Nos dois últimos artigos, nós examinamos as definições básicas da orientação dos grãos e descrevemos as propriedades anisotrópicas dos metais devidos à orientação. As propriedades mecânicas que são necessárias para a amostra fraturar e/ou quebrar precisam ser melhoradas quando a trinca se propaga perpendicular a orientação dos grãos. A trinca é micro estruturalmente desviada quando isso acontece, exigindo mais energia para se propagar, aumentando assim as propriedades. O segundo artigo mostrou que a matéria-prima que chega da usina para a forjaria já possui uma orientação dos grãos devido as operações na cadeia anterior. Também examinamos como o forjamento transmite mudanças adicionais a orientação dos grãos. Nesta parte da nossa série, examinaremos mais detalhadamente sobre os efeitos do forjamento no fluxo de grãos e examinaremos os parâmetros que o afetam.
Durante o processo de forjamento, os metais (e os grãos subjacentes) deformam-se plasticamente no caminho de menor resistência. O metal irá fluir na direção e maneira que requer a menor quantidade de trabalho, este princípio é fundamental. Durante esta deformação, o processo de forjamento irá transmitir alguma orientação dos grãos para o metal e os grãos. Os principais parâmetros de forjamento que afetam a orientação dos grãos são:
– Forma do forjado;
– Processo de forjamento;
– Design da pré-forma;
– Tamanho inicial do tarugo;
– Comportamento do material;
– Condições de processo.
Forma do Forjado
A Figura 1 mostra um exemplo da orientação dos grãos em uma forja. Neste exemplo, existe uma região de nervura na parte superior da imagem. Durante a forja, a dinâmica de deformação é tal que o metal flui para preencher esta região. Observe como a orientação do grão muda dentro da nervura. A orientação do grão geralmente coincidirá com os contornos da matriz de forjamento, uma vez que o metal flui em torno de cantos e raios. Note que é o fluxo de metal durante o processo de forjamento que produz a orientação dos grãos resultante, e não as características da matriz de forjamento. A mesma matriz de forjamento pode criar uma orientação do grão diferente, dependendo da forma inicial do tarugo e do fluxo plástico que ocorre durante o forjamento.
Processo de Forjamento
Muitas peças forjadas podem ser produzidas por mais de um tipo de processo de forjamento. Nas Figuras 2 a 4, uma ilustração de como processos diferentes produzem peças forjadas com uma orientação do grão significativamente diferente. Esta variação é possível apesar de uma geometria idêntica num disco redondo forjado utilizando diferentes processos. A orientação do grão pode ser simulada como mostrado nestas figuras usando um software de CAE comercial, neste caso o DEFORM. Várias capacidades de rastreamento da orientação dos grãos existem para prever o fluxo de grãos antes de executar o primeiro teste no chão de fábrica. A orientação de grãos ideal corresponderia ao componente de tensão principal máxima em serviço, resultando numa melhor vida de fadiga do componente forjado.
Design da Pré-Forma
O tarugo que chega da forjaria tem uma orientação do grão inicial que é geralmente longitudinal. As operações da pré-forma são usadas para mudar a geometria, a microestrutura e a direção do grão. Em cada operação de pré-forma, o material flui no caminho de menor resistência sem influência de operações futuras. A orientação do grão muda como resultado deste fluxo de metal.
Como um exemplo, considere um tarugo que é recalcado em uma forma de panqueca durante a conformação. Este recalque irá alterar o fluxo inicial de grãos, que está na direção longitudinal / axial, em algum fluxo de grãos na direção radial (Figura 4). A pré-forma terá agora algum orientação do grão inicial entrando nas cavidades do molde de pré-forma e acabamento. A orientação do grão que entra nos passos de forjamento subsequentes será diferente da orientação do grão do tarugo inicial devido à deformação acumulada.
Um segundo exemplo é a utilização de uma laminação por rolos com cunha como uma operação de pré-forma, a qual é mostrada na Figura 5. Existe material sendo acumulado em algumas regiões, com alongamento em outras. Durante esta operação de pré-forma existe uma redução (isto é, a deformação entre os rolos) em algumas regiões da barra e acumulo em outras. As regiões de pequeno diâmetro são geralmente alongadas, com a orientação do grão longitudinal tornando-se mais pronunciado. As regiões de maior diâmetro, onde metal adicional está sendo acumulado, geralmente têm uma componente radial à orientação do grão antes das operações finais de forjamento. Dependendo da geometria da barra inicial, da pré-forma e forma final do forjado, a quantidade de mudança de orientação do grão nestas regiões finais pode variar de muito pouco a uma quantidade significativa.
Tamanho Inicial do Tarugo
Para ilustrar a influência do tamanho inicial do tarugo, podemos considerar um forjamento axisimétrico de uma engrenagem de dentes reto, com os dentes da engrenagem usinados no diâmetro externo. Para que esses dentes sejam o mais resistentes à fadiga possível, gostaríamos de produzir um forjamento com o máximo possível de fluxo de grãos na direção radial. Assim, se uma fratura começar na raiz de um dente, a trinca estaria propagando-se no aro ou na direção circunferencial, que é perpendicular à direção radial. Portanto, a orientação do grão radial proporciona um aumento da resistência à fadiga desta engrenagem.
A chave para aumentar a quantidade de orientação do grão radial é recalcar o tarugo inicial o maximo possível. Assim, se o tarugo inicial tem uma relação pequena da altura / diâmetro (se escolhermos o tarugo inicial com um diâmetro maior), então a quantidade de orientação do grão radial transmitida durante o recalque inicial irá ser um pouco limitada. Observe a mudança de direção na orientação do grão à medida que o recalque aumenta na Figura 4 para ilustrar o parágrafo acima. Existem limites práticos para os quais a relação de recalque (altura / diâmetro) possa ser efetuada com mais sucesso. Se a razão for muito além de dois, o potencial de flambagem do material é aumentado no recalque inicial. No entanto, o tamanho do tarugo inicial – tal como o design da pré-forma na matriz – irá afetar o orientação do grão final que é obtido no forjamento.
Comportamento do Material
A orientação dos grãos resulta da deformação do metal ou do fluxo de metal. Se o material não flui uniformemente, então o fluxo de grãos pode não estar na direção que podemos ter antecipado ou previsto. Defeitos geométricos e de material, tais como dobras internas ou cisalhamento adiabático, farão com que o metal flua de uma forma indesejável. O fluxo de grãos em que resulta virá do fluxo real que ocorre, não o fluxo que poderíamos querer ou poder antecipar/prever. Parte do fluxo indesejável pode ser causada por não homogeneidades no material. As não homogeneidades, tais como temperaturas não uniformes ou microestruturas e lubrificação não uniforme, podem alterar o comportamento do escoamento a partir do design pretendido pelo projetista da matriz de forjamento. A orientação do grão no forjamento final é produzida pelo fluxo de metal real em vez de um fluxo ideal antecipado durante o processo de projeto do forjado.
Condições de Processo
Obviamente, as condições de processo podem ter efeitos no comportamento do fluxo do material, logo também na orientação do grão transmitido durante a deformação. Existem algumas outras condições do processo que devem ser consideradas, por exemplo, se for um forjado de um eixo automotivo, seria desejável que a resistência à ruptura aumentasse através da área do eixo onde a roda seria montada. De modo a ter este aumento de ruptura (impacto ou fadiga), a orientação do grão deve estar na direção longitudinal do eixo. Se o processo de forjamento é projetado para fazer um recalque inicial do tarugo, estaremos mudando o fluxo inicial de grãos de longitudinal para radial e deformação adicional pode aumentar o fluxo de grãos nessa direção. Em vez disso, podemos considerar por não perturbar o tarugo inicial no sentido normal, mas golpear o tarugo lateralmente para que haja uma redução adicional do diâmetro do tarugo. Neste cenário a orientação do grão longitudinal inicial que está presente no tarugo é aumentada e o eixo será beneficiado com uma quantidade ainda maior de orientação do grão longitudinal.
Resumo
Uma consideração cuidadosa do processo de forjamento, com uma compreensão clara do uso final do componente, é essencial ao tentar usar a orientação do grão para aperfeiçoar as propriedades mecânicas de uma peça. Esta compreensão requer uma comunicação clara entre o projetista de ferramentas do forjado e o cliente, uma consideração cuidadosa do que pode ser feito em projetar o processo de forjamento geral. Este tipo de diálogo pode resultar em uma melhoria significativa nas propriedades finais do componente. Em muitos casos, não há aumento no custo de produção para se obter uma melhor orientação do grão.
Nesta parte da nossa série sobre a orientação de grãos, analisamos vários aspectos do processo de forjamento e como eles afetarão a direção do grão. Estes incluem a forma de forjado, o processo de forjamento, o design da pré-forma, o tamanho inicial do tarugo, o comportamento do material e as condições do processo. Deve ser lembrado que a orientação do grão que é transmitido é devido ao fluxo ou à deformação do material, não apenas a forma do componente ou das matrizes. Se quisermos usar o fluxo de grãos a nosso favor, precisamos estar plenamente conscientes do fluxo real que o metal sofre durante a operação de forjamento. A próxima parte desta série irá comparar o fluxo de grãos em vários processos e fornecer um exemplo de como a usinagem pode influenciar a região de fluxo crítico de grãos em um componente.
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 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, e-mail: luciano@mettalforma.com.br.
