Gerência de Ensino
Coordenadoria de Recursos Didáticos
CONFORMAÇÃO
DOS
METAIS
FUNDAMENTOS E APLICAÇÃO
Vitória - Março - 2008
CONFORMAÇÃO
DOS
METAIS
FUNDAMENTOS E APLICAÇÃO
Autor:
MARCELO LUCAS PEREIRA MACHADO
Engenheiro Metalurgista – UFF – RJ
Doutor em Engenharia Elétrica/Automação – UFES
Mestre em Engenharia Metalúrgica – PUC-RJ
Pós-Graduado em Educação/Aperfeiçoamento em Conteúdos Pedagógicos - UFES
Professor dos Cursos de Mestrado em Engenharia Metalúrgica e de Materiais,
Engenharia Metalúrgica e Tecnólogo em Siderurgia, do Instituto Federal de
Educação Ciência e Tecnologia do Estado do Espírito Santo – IFES
SUMÁRIO
1 - CONFORMAÇÃO DOS METAIS...7
1.1 - CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS DE FABRICAÇÃO ...7
1.2 - CARACTERíSTICAS DOS PROCESSOS DE FABRICAÇÃO ...7
1.3 - PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO DE METAIS NA FABRICAÇÃO ...10
1.4 - VARIÁVEIS, CLASSIFICAÇÃO E DESCRIÇÃO DOS PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO DE METAIS...11
1.5 - CONFORMAÇÃO DE METAIS COMO UM SISTEMA ...13
1.6 - CARACTERIZAÇÃO DO MATERIAL ...14
1.7 - EQUIPAMENTO E FERRAMENTAL ...15
1.8 - CLASSIFICAÇÃO E BREVE DESCRIÇÃO DOS PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO ...17
1.9 – REVISÃO DE ESTRUTURA CRISTALINA ...19
1.9.1- Cristalinidade...19
1.9.2 - Sistemas cristalinos...20
1.9.3 - Cristais cúbicos. ...21
1.9.4 – Cristais hexagonais. ...24
1.9.5 - Outros retículos cristalinos. ...26
1.9.6 - Direções no cristal. ...26
1.9.7- Planos cristalinos...27
1.9.8- Imperfeiçoes cristalinas ...29
1.9.9 - Deformação plástica...36
2 - FORJAMENTO...41
2.1 - DEFINIÇÃO ...41
2.2- CLASSIFICAÇÃO...42
2.2.1- Temperatura de trabalho ...42
2.3 - GRAU DE RESTRIÇÃO AO FLUXO DE METAL ...44
2.3.1 - Forjamento livre (matriz aberta) ...44
2.3.2 - Forjamento em matrizes fechadas ...44
2.3.3 - Forjamento a quente em matriz aberta ...45
2.3.4 - Forjamento a quente em matrizes fechadas ...47
2.3.6 - Equipamentos para forjamento ...51
3 - EXTRUSÃO...56
3.1 - GENERALIDADES ...57
3.2 - CLASSIFICAÇÃO...57
3.2.1 – Quanto a temperatura de trabalho...57
3.2.2 – Quanto as dimensões do produto...59
3.2.3 – Quanto ao sentido de deslocamento do pistão...60
3.2.4 - Outros processos de extrusão...62
3.3 - EQUIPAMENTOS DE EXTRUSÃO ...63
3.4 - PARÂMETROS FÍSICOS ...65
3.5 - DEFEITOS DA EXTRUSÃO ...66
4 - TREFILAÇÃO...69
4.1 – CLASSIFICAÇÃO DOS PRODUTOS TREFILADOS...72
4.2 - MECÂNICA DA TREFILAÇÃO ...72
4.3 - FIEIRA...73
4.4 - CÁLCULO DE CARGA NA TREFILAÇÃO ...77
4.5 - TREFILAÇÃO DE VERGALHÕES E ARAMES ...78
4.6 - TRATAMENTOS TÉRMICOS ...81
4.7 - MÁQUINAS DE TREFILAR INDUSTRIAIS ...82
4.7.1 - Máquina de Trefilar em Série ("Tandem"), com Deslizamento...82
4.7.2 - Máquina de trefilar cônica, com deslizamento...83
4.7.3 - Máquina de trefilação de 3 sarihos (Morgan) ...85
4.7.4 - Máquinas de trefilar em série, sem deslizamento ...86
5 - LAMINAÇÃO ...88
5.1 - DEFINIÇÕES DOS PRODUTOS LAMINADOS:...92
5.1.1 - Classificação dos produtos semi-acabados ...93
5.1.2 - Classificação dos produtos acabados ...94
5.2 - CLASSIFICAÇÃO DOS LAMINADORES ...102
5.3 - ÓRGÃOS MECÂNICOS DE UM LAMINADOR ...114
5.4 - CILINDROS DE LAMINAÇÃO: ...118
5.4.1 - Classificação dos cilindros: ...120
5.5 – LAMINAÇÃO A QUENTE. ...123
7 – FUNDAMENTOS DA CONFORMAÇÃO APLICADOS A LAMINAÇÃO...132
7.1 – INTRODUÇÃO...132
7.2 - PARÂMETROS DA LAMINAÇÃO ...132
7.3 - EQUAÇÕES DE FLUXOS TÉRMICOS NA LAMINAÇÃO ...140
7.4 - ASPÉCTOS METALÚRGICOS NA LAMINAÇÃO ...147
7.4.1 - Processos de restauração do grão...150
7.4.2 - Fatores que afetam a redução crítica de recristalização. ...158
7.4.3 - Efeito da Temperatura e Elementos de Liga ...158
7.4.4 - Efeito da Quantidade de Deformação. ...159
7.4.5 - Tamanho de grão da austenita completamente recristalizada após deformação...161
7.4.6 - Crescimento do grão após completa recristalização na laminação. ...162
7.4.7 - Tamanho de grão da austenita parcialmente recristalizada ...165
7.4.8 - Mudanças estruturais no aço durante o resfriamento. ...165
7.4.9 - Efeito da microestrutura do aço na tensão de escoamento do material ...167
7.5 - CÁLCULO DA FORÇA DE LAMINAÇÃO UTILIZANDO MODELOS MICROESTRUTURAIS ...173
7.6 - CÁLCULO DA FORÇA DE LAMINAÇÃO UTILIZANDO AS CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DO LAMINADOR ...177
7.7 - TRATAMENTOS TERMOMECÂNICOS NA LAMINAÇÃO ...184
8 - FORNOS DE REAQUECIMENTO ...198
8.1 - CLASSIFICAÇÃO DOS FORNOS DE REAQUECIMENTO ...200
8.2 - PRODUÇÃO...205
9 – LAMINAÇÃO DE TIRAS A QUENTE...208
10 - DECAPAGEM ...220
11 - LAMINAÇÃO A FRIO ...226
11.1 - PROCESSOS DE LAMINAÇÃO À FRIO ...229
11.2 - CONSIDERAÇÕES SOBRE OS TIPOS DE LAMINADORES:...229
11.3 - RESFRIAMENTO DOS CILINDROS:...230
11.4 - LAMINADORES CONTINUOS: ...231
11.5 - BOBINADEIRAS...231
11.6 - OPERAÇÃO ...232
11.8 - PRODUÇÃO DE FÔLHAS MUITA FINAS ...233
11.9 - LAMINADORES DE ENCRUAMENTO E DE ACABAMENTO ...233
11.10 - PROCESSO DE LAMINAÇÃO A FRIO DA USINA ARCELORMITTAL VEGA
(VEGA DO SUL) ...235
1 - CONFORMAÇÃO DOS METAIS
Um dado material, normalmente sem forma ou de geometria simples, é transformado
em um componente útil através de um processo de fabricação. Este produto, na
maioria das vezes, tem geometria complexa, com forma, tamanho, precisão,
tolerâncias, aparência e propriedades bem definidas.
1.1 - CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS DE FABRICAÇÃO
A fabricação e montagem de componentes metálicos podem ser classificadas,
demaneira simplificada, em cinco áreas gerais:
1. Processos para formas primárias em metais, tais como fundição, lingotamento,
coquilhamento e metalurgia do pó. Em todos estes processos de fabricação o
material inicialmente não tem forma definida, mas a obtém através do processo.
2. Processos de conformação dos metais, tais como laminação, extrusão, forjamento a
frio e a quente, dobramento e repuxo, nos quais o metal é conformado através de
deformação plástica.
3. Processos de usinagem dos metais, tais como corte em serra, torneamento,
fresamento e brochamento, nos quais uma nova forma é gerada através da remoção
de material.
4. Processos de tratamento dos metais, tais como tratamento térmico, anodização e
endurecimento superficial, nos quais a forma do componente permanece
essencialmente imutável, mas sofre mudanças de aparência e propriedades.
5. Processos de união, incluindo (a) união física, tais como aquelas por soldagem ou
por difusão; e (b) união mecânica, tais como rebitamento, união eixo-cubo por
contração e montagem mecânica.
1.2 - CARACTERíSTICAS DOS PROCESSOS DE FABRICAÇÃO
Existem quatro características principais em qualquer processo de fabricação, a
Geometria, tolerâncias, razão de produção ou produtividade e fatores ambientais e
humanos.
Geometria.
Cada processo de manufatura é capaz de produzir uma família de geometrias. Dentro
desta família há geometrias que podem ser produzidas somente com extraordinários
custo e esforço.
Por exemplo, o processo de forjamento permite a produção de componentes que
podem ser facilmente extraídos de uma matriz, isto é, matrizes superior e inferior.
Através do uso de matriz especial com partes deslizantes é possível obter peças com
detalhes perpendiculares à direção de forjamento e com formas mais complexas.
Tolerâncias.
Nenhuma dimensão pode ser produzida exatamente como é especificada pelo
projetista. Portanto, cada dimensão é associada a uma tolerância, assim como cada
processo de fabricação permite a obtenção de certas tolerâncias dimensionais, de
forma e acabamento superficial.
A qualidade dessas dimensões, no entanto, pode ser melhorada pelo emprego de
variantes mais sofisticadas destes processos e através de novos desenvolvimentos.
Por exemplo, pelo uso do processo de fundição em cera perdida a vácuo é possível
obter formas muito mais complexas com tolerâncias mais fechadas do que usando os
processos com moldes de areia.
Tolerâncias dimensionais servem a um duplo propósito:
*Primeiro, elas permitem o funcionamento adequado dos componentes fabricados: por
exemplo, um tambor de freio de automóvel deve ser circular, dentro de certos limites,
para evitar vibrações e assegurar funcionamento correto dos freios.
rolamento, por exemplo) por um novo, de um fabricante diferente seria inimaginável na
moderna produção seriada.
Razão de Produção ou Produtividade.
A razão de produção que pode ser atingida através de um dado processo de fabricação
é provavelmente o seu aspecto mais significativo, porque ela indica os aspectos
econômicos e a produtividade que pode ser atingida.
Nos países industrializados, as indústrias de produção representam cerca de 30% a
40% do produto interno bruto. Conseqüentemente, a produtividade destas indústrias,
isto é, a produção de componentes discretos, conjuntos montados e produtos por
unidade de tempo, é o fator mais importante a influenciar o padrão de vida num país,
assim como sua posição competitiva no mercado internacional de bens de produção.
A razão de produção ou produtividade pode ser aumentada através da melhoria dos
processos de fabricação existentes ou pela introdução de novos processos e
máquinas, todos requerendo novos investimentos.
Contudo, o ingrediente mais importante para o aumento de produtividade reside no ser
humano e nos recursos gerenciais, uma vez que boas decisões em investimentos
(quando, quanto e em que) são tomadas por pessoas bem treinadas e motivadas.
Como resultado, o presente e o futuro da produtividade na fabricação dentro de uma
fábrica, indústria ou nação dependem não somente do nível de investimentos numa
nova fábrica e equipamentos, mas também do nível de treinamento e disposição dos
engenheiros e especialistas em fabricação dentro destas entidades.
Fatores Ambientais e Humanos.
Todo processo de fabricação deve ser examinado visando
a) seus efeitos ambientais, isto é, em termos de poluição do ar, água e sonora,
b) sua interface com os recursos humanos, isto é, em termos de segurança humana,
c) seu uso de energia e recursos materiais, particularmente em termos de escassez de
energia e materiais.
Conseqüentemente, a introdução e uso de um processo de fabricação devem antes ser
considerados com vistas a estes fatores ambientais.
1.3 - PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO DE METAIS NA FABRICAÇÃO
Processos de conformação de metais incluem [73]:
a) processos de conformação maciça como o forjamento, extrusão, laminação e
trefilação; e
b) processos de conformação de chapas como dobramento, repuxo e estiramento.
Entre o grupo de processos de fabricação discutido anteriormente, a conformação de
metais representa um grupo altamente significativo de processos para produção
industrial, componentes militares e bens de consumo.
Um modo comum de classificar os processos de conformação dos metais é
considera-los como conformação a frio (à temperatura ambiente) e a quente (a temperaturas
acima da recristalização). Muitos materiais comportam-se diferentemente em diferentes
temperaturas.
Normalmente, a tensão de escoamento de um metal aumenta com o aumento da
deformação durante a conformação a frio e com o aumento da taxa de deformação
durante a conformação a quente. Entretanto, os princípios gerais que governam a
conformação dos metais a várias temperaturas são basicamente os mesmos.
Portanto, classificação dos processos de conformação baseados na temperatura inicial
do material não contribui significativamente para o entendimento e melhoria destes
processos. De fato, o projeto das ferramentas, máquinas, automação, manuseio de
componentes e conceitos de lubrificação pode ser melhor considerado através de
classificação baseada não na temperatura, mas sim na geometria específica de saída e
Geometrias complexas, tanto no processo de conformação maciço quanto no de
chapas, podem ser obtidas igualmente bem por conformação a frio ou a quente.
Evidentemente, devido à menor resistência ao escoamento dos materiais deformados a
elevadas temperaturas, as tensões nas ferramentas e as cargas nas máquinas são,
relativamente, menores na conformação a quente se comparadas àquelas na
conformação a frio.
Conformação é especialmente atrativa em casos em que:
a) geometria dos componentes é moderadamente complexa e o volume de produção é
grande, de maneira que o custo do ferramental por unidade produzida possa ser
mantido baixo - por exemplo, em aplicações automobilísticas; e
b) as propriedades e integridade metalúrgica dos componentes são extremamente
importantes, como é o caso de aeronaves de carga, motores a jato e componentes de
turbinas.
O projeto, análise e otimização de processos de conformação requerem:
a) conhecimento analítico referente ao fluxo metálico, tensões e transferência de calor,
b) informações tecnológicas relacionadas com lubrificação, técnicas de aquecimento e
resfriamento, manuseio de materiais, projeto e fabricação de matrizes e equipamentos
de conformação.
1.4 - VARIÁVEIS, CLASSIFICAÇÃO E DESCRIÇÃO DOS PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO DE METAIS
Na conformação de metais, um componente inicialmente simples - um tarugo ou uma
chapa metálica, por exemplo - é plasticamente deformado entre as ferramentas (matriz
ou estampo) para a obtenção da configuração final desejada.
Portanto, um componente de geometria simples é transformado num outro complexo,
em que as ferramentas guardam a geometria desejada e aplicam pressão ao material
O processo de conformação de metais comumente produz pouca ou nenhuma sobra e
a geometria final do componente aparece num curto período de tempo, normalmente
com um ou poucos golpes de uma prensa ou martelo. Como resultado final, a
conformação de metais apresenta um potencial para economia de energia e material -
especialmente em médios e grandes lotes, em que o custo de ferramental pode ser
facilmente amortizado.
Além disso, para um dado peso, componentes produzidos por conformação exibem
melhores propriedades mecânicas, metalúrgicas e confiabilidade do que aqueles
produzidos por fundição ou usinagem.
Conformação de metais é a tecnologia da experiência orientada. No decorrer dos anos,
uma grande quantidade de conhecimento e experiência tem sido acumulada neste
campo, na sua maioria pelo método da tentativa-e-erro. No entanto, a indústria de
conformação de metais tem sido capaz de fornecer sofisticados produtos fabricados
dentro das mais rígidas normas, usando ligas recentemente desenvolvidas e difíceis de
conformar.
Os fenômenos físicos que descrevem uma operação de conformação são de difícil
expressão através de relações quantitativas.
O fluxo de metais, o atrito na interface ferramenta-peça, a geração e transferência de
calor durante o fluxo plástico do metal e o seu relacionamento com a microestrutura, as
propriedades e as condições do processo são difíceis de prever e analisar.
Freqüentemente, quando se produzem componentes discretos, várias operações
intermediárias de conformação (pré-conformação) são necessárias para transformar a
geometria inicial simples em uma complexa, sem causar danos ao material ou
prejudicar suas propriedades.
Conseqüentemente, o principal objetivo de qualquer método de análise é auxiliar o
engenheiro de conformação no projeto de conformação e/ou seqüência de pré-formas.
Para uma dada operação de conformação (pré-conformação ou conformação final), o
deformações) entre a parte deformada e a parte não deformada, isto é, prever o fluxo
de metal;
b) estabelecer o limite de conformabilidade, ou seja, determinar se é ou não possível a
conformação sem rupturas internas ou na superfície do metal; e
c) prever as forças e tensões necessárias para efetuar a operação de conformação a
fim de que o ferramental e equipamento possam ser projetados ou selecionados.
Para entender, projetar, dimensionar e otimizar a operação de conformação é útil:
a) considerar o processo de conformação de metais como um sistema e
b) classifica-lo de forma sistemática.
1.5 - CONFORMAÇÃO DE METAIS COMO UM SISTEMA
Um sistema de conformação metálica consiste de todas as variáveis de entrada, tais
como [73]:
1) o tarugo ou "blank" (geometria e material),
2) o ferramental (geometria e material),
3) as condições na interface ferramenta-peça,
4) o mecanismo de deformação plástica,
5) o equipamento usado,
6) as características do produto final e, finalmente,
7) o ambiente da fábrica onde o processo está sendo conduzido.
A maneira de encarar o problema do ponto de vista do "sistema" na conformação de
metais permite o estudo da relação entrada-saída e dos efeitos das variáveis do
A chave para o sucesso na operação de conformação, isto é, para obter a forma e
propriedades adequadas, é o entendimento e o controle do fluxo metálico.
A direção deste fluxo, sua magnitude de deformação e a distribuição de temperatura
envolvida afetam significativamente as propriedades do componente conformado.
O fluxo metálico determina ambas as propriedades relacionadas com a deformação
local e a formação de defeitos, tais como trincas ou dobras na superfície ou sob ela.
O fluxo metálico local é, por sua vez, influenciado pelas variáveis do processo, as quais
estão resumidamente relacionadas na Tabela 1.1.
1.6 - CARACTERIZAÇÃO DO MATERIAL
Para uma dada composição de material e uma história de deformação-tratamento
térmico (microestrutura), a tensão de escoamento e a conformabilidade nas várias
direções (anisotropia) são as mais importantes variáveis na análise de um processo de
conformação de metais [73,77,78,79].
Para uma dada microestrutura, a tensão de escoamento, σ, é escrita como função da
deformação ε, da taxa de deformação •
ε e da temperatura T:
⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜
⎝ ⎛ =F ε,ε•,T
σ (1.1)
Para formular a Equação Constitutiva, Equação 1.1, é necessário conduzir testes de
torção, de deformação plana, de compressão e testes de compressão uniforme.
Durante qualquer desses testes, o trabalho plástico cria um certo aumento em
temperatura, o qual deve ser considerado na estimativa e no uso dos resultados do
teste.
Atualmente estão sendo desenvolvidos modelos microestruturais e térmicos que
podem determinar a tensão de escoamento, temperaturas, tamanho de grão, etc. O
e no aumento da produtividade [77,78,79,80].
Conformabilidade é a capacidade do material ser deformado sem apresentar ruptura;
isto depende:
a) das condições existentes durante o processo de deformação (tais como temperatura,
taxa de deformação e a história anterior de tensão e deformação) e
b) das variáveis do material (como a composição química, vazios internos, inclusões e
microestrutura inicial).
No processo de conformação a quente, gradientes de temperatura no material em
deformação (por exemplo, devido a resfriamentos locais) também influenciam o fluxo
metálico e os fenômenos de ruptura.
1.7 - EQUIPAMENTO E FERRAMENTAL
A seleção de uma máquina para um dado processo é influenciada pelo tempo, precisão
e pelas características de carga-energia da mesma. A seleção do equipamento ótimo
requer considerações do sistema completo de conformação, incluindo tamanho do lote,
condições na fábrica, efeitos ambientais e necessidades de manutenção, assim como
as necessidades de cada componente específico e do processo sob estudo.
As variáveis de ferramental incluem:
a) projeto e geometria,
b) acabamento superficial,
c) rigidez e
Tabela 1.1 - Variáveis mais significativas num processo de deformação [73].
_____________________________________________________________________ MATERIAL DO TARUGO
*Tensão de escoamento como função da deformação, taxa de deformação, temperatura e microestrutura (equações constitutivas)
*Conformabilidade como função da deformação, da taxa de deformação, temperatura e microestrutura (curvas limites de conformação)
*Condições superficiais *Propriedades termo-físicas
*Condições iniciais (composição química, temperatura, estados anteriores da microestrutura).
*Efeitos de mudanças em microestrutura e composição química na tensão de escoamento e conformabilidade.
FERRAMENTAL
*Geometria das ferramentas *Condições superficiais
*Material/dureza/tratamento térmico *Temperatura
*Rigidez e precisão
CONDIÇÕES NA INTERFACE FERRAMENTA-PEÇA *Tipo de lubrificante e temperatura de trabalho
*Isolação e características de resfriamento na camada de interface *Lubrificação e tensão de cisalhamento ao atrito,
*Características relacionadas à aplicação e remoção do lubrificante.
ZONA DE DEFORMAÇÃO
*Mecanismo de deformação, modelo usado para análise
*Fluxo de metal, velocidade, taxa de deformação, deformação (cinemática). *Tensões (variação durante a deformação)
*Temperaturas (geração e transferência de calor)
EQUIPAMENTO USADO *Velocidade/razão de produção
*Força/capacidade de conversão de energia *Rigidez e precisão
PRODUTO *Geometria
*Precisão dimensional/tolerâncias *Acabamento superficial
*Microestrutura, propriedades mecânicas e metaIúrgicas
AMBIENTE
*Capacidade da mão-de-obra disponível *Poluição do ar e sonora e resíduos líquidos
*Controle da produção e equipamentos disponíveis na fábrica
1.8 - CLASSIFICAÇÃO E BREVE DESCRIÇÃO DOS PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO
Os processos de conformação podem ser classificados em duas grandes categorias
[73]:
1. Processos de conformação maciça (Tabela 1.2).
2. Processos de conformação de chapas (Tabela 1.3).
Tabela 1.2 - Classificação dos processos de conformação maciça [73].
Forjamento Laminação Extrusão Trefilação Forjamento em matriz
fechada com rebarba Forjamento em matriz fechada sem rebarba Cunhagem
Eletro-recalque Forjamento por extrusão direta Forjamento por retro-extrusão
Endentação
Forjamento isotérmico Forjamento de ogiva Forjamento em matriz aberta (forjamento livre) Forjamento orbital Forjamento de sinterizado
Forjamento radial Recalque
Laminação de chapas Laminação de perfis Laminação de tubos Laminação de anéis Laminação rotativa por penetração Laminação de engrenagens Laminação/forjamento Laminação transversal Laminação superficial Repuxo por torneamento Redução de tubos (Rocking)
Extrusão sem lubrificação
Extrusão a quente direta com lubrificação Extrusão hidrostática
Trefilação com rolos Calibração de parede (Ironing)
Estiramento de tubos
Tabela 1.3 - Classificação dos processos de conformação para chapas [73].
Dobramento e flangeamento reto Conformação de recessos rasos Dobramento
Calandragem
Conformação de perfilados
Conformação de perfis por estiramento Conformação de perfis com rolos Conformação de chapas
Conformação por estiramento Nervuramento (androforming) Conformação por
envelhecimento Conformação por alongamento (creeping) Conformação e têmpera em matriz Conformação por abaulamento Conformação a vácuo
Escareamento por prensagem Conformação em martelo Conformação eletromagnética Conformação por explosão Entalhamento (joggling)
Repuxo profundo e flangeamento Rolagem por torneamento
Embutimento profundo Processo marform
Conformação com sapatas de borracha
Hidroconformação com diafragma de borracha
contato e o atrito entre elas tem grande influência no processo.
No forjamento maciço, o material inicial é um tarugo, barra ou vergalhão e um aumento
considerável na taxa superfície-volume ocorre no componente conformado.
Na conformação de chapas, um blank de chapa (platina) é plasticamente transformado
em um objeto tridimensional sem qualquer mudança significativa na espessura da
chapa original ou nas características superficiais.
Processos que se enquadram na categoria de conformação maciça têm as seguintes
formas distintas:
*O componente passa por uma grande deformação plástica, resultando numa
apreciável mudança de forma e seção transversal.
*A porção do componente que sofre deformação plástica é, geralmente, muito maior do
que aquela que sofre deformação elástica, portanto o retorno elástico é insignificante
(conformação a quente).
Exemplos de processos de conformação maciça são extrusão, forjamento, laminação e
trefilação.
As características dos processos de conformação de chapas são:
*O componente é uma chapa ou é fabricado a partir de uma chapa.
*A deformação normalmente causa mudanças significativas na forma, mas não na
seção transversal da chapa.
*Em alguns casos, a magnitude da deformação plástica permanente é comparável à
deformação elástica, portanto, o efeito mola ou retorno elástico pode ser significativo.
Exemplos de processos que se enquadram nesta categoria são o dobramento
convencional com dois apoios somente ou com estampos macho-fêmea, repuxo
profundo, conformação por estiramento e com punção flexível.
Por exemplo, na redução da espessura da parede de um tubo, partindo-se de um tubo
de parede grossa, o processo de trefilação poderia ser considerado como de
conformação maciça. Por outro lado, se o blank inicial fosse uma lata fabricada com
chapa fina, a trefilação seria considerada como conformação de chapas.
1.9 – REVISÃO DE ESTRUTURA CRISTALINA 1.9.1- CRISTALINIDADE.
Uma molécula tem uma regularidade estrutural, porque as ligações covalentes
determinam um número específico de vizinhos para cada átomo e a orientação no
espaço dos mesmos. Portanto, uma repetição deve existir ao longo de um polímero
linear. A maioria dos materiais de interesse para o engenheiro tem arranjos atômicos,
que também são repetições, nas três dimensões, de uma unidade básica. Tais
estruturas são denominadas cristais [75].
A repetição tridimensional nos cristais é devida à coordenação atômica no interior do
material; adicionalmente, esta repetição, algumas vezes, controla a forma externa do
cristal. A simetria hexagonal dos flocos de neve é, provavelmente, o exemplo mais
familiar deste fato. As superfícies planas dos cristais de pedras preciosas e quartzo
(SiO2) são todas manifestações externas dos arranjos cristalinos internos. Em todos os
casos, o arranjo atômico interno persiste mesmo que as superfícies externas sejam
alteradas. Por exemplo, a estrutura interna de um cristal de quartzo não é alterada,
quando as suas superfícies são desgastadas para formar grãos de areia.
Analogamente, há um arranjo hexagonal das moléculas de água, quer nos cubos de
Fig. 1.1. Estrutura cristalina. A cristalização do sal comum na forma de cubos decorre da estrutura
cristalina cúbica do NaCI. O MgO tem a mesma estrutura [75].
1.9.2 - SISTEMAS CRISTALINOS.
Qualquer empacotamento atômico deverá se encaixar em um dos sete principais tipos
de cristais. Estes estão intimamente associados com o modo pelo qual o espaço pode
ser dividido em volumes iguais, pela interseção de superfícies planas. O mais simples e
mais regular deles envolve três conjuntos. Mutuamente perpendiculares, de planos
paralelos, igualmente espaçados entre si, de forma a dar uma série de cubos.
Podemos, também, descrever esta divisão da maneira mostrada na Fig. 1.2, através de
espaçamentos iguais em um sistema de eixos ortogonais. Outros métodos de divisão
do espaço incluem as combinações mostradas na Tabela 1.4.
Fig. 1.2. Células cúbicas. O espaço está dividido por três conjuntos de planos paralelos, igualmente
Esses sete sistemas incluem todas as possíveis geometrias de divisão do espaço por
superfícies planas contínuas. A maior parte dos cristais é geralmente de sistema
cúbico. Entre os exemplos, inclui-se a maior parte dos metais comuns (com exceção do
magnésio e do zinco, que são hexagonais) e alguns dos mais simples compostos
cerâmicos tais como MgO e TiC.
Tabela 1.4. Geometria dos Sistemas Cristalinos [75].
1.9.3 - CRISTAIS CÚBICOS.
Os átomos podem ser agrupados, dentro do sistema cúbico, em três diferentes tipos de
repetição: cúbico simples (cs), cúbico de corpo centrado (ccc) e cúbico de faces
centradas (cfc). Cada tipo será considerado separadamente, preocupando-se apenas
com os metais puros que têm apenas uma espécie de átomo. Estruturas mais
complexas, que contêm dois tipos de átomos, serão analisadas nos capítulos que se
seguem:
Cúbico simples.
Esta estrutura, que está mostrada na Fig. 1.3, é hipotética para metais puros, mas nos
fornece um excelente ponto de partida. Além das três dimensões axiais, a, serem
iguais e os três eixos mutuamente perpendiculares, há posições equivalentes em cada
célula. Por exemplo, o centro de uma célula tem vizinhanças idênticas ao centro da
célula seguinte e ao de todas as células unitárias do cristal. Analogamente, os cantos
direitos inferiores (ou qualquer outra posição específica) de todas as células unitárias
A estrutura, mostrada na Fig. 1.3, contém um átomo metálico por célula unitária.
(Apenas um oitavo de cada um dos átomos mostrados, cai dentro da célula). Esta é a
razão pela quais os metais não se cristalizam na estrutura cúbica simples.
Considerando-se os átomos.
Fig. 1.3. Estrutura cúbica simples. Os vértices das células unitárias estão em posições equivalentes no
cristal. a = a = a. Os eixos são perpendiculares entre si.
Fig. 1.4. Estrutura cúbica de corpo centrado. (a) e (c) são representações esquemáticas, mostrando a
localização dos centros dos átomos. (b) Modêlo de esferas rígidas (Bruce Rogers, 7he Nature of Meta/s.
Cleveland: American Society for Metais, 1951) [75].
O ferro tem estrutura cúbica. À temperatura ambiente, a célula unitária do ferro tem um
átomo em cada vértice do cubo e um outro átomo no centro do cubo (Fig. 1.4a). Tal
estrutura cúbica é conhecida como cúbica de corpo centrado.
Cada átomo de ferro, em uma estrutura cúbica de corpo centrado (ccc), é cercado por
oito átomos de ferro adjacentes, quer o átomo esteja localizado em um vértice, quer no
centro da célula unitária. Portanto, todos os átomos de ferro são, geometricamente,
equivalentes (Fig. 1.4c). Há dois átomos por célula unitária em uma estrutura ccc. Um
átomo está no centro do cubo e oito oitavos estão nos oito vértices (Fig. 1.5).
Fig. 1.5. Célula unitária cúbica de corpo centrado. Em um metal, a estrutura ccc tem dois átomos por
célula e um fator de empacotamento atômico de 0,68.
Estrutura cúbica de faces centradas.
O arranjo atômico do cobre (Fig. 1.6) não é o mesmo que o do ferro, embora também
seja cúbico. Além de um átomo em cada vértice da célula unitária, há um no centro de
cada face e nenhum no centro do cubo. Tal reticulado é denominado cúbico de faces
centradas.
Estruturas cúbicas de faces centradas (cfc) são mais comuns entre os metais que as
estruturas cúbicas de corpo centrado. Alumínio, cobre, chumbo, prata e níquel
Fig. 1.6. Estrutura cúbica de faces centradas de um, metal. (a) e (c) são representações esquemáticas,
mostrando a localização dos centros dos átomos. (b) Modêlo de esferas rígidas. (Bruce Rogers, The Nature of Meta/s. Cleve1and: American Society for Metais, 1951) [75].
1.9.4 - CRISTAIS HEXAGONAIS.
As estruturas das figuras (1.7a e b) são duas representações de células unitárias
hexagonais simples. Estas células não têm nenhuma posição interna que seja
equivalente aos vértices. Embora o volume da célula da figura (1.7a) seja três vezes o
da célula da figura (1.7b), há três vezes mais átomos (3 versus 1) na célula da figura
(1.7a); portanto, o número de átomos por unidade de volume é o mesmo.
Os metais não cristalizam no hexagonal simples, em virtude do fator de
Fig. 1.7. Células unitárias hexagonais simples. (a) Representação hexagonal. (b) Representação
rômbica. Ambas são equivalentes com a * c, um ângulo basal de 120° e ângulos verticais de 90° [75].
Estrutura hexagonal de empacotamento fechado ou compacta.
A estrutura hexagonal, Especificamente formada pelo magnésio, está mostrada na Fig.
1.8. Essa estrutura, que é mais densa que a representada na Fig. 1.7, é denominada
de hexagonal de empacotamento fechado ou hexagonal compacta (hc). É
caracterizada pelo fato de que cada átomo de uma dada camada está diretamente
abaixo ou acima dos interstícios formados entre três átomos das camadas adjacentes.
Portanto, cada átomo tangencia três átomos na camada acima do seu plano, seis
átomos no seu próprio plano e três átomos na camada abaixo do seu plano [75].
Fig. 1.8. Estrutura hexagonal compacta. (a) Vista esquemática, mostrando a localização dos centros dos
1.9.5 - OUTROS RETÍCULOS CRISTALINOS.
Não daremos maiores atenções aos outros sistemas cristalinos (Tabela 1.4) e aos
grupos espaciais (Fig. 1.9) das outras estruturas cristalinas, porque os princípios são os
mesmos que os citados anteriormente.
Fig. 1.9. Grupos espaciais. Estes 14 reticulados de Bravais se repetem nas três dimensões. Cada ponto indicado tem idênticas vizinhanças. Compare com a Tabela 1.4 [75].
1.9.6 - DIREÇÕES NO CRISTAL.
Quando, em seguida, correlacionarmos várias propriedades e estruturas cristalinas,
será necessário identificar direções específicas no cristal. Isto pode ser conseguido,
com relativa facilidade, se usarmos a célula unitária como base. Por exemplo, a Fig.
1.10 mostra três direções em um reticulado ortorrômbico simples. A direção [111] é
aquela de uma reta que passa pela origem e por um ponto cuja coordenada em cada
eixo é o correspondente parâmetro da célula. Analogamente, as direções [101] e [100]
Fig.1.10. Direções no cristal. Usualmente, utilizam-se colchetes [h k I] para indicar as direções no cristal. Os parênteses (h k l) indicam planos cristalinos [75].
1.9.7- PLANOS CRISTALINOS.
Um cristal contém planos de átomos e esses planos influenciam as propriedades e o
comportamento do cristal. É, portanto, vantajoso identificar os vários planos atômicos
que existem em um cristal.
Os planos cristalinos mais facilmente visualizados são os que limitam a célula unitária;
entretanto, existem muitos outros planos. Os planos mais importantes, nos cristais
cúbicos estão mostrados nas Figs. 1.11, 1.12, e 1.13.
Os planos nas Figs.1.11 a 1.13 são designados (010), (110) e ( −
111), respectivamente.
Estes símbolos (hkl) são denominados índices de Miller [75].
Fig. 1.11. Planos (010) em estruturas cúbicas. (a) Cúbica simples. (b) ccc. (c) cfc. [Observe que os
Fig. 1.12. Planos (110) em estruturas cúbicas. (a) Cúbica simples. (b) ccc. (c) cfc. [Os planos (220)
incluídos para a estrutura cfc, são equivalentes aos planos (110)].
Fig. 1.13. Planos (111) em estruturas cúbicas. (a) Cúbica simples. (b) ccc. (c) cfc. Interseções negativas
são indicadas com barras sobre o índice. [Os planos (222) incluídos para a estrutura ccc, são
equivalentes aos planos (
−
111)].
Em resumo, os planos (010) são paralelos aos eixos cristalográficos x e z. Os planos
(110) são paralelos ao eixo z, mas cortam os eixos x e y em distâncias, contadas a
partir da origem, iguais aos parâmetros correspondentes.
Os planos (-111) cortam os três eixos cristalográficos.
Os números usados acima são os inversos das distâncias das interseções do plano
com os eixos à origem, medidas usando-se como unidade o parâmetro correspondente
( )
010 1 , 1 1 , 1 = ∞ ∞Para o plano (110): ,1
( )
110 1 1 , 1 1 = ∞Para o plano ( −
111): ⎟⎟
⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = − − 10 1 1 1 , 1 1 , 1 1
Como a origem é escolhida arbitrariamente, isto é, poderia ser tanto o ponto O' como o
ponto O da Fig. 1.11a, o plano com índices (010) é igualmente arbitrário. Assim sendo,
(010) é um símbolo para todos os planos atômicos que são paralelos ao plano que
satisfaz a definição dada no parágrafo anterior. Esta generalização dos índices é
completamente lógica, ainda mais que todos estes planos paralelos são
geometricamente semelhantes. Os índices de Miller podem também ser negativos, e o
sinal negativo é colocado sôbre o dígito correspondente, por exemplo, ( −
11 −
1).
1.9.8- IMPERFEIÇOES CRISTALINAS 1.9.8.1 - INTRODUÇÃO.
Imperfeições do reticulado são encontradas na maior parte dos cristais. Nos casos em
que estão envolvidos individualmente átomos deslocados, átomos extras ou falta de
átomos, temos os defeitos pontuais. Os defeitos de linha envolvem a aresta de um
plano extra de átomos. Finalmente, temos as imperfeições de fronteira, quer entre
cristais adjacentes, quer nas superfícies externas do cristal.
Tais imperfeições influenciam muitas das características dos materiais, tais como
resistência mecânica, propriedades elétricas, propriedades químicas e serão discutidas
Fig. 1.14. Defeitos pontuais. (a) Vazios. (b) Vazio duplo (faltam dois átomos). (c) Defeitos de Schottky (vazios de um par de íons). (d) Defeitos intersticiais (e) Defeito de Frenkel(deslocamento de um íon) [75].
1.9.8.2 - DEFEITOS PONTUAIS. Vazios.
O mais simples defeito pontual é um vazio, o qual simplesmente envolve a falta de um
átomo (Fig.1.14) dentro de um metal. Tais defeitos podem resultar de um
empacotamento imperfeito durante a cristalização original ou podem se originar das
vibrações térmicas dos átomos em temperatura elevada, pois, conforme a energia
térmica se eleva, aumenta também a probabilidade dos átomos individuais se
afastarem de suas posições de menor energia. Os vazios podem ser simples como
aquele mostrado na Fig.1.14a ou dois ou mais deles podem se condensar para formar
um vazio duplo (Fig.1.14b) ou triplo.
Defeitos de Schottky
Estão intimamente relacionados com vazios, mas são encontrados em compostos que
devem manter um balanço de carga (Fig. 1.14c). Envolvem vazios de par de íons de
cargas opostas. Tanto os vazios como os defeitos de Schottky facilitam a difusão
Defeitos intersticiais.
Um átomo extra pode se alojar em uma estrutura cristalina.Tal imperfeição produz uma
distorção no reticulado (Fig.1.14d), salvo se o átomo intersticial for menor que os
átomos restantes do cristal.
Defeitos de Frenkel
Quando um íon é deslocado de sua posição no reticulado para um interstício
(Fig.1.14e), temos o defeito de Frenkel.
1.9.8.3 - DEFEITOS DE LINHA (DISCORDÂNCIAS) Discordância em cunha
O tipo mais comum de defeito de linha, no interior de um cristal, é uma discordância.
Uma discordância em cunha está mostrada na Fig. 1.15. Pode ser descrita como a
aresta de um plano atômico extra na estrutura cristalina. Zonas de compressão e de
tração acompanham uma discordância em cunha, de forma que há um aumento de
energia ao longo da discordância. A distância de deslocamento dos átomos ao redor da
discordância é denominada vetor de Burgers. Esse vetor é perpendicular à linha da
discordância em cunha.
Fig. 1.15. Discordância em cunha. Um defeito em linha ocorre na aresta de um plano atômico extra.
(Guy, A. G., Elements of Physical Metallurgy, Reading Mass.: Addinson Wesley, 1959, pag. 110) [75].
Discordância helicoidal
Uma discordância helicoidal tem seu deslocamento, ou vetor de Burgers, paralelo ao
adjacentes; assim sendo, analogamente às discordâncias em cunha, também nesse
caso, temos um aumento de energia.
Ambos os tipos de discordâncias estão intimamente associados à cristalização. As
discordâncias em cunha, por exemplo, são originadas quando há uma pequena
diferença na orientação de partes adjacentes do cristal em crescimento, de forma que
um plano atômico extra é introduzido ou eliminado.
Como está mostrado na Fig. 1.16, uma discordância helicoidal permite um fácil
crescimento do cristal, uma vez que os átomos e células unitárias adicionais podem ser
adicionados ao "passo" da hélice. Assim sendo, o termo helicoidal é muito adequado, já
que, conforme o crescimento se processa, uma hélice se "enrola" em torno do eixo.
Da mesma forma que na cristalização, as discordâncias estão associadas também com
deformação. Vemos isso na Fig. 1.17, onde uma tensão de cisalhamento origina tanto
uma discordância em cunha como uma helicoidal. Ambas levam ao mesmo
Fig. 1.17 - Formação de discordância por cisalhamento. (a) Discordância em cunha. (b) Discordância
helicoidal. (c) Discordância mista [75].
1.9.8.4 - Contornos de Grão.
Fig. 1.16. Discordância helicoidal. O vetor de deslocamento (vetor de Burgers) é
Embora um material, como o cobre de um condutor elétrico, contenha apenas uma
fase, ele contém muitos cristais de várias orientações. Esses cristais individuais são
denominados grãos. A forma do grão em um sólido é usualmente controlada pela
presença dos grãos circunvizinhos. No interior de cada grão, todos os átomos estão
arranjados segundo um único modelo e uma única orientação, caracterizada pela
cédula unitária. Entretanto, no contorno do grão entre dois grãos adjacentes há uma
zona de transição, a qual não está alinhada com nenhum dos grãos (Fig. 1.18).
Quando um metal é observado ao microscópio, embora não possamos ver os átomos
individuais ilustrados na Fig. 1.18, podemos facilmente localizar os contornos dos
grãos, se o metal foi atacado. Primeiramente, o metal é cuidadosamente polido, de
forma a se obter uma superfície plana e espelhada e, então, quimicamente atacado por
um curto período de tempo.
Fig. 1.18 - Contornos de grão. Observe a área de desordem na transição de um grão para outro. (Clyde
Fig. 1.19 - Contornos de grão. (a) Molibdênio (250 x) (O. K. Riegger). (b) Periclásio, MgO, de alta
densidade (250 x) (Gardner, R. E. e G. W. Robinson, Jr., "Improved Method for Polishing Ultra-High
Density MgO" J. Am. Ceram. Soe. 45, 46 (1962) [75].
Os átomos, na área de transição entre um grão e o seguinte, se dissolverão mais
facilmente que os outros átomos e deixarão uma linha que pode ser vista com o
microscópio (Fig. 1.19); o contorno de grão atacado não atua como um espelho perfeito
como acontece com o restante do grão.
Podemos considerar o contorno de grão como sendo bidimensional embora, na
verdade, tenha uma espessura finita de 2 a 10 ou mais distâncias atômicas. A
diferença na orientação dos grãos adjacentes produz um empacotamento dos átomos
menos eficientes ao longo do contorno. Dessa forma, os átomos ao longo do contorno
têm uma energia mais elevada que aqueles do interior dos grãos. Isto justifica o ataque
mais rápido dos contornos, descrito acima.
A maior energia dos átomos do contorno é também importante na nucleação da nova
fase e o menor empacotamento atômico favorece a difusão atômica.
Há ainda um segundo tipo de contorno, o qual é suficientemente distinto daqueles
mostrados na Fig. 1.19, para merecer uma discussão separada. É o denominado
contorno de pequeno ângulo e é, na realidade, uma série de discordâncias alinhadas
entretanto, ele tem importância, porque tende a ancorar os movimentos das
discordâncias que normalmente contribuem para a deformação plástica.
Fig. 1.20 - Contorno de pequeno angulo(a) cristal de germânio atacado para mostrar as extremidades
das discordâncias em cunha(100x). (b) Representação esquemática, mostrando apenas as células
unitárias. O angulo θ foi exagerado. (Cortesia de F. L. Vogel Jr.) [75].
1.9.9 - DEFORMAÇÃO PLÁSTICA
Quando são submetidos à ação de forças exteriores, os metais sofrem deformações,
que podem ser elásticas ou plásticas de acordo com a magnitude das forças aplicadas.
Os mecanismos mediante os quais se deformam os metais são basicamente os
seguintes:
1. Deformação por deslizamento
2. Deformação por maclação
Dos três mecanismos, o mais importante é o deslizamento, sendo muito pouco
freqüente as bandas de deformação e de dobramento, motivo pelo qual não serão
analisadas. A maclação, por sua parte, se bem que produz pouca deformação em si,
permite o prosseguimento do deslizamento, com se verá na análise a seguir.
1.9.9.1 - DEFORMAÇÃO POR DESLIZAMENTO
A deformação plástica ocorre normalmente nos metais através do deslizamento de
blocos do cristal, uns sobre os outros, ao longo dos planos cristalográficos bem
definidos que são chamados planos de deslizamento. Numa aproximação grosseira, o deslizamento, ou escorregamento, de um cristal pode ser considerado análogo à
distorção produzida quando se espalha um baralho sobre a mesa, empurrando uma de
suas extremidades. A figura (1.21) ilustra esta visualização clássica do deslizamento.
Figura 1.21 - (a) orientação dos cristais antes da aplicação da deformação; (b) orientação após a
aplicação da deformação sem qualquer restrição para o deslizamento; (c) orientação após a aplicação
da deformação com a presença de restrições para o deslizamento (garras do equipamento de ensaio de
tração)
1.9.9.2 – TENSÃO CRÍTICA DE CISALHAMENTO
plasticamente a uma velocidade apreciável. Abaixo desta tensão o material se encontra
na zona elástica e somente pode-se deformar a velocidade de deformação muito baixa
e com grandes tempos.
O deslizamento é produzido por tensões tangenciais atuando nos planos de
deslizamento. Tem-se provado experimentalmente que é necessário que a tensão de
corte no plano e na direção de deslizamento alcance um certo valor crítico, para que o
cristal comece a deformar-se plasticamente. A tensão mínima sob a qual se produz
deformação plástica no sistema de deslizamento dado, se denomina tensão crítica de cisalhamento.
A determinação da tensão crítica de cisalhamento para um sistema de deslizamento,
efetua-se em função da força externa aplicada sobre o cristal e da orientação do
sistema de deslizamento em relação a aquele de aplicação da força externa.
Para simplicidade de análise considera-se o que ocorre num monocristal cilíndrico
sujeito a um esforço de tração segundo seu eixo (figura 1.22).
1. Na superfície transversal (S) do cilindro atua a força de tração (P) na direção do eixo
do cilindro (E).
2. O plano de escorregamento de superfície (S') está inclinado de um determinado ângulo (θ); este ângulo corresponde à inclinação da normal do plano de
escorregamento (B) em relação ao eixo do cilindro (E).
3. A relação entre as superfícies (S) e (S') fica então estabelecida:
S' = S/cos(θ)
4. A força de tração (P) pode ser decomposta em uma força normal (Pn) ao plano de
escorregamento na direção da normal (B) e uma força tangencial (Pt) na direção da
Figura 1.22 - Análise de esforços em um monocristal cilíndrico.
5. As expressões da força (P) decomposta ficam:
Pn = Pcos(θ) Pt = Psen(θ)
6. A força decomposta (Pt) é a força de cisalhamento que atua no plano de
escorregamento; a tensão de cisalhamento é calculada pela relação:
) cos( ). sen(
'
' θ θ
τ
S P S Pt = =
e como σ =P S é a tensão de tração, tem-se:
) cos( ). sen(
' σ θ θ
τ =
7. Contudo, apenas eventualmente a direção cristalográfica de escorregamento (D)
coincide com a direção de linha de maior inclinação (C); em geral elas formam um ângulo (β), no plano de escorregamento.
8. Assim, para calcular a tensão de cisalhamento atuante no plano de escorregamento
direção (D).
) cos(
' β
τ
τ = ou
) cos( ). cos( ). sen(
. θ β θ
σ τ =
Analisando então a expressão que permite calcular a tensão crítica de cisalhamento,
decomposta e atuante no plano e direção de escorregamento, pode-se notar que:
a. O valor máximo da tensão de cisalhamento em função do ângulo e de inclinação do plano de escorregamento em relação ao eixo de tração ocorre quando θ = 45O
.
b. Para ângulos e maiores e menores do que 45O as tensões são menores, e no caso
do ângulo aproximar-se de 90O a tendência da força de tração é provocar mais a
separação dos átomos entre si do que o deslizamento do átomo, uns em relação aos
outros.
O critério de escorregamento estabelecido por essa expressão, que se constitui numa
lei de definição do fenômeno, sofre alterações para alguns metais com o surgimento de
escorregamentos transversais de escorregamento principais e retomo posterior às
2 - FORJAMENTO
O forjamento é, com absoluta certeza, o mais antigo dos processos detransformação
mecânica de metais, com registros datando de cerca de 7.000 anosatrás. Há
evidências de que o forjamento foi usado no Egito antigo, Grécia, Pérsia,Índia, China e
Japão para a fabricação de armas, jóias e uma variedade deutensílios. Naquela época,
os artesãos que dominavam as técnicas do forjamentoeram tratados com muito
respeito e consideração. Por volta de 1600 A.C., na ilha de Creta antiga, placas de
pedra gravadas eram usadas como matrizes paragravação em ouro e prata. Isto
evoluiu para a fabricação de moedas, medianteum processo semelhante, cujos
registros datam de cerca de 800 A.C. Matrizes mais complexas foram usadas em
Roma, por volta de 200 A.C. A evolução do forjamento permaneceu estagnada durante
muitos séculos, até o surgimento domartelamento com guia, no final do século VIII D.C.
Este desenvolvimento permitiu o ingresso definitivo do forjamento na indústria, como
processo de fabricação.
Atualmente, o forjamento é um importante processo industrial, largamente utilizado na
fabricação de componentes de elevada resistência para aindústria automotiva,
aeroespacial e outras aplicações. Tais componentes incluem eixos de manivela para
motores (virabrequins), bielas, engrenagens, componentesestruturais para aeronaves e
peças para turbinas de motores a jato. Além disso,lingotes de aço e outras ligas
metálicas são submetidos a operações primárias de forjamento, produzindo formas
básicas que são subseqüentemente usinadas.
2.1 - DEFINIÇÃO
Forjamento é um processo de conformação no qual modificam-se a geometria, as
dimensões e as propriedades mecânicas de um corpo metálico pela ação de tensões
compressivas diretas.
A ação das matrizes se dá mediante a aplicação de golpes rápidos e repetidos
(martelos de queda livre ou acionados) ou pela aplicação lenta de intenso esforço
2.2- CLASSIFICAÇÃO
2.2.1- . TEMPERATURA DE TRABALHO
a) FORJAMENTO A QUENTE
• mais comum
• formas simples (matriz aberta)
• formas complexas (matrizes fechadas)
• recuperação e recristalização
• oxidação e contração térmica: sobremetais
b) FORJAMENTO A FRIO
• para peças de geometrias mais simples
• encruamento
Figura 2.1 –Forjamento a quente de peças simples
2.3 - GRAU DE RESTRIÇÃO AO FLUXO DE METAL
2.3.1 - FORJAMENTO LIVRE (MATRIZ ABERTA)
• formas simples e regulares (anéis, eixos, etc.)
• peças de grandes dimensões
• baixa produtividade
• normalmente realizado com martelos, embora operações de desbaste de lingotes
devam ser feitas em prensas hidráulicas
Figura 2.3 –Forjamento livre em matriz aberta
2.3.2 - FORJAMENTO EM MATRIZES FECHADAS
• para peças de geometrias complexas
• alta produtividade
• maior homogeneidade estrutural
• melhor qualidade dimensional
• normalmente realizado em prensas mecânicas, embora algumas peças, mais simples,
possam ser forjadas em martelos.
VARIAÇÃO: Forjamento em Matriz Fechada sem Rebarba
Figura 2.4 –Forjamento em matriz fechada
2.3.3 - FORJAMENTO A QUENTE EM MATRIZ ABERTA
As matrizes de forjamento livre são, na maioria das aplicações, planas ou com ligeiros
contornos superficiais que auxiliam a amoldar a peça. Além disso, a peça deve ser
manipulada freqüentemente (girando-a periodicamente e/ou movendo-a para frente e
para trás) para se atingir a mudança de forma desejada. A habilidade do operador é um
fator importante para o êxito nestas operações.
Um exemplo de forjamento em matriz aberta é a transformação de grandes lingotes
fundidos de aço com seção quadrada ou hexagonal em barras de seção transversal
circular. Operações de forjamento em matriz aberta produzem formas grosseiras e são
necessárias operações subseqüentes de beneficia-mento das peças para obtenção da
geometria e dimensões finais. Uma importante contribuição do forjamento livre a
quente é a obtenção de uma estrutura metalúrgica favorável no metal, devida não só
aos fenômenos de recuperação e recristalização, mas, também à diminuição da
OPERAÇÕES TÍPICAS:
• desbaste utilizando matrizes com superfícies convexas, côncavas e planas, este
último caso conhecido como estiramento.
• corte e fendilhamento, como operação intermediária.
• recalque de cilindros, para a produção de discos e rodas
• forjamento de anéis, empregando combinações de matrizes
ANÁLISE DO FORJAMENTO EM MATRIZ ABERTA
DEFORMAÇÃO DO METAL NO ESTIRAMENTO POR FORJAMENTO
Figura 2.6 – Análise da deformação no estiramento por forjamento
2.3.4 - FORJAMENTO A QUENTE EM MATRIZES FECHADAS
Processos básicos: recalque, espalhamento e ascensão
Seqüência de processamento
• corte, aquecimento
• limpeza, etapas de forjamento
• rebarbação
• tratamento térmico
• Etapas de forjamento: esboçadora, formadora, calibradora
Comparação do forjamento a quente convencional com o de precisão
• controle da temperatura do aquecimento
• controle do corte e das dimensões do tarugo
• precisão dimensional e geométrica de matrizes e insertos
Figura 2.7 –Seqüência de forjamento de um processo básico
Rebarbação:
A rebarba é a região do forjado que sofre deformação mais intensa
A formação de rebarba visa:
• escoar excesso de material do tarugo
• acomodar defeitos de forjamento
Figura 2.8–Oeração de rebarbação
Figura 2.10 – Etapas do forjamento de um virabrequim
Figura 2.11 – Esquema e foto de um forjamento de cilindros
2.3.5 - FORJAMENTO A FRIO
Seqüência de processamento
• corte
• lubrificação
• etapas de forjamento
• recozimentos intermediários
FORJAMENTO DE PRECISÃO
• a quente, a frio, morno ou isotérmico
• menores sobremetais, sem rebarbas, sem ângulos de extração e raios de
arredondamento menores
Figura 2.12 – Peças forjadas a frio
2.3.6 - EQUIPAMENTOS PARA FORJAMENTO
Martelos
Prensas de forjamento
recalcadoras
Essas máquinas são energeticamente limitadas.
TIPOS DE MARTELOS DE FORJAMENTO:
Martelos de queda livre
Martelo de dupla ação
Martelo de contra golpe
Normalmente uma peça é forjada com várias pancadas repetidas 60 a 150 pancadas
por minuto
MARTELO EM QUEDA LIVRE
Este equipamento consiste de uma base que suporta colunas, nas quais são inseridas
as guias do suporte da ferramenta, e um sistema para a elevação da massa cadente
até a altura desejada.
SISTEMAS DE ELEVAÇÃO:
Pressão exercida por ar comprimido;
Cintas de couro;
Correntes metálicas;
Cilíndrico hidráulico.
MARTELO DE DUPLA AÇÃO
Neste equipamento, a massa cadente é conectada a um pistão contido em cilindro no
topo do martelo.
Figura 2.13 – Martelo de queda livre Figura 2.14 – Martelo de dupla ação
MARTELO DE CONTRAGOLPE
Vantagens em relação aos outros tipos de martelos:
maior rendimento;
Figura 2.15 – Martelo de contra golpe
Desvantagens:
Maior desalinhamento entre as partes superior ou inferior da matriz;
Necessidade da força de forjamento estar localizada no meio da matriz para evitar
grandes atritos entre massas e as guias;
Impossibilidade de manipulação da peça durante o movimento;
Maiores despesas de manutenção.
Capacidade – 500 – 15.000 kgm
TIPOS DE PRENSAS USADAS EM FORJAMENTO:
Prensas hidráulicas
Prensas mecânicas (excêntricas e de fricção)
Tipos de prensas para forjamento:
Prensas hidráulicas verticais – com cilíndrico na sua parte superior.
Este equipamento é de força restrita.
Prensas mecânicas excêntricas. Conhecida como de curso limitado.
Prensas de fricção – possuem dois pratos de fricção unidos axialmente a uma árvore.
O sentido de rotação da árvore pode ser invertido de modo que a rosca sem-fim possa
subir e descer.
3 - EXTRUSÃO
A extrusão, como um processo industrial, foi criada por volta de 1800, na Inglaterra,
durante a Revolução Industrial, quando aquele país era o principal inovador tecnológico
do mundo. A invenção, pioneira, era uma prensa hidráulica para extrusão de tubos de
chumbo.
Uma importante revolução no processo ocorreu na Alemanha, por volta de 1890,
quando a primeira prensa de extrusão horizontal foi construída para extrudar metais
com ponto de fusão mais alto do que o do chumbo. A característica que possibilitou
essa inovação foi o uso de um disco na ponta do êmbolo de extrusão (dummy block, ou
falso pistão), que o separava do tarugo, resguardando-o do calor excessivo.
Comumente, entre esse falso pistão e o metal a ser extrudado, se interpõe um pedaço
de material suplementar (geralmente grafite) para forçar a passagem de todo o material
através da matriz e evitar resíduo de metal não extrudado.
Figura 3.1 –Extrusão a quente de peças simples
A extrusão é, então, um processo de compressão indireta, que pode ser realizado
a quente ou a frio, no qual um metal é forçado a fluir através de uma matriz aberta,
de modo a produzir barras, tubos ou os mais variados perfis, ou seja, produtos
3.1 - GENERALIDADES
Embora existam várias maneiras de realizar o processo, ele pode ser comparado
ao efeito de se apertar um tubo de creme dental. O esforço de compressão é
exercido por meio de um êmbolo que empurra o metal contra uma matriz que
possui um orifício com a forma do perfil que se deseja fabricar. A tensão aplicada,
portanto, tem que superar em muito a tensão de escoamento do metal, para
permitir um fluxo regular e contínuo de produto através da matriz. O comprimento
do produto extrudado é limitado, no entanto, pela diferença entre os volumes do
tarugo e do refugo que sobra no container. Geralmente são extrudadas ligas
não-ferrosas (Al, Mg, Cu), por causa das baixas resistências ao escoamento e das
baixas temperaturas de extrusão, embora também possam ser extrudados alguns
aços comuns e inoxidáveis. Deve-se ter cuidado com estes materiais de maior
resistência e pontos de fusão mais elevados, porque eles podem se soldar à
parede do container, inconveniente que somente pode ser evitado com a
prevenção do contato direto metal-metal. Novos tipos de lubrificantes, ativos em
temperaturas e pressões elevadas, têm permitido extrudar tais materiais.
3.2 - CLASSIFICAÇÃO
3.2.1 – QUANTO A TEMPERATURA DE TRABALHO
A) EXTRUSÃO A QUENTE
• grandes reduções de seção numa só etapa
• engloba a maioria dos processos para obter produtos longos semi-acabados (barras)
e acabados (perfis e tubos)
B) EXTRUSÃO A FRIO
• pequenas reduções de seção em vários estágios
A B
Figura 3.2 –Perfis do alumínio (A) e cobre e suas ligas (B) obtidos por Extrusão a quente
Figura 3.4 – Exemplos de peças obtidas por extrusão a frio
3.2.2 – QUANTO AS DIMENSÕES DO PRODUTO
A) PROCESSO SEMI-CONTÍNUO
• produtos longos, cujo comprimento é limitado pelo volume do tarugo que cabe no
container.
• em quase todos os casos, o longo perfil extrudado é cortado
em pequenos comprimentos
B) PROCESSO DISCRETO
• uma peça simples é produzida em cada ciclo de extrusão (a extrusão por impacto é
Figura 3.5 – Extrusão de processos semi-contínuos (produtos longo)
Figura 3.6 – Fotos de extrusão de processos semi-contínuos (produtos longo)
3.2.3 – QUANTO AO SENTIDO DE DESLOCAMENTO DO PISTÃO
A) EXTRUSÃO DIRETA
Um tarugo é colocado no interior de um recipiente de extrusão e um pistão
comprime esse material, forçando-o a fluir através de uma ou mais aberturas em
uma matriz situada na extremidade oposta do recipiente.
Um problema na extrusão direta é o significativo atrito existente entre a superfície
do tarugo e as paredes do recipiente quando o material é forçado a deslizar em
agravado pela presença de uma camada de óxidos na superfície do tarugo, a qual
pode, também, causar defeitos no produto extrudado.
Figura 3.7 – Extrusão direta
B) EXTRUSÃO INVERSA
Caso 1: A matriz, ao invés de ser fixada na extremidade do recipiente, é montada
num pistão oco (ou constituído por hastes). Quando o pistão avança no interior do
recipiente, o metal é forçado a fluir através do orifício da matriz, em sentido oposto
ao movimento do pistão. Não há atrito entre o tarugo e a parede interna do
recipiente e, então, a força de extrusão é menor que na extrusão direta.
Caso 2: Usada também na produção de seções tubulares, a extrusão inversa,
neste caso, emprega um pistão com diâmetro menor que o do recipiente, de modo
que o metal flui ao redor da matriz, gerando um produto em forma de copo.
Figura 3.9 – Extrusão Inversa (caso 2)
3.2.4 - OUTROS PROCESSOS DE EXTRUSÃO
A) EXTRUSÃO POR IMPACTO
Realizado em alta velocidade e em passes curtos, este processo é utilizado para
fabricação de componentes individuais. Como o nome sugere, o punção se choca
contra o metal, ao invés de simplesmente pressioná-lo. O impacto pode promover
uma extrusão direta, uma extrusão inversa, ou uma combinação desses modos.
A extrusão por impacto é usualmente realizada a frio numa variedade de metais.
Os produtos apresentam, em geral, paredes muito finas (p. ex., capas de pilhas).
B) EXTRUSÃO HIDROSTÁTICA
O problema do atrito pode ser superado envolvendo-se o tarugo por um fluido no
interior do recipiente e pressurizando este fluido por meio do movimento do pistão.
Deste modo, não há atrito com a parede do recipiente e o atrito no orifício da
matriz é reduzido. A força no êmbolo é muito menor que na extrusão direta
convencional.
em temperaturas elevadas e, neste caso, devem ser empregados procedimentos
especiais e fluidos resistentes ao calor. A pressão hidrostática em uma peça aumenta
sua ductilidade. Portanto, esse processo pode ser usado em metais frágeis.
Metais dúcteis também podem ser extrudados hidrostaticamente, possibilitando altas
relações de redução.
Uma desvantagem do processo é que ele requer a preparação do tarugo inicial, que
deve possuir em uma das extremidades uma geometria que se adapte ao ângulo da
matriz. Isso evita que o fluido escoe pela abertura da matriz quando o recipiente é
inicialmente pressurizado.
Figura 3.10 – Extrusão Hidrostática
3.3 - EQUIPAMENTOS DE EXTRUSÃO
• prensas hidráulicas (horizontais para extrusão a quente e verticais para extrusão a
frio) com capacidade de 1000 a 8000 T
• ação contínua, por acionamento hidro-pneumático ou oleodinâmico
A prensa de extrusão é, essencialmente, um conjunto cilindro-pistão hidráulico, onde o
cilindro necessita constante alimentação de líquido sob pressão para movimentar o
pistão. A alimentação do cilindro pode se dar com o auxílio de uma bomba hidráulica,
que mantém a velocidade do pistão no nível necessário para a extrusão, ou com o
emprego de uma acumulador de pressão. No primeiro caso, temos o chamado
