O ensaio de tração uniaxial é executado sob uma taxa de deformação que varia entre 10-5 a 10-2s-1, no entanto, nas operações de produção industriais as velocidades são consideravelmente mais elevadas, entre 1 a 10-2s-1 (BRESSAN, 2011). A tabela 4 fornece velocidades típicas de processos e do teste de tração.
Tabela 4 - Valores típicos de velocidade encontrados em diferentes testes ou operações de conformação.
Operação Velocidade (m/s)
Ensaio de tração 6 X 10-7 a 6 X 10-3
Prensa de extrusão hidráulica 0,003 a 3,0
Prensa mecânica 0,15 a 1,5
Teste de impacto Charpy 3 a 6
Martelo de forjamento 3 a 9
Conformação por explosão 30 a 120
Fonte: DIETER (1981)
Segundo Meyers (1982) em geral há um aumento da tensão de escoamento e do limite de resistência com o aumento da taxa ou da velocidade de conformação. A curva tensão-
deformação para a maior parte dos metais depende da taxa de deformação. Segundo Dieter (1981) o aumento da taxa de deformação também eleva à resistência a tração. Além disso, a dependência da resistência à tração com a taxa de deformação aumenta com o aumento de temperatura, o que tem relação com a velocidade de movimentação de discordâncias. O que se verifica é que a velocidade de discordância é fortemente dependente da tensão cisalhante que atua no plano de deslizamento. Existe uma tensão crítica necessária para iniciar o movimento da discordância a partir da qual pequenos aumentos de tensão acarretam grande aumento da velocidade das discordâncias.
A sensibilidade à taxa de deformação dos metais (“m”) é bem baixa (<0,1) à temperatura ambiente, mas aumenta com a temperatura, especialmente para valores acima da metade da temperatura de fusão. A sensibilidade à taxa de deformação é um bom indicador das mudanças do comportamento da deformação, e suas medidas fornecem a ligação entre a movimentação microscópica das discordâncias na deformação plástica e as medidas feitas em um teste de tração. A velocidade de movimentação das discordâncias é fortemente dependente da tensão (DIETER, 1981).
A velocidade de deformação influi na tensão necessária para deformar um metal, particularmente para altos valores de Th. Frequentemente se expressa esta dependência através da equação 3, onde a constante “m” é chamada de coeficiente de sensibilidade da tensão de escoamento à velocidade de deformação. Os valores de “m” aumentam em função da intensidade de conformação e da temperatura e os valores da constante “Yo” também aumentam em função da intensidade de
deformação, mas diminuem em função da temperatura. O que se percebe é que as tensões de escoamento dos metais se tornam mais sensíveis à velocidade de deformação a medida que a temperatura cresce (CETLIN, 2005).
σ = Yoέm (3)
onde:
σ = Tensão de escoamento do material; έ = Taxa de deformação;
Yo = Constante;
Diversos autores como Merklein e Lechler (2006a), Merklein (2006b), Turetta (2008a), Nagathan (2010) e Ravindran (2011) constataram que o aumento da velocidade de conformação leva a um significante aumento dos níveis da tensão necessários para promover a deformação, como mostrado na figura 30. Isto ocorre porque com o aumento da velocidade de deformação menor o tempo para que ocorra ou recozimento ou a recristalização dinâmica a quente, gerando o encruamento.
Figura 30 - Curvas tensão/deformação para o aço 22MnB5 a 700oC em função da taxa de conformação (teste de compressão).
Fonte: adaptado de (RAVINDRAN, 2011)
Alguns dos autores também constataram que a baixas temperaturas (500ºC) ocorre o efeito inverso, ou seja, aumento da tensão de deformação e do coeficiente de encruamento “n” com a redução da taxa de deformação, como observado na figura 31. Este comportamento é justificado pelo fato de que nesta faixa de temperatura as baixas taxas de conformação promovem a transformação microestrutural da austenita, gerando a formação de bainita, que apresenta maior resistência à deformação que a austenita. Son, Kim e Cho (2008) e Liu et al (2010) também determinaram experimentalmente que taxa de deformação influência significamente a curva tensão- deformação.
Figura 31 - Elevação da tensão de deformação e do coeficiente de encruamento “n” com a redução da taxa de deformação, para 500ºC.
Fonte: adaptado de (MERKLEIN et al, 2006b)
2.2.5 Estricção
Quando da conformação de chapas metálicas um aspecto fundamental a ser considerado é o limite de deformação. Este valor, a princípio, pode ser obtido pelo Diagrama Limite de Conformação que apresenta as condições seguras de conformação, acima do qual é gerada a instabilidade plástica, aumentando-se a probabilidade de ruptura. Existem dois tipos de instabilidades plásticas: a estricção difusa, onde o gradiente de deformação é suave, e a estricção localizada, onde o gradiente é bastante acentuado e aparece após a estricção difusa. Na estricção difusa a redução de espessura cresce lentamente com a intensidade de conformação, mas a partir de determinado instante se torna mais concentrado (estricção localizada), levando a ruptura da chapa. A estricção difusa, a princípio, seria um efeito aceitável, e em certos casos até desprezível, no entanto, a estricção localizada é considerada um efeito inaceitável justamente por causar instabilidades que levam a ruptura do componente (Bressan, 2008). Estes conceitos, a princípio, são válidos somente para os processos de estampagem a frio, pois no processo de estampagem o quente existe outras variáveis envolvidas como a transferência de calor entre o componente e a ferramenta de conformação, que interferem na forma e na intensidade de estricção formada.
Segundo Meyers (1982) a estricção localizada corresponde ao início de um regime de instabilidade, onde a deformação passa a não ser mais uniforme, ou seja, uma região localizada começa a sofrer a maior parte da deformação. Em um metal com encruamento, a capacidade de resistir cargas externas tende a aumentar com a deformação, no entanto este efeito é compensado com a redução da seção transversal devido ao alongamento. A estricção ocorre quando o aumento da tensão, devido à redução da área da seção transversal, começa a exceder o aumento da capacidade de suportar cargas associado ao encruamento. Em condições normais a estricção inicia no ponto de tensão máxima, mas para metais que não exibem capacidade de encruamento, a estricção pode começar logo no início da deformação plástica, no ponto de tensão de escoamento. O início da estricção corresponde ao estabelecimento de um estado triaxial de tensões no pescoço, que corresponde a um estado de tensões complexo quando comparado ao estado de tensões uniaxial.
Segundo Bressan (2008) não é muito preciso o ponto onde termina a estricção difusa e inicia a estricção localizada. Este limite pode ser definido pelas imperfeições da espessura (fator “f”), pelas imperfeições microestruturais do material (porosidades, micro trincas, vazios, inclusões e heterogeneidades), que influenciam as propriedades mecânicas e pelo coeficiente de fricção. Também influenciam o coeficiente de encruamento (“n”), o coeficiente de anisotropia normal (“Ṝ”) e o gradiente de temperatura.
Em várias ligas metálicas existe um intervalo grande entre a estricção difusa e concentrada, que depende da sensibilidade à taxa de deformação (“m”). Os aços de estampagem profunda apresentam o parâmetro “m” entre 0,01 até 0,17, no entanto, em ligas superplásticas, que apresentam grande capacidade de conformação, este valor pode chegar a 0,3 ou até mais. O controle adequado destas variáveis pode impedir a formação de estricção localizada nos processos de estampagem através de uma melhor distribuição da deformação (Bressan, 2008).
Para restringir deformações localizadas e garantir boa conformabilidade é desejável que o material tenha certas características, como uma boa capacidade de redução de
espessura antes da fratura, resistindo a tensões de cisalhamento na direção da espessura sem fratura.
Segundo Bressan (2011) três parâmetros determinam a distribuição uniforme de deformação em direção às regiões com menor nível de deformação plástica na operação de conformação: o coeficiente ou expoente de encruamento “n”, o coeficiente de sensibilidade à taxa de deformação “m” e a razão de deformação plástica ou coeficiente de anisotropia “r”. A habilidade do material de distribuir a deformação uniformemente na peça depende dos valores de “n” e “m”. A habilidade de alcançar altos valores de deformação depende de muitos fatores, tais como o metal de base, elementos de liga, revenimento, valor de “n”, valor de “m”, valor de “r”, espessura, homogeneidade da microestrutura, microestrutura livre de defeitos e inclusões, coeficiente de atrito e temperatura. Em alguns materiais “m” é sensível à deformação, entretanto, em outros materiais, “m” é sensível à tensão e a taxa de deformação. Para muitos materiais o valor de “m” aumenta e de “n” diminui com o aumento da temperatura.
Durante a estampagem do blanque pode ocorrer o efeito de afinamento da espessura do blanque, o que normalmente ocorre em regiões específicas. Em qualquer processo de estampagem este efeito não é desejável, pois a redução da espessura gera diminuição da área resistente, podendo afetar a rigidez no componente estampado. No caso da estampagem a quente o efeito é ainda mais crítico, pois promove a separação entre as superfícies da ferramenta e do blanque, afetando o coeficiente de extração de calor e a velocidade de resfriamento e consequentemente o tipo de microestrutura gerada em uma determinada região. Isto irá afetar a homogeneidade do componente, suas propriedades finais e comportamento em serviço. O que se percebe é que a estricção pode gerar a perda da rigidez em uma região localizado do componente. No caso da estampagem a quente este efeito é potencializado, pois, a elevada temperatura de trabalho maior a ductilidade e maior a possibilidade de ocorrer deformação localizada em determinadas regiões da peça.
Uma forma de se avaliar a estricção é através da diferença entre a curva tensão-deformação verdadeira e de engenharia (figura 32). Na curva de engenharia não é levado em consideração a redução da área e consequentemente a variação
de espessura do corpo de prova durante a deformação, enquanto que na curva verdadeira considera-se isto. Então a diferença entre estas duas curvas representaria a variação de espessura durante a deformação. Como observado nesta figura uma curva tensão-deformação real ou verdadeira realizada a baixa temperatura apresenta crescimento contínuo da tensão com a deformação, mostrando que o processo de encruamento não se encerra até a fratura do CP.
Figura 32 - Comparação entre a curva tensão-deformação convencional e verdadeira.
Fonte: adaptado de (REED-HILL, 1982).
Segundo Costa e Silva e Mei (2006) grande parte dos materiais metálicos tem sua curva de tensão-deformação real ajustada por uma equação do tipo σR = kεRn onde “n” é o
coeficiente de encruamento, que é a capacidade do material redistribuir a deformação ao longo do corpo de prova a medida que a conformação ocorre.
Ding et al (2013) estudaram o efeito da estricção de um aço QP980 através do teste de tensão uniaxial a frio utilizando um analisador de imagem. Concluíram que tanto a estricção difusa como a estricção localizada se intensificam com o aumento da velocidade de conformação, conforme mostrado na figura 33, o que leva a uma redução da conformabilidade do material.
Figura 33 - Efeito da velocidade de conformação sobre a deformação de estricção difusa e concentrada.
Fonte: adaptado de (DING et al, 2013)
2.2.6 Superplasticidade
Segundo Meyers (1982) quando o ensaio de tração é realizado a uma velocidade constante, em determinado momento, tem-se o início a estricção localizada. Nesta área a taxa de deformação será necessariamente bem superior à taxa de deformação no restante do corpo de prova. Por outro lado, se este metal apresentar uma elevada sensibilidade à taxa de deformação, a tensão de escoamento elevar-se-á consideravelmente nesta região. Nesta condição o pescoço resistirá à deformação melhor que o resto do corpo de prova e a estricção será então inibida. Este é o mecanismo que acontece com as ligas superplásticas. Essas ligas possuem o grão muito fino de tal modo que grande parte da deformação ocorre por deslizamento nos contornos de grão e não necessariamente através das discordâncias nos planos de escorregamento dentro do grão.
Segundo Reed-Hill (1982) em determinadas condições um metal pode apresentar superplasticidade. Quando isto ocorre o alongamento em um ensaio de tração simples se torna significamente maior, podendo atingir cerca de 100%. A principal condição para a formação de uma estricção difusa ou extensa é que a tensão de deformação plástica seja bastante dependente da velocidade de deformação. Segundo o autor a superplasticidade é normalmente observada em temperaturas
elevadas e sua intensidade varia em função da velocidade de deformação, ocorrendo sempre dentro de um intervalo de deformação e a uma dada temperatura. Também está associado a metais de estrutura muito fina, o que significa ou um tamanho de grão muito pequeno (<10microns) ou a uma estrutura bifásica, como um eutético, de pequeno espaçamento entre as lamelas.
Segundo Maehara (1990) superplasticidade é a capacidade de um determinado metal exibir grande alongamento quando deformado a elevada temperatura e isto pode ocorrer com ligas de ferro. Existem duas características microestruturais nos materiais superplásticos. Primeiro o tamanho de grão, que é inicialmente muito pequeno, geralmente da ordem de alguns poucos microns ou até menos, e permanecem pequenos e essencialmente equiaxiais durante toda a deformação. Segundo, grandes alongamentos são obtidos quando a sensibilidade a taxa de deformação (“m”) é elevada (tipicamente ou acima de 0,5). O autor reporta trabalhos onde foram obtidos alongamentos da ordem de 460% em uma liga com 0,42%C e 1,9%Mn, deformada isotermicamente na faixa de 717 a 733oC dentro da região de
fase duplex α-ץ, com tamanho de grão da ordem de 1,5μm. A figura 34 ilustra a região de temperatura do digrama Fe-C onde ocorre a superplasticidade.
A energia de ativação para a superplasticidade está associada à capacidade de difusão em contornos de grão a elevadas temperaturas. Também ocorre ausência de estricção localizada durante a deformação, o que pode ser explicada pela elevada sensibilidade a taxa de deformação. O deslizamento de contorno de grão é um mecanismo importante na superplasticidade contribuindo com aproximadamente 50 a 70% da capacidade de deformação.
Figura 34 - Diagrama Fe-C indicando a condição em que a superplasticidade pode ser obtida.
Fonte: adaptado de (MAEHARA, 1990)
2.3 CINÉTICA DE TRANSFORMAÇÃO DE FASE