8º Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação
18 a 22 de maio de 2015, Salvador, Bahia, Brasil
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ESTUDO DO COMPORTAMENTO MECÂNICO DO AÇO AISI 430 APÓS
MUDANÇAS NA TRAJETÓRIA DE DEFORMAÇÃO
Luccas Roberto Macedo Margre, [email protected]
Elaine Carballo Siqueira Correa, [email protected]
Maria Teresa Paulino Aguiar, [email protected] 2
Wellington Lopes, [email protected]
1
Centro Federal de Educacao Tecnologica de Minas Gerais CEFET-MG, Avenida Amazonas 5253 – Nova Suiça –
Belo Horizonte – MG – Brasil
2
Universidade Federal de Minas Gerais UFMG, Avenida Presidente Antônio Carlos, 6627 – Pampulha - Belo
Horizonte – MG – Brasil.
Resumo: A influência das condições de processamento mecânico nas propriedades dos materiais metálicos como, por
exemplo, o modo e da quantidade de deformação plástica e da mudança na taxa de deformação na resistência
mecânica e na ductilidade de diversos materiais tem sido alvo de pesquisa há muitos anos. Contudo, percebeu-se a
necessidade de se avaliar a resposta apresentada por esses materiais considerando métodos de solicitação mecânica
semelhantes aos praticados nos processos reais de conformação. Deste modo, este trabalho apresenta o estudo do aço
inoxidável ferrítico AISI 430 quando submetido a ciclos de deformação compostos pela combinação da deformação em
tração e em cisalhamento com e sem mudança na taxa de deformação para três valores de pré-deformação em tração.
Os resultados indicaram a sensibilidade maior desse material à mudança do modo de deformação e da taxa de
deformação, sendo os fenômenos observados (amaciamento e variação do expoente de encruamento) sensíveis à
quantidade de deformação prévia em tração.
Palavras-chave: aço AISI 430, cisalhamento e taxa de deformação
1.
INTRODUÇÃO
O comportamento mecânico dos materiais metálicos depende fundamentalmente de diversas variáveis dentre as
quais o modo usado para a deformação plástica desses materiais, a evolução do encruamento à medida que o mesmo é
deformado plasticamente, o respectivo arranjo estrutural e a sensibilidade de aspectos relacionados com a resistência
mecânica à variáveis como a mudança na taxa de deformação (Rauch et al, 1992).
Em processos reais de conformação mecânica como, por exemplo, nas diferentes operações de estampagem, uma
chapa de aço é submetida à combinação de modos diferentes de esforços mecânicos de modo a obter a forma e as
dimensões finais do produto estampado. Essa combinação do modo usado para a deformação plástica dos materiais
metálicos constitui a chamada mudança da trajetória de deformação plástica, representando uma das principais variáveis
para o estudo do comportamento mecânico dos materiais.
Em processos de conformação a frio, as características microestruturais e a textura desenvolvida durante a operação
de conformação mecânica afetam de modo significativo a resposta mecânica exibida por um material (Bhattacharjee et
al 2014). Essas variáveis são modificadas dentre outros aspectos, pela mudança na trajetória de deformação como em
operações de laminação ao se realizar a laminação cruzada, ou seja, situação em que ao final de cada passe de
laminação o material é girado de 90° de modo a modificar a direção de laminação do respectivo material (Gurão et al,
2011).
As mudanças do modo de deformação plástica durante a execução de uma rota de processamento mecânico são
necessárias para a compreensão de diversos fenômenos da teoria da plasticidade presentes nas mais diversas operações
de conformação mecânica como, por exemplo, o retorno elástico. Neste caso e em outros exemplos cita-se a
necessidade do entendimento do encruamento cinemático, ou seja, o encruamento que não é caracterizado pela
deformação monotônica e regular de um material.
Neste aspecto em termos de se modificar as condições de deformação de deformação plástica e, portanto, da lei de
encruamento cita-se o caso do Efeito Bauschinger como sendo o modo mais simples de se alterar o caminho ou a
trajetória de deformação de um material. Neste tipo de carregamento um material é imposto à combinação de esforços
mecânicos que são aplicados em sentidos apostos como aqueles compostos pela combinação dos esforços de tração e
compressão assim como pelos cisalhamentos direto e reverso (Barlat et al, 2014).
Considerando estes aspectos, este trabalho apresenta o estudo do comportamento mecânico do aço inoxidável
ferrítico AISI 430 após mudanças no modo de deformação plástica, da quantidade de deformação e da taxa de
deformação de modo a investigar o efeito dessas variáveis na resposta apresentada por este material.
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2.
Material e Métodos
2.1. Material
Chapas de aço inoxidável AISI 430 no estado como recebido (laminado a frio) foram utilizadas neste trabalho,
possuindo a mesma espessura inicial de 1mm com a seguinte composição química (% e peso): 0,017C, 0,266Si,
16,096Cr, 0,238Ni e 0,049Mo.
2.2. Métodos
2.2.1. Ensaios de tração
O ensaio de tração foi realizado em uma máquina de ensaios universal da marca Instron modelo 5582, e
extensômetro da mesma marca Instron modelo 2630-100, com sistema de aquisição de dados Blue Hill 2. A velocidade
de deslocamento do cabeçote superior foi de 4,5 mm/min de modo a obter um valor de taxa de deformação inicial igual
a 0,001/s.
Os corpos de prova foram confeccionados de acordo com a norma ASTM E8 e sofreram uma pré-deformação em
tração de 5, 10 e 14% de deformação verdadeira ou efetiva, sendo que um dos corpos de prova foi tracionado ate o
rompimento para caracterização mecânica do material.
2.2.2. Ensaios de cisalhamento
O ensaio de cisalhamento foi realizado com uso de um dispositivo montado à máquina universal de ensaios Instron
5582 com o mesmo tipo de extensômetro. O ensaio de cisalhamento foi feito em amostras retiradas dos corpos de prova
de tração, portanto, os ensaios de cisalhamento foram feitos após a pré-deformação em tração descrita no item anterior
sob duas condições específicas: taxa de deformação igual à praticada nos ensaios de tração (0,001/s) e também de
0,10/s.
3.
RESULTADOS
3.1 Carregamentos Monotônicos
O resumo das propriedades mecânicas do aço AISI 430 no estado como recebido (laminado) é apresentado na
Tab. (1).
Tabela 1. Resumo das propriedades mecânicas do aço AISI 430 no estado como recebido.
Tensão limite de escoamento
(MPa)
380
Propriedades Mecânicas
Tensão limite de resistência à tração
(MPa)
491
Expoente de
encruamento
0,15
As curvas de tensão-deformação efetiva para o aço AISI 430 pré-deformado em tração de 5, 10 e 14%
acompanhado por cisalhamento monotônico sob a mesma taxa de deformação são apresentadas na Fig. 1.
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AISI 430.Tração 5%
600
600
500
Tensão efetiva (MPa)
Tensão efetiva (MPa)
AISI 430.Tração 10%
AISI 430 Tração 5%/Cisalhamento 5%
400
300
200
100
AISI 430 Tração 10%/Cisalhamento 10%
500
400
300
200
100
0
0
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0
0,05
Deformação efetiva
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
Deformação efetiva
(a)
(b)
AISI 430 Tração 14%
AISI 430 Tração 14%/Cisalhamento 10%
Tensão efetiva (MPa)
600
500
400
300
200
100
0
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
Deformação efetiva
(c)
Figura 1: Curvas tensão–deformação deformação efetiva para o aço AISI 430 para a rota tração/cisalhamento
sob a mesma taxa de deformação e pré-deformação em tração de: a) .5%, b) 10% e c) 14%.
A partir da análise da Figura 1 é possível verificar que durante o recarregamento em cisalhamento do aço AISI 430
pré-deformado em tração de 5, 10 e 14% que o mesmo amaciou, sendo isso indicado pela redução da tensão de fluxo
durante o escoamento plástico em cisalhamento quando comparado com o último valor de tensão em tração. Esse
amaciamento pode ser relacionado com a mudança do modo de deformação plástica e com a provável alteração da
subestrutura de linhas de discordâncias desenvolvida durante a pré-deformação em tração acompanhada pelo
estabelecimento de uma outra, típica do último modo de deformação, o cisalhamento,
O gradiente de redução da tensão de fluxo com a mudança do modo de deformação plástica (tração para
cisalhamento) é avaliado na Fig. 2 em função da quantidade de deformação prévia em tração. Nota-se que a quantidade
desse gradiente, portanto, do amaciamento, aumentou com o acréscimo da pré-deformação em tração.
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Gradiente de Tensão (MPa)
230
Aço AISI 430 Deformado sob Tração/Cisalhamento
225
220
215
210
205
200
195
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
Pré-deformação em tração
0,12
0,14
Figura 2: Gradiente de tensão em função da quantidade de pré-deformação em tração após a mudança do modo
de deformação de tração para cisalhamento.
Esse resultado é semelhante ao observado quando em situações de trajetórias de deformação do tipo Bauschinger
quando devido ao aparecimento de uma condição de encruamento anisotrópico nota-se o amaciamento do material com
a modificação do modo de deformação plástica (Merklein, 2014; Kostruzev, 2009). Deste modo, os resultados
apresentados na Fig. 1 sugerem a existência de um encruamento anisotrópico com a mudança do modo de deformação,
ou seja, de tração para cisalhamento.
3.2 Carregamentos com Mudança na Taxa de Deformação
Na figura 3 são exibidas as curvas de tensão-deformação efetiva para o aço AISI 430 sob a mesma rota de
deformação tração/cisalhamento, mas com mudança da taxa de deformação durante a deformação em cisalhamento
(0,001/s para 0,10/s). Os resultados mostram que após o amaciamento detectado com a mudança do modo de
deformação (tração para cisalhamento) para todos os valores de pré-deformação em tração, como verificado na Fig. 1,
foi percebido um endurecimento suave após a mudança da taxa de deformação.
Esse resultado revela a sensibilidade da tensão à mudança da taxa de deformação aplicada ao aço AISI 430, embora
seja esse endurecimento pouco significativo ele está relacionado com uma dificuldade maior à deformação plástica com
a mudança da condição de solicitação mecânica imposta ao material, podendo isso estar relacionado com diversos
parâmetros, como a orientação cristalográfica preferencial, a evolução subestrutural e também das modificações da lei
de encruamento do aço diante das condições de processamento.
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AISI 430 Tração 5%
AISI 430 Tração 5%/ Cisalhamento Taxa 0,001/s : 0,10/s
Tensão efetiva (MPa)
600
500
400
300
200
100
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
Deformação efetiva
(a)
AISI 430.Tração 10%
AISI 430 Tração 10%/Cisalhamento Taxa 0,001/s : 0,10/s
Tensão efetiva (MPa)
600
500
400
300
200
100
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
Deformação efetiva
(b)
AISI 430 Tração 14%
Tensão efetiva (MPa)
AISI 430 Tração 14%/Cisalhamento Taxa 0,001/s : 0,10/s
600
500
400
300
200
100
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
Deformação efetiva
(c)
Figura 3: Curvas tensão–deformação deformação efetiva para o aço AISI 430 para a rota tração/cisalhamento
sob diferentes taxas de deformação (0,001/s e 0,10/s) e pré-deformação em tração de: a) .5%, b) 10% e c) 14%.
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3.3 Comparação das rotas de processamento
Com o objetivo de investigar a influência da evolução do encruamento nas respostas apresentadas pelo aço AISI
430 fez-se a medição do expoente de encruamento durante a deformação em cisalhamento desse material em função da
quantidade de pré-deformação em tração e das condições de deformação, ou seja, carregamento sob taxa de deformação
constante e com mudança na mesma.
A análise da Fig. 4 revela que o expoente de encruamento desse aço pouco variou com as mudanças de deformação
impostas ao mesmo, sugerindo assim que embora o aço AISI 430 tenha apresentado sensibilidade à mudança da taxa de
deformação que esse efeito teve impacto reduzido na sua lei de encruamento.
Expoente de encruamento, n
0,40
0,30
0,20
AISI 430 Rota Tração/Cisalhamento: taxa deformação constante
0,10
AISI 430 Rota Tração/Cisalhamento: mudança taxa deformação
0,00
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0,14
Deformação prévia em tração (deformação verdadeira)
Figura 4: Variação do expoente de encruamento em função da deformação prévia em tração para as rotas de
carregamento monotônico com e sem mudança da taxa de deformação.
A análise da Figura 3 revelou que houve um endurecimento suave do aço AISI 430 após a mudança da taxa de
deformação e que o expoente de encruamento indicou que essa influência foi também reduzida pelo fato de a variação
do mesmo ter sido pequena quando se comparou a condição de deformação sob taxa de deformação constante e após a
mudança da mesma, Fig. 4. Diante do exposto, é apresentado na Fig. 5 o gradiente de tensão, isto é, a diferença entre a
tensão de fluxo imediatamente após e antes à mudança da taxa de deformação para os três valores de pré-deformação
em tração.
Percebe-se que o gradiente de tensão tende a reduzir com o acréscimo da quantidade de pré-deformação em tração.
Esse fato pode ser relacionado com o fato de que com o aumento da deformação em tração, maior tende a ser a
resistência à sensibilidade da tensão à mudança da taxa de deformação, pois pode-se associar que para o maior valor de
pré-deformação em tração, 0,14 ou 14% também foi a condição que experimentou a maior quantidade de deformação
prévia antes da mudança da taxa de deformação, como mostrado na Fig. 3.
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Gradiente de Tensão (MPa)
35
30
25
20
15
10
Aço AISI 430 Deformado Mudança Taxa de Deformação
5
0
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
Pré-deformação em tração
0,12
0,14
Figura 5: Gradiente de tensão em função da quantidade de pré-deformação em tração para a rota
tração/cisalhamento com mudança da taxa de deformação.
Quanto maior a quantidade de deformação prévia, seja ela em tração e em cisalhamento, como foi neste trabalho,
mais estável e, portanto, mais resistente a respectiva subestrutura de linhas de discordâncias à qualquer tipo de
modificação o que se traduz pela redução do gradiente de tensão.
4.
CONCLUSÕES
O aço inoxidável ferrítico AISI 430 no estado como recebido (laminado a frio) foi submetido a rotas de
processamento mecânico compreendendo a combinação dos esforços de tração e de cisalhamento (rota
tração/cisalhamento) sob três valores de pré-deformação em tração (5%, 10% e 14%) para em seguida ser deformado
monotonicamente em cisalhamento sob a mesma taxa de deformação (0,001/s) ou com mudança na taxa de deformação
(0,001/s para 0,10/s) registrou os seguintes resultados:
a) o amaciamento (redução da tensão de fluxo) com a mudança do esforço mecânico de tração para cisalhamento para
os três valores de pré-deformação em tração;
b) o acréscimo do gradiente de redução da tensão (amaciamento) durante o recarregamento em cisalhamento com o
aumento da quantidade de pré-deformação em tração;
c) a sensibilidade da tensão de fluxo com a mudança da taxa de deformação mediante a identificação do aumento da
tensão após a mudança da taxa de deformação de 0,001/s para 0,10/s;
d) a variação suave do expoente de encruamento com a mudança do modo de deformação e da taxa de deformação, de
modo análogo ao acréscimo reduzido da tensão de fluxo com a mudança da taxa de deformação;
e) a tendência de queda do gradiente de tensão (aumento) após a mudança da taxa de deformação com o acréscimo da
quantidade de deformação prévia em tração e no próprio cisalhamento.
5.
REFERÊNCIAS
BARLAT, F., VINCZE, G., GRÁCIO, J.J., LEE, M.G., RAUCH, E.F., TOMÉ, C.N. 2014 “Enhancements of
homogenous anisotropic hardening model and application to mild and dual-phase steels”. International Journal of
Plasticity, v.58, pp.201-218.
BHATTACHARJEE, P.P, SAHA, S., GATTI, J.R. 2014 “Effect of change in strain path during cold rolling on the
evolution of microstructure and texture in Al and Al-2.5%Mg”. Journal of Materials Engineering and Performance,
v.23(2), pp.458-468.
GURÃO, N.P., SETHURAMAN, S., SUWAS, S. 2011 “Effect of strain path change on the evolution of texture and
microstructure during rolling of copper and nickel”. Journal of Materials Science Engineering, v.528A, pp.77397750.
MERKLEIN, M., SUTTNER, S., BROSIUS, A., 2014 Characterization of kinematic hardening and yield surface
evolution from uniaxial to biaxial tension with continuous strain path change. CIRP Annals – Manufacturing
Technology, v.63, p. 297-300.
KOSTRYZHEV, A. G., 2009 “Bauschinger Effect in Nb and V Micrialloyed Line Pipe Steels”. Thesis submitted to the
University of Birmingham for the grade of Doctor of Philosophy, 198p.
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18 a 22 de maio de 2015, Salvador, Bahia, Brasil
Copyright © 2015 ABCM
RAUCH, E.F., 1992 “The flow law of mild steel under monotonic or complex strain path”. Solid State Phenomena,
v.23-24, pp.317-334.
6.
DIREITOS AUTORAIS
Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído no seu trabalho.
STUDY OF MECHANICAL BEHAVIOUR OF AISI 430 STEEL AFTER
STRAIN PATH CHANGES
Luccas Roberto Macedo Margre, [email protected]
Elaine Carballo Siqueira Correa, [email protected]
Maria Teresa Paulino Aguiar, [email protected] 2
Wellington Lopes, [email protected]
1
Federal Center of Technological Education of Minas Gerais CEFET-MG, Avenida Amazonas 5253 – Nova Suiça –
Belo Horizonte – MG – Brazil
2
Federal University of Minas Gerais UFMG, Avenida Presidente Antônio Carlos, 6627 – Pampulha - Belo Horizonte –
MG – Brazil.
Abstract: the influence of mechanical processing conditions on the mechanical properties of metallic materials such as
the mode and the amount of plastic deformation and the strain rate on the mechanical strength and the ductility of
different materials has been studied during many years. However, is necessary to evaluate the results presented by
these materials under similar mechanical efforts those carried out on forming processes. This manner, this work
presents the study of the AISI 430 ferritic stainless steel when submitted the deformation cycles composed by the
combination of tensile and shearing with and without changes in the strain rate for three values of pre-strain in tensile.
The results indicated the sensibility of the AISI 430 steel on the change in the mode of deformation and the strain rate,
being the phenomena detected (softening and work-hardening exponent values) sensible to the previous amount of
deformation in tensile.
Keywords: AISI 430 steel, shearing and strain rate