Estudando o comportamento plástico a quente

Numa segunda etapa do processo de simulação procuram-se entender e descrever o comportamento plástico dos materiais. É bem conhecido que o comportamento plástico a quente é determinado pela atuação de mecanismos de endurecimento e de amaciamento. A competição entre a recuperação e a recristalização determina o nível de amaciamento durante a deformação e no intervalo entre passes em um processo industrial. Assim, a atuação dos mecanismos de amaciamento vai determinar a forma das curvas de escoamento plástico.

A seguir apresentam-se resultados de ensaios realizados em materiais com diferentes estruturas e microestruras. Apresentam-se curvas de escoamento plástico de materiais que só recuperam durante a deformação, que recuperam e rescristalizam dinamicamente e da combinação desses materiais, quando formam uma liga bifásica.

 

           (i) Materiais que recuperam dinamicamente

Como um exemplo, pode-se tomar um aço ultra baixo carbono deformado a morno dentro do campo ferrítico. Inicialmente procura-se descobrir como a microestrutura deste material evolui com a deformação. Isto pode ser feito com a interrupção de ensaios em diferentes níveis de deformação, seguido por resfriamento rápido da amostra deformada. A figura abaixo mostra uma curva de escoamento plástico e indica as microestruturas observadas em diferentes níveis de deformação. A evolução da microestrutura com a deformação indica que inicialmente houve a formação de linhas quase paralelas dentro dos grãos deformados. Com baixas deformações, essas bandas alinharam-se em uma única direção dentro de um mesmo grão sem cruzarem os contornos de grãos. Conforme a deformação continuou, as camadas subestruturais foram interceptadas por linhas levando ao desenvolvimento de dois conjuntos de bandas dentro de um único grão. Após grandes deformações, tem-se o desenvolvimento de uma subestrutura, que utilizando MET foi identificada como o início e formação de subgrãos neste material.

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Curva de escoamento plástico e evolução microestrutural em um material que apenas recupera dinamicamente.

Vê-se na figura acima que a tensão aumenta com a deformação até um máximo e então se mantém constante. A modelagem da evolução da tensão com a deformação (equação evolutiva) é essencial para o dimensionamento e melhoria dos processos de conformação em altas temperaturas. Para um material como o aço ultra baixo carbono, que amacia apenas por recuperação dinâmica, a evolução da tensão com a deformação é descrita pela equação 3. A determinação dos parâmetros desta equação é feita utilizando as curvas de escoamento plástico experimentais. Os procedimentos utilizados para o ajunte da equação são bem conhecidos e estão descritos na literatura.

 

(ii) Materiais que recristalizam dinamicamente

Comparando a forma da curva mostrada na figura abaixo com a curva apresentada na figura acima, vê-se que além da recuperação dinâmica tem-se a atuação de mais um mecanismo de amaciamento nas curvas mostradas na figura abaixo: recristalização.

A figura abaixo mostra uma curva de escoamento plástico e a evolução microestrutural obtidas em um ensaio realizado em uma amostra de aço inoxidável austenítico. A observação da evolução microestrutural mostrada nesta foi realizada interrompendo ensaios isotérmicos em diferentes níveis de deformação e injetando água imediatamente após a interrupção da deformação.

 

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Representação esquemática e curva de escoamento plástico com a evolução microestrutural observadas em uma amostra de um material que recristaliza dinamicamente.

 

As curvas de escoamento plástica mostradas na figuras acima indicam que a tensão aumenta com a deformação até alcançar um pico de tensões e decresce em seguida até um estado estacionário. Durante a etapa de encruamento a densidade de discordâncias aumenta com a deformação até que a energia crítica necessária para o início da recristalização dinâmica seja alcançada (σc e εc), iniciando-se o processo de nucleação de novos grãos. A substituição de grãos deformados por núcleos e grãos isentos de deformação conduz a uma redução mais acentuada na taxa de encruamento com o prosseguimento da deformação a partir da deformação crítica. Assim, a curva da taxa de encruamento em função da tensão aplicada apresenta um ponto de inflexão na deformação crítica. Este fato pode ser utilizado para determinar a deformação crítica, como indicado na figura abaixo.

A modelagem matemática das curvas de escoamento plástico de um material que recristaliza dinamicamente é feita utilizando equações evolutivas. O comportamento plástico na parte inicial da curva é descrito pela equação que descreve a recuperação dinâmica. Após a deformação crítica, o comportamento plástico é determinado pela recristalização dinâmica, que passa a amaciar o material conjuntamente com a recuperação dinâmica. Os parâmetros específicos de cada material nas equações que descrevem o amaciamento dinâmico são determinados utilizando dados experimentais obtidos das curvas de escoamento plástico. Esses procedimentos já são bastante conhecidos e largamente descritos na literatura.

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 Diagrama indicando a metodologia utilizada para determinar a tensão crítica para o início da recristalização dinâmica em um experimento realizado em um aço.

 

(iii) Materiais bifásicos  

A figura abaixo mostra uma curva de escoamento plástico e a evolução microestrutural que ocorre durante a deformação a quente de um aço inoxidável duplex ferritico-austenítico. Quando a fase ferrítica constitui a matriz, a fase austenítica mais dura oferece maior resistência à deformação plástica que a matriz. Conseqüentemente, durante os primeiros estágios da deformação plástica, a matriz acomoda a maior parte da deformação. Assim, o endurecimento do material é controlado inicialmente pela recuperação dinâmica eficiente da ferrita, a qual leva a uma tensão de escoamento plástico constante. Em deformações maiores, há transferência de carga da ferrita para a austenita, conduzindo a um endurecimento do material. Nesta etapa as duas fases são deformadas simultaneamente, alongando as partículas de austenita e diminuindo os valores da extensão mínima destas partículas. Porém, esta evolução geométrica sofre uma descontinuidade em níveis de deformações próximos aos correspondentes aos picos de tensão, iniciando-se um processo de fragmentação das partículas de austenita. Com o aumento da densidade de partículas pequenas, a ferrita flui em torno destas partículas e a deformação volta a concentrar-se gradualmente na matriz, decrescendo o nível da tensão necessária para deformar o material. Assim a curva de escoamento plástico tem uma forma peculiar: após um carregamento rápido, a tensão aumenta com a deformação de uma forma aproximadamente linear, até que um máximo seja alcançado, e em seguida decresce continuamente até a fratura do corpo de prova.

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 Curva de escoamento plástico e evolução microestrutural em um aço inoxidável duplex deformado a 1000 °C com taxa de deformação de 1 s-1.

 

(iv) Amaciamento e endurecimento no intervalo entre deformações

A restauração durante o descarregamento entre operações de deformação em altas temperaturas é tradicionalmente quantificada em termos da fração de amaciamento (X) ou da fração de recristalização (Fv). A determinação dos parâmetros das equações que descrevem o amaciamento entre passes necessita de um conjunto de experimentos similares as situações industriais. Nesse tipo de experimento, os testes são interrompidos após uma deformação predeterminada, mantendo-se a amostra na mesma temperatura por diferentes intervalos de tempo, e em seguida reiniciada a deformação. O ciclo termomecânico aplicado nesse tipo de ensaio pode ser visto na figura abaixo. O amaciamento pode ser determinado pela análise das tensões envolvidas ou por medidas da fração recristalizada, resfriando bruscamente a amostra no instante em que seria iniciada a segunda deformação.

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Ilustração esquemática do ciclo termomecânico empregado nos ensaios isotérmicos com duas etapas de deformação.

A figura abaixo mostra a evolução microestrutural que ocorre no intervalo entre deformações em um aço inoxidável austenítico e, a figura seguinte mostra a evolução do amaciamento em função do tempo de espera entre deformações para amostras de um aço microligado ao vanádio. Os dois procedimentos descrevem a cinética de restauração após a deformação a quente. No primeiro caso tem-se a restauração da microestrutura deformada e no segundo a restauração de uma propriedade mecânica. Ambas as metodologias podem ser utilizadas para descrever a cinética de recristalização após a deformação a quente em materiais com baixa ou moderada energia de falha de empilhamento. Todavia, o procedimento mecânico é muito mais fácil e rápido de ser executado do que as medições da evolução microestrutural.

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Evolução microestrutural (fração recristalizada) em função do tempo de espera [(a) 1 s, (b) 10 s, (c) 100 s e (d) 200] para um aço inoxidável austenítico submetido a uma deformação de 30% a 1100 °C.

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Evolução do amaciamento ( PA = fração amaciada) e da precipitação em função do tempo em várias temperaturas para um aço microligado ao vanádio.

 

Pode-se ver na figura acima que em temperaturas menores o amaciamento promovido pela recristalização estática não se completa. Este é um exemplo típico da interrupção da recristalização pela precipitação induzida por deformação.

 

 

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