3. MATERIAIS E MÉTODOS
4.7 Ensaio de compressão
Os ensaios de compressão tiveram como objetivo a avaliação do comportamento de deformação dos semissólidos das ligas selecionadas. Visto que, durante os tratamentos isotérmicos, as ligas estudadas não apresentaram um significativo engrossamento de partículas, definiu-se que antes de serem comprimidas, as mesmas seriam aquecidas até a temperatura alvo (1010 ºC) e mantidas nessa temperatura por 300 s para que fosse garantida a homogeneização da temperatura por todo volume da amostra. Após o tempo de tratamento isotérmico, as
amostras foram comprimidas entre placas paralelas aplicando-se uma velocidade no atuador de 8 mm/s. Devido as baixas frações líquidas desenvolvidas nas ligas #1, #2 e #3 na temperatura alvo, presumia-se que as suas deformações ocorreriam mediante a aplicação de elevadas cargas, portanto, utilizou-se nos ensaios de tais ligas uma célula de carga com capacidade nominal de 5 kN e resolução de 1 N. Por outro lado, em decorrência das maiores frações líquidas apresentadas nas ligas #4, #5 e #6 na temperatura alvo, foi utilizada para o ensaio dessas ligas uma célula de carga de capacidade nominal de 2 kN e resolução de 0,1 N, objetivando a detecção de menores valores de variações de carga. Para que, durante as compressões, fosse garantida a integridade física das células de carga de 5 kN e 2 kN, foram adotados limites máximos de tensões aplicadas de respectivamente 4,5 kN e 1,5 kN. Dessa forma, as amostras foram comprimidas até que fosse obtida uma altura final de 2 mm ou até que o limite de força adotado para as células de carga fosse atingido.
A figura 4.30 apresenta fotografias dos típicos corpos de prova utilizados nos ensaios de compressão após terem sido aquecidos a 1010° C e tratados isotermicamente por 300 s. Verifica-se que ao serem conduzidos ao estado semissólido, a altura dos corpos de prova é reduzida e o seu diâmetro é aumentado, com exceção do corpo de prova da liga #1 que manteve suas dimensões originais. Essa variação na geometria é justificada devido à incapacidade do metal semissólido estudado de suportar o seu próprio peso. Consequentemente, ele se deforma para aumentar a sua área de contato com a superfície. Nota-se que as maiores variações de geometria ocorreram nos corpos de prova referentes às ligas que apresentam maiores frações líquidas, indicando que as mesmas possuem baixas viscosidades. Tal resultado demonstra-se coerente com as frações líquidas estimadas para as ligas estudadas.
Figura 4.30 Fotografias dos típicos corpos de prova utilizados nos ensaios de compressão: (a) liga #1, (b) liga #2, (c) liga #3, (d) liga #4, (e) liga #5 e (f) liga #6.
A figura 4.31 exibe uma típica curva de força versus deslocamento obtida a partir da compressão de um semissólido metálico (LIU et al. 2003). Verifica-se a presença de um pico no início da deformação, o qual é atribuído ao contato entre as partículas sólidas da pasta
metálica, comumente chamado de “esqueleto sólido”. Dessa maneira, o semissólido oferece uma resistência inicial até que o esqueleto sólido seja quebrado. Ao fim da deformação a força necessária para deformar o material aumenta novamente em decorrência do atrito entre as placas e da solidificação do material, uma vez que o ensaio não é isotérmico (FAVIER e ATKINSON, 2011).
Figura 4.31 Típica curva de força versus deslocamento obtida a partir da compressão de um semissólido metálico (LIU et al. 2003).
A figura 4.32 exibe curvas de força versus deslocamento do atuador obtidas a partir dos ensaios de compressão realizados nas ligas #1, #2, #3, #4, #5 e #6. As amostras referentes às ligas #1, #2, #3, e #4 foram comprimidas até que o limite de carga adotado para as células de carga fosse atingido. Diferentemente, as ligas #5 e #6 foram comprimidas até que o deslocamento pré-definido para o atuador fosse completamente executado. Constata-se que os contatos iniciais entre a placa paralela (placa superior de alumina) e os corpos de prova ocorreram em diferentes valores de deslocamento do atuador. Isso aconteceu devido às mudanças de geometria dos corpos de prova durante suas transições ao estado semissólido (vide figura 4.30).
Figura 4.32 Curvas de força versus deslocamento do atuador obtidas a partir dos ensaios de compressão realizados nas ligas #1, #2, #3, #4, #5 e #6.
Por meio da análise da figura 4.33, que exibe separadamente as curvas de força versus deslocamento apresentadas na figura 4.32, torna-se possível a realização de análise mais detalhada do comportamento de deformação das ligas estudadas. Nessa figura, estão também exibidos os deslocamentos realizados pelo atuador a partir do momento em que o mesmo entra em contato com as amostras. Devido às baixas cargas necessárias para promover a deformação inicial das ligas #5 e #6 e à resistência ao deslocamento do atuador, não foi possível identificar os valores do deslocamento no qual ocorre o contato inicial entre a placa paralela e os corpos de prova referentes a essas ligas. Dessa forma, tais valores foram estimados com base nas alturas apresentadas por amostras dessas ligas (#5 e #6) após o reaquecimento e tratamento isotérmico das mesmas (vide figura 4.30). Nota-se, como esperado, que as ligas com maiores frações líquidas, menores tamanhos médios de glóbulos e com maiores valores de circularidade foram conformadas mediante a aplicação de menores cargas, demonstrando forte a influência das frações líquidas e da morfologia do material sobre comportamento de deformação das diferentes ligas do sistema Ti-Cu-Fe. Verifica-se que a liga #1 apresentou um comportamento de deformação semelhante ao de um metal no estado sólido. Tal resultado apresenta-se coerente com as baixas frações líquidas estimadas para o semissólido dessa liga na temperatura estudada. Nota-se que as curvas das ligas #2 e #3 são similares aos resultados publicados na literatura,
apresentando um pico inicial seguido de um aumento de carga no final do processo (KAPRANOS et al., 2001; LIU et al. 2003). Como ligas #4, #5 e #6 ofereceram baixas resistências à deformação, não foi detectado a presença de nenhum pico inicial. De acordo com Atkinson (2005) o processo de tixoconformação é bem sucedido quando ocorre sob condições que promovam a formação de pequeno ou nenhum pico.
Figura 4.33 Curvas de força versus deslocamento do atuador obtidas a partir dos ensaios de compressão realizados nas ligas #1, #2, #3, #4, #5 e #6. (*) Valores estimados.
A figura 4.34 exibe fotografias dos corpos de prova obtidas após os ensaios de compressão. Observam-se melhores acabamento superficial e uniformidade de deformação nas amostras das ligas que possuíam maiores frações líquidas no estado semissólido. Enquanto que nas ligas de menores frações líquidas, #1, #2, #3 e #4, é possível notar a presença de defeitos como poros e trincas. De acordo Kang, Choi e Kim (1999), na deformação de metais semissólidos, a fase líquida tende a gradualmente migrar para a superfície do material e essa segregação tende a ser maior quando são aplicadas maiores taxas de deformação. Na deformação de semissólidos que apresentam baixas frações líquidas, a pequena quantidade de líquido presente no material tende a rapidamente migrar para a superfície, promovendo um maior contato entre as partículas sólidas que, com o aumento da deformação, resulta na “quebra” do material. Tal fenômeno pode ser visualizado na figura 4.34b e 4.34c. Constata-se então, que na temperatura alvo do estudo (1010 °C), as frações líquidas desenvolvidas nos semissólidos das diferentes ligas estudadas exercem forte influência sobre a conformabilidade das mesmas.
Figura 4.34 Fotografias dos corpos de prova obtidas após o ensaio de compressão: (a) liga #1, (b) liga #2, (c) liga #3, (d) liga #4, (e) liga #5 e (f) liga #6.
As curvas de viscosidade aparente versus taxa de cisalhamento calculadas a partir da compressão das ligas #2, #3 e #4 estão exibidas na figura 4.35. Como não foi identificado em que posição do deslocamento ocorreu o contato inicial entre a placa de alumina e os corpos de prova das ligas #5 e #6, não foi possível a realização do cálculo de suas viscosidades. De forma geral, verifica-se que, a viscosidade diminui com o aumento da taxa de cisalhamento, demonstrando que essas ligas apresentam um comportamento pseudoplástico. De acordo com Omar et al. (2011), os vales presentes no início das curvas #2 e #3 podem ser associados à expulsão de líquido para as superfícies da amostra. O valor de viscosidade inicial da liga #4 não pode ser identificado em decorrência de sua elevada fração líquida e morfologia refinada e globular. Percebe-se que para tal liga, a viscosidade inicialmente diminui com ao aumento da
taxa de cisalhamento. Entretanto, a partir de aproximadamente 1 s-1 a viscosidade tende a aumentar, possivelmente devido a influência do processo de solidificação. Para uma taxa de cisalhamento de 0,5 s-1, as viscosidades calculadas para as ligas #2, #3 e #4 foram respectivamente 1,3 x 106 Pa.s, 4,1 x 105 Pa.se 2,0 x 105 Pa.s. Segundo Flemings (1991), a viscosidade do vidro fundido durante a sua conformação está na faixa de 103 a 106 Pa.s, sendo esse o intervalo de viscosidade indicado para as pastas metálicas aplicadas no processo de tixoconformação. Como as ligas #5 e #6 apresentam, na temperatura estudada, maiores frações líquidas e fase primária mais refinada que a liga #4, espera-se que elas apresentem os menores valores de viscosidade dentre as ligas avaliadas nesse trabalho. Portanto, pode-se afirmar, baseado nas viscosidades, que na temperatura estudada, as ligas #3, #4, #5, e #6 apresentam boa conformabilidade.
Figura 4.35 Curvas de viscosidade aparente versus taxa de cisalhamento calculadas a partir dos ensaios de compressão das ligas #2, #3 e #4.
Com a finalidade de demonstrar a viabilidade do processamento no estado semissólido e a boa conformabilidade das ligas do sistema Ti-Cu-Fe que, na temperatura do estudo, apresentaram frações líquidas estimadas no intervalo de 30% a 50% (#4, #5 e #6), pequenas engrenagens com dimensões de 15 mm de diâmetro externo e 3 mm de espessura foram
produzidas via tixoforjamento. Para tanto, utilizou-se o sistema dos ensaios de compressão, sendo que a placa superior de alumina foi substituída por uma matriz de aço inox cuja fotografia está exibida na figura 4.36. Foram aplicadas condições de processamento semelhantes àquelas utilizadas nos ensaios de compressão, onde amostras com 10 mm de diâmetro e 12 mm de altura foram aquecidas a 1010 °C em atmosfera inerte de Ar e mantidas nessa temperatura por 300 s. Devido a transferência de calor entre a amostra, o gás inerte e matriz, essa última foi aquecida durante o tratamento isotérmico, atingindo a temperatura de aproximadamente 400 °C ao fim dos 300 s. Após o tempo de tratamento isotérmico, foi imposto vácuo na câmara de indução com a finalidade de evitar o aprisionamento de gases na matriz durante o processamento e em seguida, as amostras foram tixoforjadas.
Figura 4.36 Fotografia da matriz de aço inox utilizada no tixoforjamento de amostras das ligas #4, #5 e #6.
A figura 4.37 apresenta fotografias das engrenagens tixoforjadas a partir de amostras das ligas #4, #5 e #6. Verifica-se que as amostras de todas as ligas foram capazes de preencher completamente a matriz e que as peças produzidas apresentaram bom acabamento superficial, o qual foi limitado pela rugosa superfície da matriz. Nota-se também, mediante análise visual de suas superfícies, que as amostras não oxidaram durante o processamento.
As cargas aplicadas durante o processamento das engrenagens não puderam ser medidas, pois como o processo foi realizado em vácuo, os valores detectados pela célula de carga estavam sob influência da pressão negativa da câmara de indução que somadas à resistência ao deslocamento do atuador promoveram um intenso ruído no sinal de resposta do equipamento. Entretanto, por meio dos resultados obtidos nos ensaios de compressão exibidos detalhadamente na figura 4.33, pode-se afirmar que as engrenagens foram produzidas mediante
a aplicação de baixas cargas. Tais resultados confirmam as ligas #4, #5 e #6 apresentam elevado potencial para serem tixoconformadas.
Figura 4.37 Fotografias das engrenagens tixoforjadas a partir de amostras das ligas (a) #4, (b) #5 e (c) #6.