Estampabilidade a quente de chapa espessa da liga de magnésio AZ31

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS

Faculdade de Engenharia Mecânica

ANDRÉ FABIANO RODRIGUES ARAUJO

Estampabilidade a quente de chapa espessa

da liga de magnésio AZ31

CAMPINAS

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ANDRÉ FABIANO RODRIGUES ARAUJO

Estampabilidade a quente de chapa espessa

da liga de magnésio AZ31

Orientador: Prof. Dr. Sérgio Tonini Button

CAMPINAS 2017

Dissertação de Mestrado apresentada à Faculdade de Engenharia Mecânica da Universidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos exigidos para obtenção do título de Mestre em Engenharia Mecânica, na Área de Materiais e Fabricação.

ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA DISSERTAÇÃO DEFENDIDA PELO ALUNO ANDRÉ FABIANO RODRIGUES ARAUJO, E ORIENTADO PELO PROF. DR SÉRGIO TONINI BUTTON.

... ASSINATURA DO ORIENTADOR

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Hot formability of the magnesium alloy AZ31 thick sheet Metal Forming

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS

FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA

COMISSÃO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE MANUFATURA E DE MATERIAIS

DISSERTAÇÃO DE MESTRADO

Estampabilidade a quente de chapa espessa

da liga de magnésio AZ31

Autor: André Fabiano Rodrigues Araujo

Orientador: Sergio Tonini Button

A Banca Examinadora composta pelos membros abaixo aprovou esta Dissertação: Prof. Dr. Sergio Tonini Button, Presidente

DEMM-FEM-UNICAMP

Profa. Dra. Alessandra Cremasco FCA-UNICAMP

Prof. Dr. Rodrigo José Contieri FCA-UNICAMP

A ata da defesa com as respectivas assinaturas dos membros encontra-se no processo de vida acadêmica do aluno.

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Dedicatória

Dedico este trabalho primeiramente a Deus, Senhor e Salvador de minha vida. Sem Ele não teria condições de chegar a esta etapa. Ele me sustentou, me guiou e colocou pessoas em minha vida durante momentos difíceis nestes dois anos de mestrado. A primeira delas é minha mãe, que me ajudou e me aconselhou durante os momentos tristes ocorridos nestes dois anos de mestrado, me dando forças para continuar na caminhada. Poderia escrever sobre ela durante horas, mas me resumo a agradecer por ser filho dela. Agradeço também ao Professor Doutor Sérgio Tonini Button. O mesmo foi meu professor na graduação, me ajudou no trabalho de iniciação científica e no trabalho de conclusão de curso. Uma pessoa com caráter excepcional, primazia em suas aulas e uma pessoa com quem se pode contar. Agradeço também a outros dois professores. O primeiro deles também foi meu professor de graduação e de pós-graduação. Assim como o Button, o professor Anselmo é uma pessoa extraordinária, que se dedica ao ensino, ministrando aulas com conteúdo abrangente. Ambos nos fazem concluir que ser professor é um dom. Agradeço uma terceira pessoa, o Professor Doutor Rosley Anholon. Tive a oportunidade de conhece-lo em uma disciplina que fiz durante o mestrado. O mesmo abriu meus olhos, através de sua disciplina, para um horizonte de assuntos não somente relativos à engenharia, mas como as empresas deveriam se organizar em relação ao meio em que estão inseridas. Da mesma forma que os dois professores já mencionados, suas aulas são impecáveis. Dedico este trabalho também todos os funcionários da FEM, desde o pessoal da limpeza até o diretor da Faculdade. Sem eles, a conclusão deste trabalho seria impossível. Gostaria de agradecer ao pessoal do laboratório de materiais, dentre eles o Sr. José Luís, a Claudenete e o Eduardo. Essas pessoas foram fundamentais durante as análises deste trabalho.

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Agradecimentos

Os autores agradecem o suporte financeiro deste estudo pela FAPESP (Processo 2016/15792-8) e ao CNPq pela bolsa de estudos de um dos autores.

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Resumo

O objetivo principal deste trabalho é a determinação da estampabilidade a quente de uma chapa espessa da liga de magnésio AZ31B. Ao longo da revisão bibliográfica foram discutidos os tópicos que englobam a produção mundial de magnésio; as formas de uso de tais ligas, que são amplamente empregadas em processos de fundição, e pesquisas relacionadas ao uso adequado na estampagem; as características da liga de magnésio AZ31B e como tais ligas são classificadas; a aplicação de liga de magnésio AZ31B; como essa liga se comporta em temperatura ambiente e o impacto do aumento da temperatura e taxa de deformação; os efeitos da adição de terras raras as ligas de magnésio e seus impactos na textura, os impactos da recristalização dinâmica em altas temperaturas e diferentes taxas de deformação, além das curvas de conformação limite, e o ensaio Nakazima de tais ligas. O planejamento experimental foi baseado em diferentes ensaios e análises. Para tanto, foram retirados corpos-de-prova de uma chapa comercial que foram submetidos a ensaios de tração em diferentes temperaturas e taxas de deformação e, a partir dos resultados obtidos durante os ensaios, foram analisados os efeitos da temperatura e da taxa de deformação sobre as propriedades mecânicas sob tração. Além disso, com base nesses resultados, mapas de processamento foram elaborados de forma a se determinar as regiões seguras de deformação a quente, definidas pelo máximo rendimento na dissipação de energia. Esses mapas também foram úteis para se definir as regiões onde podem ocorrer instabilidades durante a deformação da liga AZ31B, que devem ser evitadas no planejamento da estampagem a quente dessa liga de magnésio. A análise de modo de fratura com microscópio eletrônico de varredura e o uso de microscopia óptica para avaliação de recristalização dinâmica foram realizadas nas regiões de fratura dos corpos de prova ensaiados. Além das análises descritas acima, foram feitos ensaios em diferentes temperaturas de forma a se avaliar o comportamento da anisotropia com o aumento da temperatura. Por fim, foram realizados ensaios Nakazima de forma a se obter a curva limite de conformação das chapas espessas de liga de magnésio AZ31B.

Palavras-chave: Metalurgia física, chapas espessas, mapa de processamento, ensaio de tração a quente, modo de fratura, recristalização dinâmica, ensaio Nakazima.

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Abstract

The main objective of this work was to evaluate the hot formability of a thick plate of AZ31B magnesium alloy. Throughout the review of the literature several topics were discussed such as the world production of magnesium; the different ways those alloys are widely used in casting processes, and the studies that have been done to the proper use of those alloys in forming processes; the main characteristics of alloy AZ31B, and how they are classified; the application of this alloy; how this alloy behaves in room temperature and the impact of increasing temperature and strain rate; the effects of rare earth elements in magnesium alloys, and the impacts on the texture; the impacts of dynamic recrystallization in high temperatures, and different strain rates, and the forming limit diagrams using Nakazima tests. The experimental analysis was based on different tests and analysis. Specimens for hot tensile tests were cut off one commercial plate and tested at many temperatures, strain rates, and direction of specimens in respect to the rolling direction. Results from the tensile tests were analyzed and then used to plot processing maps to define the safe regions for the hot forming of the alloy where the energy dissipation was more efficient. The processing maps were also useful to find the regions where the metal flow could be unstable which must be avoided when planning the hot stamping of the AZ31B magnesium alloy. The analysis of fracture modes using scanning electronic microscopy optical microscope was carried out to observe if dynamic recrystallization was present in some regions of the fractured specimens resulted from the tensile tests. Besides the analysis above described, tensile tests varying temperature were done to evaluate how anisotropy was influenced by working temperature. Finally, Nakazima tests were performed to build the forming limit diagram and evaluate the hot formability of thick plates of magnesium alloy AZ31B.

Key words: Physical metallurgy, thick plates, processing maps, tensile tests, fracture modes, dynamic recrystallization, Nakazima tests

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Lista de Ilustrações

Figura 1 - Evolução da produção anual de ligas de magnésio (KAINER et al., 2010) ... 22

Figura 2 - Perfil da produção mundial de magnésio (U.S.Geological Survey, 2015) ... 24

Figura 3 - Tensão x alongamento para a liga AZ31B em função da temperatura (YI et al., 2006). ... 31

Figura 4 - Tensão x deformação para diferentes temperaturas (Fuh-Kuo Chen, 2003) ... 32

Figura 5 - Anisotropia em função da temperatura - KOIKE et al., 2003 ... 32

Figura 6 - Anisotropia em função da Temperatura (AGNEW et al., 2005) ... 33

Figura 7 - Alongamento em função da temperatura (ZHANG et al., 2006)... 34

Figura 8 – Comparação das tensões de cisalhamento de planos basais, piramidais, prismáticos e para a formação de maclas (BARNETT, 2003). ... 35

Figura 9 - Direções de extração dos corpos-de-prova nas direções de laminação, normal e transversal (RD, ND e TD) (YUANLI et al., 2016). ... 36

Figura 10 - Representação dos planos de deslizamentos da estrutura HC (HOUSH et al., 1990) ... 38

Figura 11 - Microestrutura da chapa de magnésio AZ31 como recebida (HUA et al., 2014).. 42

Figura 12 - Ensaios de estampagem com diâmetros de disco variando de 100 até 115mm, com ajuste de força (HUA et al., 2014) ... 42

Figura 13 - Ensaios de estampagem com diâmetros de disco variando de 100 até 115mm, com força constante e baixa (HUA et al., 2014) ... 43

Figura 14 - Ensaios de estampagem com diâmetros de disco variando de 100 até 115mm, com força de sujeição constante e alta (HUAet al., 2014) ... 43

Figura 15 – Regiões da peça obtida por estampagem (HUA et al., 2014) ... 44

Figura 16 - Espessura de deformação x distância do fundo à borda do copo (HUA et al., 2014) ... 44

Figura 17 - Microestrutura das regiões da peça apresentada na Figura 15 - (a) e (e) fundo da peça, (b) e (f) transição do fundo para a parede, (c) e (g) parede, (d) e (h) borda da peça- (HUA et al., 2014) ... 46

Figura 18 - Microestrutura das regiões da peça apresentada na Figura 14 - (b) Fundo da peça, (c) transição do fundo para a parede superior, (d) parede, (e) transição do fundo para a parede inferior, (f) Flange (HUA et al., 2014) ... 47

Figura 19 - Tensão de escoamento x deformação em função da temperatura (LEE et al., 2007) ... 50

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Figura 20 - Peças formadas nas condições de temperatura ambiente, 250°C e 400°C ... 50

Figura 21 - Microestruturas em diversas regiões da peça ensaiada a 250°C (LEE et al., 2007) ... 51

Figura 22 – Diagramas de conformação limite para diferentes temperaturas de estampagem (LEE et al., 2007) ... 52

Figura 23 - Comparação entre resultados de simulação e ensaios reais à temperatura ambiente (LEE et al., 2007) ... 53

Figura 24 - Operações elementares de chapas (PLAUT, 2003) ... 54

Figura 25 - Ensaios de estampabilidade de chapas (PLAUT, 2003) ... 54

Figura 26 - Ferramentas usadas no ensaio Nakazima (XAVIER, 2014) ... 55

Figura 27 - Diferentes larguras de corpos de prova usados no ensaio Nakazima (XAVIER, 2014) ... 55

Figura 28 - Curvas CLC obtidas via ensaio Nakazima (XAVIER,2014) ... 56

Figura 29 - Tipos de solicitação em função das deformações maior e menor (XAVIER,2014) ... 56

Figura 30 - Efeito da temperatura na CLC (v=0,1mm/s) (AMBROGIO et al., 2008) ... 57

Figura 31 - Aparato usado no ensaio Nakazima por CASARI et al., 2006. ... 58

Figura 32 - CLC para o material IF260, malhas de 3 (a) e 5mm (b) (CASARI et al., 2006) ... 59

Figura 33 - CLCs para o material IF260 com malhas de 3mm obtidas (a) nos ensaios e (b) teórica baseada na equação de Keeler (CASARI et al., 2006) ... 59

Figura 34 - CLCs para o aço IF260 obtidas com (a) punção de 50mm, (b) punção de 110mm e (c) curva teórica (CASARI et al., 2006) ... 60

Figura 35 - CLCs para o aço DP500 obtidas com (a) punção de 50mm, (b) punção de 110mm e (c) curva teórica (CASARI et al., 2006) ... 60

Figura 36 - CLCs para a liga AA5182 obtidas com (a) punção de 50mm, (b) punção de 110mm e (c) curva teórica (CASARI et al., 2006) ... 61

Figura 37 - Variação do coeficiente de atrito durante um ensaio Strip Friction Test com o aço IF260 usando como lubrificante Adiprene e graxa (CASARI et al., 2006) ... 62

Figura 38 - Curvas CLCs para a chapa de aço IF260, com uma malha de 3mm, diâmetro de punção de 50mm e lubrificação: com graxa (a) e com Adiprene e graxa (b) ... 63

Figura 39 - Tensão verdadeira x deformação verdadeira para liga AZ31B em diferentes temperaturas em ensaios quasi-estáticos (ULACIA et al., 2011). ... 66

Figura 40 - Tensão verdadeira x Deformação verdadeira para liga AZ31B em diferentes temperaturas em ensaios com altas taxas de deformação (ULACIA et al., 2011). ... 66

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Figura 41– Ensaios e análises realizadas no desenvolvimento deste estudo. ... 71

Figura 42 - Posicionamento de corte com relação à chapa de magnésio AZ31 ... 72

Figura 43 - Corpo de prova de acordo com norma ASTM E8 – dimensões em mm. ... 74

Figura 44 - Equipamento utilizado nos ensaios de tração. ... 74

Figura 45 - Fixação do corpo de prova no equipamento de ensaios MTS. ... 75

Figura 46 - Cojunto de hardware e software para controle e aquisição de dados. ... 75

Figura 47 - Tensão verdadeira x deformação verdadeira ... 78

Figura 50 - Ln(Tensão verdadeira) x Ln(Taxa de deformação) ... 80

Figura 51 - Ln(m/(m+1)) x Ln(Taxa de Deformação) ... 81

Figura 52 - (a) Região da Fratura (b) Região do topo da fratura analisada no MEV ... 82

Figura 53 - Direção de corte para análise por microscopia óptica. ... 83

Figura 54 - Face longitudinal do corpo de prova. ... 83

Figura 55 - Corpos de prova para os ensaios Nakazima... 84

Figura 56 – Razão limite de embutimento x temperatura (ZHANG et al., 2006) ... 84

Figura 57 - Ferramental usado nos ensaios Nakazima. ... 85

Figura 58 – Representação do ferramental para o ensaio Nakazima – (a) Vista m perspectiva (b) vista detalhada. ... 85

Figura 59 - Dimensões das ferramentas usadas nos ensaios Nakazima ... 85

Figura 60 - Equipamento de gravação eletroquímica Tecnigrav Compact 100. ... 87

Figura 61 - Matriz de gravação com círculos de 2,5mm de diâmetro. ... 87

Figura 62 - Malha aplicada sobre a superfície de um corpo de prova. ... 88

Figura 63 - Corpos de prova fraturados - taxa de deformação de 0,001/s ... 92

Figura 64 - Corpos de prova fraturados - taxa de deformação igual a 0,01/s ... 93

Figura 65 - Corpos de prova fraturados – taxa de deformação igual a 0,1/s ... 93

Figura 66 – Curvas de escoamento obtidas nos ensaios de tração com taxa de deformação de 0,001/s. ... 94

Figura 67 - Curvas de escoamento obtidas nos ensaios de tração com taxa de deformação de 0,01/s. ... 94

Figura 68 - Curvas de escoamento obtidas nos ensaios de tração com taxa de deformação de 0,1/s ... 95

Figura 69 - Resultados obtidos na mesma direção de corte (DL) com taxas de deformação distintas e variação de temperatura ... 95

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Figura 70 - Resultados obtidos na mesma direção de corte (45⁰ ) com taxas de deformação

distintas e variação de temperatura ... 96

Figura 71 - Resultados obtidos na mesma direção de corte (DT) com taxas de deformação distintas e variação de temperatura ... 96

Figura 72 - Curvas de escoamento obtidas nos ensaios de tração a 250°C. ... 98

Figura 75 - Resultados obtidos a 250⁰ C com direções de obtenção de CDP distintas e variação de taxa de deformação... 99

Figura 78 - Tensão verdadeira máxima e deformação até a fratura, ... 101

Figura 81 - Corpos de prova ensaiados a 250⁰ C e taxa de deformação de 0,001/s ... 104

Figura 82 - Corpos de prova ensaiados a 370⁰ C e taxa de deformação de 0,001/s ... 105

Figura 83 – Coeficiente de anisotropia normal para cada direção de corte do corpo de prova. ... 106

Figura 84 - Variação do coeficiente de anisotropia média com o aumento da temperatura (a) Resultados obtidos (b) Anisotropia em função da Temperatura (AGNEW et al., 2005) ... 106

Figura 85 - Mapa de processamento para ε = 0,100 ... 109

Figura 86 - Mapa de processamento para ε = 0,125 ... 109

Figura 87 - Mapa para a condição de ε = 0,150 ... 110

Figura 88 - Mapa para a condição de ε = 0,200 ... 110

Figura 89 – Mapa de processamento para ε = 0,240 ... 111

Figura 90 Corpos de prova ensaiados com taxa de deformação de 0,001/s ... 113

Figura 91 - Micrografias da superfície de fratura para a taxa de deformação de 0,001/s e diferentes temperaturas - MEV... 114

Figura 92 - Micrografias da superfície de fratura para a taxa de deformação de 0,01/s e diferentes temperaturas - MEV... 115

Figura 93 - Micrografias da superfície de fratura para a taxa de deformação de 0,1/s e diferentes temperaturas – MEV ... 116

(13)

Figura 94 - Comparação entre aspectos de fraturas de trabalhos distintos analisadas no MEV

... 117

Figura 95 - Micrografias das fraturas a diferentes taxas de deformação – MEV ... 118

Figura 96 - Micrografias das fraturas a altas temperaturas - MEV ... 119

Figura 97 - Amostras ensaiadas à temperatura ambiente e taxa de 0,001/s – MO ... 120

Figura 98 - Amostras ensaiadas a 250⁰ C e taxa de 0,001/s – MO ... 120

Figura 99 – Micrografia da amostra obtida no ensaio a 250°C e taxa de deformação de 0,001/s - MO ... 121

Figura 100 - Micrografia da amostra obtida no ensaio a 310°C e taxa de deformação de 0,001/s - MO ... 121

Figura 105 - Micrografias obtidas para as condições 2 e 8 - MO ... 124

Figura 107 - Micrografias obtidas para as condições 4 e 10 – MO ... 125

Figura 110 - Micrografias obtidas para as condições 3 e 7 – MO ... 127

Figura 111- Influência da temperatura e da taxa de deformação na fração recristalizada dinamicamente (CHANGIZIAN et al., 2012). ... 127

Figura 112 - Corpo de prova obtido sem falha ou ruptura ... 128

Figura 113 - Corpo de prova obtido com falha ou ruptura. ... 128

Figura 114 - Corpos de prova deformados nos ensaios Nakazima - Parte 1 ... 129

Figura 115 – Resultados experimentais, curvas teóricas e curvas obtidas em trabalhos de outros autores. ... 132

Figura 116 - Resultados experimentais e curvas teóricas deste trabalho. ... 133

Figura 117 – Resultados experimentais e curvas teóricas e experimentais de trabalhos de outros autores. ... 134

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Figura 118 – Variação da taxa de deformação na simulação do ensaio Nakazima com corpo de

prova de largura igual a 40mm – taxa média de deformação igual a 0,1/s. ... 135

Figura 119 - Curva limite de conformação e regiões de deformação – CALDIN, 2006... 136

Figura 120 - Zona de instabilidade apresentada no corpo de prova C1. ... 136

Figura 121 - Zona de instabilidade apresentada no corpo de prova D1 ... 137

Figura 122 – Curvas limites de conformação e resultados do corpo de prova D1. ... 138

Figura 123 - Mapa de processamento para ε = 0,1 e região que representa o corpo de prova D1. ... 139

Figura 124 - Comprimento inicial e final do corpo de prova ... 141

Figura 125 - Espessura inicial e final do corpo de prova ... 142

Figura 126 - Largura inicial e final do corpo de prova ... 143

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Lista de Tabelas

Tabela 1 - Propriedades físico-químicas e mecânicas do magnésio puro (KLEINER et al.,

2004) ... 26

Tabela 2 - Classificação das ligas de magnésio de acordo com composição química e tratamento termomecânico ... 28

Tabela 3 - Propriedades de diferentes ligas de magnésio e tratamentos termomecânicos ... 29

Tabela 4 - Características cristalográficas dos sistemas de deslizamento em metais com estrutura HC (ZARANDI, 2007). ... 38

Tabela 5 - Coeficiente e atrito para quatro diferentes condições de lubrificação... 62

Tabela 6 - Parâmetros utilizados nos ensaios de tração a quente (WU et al, 2011) ... 65

Tabela 7 - Composição Química da Liga de Magnésio AZ31B - Fornecedor ... 70

Tabela 8 - Propriedades mecânicas da liga de magnésio AZ31B - Fornecedor ... 70

Tabela 9 - Características superficiais e tolerâncias da chapa utilizada - Fornecedor ... 71

Tabela 10 - Parâmetros de ensaio de tração ... 73

Tabela 11 - Condições de ensaio para cálculo dos coeficientes de anisotropia ... 77

Tabela 12 – Deformações usadas para construção dos mapas de processamento ... 77

Tabela 13 - Condições ensaiadas e utilizadas para construção de mapas ... 77

Tabela 14 - Tensão verdadeira para diferentes taxas de deformação e temperaturas ... 79

Tabela 15 - Comparação das composições químicas da chapa AZ31B ... 90

Tabela 16 – Condições de realização dos ensaios de tração... 91

Tabela 17 - Valores máximos de tensão verdadeira e deformação verdadeira. ... 103

Tabela 18 – Resultados da determinação dos coeficientes de anisotropia ... 105

Tabela 19 - Condições ensaiadas e utilizadas para construção dos mapas ... 107

Tabela 20 - Deformações usadas para obtenção de mapas de processamento ... 108

Tabela 21 - Condições de testes das fraturas analisadas para corpo de prova obtido à 45° da direção de laminação DL ... 112

Tabela 22 - Condições de ensaio dos corpos de provas analisados ... 119

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Lista de Abreviaturas e Siglas

Símbolo Definição Unidade

a Parâmetros de rede nm

<a> Vetor de Burgers -

Al Elemento alumínio c Parâmetros de rede nm Ca Cálcio - DL Direção de laminação - DT Direção transversal - DRX Recristalização dinâmica - Fe Elemento ferro - Cu Elemento cobre - Ni Elemento níquel - Mg Elemento magnésio - Mn Elemento manganês - Si Elemento silício - Zn Elemento zinco - Th Elemento tório - TH Temperatura homóloga K Ce Elemento cério - σ Tensão MPa ε Deformação mm 𝜀 Taxa de deformação 1/s

εw Deformação verdadeira desenvolvida na largura -

εt Deformação verdadeira desenvolvida na espessura -

l0 Comprimento inicial mm

lf Comprimento final mm

ƞ Eficiência da dissipação energética -

parâmetro de instabilidade plástica -

ωo Largura inicial mm

ωf Largura final mm

r Anisotropia normal -

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Sumário

1 INTRODUÇÃO ... 19

1.1 MOTIVAÇÃO E OBJETIVOS ... 20

2 REVISÃO DA LITERATURA ... 21

2.1 ORIGEM DO MAGNÉSIO ... 21

2.2 HISTÓRIA DO USO DO MAGNÉSIO ... 22

2.3 A PRODUÇÃO MUNDIAL DE MAGNÉSIO ... 23

2.4 FABRICAÇÃO E PROCESSAMENTO DO MAGNÉSIO NA INDUSTRIA AUTOMOBILISTICA ... 25

2.5 AS LIGAS E CARACTERÍSTICAS DO MAGNÉSIO ... 26

2.6 CLASSIFICAÇÃO DAS LIGAS DE MAGNÉSIO ... 28

2.7 APLICAÇÃO DAS LIGAS DE MAGNÉSIO ... 29

2.8 O COMPORTAMENTO DA LIGA AZ31B COM RELAÇÃO À DEFORMAÇÃO E ANISOTROPIA ... 30

2.9 O EFEITO DAS MACLAS ACIMA DE 200°C ... 34

2.10 CRISTALOGRAFIA DAS LIGAS DE MAGNÉSIO ... 37

2.11 EFEITOS DE TERRAS RARAS NA TEXTURA ... 39

2.12 RECRISTALIZAÇÃO DINÂMICA ... 41

2.13 RAZÃO LIMITE DE EMBUTIMENTO ... 41

2.14 DIAGRAMA DE CONFORMAÇÃO LIMITE ... 49

2.15 ENSAIO NAKAZIMA ... 53

2.16 O EFEITO DA LUBRIFICAÇÃO EM ENSAIOS NAKAZIMA ... 61

2.17 SIMULAÇÃO NUMÉRICA DO ENSAIO NAKAZIMA ... 64

2.18 ENSAIOS DE TRAÇÃO E ESTAMPABILIDADE ... 65

2.19 MAPAS DE PROCESSAMENTO ... 67

3 MATERIAIS E MÉTODOS ... 70

3.1 MATERIAL UTILIZADO ... 70

3.2 METODOLOGIA EXPERIMENTAL ... 71

3.3 ANÁLISE DE COMPOSIÇÃO QUÍMICA DO MATERIAL ... 72

3.4 ENSAIOS DE TRAÇÃO ... 72

3.5 DETERMINAÇÃO DOS COEFICIENTES DE ANISOTROPIA ... 76

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3.7 ANÁLISE DE MODO DE FRATURA ... 81

3.8 ANÁLISE DA MICROESTRUTURA POR MICROSCOPIA ÓPTICA ... 82

3.9 ENSAIOS NAKAZIMA ... 83

4 APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS ... 90

4.1 ANÁLISE DE COMPOSIÇÃO QUIMICA ... 90

4.2 ENSAIOS DE TRAÇÃO ... 91

4.3 DETERMINAÇÃO DOS COEFICIENTES DE ANISOTROPIA ... 104

4.4 MAPAS DE PROCESSAMENTO ... 107

4.5 ANÁLISE DE MODO DE FRATURA ... 112

4.6 ANÁLISE DE MICROSCOPIA ÓPTICA ... 119

4.7 ENSAIOS NAKAZIMA ... 128

5 CONCLUSÕES ... 145

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1 INTRODUÇÃO

As ligas de magnésio possuem baixa densidade aliada à boa rigidez específica e resistência a tração. Além desses fatores, os benefícios ecológicos trazidos pelo uso desta liga, como a economia energética obtida pelo seu uso, fizeram com que indústrias, dentre elas a automobilística, a aeronáutica, e a de fabricação de veículos de transportes em geral, tivessem maior interesse no uso dessas ligas, que são classificadas como metais leves (MORDIKE et al., 2001). Citando um caso específico na indústria automobilística sobre um dos benefícios do uso de tais ligas, tem-se um estudo de análise de ciclo de vida feito para um bloco de motor que comparando ferro fundido, alumínio e magnésio mostrou que o magnésio tem menores impactos ambientais se comparado com o ferro fundido e o alumínio, com menores emissões de CO2 equivalente desde a extração de magnésio até o fim de vida do veículo após 200000km

de uso do mesmo (

A.

THARUMARAJAH et al., 2007). Outro ponto de grande destaque na indústria automobilística para justificar o uso de ligas de magnésio é ligado ao fato do grande potencial de redução de massa, devido ao fato do magnésio ser o metal estrutural mais leve dentre os todos os metais (ANTONISWAMY et al., 2015).

Com relação ao consumo, o uso de ligas de magnésio vem aumentando ao longo dos anos devido a uma série de estudos científicos que permitem o uso de tais ligas num leque maior de processos de fabricação. Antigamente, as ligas de magnésio eram usadas na forma de fundidos, mas com o desenvolvimento de novos estudos, é possível usá-las em processos de extrusão, laminação e estampagem (ANTONISWAMY et al., 2015). Assim, além da maior abrangência de aplicação de ligas de magnésio em processos de fabricação, os efeitos ambientais nocivos são reduzidos se comparados com outros materiais (

A.

THARUMARAJAH et al., 2007).

Com relação ao consumo mundial em termos quantitativos, no ano de 2014, a produção mundial alcançou o patamar de 907 mil toneladas (U.S. GEOLOGICAL SURVEY, 2015). Isso se deve justamente ao estudo e desenvolvimento de novas técnicas de extrusão, estampagem e laminação ao longo dos anos, abrindo um campo maior para o uso de ligas de magnésio, tornando cada vez mais atrativo o uso de tais ligas na substituição de outros materiais.

Na última década, vários estudos vêm sendo feitos com o intuito de melhorar processos de deformação por estampagem a partir do entendimento de como a microestrutura e os tratamentos termomecânicos afetam o comportamento das ligas de magnésio. Neste contexto, este estudo tem como objetivo principal a determinação das melhores condições de estampagem a quente de uma dessas ligas, a AZ31B (Mg – 3%Al – 1%Zn – 0,3%Mn). Tal liga foi escolhida

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devido a sua grande disponibilidade no mercado mundial por ser uma liga de uso comercial (Lee, Y.S et al., 2008), e ser uma liga usada em muitos projetos de pesquisas realizadas atualmente.

A grande contribuição deste estudo em relação aos que vêm sendo realizados, é a determinação da estampabilidade a quente de uma chapa espessa, com 3mm de espessura, diferentemente da quase totalidade de outros estudos que avaliaram chapas mais finas, com cerca de 1mm de espessura, como pode ser observado nas referências bibliográficas dispostas neste trabalho

1.1 MOTIVAÇÃO E OBJETIVOS

O objetivo deste estudo é compreender a estampabilidade a quente de chapas espessas de ligas de magnésio, neste caso de uma chapa com espessura de 3mm, de forma a tornar a estampagem a quente mais acessível e confiável nas diferentes indústrias que produzam componentes estampados a quente de chapas espessas dessas ligas e assim, contribuir para o uso desse processo na indústria de larga escala.

As chapas de ligas de magnésio produzidas por laminação geralmente possuem um maior valor comercial, sendo mais caras do que os produtos fundidos. No entanto, quando comparadas com os produtos fundidos, as chapas laminadas possuem melhores propriedades de conformabilidade plástica obtidas após tratamentos termomecânicos.

Como as ligas de magnésio possuem baixa capacidade de deformação plástica em temperatura ambiente, o que inclui a estampagem convencional (ANTONISWAMY et al., 2015), estudos buscam melhoria da conformabilidade, que dependem da combinação adequada das condições de deformação e das características microestruturais da liga de magnésio a ser trabalhada. Como consequência, muitos centros de pesquisa buscam o entendimento detalhado dos mecanismos de deformação plástica, que ainda não são plenamente conhecidos.

Desta forma, este trabalho tem como objetivo analisar o comportamento microestrutural e termomecânico de chapas espessas, com 3mm de espessura, de liga de magnésio AZ31B em condições de estampagem e determinar as condições de processamento adequadas para que a estampagem ocorra satisfatoriamente, a partir dos resultados obtidos em ensaios de tração a quente, mapas de processamento e ensaios Nakazima a quente.

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2 REVISÃO DA LITERATURA

2.1 ORIGEM DO MAGNÉSIO

O magnésio é o oitavo elemento mais comum na crosta terrestre, sendo a Magnesita a fonte principal de magnésio. Quimicamente ela é composta por MgCO3, um carbonato de magnésio com 47,8% de MgO e 52,2% de CO2, com estrutura cristalina hexagonal idêntica à da calcita, ocorrendo tanto na forma de cristais perfeitos de faces romboédricas, como agregados de grãos grosseiros, com dureza variando de 3,0 a 3,2, densidade 3,5 a 5, brilho vítreo, apresentando tonalidade branca com reflexos amarelados, acinzentados, vermelhos ou castanho, ocorrendo comumente em veios e massas irregulares, derivadas da alteração da serpentina pela ação de águas carbônicas.

Nas rochas de xisto têm-se as camadas de Magnesita cristalina de origem metamórfica. As rochas calcíticas são substituídas por soluções contendo magnésio, formando-se a dolomita como produto secundário, quando a origem é sedimentar. Outras fontes de magnésio são as olivinas e salmouras provenientes de lagos salgados e água do mar.

A Magnesita é considerada uma matéria-prima nobre, utilizada na produção de magnésio metálico e de alguns compostos de magnésio, comumente utilizados nas indústrias farmacêutica, química e de refratários. O magnésio metálico como um dos subprodutos da Magnesita é utilizado na obtenção de ligas de alumínio e magnésio, sendo utilizado nas indústrias automotiva, aeroespacial, militar, maquinaria, e ferramentas em geral (DA MATTA COSTA et al., 2008).

No caso da indústria automotiva, por exemplo, as ligas de magnésio são usadas na fabricação de chassis, na estrutura e em componentes internos dos veículos. Dentre os componentes fabricados, têm-se painéis de instrumentos, volantes, assentos, berços de motor, dentre outros (JOOST et al., 2016).

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2.2 HISTÓRIA DO USO DO MAGNÉSIO

O magnésio foi originalmente encontrado na região de Thessaly, Grécia. O metal de magnésio foi produzido a partir de uma mina em 1808 por Sir Humphrey Davi, em pequenas quantidades. A produção industrial começou em 1808 na Alemanha.

A aplicação de ligas de magnésio começou a se fortalecer entre as duas guerras mundiais com o intuito de produzir armamentos e diversos artefatos militares. Durante este período o consumo anual era de 280000 toneladas. Após os conflitos mundiais, o consumo caiu para valores em torno de 10000 toneladas anuais. No final no século XX, o consumo de ligas de magnésio voltou a crescer, atingindo valores anuais de 360000 toneladas. Naquele período, o valor do quilograma de magnésio estava em torno de US$ 3,6 dólares. Devido ao aumento da demanda e da produção, o valor médio foi de US$ 2,5 por quilograma em 2014. Com o passar dos anos, o consumo vem crescendo consideravelmente devido ao melhor entendimento do comportamento dessas ligas e das vantagens de sua aplicação (SCHUMANN, et al., 2003).

De acordo com KAINER et al., 2010, a produção de magnésio aumentou mais de 2500% desde 1935 até 2010 (Figura 1). Em 2014, a produção mundial alcançou o patamar de 907 mil toneladas (U.S. GEOLOGICAL SURVEY, 2015). Em 2015 a produção alcançou o patamar de 972 mil toneladas (U.S. GEOLOGICAL SURVEY, 2015). Como consequência, o custo da produção também baixou, devido à melhoria dos processos de extração e obtenção do magnésio e o aumento da oferta.

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No início do século XX, as primeiras ligas de magnésio foram desenvolvidas, sendo o setor automobilístico o que mais fez uso dessas ligas, sendo dois exemplos de veículos, o Corvette SS e a Mercedes-Benz 300SLR feitos com estruturas de magnésio, sendo que ambos foram utilizados em competições automobilísticas, dentre elas a corrida de Le Mans. A Porsche também utilizou a mesma estrutura em 1971, batendo o recorde de distância com seu modelo de peso reduzido, mas os fabricantes ficaram temerosos de usar ligas de magnésio na estrutura e preferiram orientar seus esforços de redução de peso no motor (ABBOTT et al.,2008).

Até meados do século XX, as ligas eram à base de Mg-Al-Zn e sistemas de Mg-Mn. Com a descoberta do zircônio e terras raras como elementos atuantes na ação modificadora e refinadora, o desenvolvimento de ligas de magnésio deu um salto significativo. Nesse período, as ligas de magnésio também foram utilizadas em projetos dos aviões militares alemães. No entanto, como o magnésio tinha baixa resistência à corrosão e alta inflamabilidade, outras ligas foram pesquisadas durante a evolução da tecnologia aeronáutica. (ERICKSON, et al., 1990).

Nos últimos anos, devido às melhorias verificadas na produção e no desempenho mecânico das ligas de magnésio, houve um crescimento da aplicação dessas ligas nas indústrias automotiva e aeronáutica, como uma forma de redução do consumo energético do transporte e para atender às exigências ambientais relativas à emissão de gases dos combustíveis fósseis. Além do uso dessas ligas nos campos aeronáutico e automobilístico, as ligas de magnésio também formam parte da estrutura de telefones celulares, computadores, câmaras fotográficas, rodas automotivas e aparecem em peças de motocicletas e bicicletas. Para ampliar ainda mais suas aplicações, vários centros de pesquisas direcionaram suas investigações na melhoria da produção, do processamento e das propriedades das ligas, consolidando-as como potencial alternativa frente a outros metais leves e estruturais (MORDIKE et al., 2001).

2.3 A PRODUÇÃO MUNDIAL DE MAGNÉSIO

De acordo com o relatório anual de 2015 da USGS - U.S.Geological Survey (2015), órgão do governo americano responsável pelo programa de recursos minerais dos EUA, a produção e o consumo mundiais de magnésio têm crescido anualmente, tendência já apresentada por Kainer et al., 2010, na Figura 1.

Analisando a evolução do consumo de magnésio, segundo dados da USGS, a produção primária mundial de magnésio e suas reservas conhecidas saltaram de 878 mil toneladas para 907 mil toneladas de 2014 para 2015, enquanto o preço por tonelada caiu de cerca de US$ 3000

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em 2010 para cerca de US$ 2500 em 2014. Nesse mesmo período, o consumo de magnésio nos EUA saltou de 57 mil para 80 mil toneladas. Em 2015, a contribuição brasileira representou pouco mais de 1,5% da produção e reservas mundiais, enquanto a China respondeu por quase 90% do total.

Aquele relatório também afirma que o consumo mundial deverá continuar a crescer nos próximos anos, especialmente na produção de componentes para automóveis e para a indústria aeronáutica. Para exemplificar esse crescimento, são citados novos sítios de extração e processamento de minas de dolomita na China, uma nova planta para produção de peças fundidas para automóveis no México e outra nova planta na Noruega para produção de magnésio a partir de minas de olivina. Também são citados novos projetos de pesquisa nos EUA para reduzir o consumo de energia e os custos da produção de magnésio.

A produção de peças fundidas ainda representa o maior consumo de ligas de magnésio, porém, mais recentemente, diversos novos processos têm sido empregados para utilizar essas ligas na produção de componentes por laminação, extrusão, forjamento e estampagem.

Mesmo não sendo o maior produtor mundial, as jazidas de magnésio encontradas no Brasil são consideradas como uma das melhores do mundo em termos de qualidade. A localização dessas jazidas está concentrada no Nordeste do país, especificamente nos estados da Bahia e Ceará (DA MATTA COSTA, 2008).

Levando-se em consideração os produtores de magnésio, a produção mundial de magnésio está distribuída conforme apresentado na Figura 2 (U.S.Geological Survey, 2015).

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2.4 FABRICAÇÃO E PROCESSAMENTO DO MAGNÉSIO NA

INDUSTRIA AUTOMOBILISTICA

A maioria dos componentes de Mg são feitos por fundição, o que proporciona uma grande flexibilidade de projeto e integração de componentes e, consequentemente, diminui os preços de fabricação (JOOST et al., 2016). O processo de fundição de magnésio é bem desenvolvido e empregado na fabricação de componentes veiculares, dentre outros (LUO et al., 2013).

Os processos de fabricação existentes são capazes de produzir diversos componentes automotivos, ou componentes para outras aplicações que não automotivas. No entanto, estes processos necessitam de elevadas temperaturas de conformação, fator que aumenta os custos de produção e reduz a produção, especialmente se comparado com processos de estampagem convencional. Dessa forma, há uma demanda urgente de desenvolvimento de processos primários de conformação, como estampagem, por exemplo, bem como processos secundários que são usados na montagem de subsistemas (hemming, por exemplo) juntamente com ligas de magnésio que sejam mais propícias a esses processos (JOOST et al., 2016).

De forma geral, o magnésio apresenta baixa estampabilidade em temperaturas baixas e em processos de deformação tipicamente encontrados na indústria automobilística, mas que pode ser melhorada seja pela modificação das propriedades químicas (adição de elementos de liga) ou pelo uso de processos de fabricação de chapas que levem a alterações das propriedades do material.

Como exemplo, a chapa de liga de magnésio ZEK100 possui um amplo limite de estampabilidade para uma ampla faixa de estados de deformação quando comparada com a liga de magnésio convencional AZ31B na temperatura ambiente e a temperaturas elevadas.

Isso se deve, parcialmente, à textura reduzida das ligas com adição de terras raras, como é o caso da ZEK10. De forma similar, a adição de cálcio nas ligas de magnésio aumenta o alongamento à tração e a estampabilidade devido à interação de maclas, da recristalização dinâmica e do desenvolvimento de uma textura favorável.

Os efeitos vantajosos da alteração da composição química sobre a textura se somam a outros efeitos benéficos do uso de elementos de liga, como a menor razão das tensões decompostas de cisalhamento críticas (CRSS do inglês Critical Resolved Shear Stress) entre os planos basais e não basais, o aumento da propensão ao deslizamento cruzado, a modificação do comportamento de maclação, o endurecimento pelo uso de precipitados com novas composições químicas, e a precipitação de partículas não-basais para promoverem o endurecimento preferencialmente nos sistemas de deslizamento basais.

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Novos processos de fabricação de chapas podem propiciar uma melhor estampabilidade, pela redução do tamanho de grão ou pelo controle da textura. Técnicas contínuas de fundição para produção de chapas, como twin roll casting e twin belt casting, podem propiciar alteração microestrutural e de outras propriedades a fim de se obter uma estampabilidade melhorada (JOOST et al., 2016).

Além da modificação dos componentes da liga e do processo de fabricação das chapas de liga de magnésio, a implementação de novos processos de estampagem pode melhorar a estampabilidade de formas complexas. Dentre os processos, pode-se mencionar a estampagem a quente, bem como processos que usam taxas de deformação não convencionais e a conformação localizada na estampagem incremental (JOOST et al., 2016).

2.5 AS LIGAS E CARACTERÍSTICAS DO MAGNÉSIO

O magnésio é um metal estrutural leve, com ponto de fusão em torno de 650 °C, com estrutura cristalina hexagonal compacta (HC). Tais características afetam as propriedades fundamentais de suas ligas (KLEINER et al., 2004). Algumas das propriedades do magnésio estão mostradas na Tabela 1.

Tabela 1 - Propriedades físico-químicas e mecânicas do magnésio puro (KLEINER et al., 2004)

Propriedade Valor

Cor

Densidade (Temperatura ambiente) Temperatura de fusão

Estrutura cristalina Calor de fusão

Coeficiente de expansão linear Contração (sólido líquido) Capacidade calorífica (20 oC) Condutividade térmica (20 oC) Condutividade elétrica (IACS) Módulo de elasticidade Limite de escoamento Limite de resistência

Energia de defeito de empilhamento (25 ºC)

Cinza prateado 1,738 g/cm3 650 oC ± 5 oC HC 370 ± 15 KJ/Kg 26x10-6 K-1 4,2 % 1,05 KJ.(Kg K)-1 155 W. (Km)-1 38 % 45 GPa 90-105 MPa 160-195 MPa 125 mJ/m2

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O magnésio apresenta como principal vantagem o fato de ser leve por ter densidade de 1,738 g/cm3, ou seja, 35% menor se comparado com o alumínio (2,73 g/cm3) e 80% menor se comparado com os aços (ERICKSON, 1990).

Consequentemente, a baixa densidade do magnésio e suas ligas proporciona elevada razão entre resistência mecânica e peso, sendo o mesmo comparável com ligas de alumínio e de titânio, e superior às dos aços inoxidáveis austeníticos de alta resistência mecânica e baixa liga (AVEDESIAN, 1999).

De acordo com BROOKS, 1982, nas ligas de magnésio o endurecimento por solução sólida ou por precipitação é obtido pela adição de elementos de liga, que também diminuem a susceptibilidade à corrosão do magnésio. Além disso, elementos de liga como Al, Zn, Mn, Th, Ce e terras raras combinados com o magnésio melhoram os valores da resistência ao escoamento, à fluência, à fadiga, à fundibilidade e ao desgaste com relação ao magnésio puro (CHINO et al., 2008).

Por serem mais leves, as ligas de magnésio podem substituir as ligas de alumínio na indústria automobilística, na qual a redução de peso é de extrema importância, pois reduz o consumo de combustíveis fósseis e proporciona um ciclo de vida em termos de CO2 equivalente,

menos impactante ao meio ambiente (THARUMARAJAH, 2007).

Apesar das vantagens citadas, as ligas de magnésio possuem algumas limitações (HONEYCOMBE, 1984):

 Baixo grau de conformação a frio que permite alongamentos máximos da ordem de 10%.

 Alta tendência à corrosão

 Baixa resistência à fluência em altas temperaturas  Elevada reatividade química

 Baixo módulo de elasticidade

Com relação à resistência à corrosão, a adição de elementos como cobalto, cobre, ferro, e níquel faz com que as ligas de magnésio apresentem maior tendência a ocorrência do fenômeno de corrosão devida à formação de fases intermetálicas de baixa solubilidade e altos potenciais de oxidação. No outro extremo, a adição de zircônio, manganês, ou ambos conjuntamente, neutraliza o efeito do cobalto, cobre, ferro, níquel e proporciona uma melhor resistência à corrosão. Recobrimentos aplicados na superfície das ligas também melhoram a resistência a corrosão das ligas de magnésio (JIANG et. al.,2008).

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A alta inflamabilidade é outra característica peculiar e de destaque nas ligas de magnésio. Fontes de ignição dão origem a chamas de cor branca de difícil extinção, devido ao magnésio reagir com o nitrogênio do ar, formando nitreto de magnésio (Mg3N2) de elevada reatividade e

facilidade de combustão (HOUSH E MIKUCKI, 1990).

2.6 CLASSIFICAÇÃO DAS LIGAS DE MAGNÉSIO

A ASTM estabelece, de acordo com a composição química e tratamentos termomecânicos das ligas de magnésio, um grupo de letras e números para classificação das mesmas (Tabela 2). As duas primeiras letras se referem aos elementos de liga principais, e os números referem-se aos teores nominais de cada um dos elementos de liga. A letra seguinte distingue a posição do registro das ligas com igual composição na norma ASTM (A significa: primeira liga registrada, B: segunda liga registrada; C: terceira liga registrada; D: liga de alta pureza; E: liga de alta resistência à corrosão; X1: liga não registrada). Os possíveis tratamentos térmicos ou termomecânicos realizados na liga são definidos pelas letras e números que aparecem após o hífen.

Tabela 2 - Classificação das ligas de magnésio de acordo com composição química e tratamento termomecânico

Símbolos dos elementos Símbolos dos tratamentos térmicos e termomecânicos

A=alumínio E=terras raras H=tório K=zircônio M=manganês O=prata S=silício T=estanho Z=zinco F = como fabricado O = recozido H10 a H11 = levemente encruado

H23, H24, H26 = encruado e parcialmente recozido T4 = solubilizado

T5 = envelhecido artificialmente

T6 = solubilizada e envelhecida artificialmente T8 = solubilizada, trabalhada a frio (encruada) e envelhecida artificialmente.

No caso da liga AZ31B, tem-se a composição com 3% de alumínio, 1% de zinco, normalmente fornecida na forma de chapas ou placas laminadas (AVEDESIAN, 1999). A letra B indica que esta liga foi a segunda registrada na ASTM com essa composição.

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2.7 APLICAÇÃO DAS LIGAS DE MAGNÉSIO

A adição de elementos como alumínio e zinco ao magnésio no denominado sistema Mg-Al-Zn é utilizada para produzir ligas como as AZ31, AZ92 e AZ61 utilizadas em veículos de transporte terrestre e aéreo, para produção de componentes empregados no interior de automóveis (portas, por exemplo), gabinetes de computador, câmeras fotográficas e em estruturas de aeronaves (LETZIG et al., 2008).

As ligas de magnésio apresentam, de forma geral,

 Alta resistência  Baixa ductilidade  Baixo ponto de fusão  Boa soldabilidade  Boa resistência à fadiga  Alta resistência ao impacto

 Baixo módulo de Young (45 x 10^3 MPa).

As ligas de magnésio podem alcançar desempenhos mecânicos similares às ligas de alumínio com tratamentos termomecânicos apropriados. Ainda assim, mesmo com o uso desses tratamentos, características como baixos limites de escoamento, de deformação e resistência à fratura podem permanecer, pois, estão diretamente relacionados com a composição química e o histórico de produção da liga (HOUSH E MIKUCKI, 1990).

As propriedades de limite escoamento e alongamento até a fratura para diferentes ligas de magnésio que passaram por diferentes tratamentos termomecânicos estão mostradas na Tabela 3.

Tabela 3 - Propriedades de diferentes ligas de magnésio e tratamentos termomecânicos

Ligas de

magnésio Série

Densidade Kg/m3

Limite de escoamento por compressão (MPa)

Alongamento máximo (%) WE43-T6 EZ33-T5 MSR-T6 AZ81-T4 AZ91E-T4 AZ91E-T6 AZ31B-O WE54-T6 Mg-Zn-RE Mg-RE-Zn Mg-RE-Zn Mg-Al-Zn Mg-Al-Zn Mg-Al-Zn Mg-Al-Zn Mg-Zn-RE 1,84 1,80 1,82 1,81 1,81 1,81 1,78 1,85 180 110 205 105 125 170 140 205 7,0 3,0 4,0 10,0 9,0 4,5 10,0 4,0

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Analisando-se a Tabela 3 - Propriedades de diferentes ligas de magnésio e tratamentos termomecânicos, tem-se que o limite de escoamento é influenciado consideravelmente pelo teor de alumínio na liga. Para teores de alumínio inferiores à 5,8%, o uso de tratamentos termomecânicos aumenta o limite de escoamento, com diminuição de ductilidade. Já para concentrações maiores que 5,8%, o limite de escoamento é significativamente reduzido (KAINER et al., 2003). No entanto, esse comportamento é dependente do tipo de tratamento usado em cada, e a tabela acima não apresenta essa tendência explicitamente, já que s ligas citadas possuem tratamentos diferenciados, como ocorre no caso das ligas T6 e AZ91E-T6. Apesar do mesmo teor de alumínio encontrado em ambas as ligas o limite de escoamento é distinto, já que um passa por um tempera T4, onde a liga é solubilizada e envelhecida naturalmente até uma condição substancialmente estável. Aplica-se a produtos que não são trabalhados mecanicamente após solubilização, ou nos quais o efeito do trabalho a frio no endireitamento ou a planificação pode não ser reconhecido nos limites de propriedades mecânicas, e a outra T6, onde a liga é solubilizada e envelhecida artificialmente. Aplica-se a produtos que não são trabalhados a frio após solubilização, ou nos quais o efeito do trabalho a frio no endireitamento ou a planificação pode não ser reconhecido nos limites de propriedades mecânicas.

Nesta pesquisa será usada uma chapa espessa de 3mm da liga AZ31B, considerada como de resistência mecânica média e que é usada nas indústrias automotiva e eletrônica, e em matrizes de injeção (HOUSH E MIKUCKI, 1990).

2.8 O COMPORTAMENTO DA LIGA AZ31B COM RELAÇÃO À

DEFORMAÇÃO E ANISOTROPIA

De acordo com PADILHA (2005), os deslizamentos causados por forças cisalhantes de planos cristalinos e formação de maclas na estrutura dão origem à deformação plástica das ligas de magnésio e dependem de variáveis como temperatura, taxa de deformação, propriedades do material a ser deformado, tais como microestrutura, tamanho de grão, concentração das impurezas e textura.

Conforme se aumenta a temperatura, não há a ocorrência dos deslocamentos dos planos basais, e, consequentemente, a tensão de escoamento e a anisotropia plástica diminuem, favorecendo o aumento da ductilidade da liga.

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Quando se analisa as curvas de tensão-deformação efetuados com a liga AZ31B a partir de ensaios de tração, com variação de temperatura para cada curva, é possível perceber uma diminuição da tensão de escoamento, conforme se aumenta a temperatura. Além disso, o aumento de ductilidade é diretamente proporcional ao aumento de temperatura, Figura 3. (YI et.al., 2006).

Um ponto a ser comentado é que a resistência ao escoamento da liga AZ31B diminui com a diminuição da taxa de deformação em processos de deformação a quente, já que em taxas mais baixas há tempo para que a recristalização dinâmica tenha efeito, bem como o ativamento de planos não basais. Como exemplo, em condições de temperatura ambiente, as ligas AZ31B possuem alongamentos entre 10% e 15%, sob moderadas taxas de deformação. Por outro lado, quando em temperaturas acima de 200ºC, os valores de alongamento podem superar os 70%. No entanto, há um limite para o aumento de temperatura, pois o aquecimento acima de 400ºC causa uma acentuada oxidação do material, tornando seu uso impróprio para aplicações mecânicas (YI et.al., 2006).

As ligas de magnésio, dentre elas a liga AZ31B, possuem baixa ductilidade em temperatura ambiente devido à sua estrutura hexagonal compacta (HC). Esta propriedade mecânica pode ser melhorada com a elevação da temperatura (Fuh-Kuo Chen, 2003). Essa dependência da deformação com a temperatura mostra que há transições de diferentes mecanismos para o aumento da mobilidade das discordâncias e outros sistemas de deslizamento, além daqueles que envolvem o deslizamento de planos basais (0001), como o Figura 3 - Tensão x alongamento para a liga AZ31B em função da temperatura (YI et al., 2006).

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deslizamento de contorno de grãos (grain boundary sliding - GBS) e a recristalização dinâmica (YI et al., 2006), como observa-se na Figura 4.

Figura 4 - Tensão x deformação para diferentes temperaturas (Fuh-Kuo Chen, 2003)

Cada uma das curvas apresenta um decréscimo do coeficiente angular com o aumento da deformação, comportamento típico de materiais nos quais a deformação ocorre principalmente por deslizamento (GUODONG et al., 2016).

Com relação à anisotropia, com o aumento da temperatura, as ligas de magnésio apresentam uma queda dessa característica, conforme apresentado na Figura 5. Essa diminuição pode ser explicada como resultado da ativação dos deslizamentos de planos não basais ou deslizamento dos contornos dos grãos (Grain boundary sliding - GBS). Em ambos os mecanismos, os deslizamentos são ativados com o aumento da temperatura (KOIKE et al., 2003).

Figura 5 - Anisotropia em função da temperatura - KOIKE et al., 2003 Temperatura [°C] Ani sotr op ia n or m al R) Deformação verdadeira T en são ve rd ad eira ( M P a)

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AGNEW et al., 2005, apresentam a mesma conclusão acima, ou seja, com o aumento da temperatura há uma diminuição da anisotropia como pode ser visto na Figura 6, e afirmam que a estrutura HC, por possuírem baixa assimetria e alta anisotropia plástica, causam uma alteração rápida da textura se comparada com as estruturas CFC e CCC. Dessa forma, especula-se que a recristalização dinâmica seja a responsável pela modificação da textura.

Figura 6 - Anisotropia em função da Temperatura (AGNEW et al., 2005)

Em altas temperaturas, acima de 225°C, o deslizamento prismático se torna extenso, e ao combinar-se com o deslizamento basal, melhora a ductilidade do magnésio. Acima de 350°C, os deslizamentos de sistemas piramidais tornam-se dominantes, resultando em um alto escoamento plástico (RAO et al., 2012).

ZHANG et al., 2006, em seu trabalho sobre estampabilidade da liga de magnésio AZ31B, também notaram que o valor médio de anisotropia, 𝑅̅ , decresce progressivamente com o aumento da temperatura devido à diminuição da densidade de defeitos cristalinos causada pela ativação térmica. Além disso, conforme se aumenta a temperatura de trabalho, nota-se um amaciamento e aumento da ductilidade da liga, e um consequente aumento de alongamento e, quanto maior a taxa de deformação, menor o valor de R (Figura 7).

Anisot ropia R Temperatura [°C] Direção Transversal Média 45° Dir. de Laminação

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Figura 7 - Alongamento em função da temperatura (ZHANG et al., 2006)

2.9 O EFEITO DAS MACLAS ACIMA DE 200°C

A macla é um defeito cristalino que pode ocorrer durante a solidificação, na deformação plástica, na recristalização ou no crescimento de grão. Assim, as maclas podem ser de recozimento ou de deformação, sendo essas últimas de particular interesse no estudo da estampagem de ligas de magnésio.

Para temperaturas superiores a 200°C, durante as operações de deformação das ligas de magnésio, há o aparecimento de mecanismos de deslizamento e maclação, que competem entre si se altas taxas de deformação e tensões de cisalhamento forem aplicadas na deformação (CHIN, 1970).

Por outro lado, ao se combinarem elevadas tensões de cisalhamento e elevadas taxas de deformação nas operações de deformação a frio, há a tendência primária de formação de maclas devido às restrições de deslizamento de planos e devido principalmente, às menores tensões de cisalhamento (10 a 35 MPa) que as maclas precisam para sua formação se comparadas com as tensões necessárias para o deslizamento de planos basais (15 a 45 MPa) (LOU, 2007). Alon gam en to [% ] Temperatura [°C]

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Sabe-se que o aumento da temperatura de deformação ativa o deslizamento dos planos não basais, não obstante, se o plano estiver orientado desfavoravelmente em relação à direção de solicitação, a formação de maclas ainda pode prevalecer mais que o deslizamento de planos não basais. Contudo, em temperaturas acima de 190 ºC (temperatura homóloga), a maclação pode ainda desempenhar um papel importante em conjunto com o deslizamento de planos e a recristalização (PADILHA et al., 2005).

Além disso, há a tese de que na formação de maclas durante a deformação a quente, as tensões de cisalhamento para formação de maclas e para o deslizamento dos planos basais não variam com a temperatura, enquanto as tensões de cisalhamento para deslizamento dos planos prismáticos e piramidais diminuem substancialmente com o aumento da temperatura, em especial em temperaturas acima de 200 ºC, Figura 8, (BARNETT, 2009).

Assim, é possível que ocorra uma intensa formação de maclas na deformação a quente, na medida em que suas tensões de cisalhamento sejam inferiores às tensões para deslizamento de planos (CHAMOS, et al.,2008)

Figura 8 – Comparação das tensões de cisalhamento de planos basais, piramidais, prismáticos e para a formação de maclas (BARNETT, 2003).

Como também citado por HUA ZHANG et al, 2014, as ligas de magnésio, por possuírem estrutura cristalina hexagonal compacta, apresentam baixa conformabilidade à temperatura ambiente, pois o cisalhamento no plano basal acontece em tensões mais baixas que o cisalhamento nos planos não basais.

Te nsã o c rític a de c isalh amento [ Mp a] Temperatura [⁰ C]

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Conforme se aumenta a temperatura de trabalho, há uma forte alteração da estrutura basal (0001) (HUA ZHANG et al., 2014). Assim, o aumento de temperatura ativa o deslizamento de planos não basais e caso os planos basais estejam desfavoravelmente orientados em relação à força de solicitação, o deslizamento de planos não basais será favorecido em relação à formação de maclas.

O efeito das maclas na microestrutura pode ser avaliado pela análise da microestrutura inicial, antes da deformação a quente, (PARK et al., 2013). As maclas podem ser fontes de obstáculos para o deslizamento de discordâncias, e induzir a formação de grãos recristalizados dinamicamente, de modo que o aumento de grãos formados por recristalização dinânica em termos volumétricos levará a um enfraquecimento da textura. Todavia, os efeitos de maclação na nucleação e crecimento de grãos DRX durante e após deformação a quente ainda não são bem conhecidos (YUANLI et al., 2016).

A maclação em ligas de magnésio depende da orientação, ou seja, a macla de extensão (ET) {1012} é ativada quando o eixo c está sob tração e a macla de contração (CT) {1011} ou a macla dupla {1011}-{1012} são ativadas quando o eixo c está sob compressão. Dessa forma, maclas de contração e extensão podem ser geradas pela aplicação de carga em uma dada direção. A Figura 9 ilustra como são aplicadas as forças de tração e compressão.

Figura 9 - Direções de extração dos corpos-de-prova nas direções de laminação, normal e transversal (RD, ND e TD) (YUANLI et al., 2016).

Em seu trabalho, YUANLI et al., 2016, avaliaram os efeitos e mecanismos da maclação na recristalização dinâmica, analisando a evolução da microestrutura e da textura de amostras de maclas de tração (ET) e compressão (CT) pré-comprimidas, que sofreram compressão uniaxial à 250°C com uma taxa de deformação de 0,001/s.

DL

DT DN

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Eles concluíram que após a aplicação de forças de compressão, observou-se um grande número de maclas de tração nas amostras de ET ilustradas na Figura 9.

O volume de maclas duplas ou de contração nas amostras de CT foi menor do que o volume de maclas de tração nas amostras de ET. Também concluíram que o aumento da deformação ativa as maclas duplas e de tração de forma a reduzir a tensão concentrada.

Embora a menor quantidade de maclas na amostra CT cause a diminuição da recristalização dinâmica e texturização após deformação a quente, a observação de nucleação e de crescimento de grãos por recristalização dinâmica próximos aos contornos das maclas duplas ou de contração são indicadores dos efeitos da recristalização ativado por maclação.

Assim, concluíram que contornos de grãos normais, de maclas de contração, tração e secundárias são regiões de possíveis nucleação de grãos por recristalização dinâmica . Mas, os resultados que obtiveram indicam que contornos de maclas de contração e duplas são as regiões mais prováveis para o aparecimento de novos grãos obtidos por recristalização dinâmica .

2.10 CRISTALOGRAFIA DAS LIGAS DE MAGNÉSIO

A relação dos parâmetros de rede (c/a) do magnésio, cuja estrutura é hexagonal compacta (HC) é igual à 1,623. Comparando-se esse valor com os modelos de esferas rígidas, cujo valor de c/a é igual à 1,633, observa-se que o valor do parâmetro de rede tanto do magnésio como do modelo de esferas rígidas são bem próximos.

Nas ligas de magnésio há uma pequena tendência à compressão dos planos perpendiculares ao eixo c do retículo cristalino (AVEDESIAN, 1999), de modo que é possível prever qual deslizamento de planos será preferencialmente ativado na deformação plástica de metais com estrutura HC.

O deslizamento dos planos basais é ativado para valores de c/a próximos ou inferiores ao modelo de esferas rígidas (c/a=1,633). Para valores superiores a 1,633, os planos prismáticos deslizam preferencialmente. Assim, pode-se concluir que o deslizamento dos planos basais será predominante nas ligas de magnésio submetidas à deformação plástica, (KAINER, 2003).

Os índices de Miller, Figura 10, representados por (hlk), ou os índices de Miller-Bravais, cuja representação se dá por (hkil), podem ser usados para representar os planos e direções da estrutura hexagonal compacta (HC) típica das ligas de magnésio. Com relação

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aos eixos (a1, a2, a3 e c), os três primeiros representam o plano basal e estão dispostos em um ângulo de 120° entre si. O quarto eixo (c) está disposto perpendicularmente ao plano basal (PADILHA,2005),

Na estrutura hexagonal há quatro sistemas independentes de deslizamento constituídos pelos planos basais e prismáticos, apresentados na Tabela 4 (ZARANDI, et al., 2007).

Tabela 4 - Características cristalográficas dos sistemas de deslizamento em metais com estrutura HC (ZARANDI, 2007).

Plano de deslizamento Vetor de Burgers Descrição cristalográfica Número de planos independentes Basal Prismático Piramidal (tipo I) Piramidal (tipo II)

<a> <a> <a> <c+a> {0001}<11 2 0> {1 1 00}<11 2 0> {1 1 01}<11 2 0> {11 2 2}<11 2 3> 2 2 4 5

Embora a tensão de cisalhamento necessária para o deslizamento basal seja 1/100 da mesma tensão para deslizamentos não basais nos planos prismático e piramidal, o magnésio possui somente dois sistemas basais de deslizamento, valor muito menor que os cinco sistemas independentes necessários para uma deformação homogênea, de acordo com o critério de von Mises. Dessa forma, para obedecer a esse critério, torna-se necessária a ativação de deslizamentos não basais e de maclas de origem mecânica. Dessa forma, a Figura 10 - Representação dos planos de deslizamentos da estrutura HC (HOUSH et al., 1990)

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deformação do magnésio depende de fatores como a orientação dos grãos, a temperatura de deformação e a taxa de deformação, entre outros fatores. (CHANGJIAN et al., 2014).

Como já mencionado, as deformações plásticas em estruturas hexagonais compactas são limitadas devido ao baixo número de sistemas independentes de deslizamento. No entanto, a ativação de deslizamento de planos pode se dar por outros fatores listados a seguir, que podem melhorar o comportamento de ligas de magnésio em condições de deformação plástica.

 Temperatura

 Componentes intergranulares  Defeitos cristalinos

 Formação de maclas

2.11 EFEITOS DE TERRAS RARAS NA TEXTURA

A baixa ductilidade das ligas tradicionais de magnésio à temperatura ambiente tem restringido a aplicação dessas ligas devido aos altos custos do processo devidos às altas temperaturas, entre 300°C e 450°C, necessárias para elevar a conformabilidade (IMANDOUST, et al., 2016).

As respostas mecânicas desfavoráveis encontradas na maioria das ligas convencionais de magnésio têm sido atribuídas a sua tendência em desenvolver texturas muito definidas, com resposta às cargas mecânicas similar às dos cristais, com anisotropia e assimetria muito altas.

Tal assimetria está relacionada com a estrutura hexagonal compacta (HC) do magnésio, que não permite que o deslizamento aconteça ao longo de direções piramidais geometricamente versáteis. Ao invés disso, o deslizamento ocorre em direções onde há a presença do plano basal, o que não permite o deslizamento ao longo do eixo <c>.

A ativação do deslizamento piramidal é tão difícil que a maclação de origem mecânica ocorre de forma muito mais fácil nos planos piramidais e outras direções em situações de temperaturas médias e baixa taxa de deformação.

As maclas têm sido descritas como o mecanismo primário responsável pelo comportamento anisotrópico observado nas ligas de magnésio.