Nuno Miguel Almendra Fernandes
Análise e simulação do processo de dobragem
de um tubo elíptico utilizando um aço
avançado de elevada resistência
Nuno Miguel Almendra Fernandes
dezembro de 2015 UMinho | 2015 Análise e simulação do pr ocesso de dobr ag em de um tubo elíp
tico utilizando um aço a
vançado de ele
vada r
esis
dezembro de 2015
Dissertação de Mestrado
Ciclo de Estudos Integrados Conducentes ao
Grau de Mestre em Engenharia Mecânica
Trabalho efectuado sob a orientação do
Professor Doutor João Pedro Mendonça
Professor Doutor Nuno Peixinho
Nuno Miguel Almendra Fernandes
Análise e simulação do processo de dobragem
de um tubo elíptico utilizando um aço
iii
Agradecimentos
A elaboração desta dissertação de mestrado é a finalização de uma etapa importante na minha vida académica, com a conclusão do curso de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica. Contudo, para que isso fosse possível, foi necessária a colaboração e o apoio especial de alguns professores, colegas, amigos e familiares aos quais quero deixar o meu sincero agradecimento.
Agradeço, antes de mais, aos orientadores deste trabalho, o Professor Doutor João Pedro Mendonça e Professor Doutor Nuno Peixinho do Departamento de Engenharia Mecânica pela partilha de conhecimento e a disponibilidade na resolução de problemas.
Agradeço ao Engenheiro Sérgio Costa que deu um contributo importante na resolução de problemas que foram surgindo ao longo da dissertação, assim como, na organização da mesma. Quero agradecer ao meu colega e amigo Pedro Moreira, que sempre se mostrou interessado em me ajudar a resolver os problemas encontrados durante a dissertação, bem como, por toda a partilha de conhecimento e apoio moral durante as fases mais difíceis e deste percurso.
O meu agradecimento à minha família, em especial aos meus pais, Francisco Fernandes e Maria Fernandes por todo apoio não só nesta etapa final, mas também, ao longo de toda a vida académica. Ao meu irmão Diogo Fernandes pelo espírito de amizade e apoio.
Agradeço a todos os amigos que, de uma maneira ou de outra, me ajudaram e apoiaram nos estudos, com especial referência à Tânia Martins, que esteve sempre presente em todos os momentos da minha vida académica com um espírito positivo e que me ajudou a superar as dificuldades e a elaboração da dissertação de mestrado.
iv
Resumo
A dissertação de mestrado apresentada é realizada no âmbito da dissertação de mestrado em Engenharia Mecânica na Universidade do Minho e, tem como tema, a análise e simulação de um processo de dobragem, utilizando um aço avançado de elevada resistência.
Os serrotes de arco são objetos normalmente utilizados em situações de corte de madeira ou metais e permitem, de uma maneira fácil e sem grande custo, realizar pequenas operações sem recorrer a ferramentas mais caras. Neste componente, um dos aspetos importantes, para além da qualidade da lâmina, é a estrutura tubular que garante uma boa tração da lâmina, garantindo assim, um bom corte. Uma maneira de melhorar o comportamento do serrote é introduzir, por exemplo, na estrutura tubular, um material com uma resistência superior.
Ao longo dos últimos anos, os aços têm sofrido evoluções até aos aços avançados de elevada resistência (AHSS) que possuem uma tensão de cedência superior e uma resistência à tração igualmente superior, permitindo assim, obter componentes com um desempenho mecânico superior. Utilizando estes materiais na estrutura tubular é possível reduzir a espessura e, por conseguinte, o peso e custo sem perder as propriedades mecânicas.
Para utilizar um novo material, neste caso, com as características dos AHSS, é necessário adaptar os processos de dobragem existentes, uma vez que as forças envolvidas são superiores. São então analisados os diferentes processos, tendo em vista determinar o mais indicado para o caso em estudo.
No caso em estudo foi escolhida uma estrutura tubular, a partir da qual é realizada toda a análise computacional. Na análise da aplicação de um material diferente foi realizado um estudo comparativo entre três aços, sendo esses, um aço convencional, um aço avançado de elevada resistência e um aço inox. Para além disso, realizaram-se mais dois estudos, um da interferência do coeficiente de atrito no processo de dobragem e outro da influência e da possibilidade da redução da espessura da secção do tubo.
É utilizado o software de desenho SolidWorks para o desenho de todos os componentes do processo de dobragem, sendo posteriormente utilizado, o software de simulação Ansys Workbench para realizar a simulação da dobragem e retirar os resultados pretendidos.
v
Abstract
The presented master thesis is carried out under the master's in mechanical engineering at University of Minho and is subject to analysis and simulation of the bending process using an advanced high strength steel.
Bow saws are usually used in wood or metal cutting applications and allow an easy way and without great cost, carrying out minor operations without resorting to more expensive tools. In this component one of the most important aspects, besides the quality of the saw is the tubular structure that ensures a good traction of the saw thus ensuring a good cut. One way to improve the behavior of the saw is introduced for example in the tubular structure a material with superior strength.
The steels in recent years have been developing to advanced high strength steels with a higher yield strength and higher tensile strength allowing a high mechanical performance. Using these materials in the tubular structure can reduce the thickness and thus the weight and cost without losing mechanical properties.
To use a new material and the characteristics of AHSS is necessary to adapt existing bending processes because the forces involved are greater. Are then analyzed the different processes in order to determine which are the most appropriate for the case study.
In this particular case it has been chosen a tubular structure from which is performed the computational analysis. In the analysis of the application of a different material it was carried out a comparative study of three steels with a conventional steel, advanced high strength steel and stainless steel. Furthermore, there were two further studies, one with the interference of coefficient of friction in the bending process and other with the influence and possible reduction of thickness of the tube section.
SolidWorks software is used to design all components of the bending process, subsequently used the simulation software ANSYS Workbench to perform the simulation of the bending and obtain the desired results.
vi Índice Geral Agradecimentos ... iii Resumo ...iv Abstract ... v Índice de Figuras ... ix Índice de Gráficos ... xi
Índice de Tabelas ... xii
1- INTRODUÇÃO ... 1
1.1- Enquadramento ... 1
1.2 - Objetivos ... 2
1.3 - Organização da dissertação ... 2
2- OS SERROTES DE ARCO ... 4
2.1- Enquadramento histórico dos serrotes de arco manual ... 4
2.2- Modo de utilização do serrote ... 5
2.3- Marcas e características ... 6
3- EVOLUÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DOS AÇOS ... 8
3.1- Enquadramento histórico dos aços... 8
3.2- Classificação dos aços de elevada resistência – HSS (High Strength Steels) ... 10
3.3- Aços avançados de elevada resistência – AHSS (Advanced High Strength Steel) ... 12
3.4- Principais tipos de aços ... 14
3.4.1 - Aços bifásicos (Dual Phase – DP) ... 15
3.4.2 - Aços de plasticidade induzida por transformação (Transformation-Induced Plasticity – TRIP) ... 18
3.4.4 - Complex phase – CP ... 20
3.4.5 - Aços martensíticos (Martensitic - MS ou Mart) ... 21
3.4.6 - Ferrítico-Bainítico - FB ... 21
3.5- Retorno elástico ... 22
3.5.1 - Origem do retorno elástico ... 23
3.5.2 - Tipos de retorno elástico ... 25
3.5.2.1 - Alteração angular ... 26
3.5.2.2 - Curvatura da parede ... 26
3.5.2.4 - Torção ... 30
vii
4.1- Definição de tubos elípticos ... 32
4.2- Vantagens dos tubos elípticos ... 34
4.3- Aplicações de tubos elípticos ... 34
4.4- Produção de tubos elípticos ... 36
4.5- Normas ... 37
4.5.1- Propriedades geométricas dos tubos elípticos... 37
4.5.2- Propriedades mecânicas dos tubos elípticos ... 38
4.6- Dobragem de tubos ... 39
4.6.1 - Princípios de dobragem de tubos ... 40
4.6.2 - Modelo analítico ... 44
4.6.3 - Cálculo do momento de dobragem ... 45
4.6.4 - Cálculo do ângulo de retorno elástico ... 47
5. MÉTODOS DE DOBRAGEM DE TUBOS ... 50
5.1- Dobragem por movimento axial de um cunho móvel ... 50
5.2- Dobragem por intermédio de rolos ... 51
5.3- Dobragem por compressão ... 52
5.4- Dobragem por estiramento ... 53
5.5- Dobragem por indução... 53
5.6- Hidroformagem de tubos... 55
5.7- Ovalização de tubagens ... 56
5.8- Defeitos e formas de os evitar ... 57
5.9- Utilização de areias ... 59
5.10- Utilização de mandris ... 59
6. ESTUDO DO PROCESSO DE DOBRAGEM ... 62
6.1- Descrição do problema ... 62
6.2- Definição do modelo ... 63
6.3- Modelação do processo de dobragem ... 66
6.4- Simulação numérica por elementos finitos ... 72
6.4.1 - Material... 72
6.4.2- Geometria ... 74
6.4.3- Contactos ... 75
6.4.4- Avaliação dos elementos de malha ... 76
viii
6.4.4.2- Análise da qualidade da malha ... 79
6.4.5- Condições de Análise ... 82
6.4.6- Critérios utilizados ... 85
6.5- Resultados obtidos ... 85
6.5.1- Comparação entre aços diferentes ... 85
6.5.2 - Variação do coeficiente de atrito ... 96
6.5.3- Variação de espessura da secção do tubo ... 100
7- CONCLUSÕES ... 104
8- PROPOSTAS PARA TRABALHOS FUTUROS ... 106
9- REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 107
10- ANEXOS ... 109
10.1 - Anexo 1 – Propriedades geométricas e mecânicas dos tubos elípticos ... 109
10.2 - Anexo 2 – Propriedades dos materiais ... 110
10.3 - Anexo 3 – Propriedades dos materiais – gráficos de deformação ... 120
ix
Índice de Figuras
Figura 1 – Representação esquemática de um serrote do século XVIII. Fonte: [2] ... 4
Figura 2 – Serrotes de arco. Fonte: [5] ... 6
Figura 3 – Distribuição da martensite na matriz ferrítica. Fonte: [9] ... 15
Figura 4 – Esquema das três morfologias presentes nos aços DP. Fonte: [13]... 16
Figura 5 – Microestrutura dos aços TRIP. Fonte: [13] ... 18
Figura 6 – Imagem microscópica de um aço CP. Fonte: [17] ... 20
Figura 7 – Imagem microscópica de um aço martensítico. Fonte: [18]... 21
Figura 8 – Imagem microscópica de um aço FB. Fonte: [9] ... 22
Figura 9 – Esquema do retorno elástico de uma chapa. Fonte: [10] ... 25
Figura 10 – Efeito da alteração angular e curvatura da parede. Adaptado de: [9] ... 26
Figura 11 – Efeito de torção. Fonte: [9] ... 30
Figura 12 - Diferença de retorno elástico entre um aço DP e um HSLA. Fonte: [9] ... 31
Figura 13 – Esquema representativo do desenho de uma elipse. Fonte: [22] ... 32
Figura 14 – Intersecção de um plano oblíquo por forma a obter uma elipse. Fonte: [22] ... 32
Figura 15 – Cotas de uma elipse. Fonte: [21] ... 33
Figura 16 – Terminal 4 do aeroporto de Barajas em Madrid. Fonte: [25] ... 35
Figura 17 – Exibição da Honda. Fonte: [21] ... 35
Figura 18 – Processo de fabrico de tubos. Fonte: [26] ... 37
Figura 19 – Ferramenta de dobragem de tubos. Fonte: [29] ... 39
Figura 20 – Dobragem de um tubo circular. Fonte: [29] ... 40
Figura 21 – Diferença de espessura na zona de dobragem. Adaptado de: [30] ... 41
Figura 22 – Tubo dobrado. Adaptado de [32] ... 42
Figura 23 – Elementos presentes no processo de dobragem. Fonte: [30] ... 42
Figura 24 – Utilização de matriz de carga fixa. Adaptado de [31] ... 43
Figura 25 – Retorno elástico após abertura dos mordentes. Fonte: [30] ... 44
Figura 26 – Secção transversal do tubo. Baseado em: [33] ... 46
Figura 27 – Forças durante a dobragem. Fonte: [30]... 48
Figura 28 - Dobragem por movimento axial de um cunho móvel. Fonte: [36] ... 51
Figura 29 – Variantes do processo a) dobragem com aplicação de força axial de tração nas extremidades da peça; b) variantes deste processo: controlo por extensão com a peça fixa nas extremidades. Fonte: [36] ... 51
Figura 30 – Dobragem por intermédio de rolos. Fonte: [37] ... 52
Figura 31 – Dobragem por compressão. Fonte: [36] ... 52
Figura 32 – Dobragem por estiramento. Fonte: [37] ... 53
Figura 33 – Dobragem por indução. Fonte: [36] ... 54
Figura 34 - Hidroformagem de um tubo. Fonte: [39]... 55
Figura 35 – Perfil circular oval. Fonte: [40] ... 56
Figura 36 – Defeitos a) enrugamento do tubo; b) riscos ou marcas na linha central do tubo; c) colapso do tubo com ou sem rugas ao longo da curva. Fonte: [41] ... 58
Figura 37 – Defeitos d) marcas do mandril ao longo da curva; e) marcas da ferramenta ou riscos ao longo da curva. Fonte: [41] ... 58
x
Figura 38 – Mandril rígido. Fonte: [36] ... 60
Figura 39 – Mandril articulado. Fonte: [36] ... 60
Figura 40 – Mandril flexível. Fonte: [35] ... 61
Figura 41 – Geometria do serrote ... 62
Figura 42 – Dimensões da secção elíptica do serrote ... 62
Figura 43 – Modelo tridimensional do serrote ... 63
Figura 44 – Modelo do processo de dobragem ... 64
Figura 45 – Movimento de rotação da matriz ... 64
Figura 46 – Falha no contacto com o eixo ... 65
Figura 47 – Translação da matriz móvel ... 65
Figura 48 – Modelo de dobragem adotado ... 66
Figura 49 – Exemplificação do deslocamento da matriz móvel ... 66
Figura 50 – Desenho técnico da matriz de carga móvel ... 67
Figura 51 – Matriz de carga móvel ... 68
Figura 52 – Desenho técnico da matriz móvel... 68
Figura 53 – Matriz móvel ... 69
Figura 54 – Desenho 2D da matriz fixa ... 69
Figura 55 – Matriz Fixa ... 70
Figura 56 – Desenho 2D da secção do tubo ... 70
Figura 57 – Tubo elíptico ... 70
Figura 58 – Modelo tridimensional ... 71
Figura 59 – Modelo tridimensional do processo ... 71
Figura 60 – Exemplificação das características dos materiais ... 73
Figura 61 – Exemplificação dos módulos do Ansys ... 74
Figura 62 – Exemplificação das propriedades dos componentes ... 74
Figura 63 – Exemplificação dos contactos existentes ... 76
Figura 64 – Parâmetro Skewness. Fonte: [42] ... 77
Figura 65 – Representação do equilátero. Fonte: [43] ... 78
Figura 66 – Ortogonalidade entre os vetores. Fonte: [43] ... 79
Figura 67 – Exemplificação da malha escolhida ... 81
Figura 68 – Componentes fixos nas 3 direções ... 82
Figura 69 – Face de fixação do tubo ... 82
Figura 70 – Exemplificação do movimento da matriz móvel ... 83
Figura 71 – Exemplificação da dobragem para diferentes ângulos ... 84
Figura 72 – Exemplificação dos critérios utilizados ... 85
Figura 73 – Dobragem do tubo no Ansys ... 86
Figura 74 – Deformação total ... 86
Figura 75 – Zonas de máxima deformação elástica para o aço DP ... 89
Figura 76 – Zona de máxima deformação plástica (exterior) ... 91
Figura 77 – Zona de máxima deformação plástica (interior) ... 91
xi
Índice de Gráficos
Gráfico 1 - Resistência à tração e alongamento total dos aços. Adaptado de [11] ... 11
Gráfico 2 – Resistência à tração e alongamento dos aços. Adaptado de: [9] ... 13
Gráfico 3 - Deformação de engenharia versus tensão de engenharia. Fonte: [9] ... 17
Gráfico 4 - Comparação da tensão, encruamento e efeito bake hardening em três aços. Fonte: [13] ... 19
Gráfico 5 - Gráfico comparativo do retorno elástico de um aço de alta resistência e um aço tradicional. Adaptado de: [18]... 24
Gráfico 6 - Alteração das tensões ao longo da zona de dobra. Fonte: [9] ... 27
Gráfico 7 - Curvas tensão-deformação comparando a alteração angular e curvatura. Adaptado de: [9] ... 28
Gráfico 8 - Resistência à tração-alteração angular de dois aços diferentes. Adaptado de: [12] ... 28
Gráfico 9 - Resistência à tração-curvatura de dois aços com a mesma tensão de cedência. Adaptado de: [12] ... 29
Gráfico 10 – Deformação total ... 87
Gráfico 11 – Retorno elástico dos três materiais... 88
Gráfico 12 – Máxima deformação elástica ... 89
Gráfico 13 – Deformação plástica equivalente ... 90
Gráfico 14 – Tensão aplicada no tubo ... 92
Gráfico 15 – Momento na matriz móvel ... 93
Gráfico 16 – Força aplicada na matriz móvel ... 94
Gráfico 17 – Força aplicada na matriz fixa ... 95
Gráfico 18 – Tensão aplicada no tubo variando o coeficiente de atrito ... 98
Gráfico 19 – Momento da matriz móvel variando o coeficiente de atrito ... 99
Gráfico 20 - Deformação do aço DP 600 com variação da espessura ... 100
Gráfico 21 – Tensões máximas do aço DP 600 com variação de espessura ... 102
Gráfico 22 – Momento da matriz móvel ... 103
Gráfico 23 – Curva de plasticidade do aço DP 600 ... 120
Gráfico 24 – Curva de plasticidade do aço convencional ... 120
Gráfico 25 – Curva do aço inoxidável ... 121
xii
Índice de Tabelas
Tabela 1 – Significado dos acrónimos presentes no gráfico 2 [9] ... 14
Tabela 2 – Propriedades mecânicas dos tubos elípticos. Adaptado de [27] ... 38
Tabela 3 – Propriedades dos aços ... 73
Tabela 4 – Determinação da qualidade da malha utilizando o parâmetro “Skewness”. ... 77
Tabela 5 – Valores obtidos da qualidade da malha ... 79
Tabela 6 – Dados obtidos para diferentes malhas ... 80
Tabela 7 - Análise do tamanho do elemento da malha ... 81
Tabela 8 – Valores de rotação da matriz móvel ... 84
Tabela 9 – Valores obtidos de deformação total ... 88
Tabela 10 – Valores de tensão máxima ... 92
Tabela 11 – Valores obtidos para o momento da matriz móvel ... 94
Tabela 12 – Valores obtidos para a força aplicada na matriz móvel ... 95
Tabela 13 – Valores obtidos da força aplicada na matriz fixa ... 96
Tabela 14 – Valores indicativos do fator de atrito. Fonte: [35] ... 97
Tabela 15 – Valores de tensão máxima ... 98
Tabela 16 – Valores do momento da matriz móvel ... 99
Tabela 17 – Valores de deformação máxima ... 101
Tabela 18 – Valores de tensão ... 102
Tabela 19 – Valores do momento da matriz móvel ... 103
Tabela 20 - Propriedades dos materiais ... 110
Tabela 21 – Valores de deformação plástica e equivalente tensão ... 110
1
1- INTRODUÇÃO
Este trabalho insere-se no âmbito da Dissertação de Mestrado do curso de Engenharia Mecânica e tem como principal objetivo o estudo, análise e melhoria das características mecânicas de uma estrutura tubular com a aplicação de um aço de elevada resistência (AHSS). A relevância deste tema deve-se ao facto de cada vez mais as empresas pretenderem produtos com características mecânicas superiores, reduzindo o peso e o custo dos componentes. Assim, compreende-se a necessidade de realizar um estudo prévio das diferenças de comportamento dos materiais, mais especificamente, durante o processo de dobragem de um tubo elíptico utilizando-se um aço convencional e um aço avançado de elevada resistência.
1.1- Enquadramento
Os serrotes são instrumentos utilizados para o corte de madeira ou metal. Um dos aspetos importantes da sua conceção é a geometria e a resistência do seu arco. Este trabalho inicia-se pela escolha de uma estrutura tubular, estrutura essa que apresenta uma secção elíptica com boas propriedades mecânicas quando comparada com uma secção circular, permitindo uma boa capacidade de resistência a esforços de torção e a empenos, não apresentando zonas pontiagudas nem rebarbas.
A estrutura tubular ou arco do serrote, tem que ter um bom comportamento mecânico suportando os esforços resultantes do movimento de corte, utilizando-se, porém, o mínimo de material possível, reduzindo assim, os custos e o peso de toda a estrutura. Para que isso seja possível, é necessário escolher um novo material que apresente uma boa resistência mas que, por outro lado, também seja maleável para que permita ser conformado. Posto isto, os aços avançados de alta resistência têm sofrido, ao longo dos últimos anos, consideráveis evoluções, sendo que, cada vez mais são utilizados na indústria. Ao longo deste trabalho são apresentados, de uma forma geral, os diversos aços existentes, havendo uma centralização nos AHSS e, dentro destes, nos “Dual phase” (DP). Isto porque, quando estes são deformados plasticamente, a tensão a partir da qual entram na formação de pescoço é elevada, o que permite deformá-los sem perderem resistência e, por outro lado, permitem ser conformados porque apresentam um bom alongamento.
2
É realizado um estudo comparativo utilizando três materiais para determinar a diferença de comportamento entre eles e a dificuldade executar o processo de dobragem. É, também, estudada a interferência do coeficiente de atrito ao longo do processo de dobragem e, por fim, da variação da espessura da secção do tubo.
As simulações realizadas ao longo do trabalho são efetuadas com recurso a um software de desenho SolidWorks e outro de simulação numérica designado por Ansys, que permite fazer um estudo sobre o processo de dobragem do tubo elíptico.
1.2 - Objetivos
Este trabalho é realizado com vista a atingir alguns objetivos nomeadamente: - a realização de um estudo sobre o arco dos serrotes;
- a análise do processo de dobragem mais adequado ao caso em estudo;
- a implementação de um novo material, neste caso, um aço avançado de elevada resistência (AHSS);
- a análise do comportamento do aço avançado de elevada resistência (AHSS) versus um aço convencional;
- propor soluções e desenvolvê-las;
- a utilização de ferramentas de CAE e CAD como o SolidWorks e Ansys; - a aquisição de conhecimentos no ramo da investigação científica.
1.3 - Organização da dissertação
A organização da dissertação foi realizada de modo a permitir um encadeamento lógico, desde o problema e os aspetos teóricos importantes para a compreensão do problema até a obtenção da solução final. Esta está, então, dividida, em doze capítulos.
No primeiro capítulo é realizada a introdução do trabalho com a explicação do tema que vai ser abordado, os objetivos pretendidos e a organização da dissertação em capítulos.
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No segundo é apresentada os serrotes de arco manual com um enquadramento histórico, a indicação do modo de utilização e de alguns cuidados a ter durante o seu manuseamento e, ainda, algumas marcas existentes no mercado.
No terceiro capítulo é realizado um estudo da evolução dos aços e as principais diferenças entre eles, a sua evolução a nível das propriedades mecânica que permitem obter um desempenho superior. Para além disso, são abordados alguns aços AHSS que podem ser alvo de estudo para a utilização na estrutura do serrote e o retorno elástico referindo-se algumas diferenças de comportamento entre os aços convencionais e os aços avançados de elevada resistência.
No quarto capítulo são expostas as características principais dos tubos elípticos, como as suas vantagens e propriedades mecânicas e são expressas algumas considerações relativamente à dobragem de tubos nomeadamente os componentes presentes no processo de dobragem, assim como, alguns cálculos analíticos.
No quinto capítulo pode-se constatar alguns dos processos de dobragem de tubo e a sua possível aplicação no caso deste trabalho.
No sexto capítulo é possível analisar o caso de estudo, com a determinação de todas as especificações do tubo elíptico e da geometria do arco que vai ser utilizado na análise computacional. São indicadas todas as condições de fronteira e alguns pressupostos inerentes à realização das simulações. Por fim, neste capítulo apresentam-se ainda os resultados gráficos das simulações realizadas, bem como, algumas alterações das condições iniciais de modo a avaliar outros parâmetros.
No sétimo capítulo realiza-se a conclusão de todo o trabalho com a indicação dos objetivos alcançados e das dificuldades encontradas.
No oitavo capítulo expõe-se algumas possibilidades de trabalhos futuros, com a indicação de algumas alterações às condições de fronteira, de modo a otimizar os resultados e melhorar as simulações realizadas.
Nos dois últimos capítulos, nomeadamente, o nono e décimo são expostas as referências bibliográficas e os anexos, respetivamente.
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2- OS SERROTES DE ARCO
2.1- Enquadramento histórico dos serrotes de arco manual
O Homem desde sempre tem a necessidade de criar diversas ferramentas para o auxiliar nas suas tarefas diárias. Ao longo dos anos, estas ferramentas têm vindo a sofrer diversas alterações e transformações devido ao desenvolvimento industrial, à descoberta de novos materiais e de métodos de fabrico mais avançados.
Tal como todas as outras ferramentas, os serrotes têm vindo a evoluir. Estes resultaram da necessidade do Homem ter de cortar troncos de madeira e pequenos galhos, para os utilizarem na construção das suas casas, para limparem as zonas onde pretendiam habitar e, ainda, utilizar a madeira para construir outros utensílios.
A existência de serrotes remonta para vários séculos atrás, podendo-se considerar, que um dos serrotes que apresenta os princípios básicos ainda hoje em dia utilizados é o serrote construído no século XVIII pelos franceses, que se pode observar na figura seguinte (figura 1).[1]
Figura 1 – Representação esquemática de um serrote do século XVIII. Fonte: [2]
Nesta representação, o serrote é constituído por dois braços de madeira, cada um com uma geometria idêntica e boa resistência, colocados paralelamente um ao outro. É adicionada uma trave, também de madeira, aplicada no centro geométrico dos dois braços garantindo assim, que eles mantenham o afastamento. Seguidamente é fixo um braço de madeira igualmente equidistante das duas extremidades à trave e paralelo aos restantes braços. Na parte superior dos dois braços e no braço que se encontra entre esses é fixada uma corda que vai fazer com que a parte inferior fique sobre tensão. Posto isto, é colocada a lâmina ou algum material/objeto cortante na parte inferior do serrote fixada nos dois braços com uma
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determinada tensão, que será tão elevada quando maior for a tensão na corda. De referir que o braço central permite reajustar a tensão na serra ao rodar para um dos lados, fazendo com que a corda fique sobre maior tensão.
Este tipo de serrote diferencia-se de outros desenvolvidos ao longo dos anos pelo fato de possuir este ajuste na tensão da lâmina. Por exemplo, nos serrotes que foram construídos pelos Romanos não é conhecido nenhum sistema de ajuste da tensão da lâmina. [1]
Os serrotes de arco, nos dias de hoje, são comummente utilizados para limpar os terrenos ou cortar pequenos troncos e pedaços de madeira que podem ser utilizados, por exemplo, para as lareiras. Atualmente, este género de serrotes existe em diversos tamanhos e são constituídos por uma estrutura tubular de aço, estrutura essa que pode ter secções de diversos formatos, sendo porém, normalmente, em formato elíptico. A estrutura metálica garante a tensão sobre a serra, de modo a que esta esteja devidamente tencionada. É incluído também um sistema de troca simples e rápido da serra sem a existência de parafusos e porcas (que são facilmente perdidos), para que o operador consiga facilmente retomar o seu trabalho. De acordo com o catálogo da Bahco, o comprimento das serras pode variar, por exemplo, entre os 530 mm e os 910 mm. [3, 4]
2.2- Modo de utilização do serrote
Durante a utilização do serrote, o operador deve imprimir uma força descendente num só movimento do braço, sendo que deve apoiar todo o seu peso sobre a estrutura do serrote, inclinando-se sobre este no momento de imprimir um movimento de corte. O serrador deve ter atenção para que toda a área da lâmina deve ser aproveitada para que exista um desgaste uniforme da serra e facilite a operação de corte.[3]
Um aspeto importante a ter em conta na utilização do serrote é a segurança, uma vez que este possui uma lâmina com dentes pontiagudos que facilmente podem criar cortes e lesões durante o seu manuseamento, bem como, no seu transporte. Durante a utilização, o serrador utilizar luvas de proteção próprias, de modo a evitar qualquer lesão, assim como, manter o serrote sempre virado na direção do material que está a ser cortado. Um outro ponto importante é a colocação da proteção da lâmina sempre que este seja transportado ou armazenado evitando, assim, a ocorrência de acidentes.
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No que diz respeito à manutenção do serrote, este não é um equipamento que necessite de uma manutenção constante nem de cuidados especiais, porém, deve-se com alguma regularidade e consoante a sua utilização, verificar o estado da lâmina. Esta é um dos componentes que sofre maior desgaste durante a utilização já que é o componente que está em contacto direto com o material e fica sujeita a um elevado coeficiente de atrito durante o processo de corte. É de salientar que, convém lubrificar ligeiramente a lâmina para que esta tenha uma duração superior, mas sempre com o cuidado de não exagerar na quantidade de lubrificante, uma vez que o excesso deste pode reduzir o atrito reduzindo, por conseguinte, o poder de corte da lâmina. Por último, deve-se verificar o aperto da lâmina para garantir que esta mantém a tensão necessária para um bom corte. [3]
2.3- Marcas e características
Existem diversas marcas no mercado que produzem serrotes de arco tais como a Bahco, a G-Man, a IrWin, a Bellota, a Carbografite, a Vonder, entre outras. Abordando apenas os serrotes de arco de uma das marcas anteriormente expressas pode-se verificar que o tipo de serrote varia consoante o trabalho que se pretende fazer. De seguida apresentam-se alguns dos serrotes de arco disponíveis por essa marca:
Figura 2 – Serrotes de arco. Fonte: [5]
A variedade de serrotes de arco é elevada podendo-se referir alguns como, por exemplo: - o serrote de arco com folha para madeira verde/seca;
- o serrote de arco com folha;
- serrote de arco convencional com folha rotativa; - serrote de arco com folha rotativa;
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- serrote de arco para madeira e metais. [5]
Considerando um serrote de arco com folha para madeira da marca Bahco estes possuem, regra geral, uma estrutura elíptica e uma pega ergonómica de modo a facilitar o seu manuseamento. A estrutura permite uma utilização intensiva devido ao fabrico num aço de alta qualidade com uma proteção contra a corrosão, ferrugem e riscos. A estrutura garante maior facilidade de manuseamento por causa do seu reduzido peso. Possui um sistema inovador de tensionamento que garante uma tensão elevada na lâmina fazendo com que esta esteja sempre numa posição que garanta um bom corte. [4]
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3- EVOLUÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DOS AÇOS 3.1- Enquadramento histórico dos aços
A necessidade do Homem desenvolver novos produtos e melhorar outros já existentes leva a que exista uma procura incessante por novas tecnologias e materiais. No caso da indústria, esta cada vez mais necessita de produzir produtos com melhores propriedades mecânicas que os anteriores e, por outro lado, devido às imposições legais, necessitam de reduzir a poluição ambiental e o desperdício de material. Neste contexto surge a necessidade de produzir novos materiais, como o caso dos aços que são comummente usados no quotidiano e que têm sofrido evoluções nos últimos tempos. Estes têm evoluído no sentido de possuírem melhores propriedades mecânicas que os seus antecedentes e, assim, também possibilitarem a redução da quantidade de material necessário na produção dos diversos equipamentos. Um exemplo dessas vantagens é o caso da indústria automóvel onde se tem verificado grandes investimentos na produção de novos aços. Dado que o peso é um fator preponderante no desempenho de um automóvel, é necessário reduzir ao máximo o peso da estrutura metálica com a adoção de novos aços, como o caso dos aços avançados de elevada resistência (AHSS – Advanced High Strength Steel). Ao reduzir o peso, reduz-se também o consumo de combustível e, por outro lado, reduz-se a componente de poluição atmosférica no funcionamento do automóvel, assim como, na sua produção uma vez que é necessário menos material (menor espessura) para o mesmo desempenho estrutural (rigidez).
Os aços de elevada resistência (HSS – High strength steels) têm sido utilizados ao longo dos anos, principalmente na indústria automóvel. Entre 1960 e 1970 utilizavam-se, com maior frequência os aços macios (Mild steels) devido à sua rigidez e bom desempenho a nível estrutural. Por esta altura os aços de elevada resistência (HSS) tinham a mesma rigidez que os aços macios não havendo, por isso, razão para a sua troca tendo em conta que estes também tinham um custo inferior. [6]
Em 1980, o aumento da dependência do petróleo, o acréscimo dos preços dos combustíveis e as preocupações a nível ambiental fizeram com que os fabricantes de aços introduzissem os aços convencionais de elevada resistência (HSS), com o objetivo de reduzirem a quantidade de material gasto e o peso dos componentes. [6]
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Na década de 1990 os fabricantes de automóveis e de outros produtos dedicaram-se à utilização do alumínio, magnésio e alguns compósitos à base de fibra para reduzir os custos de produção e, também, o peso dos automóveis para, assim, ir de encontro às imposições legais relativamente ao consumo de combustíveis e material. Nesta altura a utilização dos aços avançados de elevada resistência (AHSS) tinha custos acrescidos devido ao custo de aquisição, mas também à dificuldade de realizar operações inerentes ao seu fabrico, como a soldadura. Os AHSS possuíam propriedades mecânicas superiores mas o problema do retorno elástico era um dos pontos que teria que ser alvo de estudo para facilitar a sua utilização no fabrico de novos componentes uma vez que estes apresentam um retorno elástico superior. [6]
O programa UltraLight Steel Auto Body (ULSAB), criado em 1994 por uma sociedade de 35 produtores de aço, iniciou um estudo com o objetivo de criar novos aços que permitissem a redução de peso mantendo ou melhorando o desempenho das estruturas metálicas dos automóveis. [7] Este estudo permitiu a introdução e o melhoramento de alguns aços designados por aços de elevada resistência (High Strength Steels - HSS), nomeadamente, os Bake Hardening - BH e os aços de elevada resistência e baixa liga (High Strength Low Alloy –HSLA). [8]
Em 1998, a Body-in-white (BIW) validou os estudos desenvolvidos pelo programa ULSAB e comprovou que os aços desenvolvidos contribuíram para uma redução do peso, sendo um processo de produção válido e de possível execução, oferecendo vantagens na utilização desses, em detrimento dos aços de baixa resistência (Low Strength Steels – LSS). [9]
Em seguimento do programa ULSAB, foram criados outros programas com o objetivo de melhorar cada vez mais os aços, surgindo, assim, um novo grupo de aços designados de aços avançados de elevada resistência (Advanced High-Strength Steels – AHSS). Este grupo de aços possui uma microestrutura particular e são submetidos a processos de fabrico que englobam estágios a determinadas temperaturas e arrefecimentos diferentes, de modo a garantir as transformações de fase com a formação de microconstituintes importantes para se obterem as propriedades pretendidas como a rigidez e ductilidade. [8]
Ao longo dos anos foram desenvolvidos diversos projetos com vista à melhoria dos aços e a aplicação noutros setores da indústria, como o programa UltraLight Steel Auto Closures (ULSAC) que realizou a aplicação destes aços em portas e capots. O programa UltraLigh Steel
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Auto Body Advanced Vehicle Concepts (ULSAB – AVC) dedicou-se ao estudo, desenvolvimento e adaptação dos processos de fabrico existentes, para facilitar a utilização dos AHSS e reduzir a espessura necessária e, consequentemente, o peso do produto final. [9]
Em 2008, o WorldAutoSteel desenvolveu um novo programa designado por FutureSteelVehicle (FSV) que pretende desenvolver ainda mais os AHSS até um nível de rigidez e ductilidade superiores. Um dos principais objetivos é aumentar a resistência à tração (tensile strength - TS) dos AHSS até aos GigaPascal. [9]
Diversos programas têm sido desenvolvidos e encontram-se em execução com evoluções concretas no que respeita ao desenvolvimento dos AHSS. Assim, novos aços têm sido desenvolvidos para diversas aplicações de modo a reduzir o peso e aumentar o desempenho mecânico e, para que isso seja possível, têm sido simultaneamente desenvolvidos novos processos de manufatura e equipamentos de modo a possibilitar a utilização desses aços.
3.2- Classificação dos aços de elevada resistência – HSS (High Strength Steels)
Ao longo dos anos os aços têm sofrido grandes evoluções com comprovadas melhorias no seu desempenho. Hoje em dia podem-se identificar os aços de três formas distintas: com base na sua microestrutura; com base no valor da resistência e, por último; de acordo com as propriedades mecânicas e processos de fabrico utilizados.
Na primeira classificação pode-se considerar os aços ao nível da sua microestrutura, ou seja, com base na sua designação metalúrgica. Neste caso podem-se identificar os aços de baixa resistência (Low-Strength steels) com baixo carbono estando este distribuído intersticialmente; os aços de elevada resistência (High-Strength Steels) ou aços convencionais onde se incluem os aços de carbono e manganês, os bake hardenable e os aços de elevada resistência e baixa liga (High Strength Low Alloy –HSLA); e, por fim, os aços de muita alta resistência (Ultra-High-Strength Steels - UHSS) onde se encontram os aços avançados de elevada resistência (Advanced High Strength Steel - AHSS), como o caso dos aços bifásicos (Dual Phase - DP), dos multifásicos como os complex phase - CP e os de plasticidade induzida por transformação (Transformation induced plasticity - TRIP), os martensíticos (martensitic steel - MS), os twinning-induced plasticity e os ferríticos-bainíticos (ferritic bainitic - FB). [10]
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Numa segunda classificação, os aços são dispostos e diferenciados segundo a sua resistência. Os aços de baixa resistência (Low Stength steels - LSS) possuem uma resistência inferior a 270 MPa, enquanto os aços de elevada resistência (HSS) possuem uma resistência entre os 210 MPa e os 700 MPa. Os aços com resistência superior aos 700MPa são considerados aços de muitoalta resistência (Ultra High Stength steels - UHSS) onde se incluem os aços avançados de elevada resistência (AHSS). A distinção entre as três classificações são meramente indicativas uma vez que têm sido desenvolvidos novos aços que podem ser abrangidos por dois graus diferentes de classificação como o caso dos aços DP e TRIP que abrangem o nível dos HSS e dos UHSS.[10] [9]
O terceiro nível de classificação está relacionado com as propriedades mecânicas dos aços e processos de fabrico como o alongamento total, o coeficiente de encruamento, a resistência mecânica, a razão de elasticidade e a maleabilidade dos diferentes aços. Estes parâmetros têm uma elevada importância porque permitem conhecer a relação com outros aços e, assim, adaptar os processos de fabrico existentes para os novos tipos de aços e utilizá-los de uma maneira eficiente. Para além disso, a introdução destes parâmetros nos softwares de simulação permitem obter comportamentos muito próximos dos reais. [10] [9]
No gráfico seguinte (gráfico 1) é possível observar uma comparação entre a resistência à tração e o alongamento total para diferentes aços. Pode-se ainda verificar a divisão entre os LSS, HSS e os UHSS.
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Os aços convencionais e os aços avançados de elevada resistência (AHSS) apresentam algumas diferenças no seu comportamento mecânico relacionadas com o tipo de microestrutura de cada um. No caso dos aços convencionais, a microestrutura é monofásica, ao par que nos AHSS a microestrutura é bifásica ou multifásica. Estas diferenças permitem obter propriedades mecânicas superiores uma vez que combinam diferentes constituintes, cada um com diferentes particularidades. Por isto é que os AHSS, na maioria dos casos, possuem tensões de cedência e resistência superiores, além de uma boa capacidade de encruamento.
3.3- Aços avançados de elevada resistência – AHSS (Advanced High Strength Steel)
Os aços avançados de elevada resistência (AHSS) são aços complexos e com um processo de fabrico que controla diversas variáveis, como a composição química e a microestrutura pretendida para um determinado tipo de propriedades mecânicas. São alterados alguns parâmetros ao nível dos processos de aquecimento e estágios a determinadas temperaturas, assim como, o processo de arrefecimento que pode variar consoante a microestrutura pretendida. Estes parâmetros devidamente selecionados permitem atingir determinados níveis de resistência, ductilidade, dureza e propriedades de fadiga.
Os aços designados por AHSS podem ser considerados como uma família de aços que possuem uma resistência à tração superior aos 550 MPa. As propriedades mecânicas diferem de acordo com a sua microestrutura e com os tratamentos térmicos a que forem submetidos. Neste momento podem-se considerar os aços bifásicos (Dual Phase –DP), os aços multifásicos, onde se podem incluir os Complex Phase (CP) e os de plasticidade induzida por transformação (Transformation-Induced Plasticity – TRIP), os ferríticos-bainíticos (Ferritic-Bainitic – FB), os martensíticos (Martensitic - MS ou Mart), os Hot Formed (HF) e os Twinning-Induced Plasticity (TWIP). Estes podem ser considerados como fazendo parte da primeira e segunda geração dos aços avançados de elevada resistência utilizando-se principalmente para combater a necessidade em determinados setores da indústria com aplicações em produtos especiais onde se pretende uma notória melhoria das propriedades. Os aços DP e TRIP são comummente aplicados na indústria automóvel, nas zonas de absorção de impactos, uma vez que têm uma boa capacidade para absorver energia quando são deformados. Por outro lado, os aços
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martensíticos aplicam-se em zonas estruturais dado que possuem uma elevada resistência sendo um fator preponderante no desempenho da segurança. Atualmente efetuam-se estudos no sentido do desenvolvimento da terceira geração de AHSS com melhorias na resistência e ductilidade e, ao mesmo tempo, redução do custo dos mesmos. [9]
No gráfico seguinte (gráfico 2) é possível observar a relação entre o alongamento dos diversos materiais e a resistência à tração, sendo que os AHSS possuem um alongamento menor mas uma resistência bastante elevada, isto é, à medida que se aumenta a resistência mecânica reduz-se o alongamento total do material sendo mais difícil de o conformar. Adaptando a microestrutura é possível reduzir essa perda de ductilidade mantendo o elevado nível de resistência mecânica.
Gráfico 2 – Resistência à tração e alongamento dos aços. Adaptado de: [9]
No gráfico anterior (gráfico 2) pode-se observar num círculo a azul os aços austeníticos que possuem uma boa resistência e um boa ductilidade. Os valores de resistência destes aços são muito próximos dos aços DP e TRIP, mas, para além disso, têm com a vantagem de terem praticamente o dobro do alongamento o que facilita a sua conformação, em contrapartida têm um custo muito elevado.
Na tabela seguinte (tabela 1) apresentam-se alguns dos significados em Inglês dos acrónimos utilizados no gráfico anterior.
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Tabela 1 – Significado dos acrónimos presentes no gráfico 2 [9]
Acrónimos Designação do aço Acrónimos Designação do aço Mild Mild steel HSLA High-Strength Low-Alloy
BH Bake hardenable IF Interstitial Free
CP Complex phase MS Martensitic (MART)
DP Dual phase TRIP Transformation Induced Plasticity
FB Ferritic Bainitic TWIP Twinning-Induced Plasticity
HF Hot Formed (and quenched)
Os aços avançados de elevada resistência (AHSS) abrangem dois níveis de classificações uma vez que estes possuem três gerações de aços que se distribuem entre os aços de elevada resistência (High Strength Steels - HSS) e os aços de muito alta resistência (Ultra-High Strength Steels - UHSS) quando os valores de tensão são superiores a 780 MPa. Quando os valores de resistência são superiores a 1000 MPa, ou seja, 1 GPa podem ser classificados como aços “GigaPascal”. [9]
Posto isto, constata-se que os aços têm vindo a evoluir continuamente ao longo dos últimos anos e, cada vez mais, se verifica um desenvolvimento com a criação de novos aços e processos de fabrico que permitem a redução dos custos e a melhoria das características dos produtos. No caso deste trabalho em específico é, precisamente, pretendido a utilização de um AHSS no arco do serrote para que o seu desempenho mecânico seja superior e facilite ao seu utilizador as operações de corte de madeira ou metal.
3.4- Principais tipos de aços
Existe uma grande diversidade de aços no mercado, sendo que, a sua escolha deve ter em atenção as propriedades mecânicas pretendidas, as solicitações a que este vai ser sujeito, assim como, o processo de fabrico inerente à produção do componente. A diversidade é elevada, sendo de seguida, abordados apenas alguns dos aços pertencentes ao grupo dos aços avançados de elevada resistência (AHSS).
Os aços aqui referidos apresentam valores de resistência à tração na ordem dos 550 MPa aos 1200 MPa e uma percentagem de alongamento total entre os 5 e 30%. Em comparação com os aços convencionais, os valores de resistência são superiores, porém os valores de alongamento total são ligeiramente mais reduzidos. Esta diferença na redução do
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alongamento dificulta a conformação destes aços, isto é, apesar de terem uma boa resistência, como têm um reduzido alongamento, faz com que a percentagem possível de deformação seja reduzida e entre facilmente em rutura. Por isso, apesar de serem abordados mais alguns aços como os Complex phase (CP), os martensíticos e os ferríticos-bainíticos, os que serão mais adequados à dobragem de tubos elípticos serão os DP e os TRIP. uma vez que possuem resistência mecânica superior aos aços convencionais e possuem um alongamento maior, dentro dos aços avançados de elevada resistência (AHSS).
3.4.1 - Aços bifásicos (Dual Phase – DP)
Os aços bifásicos ou, usando o termo inglês, Dual Phase foram desenvolvidos com o objetivo de maximizar, simultaneamente, a ductilidade e a resistência mecânica dos aços. A utilização de microestruturas simples não permitia alcançar esse objetivo elaborando-se, assim, uma microestrutura complexa constituída por duas fases, isto é, uma matriz composta por 80% a 85% de ferrite poligonal macia e 15% a 20% de martensite dura. [12]
Na imagem seguinte (figura 3), é possível observar-se a distribuição da martensite ao longo da matriz de ferrite, sendo que a martensite se encontra nas fronteiras de grau da ferrite, assemelhando-se a pequenas ilhas.
Figura 3 – Distribuição da martensite na matriz ferrítica. Fonte: [9]
A microestrutura destes aços é do tipo bifásica, apresentando características morfológicas de três tipos diferentes: duplex, dispersão e em rede. Estes aços possuem caraterísticas topológicas distintas de outros aços, ao combinar as características específicas de cada tipo de morfologia como se pode observar na figura seguinte (figura 4). [12]
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Figura 4 – Esquema das três morfologias presentes nos aços DP. Fonte: [13]
Numa microestrutura duplex, a quantidade de grãos por volume das duas fases deve ser igual, de forma a permitir uma uniformização na microestrutura. Na microestrutura de dispersão a segunda fase dura (martensítica) deve ser completamente isolada da primeira fase, a de matriz macia (ferrítica), garantindo-se, assim, uma boa ductilidade e capacidade de ser conformado. Por fim, a microestrutura em rede garante que a segunda fase (martensítica) se localize nas fronteiras de grão da fase ferrítica. [13]
A microestrutura bifásica e o seu arranjo estrutural permitem que estes materiais possuam características mecânicas que proporcionem uma boa conformação.Entre as diversas características destacam-se:
- escoamento contínuo, significando que passa do comportamento elástico para o plástico de uma forma contínua;
- uma tensão de cedência a 0,2% de deformação permanente entre os 300 e 380 MPa; - um coeficiente de encruamento elevado (n), entre os 0,2 e os 0,3;
- um limite de resistência ou resistência à tração entre os 620 e os 655 MPa que é a tensão máxima que o corpo consegue suportar antes de entrar na estrição fazendo com que esta baixe;
- uma tensão elástica reduzida entre os 0,5 e 0,6;
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Na produção de aços bifásicos o material é aquecido um pouco acima da temperatura de austenitização, sendo que todo o material se encontra nessa fase. Após atingir esse ponto, pode ser arrefecido de maneira controlada, tendo por base os diagramas de fases e TAC, para que ocorra a formação de ferrite numa primeira fase e, posteriormente, um arrefecimento mais rápido para a formação de martensite. Pode-se também realizar um recozimento até a zona intercrítica, isto é, até à fase onde existe uma estabilidade da ferrite e da austenite no diagrama Fe-C, proporcionando a formação de grãos de austenite na matriz ferrítica. Esse aquecimento pode ser realizado de maneira contínua ou em intervalos de 30 segundos até chegar à zona intercrítica. Após isto, o material deve ser arrefecido rapidamente para que ocorra a formação de martensite e, ao mesmo tempo, se iniba a formação de bainite e perlite. [9] [13] [14]
A ferrite macia destes aços apresenta uma alta plasticidade, conferindo assim, uma boa ductilidade. Isto deve-se ao facto de que, quando estes são deformados, as tensões mais baixas concentram-se na ferrite de menor tensão, que se encontra à volta da martensite, criando assim, uma elevada taxa de encruamento. [9]
Os aços DP apresentam, como já foi referido, um elevado coeficiente de encruamento que, ao ser aliado à boa capacidade de alongamento, lhes fornece uma resistência à tração mais elevada, quando comparado com os aços convencionais com a mesma tensão de cedência. No gráfico seguinte, (gráfico 3) pode-se observar a curva tensão deformação de um aço HSLA, em comparação com um aço DP, sendo que ambos apresentam uma tensão de cedência semelhante. [13]
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Observa-se que os aços DP apresentam uma maior taxa de encruamento inicial, uma maior resistência à tração e uma menor relação entre a tensão de cedência e a resistência à tração que os HSLA. Estas características conferem-lhes uma boa capacidade de absorção de impactos e uma boa resistência à fadiga sendo, por isso, utilizados, normalmente, em componentes estruturais e de segurança nos automóveis. [13]
3.4.2 - Aços de plasticidade induzida por transformação (Transformation-Induced Plasticity – TRIP)
Os aços de plasticidade induzida por transformação têm sido estudados ao longo dos anos e, com isso, percebeu-se que é possível obter elevados valores de alongamento num aço austenítico. Isto, se durante o processo de deformação à temperatura ambiente ocorrer a transformação contínua de austenite em martensite, sendo que em inglês estes se designam por Transformation Induced Plasticity – TRIP. Nos últimos tempos tem-se utilizado o termo TRIP para identificar aços multifásicos que possuem uma matriz ferrítica poligonal, bainite, martensite e uma quantidade considerável de austenite retida com um volume mínimo de 5%. [12] [13]
Figura 5 – Microestrutura dos aços TRIP. Fonte: [13]
A microestrutura destes aços permite que, quando são deformados plasticamente, a austenite presente na microestrutura se transforme em martensite, aumentando, assim, a resistência mecânica, a ductilidade e, com o aumento da taxa de encruamento, resulta uma deformação plástica uniforme, isto é, conseguem deformar-se mais antes de chegar à zona de formação de pescoço. Um modo de processamento destes aços pode ser executado da seguinte maneira: um recozimento até aos 1200°C, seguindo-se um processo de têmpera; depois o material é sujeito a uma deformação na ordem dos 80% para redução de espessura, devendo
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essa ser realizada à temperatura de 450°C para deformar a austenite e precipitar carbonetos finos; após isso, sofre uma deformação plástica para redução de espessura à temperatura ambiente para transformar alguma austenite em martensite. Existem diversos métodos que podem ser aplicados para a produção de aços TRIP, sendo alguns deles, variações de outros processos. [15]
Estes aços apresentam uma elevada taxa de encruamento permitindo a absorção de uma elevada quantidade de energia, quando sujeitos a testes de impacto, comparando-os aos aços HSLA convencionais. No gráfico seguinte é possível observar o aumento da resistência devido ao encruamento e ao efeito bake hardening mais notório nos aços DP e TRIP e, praticamente nulo, no caso dos aços HSLA. [13]
Gráfico 4 - Comparação da tensão, encruamento e efeito bake hardening em três aços. Fonte: [13]
O efeito bake hardening é o resultado de um tratamento térmico que o material sofre após uma conformação inicial em que permite um aumento da tensão de cedência e de resistência à tração do material. Este comportamento do material depende das interações entre os solutos intersticiais e as discordâncias, dependendo da microestrutura de cada material.[16]
Com as propriedades que caracterizam os aços TRIP, estes são mais aplicados em peças que necessitem de uma boa capacidade em absorver energia.
Por outro lado, estes aços apresentam algumas limitações como o elevado custo da matéria-prima devido à grande quantidade de níquel, a dificuldade do controlo da composição química para ter o desempenho pretendido e o elevado custo de produção, uma vez que, as ferramentas de deformação sofrem desgaste ao longo do tempo. [15]
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Apesar do custo e de algumas limitações, os aços TRIP, possuem características mecânicas que contrabalançam com as limitações apresentadas, uma vez que a austenite retida na microestrutura destes aços permite que, quando submetidos a forças de impacto, absorvam uma elevada quantidade de energia, sendo, por isso, utilizados em zonas que têm que suportar elevados impactos.
3.4.4 - Complex phase – CP
Os aços designados por complex phase representam a transição entre os aços TRIP e os de muito alta resistência (UHSS), possuindo estes uma elevada resistência à tração. A sua microestrutura é multifásica, semelhante à dos aços TRIP, mas não possuem austenite retida, o que garante maiores valores de resistência mecânica e menor ductilidade. Essa fase é constituída por outras mais duras, permitindo atingir limites de resistência na ordem de 800 a 1000 MPa consoante a percentagem de bainíte, ferrite e martensite, sendo que, a quantidade de bainite é superior, cerca de 80% a 90% em relação aos outros dois, que podem ter entre os 5% a 10% cada um. [12] [9]
Comparando estes aços com os DP, estes possuem uma tensão de cedência consideravelmente mais elevada para o mesmo tipo de resistência à tração na ordem dos 800 MPa ou superior. Estes são caracterizados por possuírem uma boa capacidade de absorver energia e boa deformação residual, uma vez que, quando são submetidos a esforços, são capazes de se deformar bastante antes de chegarem à rutura, voltando à sua posição inicial à medida que a energia se dissipa. [9]
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3.4.5 - Aços martensíticos (Martensitic - MS ou Mart)
Os aços martensíticos têm uma microestrutura com uma matriz martensítica, com pequenas quantidades de ferrite e/ou bainite. Para a formação destes aços, a austenite, durante o processo de laminagem a quente, ou através de um tratamento de recozimento, vai-se transformando em martensite, à medida que o material vai sendo arrefecido continuamente durante um intervalo de tempo pré-estabelecido através dos diagramas TAC ou, então, este pode sofrer uma posterior têmpera seguida de um arrefecimento rápido possibilitando a formação de martensite. [17]
No grupo dos aços multifásicos, os martensíticos caracterizam-se por possuir uma elevada resistência à tração, sendo que, quanto maior a quantidade de martensite maior será a dureza e menor a ductilidade. As propriedades destes aços podem ser melhoradas com uma pós-têmpera, de modo a melhorar a ductilidade e a facilidade de conformação mantendo na mesma uma tensão elevada. A variação da percentagem de carbono e de outros constituintes faz variar as propriedades destes aços. O carbono aumenta a capacidade de endurecimento e reforça a martensite, à medida que se aumenta o carbono passa-se de uma martensite massiva para uma mista, até chegar a acicular. Alguns componentes como o manganês, silício, crómio, entre outros, são usados para aumenta a temperabilidade, ou seja a capacidade de se obter martensite durante o tratamento térmico de têmpera. [9]
Figura 7 – Imagem microscópica de um aço martensítico. Fonte: [18]
3.4.6 - Ferrítico-Bainítico - FB
Os aços ferríticos-bainíticos possuem uma microestrutura de ferrite fina e de bainíte. A sua estrutura permite um melhor desempenho nos ensaios de fadiga, uma taxa de encruamento mais elevada e uma taxa de alongamento total superior, quando comparados com os aços
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HSLA. Para além disso estes apresentam boa soldabilidade. A bainite proporciona boas características de ductilidade e tenacidade uma vez que apresenta um menor número de locais onde ocorre a concentração de tensões e deformações. Considerando um aço ferrítico-bainítico com 10 a 15% de bainite este terá uma tensão de cedência entre os 450 e 550 MPa e uma resistência à tração entre os 550 e 650 MPa. A razão elástica será menor ou igual a 85% e um alongamento total mínimo de 25%. [12]
Figura 8 – Imagem microscópica de um aço FB. Fonte: [9]
3.5- Retorno elástico
O retorno elástico é um comportamento típico dos materiais, que se caracteriza pela tendência do material recuperar a forma original. Isto é, quando um componente é conformado é aplicada uma força elevada que obriga a que este se deforme, de acordo com a matriz que vai dar a forma final ao componente. No momento em que a força deixa de atuar sobre o componente, este tende a voltar à sua posição original, designando-se essa recuperação por retorno elástico. Este é bastante notório na dobragem de chapas e, durante anos, têm sido estudadas técnicas para eliminar a estrição e o rompimento do material quando este é deformado.
Nos dias de hoje para além da qualidade/propriedades do material na zona da dobra, o rigor dimensional e geométrico tem uma elevada importância na indústria, de modo a que o produto final seja exatamente o previsto e realizado com o menor número de etapas, evitando-se assim, futuras operações de ajuste e, consequentemente, custos mais elevados. Pode-se verificar a existência de retorno elástico na dobragem de chapas, utilizando-se prensas hidráulicas e outros equipamentos, como as quinadoras, mas também no fabrico de tubos com costura, dado que estes partem da deformação de uma chapa, que é deformada de modo a se
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obter uma secção circular. Os dois lados opostos da tira de chapa têm de ficar unidos e, para isso, é necessário que a pressão sobre a chapa seja mantida durante o processo de soldadura porque, caso contrário, esta sofrerá retorno elástico impossibilitando a soldadura. Relativamente ainda aos tubos, quando estes são dobrados, devido ao retorno elástico, têm que ser ligeiramente dobrados acima do ângulo pretendido para que após a recuperação elástica tenham o ângulo pré-estabelecido. Muitas empresas, para contornar/evitar o retorno elástico, realizam processos de compensação baseados em alguns procedimentos conhecidos e na experiência adquirida ao longo dos anos, obtida muitas vezes através da tentativa e erro. Nesta abordagem inicial relativa ao retorno elástico são apresentados alguns tipos de retorno elástico mais visualizados para o caso da dobragem de chapas, mas que serve de introdução para a compreensão do fenómeno de retorno elástico dos materiais e na dobragem de tubos.
As propriedades mecânicas dos aços interferem no retorno elástico verificado aquando da deformação. Quando a força exterior que provoca a deformação deixa de atuar, estes tendem a voltar à sua posição inicial devido às tensões residuais elásticas no seu interior. É de realçar que os aços com valores de resistência superiores apresentam um maior retorno elástico. [19]
Os aços AHSS, devido à sua microestrutura, apresentam um maior fluxo de tensões resultantes da elevada resistência e do encruamento, criando assim, maiores tensões residuais elásticas nas peças, dificultando o processo de deformação plástica, uma vez que o material vai ter maior tendência de voltar à sua forma inicial. Para além disso, e, em resultado das melhores propriedades mecânicas, é possível reduzir a espessura do material, fazendo com que seja mais difícil manter a forma do componente após a conformação. É, então, necessário analisar os processos de fabrico existentes de modo a adaptá-los para a utilização destes aços. [9]
3.5.1 - Origem do retorno elástico
O retorno elástico, como já foi referido, verifica-se quando é aplicada uma determinada força através de uma ferramenta sobre uma chapa, força essa que irá provocar uma deformação no material. Após a atuação dessa força, a ferramenta recua e verifica-se que o material acompanha esse recuar no sentido da sua forma anterior, designando-se esse movimento por retorno elástico. A dimensão da recuperação variará conforme o material que está a ser
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conformado. No gráficode tensão deformação (gráfico 5), pode-se observar o retorno elástico de um aço de alta resistência e de um aço convencional - HSS.
Gráfico 5 - Gráfico comparativo do retorno elástico de um aço de alta resistência e um aço tradicional. Adaptado de: [18]
No gráfico observa-se que em ambos os aços é aplicada uma tensão tanto maior, quanto maior a tensão de cedência, de modo a entrar no domínio plástico. Os dois aços são deformados até se atingir um nível igual de deformação (ponto C). Quando este é atingido, todas as forças externas são removidas o que se observa no ponto A. A diferença de deformação entre o ponto C e B é o retorno elástico do aço de alta resistência e entre o ponto B e O é a deformação permanente (plástica). No caso do aço convencional verifica-se um menor retorno elástico e, consequentemente, uma maior deformação plástica.
O grau de retorno elástico dos materiais está dependente de diversas propriedades mecânicas como o encruamento, o módulo de elasticidade, a resistência do material, da geometria do componente e da ferramenta, dos níveis de distribuição das tensões e deformação, e de parâmetros de processo como a pressão exercida, o tipo de lubrificação, o tempo de conformação, entre outros. Caso a geometria, o tipo de componente que se está a conformar, ou a própria ferramenta de conformação, não permitirem o relaxamento completo das tensões elásticas criadas no momento de deformação durante a remoção da carga aplicada, vai fazer com que o componente fique com tensões residuais. De modo a combater essas tensões, o componente tende a aliviá-la, alterando a sua forma e, assim não se obtém a peça com as dimensões pretendidas. Sendo assim, é necessário criar padrões geométricos que permitam
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uma distribuição mais uniforme das tensões residuais ao longo de toda a espessura da peça. [12, 20]
Como já foi referido, o material quando deixa de estar sobre a ação da ferramenta que provoca a deformação tende a voltar à sua posição inicial. Na figura seguinte (figura 9) é possível verificar esse comportamento numa chapa dobrada, onde t é a espessura, α₁ é o ângulo de dobragem pretendido e até onde a chapa foi dobrada, α₂ o ângulo obtido após o retorno elástico, r₁ o raio antes do retorno elástico e, por último, r₂ o ângulo obtido. A partir deste esquema (figura 9) pode-se perceber que é necessário possuir algum conhecimento sobre o comportamento do material para reajustar os equipamentos de forma a compensar o retorno elástico. Podendo-se optar por, por exemplo, dobrar o material mais do que o necessário tendo em conta o retorno elástico do mesmo e, assim, obter a forma pretendida. [10]
Figura 9 – Esquema do retorno elástico de uma chapa. Fonte: [10]
Como os aços AHSS possuem valores de resistência superiores, quando comparados com os aços HSLA, vão sofrer maior retorno elástico.
3.5.2 - Tipos de retorno elástico
No que diz respeito ao retorno elástico dos componentes conformados, estes podem ser de três modos diferentes: alteração angular, curvatura da parede e torção. Para o estudo do retorno elástico utiliza-se um perfil em canal que permite observar estes três tipos de retorno elástico.
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3.5.2.1 - Alteração angular
A alteração angular é considerada quando o perfil de uma parede dobrada ou embutida se desvia do perfil original da ferramenta, isto é, a linha de dobra se desvia da linha da ferramenta quando esta é removida. Pode ser observada, uma representação esquemática do efeito da alteração angular e curvatura da parede, na figura 10.
Figura 10 – Efeito da alteração angular e curvatura da parede. Adaptado de: [9]
Quando a ferramenta exerce pressão sobre o material, obrigando-o a deformar-se plasticamente, este fica com uma diferença de tensões ao longo da espessura da chapa. Essa diferença de tensões na direção da espessura do material cria um momento de flexão no raio de curvatura e, assim que o material é aliviado da ação do punção, ocorre a alteração angular. Deve-se, por isso, tentar eliminar ou reduzir o momento de flexão ao longo da parede criando ferramentas que permitam o relaxamento de tensões de modo a reduzir este efeito. [12]
Na figura 10 é possível constatar-se que os AHSS apresentam um maior valor de alteração angular, quando comparados com os aços convencionais – HSLA.
3.5.2.2 - Curvatura da parede
Verifica-se a existência de curvatura da parede quando uma chapa é conformada sobre uma matriz ou por ação de um punção, sendo que este efeito de curvatura é notório, por exemplo, nas paredes laterais de um perfil em canal. A causa deste comportamento por parte do material é a distribuição não uniforme de tensões ao longo da espessura da peça. Esta deformação nas paredes pode fazer com que a peça se torne inutilizável uma vez que, não vai cumprir as tolerâncias geométricas pretendidas e, para além disso, caso seja necessário realizar
