UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA – DEM PROGRAMA DE PÓS–GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E
ENGENHARIA DOS MATERIAIS–PGCEM
Formação: Mestrado em Ciência e Engenharia dos Materiais
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO OBTIDA POR Ricardo Kirchhof Unfer
CONSTRUÇÃO E TESTES DE MÁQUINA DE ENSAIOS DE
TORÇÃO PLÁSTICA PARA LEVANTAMENTO DO
COMPORTAMENTO PLÁSTICO DE METAIS
Apresentada em 26 / 03 / 2004 perante a Banca Examinadora:
Dr. José Divo Bressan – PRESIDENTE (UDESC/CCT)
Dr. Hazim Ali Al-Qureshi (Depto de Engenharia de Materiais/UFSC). Dr. Sérgio Tonini Button (Depto de Engenharia de Materiais/UNICAMP). Dr. Miguel Vaz Junior (UDESC/CCT).
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA – DEM PROGRAMA DE PÓS–GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E
ENGENHARIA DOS MATERIAIS–PGCEM
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
Mestrando: RICARDO KIRCHHOF UNFER – Engenheiro Mecânico
Orientador: Prof. Dr. JOSÉ DIVO BRESSAN CCT/UDESC – JOINVILLE
CONSTRUÇÃO E TESTES DE MÁQUINA DE ENSAIOS DE
TORÇÃO PLÁSTICA PARA LEVANTAMENTO DO
COMPORTAMENTO PLÁSTICO DE METAIS
DISSERTAÇÃO APRESENTADA PARA OBTENÇÃO DO TÍTULO DE MESTRE EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS DA UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA, CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT, ORIENTADO PELO PROF. DR. JOSÉ DIVO BRESSAN.
Joinville 2004
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA - UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT
COORDENAÇÃO DE PÓS-GRADUAÇÃO – CPG
“CONSTRUÇÃO E TESTES DE MÁQUINA DE ENSAIOS DE
TORÇÃO PLÁSTICA PARA LEVANTAMENTO DO
COMPORTAMENTO PLÁSTICO DE METAIS”
por
Ricardo Kirchhof Unfer
Essa dissertação foi julgada adequada para a obtenção do título de MESTRE EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS na área de concentração " Metais ", e aprovada em sua forma final pelo CURSO DE MESTRADO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS
DO CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DA UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA
Dr. José Divo Bressan (Presidente)
Banca Examinadora:
Dr. Hazim Ali Al-Qureshi UFSC
Dr. Sérgio Tonini Button Unicamp
Dr. Miguel Vaz Junior UDESC
FICHA CATALOGRÁFICA NOME: UNFER, Ricardo.
DATA DEFESA: 26/03/2004 LOCAL: Joinville, CCT/UDESC
NÍVEL: Mestrado Número de ordem: 36 – CCT/UDESC FORMAÇÃO: Ciência e Engenharia dos Materiais
ÁREA DE CONCENTRAÇÃO: Metais
TÍTULO:
CONSTRUÇÃO E TESTES DE MÁQUINA DE ENSAIOS DE TORÇÃO
PLÁSTICA PARA LEVANTAMENTO DO COMPORTAMENTO PLÁSTICO DE
METAIS
PALAVRAS - CHAVE: Ensaio de Torção Plástica, Cisalhamento, Deformação, Plasticidade. NÚMERO DE PÁGINAS: 160
CENTRO/UNIVERSIDADE: Centro de Ciências Tecnológicas da UDESC PROGRAMA: Pós-graduação em Ciência e Engenharia dos Materiais CADASTRO CAPES: 4100201600P8
ORIENTADOR: Dr. José Divo Bressan
PRESIDENTE DA BANCA: Dr. José Divo Bressan
MEMBROS DA BANCA: Dr. Hazim Ali Al-Qureshi, Dr. Sérgio Tonini Button, Dr. Miguel Vaz Junior
À Deus, especialmente na pessoa de Jesus Cristo, que permitiu a minha chegada até aqui, à minha esposa Daiane Rafaela que sempre me apoiou nos momentos mais difícieis durante esta etapa de minha vida. Aos pais que sempre me incentivaram na minha dedicação aos estudos e contínuo aperfeiçoamento.
“Mas os que esperam (os que perseveram até o fim) no Senhor renovarão as suas forças. Subirão (contínuo crescimento de vida) com asas como águias; correrão e não se cansarão, caminharão e não se fadigarão.” (Bíblia VT - Livro de Isaías 40 : 31).
AGRADECIMENTOS
À Universidade do Estado de Santa Catarina – UDESC, e ao Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia dos Materiais do Centro de Ciências Tecnológicas por ter cedido os laboratórios e pela oportunidade da realização do presente trabalho.
Ao professor, orientador e amigo José Divo Bressan pela dedicação, apoio e competência, tornando-se fundamental na realização deste trabalho durante todo este período em que convivemos juntos.
À CAPES pela bolsa de estudo concedida.
À empresa Proelt Engenharia pelo trabalho da automatização desenvolvido para o funcionamento da máquina de ensaios de torção plástica em especial aos funcionários Juliano e Ricardo Pires que ajudaram na concretização deste processo.
Ao amigo Ricardo Pires pela disposição e atenção dadas neste período durante as extensas discussões quanto a melhor forma do funcionamento da máquina de ensaios de torção plástica.
Ao Dr. Balancin pela oportinidade de se conhecer o laboratório de conformação mecânica e em especial a máquina de ensaios de torção plástica a quente com seus mecanismos de funcionamento na UFSCAR em São Carlos – SP.
À todos os professores e colegas mestrandos do Curso de Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais que de forma direta ou indireta contribuíram para a realização deste trabalho.
Aos colegas Andrei Tramontin pela colaboração do funcionamento da parte mecânica da máquina de ensaios de torção e ao João Tabalipa pela confecção e preparação dos corpos de prova para os ensiaos de torção plástica e tração simples.
“Mas, como está escrito: As coisas que o olho não viu, e o ouvido não ouviu, e não subiram ao coração do homem, são as que Deus preparou para os que o amam.” (Bíblia NT – 1 Coríntios 2 : 9).
RESUMO
O presente trabalho teve como objetivo o desenvolvimento, operação e ensaios de uma máquina protótipo automatizada para a realização de ensaios de torção plástica a frio. O projeto e operação da máquina foram realizados no Laboratório de Conformação Mecânica da UDESC - Joinville (Universidade do Estado de Santa Catarina). Este equipamento consiste de uma máquina horizontal de ensaio de torção por meio do acionamento de um motor elétrico, volante, eixo e um sistema de controle e aquisição de dados.
A finalidade deste protótipo é realizar ensaios com materiais metálicos a fim de simular o comportamento à deformação plástica que ocorrem nos processos industriais de conformação de metais como na laminação e no forjamento a frio. Os ensaios são realizados com uma rotação constante que impõe uma taxa de deformação de cisalhamento constante. Variando-se as velocidades de deformação dos ensaios (através da mudança da rotação), é possível simular a laminação que utiliza taxas de deformações de 2/s no início do processo ou na etapa de desbaste até uma taxa de 10/s no acabamento final (no caso da laminação a frio). Sendo importante ressaltar que em relação a máquina de torção plástica, é necessário controlar e definir as velocidades de deformação para se obter uma boa repetibilidade de resultados. Através destes ensaios é possível determinar as propriedades mecânicas dos materiais tais como o módulo de elasticidade de cisalhamento (G), tensão limite de escoamento (
τ
esc), tensãomáxima (
τ
máx), tensão de ruptura (τ
rup), índice de encruamento (n) e coeficiente desensibilidade à taxa de deformação. Pode-se investigar tanto o comportamento mecânico como o tipo de fratura (dúctil ou frágil) e os mecanismos de ruptura que ocorrem na realização do ensaio de torção plástica.
No caso do aço SAE 1020, cobre, latão e alumínio recozidos os corpos de prova maciços e ocos (tubular) apresentaram uma fratura dúctil. O número de corpos de prova utilizados para os ensaios de torção plástica para o aço SAE 1020, latão e cobre recozidos foram 2 maciços e 2 ocos (tubulares) e para o alumínio 1 maciço e 2 ocos (tubulares).
De acordo com os resultados obtidos através da máquina de torção plástica não foi possível simular as mesmas condições de deformação que ocorrem no processamento industrial na laminação a frio devido limitações no sistema de aquisição de dados. Estas
apresentou uma baixa taxa de transferência de dados do CLP (controlador lógico programável) para o programa elipse scada. Foi utilizada então uma taxa de deformação de 2/s – 61 rpm (que é similar ao desbaste inicial no processo de laminação a frio) em função da limitação do equipamento de se variar este parâmetro, que se aproximou do desbaste inicial na laminação a frio.
Para determinação do “m” (sensibilidade a taxa de deformação) utilizaram-se curvas de tensão verdadeira logarítmica versus deformação verdadeira logarítmica obtidos nos ensaios de tração simples considerando uma média de 3 valores de deformação verdadeira para o aço SAE 1020 e alumínio recozidos com os diferentes valores de tensão verdadeira nas duas taxas de deformações usadas nestes ensaios que foram de 0,17x10-2/s e 3,34x10-2/s que se mantiveram constates. Para os materiais latão e cobre recozidos as mesmas curvas não apresentaram variação de valores de tensão verdadeira para as duas taxas consideradas, portanto o valor de “m” para estes materiais é zero. Neste caso não foi possível calcular a sensibilidade a taxa de deformação“m” nos ensaios de torção plástica, sendo necessário utilizar os mesmos valores obtidos nos ensaios de tração simples (como ponto de partida para os cálculos de tensão de cisalhamento e deformação de cisalhamento) , onde utilizaram-se 2 corpos de prova para o aço SAE 1020, latão, cobre e alumínio recozidos realizados na máquina universal de ensaios mecânicos.
Para se determinar as curvas de tensão de cisalhamento versus deformação, tensão equivalente versus deformação equivalente e as equações da plasticidade do aço SAE 1020, latão, cobre e alumínio recozidos, utilizaram-se os valores obtidos da aquisição de dados pelo programa elipse scada gerados em uma tabela contendo torque (Nm) e ângulo de rotação (graus), que por sua vez é convertida para o programa da Microsoft Excel. Através dos valores de torque e ângulo de rotação convertido para o Excel utilizaram-se as equações específicas (de acordo com os capítulos 4 e 5) para os corpos de prova maciços e ocos (tubulares) usados nos ensaios de torção plástica.
Nas curvas de tensão equivalente versus deformação equivalente observou-se que com a variação da taxa de deformação no aço SAE 1020 realizada nos ensaios de tração simples (taxa de 1,7x10-3/s) e torção plástica (taxa de 2/s) que não apresentou um aumento significativo na ductilidade ou alongamento total εf do material (16,5% na tração e 13,5% na
torção , ver fig. 5.9 ). Já no caso do latão (εf : 35% na tração e 15% na torção, fig. 5.10 ), para
o cobre (18% na tração e 47% na torção, fig. 5.11) e para o alumínio (10% na tração e 53% na torção, fig. 5.12) todos recozidos. Para os mesmos valores de taxa de deformação do latão, cobre e alumínio apresentaram um aumento significativo no alongamento total na torção, ou seja, estes materiais se deformaram mais antes de atingir a ruptura, embora tenha-se um aumento da velocidade de deformação realizada nos ensaios de torção plástica comparado com a tração simples.
De acordo com as curvas de torque versus ângulo de rotação para o aço SAE 1020, latão, cobre e alumínio recozidos observou-se que os corpos de prova ocos (tubulares) romperam quase imediatamente após atingirem o torque máxima sendo este o ponto de instabilidade plástica. Ou seja, a ruptura ocorreu imediatamente após atingir o ponto de instabilidade, sugerindo que a ruptura é devido a mecanismo associado a mecânica da instabilidade. Entretanto, existe alguma diferença sutil de comportamento entre os materiais: o cobre e o alumínio tiveram uma pequena deformação extra após o ponto de máximo. Em vista disto, podemos afirmar que no ensaio de torção plástica de metais, também temos a ocorrência do fenômeno da instabilidade e da localização da deformação plástica na estreita faixa da ruptura. Entretanto, praticamente não se observa a formação de uma redução no diâmetro útil dos cdps de torção como ocorre nos cdps de tração simples.
A computerized prototype machine for cold torsion testing has been developed, constructed and tested in the Laboratory of Metal Forming at UDESC (University the State the Santa Catarina) - Joinville. The equipment consists of a horizontal torsion machine, employing an electric motor, a wheel, a horizontal axle and a control and acquisition data system.
The goal of this torsion test machine is to simulate the conditions of industrial processing of metals as cold upsetting and rolling. Experimental tests were carried out at a constant angular speed which imposed a constant shear strain rate to the specimen. Setting the rotation speed to 60 rpm, it was possible to simulate the initial operation stage of sheet metal rolling process which utilizes the strain rate of about 2/s, and by increasing it up to the strain rate of 10/s , the final sheet calibration stage could be simulated (in cold rolling). To attain good repetibility of results in the torsion tests, the angular velocity must be controlled carefully to provide a sound bases for understanding the plotted curves and its features.
The torsion test has been carried out on materials such as annealed steel 1020, brass, pure copper and pure aluminium. The mechanical behavior of the metallic materials until fracture can be studied considering the rupture type (how for example is the features of ductile and brittle fracture). This test has been used to determine the mechanical properties of those metals after the plastic flow has taken place (as for example τesc, τmáx, τrup e “n”
work-hardening) that are obtained from the torque (M) versus twist angle (θ) curves. Thus, from measurements of the torque (M - Nm) and the angle of twist (θ - degree), it was possible to construct the shear stress (
τ
) versus shear strain (γ
), equivalent stress (σ ) versus equivalent strain (ε ) curves and obtain the work-hardening equations. The obtained results from the cold torsion tests has shown that the machine of plastic torsion is adequate for laboratory simulation of material in cold rolling and forging studies and also for the determination of mechanical properties of metallic materials.The observed equivalent stress and equivalent strain curves have shown that the total elongation or strain to fracture εf has not shown a meaningful increase with the strain rate for
1020 steel performed in simple tensile (strain rate 1,7x10-3/s) and plastic torsion (strain rate 2/s) : 16,5% in tensile test and 13,5% in torsion test, see figure 5.9. However, in the case of
brass (εf 35% in tensile and 15% in torsion, figure 5.10 ); for copper (18% in tensile and 47%
in torsion, see figure 5.11) and for aluminium (10% in tensile and 53% in torsion, see figure 5.12), all material were annealed. That is, for the same strain rate conditions as steel, these materials have shown a relevant increase in elongation for torsion test, or these materials have larger plastic strain before arriving fracture, although they have been tested in torsion with a higher strain rate compared with the simple tensile tests.
According to the torque (M) versus twist angle (θ) curves for annealed 1020 steel, annealed brass, annealed copper and annealed aluminium, it was observed that tubular specimens have ruptured almost immediately after arriving the maximum torque or the plastic instability point. That is, rupture occurred immediately after the instability point has been attained, suggesting that rupture mechanisms are associated to the mechanics of instability. However, there is a subtile difference of material behavior: copper and aluminium have presented an extra small strain after the point of maximum. In view of this, it can be asserted that in torsion test of metals there is also the occurrence of the instability phenomena and the plastic strain localization in the narrow rupture band. Although, local necking has not been noted as in simple tension test.
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO GERAL
Motivação do trabalho ... 01
Desenvolvimento dos processos de fabricação do aço ... 02
CAPÍTULO 1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 1.1.Uma breve história dos metais... 09
1.2. Ensaios mecânicos... 18
1.3. Torção plástica ... 23
CAPÍTULO 2. ANÁLISE TEÓRICA DO ENSAIO DE TORÇÃO 2.1. Introdução... 27
2.2. Modelamento matemático do ensaio de torção de eixos de seção circular ... 27
2.2.1. Deformação elástica ...…... 29
2.2.2. Deformação plástica... 31
2.2.3. Efeito da taxa de teformação... 40
2.2.4. Relações úteis de equações de tensão e deformação de cisalhamento... 42
2.3. Refinamento da teoria da torção plástica para altas taxas de deformação, anisotropia e temperatura ... 46 2.3.1. Desenvolvimento das equações através do método clássico ... 47
2.3.2. Materiais com anisotropia plástica na torção ... 55
2.4. Influência do tamanho do corpo de prova ... 58
2.4.1. Efeito do aumento de volume na torção... 61
2.4.2. Resultados experimentais do trabalho de Wu ... 64
2.5. Critério limite de escoamento... 67
2.6. Análise da instabilidade plástica na torção... 70
2.6.1. Ensaio de tração simples 70 2.6.1.1. Material com encruamento do tipo σo = σo (ε)... 71
2.6.1.2. Material com encruamento do tipo σ= σ (τy (εy) , MS ( ε))... 72
2.6.1.4. Material com encruamento do tipo σ=σ
( )
ε,ε& ... 762.6.2. Ensaio de torção plástica... 77
2.6.2.1. Deformações localizadas na torção... 79
CAPÍTULO 3. EQUIPAMENTO DE TORÇÃO PLÁSTICA 3.1. Introdução... 81
3.2. Dimensões do equipamento de torção plástica... 85
CAPÍTULO 4. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 4.1. Introdução... 86
4.2. Materiais ... 89
4.3. Ensaio de tração simples (Uniaxial)... 101
4.4. Ensaio de torção plástica ... 109
CAPÍTULO 5. RESULTADOS E DISCUSSÕES 5.1. Curvas da plasticidade dos ensaios de torção... 113
5.1.1. Gráficos das medições diretas do torque e do angulo de rotação... 113
5.1.2. Gráficos de medições indiretas da tensão de cisalhamento versus deformação... 118 5.1.3. Gráficos de medições indiretas da tensão equivalente versus deformação equivalente... 124
5.2. Caracterização das amostras após os ensaios de torção plástica... 132
5.2.1. Identificação da fratura no microscópio eletrônico de varredura (MEV).... 137
CAPÍTULO 6. CONCLUSÕES 6. Conclusões... 140
7. Sugestões de trabalhos futuros ... 145
ANEXOS ... 152 A.1. Esquema elétrico do funcionamento da máquina (cap.3)
Apêndice ... 156 Ap1. Dedução matemática complementar do capítulo 2
Lista de Símbolos
a - raio do corpo de prova maciço ou oco (tubular); a1 - raio interno do corpo de prova oco (tubular);
a2 - raio externo do corpo de prova oco (tubular);
B - constante definida pela equação (6 no apêndice1 cap. 2); C - limite de resistência do material;
c - constantes das equações de tensão e deformação equivalentes (c1, c2, c3 e c4) ;
E - módulo de elasticidade (modulo de Young); F - força;
f - valor médio da f
( )
γ,γ& definido pela equação (2.80);( )
γ,γ&f - ‘função correção’da forma da curva de escoamento;
( )
γ,γ&2
f - segunda aproximação da f
( )
γ,γ& , para r = rp (equação 5 do apêndice cap.2);G - modulo de elasticidade de cisalhamento; jk (a,a1) - Parâmetro definido pela equação 2.81;
k - índice da equação 2.81;
K0 - limite de escoamento do material (ver figura 2.2b e equação 2.15, 2.16);
K – Valor das tensões principais no estado de cisalhamento puro;
K(γzθ) – limite de resistência do material com encruamento devido o estado tensão de cisalhamento;
L - comprimento (útil) da seção cilíndrica do corpo de prova; m - sensibilidade a taxa de deformação do material;
M - torque;
M0 - torque calculado assumindo uma aproximação inicial para a curva de escoamento
(equação 2.84);
MP - torque normalizado (para o escoamento plástico);
n - índice de encruamento do material; p - abreviação (p = m + n);
r - distancia a partir do eixo do corpo de prova (fig. 2.1 e 2.4); rp - raio crítico;
x - variação relativa da dimensão x (fig. 2.9);
Z - eixo de coordenada (distância a partir do plano médio) do corpo de prova (fig. 2.7); β - constante definida pela equação (2.72);
ε - deformação;
ε& - taxa de deformação;
ε - deformação equivalente; dε - incremento de deformação;
ε0 - deformação no início do escoamento plástico;
ε1 - deformação na direção do eixo x (axial);
ε2 - deformação na direção y;
ε3 - deformação na direção z;
γ - deformação de cisalhamento;
γ0 - deformação de cisalhamento no início do escoamento plástico; γ& - taxa de deformação de cisalhamento;
γa - deformação de cisalhamento a partir do raio externo r = a (superfície);
a
γ& - taxa de deformação de cisalhamento a partir do raio externo do corpo de prova r = a; γa1 - deformação de cisalhamento considerando o raio interno do corpo de prova oco (tubular);
1
a
γ& - taxa de deformação de cisalhamento a partir do raio interno do corpo de prova oco r = a1;
γp - deformação de cisalhamento no raio crítico rp (apêndice cap.2);
p
γ& - taxa de deformação de cisalhamento no raio crítico rp (apêndice cap.2);
γr - tensão de cisalhamento a partir de uma distância radial r;
r
γ& - taxa de deformação de uma distancia radial r;
θ - ângulo de rotação;
θL - ângulo de rotação por unidade de comprimento (comprimento útil);
θ
& - taxa do ângulo de rotação;σf - limite de escoamento (equação 2.89);
σ - tensão equivalente;
σ0 - tensão no início do escoamento plástico;
σ1 - tensão na direção do eixo x (axial);
σ2 - tensão na direção do eixo y;
σ3 - tensão na direção do eixo z;
τ - tensão de cisalhamento;
τ0 - tensão de cisalhamento no início do escoamento plástico;
τa - tensão de cisalhamento a partir do raio externo r = a;
Motivação do Trabalho
Concluir o desenvolvimento de uma máquina para realização de ensaios de torção plástica no laboratório de conformação no departamento de Engenharia Mecânica;
Aprender a projetar e utilizar um sistema de aquisição de dados via computador para obtenção das curvas de tensão de cisalhamento versus deformação de cisalhamento em materiais metálicos.
Estudar o comportamento da deformação plástica a frio de metais, utilizando os ensaios de torção plástica, bem como a determinação das propriedades mecânicas dos mesmos.
Objetivos do Trabalho
Montar e operar uma máquina automatizada de ensaio de torção plástica de metais. Onde faz necessário, simular o comportamento à deformação plástica de ligas metálicas que ocorrem no processamento industrial da laminação e do forjamento a frio com a mesma taxa de deformação (2/s – 61 rpm - no desbaste inicial e 10/s – 300 rpm - no acabamento final como ocorre no processo de laminação de chapas metálicas).
Comparar as curvas equivalentes do comportamento plástico dos materiais metálicos aço SAE 1020, latão, cobre e alumínio comercialmente puro (todos no estado recozido) nos ensaios de tração simples com os ensaios de torção plástica, considerando diferentes taxas de deformações.
Determinar os comportamentos elástico e plástico na torção com as seguintes propriedades mecânicas: modulo de elasticidade de cisalhamento (G), limite de resistência do material ( K0), tensão máxima de cisalhamento (
τ
máx), tensão de ruptura (τ
rup), alongamentototal (
ε
t) e as equações de encruamento (σ = K(ε0 + ε)n ) dos materiais metálicos.Introdução Geral 2 .
Introdução Geral
O Desenvolvimento dos Processos de fabricação do Aço
Com o passar do tempo, as empresas siderúrgicas foram evoluindo seus processos de forma a desenvolverem produtos novos como é o caso do processo de laminação. Dentro deste processo desenvolveram aços laminados a quente, que são aços laminados em um laminador de tiras a quente, sendo um produto destinado mais a para indústria automobilística. Da mesma forma, desenvolveram-se os aços laminados a frio que são produtos fabricados a partir de laminados a quente por redução a frio da espessura das folhas, sendo destinados para fabricação de fogões, geladeiras.
Com base nos dados do IBS (IBS, 2001) é possível fazer um comparativo da produção de aço bruto nos anos 2001 e 2002 considerando a porcentagem, bem como a produção efetiva neste período referente aos processos de produção de laminação (produtos planos e longos), semi-acabados (barras ou tarugos) e outros (extrudados, forjados) conforme os gráficos abaixo.
No ano de 2001 observa-se na figura 1 que a produção de aço laminado no Brasil apresentou uma porcentagem de 67,5% em relação ao ano de 2002 com 64,39%. Observa-se que a produção de aço laminado na figura 2 no ano de 2001 foi de 18.0 73 (103 T) e no ano de
2002 figura 4 apresentou um crescimento para 19.060 (103 T), considerando um aumento no mesmo período para os semi-acabados que foi de 7.717 (103 T - 2001) para 8.841 (103 T - 2002) devido ao aumento da produção das siderúrgicas.
A produção de aço bruto no Brasil durante o ano de 2002 e início de 2003 se manteve em torno de 2500 toneladas conforme pode ser visto na figura 5. A produção de laminados planos no Brasil apresentou um aumento significativo durante o ano de 2002 de 800 para aproximadamente 1100 toneladas de acordo com a figura 6. Neste mesmo período de 2002 a produção de laminados longos teve um aumento de 590 para 700 toneladas (ver figura 7). A produção dos semi-acabados, entretanto, apresentou uma redução de 800 para 690 toneladas no período de 2002 e início de 2003 conforme a figura 8.
Produção de Aço no Brasil (Ano 2001)
Laminados
67,65%
Semi -
Acabados
28,88%
Outros
3,47%
Figura 1- Mostrando a porcentagem da produção de aço bruto no ano de 2001, com os respectivos processos de produção (conforme o Instituto Brasileiro de Siderurgia).
Produção de Aço no Brasil (103 Toneladas - Ano 2001) 7.717 927 18.073 Laminados Semi - Acabados Outros
Produção Total = 26.717 103 Toneladas (1000 T)
Figura 2 - Produção efetiva de aço bruto no ano de 2001, com valores respectivos de cada processo.
Introdução Geral 4 .
Produção de Aço no Brasil (Ano 2002)
Laminados 64,39% Outros 5,75% Semi - Acabados 29,86%
Figura 3 - A porcentagem da produção de aço bruto no ano de 2002, com os respectivos processos de produção.
Produção de Aço no Brasil (103 Toneladas Ano 2002) 19.060 1.703 8.841 Laminados Semi - Acabados Outros
Produção Total = 29.604 103 Toneladas (unid.: 1000 T)
Figura 4 - Produção efetiva de aço bruto no ano de 2002, com valores respectivos de cada processo.
Produção de Aço Bruto no Brasil 0 500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 J F M A M J J A S O N D J Meses Produção de Aço (10 3 Toneladas) 2002 2003
Figura 5 - Produção efetiva mensal no período 2002 e início de 2003 da quantidade de aço bruto produzida segundo o Instituto Brasileiro de Siderurgia (IBS).
Produção de Laminados Planos no Brasil
0 200 400 600 800 1000 1200 J F M A M J J A S O N D J Meses Laminados Planos (unid.: 10 3 Toneladas) 2002 2003
Figura 6 - Produção efetiva mensal no período 2002 e início de 2003 da quantidade de Laminados Planos (chapas metálicas, laminados a frio, laminados galvanizados, entre outros) produzida segundo o Instituto Brasileiro de Siderurgia (IBS).
Introdução Geral 6 .
Produção de Laminados Longos no Brasil
0 100 200 300 400 500 600 700 800 J F M A M J J A S O N D J Meses
Laminados Longos (unid.: 10 Toneladas)
2002 2003
Figura 7 - Produção efetiva mensal no período 2002 e início de 2003 da quantidade de Laminados Longos (barras, tarugos, hastes, produtos estruturais), produzida segundo o Instituto Brasileiro de Siderurgia (IBS).
Produção de Semi-Acabados no Brasil
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 J F M A M J J A S O N D J Meses Semi-Acabados (unid.: 10 3 Toneladas) 2002 2003
Figura 8 - Produção efetiva mensal no período 2002 e início de 2003 da quantidade de Semi-Acabados (barras que são utilizadas por processos de laminação a frio para se obter produtos de tamanhos menores, como tarugos, barras, tubos e etc.), produzida segundo o Instituto Brasileiro de Siderurgia (IBS).
O aço bruto após a sair do forno em barras ou tarugos com tamanho desejado é utilizada por alguns processos como laminação a frio ou a quente, trefilação, extrusão para se obter alguns produtos como chapas de várias espessuras, barras quadradas e circulares de tamanho menor, onde são vendidas pelo mercado nacional e internacional. Destes processos, um dos mais utilizados é a laminação, onde podem ser obtidos produtos como laminados planos(que são chapas metálicas) e laminados longos (que podem ser hastes, barras e produtos estruturais). Dentre estes produtos existe um mercado que utiliza em grande quantidade as chapas metálicas que são usadas de forma significativa nas empresas que produzem refrigeradores, ou também conhecida como a linha branca que engloba um grande número de produtos de uso doméstico, sendo também usado na indústria automobilística, aeronáutica, naval entre outras. Como matéria prima para a fabricação desta variedade de produtos em segmentos diferentes utilizam-se as bobinas de aço que são vendidas para mercado mundial.
Nestes últimos 2 anos (de acordo com o Instituto Brasileiro de Siderurgia – IBS) a variação do preço mundial das bobinas de aço tem apresentado um aumento significativo com a política econômica atual devido aos interesses internacionais que utiliza o Dolar (U$) como moeda oficial para negociações, mantendo assim os monopólios das empresas produtoras de aço no Brasil e nos principais países produtores de aço como China, U.E., Japão, C.E.I., E.U.A entre outros.
Através disso as bobinas laminadas a frio apresentaram um aumento de preço médio no mercado internacional de janeiro de 2002 a janeiro de 2003 de 37,2%. Já o caso das bobinas laminadas a quente obtiveram um aumento médio no mercado mundial no mesmo período de 41% (conforme das divulgados pelo Instituto Brasileiro de Siderurgia - IBS).
Desta forma o a produção de aço mundial no período de 2001 e 2002, apresentou variações significativas com relação ao preço das bobinas de aço que pode ser vistos nos gráficos abaixo.
Introdução Geral 8 .
Evolução Mundial do Preço da Bobina Laminada a Frio
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 J F M A M J J A S O N D J F M A M J J A S O N D J Meses
Preço Mundial da Bobina de
Aço em U$/ Tonelada
2001 2002 2003
Figura 9 - Preço da bobina de aço laminado a frio nos últimos 2 anos no mercado mundial em U$ por tonelada.
Evolução Mundial do Preço da Bobina Laminada a Quente
0 50 100 150 200 250 300 350 400 J F M A M J J A S O N D J F M A M J J A S O N D J Meses
Preço Mundial da Bobina de Aço em U$/ Tonelada
2001 2002 2003
Figura 10 - Preço da bobina de aço laminado a quente nos últimos 2 anos no mercado mundial em U$ por tonelada
Capítulo I - Revisão Bibliográfica
1 – Introdução
1.1 – Uma breve história dos metais
O conhecimento das propriedades, transformação e uso das matérias primas minerais apresenta tal grau de importância na história da evolução das sociedades humanas que foi eleito como um marco definidor do estágio de desenvolvimento de uma determinada cultura e das civilizações em geral, como na idade da pedra, do bronze, do ferro, etc..
Num primeiro momento, a necessidade e o instinto de sobrevivência levaram o homem a utilizar-se dos materiais da forma como são encontrados na natureza, tornando-os uma extensão natural do seu próprio corpo, confeccionando ferramentas e armas, multiplicando assim sua força e superando as limitações impostas por sua própria anatomia.
A partir de uma atenta observação, o homem começa a modelar objetos com formas e funções específicas, dando o primeiro grande passo no sentido de ordenar e classificar o universo, ou seja, o ambiente a sua volta. Desta forma, a sua sobrevivência, a guerra, o poder e a vontade de saber passam, então, a apresentar maior ou menor intensidade fazendo parte integrante do desenvolvimento da humanidade.
Antes do término do estágio da civilização denominada Idade da Pedra, este pesquisador primitivo que já havia inventado a roda e descobrira o método para fazer fogo, produz os primeiros utensílios de cerâmica. Assim, ao ter que buscar a proporção certa de argila água e calor para a confecção de objetos com composição e características específicas, dá início a transformação de materiais. O fogo, então, teve uma grande importância para o início da Idade dos Metais. Presume-se, que com seu uso, tenha ocorrido casualmente a fusão de alguns metais existentes nas rochas, utilizadas em um fogão rústica . É através deste período que o homem descobre a existência de metais na natureza. Sendo o cobre o primeiro metal a ser descoberto pelo homem na Babilônia.
Capítulo 1 – Revisão Bibliográfica . 10
Já no caso dos metais ferrosos eram constituídos principalmente de ferro. Existiam porém 2 fontes de metais ferrosos disponíveis no solo do planeta para que o homem pudesse utilizar para desenvolver seus objetos de uso pessoal ou de defesa. Estas fontes eram: o meterioto de ferro, minério de ferro nativo (Telluric Iron).
O ouro, o cobre, o estanho, a prata, e mesmo o ferro proveniente de meteoritos começam a ser utilizados em diferentes momentos e por diversos povos pré-históricos. O cobre por sua vez era obtido a partir da redução de minérios de ferro, onde através de um processo rústico de aquecimento atingia o estado líquido, sendo um produto extremamente importante para a época, podendo ser moldado em formas dando origem a adornos ou objetos de uso diário.
Na antiguidade, o uso de metais ferrosos utilizado pelo homem eram encontrados de forma fragmentada nas inscrições dos monumentos, palácios e túmulos que sobreviveram a fim de cada civilização antiga como a Assíria, Babilônia, Egito, Pérsia, China e mais tarde Grécia e Roma. Com o aumento dos registros arqueológicos escritos foram descobertas ferramentas atuais de metais e ornamentos usados por muitas pessoas da antiguidade, tal como implementos e jóias em muitas partes do mundo de que se tem algum registro da história da humanidade.
Esses materiais de constituição dúctil e maleável, eram facilmente moldados a frio com auxílio do martelo de pedra [Araujo, 1967], ou algum outro instrumento similar, sendo utilizados na confecção de adornos, conforme escavações arqueológicas em diferentes partes do planeta. O ferro, porém já era trabalhado também pelos egípcios antes do ano 4000 a.C., quando era denominado ``metal celeste`` onde apresentava este nome devido a origem em meteoritos caídos do espaço, onde foram encontrados contas de ferro (então considerado metal precioso) em tumbas de El-Gezirah (no Egito). Na Assíria, foram encontrados restos de barras de ferro, nas ruínas Ur, que confirmam a existência de comércio de metal. Mais tarde no século VI a.C., Nabucodonosor construiu os portões da Babilônia com pilares e vigas cobertas de cobre e reforçados com ferro. A Bíblia no livro de Gênesis, faz referência a Tubalcain que sabia forjar instrumentos de corte de ferro e de cobre (Gênesis cap.1 vers. 22). Nesta época, o ferro era considerado metal precioso e nobre, sendo utilizado quase que exclusivamente como material de adorno e joalheria.
Desta forma mais tarde o ferro era utilizado pelos esquimós (na Groelândia), na confecção de dardos e pontas de lança, onde foram descobertas facas primitivas feitas de pedaços de meteoritos.
Por volta de 4000 e 5000 a.C. tem-se o surgimento da metalurgia juntamente com a escrita, ocorrendo primeiramente na Suméria e espalhando-se posteriormente para a Europa. A partir deste período, o homem passa a dominar as técnicas fundamentais que até hoje constituem a base da metalurgia, como por exemplo: a fundição que permite a obtenção dos metais a partir dos seus minérios, e a formação de ligas que fornecem meios para a produção de metais com características especiais.
Neste primeiro momento são muitas as descobertas no desenvolvimento da metalurgia localizados num período que vai de 5000 a.C. ao II milênio d.C. [ABM, 1989], que caracteriza a idade dos metais: sucessivamente Idade do Cobre, Idade do Bronze e Idade do Ferro.
A Idade do Bronze será, portanto, definida pela presença frequente de materiais e objetos resultantes de ligas de cobre com outros metais não ferrosos, dentre os quais o arsênio, o chumbo, o antimônio e o zinco que eram os mais comuns. O bronze, porém, apresenta características apropriadas para a confecção de pontas de lança e outros instrumentos que exigiam maior resistência, tanto para a guerra como para uso doméstico. Com as misturas de cobre e estanho que formam o bronze, e o cobre e zinco que formavam o latão foram obtidos pelos ancestrais com metais encontrados e espalhados em diversos locais, que é resultado da fundição de metais próximo dos fornos antigos onde era derretido o minério de ferro. As altas temperaturas de fusão do ferro entretanto não impediam que os antigos pesquisadores obtivessem os metais líquidos em suas fornalhas primitivas.
As várias combinações do cobre com outros metais variavam de região para região e, aos poucos, as descobertas acidentais começavam a ser sistematizadas pelas práticas transmitidas por tradição familiar.
Desta forma não se sabe especificamente quando o homem primeiramente produziu aço pela redução do ferro a partir do minério de ferro, ou se o conhecimento de como com se obteve foi a partir de um ponto único da descoberta ou se foi desenvolvido independentemente em muitos locais do mundo ao mesmo tempo. Tem-se algumas referências
Capítulo 1 – Revisão Bibliográfica . 12
de metais ferrosos encontrados em escrituras antigas a partir da China e Índia que já eram usados nestas áreas em um período anterior a 2000 a.C.. Através disso com a intensa redução de minério de ferro para obtenção de metais se propagou de forma extensiva para outras regiões do mundo antigo no período entre 1350 a 1100 a.C..
Sendo importante ressaltar que a metalurgia com o passar do tempo, e a evolução dos processos para se obter o ferro, foram os grandes responsáveis pelas primeiras grandes transformações sociais da humanidade. Com o trabalho especializado surgiu a classe dos profissionais que não podiam dedicar-se a tarefa de provisão dos meios de subsistência. Eles tinham que ser sustentados por outros para produzirem os instrumentos necessários a sua defesa e a própria subsistência, surgindo a necessidade de aumentar o excedente. A localização das matérias primas em diferentes regiões provocou a introdução do sistema de trocas. Desta forma presume-se que as primeiras atividades metalúrgicas tenham ocorrido na região do Irã onde inicialmente, se reconheceu o cobre e se aplicou o processo de martelagem a frio. No IV milênio (d.C.), já se encontraram indícios da tecnologia de redução dos óxidos e de fundição.
Em seguida, com a retirada do enxofre que ocorreu no II milênio; enquanto o estanho já era conhecido na Suméria e no vale do Indo por volta de 3000 a.C..
Mais tarde, por volta dos séculos XV e XIV a.C. (em torno de 1400 a.C.) a fusão do minério de ferro para obtenção do metal (metalurgia do ferro) já era uma arte consolidada na Ásia Menor. A partir dos séculos XI e X a.C., começa a se fazer presente entre alguns povos da Europa penetrando posteriormente na África e em parte da Ásia. As primeiras descobertas [Childe Gordon, 1985] devem ter se dado ao acaso: “Algum egípcio pré-histórico pode ter deixado cair um pouco de malequita nas cinzas quentes de sua lareira e visto correr os brilhantes glóbulos de cobre metálico”. No entanto não podemos, porém, atribuir todo o começo puro e simplesmente, ao acaso.
A capacidade de observação do homem certamente ocorreu no período do que viria a ser a Idade dos Metais.
Estima-se que o homem das cavernas conhecia o ferro e suas virtudes como matéria prima para fabricação de armas e implementos agrícolas e incipientes.
Provavelmente as grandes fogueiras feitas no interior das cavernas foram circundadas por blocos de minério de ferro que, em contato com a madeira carbonizada, deixava-se reduzir incipientemente, fazendo
escorrer um metal pastoso que solidificava em contato com o solo frio sob a forma de barras amorfas.
Com o passar do tempo esse, fenômeno foi sendo utilizado de forma sistemática em fornos grosseiros construídos nas encostas de colinas para aproveitar o fluxo natural do vento e intensificar a queima da madeira.
A partir destes fatos o homem acumulara experiências com a cerâmica [Marcondes, 1990], já sentira a transformação química em suas mãos, estando agora diante de um fato novo: o sólido que se transforma em líquido e recupera sua solidez, ganhando assim uma resistência considerável para aquele início do processo. A partir disso o homem sente a necessidade de aquecer o cobre, fundi-lo e modelá-lo, onde ao resfria-lo tornasse duro com um gume mais eficaz do que lhe proporcionou a lasca da pedra. Descobre, então, que em contato com o carvão em combustão prolongada, o metal pode ser extraído de determinados tipos de pedras e que pode ser amassado, batido e cortado.
Diante disso os primeiros fornos destinados a fundição eram simplesmente buracos no solo nos quais eram depositados o minério e a lenha e posteriormente o carvão vegetal [Campos Filho, 1981]. A partir da percepção de que o vento ativa a combustão, o homem passa a utilizar o abano para agilizá-la e dessa forma, atingir mais rapidamente seus objetivos. Mais tarde os fornos passam a ser instalados em encostas expostos ao vento e ligados ao ar livre por valas que funcionavam como chaminés. Surgem numa outra etapa os foles rústicos fabricados com peles de animais.
Os métodos, porém, mais antigos para moldagem de metais consistem em covas abertas na areia ou na terra e, mais tarde, em moldes escavados em pedras. Desta forma o método da cera perdida também chegou a ser conhecido e utilizado por povos primitivos e antigas civilizações.
Vestígios de processos incipientes de redução de minério datam do ano de 500 a.C., encontrados nas Ilhas Britânicas e na Alemanha. Estes vestígios, porém são processos menos
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incipientes, datando do ano de 500 d.C., onde foram encontrados no Japão e na Índia. No Japão, especificamente o ferro era conhecido desde remota antiguidade, florescendo a arte de forjamento das espadas de samurais, na época do príncipe regente Shotoku (573 a 621 d.C.) Naquele país, durante séculos, o ferro era obtido mediante o processo TATARA, em fornos com fundo em forma de bacia. Na Índia, o aço da região de Wootz era obtido diretamente, reduzindo-se em pequenos cadinhos de argila, minérios de hematita e magnetita.
Nestas primeiras etapas da sua evolução, o ferro doce ou o aço doce eram obtidos diretamente do minério, mediante a ação do carvão-de-madeira (que pela queima fornecia o calor necessário as operações e, ao mesmo tempo, atuava como redutor).
No século XVII [Marcondes, 1990], podemos encontrar, no Peru, os mesmos processos primitivos de fundição, ali o bronze era obtido através do minério triturado em almofariz de pedra e aquecido em pequenos fornos, misturado a carvão vegetal e fezes de lhama. Da mesma forma em muitas partes do mundo a metalurgia evoluiu nas mais diversas épocas da evolução do homem.
Superada estas dificuldades para fusão e redução do ferro, seu uso se propaga e, aos poucos, ele vai se tornando o metal mais utilizado em todo o ocidente. Instaura-se então a Idade do Ferro.
Por volta do século X a.C., os gregos confeccionavam as suas espadas e cabeças de flechas com ferro, utilizando o bronze para as armaduras. Mais tarde os instrumentos destinados ao trabalho na terra passam também a ser feitos de ferro.
Foram os romanos que, entretanto, que, ao expandir seu império, divulgaram o uso do ferro e o transformaram em material propulsor da economia, introduzindo a prática da mineração e da fundição em todo seu vasto domínio.
Achados arqueológicos comprovam que no decorrer do século X a.C., aços de boa qualidade já eram produzidos na Índia, em pequena escala. As técnicas de tempera e revenido só seriam difundidas bem mais tarde pela civilização grega.
O aço, por sua vez, teria que aguardar a Revolução Industrial para atuar como metal de importância fundamental para civilização moderna.
Durante o período da Idade média, a Europa já considerava de maior importância comercial a produção do ferro. O forno de fabricação de ferro forjado que mais se generalizou,
e cujo emprego se prolongou por longo tempo, foi a ``forja catalã``, que foi desenvolvida na Penísula Ibérica e que consistia essencialmente em uma lareira industrial, que ainda hoje é utilizada em pequenas fundições domésticas. Nessa forja obtinha-se um tipo grosseiro de aço pela redução direta do minério, sem a obtenção intermediária de ferro gusa. Isso implicava na obtenção de uma liga pastosa que, ao solidificar, tornava-se frágil e quebradiça o que obrigava sua aplicação por meio de forjados excessivamente pesados e de seções maciças, em geral armas brancas de difícil manejo.
Os processos de cementação e fusão em cadinho, utilizados desde a antiguidade seriam aperfeiçoados apenas a partir do século XVIII.
No período medieval, o trabalho dos alquimistas, dos artesãos e mestres que trabalhavam os metais continuaria a trazer contribuições para o conhecimento dos minérios, dos metais e de suas propriedades.
Entretanto, a diferença entre o saber e o fazer, caracterizou a mentalidade medieval, não permitiu um avanço significativo das técnicas de trabalho e aplicação de metais, ou invenções, que ampliassem o universo da metalurgia.
Em meados do século XV é construído o primeiro alto forno, onde as condições de sopro são aperfeiçoadas, e se obtém, pela primeira vez, o metal líquido, que permite o vazamento do ferro em moldes. Está técnica possibilitará maior aplicação do metal na produção de utensílios domésticos como panelas calderões e outros, em instrumentos agrícolas, âncoras para navios e bombardas de canhões de grande porte. A partir deste feito a indústria siderúrgica ganha novo impulso.
Nos séculos XV e XVI, da familiaridade dos artesãos com as características do metais, e com as possibilidade de trabalhá-los surge uma nova consciência necessária da união entre o saber teórico, a execução e a experiência.
Na busca de soluções para os problemas surgidos em decorrência de uma nova realidade impulsionam o desenvolvimento da arte militar, metalúrgica, de mineração e navegação. Processa-se então o reconhecimento de que as artes mecânicas apresentam real interesse para desenvolvimento da ciência e das sociedades. Tem início da separação efetiva entre os procedimentos mágicos e religiosos e a ciência e a técnica, firmando-se a necessidade
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da codificação dos meios, através da pesquisa teórica orientada para resultados concretos e positivos. A revolução filosófica e científica do século XVIII e a invenção da máquina a vapor modificariam profundamente o modo de pensar e de viver dos homens que se concretizará na Revolução Industrial, marco de uma nova era da humanidade.
Em 1783, Henry Cort tirou a patente dos primeiros laminadores, usando cilindros com entalhes (caneluras) para produção de cilindros e barras [Herenguel,1976]. Desta forma os resultado das invensões de Cort sobre a industrias inglesa foi de tal modo importante que, em 1797, a Grã- Bretanha passou a ser exportadora de ferro e, logo depois, atingia a supremacia na produção mundial.
Desta forma a partir do ano de 1808, na Inglaterra , surge então o alumínio através do pesquisador Humphrey Davy. Mais tarde no ano de 1825, Oersted (outro pesquisador) obteve em Copenhague um pequeno glóbulo de alumínio, porém bastante impuro.
Woehler em 1829 dando sequencia ao trabalho de Oersted desenvolveu uma amostra de alumínio (cloruro de alumínio), por via química através do cloro argila e carbono. Esta amostra tratada com potássio liberava o alumínio na forma de pó, onde foi possível aglomerá-lo abrindo assim caminho para a metalurgia do pó, que seria um marco histórico para ciência nos próximos anos. Em 1854, Ste-Clarie Deville continuando os trabalhos de Whoeler substituiu o Cloruro de alumínio por um duplo cloruro de alumínio, sódio e potássio tendo o sódio como redutor, onde Deville utilizou um crisol inerte permitindo agrupar glóbulos de alumínio em um lingote metálico compacto e relativamente puro e desta forma se realizou pela primeira vez a fusão de um baixo fundente que apresenta um papel importante na técnicas atuais. Neste mesmo ano a propriedades fundamentais do alumínio permitiram prever a importância industrial deste novo metal que foram descritas por Deville como a condutividade térmica e a tenacidade. Desta forma as fontes dos primeiros materiais para determinação do alumínio foram a bauxita e a criolita.
A bauxita, que é um óxido complexo de alumínio, ferro e titânio que predomina na alumina e foi descoberta no ano de 1820 pelo pesquisador Berthier.
A criolita que é um fluoruro duplo de alumínio e sódio foi descoberta na Groelância que apresentava um papel muito importante processos eletrolíticos graças aos eu baixo ponto
de fusão e uma tendência para dissolver a alumina. Ainda em 1854 surgem as primeiras fábricas baseadas no procedimento químico já produzindo alguns quilos de metal.
Posteriormente com o desenvolvimento da industria em 1857 já se fabricavam em torno de 40 a 50 Kg diários de alumínio.
Em 1858 Ste-Clarie Deville mudou-se para Provenza, onde definiu-se as bases para a produção industrial francesa, juntamente com a sociedade do alumínio que era uma instituição de venda do produto. Neste mesmo período houve um aumento na produção de alumínio chegando em torno de 500Kg, no ano 1860 diminuindo assim o custo por kilo do metal continuando assim a exploração química até o ano de 1888, onde reaparece o procedimento eletrolítico em escala industrial.
Em 1886, Herold após um ano de pesquisa desenvolveu um equipamento para preparação eletrolítica que foi possível graças ao progresso realizado no campo da eletrecidade. Com base em todos estes procedimentos modernos de produção, o alumínio continuava sendo explorado quase que como única escala mundial, não havendo sofrido mudança de ordem tecnológica. É importante salientar que no mesmo período o pesquisador Heroult (engenheiro americano) desenvolveu procedimentos de obtenção de alumínio semelhantes ao de Herold. A industria do alumínio que havia sido desenvolvida exclusivamente na França, se desenvolve agora nos Estados Unidos reduzindo o custo do metal em 50% desde o começo do procedimento eletrolítico.
A partir de 1890 a produção global dos Estados Unidos e França atingiram o patamar de 120 toneladas por ano. Isto foi o ponto de partida para desenvolvimento industrial do alumínio no ano 1900, que atingiu uma produção mundial de 7300 toneladas por ano entre os principais países produtores.
Ao final do século XIX [ABM, 1989], toda a base conceitual da metalurgia moderna encontra-se desenvolvida. A exposição Universal de Paris, 1900 testemunharia a efervescência inventiva e o grande progresso científico em todos os setores.
O ferro e o aço se apresentam como os principais motores da modernidade, e o alumínio que até então se classificava na escala dos metais raros, devido as dificuldade de redução, apresenta-se como mais uma das recentes promessas da metalurgia contemporânea.
Capítulo 1 – Revisão Bibliográfica . 18
Com o passar do tempo, e evolução dos processos de fabricação dos metais do mundo, surgiu a necessidade de desenvolver metais que apresentassem melhores propriedades mecânicas com maior confiabilidade nos resultados obtidos.
Para desenvolver estas propriedades nos materiais, utilizaram-se vários ensaios mecânicos com o objetivo de se obter as propriedades mecânicas. Geralmente esses ensaios são destrutivos, promovendo assim a ruptura ou inutilização do material em uso. É importante ainda salientar que os ensaios não-destrutivos são utilizados para determinar propriedades físicas do metal, bem como para detectar defeitos internos no mesmo.
1.2 – Ensaios Mecânicos
Os tipos de ensaios destrutivos são classificados como ensaios de tração, dobramento, flexão, torção, fadiga, impacto, compressão e outros [Souza, 1982].
Desta forma quando os ensaios visam controlar a produção de determinado produto na indústria, estes tipos de ensaios são chamados ensaios de rotina. Estes ensaios podem ser efetuados em máquinas industriais, em laboratórios de análise ou indústria, e não necessitam de uma precisão muito grande de forma geral, onde admite-se um erro no equipamento de no máximo 1% para este tipo de ensaio. Entretanto para se determinar propriedades mecânicas com finalidades de estudo ou pesquisa de materiais devem-se utilizar máquinas mais precisas, que possuam aparelhagem de controle mais sensíveis que as máquinas comuns dos ensaios de rotina.
Estes ensaios mecânicos são realizados em materiais metálicos utilizando os seguintes tipos de esforços tais como flexão, tração, compressão, torção, cisalhamento e pressão interna, com o objetivo de determinar a resistência do material considerando o tipo de esforço solicitado. Para escolher o ensaio mecânico adequado para cada tipo de metal, vai depender da finalidade do material, bem como do tipo de esforço que o mesmo será submetido e das propriedades que se deseja medir.
De forma geral, existem especificações para todo o tipo de produto metálico fabricado e nestas especificações constam os ensaios mecânicos que precisam ser realizados para se
saber se produto esta de acordo com a finalidade proposta. Como fatores importantes para a realização do tipo de ensaio mecânico é importante considerar a quantidade e o tamanho das amostras a serem testadas. Portanto, as especificações do produto devem mencionar estes fatores já citados, juntamente com o modo de retirar as amostras para os testes, com o objetivo de que os mesmos sejam representativos com relação ao material ensaiado, dentro da ocorrência de variações nas propriedades, conforme a região a ser analisada.
Diante destas especificações passou a ser realizado em produção em industrial, através de ensaios mecânicos possibilitando o aperfeiçoamento de materiais metálicos e o estudo de suas propriedades mecânicas.
Os ensaios mecânicos podem também servir para comparação de diferentes materiais, juntamente com a análise química do material, avaliando assim de forma grosseira, a história prévia de um material desconhecido sem a necessidade de um exame metalográfico mais detalhado, ou seja, possibilitando uma melhor avaliação do material, o processo de fabricação e sua aplicação.
Alguns dos ensaios mencionados anteriormente permitem obter dados ou elementos numéricos que podem ser utilizados no cálculo das tensões e deformações de trabalho no projeto e desenvolvimento de uma determinada peça. Outros porém apresentam apenas resultados comparativos ou qualitativos do material e servindo para auxiliar ou completar o estudo de um projeto. Nestes ensaios é importante observar os resultados que foram obtidos, bem como suas limitações, para saber se é necessário realizar outro que forneça resultados mais confiáveis e apropriados de acordo com o tipo de projeto.
Dentre estes ensaios citados anteriormente, o ensaio que será enfatizado neste trabalho, é o ensaio de torção, que não é geralmente utilizado para especificações de materiais, sendo porém um ensaio de realização relativamente simples e que fornece dados importantes a respeito das propriedades mecânicas dos materiais. Entretanto, o ensaio de tração em muitos casos pode substituir o de torção devido fornecer maiores informações com cálculos mais simplificados considerando principalmente ensaios de rotina na indústria. No entanto, peças que na prática sofrem esforços torcionais como molas em espiral, barras de torção entre outros é sempre recomendado a realização de ensaios de torção.
Capítulo 1 – Revisão Bibliográfica . 20
Os corpos de prova que são utilizados nos ensaio de torção apresentam uma geometria específica, o que dificulta os ensaios de rotina, por isso este tipo de ensaio precisa ser realizado em laboratórios específicos.
A importância [Souza, 1982], do uso de corpos de prova tubulares e da dificuldade de se obter um escoamento nítido no ensaio de torção oferece algumas vantagens sobre o ensaio de tração. Devido a ausência da estricção pode-se obter grandes deformações até a ruptura sem causar mudança ou variação na distribuição das tensões, onde a curva tensão de cisalhamento versus deformação apresenta uma importância fundamental no estudo do comportamento plástico dos metais em várias temperaturas. Em função disso a velocidade do ensaio ou de deformação pode ser mais facilmente controlada, variando ou mantendo-se constante durante a realização do ensaio. Através disso existe um grande desenvolvimento do ensaio de torção a quente, com o objetivo de simular as estruturas metálicas produzidas por processos mecânicos como a laminação e forjamento. Um ponto importante na verificação deste ensaio é que a tensão máxima de cisalhamento na torção é o dobro da tensão na tração para um determinado valor de σmax .
Como a deformação plástica ocorre quando se atinge um valor crítico do τmax, e a
fratura frágil quando se atinge um valor crítico de σmax menor que no caso da torção. Isto torna
o ensaio de torção importante principalmente para o estudo de metais frágeis como o ferro fundido cinzento, onde no ensaio de tração o regime plástico não é alcançado.
Desta forma, pode-se mencionar que, devido as dificuldades deste tipo de ensaio, bem como a necessidade de se obter um corpo de prova melhor preparado em relação ao corpo de prova de tração (considerando principalmente um corpo de prova tubular ), o ensaio de torção é empregado com muito menos frequência que o ensaio de tração para os ensaios de rotina.
Assim, o ensaio de torção é mais utilizado em pesquisas e em aplicações específicas na Engenharia, bem como no desenvolvimento de novos processos. Diante destas observações os corpos de prova ensaiados podem ser eixos, hastes, cilindros maciços ou ocos, entre outras peças que estão sujeitos a esforços de torção durante o ensaio prático em laboratório, ou até mesmo peças em serviço prático dentro de algum equipamento (como por exemplo eixos de motores elétricos).
Ensaios de torção considerando grandes taxas de deformação promovem resultados que são importantes para o desenvolvimento da microestrutura em modelos constitutivos fenomenológicos de sólidos cristalinos, em corpos de prova de geometria especifica.
O ensaio de torção é um tanto complexo, já que com o aumento da tensão e deformação de cisalhamento as deformações axiais, circulares e tensão axial são também importantes, para realizar o ensaio de torção em um ensaio multi-axial. O surgimento da tensão ou deformação axial no teste de torção é geralmente conhecido como efeito axial. Desta forma alguns ensaios de torção são citados:
Pesquisadores do Ensaio de Torção Período Realizado
Poynting 1909 Swift 1947 Hughess 1952 Hodierne 1962 Roney 1967 e 1968 Bailey et al. 1972 Bill- Ington 1977
Lindholm et al., Van Arsdale et al. 1980
Montheillet et al. 1984
Wu e Xu; Lipkin e Lowe 1989
White et al. 1990
Weerasooriya e Swanson 1991
Toth et al. 1992
Miller e McDowell 1996
Tabela 1.1 – Ensaios de torção realizadas nos últimos anos (WU Hand-Chin, Xu Zhiyou and Wang Paul T. - 1998).
Capítulo 1 – Revisão Bibliográfica . 22
O ensaio de torção é amplamente usado na determinação do comportamento da tensão-deformação de metais [Sellars, 1978]. Quando as deformações são grandes como é o caso dos processos de desenvolvimento dos metais é importante buscar uma relação entre a tensão definida com respeito ao andamento da configuração do corpo de prova e deformação plástica acumulada durante o processo de deformação. Para validar um caso geral tri-dimensional é comum definir o estado de tensão e deformação através de seus respectivos tensores invariantes chamados tensão e deformação equivalentes. Entretanto quando a tensão equivalente pode ser determinada a partir do andamento da configuração do corpo, a deformação plástica equivalente deve ser determinada através do acréscimo da deformação plástica equivalente, levando em conta a mudança incremental na configuração do corpo durante o processo de deformação.
No início era necessário separar o incremento da deformação total em componentes elásticos e plásticos que são negligenciados em casos envolvendo grandes deformações plásticas como acontece no processo de desenvolvimento de metais. Consequentemente em cada caso o comportamento elástico pode ser negligenciado completamente e o aumento total da deformação pode ser considerado como o acréscimo da deformação plástica.
Apesar da aparente simplicidade, existe uma falta de argumentos para expressão correta da deformação equivalente em grandes deformações envolvendo o teste de torção. Muitos investigadores consideram despresível as grandes deformações, e continuam a usar a definição de pequenas deformações na deformação equivalente como são os casos de [Rossard et al., 1959, Robbins et al., 1961, Hodiere et al.,1963 e Ford, 1968], por outro lado existem autores como [Polakowski et al., 1966 e Dieter, 1976] que utilizam a expressão da deformação dada por [Eichinger, 1955] no Handbook editado por E. Siebel, o qual aparentemente leva em conta as limitações das deformações. Os métodos alternativos não afetaram somente a forma da curva de escoamento obtida a partir dos dados de torque/rotação, mas os procedimentos experimentais como por exemplo em testes de grandes deformações de materiais classificados como sensíveis, onde o tempo derivado da deformação equivalente deve ser constante durante o processo testado.
1.3 - Torção Plástica
Os ensaios de torção são utilizados para se verificar a deformação plástica nos metais, e as características de endurecimento da estrutura metálica submetida a esforços rotativos. Estes testes são realizados em uma máquina de ensaios de torção, que tem como finalidade simular em laboratório os processos de forjamento e laminação a quente e a frio que ocorrem nas siderurgias.
Os processos de trabalho a quente normalmente ocorrem acima da temperatura de recristalização do metal, já o trabalho a frio neste caso geralmente ocorre a temperatura ambiente, onde as prensas e os rolos laminadores necessitam de uma força maior para conformar a peças em relação ao mesmo esforço utilizado para conformar peças a quente. Como características dos processos de conformação a quente e a frio tem-se: Peças trabalhadas a quente apresentam maior conformabilidade, reduzindo assim as forças necessárias de deformação, maior desgaste, problemas de descamação, problemas de fadiga térmica, reduzindo a vida do ferramental e também baixa precisão dimensional.
Já o caso das peças trabalhadas a frio apresentaram boa precisão dimensional no final do processo, bom acabamento superficial, necessitando de pressões maiores entre o ferramental e as matrizes, pois o material apresenta maior dureza. Para o processo especifico de laminação a frio além de aumentar a dureza aumenta também a resistência a tração reduzindo assim a ductilidade e o tamanho de grão da estrutura do material.
No trabalho a frio a tensão de escoamento se eleva em função do fenômeno de encruamento, que no caso do trabalho a quente tem-se a influência da velocidade de deformação e do nível de temperatura. Consequentemente são introduzidas incertezas de comportamento devido as diferenças de estrutura do material nas condições de ensaio e nas condições de processamento, onde os ensaios mecânicos são realizados com corpos de provas retirados dos próprios produtos trabalhados dependendo da região usinada, podendo apresentar naturezas metalúrgicas diferentes.
As condições mecânicas que influenciam na conformabilidade dos metais se manifestam através de diferentes estados de tensão e de deformação que ocorrem nos diversos pontos do corpo de prova sob processamento.
Capítulo 1 – Revisão Bibliográfica . 24
Nos Processos quase - estáticos a distribuição de tensões e deformações se mantêm constante para um mesmo ponto geométrico do corpo de prova (como na laminação, extrusão e trefilação), ou seja, cada vez que o ponto físico do corpo de prova durante o processo de escoamento por um determinado ponto geométrico é submetido ao mesmo estado de tensão e de deformação.
Para o caso dos processos não estacionários, em um mesmo ponto geométrico a cada instante apresenta um estado de tensão e deformação diferente e que se altera com a mudança gradativa da forma geométrica do corpo de prova durante a deformação plástica (como é o caso da estampagem profunda e no forjamento). Portanto, o comportamento do material depende do estado de tensão e deformação em cada ponto do corpo e a conformabilidade é sensivelmente influenciada pelo tipo de processo de conformação aplicado. Por outro lado, um componente de fundamental importância é o atrito entre a peça de trabalho e a ferramenta de conformação devido aos esforços induzidos no corpo de prova e que alteram as condições de conformação, onde está associado ao atrito as condições de lubrificação, que constitui-se um fator de grande influencia e complexo para ser analisado.
Outro fator de influência mecânica significativa é a própria velocidade de processamento que impõe uma velocidade de deformação ao corpo onde o comportamento mecânico do material se altera com diferentes velocidades de deformação.
Nos ensaios mecânicos a quente os corpos de prova são recozidos a uma temperatura constante, antes ou no momento da aplicação dos esforços, sendo que esta situação muitas vezes não reproduz as condições reais de operação, no que se refere ao aquecimento para a conformação, onde surgem de forma significativa algumas notáveis diferenças entre tamanhos de grão durante a realização do processo.
Os processos forjamento e laminação, utilizam algumas variáveis como temperatura, tempo de conformação, taxa de deformação entre outras que tem como objetivo verificar a qualidade, e o comportamento de conformabilidade do aço utilizado em chapas, tarugos, lingotes entre outros produtos que são usados nos complexos industriais.
A torção plástica é utilizada para se verificar o comportamento do material mediante a relação tensão e deformação, quando submetido a esforços rotativos durante processos de conformação de metais. Devido a dificuldade de analisar o efeito destes processos no chão de
