Antes de discutir estudos de caso, faz sentido rever brevemente o DOE, otimização e sua integração em ferramentas de simulação de processos como o DEFORM™. O DOE é um método sistemático para investigar parâmetros de projeto ou variações de processo. São feitas alterações estruturadas a uma ou mais variáveis de entrada de um sistema. Os efeitos que essas mudanças têm em variáveis de saída específicas são então avaliados. A otimização é um método iterativo usado para determinar automaticamente qual entrada fornece o melhor resultado dentro do espaço de design ou estudo. Um programa de controle interroga a resposta de um sistema relativo a entradas específicas. Ele atualiza as entradas em simulações subsequentes até que ele converge para o resultado “ótimo” sem defeitos.

A capacidade de simulação de múltiplas operações (MO) permite o estudo do DOE e otimização de variáveis a partir de diferentes operações em uma sequência de fabricação. Por exemplo, um estudo do DOE pode avaliar o efeito do tempo de aquecimento do forno, da geometria do tarugo inicial e da velocidade da prensa na operação de acabamento. Os estudos são criados pela definição de uma simulação MO nominal, criando um estudo do DOE e definindo variáveis, intervalos, restrições, outputs e um padrão de amostragem. Um processo em lote configura e executa todas as simulações necessárias. Isso pode envolver apenas algumas ou centenas de simulações.

A exploração de dados e de exibição são críticas desde que quantidades enormes de dados possam ser produzidas em um DOE ou estudo de otimização. O processo de simulação em lote produz um banco de dados visível para cada simulação. Além disso, as saídas do DOE são compiladas na forma de gráficos de resposta por superfície e sensibilidade para todo o espaço de design (estudo). Esse pós-processamento “estratégico” resume a influência de cada variável de entrada. No passado, o pós-processamento de 100 simulações levaria dias, agora ele pode ser feito em minutos. Vários DOE e estudos de caso de otimização foram publicados nos últimos anos. Dois exemplos que destacam como o DOE foram aplicados aos processos de forjamento são descritos a seguir. O primeiro caso envolve uma análise de forjamento comum, semelhante àqueles frequentemente executados por projetistas ou engenheiros de processo. O segundo modela uma operação de forjamento com a adição de uma subsequente análise de tensão em ferramental.

Análise do Forjamento

As conexões industriais são forjadas frequentemente em “placas”, um único forjado com várias peças posicionadas e encaixadas uma próxima das outras. As peças são posicionadas de forma a maximizar a eficiência da produção e minimizar o uso de material. Pequenas quantidades de rebarba faz a ligação entre as peças. Neste estudo de caso, uma placa de aço inoxidável 316 tem quatro encaixes alinhados ao longo do eixo longo da matriz. É sabido que, apesar do alinhamento ortogonal dos componentes, posicionar uma barra bruta paralela a este eixo resultaria em excesso de rebarba em algumas regiões e falta de preenchimento em outras. Portanto, a posição ideal da barra seria provavelmente em um ângulo.

Um DOE foi realizado com os objetivos de encontrar a orientação e o diâmetro ótimo da barra para produzir o forjamento em uma prensa pequena. Esta primeira operação na sequência do processo foi um simples recalque entre as matrizes planas. Ele criou uma pré-forma que foi então passada para uma operação de acabamento. O objetivo do DOE era minimizar a carga usada na operação de acabamento e ao mesmo tempo evitando defeitos como dobras e falta de preenchimento. A primeira variável do DOE avaliou diâmetros de barra entre 30,50 e 35,50 milímetros. A segunda variável DOE considerou os ângulos de rotação variando de 0 a 16 graus. As ilustrações dessas variáveis são mostradas na Figura 1. Um universo de amostragem usando o método de Latim Hypercube com um limite de 80 simulações foi aplicado a este estudo.

Uma superfície de resposta 2D mostrada na Figura 2, ela foi gerada a partir dos resultados do DOE. Seu contorno de cor revela a relação da carga de forjamento em função do diâmetro da barra e da rotação da barra. Se a carga de forjamento fosse a única consideração, o usuário teria selecionado a amostra que produziu a carga mais baixa. No entanto, a informação sobre a presença de defeitos foi considerada como uma restrição de projeto. Cada ponto de amostra na superfície de resposta indicou se a amostra falhou devido à falta de preenchimento, dobras ou ambos. Portanto, o projeto ideal foi a amostra que produziu a carga mais baixa e passou por todas as verificações de restrições. O projeto ideal foi um diâmetro de barra de 33mm e um ângulo de rotação de barra de aproximadamente 6 graus.

Uma análise posterior dos resultados do DOE forneceu ainda mais informações sobre o processo. Ao contrário da otimização, que só identifica um único local “ótimo”, DOE revela a resposta de saída em uma ampla gama de variáveis. Isto permitiu identificar não só as gamas ótimas, mas também “seguras”. No gráfico de resposta mostrado, a região realçada na parte inferior da banda amarela evitou defeitos ao atingir uma carga mínima. Foi estimado que um processo que visava às condições ótimas permitiria aproximadamente 2,7 graus de rotação de barra e ainda permanecerá quase ótimo.

Análise de Tensões no Ferramental

O segundo caso estudou uma engrenagem cônica de aço que foi forjada em duas operações, como mostrado na Figura 3. O tarugo cilíndrico foi forjado em uma pré-forma assimétrica na primeira operação, isto é, foi usada uma simulação 2D para assimétrica para cálculo. Esta foi seguida por uma operação de acabamento, que forjou os dentes da engrenagem. Experiências anteriores tinham mostrado que as grandes cargas para conformação, necessárias para preencher os dentes, também induziam tensões muito elevadas na ferramenta. Os estudos de DOE foram realizados para determinar o melhor formato de pré-forma. A forma ótima necessária para garantir preenchimento suficiente da matriz, evitou defeitos e minimiza as tensões na matriz de acabamento.

Uma sequência de simulação MO foi criada para o processo. A operação de pré-forma foi simulada como um modelo 2D assimétrico. Um comando do Deform 2D-para-3D converteu automaticamente o modelo 2D para um modelo 3D durante o tempo de execução da simulação. A seção transversal assimétrica foi girada a uma seção 3D de 18 graus para a operação de acabamento usando a simetria de rotação para meio dente da engrenagem. As variáveis de entrada do DOE consideradas foram as alterações da geometria do molde nominal. O ângulo de matriz superior e a profundidade do pino inferior da ferramenta de pré-forma foram as variáveis 1 e 2, como mostrado na Figura 4.

Ferramentas estatísticas e de simulação foram usadas para estudar os resultados do DOE. Isso começou com análises de sensibilidade para caracterizar a influência relativa das variáveis do DOE. Elas mostraram que as mudanças no ângulo da matriz superior eram mais significativas para reduzir os esforços no forjamento dos dentes do que as mudanças na profundidade do pino inferior. Elas indicaram que ângulos aumentados permitiram um fluxo de material mais externo e reduziram o estresse efetivo na operação de acabamento subsequente.

Uma gama de defeitos e preenchimento foi observada durante os refinamentos incrementais do estudo do DOE. Por exemplo, o aumento do ângulo superior da matriz acima do limite superior do estudo final produziu uma pré-forma de grandes dimensões. Esta forma gerou rebarba prematuramente na fase de forjamento dos dentes, resultando em desgaste excessivo da matriz e falta de preenchimento. Se este design de pré-forma tivesse sido selecionado, teria exigido uma peça maior para encher as matrizes de acabamento.

As superfícies de resposta 2D e 3D identificaram rapidamente o design da pré-forma que produziu o menor esforço sobre as ferramentas durante a operação final de forjamento. O gráfico de respostas na Figura 5 apresenta a tensão efetiva da matriz de acabamento em função das variações da geometria da matriz na pré-forma. As amostras que resultam nas tensões mais baixas estão próximas do centro superior. Esta área está associada com desenhos que têm um grande ângulo de matriz e uma geometria de pino curto. Contudo, como no exemplo anterior das conexões, selecionar a melhor opção para a produção não era tão simples quanto escolher a amostra com o valor ótimo.

Uma revisão cuidadosa dos resultados do DOE revelou o potencial para pequenas dobras na área rodeada de vermelho na Figura 5. As duas amostras com os pinos de matriz de pré-forma mais altos, mas desejavelmente baixas tensões, apresentaram ambos o defeito. A amostra adjacente foi o projeto ótimo, estritamente baseado em minimizar as tensões da matriz somente. Seria imprudente iniciar a produção usando parâmetros de alvo que estão no limiar da ocorrência de um defeito. Portanto, a opção ideal era escolher as condições de processo associadas à amostra que produziam um estresse ligeiramente maior (mas quase otimizado) e significativamente mais robusto.

Resumo

A simulação de processos é uma excelente plataforma para o DOE e estudos de otimização. Uma simulação individual é uma ferramenta madura e precisa para a concepção de produtos e processos. Portanto, é compreensível que um grupo de simulações possa substituir ensaios do chão de fábrica como uma experiência planejada. Quando dezenas ou centenas de ensaios são contempladas, o uso da simulação torna-se atraente. Isto é particularmente verdadeiro nos estudos multi variáveis numa cadeia de processo, tal como os exemplos descritos.

No futuro previsível, tais estudos serão geridos por engenheiros que podem avaliar os prós e contra entre um ótimo numérico e um processo robusto. Dito isto, os avanços na simulação fornecerão informações valiosas e oportunas sobre as alternativas de design, orientando os engenheiros para projetos de produtos e processos cada vez mais robustos.

Tradução gentilmente realizada pelo diretor da Mettalforma Ltda, representante da Deform no Brasil, Luciano de Assis Santana, telefone (11) 5092-3929, email: luciano@mettalforma.com.br.

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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.

O post Orientação do grão em forjados – Efeito do forjamento na orientação do grão – Parte III apareceu primeiro em Portal Aquecimento Industrial.

As empresas continuam a procurar por redução de custos com processos mais robustos e o DOE (Design of Experiments – Design de Experimentos) e a otimização têm desempenhado um papel importante no desenvolvimento de produtos e processos. Estes métodos podem ser aplicados em um ambiente de fabricação na forma de tentativa e erro no chão de fábrica, no laboratório de P&D (pesquisa e desenvolvimento) com experimentos em escala reduzida, ou no papel com qualquer forma de modelo válido. Os métodos podem ser usados para uma vasta gama de objetivos, por exemplo, o desenvolvimento de um flap para uma nova aeronave, a menor força de arraste de um carro de corrida ou a melhor pré-forma para um forjado.

Como os forjadores às vezes são muitos céticos, os processos de manufatura são cheios de desafios associados a diferentes variáveis. O sucesso de uma nova matriz de forjado ou procedimento de produção depende da capacidade de escolher os projetos eficazes ou condições de processamento. Mesmo quando os objetivos de entrada aceitáveis são escolhidos, o risco de problemas com a qualidade aumenta quando as condições do processo são difíceis de manter.

Isto levanta muitas perguntas sobre o efeito das variáveis em um processo. Quão sensível é a qualidade do produto quando o processo oscilar? O que acontece se uma anomalia (externa) do processo ocorre? Em que intervalos as variáveis devem ser mantidas, a fim de se obter sucesso? Qual é o melhor projeto de ferramental para a produção de uma determinada peça? Quais configurações de processos levam a defeitos ou outros problemas de produção?

Sistemas no “estado da arte” para simulação de forjamento, tais como o DEFORM, estão trazendo para o mercado ferramentas que automatizam e gerenciam estudos sistemáticos das variáveis de processo. Estes novos desenvolvimentos incluem DOE, otimização, estudo de sensitividade, modelamento probabilístico e ferramentas estatísticas. O método do DOE e a otimização são um resumo para explicar como eles são usados na automação do estudo de variáveis sistemáticas.

Design de Experimentos (DOE)

O Design de Experimentos (DOE) é uma abordagem sistemática para investigar um sistema ou processo. Uma série de mudanças estruturadas é programada, nas quais mudanças planejadas são feitas para as variáveis de entrada de um processo ou sistema. Os efeitos destas mudanças em uma determinada saída são então avaliados. Uma poderosa ferramenta aparece quando o DOE é aplicado em um ambiente de simulação de múltiplas operações, capaz de modelar toda a cadeia. As vantagens e desvantangens podem ser observadas entre os diferentes elos desta cadeia, benefícios globais podem ser estudados e, o mais importante, a resposta de cada entrada pode ser avaliada. Finalmente, um estudo subsequente de otimização pode ser conduzido em uma janela definida.

A amostragem em um DOE é comumente realizada como um estudo de fatorial completo, o qual requer o resultado de todas as combinações possíveis das variáveis. Por exemplo, um DOE com 03 variáveis em 05 valores para cada uma requererá 125 testes (5 x 5 x 5). Se o número de interações para o fatorial completo tornar pesado, então, métodos de amostragem estatísticos podem ser usados para estudar as respostas para as mudanças com poucos testes. A chave de decisão na densidade do universo de amostras é a estabilidade do processo. Estes métodos, sendo estáveis, podem ser testados com menor número de pontos de amostragem. Alguns exemplos de métodos de amostragem são mostrados na Figura 1.

Como um elemento crítico da simulação, o DOE é a habilidade para montar e rodar os modelos com eficiência. O tempo de montar um modelo com 50 ou 100 simulações difere muito pouco do tempo para montar um único, incluindo o rastreamento da simulação para organizar e exibir os resultados usando ferramentas estáticas no pós-processador.

Otimização

A otimização é um método interativo usado para analisar variações de um design ou processo dentro de um espaço de estudo para determinar as condições que mais satisfazem o objetivo. Um programa de controle interroga a resposta com entradas pré-definidas e as atualiza para simulações subsequentes de forma a encontrar o resultado “otimizado ou ótimo”. Simulações de otimização podem rodar como uma série de simulações paralelas, o pré-processamento, a simulação e pós-processamento são comuns entre DOE e otimização.

Em um estudo DOE, o usuário especifica a variável DOE e a amostragem. Ele também especifica uma saída e restrições. Então, o usuário revisa as saídas para decidir qual amostra ou região melhor se aproxima dos requisitos. Em uma otimização, um objetivo é especificado. Este alvo numérico pode ser um volume mínimo, menor deformação, menor carga ou energia entre outras. As restrições são usadas para identificar amostras que podem aproximar-se do objetivo, mas conduzindo para problemas de qualidade, estes podem ser falta de preenchimento da matriz, dobras, cisalhamento (altas deformações) ou outros comportamentos.

A amostragem não é pré-definida antes do início de rodar uma otimização. Simulações iniciais são usadas para rastrear a faixa de variáveis de entrada para avaliar a superfície de resposta. A “próxima” amostra é determinada com base na resposta da última mudança e compreensão da tendência atual, a otimização corre continuamente para procurar a melhoria até que o limite do número de experiências seja atingido ou o resultado ótimo seja alcançado dentro dos critérios de convergência definidos. A Figura 1 inclui um gráfico de amostras da otimização, onde a região circundada foi determinada para ser um local ótimo.

Aplicações-Alvo

Existem infinitos caminhos para os forjadores aplicarem a simulação com DOE e a otimização. Eles podem criar pré-formas otimizadas e ferramentas progressivas. Condições de processos podem ser moldadas para produzir microestruturas e variáveis desejadas, por exemplo, encruamento mínimo em determinada região da peça.

Para os projetistas de ferramentas, eles podem minimizar tensões em ferramental e aumentar a vida útil de ferramentas. Mudanças no processo podem ser feitas para minimizar a carga de forjamento. O impacto da posição da peça na formação da rebarba, preenchimento e defeitos podem ser avaliados. Vários tamanhos de tarugos podem ser avaliados para otimizar o material usado sem afetar a produção de uma boa peça. Estas são apenas algumas das muitas aplicações realistas.

Os seguintes estudos de casos ilustram como o DOE foi aplicado ao processo de forjamento. O primeiro caso envolveu uma análise de conformação básica, similar àquelas comumente executadas por projetistas ou engenheiros. O segundo caso apresenta uma operação de conformação e subsequente análise de tensões em matrizes. Um estudo de caso sobre otimização não é coberto aqui, mas exemplos já têm aparecido na literatura há vários anos.

Estudos de Casos

Um simples estudo de caso para DOE irá ilustrar a aplicação deste método na área de conformação de metais. Numerosos exemplos do uso da simulação para estudo de trefilação de arames tem sido reportados. O modo de falha mais comum é fratura por tração, o modelo de dano Cockroft & Latham correlaciona muito bem este tipo de fratura. Neste caso, a peça é puxada através de duas matrizes estacionárias que têm um diâmetro inicial e final fixos.

Neste DOE, duas variáveis serão estudadas. A primeira é o diâmetro da primeira matriz de redução, uma vasta gama foi criada para ilustrar falhas conhecidas. A segunda variável é o ângulo de entrada das matrizes para ambas as reduções, estes ângulos de entrada foram associados. Em outras palavras, os ângulos da primeira e da segunda redução permanecem iguais. A metade do ângulo de entrada varia de 4 graus até 15 graus, e foi usado um DOE com fatorial completo e 9 amostras de cada variável foram simuladas.

Depois que as simulações foram calculadas, um pós-processador para o DOE foi usado para estudar as respostas das mudanças. Para capturar áreas com potenciais fraturas de Chevron e afinamento, um valor de dano 2.0 foi usado como restrição. Nestes casos, o exemplo DOE foi considerado para ter falhas como mostra na superfície de resposta plotada nas seguintes figuras.
Uma das saídas do estudo DOE é o gráfico de tornado, as barras mostram qual variável DOE melhor correlaciona com as mudanças no objetivo. Neste caso, a primeira redução (barra mais longa) foi dominante. Adicionalmente, o gráfico de tornado mostra uma relação direta ou inversa para com o objetivo. Forjando a uma alta temperatura a qual requer menor carga de forjamento (ou poucos golpes do martelo), o gráfico mostrará uma relação inversa.

O DOE é muito poderoso porque uma vasta gama de domínios de espaço e controle de processos podem ser estudados.

Posteriormente, uma região refinada (ampliada) pode ser mais bem estudada com maior resolução ou usando otimização. Quando a otimização é utilizada no mesmo espaço de um estudo DOE, ele utiliza a superfície de resposta do objetivo para iniciar a pesquisa para a solução ótima. Quando o estudo de otimização para minimizar o dano foi executado, uma observação interessante ocorreu: enquanto a melhor solução numérica foi encontrada, ela estava muito perto do aumento de danos. Isto poderá requerer controles apertados do processo para evitar defeitos oriundos de regiões indesejadas. Enquanto o ótimo numérico for técnicamente correto, uma região pouco menos ótima resultaria em um processo mais robusto como as variações inevitáveis do jogo.

Resumo

O foco deste primeiro artigo foi resumir a terminologia e ferramentas relacionadas ao design de experimentos e otimização. Ele permite um melhor entendimento de como o método compara, contrasta e complementa um ao outro. O próximo artigo irá rever a aplicação destas ferramentas para forjamento, análise de tensões em ferramentas e modelamento do material.

Tradução gentilmente realizada pelo diretor da Mettalforma Ltda, Luciano de Assis Santana, telefone (11) 5092-3929, email: luciano@mettalforma.com.br.

John Walters é um frequente contribuidor para a FORGE, ele 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. Jim Miller é cientista pesquisador na Scientific Forming Technologies Corporation. Ele pode ser contatado pelo telefone +1 614-451-8330 ou pelo e-mail jmiller@deform.com.

O post Design de experimentos e otimização em processos – Parte I apareceu primeiro em Portal Aquecimento Industrial.

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.

O post Orientação do grão em forjados – Como o forjamento muda a orientação do grão – Parte II apareceu primeiro em Portal Aquecimento Industrial.

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.

O post Orientação do grão em forjados – O básico – Parte I apareceu primeiro em Portal Aquecimento Industrial.

Como todos os aços, os aços inoxidáveis são ligas à base de ferro. Eles são considerados uma classe especial de aços devido ao seu alto teor de elementos de liga e às suas propriedades especiais quando comparados aos aços carbono e baixa liga. Como o seu nome indica, essa classe de metais tem boa resistência à corrosão, à qual vem da formação de um filme de óxido de cromo aderente na superfície do metal. Este filme, embora muito fino, impede a degradação do ferro base. No seu conjunto, os aços inoxidáveis têm resistência mecânica razoavelmente alta e dutilidade relativamente boa.

Os aços inoxidáveis são compostos de 55-90% de ferro e de 10-28% de cromo. Com frequência é adicionado níquel à liga, na faixa de 0-22%. Devido ao alto custo do níquel, tais aços são mais caros. O carbono é bastante baixo nestas ligas. Na verdade, algumas das ligas são designadas com um “L” após o seu número para indicar que é muito baixo o carbono. O baixo teor de carbono destas ligas permite que esses aços sejam mais facilmente soldados. Também é encontrado manganês nos aços inoxidáveis entre 1 e 2%.

Tipos de Aços Inoxidáveis

Há quatro tipos principais de aços inoxidáveis: austeníticos, ferríticos, martensíticos e endurecíveis por precipitação. Eles são classificados pelo tipo de microestrutura que possuem. As ligas das séries 200 e 300 compreendem a classe dos austeníticos, os quais têm uma microestrutura com a fase cúbica de face centrada (ou seja, austenita). Os aços inoxidáveis austeníticos são tanto resistentes quanto dúteis. Para a produção da classe dos austeníticos é necessária a presença de níquel, daí vem o seu preço mais elevado. Algumas ligas da classe 400 são ferríticas e outras martensíticas. A microestrutura na classe ferrítica tem estrutura cúbica de corpo centrado (ou seja, ferrita). Os aços inoxidáveis ferríticos não possuem a resistência mecânica alta ou a dutilidade das classes austeníticas.

A série 500 denota os aços martensíticos, os quais têm resistência mecânica mais elevada, mas têm tenacidade e dutilidade baixas. O carbono na classe dos martensíticos pode chegar a até 1,2%. Quanto mais elevado o teor de carbono, maior será a resistência mecânica do aço. Os aços inoxidáveis endurecíveis por precipitação compõem a classe PH, eles necessitam de tratamentos térmicos após o forjamento para que as reações de precipitação ocorram. As temperaturas de serviço destas classes também são mais limitadas.

Os aços inoxidáveis ferríticos e os austeníticos não sofrem transformações de fases durante o resfriamento, diferentemente dos aços carbono e baixa liga. Os aços da classe ferrítica serão forjados como ferrita e permanecerão com a ferrita no resfriamento. De forma similar, os aços da classe dos austeníticos serão forjados com a austenita e a mesma será mantida no resfriamento. Entretanto, as classes martensíticas serão forjadas com a austenita e necessitarão de uma têmpera para atingir a alta resistência da estrutura martensítica.

Algumas das ligas austeníticas são metaestáveis na temperatura ambiente. Se estas ligas forem deformadas a temperatura ambiente (ou seja, trabalhadas a frio), a austenita se transformará em martensita. Esta transformação causará um aumento local na resistência, mas pode ser difícil de ser controlada.

Em serviço, os componentes de aços inoxidáveis forjados podem, com frequência, operar em temperaturas de até 430°C. Como são metais monofásicos, eles não sofrerão qualquer alteração microestrutural quando utilizados nestas temperaturas elevadas.

Aplicações

Devido à sua resistência à corrosão os aços inoxidáveis podem ser utilizados em válvulas, parafusos, eixos, equipamentos para cozinha e serviços de alimentação. São utilizados componentes de aços inoxidáveis em ambientes corrosivos, como refinarias de petróleo, processamento químico, mineração e perfuração, para prevenir a rápida degradação das peças.

Outro ambiente corrosivo que algumas vezes negligenciamos é o corpo humano. Instrumentos médicos e alguns biomateriais para implantes são feitos de aço inoxidável, os quais não serão degradados com facilidade no interior do corpo humano. A Figura 1 mostra alguns componentes em aços inoxidáveis.

Aços Inoxidáveis para Forjamento

A temperatura de forjamento para os aços inoxidáveis vai de 930 a 1260°C, dependendo da classe específica. A forjabilidade a quente dos aços inoxidáveis é geralmente razoável, mas requerem cargas de forjamento e energia relativamente mais altas. Ao mesmo tempo em que não são tão resistentes à deformação quanto as superligas à base de níquel, o tamanho dos equipamentos para forjamento pode se tornar um problema nas forjarias acostumadas com o forjamento de aços carbono ou baixa liga.

A adição de altos teores de cromo e de níquel resulta em aumento da resistência, mas, também, limita as temperaturas de forjamento dos aços inoxidáveis devido ao seu baixo ponto de fusão. Devido ao seu limite de escoamento mais alto e condutividade térmica mais baixa, o aquecimento necessário para a deformação é mais alto para os aços inoxidáveis se comparado com os aços carbono e baixa liga. Assim, o risco de superaquecimento deve ser considerado. Algumas classes de inoxidáveis encruarão (aumento da resistência durante a deformação) durante o forjamento a quente, o que é incomum para outras ligas de aço. Ao passo que o encruamento ocorre para quase todos os metais a temperatura ambiente, os aços inoxidáveis apresentam maior endurecimento do que qualquer outra liga metálica. Isto significa que o forjamento a frio necessita de cargas muito altas de forjamento. A Figura 2 mostra curvas de tensão-deformação para os aços inoxidáveis forjados a quente e a frio.

O superaquecimento pode resultar em fratura dútil (fragilidade a quente) ou em problemas microestruturais em serviço. Por exemplo, se um aço inoxidável austenítico for aquecido a uma temperatura muito alta durante o forjamento, uma fase deletéria chamada de ferrita delta pode se formar, o que não somente causará degradação nas propriedades, mas, adversamente, afetará a forjabilidade do metal. Em todos os casos, os aços inoxidáveis são bastante sensíveis à temperatura.

Os aços inoxidáveis são mais sensíveis à taxa de deformação do que os aços ao carbono e baixa liga. A velocidade da prensa afetará também a resistência ao escoamento do material em altas temperaturas, para a maioria dos aços inoxidáveis. Assim, se há dificuldades para o preenchimento da matriz, uma velocidade mais lenta da prensa pode ser benéfica para se atingir o preenchimento desejado.

A carepa é leve e compacta na maioria dos aços inoxidáveis austeníticos. Em algumas forjarias, a peça de trabalho é pré-revestida com um lubrificante, o qual diminui o atrito, reduz a tendência à adesão e age como um retardador para a carepa.

Em geral, o aquecimento é realizado em fornos a gás, já que os aços inoxidáveis austeníticos não são ferromagnéticos, havendo a necessidade de um aquecimento por indução eficiente.

Microestruturas

As microestruturas da maioria dos aços inoxidáveis são compostas por uma única fase, revelando, assim, os contornos de grão. A Figura 3 ilustra a microestrutura de um aço inoxidável 304L forjado. Ele foi forjado a 870°C e resfriado ao ar. A única estrutura visível são os contornos entre os grãos de austenita. A Figura 4 apresenta a microestrutura de outro aço inoxidável austenítico, um material essencialmente monofásico com poucos carbonetos visíveis. A forma dos contornos de grão é um indicativo de um longo tempo de recozimento após o forjamento. A Figura 5 é uma foto de um aço inoxidável ferrítico 409C após o recozimento. Os grãos estão relativamente equiaxiais, o que seria esperado de um metal monofásico.

Como a maioria dos aços inoxidáveis são metais monofásicos, o tamanho de grão do componente precisa ser controlado adequadamente. Diferentemente dos aços carbono e baixa liga, a obtenção de propriedades adequadas muitas vezes deve ser feita na forjaria, e não em um tratamento térmico posterior.

Considerações Especiais

O amolecimento ou recozimento de algumas classes pode ser realizado após o forjamento com um aquecimento em temperaturas entre 920 e 1.100°C. Este processo fará com que o componente final seja mais dútil, mas com uma diminuição na sua resistência.

Algumas classes de aços inoxidáveis austeníticos podem ser “sensitizadas”. A sensitização significa que em serviço eles estarão suscetíveis à corrosão intergranular. Tal degradação é altamente indesejável. Para evitar a sensitização é necessário que o forjamento seja realizado acima da temperatura de sensitização (920°C) e resfriado rapidamente para temperaturas abaixo de 480°C. A Figura 6 mostra as faixas de temperatura para os aços inoxidáveis.

Comentários Finais

Os aços inoxidáveis são uma classe importante de ligas para engenharia devido à sua habilidade de resistir à degradação em ambientes corrosivos. A maioria das classes tem forjabilidade razoável, apesar de necessitarem de cargas mais altas e de haver uma maior resistência ao escoamento do que os aços carbono e baixa liga. Por serem materiais monofásicos, é preciso considerar como eles serão forjados e as necessidades para o resfriamento.

Agradecimentos

É apreciado o apoio dado pelo PRO-FAST Program. O PRO-FAST Program é formado por uma equipe dedicada de profissionais que representam tanto o departamento de defesa quanto a indústria. Estes colegas estão determinados a assegurar à nação da indústria do forjamento que estarão posicionados para os desafios do século 21. Os membros-chave desta equipe são: R&D Enterprise Team (DLA J339), Logistics Research and Development Branch (DLS-DSCP) e a Forging Industry Association (FIA). Este trabalho foi preparado originalmente para os cursos FIA Theory & Applications of Forging e Die Design, oferecido pelo Scientific Forming Technologies Corporation.

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