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Simulação numérica do Processo Ecap (Prensagem em Canais Equiangulares)
utilizando o aço VMB 300
Numerical simulation of the Ecap Process (Equal Channel Angular Pressing )
using the VMB 300 Steel
Márcia Regina Baldissera 1
Paulo Rangel Rios 2
Jaime Pereira Gouvêa 2
Jefferson Fabrício Cardoso Lins 2
Original
Paper
Palavras-chaves:
Resumo
ECAP
O processo ECAP é uma técnica de deformação plástica severa, onde um tarugo é forçado a escoar numa matriz com dois canais de seções transversais
idênticas formando um determinado ângulo entre si. Uma das vantagens deste
processo é que o material deformado não sofre alteração dimensional, além de
poder ser processado em temperatura ambiente. A deformação do tarugo ocorre
numa estreita zona localizada na intersecção entre os dois canais da matriz, sob
condições de cisalhamento. Foram analisadas as distribuições das tensões e
deformações causadas no material durante o processo, por meio de simulação
numérica utilizando o programa ANSYS (versão 8.1) adotando condições isotérmicas e estado plano de deformação. Os resultados mostraram que as deformações ocorreram por cisalhamento num ângulo de 45º próximo à intersecção
dos canais. A parte inicial do tarugo não apresentou deformação, o que explica
a necessidade de descartar esta região do material no término do processo.
Abstract
Key words:
Equal channel angular pressing (ECAP) is one techniques of severe plastic
deformation (SPD), where a billet forced to flow through a die containing two
intersecting channels of identical cross-section. One of the advantages of this
process is that the deformed materials maintain the original dimensions, in
addition can be processed at room temperature. The deformation of the billet
occurs in a small zone located at the intersection between the two channels
of the die, under shear strain conditions. The stress and deformations
distributions caused in the material during the process had been analyzed
by means of numerical simulation, using the ANSYS program (version 8.1),
adopting isothermal conditions and plane strain conditions. The results
had shown that the deformations had occurred for shear in an angle of 45º
next to the intersection of the channels. The initial part of the billet did not
present deformations, what it explains the necessity to discard this region of
the material in the ending of the process.
ECAP
1. Introdução
O processo de deformação plástica severa (DPS) provoca mudanças nas propriedades
e na microestrutura dos materiais. Estas técni1
2
Finite element
simulation
Severe plastic
deformation
cas são utilizadas para refinar grãos de metais
até atingir granulometria ultrafina e/ou nanométrica. Este refino microestrutural inclui
melhora nas propriedades mecânicas, óticas,
elétricas e magnéticas1,2. A vantagem deste
Doutoranda - Universidade Federal Fluminense - Escola de Engenharia Industrial Metalúrgica de Volta Redonda
Docente - Universidade Federal Fluminense - Escola de Engenharia Industrial Metalúrgica de Volta Redonda
edição nº 11, dezembro/2009
Deformação
plástica severa.
Cadernos UniFOA
Elementos finitos
Artigo
Original
INTRODUÇÃO
O processo de deformação plástica severa (DPS) provoca mudanças nas
propriedades e na microestrutura
dos materiais.
Estas
para
metros geométricos:
Φ = 90º e Ψ = 0º e o tarugo
processo é produção
de material
emtécnicas
“bulk” são utilizadas
30
de seção retangular
de 15,0 mm de comprimenfacilitando
o estudo
do comportamento
refinar grãos de metais
até atingir
granulometria
ultrafinamecâe/ou nanométrica.
Este
to e 5,0 mm de largura. A curva tensão versus
nico em relação à nova microestrutura ultrafideformação verdadeira do aço VMB 300(8) foi
na. Em processos de DPS convencionais como
estiramentodeste
e/ou laminação
dimensões de
são material
usada
descrever as características do mateprocesso as
é produção
empara
“bulk”
magnéticas1,2. A vantagem
reduzidas com o aumento da deformação, gerial. O coeficiente de atrito utilizado no contato
facilitando o estudo do comportamento mecânico em relação à nova microestrutura
rando materiais na forma de fios ou filamenentre o tarugo e a matriz foi de 0,1.
3
ultrafina. Em processos
de
DPS
convencionais
como
estiramento
e/ou
laminação
as
tos, limitando suas aplicações industriais .
4
O processo ECAP, inventado por Segal ,
dimensões são reduzidas com o aumento da deformação, gerando materiais na
3. Resultados e Discussão
é um método simples de prensagem que pro3
.
forma de fios ou filamentos,
limitando
suas
aplicações
industriais
voca deformação plástica por cisalhamento
4
prensagem
Durante o processo de DPS foram idenem um
tarugo que
move
de uma
O processo ECAP,
inventado
por se
Segal
, é através
um método
simples de
tificados os pontos críticos de tensão e deformatriz contendo dois canais de igual seção
que provoca deformação plástica
por cisalhamento em um tarugo que se move
1,5
mação causados no aço VMB 300. A maior
transversal , acumulando elevados níveis de
1,5 de tensão se dá ao longo de um
concentração
deformação
plástica
(ε
>
7).
A
figura
1
ilus,
através de uma matriz contendo dois canais de igual seção transversal
ângulo de 45º formado entre os canais da matra este processo. Os canais são conectados e
acumulando elevados níveis de deformação plástica ( > 7). A figura 1 ilustra este
triz, como é mostrado na figura 2. Neste mousualmente perfazem um ângulo de 90º ena tensão
tre
si,
sendo
que
este
ângulo
pode
variar
de
processo. Os canais são conectados e usualmente perfazem um ângulodelo
de 90º
entremáxima equivalente (von Mises)
encontrada foi de 840 MPa, o que de acordo
acordo com a dificuldade de deformação dos
si, sendo que este ângulo pode
variar de acordo com a dificuldade de deformação
3,6
com as propriedades mecânicas do material
materiais . Em condições ideais o tarugo é
condiçõesnuma
ideaisestreita
o tarugo
deformado
numa estreita
área dena região plástica. O comportados materiais3,6. Emdeformado
encontra-se
áreaé de
deformação
mento das tensões cisalhantes (XY) mostra
localizada na intersecção dos canais.
deformação localizada na intersecção dos canais.
que o tarugo sofre deformação por cisalhaPunção
mento ao passar pela intersecção dos canais
matriz, enquanto
análiseenquanto
das tensõesna
na análise
direção Xdas
mostra
maior concentração
na
da na
matriz,
tensões
na
mostra omaior
base ao segundo
base inferior direção
do tarugo,Xindicando
arrasteconcentração
de material emna
direção
Tarugo deformado
W
inferior
do
tarugo,
indicando
o
arraste
de
macanal.
Direção de
terial em direção ao segundo canal.
Canais Angulares
comprimento
refino microestrutural inclui melhora nas propriedades mecânicas, óticas, elétricas e

Direção de largura
Figura 1: Desenho esquemático de um processo ECAP7.
edição nº 11, dezembro/2009
Cadernos UniFOA
Figura 1: Desenho esquemático de um processo ECAP7.
O método de elementos finitos (FEM) é
amplamente utilizado para analisar o comportaY
mento da deformação em um material processo
X
Z
por ECAP. Este método utiliza alguns dados
de entrada como: condições de contorno não
linear, propriedades do material e condições de
Figura 2: Distribuição das tensões de von Mises no tarugo.
Figura 2: Distribuição das tensões de von Mises no tarugo.
carregamento para analisar parâmetros como, o
coeficiente de atrito e a variação dos ângulos
A figura 3 mostra que há uma distriA
figura
3
mostra
há uma distribuição de deformação plástica cisalhante
dos canais da matriz e encontrar condições ótibuição dequedeformação
plástica cisalhante no
(1) no tarugo perfazendo um ângulo de 45º entre os canais. Foi observada também uma
mas de processo para um dado material .
tarugo perfazendo um ângulo de 45º entre os
concentração canais.
significativa
deformaçãotambém
na base inferior
do tarugo, causando uma
Foideobservada
uma concentra-
2. Materiais e Métodos
ção da
significativa
deformação
grande distorção
malha nesta de
região
dificultandona
o base
avançoinfedo processo de
do tarugo,
causando
uma
grande com
distorção
prensagem. Arior
distorção
da malha
pode ser
relacionada
a deformação dos
da malha nesta região dificultando o avanço
A simulação por FEM foi realizada no
do processo de prensagem. A distorção da mamicroestrutural através de elementos finitos.
estado plano de deformação bidimensional
lha pode ser relacionada com a deformação
em temperatura ambiente, usando o programa
dos grãos do material, comprovando a possiANSYS (versão 8.1). A matriz foi considerada
bilidade de modelar o processo de refino micomo um corpo rígido com os seguintes parâcroestrutural através de elementos finitos.
grãos do material, comprovando a possibilidade de modelar o processo de refino
no processo. A distribuição das deformações
plásticas logo após a intersecção dos canais é
mostrada na figura 6, onde as deformações nas
direções X, Y, cisalhante (XY) e equivalente
aumentam continuamente, porém com intensidades diferentes, até atingirem o máximo
localizado na base inferior do tarugo.
31
Y
X
Z
Tensão XY
Tensão
Tensão XY
Z
Tensão
Tensão ZY
Tensão
Tensão YX
Tensão X
Tensão von Mises
Tensão von Mises
Figura 3:das
Distribuição
das deformações
por no tarugo.
Figura 3: Distribuição
deformações
plásticas porplásticas
cisalhamento
cisalhamento no tarugo.
A figura 4 mostra
deformações
X, onde na
A as
figura
4 mostranaasdireção
deformações
naregião
di- circulada é
AA
reção
X, onde
região
circulada
zero. Nesta
zero. Nesta figura
observou
um na
ponto
máximo
no cantoé inferior
do tarugo indicando
B
B
figura observou um ponto máximo no canto
A
inferior do tarugo indicando a possibilidade
A
BB
que a superfície frontal do tarugo não sofreu deformação plástica, não mostrando
de ocorrer um descolamento entre o tarugo e a
distorção na malha,
pois
noobservado
início do processo
esta região não
foi submetida às
matriz.
Foi
que a superfície
frontal
5: Distribuição
das tensões
do tarugo
na região
de
FiguraFigura
tensões
do tarugo
tarugo
na região
região
de intersecção
intersecção
da
5: Distribuição
das tensões
do
na
de
da
ações das tensões
cisalhantes,
não sofrendo
deformação.
Estanão
região deve ser
intersecção da matriz.
do tarugo
não sofreu
deformação
plástica,
matriz.
matriz.
distorção na malha, pois no início
descartada ao mostrando
analisar as deformações.
do processo esta região não foi submetida às
Deformação XY
XY
Deformação
Deformação equivalente
equivalente
ações das tensões cisalhantes, não sofrendo
Deformação
Deformação XX
Deformação
Deformação YY
Deformação
deformação. Esta região deve ser descartada
Deformação ZZ
Deformação
ao analisar as deformações.
a possibilidade de ocorrer um descolamento entre o tarugo e a matriz. Foi observado
AA
BB
BB
A
Figura 6: Distribuição das deformações plásticas do
tarugo na região de intersecção
da matriz.
Figura 6: Distribuição das deformações
deformações plásticas
plásticas do
do tarugo
tarugo na
na região
regiãode
de
intersecção
intersecção da
da matriz.
matriz.
Considerando que o material é isotrópico e o processo apresenta continuidade, o
Figura 4: Distribuição da deformação plástica na direção
Figura 4: Distribuição da deformação plástica na direção X durante o processo
que acontece em um ponto do tarugo após
X durante o processo ECAP.
ECAP.
passar pela zona cisalhante é o mesmo que
irá acontecer num ponto subseqüente, as
Através da simulação numérica foi realisim foi possível realizar uma distribuição
a análisenumérica
da evolução
das tensões
e deforAtravészada
da simulação
foi realizada
a análise
da evolução das
tensões e deformações ao longo do momações
plásticas
na
região
mais
solicitada
do
tensões e deformações plásticas na região mais solicitada do tarugo durante das
o
vimento do tarugo pelos canais da matriz.
tarugo durante o processo. O gráfico da figura
processo. O gráfico da figura 5 mostra as tensões na região de intersecção dos
Os gráficos de tensão cisalhante (máxima e
5 mostra as tensões na região de intersecção
canais da matriz. As tensões equivalente (von Mises) e nas direções Y e Z
mínima) e tensão equivalente (von Mises)
dos canais da matriz. As tensões equivalente
aumentam em direção à base inferior do tarugo onde atingem seu ápice. As tensões
é apresentado na figura 7 (a) e (b). A faixa
(von Mises) e nas direções Y e Z aumentam
na direções X e cisalhante (XY) não apresentam grandes oscilações no percurso da
de tensão cisalhante aumenta até atingir um
em direção à base inferior do tarugo onde
análise, isto porque a região observada abrange todos os valores máximos das
pico quando o tarugo é movimentado cerca
atingem seu ápice. As tensões na direções X
respectivas tensões
alcançadas
no
processo.
A
distribuição
das
deformações
de 2,2 mm em direção ao segundo canal da
e cisalhante (XY) não apresentam grandes
plásticas logooscilações
após a intersecção
dos
canais
é
mostrada
na
figura
6,
onde
as
matriz, em seguida encontra-se um estado
no percurso da análise, isto porque
quase estacionário que não ultrapassam 480
a
região
observada
abrange
todos
os
valores
deformações nas direções X, Y, cisalhante (XY) e equivalente aumentam
MPa. Isto indica que o material já sofreu a
máximos
das intensidades
respectivasdiferentes,
tensõesaté
alcançadas
continuamente,
porém com
atingirem o máximo
localizado na base inferior do tarugo.
edição nº 11, dezembro/2009
Z
X
Cadernos UniFOA
Y
1,2
máximo
mínimo
1,1
1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
0,8
1,2
1,6
2,0
2,4
2,8
3,2
Movimento do tarugo (mm)
Figura 8: Comportamento da deformação equivalente
600
Figura 8: Comportamento
daem
deformação
e mín.) em função do
(máx. e mín.)
função doequivalente
movimento (máx.
do tarugo.
(a)
movimento do tarugo.
500
Tensão cisalhante -  (MPa)
1,3
Deformação plástica ()
32
ação máxima da tensão cisalhante imposta
pelo processo ECAP. Este comportamento
pode ser visualizado no gráfico da tensão de
von Mises onde ocorre um rápido aumento
até movimentar o tarugo cerca de 2,0 mm
e em seguida atinge um estado estacionário
com tensão máxima de 841 MPa. A estabilidade das tensões mostra que a partir deste ponto máximo o material já passou pelo máximo
de deformação plástica imposto pelo processo.
400
4. Conclusões
300
Os resultados mostraram que as tensões
e as deformações estão localizadas ao longo da
100

intersecção dos canais perfazendo um ângulo

de 45º. Através da distribuição da deformação
0
0,8
1,2
1,6
2,0
2,4
2,8
3,2
plástica na direção X, verificou-se a possibiMovimento do tarugo
lidade de abertura entre o tarugo e a matriz,
850
(b)
devido à concentração de tensões no canto in800
ferior do material. Não foi possível realizar a
750
passagem total do tarugo para o segundo canal
700
devido à grande distorção ocasionada na malha,
a qual pode ser facilitada pela readequação da
650
malha a cada movimento do tarugo e pela li600
mitação do valor da força de atrito. Entretanto,
550
 (von Mises)
o movimento imposto ao tarugo neste trabalho
500
já foi suficiente para confirmar a região crítica
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
Movimento do tarugo (mm)
de distribuição de tensões e deformações, que o
Figura 7: Comportamento (a) das tensões cisalhantes (máx. e mín.) e (b) processo ECAP impõe ao material.
200
máximo
Tensão equivalentes von Mises -  (MPa)
mínimo
e
edição nº 11, dezembro/2009
Cadernos UniFOA
Figura 7: Comportamento (a) das tensões cisalhantes
tensão de von Mises em função do movimento do tarugo.
(máx.
e mín.) e (b) tensão de von Mises em função do
movimento do tarugo.
A figura 8 mostra a distribuição das deformações equivalentes ao longo do movimento do tarugo. Foi encontrado que a faixa de
deformação equivalente (máxima e mínima)
aumenta à medida que o material passa para o
segundo canal da matriz. A faixa de deformação equivalente (ε) está compreendida entre
0,7 e 1,10, o que concorda com a deformação
equivalente máxima (ε = 1,15) reportado na
literatura(1) para um passe de prensagem numa
matriz com a mesma configuração geométrica. Este resultados de deformação equivalente, juntamente com os resultados da tensão de
von Mises indicam que o tarugo já passou pela
zona de máxima deformação imposta pelo
processo ECAP.
5. Agradecimentos
Este trabalho teve o suporte financeiro da
Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoa
de Nível Superior, CAPES.
6. Referências Bibliográficas
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ROBERTS, S.M., Finite element modeling
of equal channel angular extrusion. Scripta
Materialia, vol. 37, nº. 7, pp. 983-989, 1997.
Endereço para Correspondência:
Márcia Regina Baldissera
Universidade Federal Fluminense, Escola de Engenharia Industrial Metalúrgica de Volta Redonda
[email protected]
Avenida dos trabalhadores, 420
Vila Santa Cecília - Volta Redonda – RJ
CEP: 27255-125
Informações bibliográficas:
Conforme a NBR 6023:2002 da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), este texto científico publicado em periódico eletrônico deve ser citado da seguinte forma:
Baldissera, Márcia Regina; Rios, Paulo Rangel; Gouvêa, Jaime Pereira; Lins, Jefferson Fabrício Cardoso; Simulação numérica do Processo Ecap (Prensagem em Canais
Equiangulares) utilizando o aço VMB 300. Cadernos UniFOA. Volta Redonda, ano IV, n. 11, dezembro 2009. Disponível em: <http://www.unifoa.edu.br/cadernos/edicao/11/29.pdf>
edição nº 11, dezembro/2009
8. SOUZA, V.B.F., Modelamento e simulação do processo de conformação de tubos
de seção quadrangular, 2004, Dissertação de
Mestrado (Mestrado em Metalurgia) – Escola
de Engenharia Industrial Metalúrgica de Volta
Redonda-UFF, Volta Redonda-RJ.
Cadernos UniFOA
7. VALIEV, R.Z., Nanostructuring of metals by
severe plastic deformation for advanced properties. Nature Materials, v.3, pp.511-516, 2004