LABORATÓRIO DE TRATAMENTOS TERMOMECÂNICOS
 
          O Laboratório de Tratamentos Termomecânicos do Departamento de Engenharia de Materiais da Universidade Federal de São Carlos foi criado para realizar pesquisas básicas e inovações tecnológicas na área de processamento a quente de materiais metálicos. São empregados nesse laboratório dois enfoques básicos: simulação física e simulação matemática.
 

1 . Simulação física do processamento metalúrgico


          A etapa de conformação mecânica a quente representa uma parcela significativa do trabalho realizado na fabricação de componentes e produtos metálicos semi-acabados. Esta rota de processamento é utilizada industrialmente devido à baixa resistência e alta ductilidade apresentada pela maioria dos materiais metálicos quando deformados em temperaturas elevadas. Durante o processamento a quente, inicialmente os materiais metálicos são aquecidos até altas temperaturas, em seguida são submetidos a seqüências de deformações, que envolvem as etapas de desbaste e de acabamento e, posteriormente são resfriados até a temperatura ambiente. Ao lado das mudanças de forma almejadas, em tais condições de processamento, a microestrutura do material é alterada significativamente e, conseqüentemente, as propriedades finais dos materiais trabalhados. De uma forma geral, a evolução da microestrutura durante o processamento a quente depende das condições de deformação, as quais podem ser descritas pela:

 

 

- temperatura de deformação ou, para uma seqüência de passes, pela evolução da temperatura com o tempo,
- taxa de deformação, ou por seus valores em função do tempo e
- quantidade de deformação imposta, que para uma seqüência de passes é determinada pelos níveis das deformações sucessivas e pelos tempos de espera entre passes.


          O comportamento de um metal ao ser trabalhado a quente pode ser determinado diretamente em equipamentos padrões de produção. Todavia, isto normalmente não é viável economicamente. A impossibilidade, e muitas vezes a inconveniência, de se replicar fielmente ou em menor escala um processo de fabricação levou ao estabelecimento da prática da simulação física. Nesta prática utiliza-se um corpo de prova de dimensões reduzidas sobre o qual se impõem ciclos térmicos, mecânicos ou termomecânicos, que reproduzem fielmente os parâmetros reais de processamento. O equipamento onde se realiza a simulação deve ser capaz de variar esses parâmetros de modo a abranger uma larga faixa de valores. Um aspecto importante da simulação é o registro simultâneo da resposta do material e a associação desse comportamento aos parâmetros impostos. Também, a microestrutura do material deve ser examinada após a simulação.
 

1. 1 - Ensaio de torção

          Vários métodos de laboratório têm sido utilizados na simulação física dos processos de conformação mecânica a quente, podendo destacar os ensaios de compressão, torção e laminação. O ensaio de torção é um dos testes de laboratório que mais tem sido utilizado para a simulação física do processamento a quente. O estado de tensão atuante na superfície de uma amostra cilíndrica submetida a um esforço de torção está ilustrado na Figura 1. A tensão cisalhante máxima atua em dois planos mutuamente perpendiculares, ou seja, perpendicular e paralelamente ao eixo da amostra. As tensões principais
s1 e s3  formam ângulos de 45° com o eixo do corpo de prova e são iguais em magnitude às tensões cisalhantes máximas. s1  é a tensão trativa, s3  é a tensão compressiva de igual valor e s2 , que é igual a zero, é a tensão intermediária.
 

Figura 1 - Representação do estado de tensões atuante na superfície de uma amostra cilíndrica submetida a um esforço de torção.

          Com esse ensaio é possível impor grandes deformações com altas taxas de deformação. O momento torçor é aplicado ao corpo de prova por meio de um motor, que pode ter a sua velocidade controlada e variada, permitindo realizar ensaios com taxas similares às impostas nas seqüências de passes dos processos industriais. Além do controle do ensaio, a instrumentação de um equipamento desse tipo permite medidas do torque (tensão de escoamento plástico), do deslocamento angular (deformação e taxa de deformação) e da temperatura.
 

1. 2 . A máquina de ensaios de torção a quente do DEMa / UFSCar

          Na máquina de ensaios de torção a quente do Laboratório de Tratamentos Termomecânicos, os esforços mecânicos são aplicados às amostras por um servo motor elétrico de 6 KVA com velocidade variável de 1 a 2000 rpm, e são medidos por uma célula de carga com capacidade de 1000 kgf x cm. As amostras são aquecidas por um forno de radiação infravermelho de 6 KW acoplado à máquina. A deformação e a taxa de deformação são calculadas a partir de medidas do ângulo de rotação realizadas por um transdutor de rotação. A aquisição de dados é realizada por um computador interligado à máquina, que com um programa, controla os ensaios impondo a temperatura, a deformação, a taxa de deformação e o tempo de espera entre deformações. A Figura 2 mostra uma representação esquemática e uma foto do equipamento utilizado.


 

Figura 2 - Representação esquemática e foto da máquina horizontal de ensaios de torção a quente.


          As curvas tensão equivalente vs. deformação equivalente para a superfície de amostras cilíndricas torcionadas são calculadas a partir do torque e ângulo de rotação medidos, utilizando as relações:

 

 

 

onde M é o torque aplicado, o q ângulo de rotação, R e L são o raio e o comprimento útil do corpo de prova. Os coeficientes m e n representam a sensibilidade do material às mudanças na taxa de deformação e na deformação, respectivamente.
 

1. 3 - Experimentos que podem ser realizados com o equipamento

          Há uma ampla variedade de experimentos que podem ser realizados com um simulador físico. Com maior freqüência, tem-se utilizado a máquina de ensaios de torção a quente do DEMa/UFSCar para realizar ensaios isotérmicos e contínuos até a fratura, ensaios isotérmicos e interrompidos com duas deformações e ensaios com múltiplas deformações em resfriamento contínuo.
 

1. 3. 1 - Ensaios isotérmicos e contínuos até a fratura

          Com esses ensaios determinam-se as curvas de escoamento plástico dos materiais em diferentes temperaturas e taxas de deformação. Os corpos de prova são aquecidos até temperaturas de solubilização e mantidos nessas temperaturas por 10 - 30 minutos, sendo em seguida resfriados até a temperatura de ensaio e deformados continuamente até a fratura. O ciclo térmico empregado pode ser visto na Figura 1.
 


Figura 3 - Ilustração esquemática do ciclo térmico empregado nos ensaios isotérmicos até a fratura.
 

1. 3. 2 - Ensaios isotérmicos e interrompidos com duas deformações

          Esses ensaios são utilizados para investigar os fenômenos que ocorrem nos intervalos entre passes, como o amaciamento promovido pela recuperação e pela recristalização e o endurecimento gerado pela precipitação induzida por deformação. 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 4.
 


Figura 4 - Ilustração esquemática do ciclo termomecânico empregado nos ensaios isotérmicos com duas etapas de deformação.
 

1. 3. 3 - Ensaios com múltiplas deformações em resfriamento contínuo

          Com esse tipo de ensaio pode-se investigar o comportamento dos materiais em condições similares às do processamento industrial, os fenômenos induzidos pela deformação que ocorrem durante o resfriamento e determinar as temperaturas críticas do processamento termomecânico, tais como a temperatura de não recristalização (Tnr) e as temperaturas de início e fim da transformação de fase em aços. Nesses experimentos, as amostras são aquecidas e mantidas por tempos de 10 a 30 minutos nas temperaturas de encharque e em seguida resfriadas continuamente com taxas similares às impostas industrialmente. Durante a etapa de resfriamento, as amostras são deformadas em seqüências de passes com níveis de deformações iguais aos do processamento industrial. A Figura 5 é uma representação esquemática de uma seqüência de passes típica.
 


Figura 5 - Representação esquemática do ciclo termomecânico imposto em ensaios realizados com múltiplas deformações em resfriamento contínuo.
 

1. 4 - Dados experimentais que podem ser obtidos

          Com os procedimentos descritos acima, podem-se determinar as curvas de escoamento plástico em altas temperaturas, a cinética de recristalização em altas temperaturas, a interação entre a recristalização e a precipitação induzida por deformação, as temperaturas típicas do processamento termomecânico e demais dados necessários ao dimensionamento do processamento industrial de materiais metálicos.
 
 

2 - Simulação matemática

2. 1 - Modelagem das curvas de escoamento plástico

          A necessidade de obter produtos melhores com custos menores, justamente com a evolução da informática, tem tornado cada vez mais atrativo a modelagem dos processos de conformação plástica a quente, em especial a laminação de aços. É de grande interesse relacionar o estado metalúrgico durante o processamento com os esforços realizados pela máquina para deformar o material. Uma vez conhecida esta relação, pode-se controlar as dimensões dos produtos trabalhados e monitorar a evolução microestrutural e, assim, projetar as suas propriedades.

          Assim, a modelagem do comportamento plástico dos materiais nas condições de processamento é essencial para melhorar a prática dos processos industriais de conformação em altas temperaturas. Todavia, esta não é uma tarefa fácil, uma vez que a estrutura interna dos materiais metálicos evolui com a deformação através de mecanismos de endurecimento e de amaciamento como o encruamento, a recuperação e a recristalização, e a forma da curva de escoamento plástico depende da competição entre e da seqüência destes fenômenos. Materiais cujas discordâncias são capazes de escalarem e realizar o deslizamento cruzado, rearranjando em uma estrutura poligonal de subgrãos, tendem a exibir um alto nível de recuperação dinâmica. Um exemplo de estrutura que apresenta este comportamento é a ferrita; quando esta fase é deformada em altas temperaturas com taxa de deformação e temperatura constantes, a tensão de escoamento plástico aumenta no estágio inicial de encruamento e se torna constante após uma certa quantidade de deformação.

          Por outro lado, materiais com baixa ou moderada energia de falha de empilhamento, como a fase austenítica, têm um nível muito menor de recuperação dinâmica. Neste caso, a densidade de discordâncias aumenta até que uma certa condição crítica seja alcançada, quando novos grãos são nucleados e crescem durante a deformação. Quando a fase austenítica é deformada em altas temperaturas, a tensão de escoamento plástico aumenta até um nível máximo e decresce continuamente até um estado estacionário, devido ao amaciamento promovido pela recristalização dinâmica.

          Comparando a forma das curvas de escoamento plástico de materiais que apenas se recuperam dinamicamente com as dos materiais que também se recristalizam dinamicamente, vê-se que é na região de amaciamento que se apresentam as maiores diferenças na forma das curvas de escoamento plástico a quente de materiais metálicos. Todavia, a origem destas diferenças está no comportamento plástico durante a etapa de encruamento.

          Considerando os mecanismos que atuam durante a deformação plástica a quente de diferentes materiais metálicos é possível modelar o comportamento desses materiais. A idéia básica consiste em utilizar expressões para descrever a evolução da tensão com a deformação predizendo o encruamento, a recuperação dinâmica e o amaciamento promovido pela recristalização dinâmica, quando esta é ativa.

2. 2 - Engenharia de microestrutura

          Em uma seqüência de passes, como ocorre na laminação a quente, os materiais metálicos são submetidos a uma série de deformações consecutivas, com um determinado tempo de espera entre cada uma dessas deformações. Inicialmente, grãos equiaxiais são deformados, encruando e amaciando dinamicamente até certa extensão, podendo restaurar estaticamente e crescer no intervalo entre passes, gerando a microestrutura inicial para o passe seguinte. Assim, em uma seqüência de deformações, a evolução microestrutural acontece de forma cíclica, repetindo-se a cada unidade de processamento termomecânico, (UPT), que consiste em uma deformação individual mais o tempo de espera até o passe seguinte.

          A modelagem matemática desenvolvida para determinar a evolução do tamanho dos grãos durante seqüências de passes foi realizada separando a seqüência de deformações em UPTs, como indicado no diagrama da Figura 6.
 


Figura 6 - Representação de uma UPT utilizada para descrever a evolução microestrutural durante seqüências de deformações típicas do processamento termomecânico.

          Antes de cada deformação a quente o material tem uma certa microestrutura, representada por S. Com a deformação, a uma dada temperatura e taxa de deformação, tem-se a ocorrência simultânea dos fenômenos de encruamento e de amaciamento dinâmicos, resultando em uma microestrutura S1. Entre passes, podem ocorrer a recuperação estática, precipitação, recristalizações estática e metadinâmica e crescimento de grãos, que dependem da energia armazenada em S1, da temperatura e do tempo entre passes; determinando a microestrutura inicial do passe seguinte. Assim, as mudanças microestruturais dinâmicas e estáticas que ocorrem durante a deformação e no intervalo entre cada passe definem a microestrutura S, de início do próximo passe, e repetem ciclicamente durante toda a seqüência de passes, determinando a microestrutura final.

          Com esse tipo de abordagem, fez-se uma rotina de cálculos, utilizando uma planilha comercial, para descrever a evolução do tamanho dos grãos durante o processamento termomecânico. Utilizando os parâmetros típicos do processamento industrial é possível predizer o tamanho dos grãos em cada instante do processamento, e conseqüentemente projetar seqüências de passes que otimizem a microestrutura final dos produtos trabalhados.