Apres06d6 Processos de Laminacao IFES marcelolucas

3.5 ENSAIO DE TORÇÃO

O ensaio de torção pode ser utilizado para diversas aplicações em engenharia e em estudos teóricos do escoamento plástico.

Esses ensaios são utilizados para determinar propriedades mecânicas como módulo de elasticidade em cisalhamento, tensão de escoamento em torção e módulo de ruptura.

São importantes para determinar as propriedades de materiais submetidos a esforços de torção como eixos, brocas e rodas(DIETER, 1981).

O Ensaio de Torção consiste na aplicação de uma carga rotativa em um corpo-de-prova geralmente cilíndrico, onde mede-se o ângulo de deformação como função do momento torsor aplicado (HIBBELER, 2000).

Ao submeter uma barra metálica cilíndrica à torção, o momento torsor é oposto pelas tensões cisalhantes na seção transversal da barra.

A tensão cisalhante é máxima na superfície da amostra diminuindo até atingir o valor zero no centro da barra.

A tensão cisalhante é calculada através da equação 3.14 (DIETER, 1981):

J

.r

M

τ

t

c

=

onde c é a tensão cisalhante (kgf/mm2), M_t é o momento torsor (kgf.mm), r é o raio (mm), J é o momento de inércia polar (mm4_{) dado por:}

32

πD

Sabendo que a tensão cisalhante é máxima na superfície da barra, então a tensão cisalhante máxima é (DIETER, 1981):

3 t 4 t máx

πD

16M

32

πD

2

D

M

τ

=

=

Para se calcular a deformação aplicada, é necessário conhecer o ângulo de torção, expresso em radianos.

A deformação cisalhante é dada por (DIETER, 1981):

L

rθ

γ =

onde  é a deformação cisalhante, r o raio da amostra (mm),  é o ângulo de torção e L o comprimento da amostra (mm).

No regime elástico, a tensão de cisalhamento é proporcional à deformação de cisalhamento, de forma similar ao módulo de elasticidade que caracteriza a relação entre tensão e deformação para o ensaio de tração.

Dessa forma a tensão de cisalhamento no interior de um eixo é dada por (HIBBELER, 2000):

Gγ

τ =

onde G é o módulo de elasticidade em cisalhamento (kgf/mm2).

No caso de materiais isotrópicos, os módulos de elasticidade e de elasticidade em cisalhamento estão relacionados entre si com o coeficiente de Poisson (n).

O módulo de elasticidade pode ser expresso segundo a equação (CALLISTER, 2008):

(

1

n

)

2G

3.5.1 Ensaio de Torção a Quente

O ensaio de torção a quente contribui para o estudo de estruturas metalúrgicas produzidas em processos como a laminação.

Através do controle adequado da temperatura e da taxa de deformação é possível reproduzir, em escala laboratorial, o processo de laminação.

Uma vez que o corpo de prova não está sujeito ao empescoçamento, é possível realizar o ensaio até grandes deformações plásticas (DIETER, 1981; BORATTO, et al., 1989).

Nestes ensaios pode-se variar e controlar as taxas de deformação, a deformação, a temperatura e o tempo de espera entre passes.

Dessa forma é possível reproduzir os processos de pré-aquecimento, deformação e taxas de resfriamento próximas às do processamento de laminação (BORATTO, et al., 1987).

Os resultados obtidos através do ensaio correspondem aos valores do torque e do ângulo medidos.

A tensão equivalente e a deformação equivalente são calculadas através das expressões (SICILIANO, 1999):

(

3

m

n

)

2π

3

δ

σ

=

+

+

R

3

L

Rθ

ε

=

Onde δ é o torque aplicado, R é o raio útil do corpo de prova, L é o comprimento útil do corpo de prova, θ é o ângulo de rotação e,

m e n correspondem à sensibilidade do material à taxa de deformação e ao encruamento, respectivamente.

O valor de m+n pode ser considerado 0,3 (SICILIANO, 1999).

Utilizando essas equações pode-se traçar as curvas de tensão equivalente

versus deformação equivalente e, estudar os fenômenos metalúrgicos que

caracterizam o comportamento mecânico do material.

Diferentes tipos de ensaios podem ser realizados em uma máquina de torção a quente

3.6 TIPOS DE TESTES DE TORÇÃO A QUENTE

Nesta seção são discutidos os três tipos de testes e o que é esperado de cada um deles.

Cada tipo de teste permite encontrarmos determinados parâmetros que depois são comparados aos valores encontrados na literatura.

OS PRINCIPAIS PARÂMETROS ESTUDADOS SÃO: ➢ temperatura de não recristalização da austenita;

➢ temperatura de início e fim da transformação austenítica; ➢ tensão e deformação de pico;

➢ tensão e deformação crítica; ➢ tensão no estado estacionário e; ➢ fração de amaciamento.

3.6.1 Ensaio de Torção com Múltiplas Deformações em Resfriamento Contínuo

Com esse tipo de ensaio é possível determinar as temperaturas críticas de processamento, ou seja:

➢ Temperatura de não recristalização da austenita (Tnr) e

➢ Temperaturas de início e fim de transformação (Ar3 e Ar1) (TASCA, 2013;

Na figura 3.19 (a) estão ilustradas curvas típicas de ensaios de torção com múltiplas deformações em resfriamento contínuo (SOLHJOO e EBRAHIMI, 2010).

Figura 3.19 – (a) Exemplo de curvas típicas de ensaios de torção com múltiplas deformações em resfriamento contínuo, (b) Tensão de Escoamento Média versus o inverso da temperatura.

(a) _(b)

Para análise das curvas é utilizada a tensão média de escoamento (TEM) que é definida como a área sob a curva tensão versus deformação.

A TEM pode ser calculada pela equação (SOLHJOO e EBRAHIMI, 2010):



−

=

σdε

ε

ε

1

TEM

Na figura 3.19 (b) é mostrado um exemplo da curva TEM versus o inverso da temperatura em Kelvin que é utilizada para determinar a temperatura de não recristalização da austenita (Tnr).

No gráfico da figura 3.19 (b) verifica-se uma reta a altas temperaturas onde ocorre a recristalização da austenita, pois o aumento da tensão é devido somente a diminuição da temperatura e outra reta em temperaturas mais baixas, com uma inclinação maior que a primeira, pois o aumento da tensão é devido ao encruamento e também a diminuição da temperatura, pois não ocorre à recristalização da austenita.

A Tnr é definida na interseção dessas duas retas (SOLHJOO e EBRAHIMI,

Figura 3.20 - Gráfico da tensão média de fluxo versus 1000x1/T para diferentes temperaturas de deformação em um aço HTP.

3.6.2 Ensaios Isotérmicos

Esse tipo de ensaio fornece dados sobre o comportamento mecânico do material, parâmetros como deformação de pico e deformação crítica podem ser determinados (MARQUES, 2012).

A deformação de pico (εp) corresponde à deformação na tensão de pico (σp)

(PADILHA e SICILIANO, 2005).

Curvas típicas de ensaios isotérmicos para diferentes taxas de deformação podem ser vistas na figura 3.21.

É observado que as curvas apresentam um pico de tensão e em seguida seu valor diminui gradualmente até um estado estacionário o que caracteriza ocorrência de recristalização dinâmica, com exceção das curvas a 900ºC, onde ocorre somente recuperação dinâmica (SHABAN e EGHBALI, 2010).

Figura 3.21: Curvas típicas de ensaio de torção isotérmico para diferentes taxas de deformação.

Como pode ser visto na figura 3.21 as curvas tensão versus deformação tendem a se deslocar para baixo com o aumento da temperatura. Já com o aumento da taxa de deformação as curvas se deslocam para cima e para direita.

O valor da deformação crítica (εc) pode ser determinado através da curva Taxa

de Encruamento (θ) versus Tensão Equivalente (σ). A taxa de encruamento (θ) é definida pela derivada da tensão em relação a deformação (dσ/dε).

O ponto de inflexão dessa curva representa o ponto em que a curva tensão

versus deformação sai do comportamento em que só ocorre a recuperação

Na curva θ x σ no ponto onde a taxa de encruamento é igual a zero, corresponde a tensão de pico (σp) e o ponto de inflexão da curva indica a

tensão crítica (σc) para o início da recristalização dinâmica.

Com o valor da tensão crítica volta-se a curva σxε e obtém-se a deformação crítica (PADILHA e SICILIANO, 2005; SHABAN e EGHBALI, 2010). Isso pode ser visualizado na figura 3.22.

Através de outro tipo de curva, derivada da taxa de encruamento em função da tensão (dθ/dσ) x Tensão Equivalente (σ), também pode-se determinar mais precisamente o valor da deformação crítica (εc).

O ponto máximo (pico) dessa nova curva representa a tensão crítica (σc), que é

usada para determinar a deformação crítica (εc) por correspondência na curva

de escoamento plástico (σxε) (SHABAN e EGHBALI, 2010).

Na figura 3.23 tem-se exemplos dos dois tipos de curvas, taxa de encruamento

versus tensão equivalente (θxσ) e derivada da taxa de encruamento versus

Figura 3.22 - Determinação da deformação crítica. (a) deformação crítica correspondente ao ponto onde a curva sai do comportamento onde ocorre apenas recuperação dinâmica. (b) ponto de inflexão correspondente a tensão crítica, σc.

Figura 3.23 – (a) Exemplo de curvas de taxa de encruamento x tensão, (b) E suas respectivas curvas de derivadas da taxa de encruamento em função da tensão para um aço microligado ao Nb-Ti deformado por torção a quente em diversas temperaturas e taxas de deformação.

3.6.3 Ensaios Isotérmicos com Dupla Deformação

Esse tipo de ensaio é utilizado para investigar os fenômenos metalúrgicos que ocorrem no intervalo entre passes durante a conformação mecânica (TASCA, 2013; MARQUES, 2012).

Nesses ensaios os testes são interrompidos após a primeira deformação mantendo-se a amostra na mesma temperatura por diferentes intervalos entre passes (tip), em seguida os corpos de prova são deformados com deformação

idêntica a anterior (MARQUES, 2012).

Na figura 3.24 são mostradas curvas típicas de ensaios isotérmicos com dupla deformação.

Figura 3.24 - Curvas de escoamento plástico obtidas em ensaio com duas deformações

3.6.3.1 Método para Cálculo da Fração de Amaciamento

Os ensaios interrompidos com duas deformações permitem determinar a fração de amaciamento que ocorre no intervalo entre passes, calculando-se o parâmetro de amaciamento (PA), como mostrado na equação 3.23 (TASCA, 2013; MARQUES, 2012):

( )

x100

σ

σ

σ

σ

%

PA













−

−

=

Onde σm é a tensão na primeira interrupção do teste, σ0 é a tensão de início de

escoamento plástico na primeira deformação e σr a tensão na segunda

3.6.3.2 Método para determinar o Limite de Escoamento

A determinação do limite elástico e do limite de proporcionalidade, a fim de se identificar o final da zona elástica de um material, pode ser feita por carregamentos e descarregamentos sucessivos do corpo de prova até que seja alcançada uma carga que provoque uma deformação permanente, ou uma tensão onde a deformação deixa de ser proporcional a ela.

Esse processo é muito trabalhoso e depende da precisão do extensômetro e da máquina de ensaio, portanto não fazem parte dos métodos de rotina (SOUZA, 1982).

O método utilizado neste trabalho é conhecido como limite elástico aparente ou limite Johnson, que pode substituir o limite elástico ou o limite de proporcionalidade devido sua determinação relativamente fácil.

Na figura 3.25 o ponto A corresponde à tensão na qual a velocidade de deformação é 50% maior do que na origem, ou seja, é a tensão onde a inclinação da tangente à curva, no ponto A, é 50% menor que a inclinação da reta inicial OD.

Um processo para determinar o ponto A é traçar uma reta FD fora da curva, onde FD = 1,5 FE, no qual o ponto E está na continuação da reta da zona elástica. O ponto A é o ponto de tangência à curva da reta MN paralela a OD (SOUZA, 1982).

Para o cálculo do limite elástico pelo método Johnson vamos considerar a figura 3.25, onde o ponto O corresponde a origem e o ponto A corresponde ao limite elástico.

Considere θ0 o ângulo entre a reta OE e o eixo da deformação (ε), e θA o ângulo

entre a reta OD ou MN e o eixo da deformação (ε). As retas OD e MNsão

Figura 3.25 – Determinação do limite Johnson.

Fonte: SOUZA, 1982. Na figura 3.25 temos:

1,5FE

=

Por trigonometria temos FE= cotan θ0.OFe FD = cotan θA.OF, portanto:

1,5.cotan θ0 = cotan θA  A 0 tanθ 1 tanθ1,5 =  A 0

tanθ

.tanθ

3

2

₌

Sendo θ0 = θmáx, a tangente no limite elástico é obtida por:

máx A

.tanθ

3

2

máx A

.E

3

2

E

=

Dessa forma fica definido que o limite Johnson é igual a dois terços do módulo de elasticidade máximo (TASCA, 2013).

4 MATERIAIS E MÉTODOS

Nessa seção será feita uma descrição do material trabalhado e serão descritos os procedimentos realizados nos ensaios de torção a quente para avaliação do comportamento termomecânico do aço estudado.

4.1 MATERIAL

O material utilizado no trabalho foi um aço API 5L X80 (com alto Nb) produzido no Laminador de Tiras a Quente da ArcelorMittal Tubarão.

A amostra foi doada pela TSA (Tubos Soldados do Atlântico). A composição química do aço estudado encontra-se na tabela 4.1.

Tabela 4.1 - Composição Química do aço API 5L X80.

Elementos (% em Peso)

C Si Mn P S Al N Nb Ti Ca

< 0,10 < 0,30 < 1,70 < 0,018 < 0,005 < 0,050 < 0,0100 ~0,09 < 0,030 < 0,0050

4.2 CORPOS DE PROVA

Os corpos de prova foram usinados a partir de uma chapa de 15,88 x 1.500 x 500 mm, com diâmetro útil de 5 mm e comprimento útil de 20 mm, conforme representado na figura 4.1.

O dimensionamento dos corpos de prova foram otimizados para atender a capacidade de máximo torque do equipamento de torção e obter maiores taxas de deformação.

Figura 4.1 - Desenho Esquemático do Corpo de Prova, valores em mm.

4.3 EQUIPAMENTO UTILIZADO NOS ENSAIOS DE TORÇÃO A QUENTE

Os ensaios de torção a quente foram realizados em uma máquina horizontal de torção a quente INSTRON, modelo 55MT do laboratório de conformação mecânica do IFES.

A máquina está conectada a um microcomputador que, via “software”, permite aquisição dos dados e controle do processo de torção, fornecendo resultados na forma de gráfico momento torsor x ângulo de rotação.

A velocidade de rotação do equipamento varia de 0 a 120 rpm e os esforços são medidos por uma célula de carga que possui capacidade máxima de leitura de 22Nm.

De um lado o eixo torsor da máquina é composto pelos dispositivos responsáveis pelo movimento de rotação, sistema de freio e leitura do ângulo de rotação e do outro lado está localizado a célula de carga que é responsável pela leitura do momento torsor.

Os corpos de prova foram aquecidos utilizando-se um forno de indução INDUCTOTHERM, com potência máxima de 10KW e capacidade de aquecimento de até 1600ºC.

A temperatura foi monitorada com a utilização de um termopar do tipo K (Cromel-Alumel) que foi inserido em um furo na extremidade do corpo de prova localizado logo após a seção útil.

Para evitar a corrosão, as amostras foram mantidas em um tubo de quartzo com passagem contínua de gás Argônio durante o aquecimento.

O tubo de quartzo também permite a injeção de gás CO2, responsável pelo

tratamento de têmpera dos corpos de prova sem a necessidade de retirá-los da máquina de torção.

Figura 4.2 - Máquina de Torção a Quente do IFES. (a) Detalhes da montagem do corpo de prova e termopar. (b) Bobina indutora, tubo de quartzo e fluxo de gases. (c) Visão geral da máquina de torção, forno de indução, cilindro de gases e computador.

4.5.1 Ensaio com múltiplas deformações em resfriamento contínuo

Através desse ensaio é possível determinar as temperaturas críticas de processamento, Tnr, Ar3 e Ar1.

Nesse ensaio, o corpo de prova foi aquecido até a temperatura de encharque de 1240ºC, a uma taxa média de 3ºC/s, e mantido nesta temperatura por um tempo de 3 minutos.

Em seguida o corpo de prova foi resfriado continuamente, a uma taxa de 1ºC/s e sofreu deformações constantes de 0,2, a uma taxa de deformação de 0,2s-1

com as temperaturas variando de 1170ºC até 600ºC em intervalos de 30ºC, mantendo-se o tempo de espera de 30s entre as deformações. Na figura 4.5 é possível observar esquematicamente o ciclo termomecânico do ensaio.

Figura 4.5 – Representação esquemática de uma sequência de deformações realizadas no ensaio de torção a quente em resfriamento contínuo.

Na tabela 4.2 é possível observar as condições aplicadas ao ensaio com múltiplas deformações em resfriamento contínuo.

Tabela 4.2 – Condições aplicadas ao ensaio de torção em resfriamento contínuo. Passe Temperatura (ºC) Deformação Aplicada Tempo entre passes (s)

1 1170 0,2 - 2 1140 0,2 30 3 1110 0,2 30 4 1080 0,2 30 5 1050 0,2 30 6 1020 0,2 30 7 990 0,2 30 8 960 0,2 30 9 930 0,2 30 10 900 0,2 30 11 870 0,2 30 12 840 0,2 30 13 810 0,2 30 14 780 0,2 30 15 750 0,2 30 16 720 0,2 30 17 690 0,2 30 18 660 0,2 30 19 630 0,2 30 20 600 0,2 30

4.5.2 Ensaios isotérmicos

Através deste ensaio é possível traçar as curvas de escoamento plástico, onde podemos avaliar o comportamento mecânico do material variando alguns parâmetros de processo, como temperatura e taxa de deformação.

Utilizando as equações 3.20 e 3.21 é possível traçar as curvas Tensão equivalente x Deformação equivalente, onde são identificadas a tensão de pico (σp) e a tensão no regime estacionário (σss).

Os corpos de provas foram aquecidos até a temperatura de encharque de 1240ºC, a uma taxa média de 3ºC/s, e mantido nesta temperatura por um tempo de 3 minutos.

Em seguida os corpos de provas foram resfriados a uma taxa de 1ºC/s até a temperatura de ensaio e mantidos nessa temperatura por 1 minuto para eliminação dos gradientes térmicos antes do início da deformação.

Com o objetivo de verificar o comportamento do material em relação a temperatura primeiramente foram realizados ensaios variando a temperatura para uma mesma taxa de deformação.

Os ensaios foram realizados a temperaturas de 1.150ºC, 1.100ºC, 1.000ºC, 950ºC e 850ºC, taxas de deformação de 0,2 s-1 _{e deformação máxima de 3.}

Para estudar o comportamento do material em relação a taxa de deformação foram realizados ensaios na temperatura de 1.150ºC e taxas de deformação de 0,2-1; 0,4-1; 0,8-1 com deformação máxima de 3.

Na figura 4.6 é possível observar esquematicamente o ciclo termomecânico do ensaio.

Figura 4.6 – Representação esquemática do ciclo termomecânico utilizado nos ensaios isotérmicos.

Na tabela 4.3 é possível observar as condições aplicadas aos ensaios isotérmicos.

Tabela 4.3 – Condições aplicadas aos ensaios isotérmicos. Temperatura (ºC) Taxa de Deformação (s-1₎ Deformação 1150 0,2 3 1150 0,4 3 1150 0,8 3 1100 0,2 3 1000 0,2 3 950 0,2 3 850 0,2 3 Fonte: O Autor.

4.5.3 Ensaios isotérmicos com duas deformações

Através desse ensaio é possível avaliar os fenômenos metalúrgicos que ocorrem nos intervalos entre passes durante um processamento termomecânico (TASCA, 2013).

Os corpos de provas foram interrompidos após uma deformação, foram mantidos na mesma temperatura em diferentes intervalos de tempo e em seguida foi aplicada a segunda deformação de mesma intensidade que a primeira.

Foram realizados ensaios com deformação abaixo da deformação critica (ε=0,1) para início do processo de recristalização dinâmica e com deformação (ε=0,4) acima da deformação crítica.

Os corpos de provas foram aquecidos até a temperatura de encharque de 1240ºC, a uma taxa média de 3ºC/s, e mantido nesta temperatura por um tempo de 3 minutos.

Em seguida os corpos de provas foram resfriados a uma taxa de 1ºC/s até a temperatura de ensaio e mantidos nessa temperatura por 1 minuto para eliminação dos gradientes térmicos antes do início da deformação.

A temperatura de ensaio foi de 1.150ºC e o intervalo entre passes de 1, 5 e 40s. Em seguida as amostras foram resfriadas rapidamente com CO2 para

Na figura 4.7 é possível observar esquematicamente o ciclo termomecânico do ensaio.Figura 4.7 – Representação esquemática do ciclo termomecânico utilizado nos ensaios de torção com duas deformações.

Na tabela 4.4 é possível observar as condições aplicadas aos ensaios isotérmicos com duas deformações.

Tabela 4.4 – Condições aplicadas aos ensaios isotérmicos com duas deformações. Temperatura (ºC) Taxa de Deformação (s-1₎ Primeira Deformação Tempo entre passes (s) Segunda Deformação 1150 0,1 0,1 1 0,1 1150 0,1 0,1 5 0,1 1150 0,1 0,1 40 0,1 1150 0,1 0,4 1 0,4 1150 0,1 0,4 5 0,4 1150 0,1 0,4 40 0,4 Fonte: O Autor.

Fonte: MACHADO e TASCA, 2013 (adaptado).