Ensaio de Torção a Quente

O ensaio de torção a quente tem sido amplamente utilizado para o estudo e simulação de processos de deformação a quente devido ao fato de não gerar instabilidades geométricas na região útil do corpo de prova durante a deformação do ensaio[47,75,76,78] e possibilitar a imposição de grandes quantidades de deformação, quando comparado com os ensaios de tração e compressão.

O ensaio de torção a quente consiste na aplicação de uma tensão de torção em uma das extremidades de um corpo de prova, enquanto a sua outra extremidade permanece fixa. O estado de tensão atuante na superfície de uma amostra cilíndrica submetida a um esforço de torção está ilustrado na Figura 2.5. A tensão cisalhante máxima (



perpendicular e paralelamente ao eixo da amostra. As tensões principais σ1 e σ3

formam ângulos de 45° com o eixo do corpo de prova e são iguais em magnitude às tensões cisalhantes máximas. σ1 é a tensão trativa, σ3 é a tensão compressiva de

igual valor e σ2, que é igual a zero, é a tensão intermediária. Desta forma, temos que

Figura 2.5: Estado de tensões atuante na superfície de uma amostra cilíndrica

submetida a um esforço de torção[47].

O equipamento responsável pelo ensaio de torção gira o corpo de prova a uma velocidade constante, produzindo um gradiente de deformação verdadeira crescente do centro à superfície do corpo de prova[47]. Relações matemáticas simples de deslocamento angular podem calcular o valor da deformação em cada ponto do corpo de prova. As extremidades são mantidas de tal forma que o comprimento do corpo de prova não se altera durante o ensaio. Em conseqüência, o corpo de prova conserva a sua forma inicial e a deformação local corresponde exatamente ao movimento de rotação imposto. Este modo de deformação por torção a quente, por gerar um estado de tensão de cisalhamento puro e utilizar um corpo de prova com área útil na geometria cilíndrica reta, é capaz de atingir elevadas taxas de deformação (semelhantes às industriais) e elevadas deformações sem que aconteça a formação de instabilidades mecânicas ou geométricas, como a estricção (“necking”) do ensaio de tração. Além disso, com um dispositivo de injeção de meio para refrigeração, como água ou hélio, é possível a avaliação da microestrutura do material através do resfriamento rápido e congelamento da microestrutura em qualquer etapa do processo. Essas são algumas vantagens do ensaio de torção a quente em relação aos ensaios de tração e compressão[75,76,79].

Durante um ensaio de torção a quente, a temperatura pode ser medida por um termopar ou pirômetro ótico, e os esforços mecânicos aplicados às amostras podem ser medidos por uma célula de carga e convertidos em tensão equivalente. A











deformação e a taxa de deformação equivalentes são calculadas a partir de medidas do ângulo de rotação realizadas por um transdutor de rotação. A aquisição de dados é realizada por um computador interligado à máquina, que com um programa, controla os ensaios impondo o ciclo térmico, a quantidade de deformação, a taxa de deformação e o tempo de espera entre deformações.

Os eventos e fenômenos metalúrgicos que ocorrem durante a simulação física são investigados utilizando-se as curvas de escoamento plástico e fazendo o acompanhando da evolução microestrutural. As curvas tensão equivalente vs. deformação equivalente para a superfície de amostras cilíndricas ensaiadas em torção são calculadas a partir do torque e ângulo de rotação medidos, utilizando-se as relações[46,47]:

(2.17)

(2.18)

Onde: M é o torque aplicado, o θ ângulo de rotação, R e L são o raio e o comprimento útil do corpo de prova. Os coeficientes m e n representam a sensibilidade do material às mudanças na taxa de deformação e na deformação, respectivamente.

Existe uma grande variedade de tipos de ensaios que podem ser realizados com uma máquina de ensaios de torção a quente. Com maior freqüência, realizam-se ensaios isotérmicos contínuos, ensaios isotérmicos interrompidos com duas deformações e ensaios com múltiplas deformações em resfriamento contínuo.

Ensaios isotérmicos contínuos determinam as curvas de escoamento plástico dos materiais em diferentes temperaturas e taxas de deformação. Os corpos de prova são aquecidos até temperaturas de solubilização, resfriados até a temperatura de

ensaio e deformados continuamente até a fratura ou até níveis pré-determinados. O ciclo térmico empregado pode ser visto na Figura 2.6.

Figura 2.6: Ilustração esquemática do ciclo térmico empregado nos ensaios

isotérmicos contínuos[47].

Ensaios isotérmicos interrompidos com dupla deformação são utilizados para investigar os fenômenos que ocorrem nos intervalos entre passes, como o amaciamento promovido pela recuperação e pela recristalização e o endurecimento gerado pela precipitação induzida por deformação. Nesse tipo de experimento, os testes são interrompidos após uma deformação predeterminada, mantendo-se a amostra na mesma temperatura por diferentes intervalos de tempo, e em seguida reiniciada a deformação. O ciclo termomecânico aplicado nesse tipo de ensaio é ilustrado pela Figura 2.7.

Figura 2.7: Ilustração esquemática do ciclo termomecânico empregado nos ensaios

isotérmicos com duas etapas de deformação[47].

Ensaios com múltiplas deformações em resfriamento contínuo são utilizados para investigação do comportamento dos materiais em condições similares às do processamento industrial, investigação dos fenômenos induzidos pela deformação que ocorrem durante o resfriamento e para determinação das temperaturas críticas do processamento termomecânico, tais como a temperatura de não recristalização (Tnr) e

as temperaturas de início e fim da transformação de fase. Nesses experimentos, as amostras são aquecidas e mantidas nas temperaturas de encharque e em seguida resfriadas continuamente com taxas similares às impostas industrialmente. Durante a etapa de resfriamento, as amostras são deformadas em seqüências de passes com graus de deformação, taxas de deformação, temperaturas e tempo entre passes iguais aos do processamento industrial. A Figura 2.8 mostra, esquematicamente, o ciclo termomecânico de uma seqüência de passes.

Figura 2.8: Representação esquemática do ciclo termomecânico imposto em ensaios

realizados com múltiplas deformações em resfriamento contínuo[47].