Nesta série de artigos, iremos examinar os conceitos e características do forjamento na orientação dos grãos. Este artigo irá cobrir os conceitos básicos da orientação do grão que ocorre durante os processos de conformação mecânica. Será discutido também como a orientação do grão pode ser observada em uma peça forjada. Em artigos futuros, o efeito dos parâmetros de forjamento na morfologia do grão, a influência da usinagem depois do forjamento, a orientação do grão em forjamento com matriz aberta e de grandes dimensões e, por fim, considerações de forjamento para a orientação do grão serão discutidas
A orientação do grão é um dos maiores benefícios citados para o uso ou aplicação de produtos forjados. Infelizmente, existem muitos conceitos errôneos neste assunto, os quais incluem causas associadas à orientação do grão, aos benefícios que podem ser incluídos a partir da orientação do grão e como alcançar uma orientação otimizada ou com qualidade. No melhor dos casos, a orientação do grão resulta na satisfação do cliente final e uma peça forjada que supera a durabilidade em aplicações críticas.
Para começar, vamos definir a orientação do grão em peças forjadas. A orientação do grão estuda a direção de fluxo dos grãos do metal e quaisquer inclusões que tenham sido formadas durante o forjamento. Os grãos são individualmente alongados na direção de fluxo do metal ou deformação plástica. Mais importante, inclusões não metálicas, partículas e outras imperfeições vindas do processo de fundição são alongadas na direção da orientação do grão. Devemos observar que a orientação dos grãos ocorre, em algum grau, em todos os processos de conformação de metais, não somente em forjamento.
Observações na Orientação do Grão
Ao examinar o interior de uma peça forjada, a orientação do grão torna-se óbvio. A Fig.1 mostra a orientação do grão em um componente forjado e usinado. A observação da orientação do grão nesta figura requer alguns métodos de preparação especiais. Após seccionar o forjado, este necessita ser polido semelhante a uma amostra metalográfica.
A maior dificuldade com esta etapa do processo é que peças forjadas geralmente são substancialmente maiores em tamanho do que as pequenas amostras para análise metalográfica. Deve-se tomar o cuidado na preparação para garantir que a superfície seja plana e não fique chanfrada. Depois que o polimento for concluído, um reagente químico (com uma solução ácida) é aplicado à superfície polida. O método padrão para preparação de aços forjados para análise de orientação de grãos é descrito na norma ASTM E-381 – Method of Macroetch Testing, Steel Bars Billets, Blooms and Forgings. Este ensaio é chamado de ataque macrográfico, pois ele revela características do forjamento em uma escala que não pode ser observada a olho nu, requerendo um microscópio.
ASTM E-340 fornece um método de ensaio padrão para o ataque macrográfico de metais e ligas. Esta norma define: “Forjarias…. usar ataque macrográfico para revelar linhas de fluxo para melhores práticas de forjamento, desenho do ferramental e fluxo do metal. Para um exemplo do uso do ataque macrográfico na indústria de forjamento, veja ASTM E-381. As forjarias e fundições também usam o ataque macrográfico para determinar a presença de falhas internas e defeitos em superfícies.”
Este ensaio também fornece a composição química para os agentes químicos que podem ser usados em uma variedade de ligas de metais forjadas, ligas de alumínio, aço inoxidável, superligas, ligas de níquel, titânio e magnésio. O método do ataque macrográfico é bem explicado também no volume 9 da ASM(Handbook Metallography and Microstructures).
Importante ressaltar que o ataque macrográfico é muito agressivo e deve ser feito de maneira segura. Também devido ao ácido presente no revelador, o ataque no forjado é considerável. A observação da orientação do grão é devido à presença de partículas e inclusões. O reagente irá atacar a região de interface entre estas inclusões assim como o metal de base. As superfícies marcadas aparecerão para mostrar as inclusões que são grandes, mas isto não é devido ao ataque ácido. A área que é corroída no forjado é muito maior que as inclusões. Não se engane pensando que o aço ou o metal está extremamente sujo por causa dos métodos que são usados para observar o fluxo dos grãos. Mesmo com material relativamente limpo, as linhas de fluxo dos grãos podem ser vistas a partir de um ataque de ácido agressivo, mesmo que com um número e tamanho de inclusões inerentes relativamente pequenas.
Efeito nas Propriedades Mecânicas
A implicação importante sobre a orientação dos grãos é de que algumas propriedades mecânicas variam no que diz respeito à orientação em relação ao fluxo de grãos. Este fato é um dos principais benefícios atribuídos a peças forjadas. Esta variação das propriedades mecânicas pode ser explorada de modo que o produto real tenha propriedades superiores em uma direção crítica, quando comparado ao esperado a partir da própria composição da liga.
Entretanto, deve ficar claro que nem todas as propriedades mecânicas irá variar significativamente com a orientação dos grãos. Por exemplo, resistência e dureza são controladas principalmente pela composição química da liga e do tratamento térmico a que é dada ao forjado. A orientação dos grãos não terá um efeito grande na resistência e dureza da liga. Em contraste, as propriedades desejáveis associadas à retardação da propagação de trincas podem ver diferenças significativas dependendo da orientação do grãos e direção do movimento da trinca. Então, propriedades como resistência à fadiga, resistência ao impacto e ductilidade, os quais são parâmetros da resistência do material a quebra (medidos após a fratura), podem ser significativamente melhoradas se a direção de propagação da trinca e a orientação dos grãos estiverem devidamente alinhadas. O alinhamento ideal ocorre quando a tensão principal máxima (perpendicular a uma trinca ou fratura potencial) está alinhada com as linhas de fluxo de grãos.
Quando as propriedades do metal são independentes da direção, o material é definido como sendo isotrópico. Metais deformados plasticamente com a orientação dos grãos têm propriedades anisotrópicas. A Fig.2 ilustra este princípio da anisotropia com a respectiva orientação do grão. Neste exemplo, a orientação é indicada no bloco de metal.
Amostras para testes são usinadas em três diferentes orientações. As amostras longitudinais têm a orientação do grão ao longo mais comprido. A transversal e a transversal curta estão orientadas de modo que o fluxo do grão é perpendicular ao longo do seu eixo. Quando a amostra longitudinal é testada, a quebra ou fratura final irá ser perpendicular ao eixo da amostra, então, para amostra longitudinal à propagação da quebra é perpendicular a orientação dos grãos, ao passo que para a transversal e transversal curta a quebra ou fratura que se forma é paralela ou tende a ser paralela à orientação do grão. Nota-se que não há uma variação significativa no limite de escoamento do material com a orientação das amostras de teste. Mudando para amostra transversal curta para a amostra longitudinal, o aumento do limite de escoamento é menor que 3%. Como o limite de escoamento é uma medida de quando a deformação plástica inicia no metal, a medição desta propriedade não tem relação com a quebra ou trinca.
Em contrapartida, a redução na área e o alongamento são medidos na amostra após a quebra ou fratura. Da mesma forma, a energia do impacto é uma medida da resistência do material à propagação rápida da quebra através dele. A redução na área aumenta por um fator de mais de 5 e o alongamento aumenta por um fator de 3, quando comparada a amostra de teste transversal menor com a amostra de teste longitudinal. O aumento da energia de impacto é quase um fator de 2,5. Estas mudanças são notáveis no aumento das propriedades mecânicas. O aumento nas propriedades de fadiga e impacto varia de acordo com o material, condições de processo e microestrutura. Com o design apropriado e entendimento da aplicação, um forjamento oferece uma oportunidade para melhoras significativas em propriedades mecânicas críticas.
A razão fundamental para a melhoria das propriedades quando a amostra de ensaio e a orientação dos grãos estão alinhadas é devido à maneira pela qual uma trinca ou fratura irá propagar através do material. Como as fraturas que são observadas em madeira, uma fratura se propaga preferencialmente na direção da orientação do grão. Quando a fratura ou trinca forma perpendicular à orientação do grão, ela vai passar por inúmeros desvios para se mover através da amostra. Cada um destes pequenos desvios requer mais energia e faz o material mais resistente a esta trinca ou fratura. Assim, algumas das características mecânicas são aumentadas quando a amostra é testada na direção longitudinal.
Quando testada na direção transversal ou transversal curta, a trinca pode propagar mais facilmente ao longo das inclusões, requerendo menos energia para o processo da fratura. Esta redução na necessidade de energia faz com que as propriedades mecânicas sejam menores. É esta mudança na facilidade ou dificuldade de propagação de trincas a causa principal para a mudança nas propriedades mecânicas devido à orientação dos grãos.
Resumo
Nos fornecemos uma definição de orientação dos grãos no artigo introdutório. Também examinamos como a orientação dos grãos é observada em forjados e algumas das implicações da orientação do grão nas propriedades mecânicas de um forjado – especialmente aquelas que são uma medida da resistência à quebra ou fratura. Dependendo da orientação dos grãos e direção na qual a quebra se propaga, estas propriedades mecânicas podem ser aumentadas ou diminuídas. No próximo artigo nós iremos examinar a relação mais especificamente entre a orientação dos grãos e o processo de forjamento.
Agradecimentos
O conteúdo para este trabalho foi desenvolvido principalmente pela Scientific Forming Technologies Corporation em parceria com a SCRA Applied R&D e FIA. O material foi inicialmente desenvolvido como um Seminário de Forjamento pelo programa FAST, patrocinado pela industria e pelo Defense Supply Center Philadelphia and Defense Logistics Agency – Research and Development.
Revisão de tradução gentilmente realizada pelo diretor da Mettalforma Ltda, Luciano de Assis Santana, telefone (11) 5092-3929, email: luciano@mettalforma.com.br.
