As propriedades mecânicas de um metal com relação à orientação do grão são anisotropicas. As propriedades que envolvem uma fratura ou uma quebra, tais como fadiga por esforço mecânico, resistência a impacto e alongamento por tração, serão maiores se a orientação dos grãos estiver ao longo do eixo longitudinal do corpo de prova que está sendo testado. Este aumento das propriedades mecânicas é devido a grande resistência da trinca propagar quando ocorre uma trinca ou fratura que seja perpendicular à orientação dos grãos. Isso pode também afetar a orientação cristalográfica, levando a certa anisotropia durante a deformação plástica (forjamento). Esta anisotropia local pode causar escoamento localizado e bandas de cisalhamento em certas ligas.
No tarugo inicial, a orientação do grão é geralmente na direção longitudinal. Ele tem esta orientação inicial devido ao tarugo ser plasticamente deformado pelos rolos do laminador no fabricante do aço. Em menor grau, a conversão do lingote para barras pode incluir operações em matriz aberta, extrusão ou forjamento radial. Na maioria das vezes, o fornecedor irá usar uma barra quadrada ou circular para reduzir a secção transversal do lingote ou o tarugo da fundição contínua para um tamanho menor no corte transversal. Esta redução ajuda a converter a estrutura do fundido numa estrutura de forjado mais desejável. A laminação por rolos, assim como o forjamento, vai ajudar a fechar qualquer porosidade que pode estar presente desde o lingotamento.
Como no forjamento, a laminação por rolos irá resultar em uma orientação longitudinal dos grãos com uma composição mais homogênea.
A orientação dos grãos para a laminação de uma barra quadrada/redonda é a mesma para partículas e impurezas no metal. Por exemplo, aços que são mais usináveis frequentemente têm mais enxofre, que reage com o manganês no aço e leva a formar um componente mais deformável, MnS. Muitas vezes descritas como longarinas no aço, estas partículas de MnS deformam plasticamente durante o processo de laminação e tornam-se alongadas na direção de laminação.
Efeito do Forjamento na Orientação dos Grãos
Embora o tarugo ou barra chegue a forjaria com os grãos orientados, a indicação que vemos no final do processo de forjamento evolui. Por exemplo, a região da rebarba do forjado pode ter um efeito dramático na orientação dos grãos. A Figura 1 ilustra esta mudança. O tarugo original terá uma orientação longitudinal que vem do fornecedor da laminação quando o tarugo é comprimido na direção longitudinal e preenche a cavidade, próximo do final do curso, o excesso de metal irá deformar e passar através do freio da rebarba e formar a rebarba, que é uma região crítica do projeto da matriz porque aumenta a pressão da cavidade, a qual minimiza a falta de preenchimento da cavidade do molde. A altura da rebarba também faz com que o metal deforme em uma direção específica.
O fluxo do metal irá criar uma direção para a orientação dos grãos na rebarba durante esta deformação.
A Figura 2 mostra esquematicamente as mudanças que a orientação dos grãos terá com a propriedade da ductilidade em função da quantidade da deformação. A ductilidade é geralmente medida pela tensão de tração ou pela redução da área no teste de tração e para ambos os tipos de medição a amostra tem que ser quebrada (por exemplo, fraturada) para obter os valores para ductilidade.
Quando estudamos componentes de metal sem a deformação plástica, por exemplo, fundidos, a ductilidade geralmente é relativamente baixa, independente da direção (longitudinal ou radial), o material tem ductilidade isotrópica, mas em valores pequenos. Baixa ductilidade é comum em materiais fundidos, isto pode ser observado e medido quando o metal é deformado no fornecedor de barras ou laminação.
Durante o processo de laminação, onde a deformação plástica é transferida ao metal, este se transforma em um produto forjado, além disso, a ductilidade (especialmente na direção longitudinal) é aumentada significativamente.
A orientação dos grãos na longitudinal, que é criada na barra durante a laminação, também se manifesta na ductilidade para torná-la anisotrópica (por exemplo, a ductilidade varia com a direção na qual a amostra é testada). Neste caso, a amostra na direção longitudinal é mais ductil do que na direção radial.
Nota-se que a deformação plástica melhorou a ductilidade na direção radial comparado a um fundido, mas a melhora é mais dramática na direção longitudinal.
O próximo passo na sequência de produção é a barra ser forjada em um processo similar, mostrado na Figura 1. Devido ao forjamento estar comprimindo na direção longitudinal (axial) e o metal ser deslocado para a direção radial, a orientação dos grãos é submetida a reorientar, especialmente para o material próximo à saída da rebarba (linha de fechamento da ferramenta). Se extrairmos amostras para testes durante o forjamento em diferentes pontos no tempo durante o fechamento da matriz, concluiremos que a ductilidade destas amostras seria diferente. A ductilidade na longitudinal/axial das amostras começaria a diminuir, uma vez que o material está sendo empurrado para baixo, porém, a ductilidade na direção radial tende a aumentar consequentemente.
Quando o forjamento é terminado, a ductilidade na direção radial irá tornar maior do que na direção axial próximo da rebarba (Figura 2). Esta mudança na ductilidade é devido à mudança da orientação dos grãos que foi transmitida ao metal durante o forjamento. A orientação axial inicial dos grãos no tarugo bruto foi mudada como resultado do processo de forjamento, e convertida radial. Como consequência, alterando as propriedades em função da direção de testes. As propriedades mecânicas que serão mais afetadas pela orientação dos grãos são aquelas que envolvem a fratura ou quebra (por exemplo, fadiga, impacto, ductilidade).
Aspecto do Forjado e Orientação dos Grãos
Os metais (seus grãos e partículas) deformarão no caminho de menor resistência durante o processo de forjamento. Este caminho não é sempre o mesmo que planejamos ou desejamos, então o projetista precisa entender os efeitos das várias características não somente na produção da peça que o cliente quer, mas no efeito da orientação dos grãos que irá ocorrer. A orientação dos grãos em um forjado é um resultado da forma forjada, design da pré-forma, tamanho do tarugo inicial, comportamento do material e condições de processamento. O processo de simulação é frequentemente usado para ajudar o projetista a aperfeiçoar o fluxo do material durante o forjamento. O nosso próximo artigo irá examinar esses efeitos específicos em mais detalhes.
Resumo
Nesta segunda parte da série sobre orientação dos grãos descrevemos como uma barra que chega a forjaria possui uma orientação de grãos, devido à deformação antes transmitida pelo fornecedor da matéria-prima. A deformação anterior é geralmente causada em um laminador a quente e cria uma orientação de grãos no sentido longitudinal da barra.
Também examinamos como um forjamento pode mudar a orientação dos grãos, que causará nas propriedades que são dependentes na fratura (por exemplo, fadiga, impacto, ductilidade) mudanças durante o processo, dependendo da direção usada para produzir as amostras de testes para medição destas propriedades. O forjamento será anisotrópico relativo ao número de propriedades mecânicas.
No próximo artigo desta série, começaremos a examinar detalhes sobre o controle da orientação dos grãos durante o forjamento de forma a obter vantagem nas propriedades direcionais que a orientação dos grãos pode oferecer.
Agradecimentos
O conteúdo para este trabalho foi desenvolvido 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 indústria e pelo Defense Supply Center Philadelphia and Defense Logistics Agency – Research and Development.
Tradução gentilmente realizada pelo diretor da Mettalforma Ltda, Luciano de Assis Santana, telefone (11) 5092-3929, email: luciano@mettalforma.com.br.
Dr. Chet Van Tyne é professor da FIERF, Departamento de Engenharia Metalúrgica, Escola de Minas do Colorado, Golden, Colo- EUA. Ele pode ser contatado pelo no telefone +1 303-273-3793 ou pelo e-mail cvantyne@mines.edu. John Walters é vice-presidente da Scientific Forming Technologies Corporation, Columbus, Ohio – EUA. Ele pode ser contatado pelo telefone +1 614-451-8330 ou pelo e-mail jwalters@deform.com.
