EXP.3 - - 3 3 3 3 12
EXP.4 - - 3 3 3 3 12
EXP.5 - - 3 3 3 3 12
EXP.6 - - 3 3 3 3 12
EXP.7 3 3 - - - - 6
Número total de amostras 78
50
3.3 PROCESSAMENTO DE FIO-MÁQUINA
O fio-máquina pode ser processado através da trefilação ou pelo processo de
laminação a frio conforme a FIG.3.7.
FIG.3.7 Laminador a frio (VOTORANTIM, 2013).
Na trefilação, a redução no diâmetro do fio-máquina ocorre por meio da
passagem do arame por fieiras.
A laminação a frio é utilizada para a produção de vergalhão e pode atingir
velocidades acima de 18 m/s. Neste caso, são utilizados cassetes laminadores como
ilustra a FIG.3.8. Os utilizados neste trabalho são compostos por dois trios de discos
de metal duro que estão dispostos a 120° em relação ao outro. Três discos na
entrada do cassete fazem a primeira redução e na seqüência mais três na saída
realizam a segunda redução na seção do fio (Votorantim, 2013). O vergalhão
laminado a frio na Votorantim Siderurgia na usina de Resende pode apresentar as
seguintes bitolas 3,40; 4,20 e 5,00mm.
O processo de fabricação do vergalhão CA-60 inicia-se com o desbobinamento
do fio-máquina e decapagem mecânica (onde a carepa de laminação é retirada
através da passagem por rolos em diferentes ângulos). O lubrificante sólido é
aplicado e em seguida são realizadas as reduções do diâmetro do fio-máquina no
laminador a frio. Após a passagem do vergalhão pelo terceiro cassete, o mesmo
obtém nervuras.
51
Para se obter o vergalhão CA-60 5,00mm foi laminado a frio no laminador
Eurolls a terceira bobina de cada experimento do teste realizado no FM 6,50 com
velocidade de 14m/s.
FIG.3.8 Cassete e cabrestante do laminador a frio (VOTORANTIM, 2013).
Foram mantidos os parâmetros do processo de laminação a frio. Inicialmente
foi utilizado o painel de retificação, que possui a função de aliviar as tensões
internas adquiridas no processo de laminação a frio, ilustrado na FIG.3.9.
Após a laminação foram retiradas três espiras da bobina de CA-60, como
amostragem, para análise de propriedades mecânicas (3 amostras de 500mm) e
quatro amostras (duas para corte longitudinal e duas para corte transversal) para
realizar análise metalográfica. A FIG. 3.10 mostra a bobina do vergalhão CA-60 após
a laminação a frio.
FIG.3.9 Painel de retificação do laminador (aliviador de tensão).
52
(a) (b)
FIG.3.10 (a) Bobina do Vergalhão CA-60 5,0 mm laminado a frio (b) ampliação da figura (a).
3.4 LAMINAÇÃO A FRIO DO CA-60 COM DISPOSITIVO PARA ALÍVIO DE
TENSÃO MECÂNICA.
Foi observado na laminação a frio que somente o painel de retificação existente
no laminador para alívio de tensão mecânica não é suficiente para aliviar as tensões
que o vergalhão é submetido durante sua fabricação.
Durante os testes foi observado que o vergalhão (bobina) quando transformado
em barra, por meio do processo de endireitamento, apresenta uma redução em seu
limite de escoamento que pode ser explicada por meio do efeito Bauschinger.
A alternativa para alcançar o valor de LR/LE mínimo estabelecido por norma foi
confeccionar um dispositivo para alívio de tensão mecânica como ilustra a FIG.3.11
para auxiliar o painel já existente, e assim intensificar o alívio de tensão no
vergalhão após a laminação.
Este direcionamento surgiu ao se verificar que após o vergalhão ser endireitado
(transformação do vergalhão em rolo para barra) a relação elástica entre o limite de
resistência e o limite de escoamento aumenta.
Para utilizar o dispositivo foram laminadas duas bobinas de FM da mesma
corrida usada nos testes sem o dispositivo de alívio de tensões mecânicas, a
primeira referente ao experimento 4 e a outra do experimento 5.
53
FIG.3.11 Dispositivo de alívio de tensão mecânica.
O dispositivo foi confeccionado considerando a localização e o posicionamento
do mesmo dentro do laminador. Ele foi soldado na parte final do laminador após o
último cabrestante (peça cilíndrica com diâmetro externo de 760mm) que tem como
função no estágio inferior tracionar o fio do 3º cassete e no estágio superior a função
de puxar o fio do aliviador de tensão e liberá-lo para o bobinador como mostra a
FIG.3.12. Ele possui três roldanas para ajuste do vergalhão entre elas e que assim
ocorre o alívio de tensão mecânica.
FIG.3.12 Dispositivo de alívio de tensão mecânica soldado no laminador a frio.
Após a saída do vergalhão do último cabrestante, o mesmo passa pelo
dispositivo confeccionado como pôde ser visto na FIG.3.11 e em seguida pelo painel
de retificação do laminador a frio antes de se formar a bobina.
54
Foram laminadas duas bobinas de fio-máquina da mesma corrida utilizada nos
teste sem o dispositivo, a primeira referente ao experimento 4 e a outra do
experimento 5.
Para realizar o ajuste da passagem do vergalhão no dispositivo foi necessário
aumentar aos poucos a velocidade de laminação e após o ajuste a melhor condição
apresentou uma folga ao sair do acumulador até alcançar a primeira roldana do
dispositivo ver FIG. 3.10.
Durante os testes constatou-se que se a roldana central do dispositivo fosse
móvel permitiria um melhor ajuste do vergalhão no dispositivo. Como a roldana
estava fixa ocorreu dificuldade de ajuste. Após o melhor ajuste foram utilizados os
parâmetros normais de produção 6 passes com velocidade do laminador de 14m/s.
FIG.3.13 Passagem do CA-60 do cabrestante para o dispositivo.
Durante a laminação da bobina do experimento 4 houve uma fratura no
vergalhão como ilustra a FIG.3.14 que ocasionou a parada do processo. Ele ocorreu
após a passagem do vergalhão pelo 2º cassete.
Foram retiradas as pontas do vergalhão no local onde ocorreu o rompimento
para análise e constatou-se que o FM apresentava defeito físico (friso), um dos
problemas que pode levar ao arrebentamento. Durante a laminação da bobina do
experimento 5, não houve problemas.
55
FIG.3.14 Fratura do CA-60 durante a laminação a frio.
Após a fabricação do vergalhão foram retiradas 3 espiras de cada bobina para
análise das propriedades mecânicas e caracterização microestrutural conforme
TAB.3.4.
TAB.3.4 Número de amostras de CA-60.
CA-60 5,0mm GRAU 1008
Número de amostras LF (sem dispositivo)
Número de amostras LF (com
dispositivo)
EXP.1 3 -
EXP.2 3 -
EXP.3 3 -
EXP.4 3 7
EXP.5 3 7
EXP.6 3 -
EXP.7 3 -
Total de amostras
21 14
56
3.5 ANÁLISE QUÍMICA
As amostras para análise de composição química foram retiradas durante o
processo de fabricação do aço na aciaria. As medições foram realizadas em
amostras do forno elétrico e do forno panela.
Os resultados de composição química apresentados neste trabalho foram
obtidos por meio da análise realizada por espectroscopia de emissão óptica. O
equipamento utilizado foi o espectrômetro Thermo Scientific modelo ARL 3460 OES.
3.6 CARACTERIZAÇÃO MICROESTRUTURAL
Para análise microestrutural das seções longitudinais e transversais do fio-
máquina e do vergalhão, amostras foram coletadas ao final de cada teste, cortadas
e embutidas. Após o embutimento as mesmas foram lixadas ( lixas com mesh de #
80, # 320, # 400, # 600 e #1200) e polidas com pasta de diamante de 3μm e 1µm.
Para revelar a microestrutura foi realizado um ataque na amostra polida com
reagente Picral. A obtenção de imagens foi feita com o auxilio de um microscópio
óptico OLYMPUS BX51M acoplado a uma câmera digital e um sistema de aquisição
de imagens.
O tamanho de grão do fio-máquina foi determinado nas amostras polidas e
atacadas com Picral utilizando o software comercial analisador de imagens
ANALYSIS, por meio da técnica Planimétrica. Esta técnica consiste em inscrever um
círculo de área conhecida, 5000m2 (79,8 mm de diâmetro) em uma micrografia,
depois é utilizado um aumento que determine pelo menos a contagem de 50 grãos
no interior do círculo, visando assim minimizar os erros. Conta-se o numero de grãos
no seu interior incluindo os grãos interceptados na circunferência de acordo com a
norma ASTM E112-95. Para esta análise foram tomados 3 campos para
visualização.
57
3.7 ENSAIO DE TRAÇÃO
Os ensaios de tração foram realizados a temperatura ambiente conforme a
norma ABNT NBR 6892 em uma máquina de ensaios Tinius Olsen com capacidade
de aplicação de carga de 300kN.
As amostras foram retiradas no término da laminação e resfriamento do material
sendo que foram retiradas 3 espiras da cabeça (39 corpos de prova) e 3 da cauda
(39 corpos de prova) das bobinas. No total foram ensaiados 78 corpos de prova.
As amostras do vergalhão CA-60 para a condição sem dispositivo, foram
retiradas após a formação do rolo e após o processo de endireitamento.
As amostras foram cortadas com 500mm de comprimento e as mesmas foram
marcadas a cada 100mm para determinar o alongamento após a ruptura do corpo
de prova. Devido aos corpos de prova do fio-máquina e do vergalhão não possuirem
formato retilínio quando obtidos das bobinas, foi necessário submeter as amostras a
um processo de endireitamento manual, no qual é submetido a menor deformação
plástica possível para evitar alteração nos resultados de propriedades mecânicas.
No total foram ensaiados 12 corpos de prova do vergalhão em bobina. Por meio
do ensaio de tração foram obtidos resultados do limite de escoamento, limite de
resistência, e relação elástica (relação limite de resistência/ limite de escoamento).
Os resultados foram comparados as especificações da norma ABNT NBR 7480.
58
4 RESULTADOS
4.1 RESFRIAMENTO DO FIO-MÁQUINA NO LAMINADOR A QUENTE
As análises termográficas realizadas durante o resfriamento do fio-máquina no
Stelmor ilustram temperaturas (°C) alcançadas em três pontos diferentes do
processo. As FIG.4.1(a) e FIG.4.1(b) apresentam os dados das primeiras medições
de temperatura após a saída no formador de espiras, as quais foram maiores em
relação a 9º e 18º medições.
As FIG.4.1(c) e FIG.4.1(d) ilustram os dados das medições no meio do
processo, já as FIG.4.1(e) e FIG.4.1(f) apresentam a termografia das espiras no
final do processo, no qual se observa uma redução da temperatura. Pode-se notar
que a temperatura das espiras decresce durante a passagem das mesmas na
esteira no decorrer do processo, mesmo quando a condição de resfriamento
forçado não é utilizada. No apêndice 9.4 são apresentadas as termografias das
medições no 1º, 9º e 18º pontos realizados para os experimentos 1 a 7.
(a) (b)
(c) (d)
59
(e) (f) FIG. 4.1 Termografias das espiras do fio-máquina durante os experimentos 4 e 5
(a) e (b) 1º medição (c) e (d) 9º medição (e) e (f) 18º medição.
Na FIG.4.2 é apresentado o resultado comparativo do mapeamento do perfil
térmico dos experimentos 4 e 5. Nos dois experimentos, foi mantida a mesma
velocidade no Stelmor (49m/s) e não foi utilizado o resfriamento forçado. A
alteração realizada foi na temperatura de conformação da espira que foi
aumentada em 40°C.
FIG.4.2 Termografia das espiras do fio-máquina durante o resfriamento no Stelmor.
Foram analisadas amostras do início e do final das bobinas de fio-máquina para
avaliar se a microestrutura sofreu modificações devido às alterações dos parâmetros
do processo.
60
Para todos os experimentos avaliados as amostras apresentaram
microestruturas semelhantes com 10% de perlita e 90% de ferrita. Foram
encontrados grãos heterogêneos em algumas microestruturas o que pôde ser
confirmado com a distribuição do tamanho de grão conforme as FIG. 4.3 e FIG. 4.4.
(a) (b) FIG.4.3 (a) Micrografia corte transversal do início da bobina do FM experimento 4.
200x. Ataque Picral (b) distribuição do tamanho de grão.
(a) (b) FIG.4.4 (a) Micrografia corte transversal do início da bobina do FM experimento 5.
200x. Ataque Picral. (b) distribuição do tamanho de grão.
O tamanho médio de grão é ASTM 9, com dispersão normal de acordo com a TAB. 4.1 No apêndice 9.1 constam as micrografias dos experimentos 1 a 7.
61
TAB.4.1 Tamanho de grão
FM ASTM
Corte transversal ASTM
Corte longitudinal
EXP.1 9 8
EXP.2 9 8
EXP.3 8 8
EXP.4 9 8
EXP.5 9 8
EXP.6 9 9
EXP.7 9 8
Média 9 8
Foi realizada a medição da espessura das carepas nos fios-máquina dos
experimentos por meio de microscopia óptica utilizando o software Analysis. Os
experimentos 4 como ilustram as FIG.4.5 e FIG.4.6 apresentaram a espessura de
camada da carepa de 11,30 e 13,51 μm, respectivamente. Valores obtidos abaixo
de 17 μm são excelentes para a decapagem mecânica do fio-máquina. Já o
experimento 7 como ilustrado na micrografia da FIG.4.7 apresentou espessura de
camada 22,25 μm o que prejudica a decapagem. No apêndice 9.2 está ilustrado as
micrografias com a espessura de carepa para todos os experimentos.
FIG.4.5 Micrografia da espessura da carepa do FM experimento 4. 1000x.
Ataque Picral.
62
FIG.4.6 Micrografia da espessura da carepa do FM experimento 5. 1000x.
Ataque Picral.
FIG.4.7 Micrografia da espessura da carepa do FM experimento 7. 1000x.
Ataque Picral.
Os resultados das propriedades mecânicas do fio-máquina dos experimentos 1 a
7 após o teste de tração são mostrados na FIG.4.8.
FIG.4.8 Resultados do teste de tração FM 6,5 mm.
63
4.2 LAMINAÇÃO A FRIO DO CA-60
As quartas bobinas dos experimentos 1 a 6 e a primeira do experimento 7 foram
laminadas a frio para avaliar as propriedades mecânicas do vergalhão CA-60 em
bobina. As micrografias dos experimentos 4 são mostradas na FIG.4.9.
Foi realizada uma análise comparativa entre as microestruturas obtidas após a
laminação a frio e as microestruturas da ASM Metals Handbook-Metallography and
Microstructures para avaliar a redução na deformação a frio sofrida pelo vergalhão.
Observou-se que a microestrutura do núcleo do CA-60 apresenta deformação 10%
menor em relação à deformação verificada na superfície do material. Quando
comparadas as reduções dos experimentos 4 e 5 a microestrutura do experimento 4,
apresenta menor redução por deformação em relação a do experimento 5, 35% de
acordo com a FIG.4.10. No apêndice 9.3 constam as micrografias do CA-60 dos
experimentos 1 a 7.
(a) (b)
FIG.4.9 Micrografias corte longitidinal CA-60 experimento 4. 200x. Ataque Picral, (a) núcleo com 30% de redução na deformação e (b) superfície com 40% de
redução na deformação.
64
(a) (b)
FIG.4.10 Micrografia corte longitidinal CA-60 experimento 5. 200x. Ataque Picral, (a)núcleo com 35% de redução na deformação e (b) superfície com 40% de redução
na deformação.
As reduções durante a laminação a frio ocorreram conforme o esperado, de
forma que a superfície do vergalhão sofreu uma redução maior do que seu núcleo.
Os resultados das propriedades mecânicas do fio-máquina com diâmetro de
5,00mm experimentos 1 a 7 são mostrados na FIG.4.11.
FIG.4.11 Resultados do teste de tração CA-60 5,0 mm.
Como o valor mínimo de 1,05 para a relação elástica, definido pela norma NBR
ABNT 7480/2007, não foi alcançado, foi necessário realizar experimentos adicionais
com o objetivo de aumentar a relação elástica. Após a análise das propriedades
65
mecânicas dos vergalhões, verificou-se que as concentrações de tensões
mecânicas, durante o processo de laminação a frio, poderiam estar ocasionando a
redução da relação elástica.
4.3 LAMINAÇÃO A FRIO CA-60 COM DISPOSITIVO PARA ALÍVIO DE TENSÃO
MECÂNICA
Para aliviar as tensões mecânicas do vergalhão após a laminação a frio foi
necessário fabricar um dispositivo.
Após a laminação a frio foi utilizado um dispositivo para alívio das tensões
mecânicas do vergalhão. Isto pôde ser observado quando se comparou as
propriedades mecânicas do vergalhão obtidas antes e após a utilização do
dispositivo. Realizando análise comparativa da redução na deformação a frio de
grãos conforme ASM Metals Handbook-Metallography and Microstructures, a
microestrutura do núcleo do CA-60 avaliado após a utilização do dispositivo
apresenta menor redução, 20% de deformação, em relação à deformação verificada
na superfície do material 40%. Quando comparadas as microestruturas dos
experimentos 4 ver FIG.4.12 e 5 ver FIG.4.13 não foi observada diferença nos
valores de redução por deformação.
(a) (b) FIG.4.12 Micrografia corte longitidinal CA-60 experimento 4, após passar no
dispositivo de alívio de tensão mecânica. 200x. Ataque Picral, (a) núcleo com 20% de redução na deformação e (b) superfície com 40% de redução na deformação.
66
(a) (b) FIG.4.13 Micrografia corte longitidinal CA-60 experimento 5 , após passar no
dispositivo de alívio de tensão mecânica.200x. Ataque Picral. (a) núcleo com 20% de redução na deformação e (b) superfície com 40% de redução na deformação.
Na FIG.4.14 são apresentados os resultados das propriedades mecânicas
obtidos após a laminação utilizando o dispositivo para alívio de tensões. Verifica-se
que o alívio de tensões produziu uma queda acentuada no limite de escoamento do
material que passou para 654 MPa e um decréscimo menor no limite de resistência
que ficou em 710MPa. Em virtude disso a relação elástica aumentou
consideravelmente atingindo 1,09 superando o mínimo especificado exigido por
norma que é de 1,05 (Veja TAB 4.1). Desta forma o resultado esperado foi
alcançado utilizando o dispositivo.
O que pode ter ocasionado a queda nas propriedades mecânicas do vergalhão
é a presença de precipitados de carbonetos de ferro nos contornos da ferrita. De
acordo com o diagrama Fe-Fe3C quando a austenita se transforma em ferrita
abaixo da linha A3, ocorre à mudança do retículo cristalino de CFC para CCC
liberando todo o carbono que esta em solução. Este carbono liberado transforma-
se em carboneto de ferro.
A diferença de dureza entre o precipitado e a matriz causa tensão residual que
pode ser aliviada pelo dispositivo, devido ao amolecimento por deformação.
Observa-se que no experimeto 4 ocorreu a retenção de intersticiais, portanto foi
menor a precipitação de carbonetos, portanto maior o valor do limite de
67
escoamento. A temperatura inicial utilizada para a conformação da espira foi 870ºC
e a taxa de resfriamento de 14 ºC/s.
No experimento 5 houve uma menor taxa de resfriamento 10 ºC/s, pois a
temperatura inicial para conformação da espira foi 910ºC, portanto houve mais
precipitação de carboneto de ferro e consequentemente a diminuição do limite de
escoamento.
FIG.4.14 Resultados do teste de tração CA-60 5,0 mm com e sem dispositivo.
68
5 DISCUSSÃO DOS RESULTADOS
5.1 RESFRIAMENTO DO FIO MÁQUINA
Durante o resfriamento do fio-máquina ocorre o processo de normalização.
Comparando as termografias dos experimentos, foi observado variações de
temperaturas nas espiras quando as mesmas estavam na esteira, pois após sua
formação elas são distribuídas umas sobre as outras, o que pode ocasionar uma
concentração de temperatura em algumas regiões das espiras, conforme
apresentado por FANG (2012). Foi verificado que no experimento em que foi
utilizada uma temperatura mais alta no formador das espiras, as espiras chegaram
ao final da esteira, no último ponto de verificação (18), com temperaturas mais altas
devido à taxa de resfriamento 10°C/s.
Após as alterações realizadas no resfriamento forçado era esperado que o
tamanho de grão aumentasse de forma a reduzir o limite de resistência do material.
Isto não ocorreu demonstrando que a velocidade da esteira e as modificações no
resfriamento não foram suficientes para modificar o tamanho de grão no laminador a
quente.
Avaliando a espessura da carepa, as espiras dos experimentos 4 e 5
apresentaram menor espessura em relação ao experimento 7. O aumento da
espessura de carepa no experimento 7 era esperado, já que não foi utilizado o
resfriamento forçado, assim a camada de óxido nas espiras duplicou em relação as
das bobinas que passaram pelo resfriamento forçado.
Os resultados médios para limite de resistência e limite de escoamento para os
experimentos realizados não apresentaram diferença significativa, o que foi
confirmado na análise metalográfica. Todos os resultados atendem a norma ABNT
NBR 6354.
Foi utilizada a ferramenta Boxplot no software MINITAB para realizar as análises
estatísticas dos resultados das propriedades mecânicas. Foram avaliados os
resultados das propriedades mecânicas dos fios-máquina obtidos nos ensaios de
tração. Nas FIG. 5.1 a 5.4, o experimento 4 corresponde as bobinas 18 e 19, e o
experimento 5 corresponde as bobinas 23 e 24. A bobina 31 corresponde ao
experimento 7.
69
Na FIG.5.1 a bobina 31 apresentou maior dispersão de resultados em relação às
demais, provavelmente por se tratar da bobina obtida em condições mais severas
durante os testes. As bobinas 18,19, 23 e 24 apresentaram médias próximas a
mediana. Desconsiderando o resultado da bobina 31 e comparando os resultados
das demais se observa que as bobinas 23 e 24 apresentaram maior variação de
resultados em relação às bobinas 18 e 19.
FIG.5.1 Resultados Boxplot do limite de resistência dos fios-máquina.
A ANOVA (análise de variância) para o Limite de Resistência comprova
estatisticamente que as médias são diferentes como ilustrado na FIG.5.2.
Considerando que o valor de P é 0,000 e é menor do que 0,05, conclui-se com
confiabilidade de 95% que pelo menos 1 valor de média é diferente.
70
FIG.5.2 Resultados ANOVA do Limite de Resistência dos fios-máquina.
Na FIG.5.3 a bobina 31 também apresentou maior dispersão de resultados
para o limite de escoamento em relação às demais. A bobina 23 do experimento 4
apresentou resultados dispersos em relação a bobina 24. A média das bobinas 18 e
19 são equivalentes.
FIG.5.3 Resultados Boxplot do Limite de Escoamento dos fios-máquina.
71
A ANOVA (análise de variância) para o Limite de Resistência comprova
estatisticamente que eles são diferentes como ilustrado na FIG.5.4. Considerando
que o valor de P é 0,013 e é menor do que 0,05, conclui-se com confiabilidade de
95% que pelo menos 1 valor de média é diferente.
FIG.5.4 Resultados ANOVA do Limite de Escoamento dos fios-máquina.
Para avaliar a influência das alterações realizadas nas variáveis do laminador a
quente foi utilizada a ferramenta estatística de regressão múltipla por meio da
EQ.5.1.
(5.1)
onde, tr é a temperatura real, txresfri é a taxa de resfriamento e resfrif é o
resfriamento forçado.
72
Na FIG. 5.5 são mostrados os gráficos das análises residuais, onde se observou
simetria em relação à curva que demonstra a não tendência dos dados. O
comportamento do histograma de resíduo se deve a baixa quantidade de pontos
utilizados na regressão. O número inferior de pontos se deve a quantidades de
testes realizados, que por sua vez impactavam diretamente na produção do
laminador. No entanto considerou-se que os experimentos foram válidos para a
construção do modelo. Na FIG. 5.6 são apresentados os valores dos coeficientes
calculados no MINITAB.
FIG.5.5 Gráficos estatísticos da análise residual.
FIG.5.6 Valores obtidos por meio do software MINITAB
73
O valor de R- Sq (R2) obtido foi de 91,2% o que é um bom resultado e informa
que os dados predizem bem a curva do modelo. Foi calculado o valor de limite de
resistência utilizando o modelo. O valor encontrado foi de 429,76 MPa, houve uma
diferença de 0,04% em relação ao valor de limite de resistência real de 429,57 MPa.
A baixa diferença entre o valor calculado e medido valida o modelo, dessa forma
podemos utilizar para definir o impacto de cada variável no resultado esperado.
A FIG.5.7 ilustra os impactos da temperatura, ventilação e taxa de resfriamento
no limite de resistência. Observa-se que o valor da temperatura no formador de
espiras é à variável que apresenta maior interferência no limite de resistência do fio
máquina. A temperatura é inversamente proporcional ao limite de resistência, pois
quanto maior a temperatura, maior o tamanho de grão e menor sua resistência, no
entanto para menores temperaturas se obtém grãos menores e materiais com
resistência maior.
A ventilação impacta diretamente proporcional ao valor de limite de resistência,
pois quanto maior a ventilação menor o tamanho de grão o que aumenta a
resistência do material.
A taxa de resfriamento impacta inversamente proporcional ao limite de
resistência, pois quanto maior a taxa maior a temperatura na espira, para o mesmo
tempo a espira vai permanecer com a temperatura no final do Stelmor. Isso deixará
o material mais dúctil, pois seu tamanho de grão será maior.
FIG.5.7 composição do modelo matemático.
74
5.2 RELAÇÃO ELÁSTICA (LR/LE)
Como no Brasil é utilizada a norma ABNT 7480/2007 para especificação das
propriedades mecânicas dos vergalhões, o resultado médio de 1,09 obtido nesta
pesquisa após a utilização do dispositivo de alívio de tensões atende a especificação
da norma brasileira que determina valor mínimo de 1,05 para relação entre o limite
de resistência e limite de escoamento para categoria CA-60.
A laminação a frio de aços com teor abaixo de 0,14% de C para longos se
mostra promissora para aplicação em CA-60, apesar de geralmente se utilizar aços
com teor a partir de 0,14%C. Alguns vergalhões podem necessitar que em sua
composição química seja adicionado vanádio ou nióbio dependendo das normas dos
países para aplicação deste tipo de composição. Os aços microligados atingem
facilmente a relação elástica, porém aumentam o custo na produção.
O Boxplot foi utilizado para avaliar estatisticamente os melhores resultados
obtido para a relação elástica. O experimento 5 corresponde ao teste 3, o
experimento 5 com dispositivo corresponde ao teste 4 nas FIG. 5.8 a 5.13.
Analisando o bloxplot do limite de escoamento na FIG.5.5 o teste 4 apresentou
resultados menos dispersos em relação ao teste 3. Observa-se uma redução nos
valores obtidos para o LE.
FIG.5.8 Resultados Boxplot para o Limite de Escoamento CA-60.
75
O T-test para o Limite de Escoamento compara os resultados dos testes 3 e 4
de forma que comprova que estatisticamente eles são diferentes como ilustrado na
FIG.5.9. Considerando que o valor de P é 0,001 e é menor do que 0,05, conclui-se
com confiabilidade de 95% que a hipótese é alternativa, o que quer dizer que possui
médias diferentes.
FIG.5.9 Resultado T-test para Limite de Escoamento do CA-60.
Analisando o bloxplot do limite de Resistência na FIG.5.10 o teste 3 apresentou
resultados menos dispersos em relação ao teste 4.
FIG.5.10 Resultados Box plot para o Limite de Resistência do CA-60.
76
O T-test para o Limite de Escoamento compara os resultados dos testes 3 e 4
de forma que comprova que estatisticamente eles são diferentes como ilustrado na
FIG.5.11. Considerando que o valor de P é 0,000 e é menor do que 0,05, portanto
com confiabilidade de 95% a hipótese é alternativa, o que quer dizer que possui
médias diferentes.
FIG.5.11 Resultado T-test para Limite de Resistência do CA-60.
Analisando o bloxplot da relação elástica FIG.5.12 o teste 3 apresentou
resultados com menor dispersão, porém neste teste não foi alcançado o valor
mínimo especificado para a relação elástica conforme norma ABNT 7480 1,05. O
teste 4 apresentou resultados proporcionais em relação ao teste três, já que o Box
apresenta valor médio de 1,09 para relação elástica, valor este acima do mínimo
especificado por norma.
FIG.5.12 Resultados Box plot para relação elástica do CA-60.
77
O T-test para a Relação elástica compara os resultados dos testes 3 e 4 de
forma a comprovar que estatisticamente eles são diferentes como ilustrado na
FIG.5.13. Considerando que o valor de P é 0,000 e é menor do que 0,05, portanto
com confiabilidade de 95% a hipótese é alternativa, o que quer dizer que possui
médias diferentes.
FIG.5.13 Resultados T-test para relação elástica LR/LE do CA-60.
De acordo com a análise estatística foi possível verificar que os resultados
dos testes foram satisfatórios, portanto o valor médio obtido para LR / LE de 1,09
garante a absorção significativa de energia prevenindo a falha prematura dos
vergalhões.
78
6 CONCLUSÃO
Os resultados obtidos através das alterações realizadas no diâmetro e resfriamento
do FM laminação a quente e a realizada no processo de laminação a frio permitem
as seguintes conclusões:
Fios-máquina conformados a quente foram produzidos para verificar a influência
das variáveis do resfriamento do aço. Foi observado que para todos os testes o
tamanho médio de grão encontrado foi o ASTM 9, não sendo possível com a
configuração dos experimentos montados obter tamanhos de grãos maiores.
Esperava-se que aumentando a temperatura no formador de espiras e retirando
os resfriamentos para as configurações de testes elaborados os grãos
crescessem.
As bobinas obtidas nos experimentos não apresentaram diferença significativa
nos valores de Limite de Escoamento, Limite de Resistência e redução de área.
De acordo com a regressão múltipla realizada, a variável que apresentou maior
influência na alteração do limite de resistência do fio-máquina foi a temperatura de
conformação das espiras.
As bobinas dos experimentos na laminação a quente quando laminadas a frio não
alcançaram o valor de relação elástica mínima especificada pela norma ABNT
NBR 7480/2007 de 1,05, obtendo valor máximo de 1,04. Isto foi associado às
tensões residuais envolvidas no processo.
A diferença de dureza entre o precipitado e a matriz causa tensão residual que
pode ser aliviada pelo dispositivo, devido ao amolecimento por deformação. No
experimento 4 ocorreu a retenção de intersticiais, portanto foi menor a
precipitação de carbonetos, portanto maior o valor do limite de escoamento. A
temperatura inicial utilizada para a conformação da espira foi 870ºC e a taxa de
resfriamento de 14 ºC/s.
79
No experimento 5 houve uma menor taxa de resfriamento 10 ºC/s, pois a
temperatura inicial para conformação da espira foi 910ºC, portanto houve mais
precipitação de carboneto de ferro e conseqüentemente a diminuição do limite de
escoamento.
O CA-60 após passar pelo dispositivo para alivio de tensões mecânicas
apresentou resultados que atendem a norma ABNT 7480/2007. O valor médio
obtido de relação elástica passou de 1,04 para 1,09, utilizando aço baixo carbono
com bitola de 6,5mm. Grande parte dos processos industriais utiliza a bitola de
5,50mm para fabricar CA-60.
A possibilidade de alterar o diâmetro do fio máquina de entrada no laminador a
frio, traz ganho na produtividade dos laminadores a quente e a frio.
80
7 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
Verificar a influência da ocupação intersticial nas propriedades mecânicas do
aço avaliado;
Realizar medições das tensões residuais do vergalhão antes e após a
utilização do dispositivo para alívio de tensões mecânicas;
81
8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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85
9 APÊNDICES
86
9.1 APÊNDICE 1: MICROGRAFIAS FIO MÁQUINA EXPERIMENTOS 1 a 7.
Experimento 1 – corte longitudinal/ transversal
Experimento 2 – corte longitudinal/ transversal
Experimento 3– corte longitudinal/ transversal
87
Experimento 4 - corte longitudinal/ transversal
Experimento 5 - corte longitudinal/ transversal
Experimento 6 -corte longitudinal/ transversal
88
Experimento 7 - corte longitudinal/ transversal
89
9.2 APÊNDICE 2: MICROGRAFIAS MEDIÇÃO DE CAREPAS EXPERIMENTOS 1 a 7.
Experimento 1 Experimento 2
Experimento 3 Experimento 4
Experimento 5 Experimento 6
90
Experimento 7
91
9.3 APÊNDICE 3: MICROGRAFIAS VERGALHÃO CA-60 SEM DISPOSITIVO
Experimento 1 Experimento 2
Experimento 3 Experimento 4
Experimento 5 Experimento 6
92
Experimento 7
93
9.4 APÊNDICE 4: TERMOGRAFIAS DOS EXPERIMENTOS DE 1 a 7
Experimento 1
Experimento 2
Experimento 3
94
Experimento 4
Experimento 5
Experimento 6
95
Experimento 7