PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
Francianne Santos Gonzaga de Carvalho
Extrusão a Quente de Tubos: Análise
Experimental da Distribuição de Tensões
Residuais na Parede do Tubo
São João Del Rei, 2013
i
Francianne Santos Gonzaga de Carvalho
Extrusão a Quente de Tubos: Análise
Experimental da Distribuição de Tensões
Residuais na Parede do Tubo
Dissertação apresentada ao Curso de Mestrado da
Universidade Federal de São João del-Rei, como
Requisito para a obtenção do título de Mestre em
Engenharia Mecânica
Área de Concentração: Materiais e Processos de
Fabricação
Orientador: Frederico Ozanan Neves
São João Del Rei, 2013
ii
Ficha catalográfica elaborada pelo Setor de Processamento Técnico da Divisão de Biblioteca
da UFSJ
Cavalho, Francianne Santos Gonzaga de
C331e
Extrusão a quente de tubos: análise experimental da distribuição de tensões residuais na parede do
tubo[manuscrito] / Francianne Santos Gonzaga de Carvalho. – 2013.
74f . ; il.
Orientador: Frederico Ozanan Neves
Dissertação (mestrado) – Universidade Federal de São João del-Rei. Departamento de Engenharia
Mecânica .
Referências: f. 75-80.
1. Extrusão de tubos de alumínio - Teses. 2. Tensões residuais - Teses. 3. Alumínio – Teses.
I. Neves, Frederico Ozanan(orientador) II. Universidade Federal de São João Del- Rei. Departamento
de Engenharia Mecânica. III. Título
CDU: 669.71
iii
iv
DEDICATÓRIA
Dedico este trabalho aos meus pais que puderam me dar a oportunidade da educação
v
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a Deus, sempre pelo amparo nos momentos de fraqueza.
Ao meu orientador, Professor Frederico, pela oportunidade, paciência, por acreditar
neste trabalho, pela ajuda nos momentos em que estive distante, enfim, por todos os
ensinamentos.
A todos os professores e secretária do Programa de Mestrado em Engenharia Mecânica
da UJSF, pela contribuição, especialmente ao Professor Lincoln, pela ajuda na construção da
ferramenta.
Aos técnicos, Camilo, Luiz e Emílio pela dedicação na confecção da ferramenta, corpos
de prova e condução do experimento.
À coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES), pela bolsa
que me foi concedida.
A todos amigos e companheiros de estudo, em especial, Camila, Sávio, Ana Paula,
Robson, Diogo, Caíque e Elifas.
Ao aluno de Iniciação Científica, Frederico, pela ajuda no experimento.
Às minhas colegas de moradia, Rachel, Patrícia, Mariana, Manuella e Potira, pelo
companheirismo, risadas, apoio nas horas difíceis, enfim, todos os momentos que passamos
juntas.
À Fátima, pela dedicação e carinho.
Em especial, a meu noivo, Luciano, sem seu incentivo este trabalho não teria se
concretizado.
Aos meus pais, pela oportunidade de estudo e minhas irmãs, pelo carinho.
À todos que contribuíram para a realização deste trabalho, de forma indireta.
vi
EPÍGRAFE
“O gênio é composto por 2% de talento e de 98% de perseverante aplicação.”
Ludwig Van Beethoven
vii
RESUMO
As operações de manufatura podem provocar o aparecimento de tensões residuais. Estas
podem estar presentes nos componentes e tem importante papel na resistência às solicitações,
pois elas se somam às tensões externas atuantes, podendo aumentar ou diminuir sua
magnitude, determinando assim a capacidade de carga e vida útil do componente. Este
trabalho investiga a distribuição de tensões residuais na parede de tubos de alumínio
extrudados a quente, estabelecendo o mapa de intensidade e de natureza (compressiva ou
trativa). Foram confeccionados corpos de prova em tarugos de alumínio comercialmente puro,
com dimensões 20 x 5 mm (diâmetro x altura). Os corpos de prova foram deformados em três
temperaturas acima da temperatura de recristalização do alumínio. Também foram feitas
extrusões de corpos de prova com três ângulos diferentes de matrizes e duas reduções
diferentes. Em seguida os corpos de prova foram seccionados em relação ao seu eixo de
simetria longitudinal para expor a seção transversal da parede do tubo. Ensaios de
microdureza instrumentada foram executados para avaliar as tensões residuais ao longo da
parede do tubo e confirmar os resultados de tensão residual. Para avaliação foram feitas
análises estatísticas de resultados experimentais obtidos através de planejamento fatorial
completo aleatorizado por níveis, onde a variável de resposta foi a dureza medida na parede
do tubo. Para garantir a repetibilidade do processo foram realizadas 4 réplicas para cada
ensaio. Foram encontradas condições favoráveis de extrusão, com indução de tensões
residuais compressivas nas paredes interna e externa dos tubos.
Palavras chave: extrusão de tubos, tensões residuais, alumínio
viii
ABSTRACT
Manufacturing process induce residual stresses on the parts. These may are present in the
mechanical components and have an important influence in their mechanical strength as they
are added to the external stresses and may increase or decrease its magnitude, thus
determining their load strength and life. This study investigate the distribution of residual
stresses in the wall of hot extruded aluminum tubes, setting the map of intensity and nature
(compressive or tensile, Samples of commercially pure aluminum with dimensions 20 x 5 mm
(diameter x height) were hot extruded at three temperatures above the recrystallization
temperature of aluminum. Three angles of tool and two thin wall were tested. Then the
specimens were sectioned in its longitudinal axis of symmetry to expose the cross section of
the tube wall. Instrumented microhardness tests were performed to evaluate the residual stress
along the wall of the tube and evaluate the residual stress. A statistical analyzes were done
using a full factorial design, randomized by levels. To ensure repeatability of the process, four
replicates were done to each test. We found favorable conditions of extrusion, with induced
compressive residual stresses in the inner and outer walls of the tubes.
Keywords: Residual stress. Aluminum. Hot extrusion.
ix
Lista de Figuras
Figura 1- Processo de extrusão (LAUE and STENGER, 1981) ............................................... 4
Figura 2- Extrusão direta ........................................................................................................ 6
Figura 3- Extrusão indireta ..................................................................................................... 7
Figura 5- Início da extrusão de um tubo com tarugo maciço (DIETER, 1981) ...................... 10
Figura 6- Extrusão do tubo com tarugo maciço (DIETER, 1981) .......................................... 10
Figura 7- Representação esquemática do processo de extrusão a quente de tubos ................. 11
Figura 8- Gráfico da pressão de extrusão de acordo com o percurso do pistão nas extrusões
direta e indireta (DIETER, 1981) ......................................................................................... 12
Figura 9- Ângulo de uma matriz de extrusão (LAUE and STENGER, 1981) ........................ 13
Figura 10- Tensões residuais desenvolvidas junto à superfície de uma peça sendo esmerilhada
(MODENESI, 2008) ............................................................................................................ 14
Figura 11- Padrão típico de distribuição de tensões residuais ao longo da seção de um eixo
(OGATA, 2003) ................................................................................................................... 15
Figura 12- Superposição de tensão residual e tensão aplicada (NUNES, 2008) ..................... 17
Figura 13- Tensões residuais do Tipo I (NUNES, 2008) ....................................................... 20
Figura 14- Tensões residuais do Tipo II (NUNES, 2008) ..................................................... 21
Figura 15- Tensões residuais do Tipo III (NUNES, 2008) .................................................... 22
Figura 16- Espalhamento e difração de raios-X em um arranjo cristalino (NUNES, 2008).... 27
Figura 17- Princípios da medição de tensões residuais pela difração de raios-X (NUNES,
2008)............ ........................................................................................................................ 28
Figura 18- Elipsóide de tensões deformações (GUIMARÃES, 1990) ................................... 30
Figura 19- Modelo de tensões elástico planas (NUNES, 2008) ............................................. 31
Figura 20- Contato entre indentador e material (ANTUNES, 2006) ...................................... 34
Figura 21- Esquema de ensaio de indentação com indentador piramidal (CIMM, 2011) ....... 35
Figura 22- Gráfico entre força de indentação e profundidade de indentação (SUTERIO,
2005)........... ......................................................................................................................... 36
x
Figura 23- Base inferior e punção piramidal ......................................................................... 38
Figura 24- Container inferior e container superior ................................................................ 38
Figura 25- Suporte superior da matriz e matriz ..................................................................... 39
Figura 26- Base superior e pistão ......................................................................................... 39
Figura 27- À esquerda, foto do forno de mufla utilizado para tratamento térmico, ao centro,
foto da ferramenta montada e à direita, detalhe da base com o punção. ................................. 40
Figura 28- Ordem de montagem das peças da ferramenta de extrusão .................................. 40
Figura 29- Matrizes e punções.............................................................................................. 40
Figura 30- Fotos dos corpos de prova ................................................................................... 41
Figura 31- À esquerda, interior da ferramenta montada, e à direita, grafite em pó ................. 41
Figura 32- Extrusão dos tubos com prensa hidráulica ........................................................... 42
Figura 33- Resíduos retirados após a extrusão dos corpos de prova, punção cônico (à
esquerda), e punção redondo (à direita) ................................................................................ 42
Figura 34- À esquerda, foto do tubo na ferramenta desmontada após extrusão, e à direita,
detalhe do tubo aderido ao punção redondo .......................................................................... 43
Figura 35- Fotos dos corpos de prova após tentativas de extrusão com alumínio ASTM 6351T6.......... .............................................................................................................................. 44
Figura 36- Tubo seccionado longitudinalmente .................................................................... 44
Figura 37- Policorte Mesotom .............................................................................................. 44
Figura 38- Máquina de embutir e Politriz ............................................................................. 45
Figura 39- Ultra Micro Durômetro ....................................................................................... 46
Figura 40- Amostras embutidas em baquelite ....................................................................... 46
Figura 41- Detalhe da indentação ......................................................................................... 47
Figura 42- Resultado direto de dureza obtido para a amostra 2, do corpo de prova extrudado a
400 º C, matriz de 15 graus e espessura do tubo de 2,5 mm .................................................. 48
Figura 43- Gráfico de dureza média, paredes externas x paredes internas, temperatura de 400°
e espessura de tubo de 2,5 mm ............................................................................................. 53
xi
Figura 44- Gráfico de dureza média, paredes externas x paredes internas, temperatura de 450°
e espessura de tubo de 2,5 mm ............................................................................................. 54
Figura 45- Gráfico de dureza média, paredes externas x paredes internas, temperatura de 500°
e espessura de tubo de 2,5 mm ............................................................................................. 54
Figura 46- Gráfico de dureza média, paredes externas x paredes internas, temperatura de 400°
e espessura de tubo de 3,5 mm ............................................................................................. 55
Figura 47- Gráfico de dureza média, paredes externas x paredes internas, temperatura de 450°
e espessura de tubo de 3,5 mm ............................................................................................. 55
Figura 48- Gráfico de dureza média, paredes externas x paredes internas, temperatura de 500°
e espessura de tubo de 3,5 mm ............................................................................................. 56
Figura 49- Gráfico de deslocamento x força, para extrusão de tubos com matrizes de ângulos
curvos e punções retos (CHITKARA E ALEEM, 2001) ....................................................... 56
Figura 50- Gráfico de comparação entre ângulos de matrizes de extrusão na temperatura de
400 graus Celsius, espessura de 2,5 mm e superfície de análise interna ................................ 57
Figura 51- Gráfico de comparação entre ângulos de matrizes de extrusão na temperatura de
450 graus Celsius, espessura de 2,5 mm e superfície de análise interna ................................ 58
Figura 52- Gráfico de comparação entre ângulos de matrizes de extrusão na temperatura de
500 graus Celsius, espessura de 2,5 mm e superfície de análise interna ................................ 58
Figura 53- Gráfico de comparação entre ângulos de matrizes de extrusão na temperatura de
400 graus Celsius, espessura de 2,5 mm e superfície de análise externa ................................ 59
Figura 54- Gráfico de comparação entre ângulos de matrizes de extrusão na temperatura de
450 graus Celsius, espessura de 2,5 mm e superfície de análise externa ................................ 59
Figura 55- Gráfico de comparação entre ângulos de matrizes de extrusão na temperatura de
500 graus Celsius, espessura de 2,5 mm e superfície de análise externa ................................ 60
Figura 56- Gráfico de comparação entre ângulos de matrizes de extrusão na temperatura de
400 graus Celsius, espessura de 3,5 mm e superfície de análise interna ................................ 60
Figura 57- Gráfico de comparação entre ângulos de matrizes de extrusão na temperatura de
450 graus Celsius, espessura de 3,5 mm e superfície de análise interna ................................ 61
Figura 58- Gráfico de comparação entre ângulos de matrizes de extrusão na temperatura de
500 graus Celsius, espessura de 3,5 mm e superfície de análise interna ................................ 61
xii
Figura 59- Gráfico de comparação entre ângulos de matrizes de extrusão na temperatura de
400 graus Celsius, espessura de 3,5 mm e superfície de análise externa ................................ 62
Figura 60- Gráfico de comparação entre ângulos de matrizes de extrusão na temperatura de
450 graus Celsius, espessura de 3,5 mm e superfície de análise externa ................................ 62
Figura 61- Gráfico de comparação entre ângulos de matrizes de extrusão na temperatura de
500 graus Celsius, espessura de 3,5 mm e superfície de análise externa ................................ 63
Figura 62- Gráfico de micro dureza para cilindros de alumínio extrudados a frio com matrizes
de ângulos 30º, 45º e 60º (CHAUDHARI et al., 2012) ......................................................... 63
Figura 63- Gráfico de dureza média para temperaturas de 400º, 450º e 500° Celsius, em
relação ao ângulo de 15° para matriz de extrusão e espessura de tubo de 2,5 mm ................. 65
Figura 64- Gráfico de dureza média para temperaturas de 400º, 450º e 500° Celsius, em
relação ao ângulo de 24° para matriz de extrusão e espessura de tubo de 2,5 mm ................. 65
Figura 65- Gráfico de dureza média para temperaturas de 400º, 450º e 500° Celsius, em
relação ao ângulo de 30° para matriz de extrusão e espessura de tubo de 2,5 mm ................. 66
Figura 66- Gráfico de dureza média para temperaturas de 400º, 450º e 500° Celsius, em
relação ao ângulo de 15° para matriz de extrusão e espessura de tubo de 3,5 mm ................. 66
Figura 67- Gráfico de dureza média para temperaturas de 400º, 450º e 500° Celsius, em
relação ao ângulo de 24° para matriz de extrusão e espessura de tubo de 3,5 mm ................. 67
Figura 68- Gráfico de dureza média para temperaturas de 400º, 450º e 500° Celsius, em
relação ao ângulo de 30° para matriz de extrusão e espessura de tubo de 3,5 m .................... 67
Figura 69- À esquerda, foto dos punções utilizados, à direita, gráfico com a carga requerida
para extrusão para cada tipo de punção, conical (cônico), ogival (ogival) e polynomial
(redondo) (CHITKARA E ALEEM, 2001)........................................................................... 68
Figura 70- Gráfico de dureza média em relação ao tipo de punção para a temperatura 450°
Celsius, superfície de análise interna e espessura do tubo de 2,5 mm .................................... 69
Figura 71- Gráfico de dureza média em relação ao tipo de punção para a temperatura 450°
Celsius, superfície de análise externa e espessura do tubo de 2,5 mm ................................... 69
Figura 72- Fotos de tubos extrudados de 2,5mm de espessura, compunção cônico, a 400, 450
e 500 graus Celsius, respectivamente ................................................................................... 70
xiii
Figura 73- Fotos de tubos extrudados de 2,5mm de espessura, com punção cônico, a 500, 450
e 400 graus Celsius, respectivamente ................................................................................... 71
Figura 74- Fotos de tubos extrudados de 2,5mm de espessura, com punção redondo, a 400 e
450 graus Celsius, respectivamente ...................................................................................... 71
Figura 75- Fotos de tubos extrudados de 2,5mm de espessura, com punção redondo, a 400 e
450 graus Celsius, respectivamente ...................................................................................... 71
xiv
Lista de Tabelas
Tabela 1- Faixas de temperatura para extrusão de vários metais (CIMM, 2011) ..................... 9
Tabela 2- Mecanismos básicos de geração de tensões residuais (RODACOSKI, 1997 citado
por OGATA, 2003) .............................................................................................................. 16
Tabela 3- Composição química do Alumínio ASTM 6351-T6 (ABNT/CB-35 Alumínio) ..... 43
Tabela 4- Resultados dos ensaios de ultra micro dureza........................................................ 49
Tabela 5- Análise de Variância ............................................................................................ 51
Tabela 6- Resultados de dureza para os punções redondo e cônico, nas mesmas ................... 51
Tabela 7- Analise de variância para os tipos de punção ........................................................ 52
Tabela 8- Análise de variância para o punção redondo ......................................................... 52
Tabela 9- Análise de variância para o punção cônico............................................................ 53
xv
Lista de Abreviaturas e Siglas
Letras Latinas
A0
área projetada da indentação
[mm²]
Af
área final da seção transversal do tarugo
[mm²]
Ai
área inicial da seção transversal do tarugo
[mm²]
d
espaçamento entre planos cristalinos
D
detector de Raios-X
[]
d0
distância interplanar
[]
dϕ0
espaçamento entre planos cristalinos para material livre de tensões residuais
[Å]
[Å]
E
Módulo de Elasticidade
F
força de extrusão
K
resistência específica à extrusão
[]
n
ordem de difração
[]
N
perpendicular à superfície
[]
P0
carga residual de indentação do material livre de tensões residuais
[N]
Pc
carga residual de indentação do material com tensões residuais
[N]
Pres
[GPa]
[N]
carga residual de indentação do material com tensões residuais menos a carga de
indentação do material livre de tensões residuais
[N]
Pt
carga residual de indentação do material com tensões residuais
[N]
S
fonte de Raios-X
[]
xvi
Letras Gregas
ε1
direção principal
[]
ε2
direção principal
[]
ε3
direção principal
[]
εx
deformação linear
[mm/mm]
εϕψ
deformação
[mm/mm]
λ
comprimento de ondas de Raios-X
ψ
ângulo de rotação
σ1
tensão principal
[MPa]
σ2
tensão principal
[MPa]
σ3
tensão principal
[MPa]
σr
tensão de serviço
[MPa]
σs
tensão de residual
[MPa]
σx
tensão em uma dada direção
[MPa]
σϕ
tensão em uma direção
[MPa]
σres
tensões residuais
[Å]
[°]
[MPa]
xvii
SUMÁRIO
1
INTRODUÇÃO ...................................................................................................... 1
2
REVISÃO DA LITERATURA................................................................................ 4
2.1
Extrusão .................................................................................................................. 4
2.2
Tipos de Extrusão .................................................................................................... 5
2.2.1
Extrusão Direta........................................................................................................ 5
2.2.2
Extrusão Indireta ..................................................................................................... 6
2.2.3
Extrusão Hidrostática .............................................................................................. 7
2.2.4
Extrusão a Frio ........................................................................................................ 8
2.2.5
Extrusão a Quente ................................................................................................... 8
2.3
Extrusão a Quente de Tubos: Características do Processo ........................................ 9
2.4
Tensões Residuais ................................................................................................. 14
2.4.1
Tipos de Tensões Residuais ................................................................................... 18
2.4.1.1
Macrotensões ou Macroscópicas ........................................................................... 19
2.4.1.2
Microtensões ou Microscópicas ............................................................................ 20
2.4.1.3
Submicroscópicas ................................................................................................. 21
2.4.2
Efeito das Tensões Residuais ................................................................................ 22
2.4.3
Medição de Tensões Residuais ............................................................................. 23
2.4.4
Medição de Tensões Residuais pelo Método da Difração de Raios-X.................... 26
2.4.5
Método de Medição de Tensões Residuais por Indentação .................................... 33
2.5
Alumínio Comercialmente Puro ............................................................................ 36
3
MATERIAIS E MÉTODOS ................................................................................. 38
3.1
Ferramenta Para Extrusão ..................................................................................... 38
3.2
Confecção dos Corpos de Prova ............................................................................ 41
3.3
Procedimentos Experimentais ............................................................................... 41
3.4
Planejamento Estatístico ....................................................................................... 47
xviii
4
RESULTADOS E DISCUSSÃO .......................................................................... 48
4.1
Ensaios de Micro Dureza ...................................................................................... 48
4.1.1
Superfície de Análise ............................................................................................ 53
4.1.2
Ângulo da Matriz de Extrusão .............................................................................. 57
4.1.3
Espessura da Parede do Tubo ................................................................................ 64
4.1.4
Temperatura de Extrusão ...................................................................................... 64
4.1.5
Tipo de Punção ..................................................................................................... 68
4.2
Análise Superficial dos Tubos Extrudados ............................................................ 70
5
CONCLUSÕES .................................................................................................... 72
6
SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ................................................. 74
REFERÊNCIAS ................................................................................................... 75
ANEXO...................................................................................................................81
1
CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO
A extrusão é um processo de conformação plástica no qual um corpo é forçado a passar
através de uma matriz por meio de compressão. Ao passar através da matriz o corpo adquire o
formato da seção transversal do furo da ferramenta. Este processo é usado comercialmente
desde o século XIX, mas com a Segunda Guerra Mundial, passou a ser mais utilizado, quando
os perfis extrudados começaram a ser produzidos em grandes quantidades para componentes
aeronáuticos. O processo de extrusão obtém peças com estreitas tolerâncias dimensionais e
com grande relação comprimento/diâmetro.
A produção de tubos metálicos a partir da extrusão tem sido muito utilizada para
materiais metálicos não ferrosos, especialmente o alumínio. Este tem aplicações em diversos
setores da indústria e a sua freqüente presença no nosso dia a dia representa bem a sua
importância econômica no mundo atual. Tubos de alumínio são utilizados em estruturas
espaciais permitindo a cobertura de grandes vãos com o mínimo de apoios, em tubulações
para irrigação e em trocadores de calor como radiadores e componentes de ar condicionado,
entre outros, ideais para os setores da construção civil, bens de consumo, indústria elétrica e
de transportes. A variedade de perfis que podem ser extrudados em alumínio é praticamente
ilimitada. O processo reduz custos, pois elimina operações posteriores de usinagem,
possibilitando a obtenção de seções mais resistentes pela adequada eliminação de juntas
frágeis e uma melhor distribuição de metal. Entre os principais tipos de produtos extrudados
estão perfis sólidos, tubulares e semi-tubulares.
Nos produtos produzidos por qualquer processo de manufatura, especialmente durante a
produção de elementos de máquinas e componentes, pode ocorrer o aparecimento de tensões
residuais que resultam numa série de efeitos que poderão ser benéficos ou não, dependendo da
aplicação do componente, e da intensidade da tensão. Apesar dos estudos dos efeitos de
tensões residuais terem sido iniciados há mais de 100 anos, somente a partir do final da
década de 30 do século passado, com o desenvolvimento das tecnologias de medição com
raios-x e extensômetros, é que as técnicas experimentais de medição de tensões residuais
começaram a ser utilizadas em larga escala.
A presença de tensões residuais leva o projetista a superdimensionar as peças, de
modo a evitar sua falha prematura em serviço. Submetendo a peça produzida a tratamento
2
térmico para alívio de tensões poderia resolver o problema, mas além de custo adicional como
no seu superdimensionamento, ainda pode acontecer alterações dimensionais durante o
tratamento térmico, com perda das tolerâncias fixadas no projeto. A redução ou anulação das
tensões residuais em peças mecânicas que trabalham em tensões cíclicas reduz a possibilidade
de falhas em serviço, reduzindo substancialmente os custos de reposição e de manutenção dos
sistemas dos quais estes elementos são componentes. Tubos de alumínio extrudados são
largamente empregados na indústria mecânica, mas, até o presente, não existe um estudo
sobre a presença de tensões residuais na sua produção e a sua natureza.
Desta forma, um estudo exploratório sobre os mecanismos de formação de tensões
residuais e suas características quando oriundas da extrusão direta a quente pode ser uma boa
contribuição ao projeto de estruturas mais resistentes e mais econômicas.
É objetivo desta pesquisa, investigar a distribuição de tensões residuais na parede de
tubos de alumínio extrudados a quente, estabelecendo o mapa de intensidade e de natureza
(compressiva ou trativa). Para a investigação foi escolhida a operação de extrusão direta a
quente de tarugos de Alumínio Comercialmente Puro.
Este trabalho foi estruturado e formatado seguindo as diretrizes para apresentação de
dissertações do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da Universidade
Federal de São João Del-Rei, PPMEC-UFSJ, procurando produzi-lo de forma a proporcionar
uma leitura objetiva e concisa. Para tanto este documento é composto pelas seguintes partes:
Introdução: Introdução onde se apresenta um breve contexto sobre o processo de
extrusão e tensões residuais, além de serem apresentados o objetivo, justificativa e a estrutura
desse trabalho.
Revisão da Literatura: Apresenta a revisão da literatura abordada, necessária para
um melhor entendimento do assunto estudado. Neste capítulo são abordados os temas
relacionados ao processo de extrusão de tubos, determinação de tensões residuais, os métodos
para determinar e medir tais tensões, alumínio, dentre outros.
Materiais e Métodos: descreve detalhadamente os equipamentos, materiais e
procedimentos usados.
Resultados e Discussão: análises e discussões dos resultados obtidos.
3
Conclusões: Apresenta as conclusões obtidas a partir dos resultados dos ensaios.
Sugestões Para Trabalhos Futuros: Composto por sugestões para trabalhos
posteriores.
4
CAPÍTULO 2
REVISÃO DA LITERATURA
2.1. Extrusão
A extrusão é um processo de conformação plástica que consiste em fazer passar um
tarugo ou lingote de seção circular, colocado dentro de um container, por uma abertura
existente no meio de uma ferramenta, por meio da ação de compressão de um pistão, com
auxílio de uma prensa. Os produtos da extrusão são perfis, tubos e barras de seção circular.
Praticamente qualquer forma de seção transversal vazada ou cheia pode ser produzida por
extrusão. Como a geometria da matriz permanece inalterada, os produtos extrudados tem
seção transversal constante (BRESCIANI FILHO et al., 1997). A figura 1 exemplifica o
processo de extrusão.
Figura 1- Processo de extrusão (LAUE and STENGER, 1981)
Ao passar através da matriz, o corpo adquire o perfil da seção transversal do furo da
ferramenta. O processo pode ser utilizado na fabricação de tubos sem costura e pode ocorrer a
quente ou a frio. O perfil do produto vazado pode ser muito complexo (MOSHKSAR and
EBRAHIMI, 1998) ou bastante simples, como é o caso de tubos com orifício cilíndrico. A
fabricação de tubos pelo processo de extrusão passou a substituir a laminação, pois se tornou
mais econômica e competitiva para comprimentos relativamente curtos e em pequenas
quantidades (CHITKARA e ALEEM, 2001).
5
Pugh e Watkins (1961) fizeram uma análise da extrusão e dos produtos extrudados,
comparando a extrusão a quente de alumínio puro e da liga DTD 363, investigando o efeito da
temperatura e da velocidade de extrusão na pressão de extrusão. Também foi feita uma
investigação da extrusão a frio de metais não ferrosos, com análises de efeito da redução e
velocidade na pressão de extrusão.
Hsiang e Liao (1997) estudaram um modelo de simulação numérica para processos de
extrusão a quente de tubos, para prever o comportamento das variáveis no processo de
extrusão, analisando o fluxo de metal através de testes de desempenho mecânico.
Chitkara e Aleem (2001) analisaram mecanismos de extrusão de um tubo axi-simétrico
a partir de um tarugo oco, comparando os resultados das pressões de extrusão na extrusão de
um material modelo com punções de formatos diferentes.
Lyal’Kov et al. (2006) desenvolveram um método para calcular os principais
parâmetros na extrusão de tubos de difícil conformação, permitindo prever a facilidade com
que tubos de dadas dimensões podem ser conformados.
Sadeghi et al. (2012) utilizaram um algoritmo genético para selecionar os parâmetros de
extrusão de tubos de ferro, aumentando a velocidade de produção.
2.2. Tipos de Extrusão
De acordo com Campana (2008), as diferentes características dos produtos a serem
extrudados, bem como os diferentes tipos de ligas metálicas utilizadas, fazem com que não se
possa utilizar apenas um método aplicado para extrusão. Assim, podem ser listados como
meios de obtenção de produtos extrudados:
2.2.1. Extrusão Direta
Na extrusão direta apresentada na figura 2, o pistão age sobre o tarugo forçando sua
passagem pela ferramenta e o metal é movido na mesma direção do pistão, provocando atrito
entre ele e o container. Este processo possui maior utilização, pois não precisa de
equipamentos complexos, consegue elevado controle dimensional e pode trabalhar com perfis
extrudados de grande diâmetro sem comprometer a fluidez do perfil (SILVA, 1989).
6
Figura 2- Extrusão direta
2.2.2. Extrusão Indireta
No processo de extrusão indireta, também conhecida como extrusão reversa ou
invertida, a matriz se desloca na direção do tarugo. Ocorre o deslocamento da ferramenta e
não do tarugo. Como não há movimento relativo entre o tarugo e as paredes do container, as
forças de atrito e pressões necessárias são menores comparados à extrusão direta. Entretanto,
como o êmbolo é furado, as cargas necessárias para a extrusão são limitadas e não é possível
obter perfis com formatos complexos. Como vantagens, a extrusão indireta apresenta
benefícios no que diz respeito ao aproveitamento da matéria-prima. Apenas 5 % do tarugo
inicial são desperdiçados. A extrusão pode ocorrer em uma menor temperatura, evitando
defeitos como desgaste, o container tem uma maior vida útil, há maior uniformidade de
deformação e uma menor pressão de pico, resultando em menos carga aplicada. A principal
desvantagem consiste na maior complexidade e no alto custo das ferramentas (SANTOS,
1998 e CAMPANA, 2008). A figura 3 mostra o processo de extrusão indireta.
7
Figura 3- Extrusão indireta
2.2.3. Extrusão Hidrostática
Neste processo ilustrado pela figura 4, um tarugo é colocado sobre a matriz e envolvido
por um fluido, ambos contidos no interior de um container. O fluido tem sua pressão
aumentada por meio de um pistão, até o ponto em que o tarugo é forçado a escoar pela
abertura da matriz, dando forma final ao produto. O apoio da matriz é obtido pelo fluido sob
pressão, sendo a vedação do sistema feita através de selantes colocados em torno do pistão e
da matriz. O fluido pressurizado facilita a deformação do material pelo estabelecimento de um
estado de tensões favorável e pela redução do atrito entre o tarugo e a matriz. Entre as
vantagens deste tipo de extrusão estão o controle do estado de tensões sobre o produto,
evitando que haja a fratura do mesmo no caso de materiais frágeis, melhor qualidade de
extrusão, eliminação do atrito possibilitando grandes reduções sem que seja necessário
aquecer o material que será extrudado, maior rapidez na operação, uma maior vida útil e uso
de materiais menos nobres na confecção das matrizes (BUTTON, 1985 e 1990).
8
Figura 4- Extrusão hidrostática (CIMM, 2011)
Quanto à temperatura de extrusão, podem classificar-se como:
2.2.4. Extrusão a Frio
É o processo em que o material que será extrudado tem ductilidade suficiente à
temperatura ambiente, não necessitando ser aquecido para diminuir as forças necessárias para
a extrusão. Este processo tem como vantagens (SILVA, 1989 e MORO e AURAS, 2006):

Melhores propriedades mecânicas resultantes do encruamento;

Controle das tolerâncias, requerendo pouca ou nenhuma operação posterior de
acabamento;

Melhor acabamento superficial, devido à não existência de camada de óxido;

Eliminação do pré-aquecimento do tarugo.
Como desvantagem, este tipo de processo apresenta altos custos na aquisição de
maquinário e ferramentas, para trabalhar com peças grandes ou que possuem alto teor de
carbono.
2.2.5. Extrusão a Quente
A extrusão a quente é feita para ligas que não tem ductilidade suficiente à temperatura
ambiente ou quando o material exige grande esforço à deformação. Com a extrusão a quente
não se tem ganhos tão substancias em relação ao acabamento superficial e aumento da
resistência mecânica (CHIKTARA e ALLEM, 2001), mas consegue-se reduzir as forças
9
necessárias para a realização do processo com grandes reduções de seção numa só etapa.
Possui alguns problemas como desgaste excessivo da matriz, deformações não uniformes
devido ao resfriamento do tarugo no container, filme de óxido no tarugo após ser aquecido
gerando acabamento superficial ruim, mas algumas medidas preventivas podem resolver ou
diminuir o efeito destes problemas como o pré-aquecimento da matriz (MORO e AURAS,
2006).
A seguir apresenta-se a Tabela 1, com os principais metais e suas respectivas
temperaturas de extrusão:
Tabela 1- Faixas de temperatura para extrusão de vários metais (CIMM, 2011)
Faixas de Temperatura de Extrusão para vários Metais
Metal
Temperatura ºC
Chumbo
200 - 250
Alumínio e suas Ligas
375 - 475
Cobre e suas Ligas
650 - 950
Aços
875 - 1300
Ligas Refratárias
975 - 2200
2.3. Extrusão a Quente de Tubos: Características do Processo
A indústria de tubos vem encontrando desafios no mercado atual. Primeiramente,
porque os compradores vem exigindo produtos numa variedade maior de tamanhos e formas,
10
além de melhor qualidade e menores custos. Para cumprir essas necessidades, é necessário o
uso de ferramentas otimizadas e técnicas avançadas de controle de qualidade e fabricação
(CARDOSO, 2007).
Tubos extrudados podem ser produzidos pela adaptação de um punção na extremidade
do pistão. O espaçamento entre o punção e a parede da matriz é o que determinará a espessura
da parede do tubo. A produção pode ser feita com a utilização de tarugos maciços ou tarugos
inicialmente vazados numa operação em dois estágios, na qual o tarugo maciço é
primeiramente perfurado e depois extrudado (DIETER, 1981). As figuras 5 e 6 ilustram a
extrusão de um tarugo maciço, mostrando a operação da produção de tubos em uma única
operação.
Figura 5- Início da extrusão de um tubo com tarugo maciço (DIETER, 1981)
A técnica de extrusão a quente de tubos consiste na conformação de um tarugo préaquecido em forno, forçando-o a passar por uma ferramenta cilíndrica, com o auxílio de um
pistão e um punção cilíndrico, através de uma prensa hidráulica, como mostra a figura 7.
Figura 6- Extrusão do tubo com tarugo maciço (DIETER, 1981)
11
Figura 7- Representação esquemática do processo de extrusão a quente de tubos
De acordo com Bresciane Filho et al. (1997), existem fatores de influência que
favorecem ou não as condições de trabalho, levando à obtenção de um produto de qualidade e
custos especificados. Segundo Dieter (1981), estas variáveis são:
a) Tipo de Extrusão
O processo de extrusão direta apresenta um elevado nível de pressão inicial para fazer o
tarugo passar pela matriz, depois este nível cai com o avanço do pistão até um valor mínimo
pela redução de comprimento do tarugo no container, tendendo a crescer novamente no fim.
A pressão de extrusão é a força de extrusão dividida pela área da seção transversal do tarugo.
Na extrusão indireta, a pressão cresce constantemente com o avanço do pistão em decorrência
dos resíduos de material retidos entre a ferramenta e o container, o que dificulta o movimento.
A figura 8 mostra o gráfico da pressão de extrusão de acordo com o movimento do pistão nos
processos de extrusão direta e indireta. A maioria das extrusões a quente são feitas pelo
processo de extrusão direta, pois a extrusão indireta cria limitações quanto ao tamanho da
peça extrudada e a pressão de extrusão máxima que pode ser atingida.
12
Figura 8- Gráfico da pressão de extrusão de acordo com o percurso do pistão nas
extrusões direta e indireta (DIETER, 1981)
b) Razão de Extrusão
A razão de extrusão é a divisão entre a área inicial da seção transversal do tarugo e a
área final da seção depois da extrusão. Como a taxa de escoamento de metal na passagem pela
matriz pode ser considerada constante, a pressão de extrusão está diretamente ligada com o
logaritmo neperiano da razão de extrusão. Então, a força de extrusão pose ser expressa como:
( )
Onde:
F = força de extrusão
Ai = área inicial da seção transversal do tarugo
Af = área final da seção depois da extrusão
k = resistência específica à extrusão
(1)
13
Na extrusão a quente, a resistência específica à extrusão depende da tensão de
escoamento, atrito e deformação heterogênea e é apresentada em gráficos ou como as
equações das curvas de resistência à extrusão.
c) Temperatura de Trabalho
A temperatura de trabalho deve ser alta o suficiente para dar trabalhabilidade plástica ao
metal, diminuindo a tensão de escoamento, mas não pode ser muito alta para se evitar gastos
excessivos de energia, desgastes dos elementos da máquina de extrusão e matrizes e evitar a
oxidação do tarugo. Escolhe-se a temperatura máxima abaixo do ponto de fusão ou abaixo da
faixa de fragilidade a quente do metal, como já foi apresentado na Tabela 1, anteriormente.
d) Velocidade de Deformação
O aumento da velocidade no pistão acarreta no aumento da pressão de extrusão. A
velocidade de extrusão interfere na temperatura de trabalho e na pressão de extrusão e
depende do material a ser extrudado. Maiores velocidades acarretam em maior produção, e
com o aumento da velocidade na extrusão a quente, aumenta-se a temperatura de trabalho,
evitando-se o aumento da pressão de extrusão.
e) Condições de Atrito na Matriz e nas Paredes do Container
O atrito entre o container e o tarugo e entre a matriz e o tarugo tem uma enorme
influência no escoamento do material, refletindo na qualidade do produto extrudado, tanto em
suas propriedades mecânicas quanto nos defeitos que podem se apresentar ou não, além de
produzir desgaste nas ferramenta. O ângulo da matriz também influi no atrito que será
produzido, pois ângulos maiores aumentam a área de contato entre o material a ser extrudado
e a ferramenta, aumentando assim o atrito. A figura 9 exemplifica o ângulo de uma matriz de
extrusão.
Figura 9- Ângulo de uma matriz de extrusão (LAUE and STENGER, 1981)
14
2.4. Tensões Residuais
As tensões residuais são tensões internas que se desenvolvem em componentes que se
apresentam em um estado de equilíbrio. Os campos de tensões residuais ocorrem no material
mesmo sem a existência de carregamentos externos, gradientes de temperatura ou influência
da gravidade. (LU, 1996 e RODACOSKI, 1997 e CORDOVIL, 2001 citados por SUTERIO,
2005)
Para Hauk (1997), as tensões residuais são tensões auto-equilibradas, originadas sempre
que o componente sofre deformação plástica localizada ou deformação elástica nãohomogênea. Como exemplo, pode-se citar o processo de esmerilhamento de uma peça,
ilustrado na figura 10, que causa o escoamento plástico de material próximo à superfície da
peça, introduzindo tensões residuais nesta região.
Praticamente todas as operações de manufatura podem provocar o aparecimento de
tensões residuais. Portanto, podemos afirmar que as tensões residuais podem ser ocasionadas
por um ou mais motivos, que podem ser de origem mecânica, química e/ou térmica, ou a
interação destes. A seguir encontra-se a Tabela 2, com exemplos dos mecanismos básicos de
geração de tensões residuais.
Figura 10- Tensões residuais desenvolvidas junto à superfície de uma peça sendo
esmerilhada (MODENESI, 2008)
15
Todo sistema de tensões residuais está em equilíbrio e o somatório das forças
resultantes e dos momentos produzidos será zero. O valor máximo em módulo que as tensões
residuais poderão chegar é o próprio limite de escoamento do material. Valores de tensões
acima do limite de escoamento do material irão ocasionar uma deformação plástica do
material, havendo assim, uma redistribuição das tensões residuais (LU, 1996). A figura 11
mostra a distribuição de tensões residuais ao longo de um eixo, com o valor máximo da
tensão ocorrendo próximo da superfície e diminuindo à medida que a profundidade aumenta.
Depois ocorre uma inversão de sinal para satisfazer a condição de equilíbrio das forças
internas (OGATA, 2003).
Figura 11- Padrão típico de distribuição de tensões residuais ao longo da seção de um
eixo (OGATA, 2003)
16
Tabela 2- Mecanismos básicos de geração de tensões residuais (RODACOSKI, 1997 citado
por OGATA, 2003)
ORIGEM
Deformação Mecânica
Diferencial
PROCESSO
OBSERVAÇÕES
Conformação
Laminação, Estampagem, Extrusão,
Estiramento
Auto-fretagem
Armas, Vasos Pressão
Conformação
Superficial
Jateamento, Granalhamento
Processos de Usinagem
Torneamento, Frezamento,
Retificação, Furação, etc.
Transformação de Fase
do
Soldagem
Todos os Tipos
Material
Tratamentos Térmicos
Têmpera, Normalização, etc.
Processos de Usinagem
Torneamento, Frezamento, Retificação,
Furação, etc.
Soldagem
Todos os Tipos
Tratamentos Térmicos
Têmpera, Normalização, etc.
Fundição
Seções Transversais Diferentes, Grandes
Dimensões
Tratamentos
Termoquímicos
Contração ou Expansão Térmica
Diferencial
Montagem e ajustes
Estruturas, Desalinhamento de Uniões
Bi materiais
Peças com Inserto, Peças Bi Metálicas
Materiais Compósitos
Todos Materiais Agregados à Superfície
Materiais Agregados à
Superfície
Deposições por Plasma, Revestimentos
Protetores, Anti-desgaste
Tratamentos Térmicos
Têmpera, Normalização, etc.
Contração ou Expansão
Térmica Diferencial
Desigualdades
Estruturais
Microestrutura
Diferencial
17
Tensões residuais podem estar presentes nos componentes de transmissões e tem
importante papel na resistência às solicitações destes, pois elas se somam às tensões externas
atuantes, podendo aumentar ou diminuir sua magnitude, determinando assim a capacidade de
carga e vida útil do componente. O conhecimento do valor e da distribuição das tensões
residuais é um fator muito importante para a integridade da estrutura. A medição destas
tensões é um passo fundamental para assegurar o bom desempenho de um componente e pode
ser obtida durante a fabricação, permitindo corrigir possíveis imperfeições na execução do
projeto, facilitando o posterior controle da integridade e contribuindo para o planejamento da
manutenção (SOARES, 2003 e MACHERAUCH e WOHLFAHRT, 1977 e MACHERAUCH
e KLOOS, 1986 citados por GUROVA e LEONTIEV 2009).
A figura 12 demonstra a superposição de dois tensores em um material. σS é a tensão de
serviço, e σR é a tensão residual. Quando os dois tensores se sobrepõem, forma-se um novo
tensor, que é a soma dos dois.
Figura 12- Superposição de tensão residual e tensão aplicada (NUNES, 2008)
As tensões residuais influenciam substancialmente nas características de resistência
mecânica e no funcionamento dos elementos de uma estrutura. Podem causar uma série de
efeitos que poderão ser benéficos ou prejudiciais, dependendo da aplicação do componente,
em relação aos esforços mecânicos, térmicos ou químicos desempenhados por ele (OGATA,
2003).
18
Prevéy (1986) empregaram um algoritmo para determinar a distribuição de tensões
residuais em subsuperfícies de uma liga de titânio, eliminando erros causados por
desfocalização dos picos de difração de larguras intermediárias.
Yazdi et al. (1998) examinaram o campo de tensões residuais induzidas por têmpera
através do método de elementos finitos, analisando os aspectos térmicos e mecânicos no
resfriamento de ligas de alumínio.
Withers e Bhadeshia (2001) escreveram o efeito das tensões residuais em estruturas,
mostrando suas origens para vários tipos de materiais e avaliando cada técnica para medição.
Xu et al. (2005) apresentaram o método de indentação com penetrador cilíndrico e um
método numérico para determinar a tensão residual em espécimes de cobre, ajudando no
melhor entendimento da influência da tensão residual.
Bocciarelli e Maier (2007) empregaram a combinação de métodos tradicionais de
medição com o mapeamento das deformações residuais para identificar tensões residuais,
testando seu desempenho através de exemplos numéricos e validando seu uso por meio de
dados experimentais disponíveis na literatura.
Raj et al. (2009) avaliaram danos em materiais de aeronaves causados por vida em
fadiga utilizando a medição de tensões residuais, permitindo a continuidade de sua utilização
com a remoção da superfície danificada sem afetar sua integridade estrutural.
2.4.1. Tipos de Tensões Residuais
As tensões residuais podem ser classificadas quanto à sua natureza e quanto à sua área
de abrangência, isto é, o volume do material sujeito à sua ação.
Quanto à natureza, as tensões residuais podem ser trativas ou compressivas. As tensões
residuais trativas devem ser evitadas em peças submetidas a esforços mecânicos cíclicos
devido ao fato de facilitarem a nucleação e a propagação de trincas, levando-as a falharem por
fadiga mecânica (BIANCH et al., 2000). Já as compressivas, geralmente possuem um efeito
benéfico na vida em fadiga, propagação de trincas ou corrosão sob tensão (SUTERIO, 2005).
Tomando como exemplo o mecanismo de fadiga, a vida em fadiga de uma componente e sua
integridade estrutural podem melhorar através da introdução de tensões residuais
compressivas na superfície. Isto reduz a iniciação de trincas devido à diminuição do valor
19
efetivo das tensões de tração necessárias para a nucleação e crescimento de trincas de fadiga
(ROCHA, 2009). A presença de tensões residuais leva o projetista a superdimensionar as
peças, de modo a evitar sua falha prematura em serviço. Uma outra alternativa é submeter o
elemento produzido a tratamento térmico para alívio de tensões. Os dois casos representam
custo adicional. No segundo caso, outro inconveniente é a possibilidade de alterações
dimensionais durante o tratamento térmico, com perda das tolerâncias fixadas no projeto.
De acordo com a sua área de abrangência, as tensões residuais podem ser classificadas
como:
2.4.1.1. Macrotensões ou Macroscópicas
São tensões que se estendem sobre grandes porções volumétricas quando comparadas
com o tamanho de grão do material (RODRIGUES, 2007). As Macrotensões, Tensões
Macroscópicas ou Tensões Residuais do Tipo I, apresentadas na figura 13, são homogêneas
no volume de vários grãos e causam deformações uniformes da rede cristalina na região em
que atuam (GUIMARAES, 1990). O material é considerado como sendo homogêneo numa
visão macroscópica. São medidas por métodos de dissecção do material e secção. Estas tensões
são causadas pelas interações mútuas de zonas de tamanhos macroscópicos do material. Elas
podem ser originadas pelos processos de manufatura e se superpõem às tensões externas
aplicadas no componente. A formação destas tensões é causada principalmente por fatores
externos, tais como efeitos de deformação plástica não uniforme no material durante os
processos de fabricação ou ainda gradientes de temperatura que causam expansões não
uniformes no material (NUNES, 2008).
As tensões residuais macroscópicas assumem um estado de equilíbrio e qualquer
alteração, como a retirada do material ou surgimento de uma nova superfície, exige que as
tensões se re-arranjem para que uma nova configuração de equilíbrio seja atingida. Tais
tensões são quantidades tensoriais, com magnitudes e direções principais que variam em
diferentes regiões do material. Um exemplo típico de tensões residuais macroscópicas é
encontrado em união por processo de soldagem de chapas finas (SUTERIO, 2005). Também
são exemplos de tensões residuais macroscópicas materiais deformados plasticamente de
maneira não uniforme, processos de laminação, gradientes térmicos e têmpera em aço.
Em geral é o tipo de tensão residual de maior interesse para a engenharia devido aos
seus efeitos sobre os materiais.
20
Figura 13- Tensões residuais do Tipo I (NUNES, 2008)
2.4.1.2. Microtensões ou Microscópicas
As Tensões Residuais Microscópicas, Microtensões ou Tensões Residuais do Tipo II
cobrem uma distância de um grão ou uma parte de grão, assim, a região de influência no
equilíbrio destas tensões se estende a um pequeno número de grãos. Estas tensões, ilustradas
pela figura 14, ocorrem pelo simples processo de orientação dos grãos, ou seja, pela não
homogeneidade da estrutura cristalina do material. Após a remoção das cargas, os grãos que
não escoam tendem a retornar a sua geometria inicial e os que sofreram escoamento tendem a
manter a sua deformação elástica permanente. Estas tensões resultam, ainda, da interação de
fases presentes no material ou ao balanço entre diferentes grãos, podendo ser detectadas
através da largura dos picos característicos no Raio-X (SILVA, 1999 citado por OGATA
2003; SUTERIO, 2005 e NUNES, 2008).
21
Figura 14- Tensões residuais do Tipo II (NUNES, 2008)
2.4.1.3. Submicroscópicas
Conhecidas também como Microtensões Localizadas ou Tensões Residuais do Tipo III,
as Tensões Residuais Submicroscópicas abrangem distâncias interatômicas, sendo
homogêneas em regiões bastante limitadas, menores que um grão ou dentro de uma pequena
porção de um grão. Ocorrem nos materiais metálicos sujeitos a processos que produzam
descontinuidades na rede cristalina, como vazios, impurezas, falhas de empilhamento, entre
outros (RODRIGUES, 2007). Estas imperfeições provocam pequenas flutuações no
espaçamento dos planos da rede cristalina do material próximas às discordâncias onde estão
presentes. Não são direcionais em nível macroscópico e não são mensuráveis, ou influem
diretamente no comportamento mecânico macroscópico (GUIMARAES, 1990 e OGATA,
2003). A figura 15 mostra as tensões submicroscópicas.
22
Figura 15- Tensões residuais do Tipo III (NUNES, 2008)
2.4.2. Efeito das Tensões Residuais
Na maioria dos casos, os efeitos das tensões residuais sobre os materiais são nocivos,
uma vez que, por sua superposição com as tensões de serviço ou cargas aplicadas, podem
causar deformações, acelerar transformações de fase e processos de corrosão. Nas situações
onde pequenas deformações estão envolvidas, como fadiga, corrosão sob tensão e trincas por
fragilização, as tensões residuais podem provocar fraturas (GUIMARAES, 1990 e SUTERIO,
2005).
O desempenho de carga estática em materiais frágeis pode melhorar significativamente
com o uso inteligente de tensões residuais. Exemplos comuns são o vidro temperado e o
concreto protendido (WITHERS E BHADESHIA, 2001).
De acordo com Andrino (2003), quando uma estrutura está submetida a um
carregamento adicional, além do limite de escoamento do material, as tensões residuais se
23
tornam desprezíveis. Com carregamentos inferiores ao limite de escoamento do material,
podem ocorrer fraturas frágeis ou corrosão sob tensão.
A partir do conhecimento dos seus efeitos sobre os materiais, o monitoramento das
tensões residuais tornou-se uma etapa indispensável na fabricação de alguns componentes.
Para isso, houve o desenvolvimento de instrumentos e técnicas de medição de tensões
residuais com o objetivo de atender às exigências dos laboratórios de pesquisa e da indústria.
2.4.3. Medição de Tensões Residuais
Withers e Bhadeshia (2001) fizeram uma análise dos tipos de tensões residuais e seus
efeitos nas estruturas mecânicas, e uma avaliação das técnicas de medição de tensões
residuais, comparando a escala de comprimento característica de cada uma. As tensões
residuais são mais difíceis de prever do que as tensões externas aplicadas. Por este motivo, é
de grande importância ter métodos confiáveis para a medição destas tensões.
As técnicas tradicionais de medição de tensões se baseiam na mudança de determinadas
propriedades antes e depois da aplicação de um carregamento. Como as tensões residuais são
o estado de tensões em um material, sem que nele sejam aplicadas forças externas, estas
técnicas não percebem as tensões residuais (SOARES, 2003).
Outra dificuldade para a medição de tensões residuais é o fato de que as tensões não são
diretamente medidas. O que é medido é a deformação elástica causada pelas microtensões e
macrotensões residuais. Os primeiros métodos utilizados na determinação qualitativa das
tensões residuais eram baseados no alívio das tensões pela realização de cortes, remoção de
camadas por meio de ataques químicos e pela medição do empenamento resultante no
material. Estes métodos ainda são usados hoje, mas já foram aperfeiçoados. Ainda assim,
existem algumas hipóteses para a medição de tensões residuais que continuam inalteradas.
Elas assumem que:
a) o material é isótropo;
b) as técnicas de medição não introduzem novas tensões residuais;
c) o campo de tensão é uniforme;
d) existe um estado plano de tensões no ponto de medição.
24
Vários métodos de medição da tensão residual podem ser usados e a escolha específica
de um método depende de vários fatores como, a natureza do campo da tensão residual, a
geometria e a região da parte analisada (profundidade, dimensão e forma da superfície), o
custo da medição e dos equipamentos necessários, o tempo disponível para a medição, a
incerteza requerida e a repetitividade do método, a extensão da região de interesse
(superficial, sub-superficial ou o volume total do material). Cada método possui um domínio
de aplicações bem definido e dependente do problema (OGATA, 2003 e PITELLA, 2003).
Em geral, as várias técnicas de medição de tensão residual podem ser classificadas
como métodos destrutivos, semi-destrutivos ou não-destrutivos.
Os métodos destrutivos e semi-destrutivos baseiam-se na alteração do estado de
equilíbrio das tensões residuais, medindo-se a relaxação da tensão através da deformação por
extensômetros. Com o alívio destas tensões no ponto ou na região de medição, a variação da
deformação é medida e, através de modelos matemáticos adequados, são determinadas as
tensões residuais originais. Nestes dois métodos são analisadas somente as tensões residuais
macroscópicas (ANDRINO, 2003 e SUTERIO, 2005). As técnicas destrutivas comprometem
ou impossibilitam o uso do componente medido, enquanto as técnicas semi-destrutivas
provocam danos no componente medido, mas não comprometem a sua integridade,
possibilitando seu uso após a medição das tensões residuais. De acordo com Lu (1996), dentre
os métodos destrutivos, os mais usados são:

Método da Remoção de Camadas (Deflexão) – são retiradas camadas do
material com ataque químico;

Método do Seccionamento – são feitos cortes parciais longitudinais ou
transversais ao longo do eixo de peças assimétricas;
Oettel (2000) diz que o método semi-destrutivo mais usado é o método do furo cego,
que é regido pela norma ASTM-E 837.
Os métodos não-destrutivos analisam as variações de parâmetros físicos ou parâmetros
cristalográficos que foram provocadas pelas tensões residuais em um material. Estes métodos
podem determinar todo tipo de tensões residuais, isoladas ou combinadas, mas não
conseguem distingui-las entre si. Conseguem analisar tensões residuais sem a necessidade de
25
remoção de material, não provocando nenhum tipo de dano ao componente analisado
(SUTERIO, 2005 e RODRIGUES, 2007).
Lu (1996) descreve os métodos não-destrutivos mais usados:

Método da Difração de Raios-X - analisa a distorção elástica linear do parâmetro
cristalino. Sabendo-se o valor da deformação, podemos calcular o valor da
tensão;

Difração de Nêutrons - é baseado na variação das distâncias entre planos
medidas com as tensões atuantes no componente. Os raios nêutrons penetram
profundamente no interior do material, possibilitando a análise de porções
maiores;

Método do Ultra-som - é baseado no fato que a velocidade de propagação das
ondas ultra-sônicas varia de forma aproximadamente linear com a tensão sob a
qual o material cristalino está submetido. Com uma amostra de um material sem
tensões residuais e suas características microestruturais (tamanho de grão,
forma, orientação e fases secundárias), pode-se fazer uma comparação com uma
amostra de um mesmo material com mesma composição química, com tensões
residuais;

Método Magnético (Barkhausen) - os materiais ferromagnéticos são constituídos
de regiões microscópicas magneticamente ordenadas conhecidas por domínios.
Cada domínio é magnetizado segundo direções cristalográficas preferenciais à
magnetização. Quando se aplica um campo magnético ou tensões mecânicas
nestes materiais, acontece um rearranjo na orientação magnética dos domínios.
Medindo-se a amplitude do ruído eletromagnético provocado pela magnetização
local destes materiais consegue-se medir as tensões residuais adicionadas;

Método da Indentação - consiste na aplicação de uma carga sobre a superfície da
peça que se pretende analisar através de uma ponta cônica, esférica ou piramidal.
A pressão exercida pela ponta do indentador induz novas tensões provocando
uma alteração plástica localizada na superfície do material. Com esta
perturbação, há uma alteração do campo de deslocamento em torno da
indentação, sendo possível correlacioná-lo com as tensões residuais existentes.
26
A seguir, os métodos da Difração de Raios-X e Indentação serão tratados mais
detalhadamente, por se tratarem dos métodos não destrutivos mais utilizados para medição de
tensões residuais.
2.4.4. Medição de Tensões Residuais pelo Método da Difração de Raios-X
O uso de difratometria por raios-X iniciou-se por volta do final do século XIX, com a
descoberta de Max von Laue (SOUZA e BITTENCOURT, 2008). A partir daí, foi possível
conhecer melhor a estrutura dos materiais e as relações entre essa estrutura e suas
propriedades. Com a difratometria de raios-X pode-se fazer atualmente a análise quantitativa
de fases amorfas e cristalinas, análise de tensão residual, análise de filmes finos, análise de
reflexão e textura, além de estudos de transformação de fase, reação cinética e comportamento
da tensão em temperatura com auxílio de acessórios de alta temperatura (GOLDSMITH et al.,
2000, citado por SILVA, 2007).
De acordo com Ruud (2002), considerando que os metais são compostos de átomos
dispostos em uma matriz tridimensional regular para formar um cristal, estes átomos formam
pequenos cristais ou grãos, que se orientam aleatoriamente em relação ao arranjo cristalino do
metal. Quando um metal policristalino é colocado sob tensão, externa ou residual, as tensões
elásticas são produzidas na rede cristalina dos pequenos cristais, gerando modificações nas
distâncias entre os átomos. É esta modificação que a difração de raios-X pode medir.
O método de medição de tensões residuais por difração de raios-x analisa o
espaçamento entre os planos de materiais cristalinos. As tensões residuais causam uma
modificação nesse espaçamento, que é uniforme. Medindo-se essa deformação relativa à
superfície da amostra, em duas orientações diferentes e conhecidas, consegue-se calcular a
tensão residual da amostra pela proporção entre a deformação no regime elástico e a tensão
(PITELLA e ANDRINO, 2003).
Em um difrator de raios-X, o feixe de raios-X é gerado por uma fonte, passa por um
colimador para direcionar e limitar este feixe de acordo com as especificações, e incide sobre
a amostra a ser analisada (GUIMARÃES, 1990). Uma parte dos raios-X é absorvida pelos
átomos enquanto outra parte é enviada de volta em todas as direções da área irradiada. No
caso dos raios-X que incidem sobre um corpo cristalino, ao contrário dos corpos de
substâncias amorfas, a dispersão ou espalhamento devido a cada átomo é reforçada em certas
direções específicas com variação angular muito pequena. Esse é o fenômeno denominado
27
difração. O ângulo formado pela direção de incidência dos raios-X e o ângulo do raio
difratado é designado como 2θ, sendo a metade deste ângulo o ângulo de BRAGG (PREVÉY,
1986).
Mais precisamente, as condições de difração são expressas pela equação de Bragg:
(2)
onde n é um número inteiro que indica o ordem de difração;
λ é o comprimento de onda de raios-X;
d é o espaçamento entre os planos cristalinos e
θ é o ângulo de difração.
A figura 16 exemplifica a equação de Bragg.
Figura 16- Espalhamento e difração de raios-X em um arranjo cristalino (NUNES,
2008)
28
Qualquer mudança no espaçamento entre os planos cristalinos resulta em uma mudança
correspondente no ângulo de difração. Se for aplicada uma tensão de tração na amostra, o
espaçamento entre os planos cristalinos será reduzido na proporção do coeficiente de Poisson
e o ângulo de difração irá aumentar. Se a amostra for rotacionada através de um ângulo ψ
conhecido, as tensões trativas presentes na superfície da amostra irão aumentar o espaçamento
entre os átomos acima do estado livre de tensões e assim haverá uma diminuição no ângulo de
difração. Medindo-se a mudança em relação à posição angular do pico de difração em pelo
menos duas orientações da amostra definida pelo ângulo ψ, pode-se calcular as tensões na
superfície da amostra (PREVÉY, 1986).
A figura 17 mostra os princípios da medição de tensões residuais pela difração de raiosX. Em a), a amostra tem o ângulo ψ = 0. Em b), a amostra tem o ângulo ψ = ψ . D é o detector
de raio-x, S é a fonte de raios-X, N é perpendicular à superfície e d0 é o espaçamento entre os
planos cristalinos para um material livre de tensões residuais.
Figura 17- Princípios da medição de tensões residuais pela difração de raios-X
(NUNES, 2008)
De acordo com a Teoria da Elasticidade, a tensão em uma determinada direção está
relacionada com a deformação na mesma direção através do módulo de elasticidade segundo a
Lei de Hooke (TIMOSHENKO e GOODIER, 1951):
29
(3)
Onde:
σx = tensão em uma dada direção
E = módulo de elasticidade
εx = deformação linear
Quando uma força de tração é aplicada em um material em uma direção x, não ocorre
apenas uma deformação linear (εx) na direção da força de tração, mas também ocorre
deformação transversal e longitudinal. A razão entre a deformação transversal e a longitudinal
é denominada Coeficiente de Poisson (ν).
(4)
Considerando um corpo em um sistema triaxial de tensões (σ1, σ2, σ3), a deformação em
qualquer uma das três direções principais (ε1, ε2, ε3) se deve à tensão que atua ao longo do
eixo escolhido, somada às deformações causadas pelo Coeficiente de Poisson na tensão
principal atuando ao longo dos outros eixos.
[
]
[
]
[
]
(5)
De acordo com Pitella (2003), no caso de deformação plana, com as tensões σ1 e σ2
paralelas à superfície e σ3 nula, teremos:
(6)
30
A figura 18 mostra um elipsóide de tensões deformações. Nele, a deformação εϕψ pode
ser expressa em função das deformações principais, como:
(7)
Figura 18- Elipsóide de tensões deformações (GUIMARÃES, 1990)
A medição de tensões residuais por difração de raio-X é feita apenas na superfície da
amostra. Para isto, assume-se que existe um estado plano de tensões na superfície da amostra,
então a distribuição de tensões é descrita por σ1 e σ2, e σ3 é igual a zero na superfície da
amostra. Mas existe um componente de deformação ε3 perpendicular à superfície, devido ao
coeficiente de Poisson e causada pelas duas tensões principais. A figura 19, a seguir, mostra o
modelo de tensões elástico planas, onde dϕψ representa o espaçamento entre os planos
cristalinos na direção definida pelos ângulos ϕ e ψ; ϕ é o ângulo entre um dos eixos principais
de tensão e a projeção da direção da deformação medida sobre a superfície da amostra; ψ é o
ângulo entre a direção normal à superfície e a direção da medida; dϕ0 é o espaçamento entre os
planos cristalinos para um material livre de tensões residuais na direção definida pelo ângulo
ϕ e εϕψ é a tensão na direção definida pelos ângulos ϕ e ψ. (PREVÉY, 1986 e RAJ et al.,
2009).
31
Figura 19- Modelo de tensões elástico planas (NUNES, 2008)
De acordo com Prevéy (1986), a deformação, εϕψ na direção definida pelos ângulos ϕ e
ψ é:
ϕ
*
+
*
+
(8)
E é o módulo de elasticidade e ν é o coeficiente de Poisson.
Substituindo α1 e α2 na equação (8) por:
(9)
Teremos:
*
+
*
+
(10)
Se considerarmos o ângulo ψ como 90º, o vetor deformação ficará na superfície da
amostra, e a componente de tensão na superfície da amostra será:
(11)
32
Substituindo (11) na equação (10):
*
+
*( )
+
(12)
A equação acima relaciona a tensão na superfície da amostra, na direção definida pelo
ângulo ψ, a deformação ε, na direção (ϕ, ψ) e as tensões principais na superfície. Se d ϕψ é o
espaçamento entre os planos cristalinos medido no sentido definido por ϕ e ψ, a deformação
pode ser expressa em termos de mudanças nas dimensões lineares de da rede cristalina.
(13)
Substituindo (13) em (12), as constantes elásticas (
) e ( ) serão os valores
cristalográficos para a direção normal aos planos da rede em que a deformação é medida,
como especificado pelos índices de Miller, pois nos cristais isolados a deformação pode ser
diferente.
[(
)
]
[( )
]
(14)
Fazendo dϕψ para qualquer orientação, teremos:
[(
)
Para
]
[( )
]
(15)
= 0, então:
( )
[
( )
]
(16)
Determinando o coeficiente angular, temos:
(
)
(17)
Resolvendo a equação (15) para a tensão σϕ :
(
)
(
)
(18)
33
De acordo com Nunes (2008), como dϕ0 não difere de d0 em mais de 1%, a equação (18)
pode ser escrita da seguinte forma:
(
)
(
)
(19)
A equaçao (19) faz com que a medição de tensões residuais por difração de raios-X
torne-se um método diferencial, não precisando de nenhuma amostra livre de tensões
residuais para se determinar o estado biaxil de tensões residuais na superfície de uma amostra.
Como o corpo, no estudo de trabalho, não está carregado, Neves (2003) diz que a tensão
residual será a relação entre a tensão residual e a deformação produzida no plano
perpendicular, devido ao efeito do Coeficiente de Poisson:
(20)
2.4.5. Método de Medição de Tensões Residuais por Indentação
Segundo Callister (2007), a dureza é uma propriedade mecânica do material, que está
relacionada à facilidade ou dificuldade de deformação plástica localizada, ou seja, é a
resistência que o material oferece à pequenas impressões ou riscos. A técnica da indentação é
um método não destrutivo que consiste na aplicação de uma carga sobre a superfície do
material a ser analisado através de um penetrador rígido. Esse penetrador é padronizado, pode
ser esférico, cônico ou piramidal e é semelhante aos usados em ensaios de dureza. A pressão
feita pelo penetrador causa um re-equilíbrio no estado de tensão do corpo o que provoca um
campo de deslocamentos ao redor da indentação. O campo de deformações locais decorrentes
da indentação é função da forma da ferramenta de indentação, das propriedades do material,
da carga de indentação e da magnitude e direção das tensões residuais inicialmente presentes
no material (SUTERIO et al., 2002). Assim com técnicas apropriadas de medição de
deslocamentos e deformações, é possível estabelecer uma relação entre a quantidade de
tensões residuais presentes no material e (SUTERIO, 2005):

medição da variação da sua dureza;

medição da relação entre força e profundidade de indentação;

medição da forma geométrica de indentação;

medição da deformação ao redor da indentação.
34
O ensaio de dureza é um dos ensaios mecânicos mais utilizados, pois apresenta
vantagens interessantes sobre os demais. Dentre elas, está sua simplicidade e custo, pois os
corpos de prova não precisam de preparação complexa (no máximo lixar e polir). Além do
mais, o ensaio é considerado não destrutivo, pois não há deformação, e tampouco fratura da
amostra. Por último, é um ensaio que pode gerar outras informações tais como módulo de
elasticidade e limite de resistência (MANEIRO e RODRÍGUEZ, 2006).
O desenvolvimento de novos materiais e a crescente aplicação de revestimentos de fina
espessura fazem com que os ensaios de dureza convencionais não possam ser utilizados. As
cargas máximas aplicáveis e as dimensões reduzidas limitam as cargas máximas aplicáveis e,
consequentemente, reduzem as dimensões das indentações. Estas restrições motivaram o
desenvolvimento de técnicas e equipamentos de medição de dureza nos últimos anos. Os
ensaios de ultramicrodureza surgiram, combinando o emprego de baixas cargas (abaixo de 2
Newtons) e profundidades pequenas. A área de contato do indentador com a superfície do
material a ser ensaiado é calculada pelo deslocamento da ponteira, que é continuamente
registrado durante a aplicação de carga, demonstrada pela figura 20 (ANTUNES, 2006).
Figura 20- Contato entre indentador e material (ANTUNES, 2006)
Na utilização de ensaios de ultramicrodureza para medição de tensões residuais, esperase que um material deformado a frio, submetido a um ensaio de dureza superficial, apresente
um resultado diferente do resultado do mesmo ensaio em um material não deformado. Se a
natureza das tensões residuais na superfície forem trativas, o ensaio apresentará um valor
menor para a dureza superficial em relação ao material não deformado, havendo uma
penetração maior do indentador com uma aplicação menor de carga. Caso contrário, sendo
compressivas as tensões residuais na superfície, a penetração será mais difícil e o resultado do
35
ensaio apresentará valores maiores (BOCCIARELLI e MAIER, 2006). A figura 21 apresenta
o esquema de um ensaio de indentação com indentador piramidal.
Figura 21- Esquema de ensaio de indentação com indentador piramidal (CIMM, 2011)
A medição de tensões residuais é feita pela comparação entre um material com tensões
residuais e outro com a mesma composição, livre de tensões. Através da relação entre a força
e a profundidade de indentaçao temos (SUTERIO, 2005):
(21)
Onde:
σres são as tensões residuais do material;
α é a constante característica do indentador e do material;
Pres é a carga residual de indentação do material com tensões residuais menos
a carga do material livre de tensões residuais (Pc – Po ou Pt – Po);
36
A0 é a área projetada da indentação.
A carga residual de indentação é calculada pelo gráfico da força X profundidade de
indentação, que é apresentado na figura 22, a seguir.
Figura 22- Gráfico entre força de indentação e profundidade de indentação (SUTERIO,
2005)
O método da indentação possui as vantagens de se poder medir a influência do tamanho
da indentação na determinação da dureza, analisar variação de dureza ao longo do perfil e
avaliar a dureza em filmes finos de materiais através da análise da tensão elasto-plástica em
testes de microindentação, mas não pode ser usado para medir tensões residuais em materiais
que apresentam gradientes ou variações de tensões na sua superfície (SUTERIO, 2005).
2.5. Alumínio Comercialmente Puro
Segundo Fink (1936), o Alumínio é um material, que devido á combinação de suas
propriedades físicas e químicas vem sendo utilizado nas indústrias e está em constante
expansão. Possui estrutura cristalina cúbica de face centrada, número de coordenação igual a
12 e fator de empacotamento atômico igual a 0,74.
37
Considerado o terceiro elemento mais abundante da crosta terrestre, possui as vantagens
de ser resistente à corrosão, ter alta condutibilidade térmica, baixo peso específico, grande
ductilidade, não deixar passar luz, oxigênio, odor e umidade e ainda pode ser reciclado com
facilidade. O alumínio é amplamente utilizado no mundo moderno devido ao seu excelente
desempenho e às propriedades superiores na maioria das aplicações, pois suas técnicas de
fabricação permitem a manufaturação do produto acabado a preços competitivos no mercado.
Estas características tornam o Alumínio o metal não ferroso mais consumido no mundo.
Dentre as indústrias consumidoras de alumínio, estão as fabricantes de tubos, que são
utilizados em estruturas espaciais permitindo a cobertura de grandes vãos com o mínimo de
apoios, além de tubulações para irrigação e trocadores de calor (ABAL, 2007).
38
CAPÍTULO 3
MATERIAIS E MÉTODOS
Neste capítulo são apresentados os materiais e métodos utilizados na pesquisa a fim de
determinar qualitativamente tensões residuais introduzidas no processo de extrusão a quente
de tubos. O estudo foi realizado utilizando alumínio comercialmente puro. Deste, foram
confeccionados corpos de prova. O procedimento adotado na preparação da ferramenta para a
extrusão dos corpos de prova e geração dos tubos, até a condução dos ensaios de microdureza
serão descritos.
3.1. Ferramenta Para Extrusão
Para a extrusão dos corpos de prova, foi confeccionada uma ferramenta composta por 8
peças no Laboratório de Usinagem da UFSJ. O material utilizado foi o aço 1045.
As figuras 23, 24, 25 e 26, a seguir, mostram de forma detalhada as peças que compõem a
ferramenta de extrusão confeccionada.
Figura 23- Base inferior e punção piramidal
Figura 24- Container inferior e container superior
39
Figura 25- Suporte superior da matriz e matriz
Figura 26- Base superior e pistão
Foi feito tratamento térmico de têmpera nas peças da ferramenta de acordo com a GGD
Metals (2011), em um forno de mufla, da marca JUNG, com temperatura inicial de 450 graus
Celsius. Após estabilização marcou-se o tempo de 30 minutos. A temperatura foi elevada,
então, para 950 graus Celsius e após estabilização, as peças da ferramenta permaneceram no
forno por 1 hora. Para evitar a formação de carepa, as peças foram introduzidas no forno
dentro de uma caixa de grafite. Ao serem retiradas do forno, as peças foram imersas em óleo
de têmpera para resfriamento ao invés de água, para se evitar trincas. Após chegarem à
temperatura ambiente, as peças foram introduzidas novamente no forno, dentro da caixa de
grafite, à temperatura de 400 graus Celsius. Após estabilização, marcou-se o tempo de 30
minutos. As peças foram retiradas logo após o tempo marcado e foram resfriadas no ar,
concluindo o processo de revenimento de acordo com a GGD Metals (2011), para alívio de
tensões.
40
Figura 27- À esquerda, foto do forno de mufla utilizado para tratamento térmico, ao
centro, foto da ferramenta montada e à direita, detalhe da base com o punção.
Figura 28- Ordem de montagem das peças da ferramenta de extrusão
Foram confeccionados também além das 8 peças, mais um punção cônico, para extrusão
de tubos de 3,5mm de espessura, e dois punções com ponta redonda para extrusão de tubos de
2,5mm e 3,5mm de espessura, além de mais duas matrizes com ângulos de 24 e 30 graus.
Figura 29- Matrizes e punções
41
3.2. Confecção dos Corpos de Prova
Na preparação dos corpos de prova, foram utilizadas chapas de alumínio comercialmente
puro. As chapas foram cortadas em pequenos pedaços e colocadas em um cadinho de grafite.
Em seguida foram aquecidas em forno de mufla na temperatura de 700 graus Celsius até
estabilização. Após a fundição, o alumínio foi despejado em moldes de areia. Os moldes
foram feitos em uma caixa com areia de fundição previamente peneirada, umedecida e
compactada. Como modelo para construção dos moldes, foram usados bastões de metal de 25
mm de diâmetro, retirados logo após a compactação da areia. Depois de resfriados, os tarugos
foram retirados da areia, limpos e desbastados. Dos tarugos foram preparados corpos de
prova com dimensões de 20mm de diâmetro por 5mm de altura. Foi feito um furo de centro
em cada corpo de prova para direcionar a conformação, como é mostrado na figura 30.
Figura 30- Fotos dos corpos de prova
3.3. Procedimentos Experimentais
Para extrusão, a ferramenta foi montada e um corpo de prova colocado no seu interior.
Como lubrificante, foi utilizado grafite em pó (textura de talco), colocado por cima do corpo
de prova, até preencher toda a ferramenta, apresentado na figura 31.
Figura 31- À esquerda, interior da ferramenta montada, e à direita, grafite em pó
42
Depois de o grafite ser compactado com o próprio pistão da ferramenta, esta foi levada
para o forno, e permaneceu 10 minutos no seu interior, após a estabilização da temperatura.
Em seguida, foi retirada e levada à Prensa Hidráulica da marca CONEMAG. Nela o corpo de
prova foi prensado, como mostrado na figura 32, e retirado logo em seguida, desmontando-se
a ferramenta.
Figura 32- Extrusão dos tubos com prensa hidráulica
Foram feitas extrusões nas temperaturas de 400, 450 e 500 graus Celsius. A velocidade
da prensa foi a mesma em todos os ensaios. Variou-se o ângulo da matriz de extrusão, com
15, 24 e 30 graus, e a espessura dos tubos, com 2,5 e 3,5 mm. O punção utilizado para
extrusão na ferramenta foi de dois tipos: cônico e redondo. No total, foram extrudados 39
corpos de prova, 36 com os punções cônicos e 3 com o punção redondo.
A cada dois corpos de prova extrudados, as matrizes e os punções foram lixados, para
remover resíduos de alumínio, como mostrado na figura 33, a seguir.
Figura 33- Resíduos retirados após a extrusão dos corpos de prova, punção cônico (à
esquerda), e punção redondo (à direita)
43
Figura 34- À esquerda, foto do tubo na ferramenta desmontada após extrusão, e à
direita, detalhe do tubo aderido ao punção redondo
Inicialmente, o alumínio utilizado foi o ASTM 6351–T6, que tem como principais
elementos de liga o silício e o magnésio. A combinação destes dois elementos reduz o ponto
de fusão e aumenta a fluidez da liga, conseguindo também maior resistência mecânica aliada
à resistência à corrosão (BUZINELLI, 2000). A adição de manganês proporciona aumento de
resistência mecânica, causando uma redução ligeira na ductilidade (MARTINS e PADILHA,
2006). São largamente utilizadas em produtos extrudados como tubos e perfis (LIMA, 2002).
A composição química do Alumínio ASTM 6351-T6 é apresentada na Tabela 3, a
seguir.
Tabela 3- Composição química do Alumínio ASTM 6351-T6 (ABNT/CB-35 Alumínio)
Outros Elementos
Si
Fe
0,7 - 1,3
0,50
Cu
0,10
Mn
0,4 - 0,8
Mg
0,4 - 0,8
Cr
-
Zn
0,20
Ti
0,20
Al
Cada
Total
0,05
0,15
Restante
Entretanto, devido à dificuldades nos ensaios preliminares com matriz com ângulo de
10 graus, e temperatura de extrusão de 350 a 550 graus Celsius, este foi substituído por
alumínio comercialmente puro, mais maleável.
44
Figura 35- Fotos dos corpos de prova após tentativas de extrusão com alumínio ASTM
6351-T6
Após a extrusão, para que fosse possível realizar os ensaios de microdureza
instrumentada, os tubos foram seccionados em relação ao seu eixo de simetria longitudinal,
como mostra a figura 36. Foi cortada uma amostra da parede de cada tubo. Para o corte foi
utilizado um policorte da marca Mesotom, com refrigeração por meio de fluido de corte
apresentado na figura 37. O corte foi lento, constante e com muita refrigeração para não
introduzir tensões residuais indesejadas ao longo no corpo de prova. O procedimento foi
realizado da mesma forma para todas as amostras.
Figura 36- Tubo seccionado longitudinalmente
Figura 37- Policorte Mesotom
45
As amostras foram embutidas a quente em baquelite em uma máquina de embutir
TEMPOPRESS e polidas com lixas de granulometria que variaram de 240, 320, 400, 600,
800, 1000 a 1200 mesh em uma máquina politriz PANAMBRA DP-9ª, com fluxo de água
contínuo, segundo a norma ASTM E 3 – 01.
Em seguida, as amostras foram polidas com feltro e pasta de alumina 3 µm.
Figura 38- Máquina de embutir e Politriz
Imediatamente após o polimento, para se evitar a oxidação das amostras, foram feitos
ensaios de microdureza instrumentada Vickers, de acordo com a norma ABNT NBR 6672.
Nesses ensaios um penetrador de diamante, muito pequeno, com geometria piramidal, é
forçado contra a superfície do corpo de prova. A impressão resultante é observada sob um
microscópio e medida; essa medição é então convertida em um número de índice de dureza.
Foi utilizado um ultra micro durômetro SHIMADZU, modelo DUH-211S (Dynamic Ultra
Micro Hardness Tester) alocado no Laboratório de Microcospia da Universidade Federal de
São João Del-Rei, A figura 37 apresenta o equipamento. Os parâmetros utilizados foram:
a) força média de 500 mN;
b) força mínima de 1,96 mN;
c) velocidade de carregamento de 1,0 mN/seg;
d) coeficiente de Poisson do punção piramidal de base quadrada igual 0,070.
46
Figura 39- Ultra Micro Durômetro
Figura 40- Amostras embutidas em baquelite
Foram feitas 8 indentações em cada amostra, sendo 4 na parede interna e 4 na parede
externa dos tubos.
47
Figura 41- Detalhe da indentação
As medidas de microdureza encontradas foram comparadas com os resultados de
microdureza do material virgem.
Como variáveis de controle, foram adotados:
a) superfície de análise;
b) ângulo da matriz;
c) espessura da parede do tubo;
d) temperatura de extrusão.
A variável de resposta foi a dureza medida nas bordas internas e externas das paredes
dos tubos.
3.4. Planejamento Estatístico
Para avaliar se houve indução de tensões residuais no processo de extrusão dos tubos,
foi realizado um planejamento estatístico fatorial aleatorizado por níveis, em que:

A é a superfície de análise em dois níveis (interna e externa);

B é o ângulo da matriz em três níveis (15º, 24º e 30º);

C é a espessura da parede do tubo em dois níveis (2,5mm, e 3,5 mm);

D é a temperatura de extrusão em três níveis (400º C, 450º C e 500º C).
48
CAPÍTULO 4
RESULTADOS E DISCUSSÃO
A seguir são apresentados os resultados e discussões dos experimentos e ensaios realizados.
Através de análises experimentais, estatísticas e conceituais, serão discutidos os resultados.
4.1. Ensaios de Micro Dureza
Nesta seção são apresentados os resultados dos ensaios de Micro Dureza Instrumentada
Vickers.
O equipamento para medição de ultra micro dureza utilizado, fornece algumas
informações importantes tais como: curva de dureza (força x deslocamento), força máxima,
profundidade máxima, número de análises, média dos valores obtidos, dentre outros. Dessa
forma é gerado um arquivo que compõe todos estas informações.
Podem ser obtidos resultados de duas formas: a primeira através de uma leitura direta
no equipamento e, a segunda, utilizando cálculos disponíveis na literatura, como foi citado na
seção 2.4.5 do Capítulo 2. Nesta pesquisa, optou-se pela maneira direta.
Os resultados diretos mostram os parâmetros do ensaio, a força máxima de indentação,
a profundidade máxima e a dureza medida para cada sequência de indentação. A seguir,
encontra-se um dos resultados obtidos pela forma direta.
Figura 42- Resultado direto de dureza obtido para a amostra 2, do corpo de prova
extrudado a 400 º C, matriz de 15 graus e espessura do tubo de 2,5 mm
49
Os resultados de dureza medidos para todos os corpos de prova ensaiados são
apresentados na Tabela 4 a seguir.
Tabela 4- Resultados dos ensaios de ultra micro dureza
Temperatura 400º C
2,5mm
3,5mm
Superfície de Análise
Ângulo da
Matriz
15 graus
24 graus
30 graus
Ângulo da
Matriz
15 graus
24 graus
30 graus
Interna
45,3
54,2
47,8
48,2
51,7
52,8
55,5
46,4
21,8
36,8
23,4
36,5
Externa Interna Externa
67,9
46,2
71,3
63,9
56,2
54,4
69,3
54,7
57,9
68,1
57,4
62,3
76,6
49,9
66,2
81,6
52,3
66,5
79,5
48,9
62,2
73,9
47,4
60,9
43,7
60,4
71,9
49,7
62,4
73,9
27,9
53,7
64,7
48,6
62,7
55,7
Temperatura 450º C
2,5mm
3,5mm
Superfície de Análise
Interna
48,0
59,2
60,8
61,0
44,4
46,5
49,2
53,1
40,5
57,3
67,4
58,2
Externa
61,3
63,0
70,6
65,0
66,2
73,5
72,8
72,0
63,3
67,6
64,1
64,3
Interna
56,9
60,6
63,4
64,7
53,4
67,4
56,6
53,8
67,4
64,6
49,2
58,6
Externa
61,9
64,0
56,5
57,6
52,4
58,8
60,5
60,7
70,5
74,5
64,5
59,6
50
Temperatura 500º C
2,5
3,5
Superfície de Análise
Ângulo da
Matriz
15 graus
24 graus
30 graus
Interna
54,5
58,6
47,2
42,0
37,2
47,2
51,7
54,2
62,9
71,5
75,4
78,9
Externa
61,6
60,5
51,9
49,0
60,7
61,8
67,2
76,0
63,3
68,2
66,0
65,2
Interna
47,8
51,4
41,4
36,9
41,9
45,1
36,3
32,4
61,3
62,6
64,8
64,5
Externa
57,7
56,7
48,6
45,9
54,0
53,1
45,5
42,9
64,3
64,5
63,7
53,5
O material virgem apresentou ultra micro dureza Vickers de 34 HV. Segundo Bocciarelli
e Maier (2007), espera-se que um material deformado, submetido a um ensaio de dureza
superficial, apresente um resultado diferente do resultado do mesmo ensaio em um material
não deformado. Quando há tensões residuais trativas na superfície de um material, os ensaios
de dureza apresentam valores menores de dureza comparados com o material virgem, caso
contrário, as tensões residuais são compressivas, pois o indentador precisará de mais força
para penetrar a amostra.
Com o aumento da dureza, há também o aumento da tensão residual. Os resultados
mostraram indução de tensão residual nas paredes dos tubos, de natureza compressiva. A
análise de variância na Tabela 5 mostra, com uma confiança de 95%, se houve influência da
superfície de análise, ângulo da matriz, espessura dos tubos e temperatura de extrusão.
Na análise feita, SST é a soma dos quadrados de todas as medidas, SSA é a soma dos
quadrados das medidas para cada superfície de indentação, SSB é a soma dos quadrados das
medidas para cada ângulo de matriz de extrusão, SSC é a soma dos quadrados das medidas para
cada espessura de tubo extrudado, SSD é a soma dos quadrados das medidas para cada
temperatura de extrusão. O restante é a soma dos quadrados das interações. SSERRO é o erro
embutido em toda a soma, GL é o grau de liberdade para cada variável. Ftab é dado na Tabela de
Distribuição de Fisher, de acordo com a confiança e os graus de liberdade da variável e do erro.
51
Tabela 5- Análise de Variância
T
A
B
C
D
AB
AC
AD
BC
BD
CD
ABC
ABD
BCD
ABCD
ERRO
SS
17.218,56
3.453,94
164,24
4,98
546,11
1.032,96
311,80
385,65
1.088,43
2.919,06
818,84
148,07
476,26
1.708,18
457,40
3.702,64
GL
MÉDIA
143,00
1,00 3.453,94
2,00
82,12
1,00
4,98
2,00 273,05
2,00 516,48
1,00 311,80
2,00 192,82
2,00 544,21
4,00 729,77
2,00 409,42
2,00
74,04
4,00 119,07
4,00 427,04
4,00 114,35
110,00
33,66
Fcalc
102,61
2,44
0,15
8,11
15,34
9,26
5,73
16,17
21,68
12,16
2,20
3,54
12,69
3,40
1,00
Ftab
3,93
3,08
3,93
3,08
3,08
3,93
3,08
3,08
2,45
3,08
3,08
2,45
2,45
2,45
Influencia
Não influencia
Não influencia
Influencia
Influencia
Influencia
Influencia
Influencia
Influencia
Influencia
Não influencia
Influencia
Influencia
Influencia
As variáveis de controle que tiveram influência na indução de tensões residuais nas
paredes dos tubos extrudados foram superfície de análise e a temperatura de extrusão.
Também foi feita uma análise de variância para uma comparação entre os tipos de
punção utilizados na extrusão. A seguir, encontram-se os resultados de dureza para os dois
tipos de punção, redondo e cônico, nas mesmas condições de temperatura de extrusão e
espessura de tubo na Tabela 6.
Tabela 6- Resultados de dureza para os punções redondo e cônico, nas mesmas condições
Punção Redondo
Superfície de
Superfície de
Superfície de
Ângulo
Ângulo
da
Ângulo
da
Análise
Análise
Análise
da
Matriz
Matriz
Matriz Interna Externa
Interna Externa
Interna Externa
62,31
46,11
62,31 79,45
53,15 66,69
45,68
42,67
78,25 87,52
49,87 76,93
15
24
30
56,11
39,36
56,11 72,04
66,42 48,66
67,70
39,58
67,70 54,41
89,68 84,98
Punção Cônico
Superfície
de
Superfície de
Superfície de
Ângulo
Ângulo
da
Ângulo
da
Análise
Análise
Análise
da
Matriz
Matriz
Matriz Interna Externa
Interna Externa
Interna Externa
47,96 61,29
44,38
66,19
40,53 63,33
59,15 62,98
46,53
73,52
57,31 67,59
15
24
30
60,80 70,62
49,23
72,83
67,44 64,11
60,96 64,96
53,07
71,95
58,21 64,35
52
As variáveis de controle foram:

A, o tipo de punção em dois níveis, cônico e redondo;

B, a superfície de análise, em dois níveis, interna e externa;

C, o ângulo da matriz de extrusão em três níveis, 15, 24 e 30 graus.
A temperatura de extrusão foi de 450 graus Celsius, e a espessura do tubo foi de 2,5mm
para todas as indentações. A tabela 7 apresenta a análise de variância para os dois tipos de
punção.
Tabela 7- Análise de variância para os tipos de punção
SS
7.380,92
T
41,10
A
415,59
B
814,84
C
638,33
AB
1.035,89
AC
740,36
BC
188,14
ABC
ERRO 3.506,66
GL
47,00
1,00
1,00
2,00
1,00
2,00
2,00
2,00
36,00
MÉDIA
Fcalc
Ftab
41,10
415,59
407,42
638,33
517,95
370,18
94,07
97,41
0,42
4,27
4,18
6,55
5,32
3,80
0,97
4,11
4,11
3,26
4,11
3,26
3,26
3,26
Não Influencia
Influencia
Influencia
Influencia
Influencia
Influencia
Não Influencia
Além destas duas análises, também foi feita outra para verificar a influência do ângulo
da matriz de extrusão em relação à superfície de análise para cada punção, na temperatura de
450 graus Celsius e com tubos de espessura de 2,5 mm.

A é a superfície de análise, em dois níveis, interna e externa;

B é o ângulo da matriz de extrusão, em 3 níveis, 15, 24 e 30 graus.
As Tabelas 8 e 9, a seguir, mostram a análise de variância para os punções redondo e
cônico, respectivamente.
Tabela 8- Análise de variância para o punção redondo
T
A
B
AB
ERRO
SS
5.381,01
11,90
1.843,15
648,12
2.877,83
GL
23,00
1,00
2,00
2,00
18,00
MÉDIA
Fcalc
Ftab
11,90
921,58
324,06
159,88
0,07
5,76
2,03
4,41
3,55
3,55
Não influencia
Influencia
Não influencia
53
Tabela 9- Análise de variância para o punção cônico
SS
1.958,81
1.042,02
7,58
280,38
628,83
T
A
B
AB
ERRO
GL
23,00
1,00
2,00
2,00
18,00
MÉDIA
Fcalc
Ftab
1.042,02
3,79
140,19
34,93
6,52
0,02
0,88
4,41
3,55
3,55
Influencia
Não influencia
Não influencia
Na extrusão dos tubos com punção redondo, a única variável que teve influência na
indução de tensões residuais foi o ângulo da matriz de extrusão, já na extrusão de tubos com
punção cônico, a superfície de análise teve influência na indução de tensões residuais,
enquanto o ângulo da matriz não influenciou a indução de tensões residuais.
4.1.1. Superfície de Análise
As superfícies interna e externa das paredes dos tubos exerceram influência na indução
de tensão residual. Como é observado nas figuras 43, 44, 45, 46, 47 e 48, a seguir, a dureza
nas paredes internas foi menor que nas paredes externas.
Variação de Dureza Média na Temperatura de 400° C e
espessura 2,5 mm
Dureza (HV)
80
60
Interna
40
Externa
20
0
15
24
30
Ângulo da Matriz de Extrusão (graus)
Figura 43- Gráfico de dureza média, paredes externas x paredes internas, temperatura de
400° e espessura de tubo de 2,5 mm
54
Variação de Dureza Média na Temperatura de 450° C e
espessura 2,5 mm
Dureza (HV)
80
60
Interna
40
Externa
20
0
15
24
30
Ângulo da Matriz de Extrusão (graus)
Figura 44- Gráfico de dureza média, paredes externas x paredes internas, temperatura de
450° e espessura de tubo de 2,5 mm
Variação de Dureza Média na Temperatura de 500° C e
espessura 2,5 mm
Dureza (HV)
80
60
Interna
40
Externa
20
0
15
24
30
Ângulo da Matriz de Extrusão (graus)
Figura 45- Gráfico de dureza média, paredes externas x paredes internas, temperatura de
500° e espessura de tubo de 2,5 mm
55
Variação de Dureza Média na Temperatura de 400° C e
espessura 3,5 mm
Dureza (HV)
80
60
40
Interna
20
Externa
0
15
24
30
Ângulo da Matriz de Extrusão (graus)
Figura 46- Gráfico de dureza média, paredes externas x paredes internas, temperatura de
400° e espessura de tubo de 3,5 mm
Variação de Dureza Média na Temperatura de 450° C e
espessura 3,5 mm
Dureza (HV)
80
60
40
Interna
20
Externa
0
15
24
30
Ângulo da Matriz de Extrusão (graus)
Figura 47- Gráfico de dureza média, paredes externas x paredes internas, temperatura de
450° e espessura de tubo de 3,5 mm
56
Variação de Dureza Média na Temperatura de 500° C e
espessura 3,5 mm
Dureza (HV)
80
60
40
Interna
20
Externa
0
15
24
30
Ângulo da Matriz de Extrusão (graus)
Figura 48- Gráfico de dureza média, paredes externas x paredes internas, temperatura de
500° e espessura de tubo de 3,5 mm
Em todos os gráficos de dureza média para as diferentes temperaturas de extrusão, a
dureza externa foi maior que a dureza interna.
De acordo com Chitkara e Aleem (2001), isto se deve ao fato de que à medida que o
pistão se desloca, há um aumento da carga necessária para comprimir o tarugo, até que esta
alcança um pico, que indica o início da extrusão. A partir deste momento, a resistência entre a
parede do tubo e a matriz decresce.
Figura 49- Gráfico de deslocamento x força, para extrusão de tubos com matrizes de
ângulos curvos e punções retos (CHITKARA E ALEEM, 2001)
57
4.1.2. Ângulo da Matriz de Extrusão
O ângulo da matriz de extrusão não teve influência na dureza do material.
A literatura diz que quanto maior o ângulo da matriz, maior a área de contato entre as
paredes do tubo e a matriz, consequentemente, maior o atrito entre elas. Entretanto, com o
aumento do ângulo da matriz de extrusão não foi verificado o aumento da dureza nas paredes
dos tubos.
As figuras 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60 e 61, a seguir, mostram os gráficos
com uma comparação entre os ângulos das matrizes de extrusão, de acordo com a
temperatura, espessura dos tubos e superfície de análise. Os resultados não seguiram um
padrão.
Dureza na Superfície Interna, Temperatura de 400°
C e Espessura de 2,5 mm
60
Dureza (HV)
50
40
15°
24°
30
30°
20
10
0
1
2
3
4
Indentação
Figura 50- Gráfico de comparação entre ângulos de matrizes de extrusão na temperatura
de 400 graus Celsius, espessura de 2,5 mm e superfície de análise interna
58
Dureza na Superfície Interna, Temperatura de
450° C e Espessura de 2,5 mm
70
60
Dureza (HV)
50
15°
40
24°
30
30°
20
10
0
1
2
3
4
Indentação
Figura 51- Gráfico de comparação entre ângulos de matrizes de extrusão na temperatura
de 450 graus Celsius, espessura de 2,5 mm e superfície de análise interna
Dureza na Superfície Interna, Temperatura de
500° C e Espessura de 2,5 mm
80
70
Dureza (HV)
60
15°
50
24°
40
30°
30
20
10
0
1
2
3
4
Indentação
Figura 52- Gráfico de comparação entre ângulos de matrizes de extrusão na temperatura
de 500 graus Celsius, espessura de 2,5 mm e superfície de análise interna
59
Dureza na Superfície Externa, Temperatura de
400° C e Espessura de 2,5 mm
90
80
Dureza (HV)
70
60
15°
50
24°
40
30°
30
20
10
0
1
2
3
4
Indentação
Figura 53- Gráfico de comparação entre ângulos de matrizes de extrusão na temperatura
de 400 graus Celsius, espessura de 2,5 mm e superfície de análise externa
Dureza na Superfície Externa, Temperatura de
450° C e Espessura de 2,5 mm
74
72
Dureza (HV)
70
68
15°
66
24°
64
30°
62
60
58
56
54
1
2
3
4
Indentação
Figura 54- Gráfico de comparação entre ângulos de matrizes de extrusão na temperatura
de 450 graus Celsius, espessura de 2,5 mm e superfície de análise externa
60
Dureza na Superfície Externa, Temperatura de
500° C e Espessura de 2,5 mm
80
70
Dureza (HV)
60
15°
50
24°
40
30°
30
20
10
0
1
2
3
4
Indentação
Figura 55- Gráfico de comparação entre ângulos de matrizes de extrusão na temperatura
de 500 graus Celsius, espessura de 2,5 mm e superfície de análise externa
Dureza na Superfície Interna, Temperatura de
400° C e Espessura de 3,5 mm
70
60
Dureza (HV)
50
15°
40
24°
30
30°
20
10
0
1
2
3
4
Indentação
Figura 56- Gráfico de comparação entre ângulos de matrizes de extrusão na temperatura
de 400 graus Celsius, espessura de 3,5 mm e superfície de análise interna
61
Dureza na Superfície Interna, Temperatura de
450° C e Espessura de 3,5 mm
70
60
Dureza (HV)
50
15°
40
24°
30
30°
20
10
0
1
2
3
4
Indentação
Figura 57- Gráfico de comparação entre ângulos de matrizes de extrusão na temperatura
de 450 graus Celsius, espessura de 3,5 mm e superfície de análise interna
Dureza na Superfície Interna, Temperatura de
500° e Espessura de 3,5 mm
70
60
Dureza (HV)
50
15°
40
24°
30
30°
20
10
0
1
2
3
4
Indentação
Figura 58- Gráfico de comparação entre ângulos de matrizes de extrusão na temperatura
de 500 graus Celsius, espessura de 3,5 mm e superfície de análise interna
62
Dureza na Superfície Externa, Temperatura de
400° C e Espessura de 3,5 mm
80
70
Dureza (HV)
60
15°
50
24°
40
30°
30
20
10
0
1
2
3
4
Indentação
Figura 59- Gráfico de comparação entre ângulos de matrizes de extrusão na temperatura
de 400 graus Celsius, espessura de 3,5 mm e superfície de análise externa
Dureza na Superfície Externa, Temperatura de 450°
C e Espessura de 3,5 mm
80
70
Dureza (HV)
60
15°
50
24°
40
30°
30
20
10
0
1
2
3
4
Indentação
Figura 60- Gráfico de comparação entre ângulos de matrizes de extrusão na temperatura
de 450 graus Celsius, espessura de 3,5 mm e superfície de análise externa
63
Dureza na Superfície Externa, Temperatura de 500°
C e Espessura de 3,5 mm
70
60
Dureza (HV)
50
15°
40
24°
30
30°
20
10
0
1
2
3
4
Indentação
Figura 61- Gráfico de comparação entre ângulos de matrizes de extrusão na temperatura
de 500 graus Celsius, espessura de 3,5 mm e superfície de análise externa
Chaudhari et al. (2012), encontraram valores de micro dureza que também não
seguiram a regra, para cilindros extrudados com matrizes de ângulos diferentes.
Figura 62- Gráfico de micro dureza para cilindros de alumínio extrudados a frio com
matrizes de ângulos 30º, 45º e 60º (CHAUDHARI et al., 2012)
Uma das razões pelas quais a dureza não teve variação pode ser a temperatura de
extrusão. Com esta variável acima da temperatura de recristalização do alumínio, pode-se ter
64
conseguido uma plasticidade suficiente para não tornar a variação do atrito entre as paredes
dos tubos e a matriz significativa.
4.1.3. Espessura da Parede do Tubo
Quando a razão de extrusão aumenta, a pressão necessária para extrusão também
aumenta. De acordo com Ebrahimi et al. (2008), o efeito da redução da área é somente
significativo em altos valores do fator de atrito, uma vez a baixos valores do fator de atrito,
a área de superfície de atrito não tem qualquer efeito significativo sobre a
potência de extrusão. Isto explica as diferentes espessuras dos tubos não terem influenciado as
medidas de dureza, pois as reduções foram de 10% para a espessura de 3,5 mm e 20% para a
espessura de 2,5 mm.
4.1.4. Temperatura de Extrusão
O fator mais importante para se lembrar no processo de extrusão é a temperatura. A
temperatura é o parâmetro mais crítico, porque dá as características desejadas ao alumínio tais
como dureza e acabamento. Na extrusão a frio, o material endurece por encruamento durante
a deformação porque os grãos do metal se deformam e assim permanecem, aumentando as
tensões na estrutura e, consequentemente, sua dureza. Na extrusão a quente, os grãos se
reconstituem após a extrusão por causa da alta temperatura, por isso a indução de tensões
residuais é menor nesse tipo de extrusão. Temperaturas baixas causam maior atrito entre o
tarugo e as paredes da ferramenta e um longo tempo necessário para iniciar a extrusão do
tarugo.
A temperatura de extrusão influenciou as medidas de dureza e quanto maior a
temperatura, menor a tensão residual induzida.
As figuras 63, 64, 65, 66, 67 e 68, a seguir, mostram gráficos que comparam a
temperatura de extrusão e os ângulos das matrizes para cada espessura de tubo e superfície de
análise.
65
Dureza Média para Ângulo de Matriz de 15° e
Espessura do Tubo de 2,5 mm
70
Dureza (HV)
60
50
400°
40
450°
30
500°
20
10
0
Interna
Externa
Superfície de Análise
Figura 63- Gráfico de dureza média para temperaturas de 400º, 450º e 500° Celsius, em
relação ao ângulo de 15° para matriz de extrusão e espessura de tubo de 2,5 mm
Dureza Média para Ângulo de Matriz de 24° e
Espessura do Tubo de 2,5 mm
70
60
400°
40
450°
30
500°
Dureza (HV)
50
20
10
0
Interna
Externa
Superfície de Análise
Figura 64- Gráfico de dureza média para temperaturas de 400º, 450º e 500° Celsius, em
relação ao ângulo de 24° para matriz de extrusão e espessura de tubo de 2,5 mm
66
Dureza Média para Ângulo de Matriz de 30° e
Espessura do Tubo de 2,5 mm
80
Dureza (HV)
70
60
400°
50
450°
40
500°
30
20
10
0
Interna
Externa
Superfície de Análise
Figura 65- Gráfico de dureza média para temperaturas de 400º, 450º e 500° Celsius, em
relação ao ângulo de 30° para matriz de extrusão e espessura de tubo de 2,5 mm
Dureza Médiapara Ângulo de Matriz de 15° e
Espessura do Tubo de 3,5 mm
70
Dureza (HV)
60
50
400°
40
450°
30
500°
20
10
0
Interna
Externa
Superfície de Análise
Figura 66- Gráfico de dureza média para temperaturas de 400º, 450º e 500° Celsius, em
relação ao ângulo de 15° para matriz de extrusão e espessura de tubo de 3,5 mm
67
Dureza Média para Ângulo de Matriz de 24° e
Espessura do Tubo de 3,5 mm
70
Dureza (HV)
60
50
400°
40
450°
30
500°
20
10
0
Interna
Externa
Superfície de Análise
Figura 67- Gráfico de dureza média para temperaturas de 400º, 450º e 500° Celsius, em
relação ao ângulo de 24° para matriz de extrusão e espessura de tubo de 3,5 mm
Dureza Média para Ângulo de Matriz de 30° e
Espessura do Tubo de 3,5 mm
70
Dureza (HV)
60
50
400°
40
450°
30
500°
20
10
0
Interna
Externa
Superfície de Análise
Figura 68- Gráfico de dureza média para temperaturas de 400º, 450º e 500° Celsius, em
relação ao ângulo de 30° para matriz de extrusão e espessura de tubo de 3,5 m
68
4.1.5. Tipo de Punção
Na extrusão de tubos simétricos em torno de um eixo, Chitkara e Aleem (2001),
variaram o tipo de punção utilizado na extrusão. Entre eles, punções cônicos, ogivais e
redondos. Os resultados apresentados na figura 69, mostram que as maiores cargas requeridas
foram pelos punções cônicos e ogivais, respectivamente. O punção redondo foi o que menos
requereu carga para realizar a extrusão dos tubos. O mesmo resultado foi encontrado neste
trabalho, porém, o tipo de punção não exerceu influência na indução de tensões residuais nos
tubos extrudados como é apresentado nos gráficos das figuras 70 e 71.
Figura 69- À esquerda, foto dos punções utilizados, à direita, gráfico com a carga
requerida para extrusão para cada tipo de punção, conical (cônico), ogival (ogival) e
polynomial (redondo) (CHITKARA E ALEEM, 2001)
69
Dureza Média Parede Interna x Tipo de Punção
70
Dureza (HV)
60
50
15°
40
24°
30
30°
20
10
0
Redondo
Cônico
Tipo de Punção
Figura 70- Gráfico de dureza média em relação ao tipo de punção para a temperatura
450° Celsius, superfície de análise interna e espessura do tubo de 2,5 mm
Dureza Média Parede Externa x Tipo de Punção
80
Dureza (HV)
70
60
50
15°
40
24°
30
30°
20
10
0
Redondo
Cônico
Tipo de Punção
Figura 71- Gráfico de dureza média em relação ao tipo de punção para a temperatura
450° Celsius, superfície de análise externa e espessura do tubo de 2,5 mm
70
Analisando separadamente cada punção, nas mesmas condições de temperatura de
extrusão e espessura da parede dos tubos, diferentemente do que foi observado na análise para
diferentes condições de temperatura de extrusão e espessura dos tubos, foi verificada a
influência do ângulo da matriz de extrusão na indução de tensões residuais nas paredes dos
tubos e não influência da superfície de análise para o punção redondo. Para o punção cônico,
os resultados foram os mesmos da análise em condições diferentes.
As diferenças nos resultados podem ser explicadas pela menor carga exigida pelo
punção redondo no processo de extrusão. Chitkara e Alem (2001), encontraram na extrusão de
tubos simétricos em volta de um eixo, a diferença de cerca de 15 a 20% de carga necessária
para extrusão, comparando punções cônicos, redondos e ogivais de mesmo diâmetro, para
matrizes iguais. Como o atrito é menor, qualquer alteração na área de contato é significativa,
fazendo com que a tensão residual aumente com o aumento do ângulo da matriz de extrusão.
4.2. Análise Superficial dos Tubos Extrudados
Comparando o acabamento interno e externo dos tubos, foram observadas as seguintes
características:

a temperatura não teve influência significativa;

o punção redondo mostrou melhor acabamento externo, e visualmente melhor
escoamento do material durante a extrusão, porém, o acabamento interno foi pior;

o punção cônico apresentou pior acabamento externo e melhor acabamento interno;

a variação do ângulo da matriz não influenciou no acabamento.
As figuras 72, 73, 74 e 75, a seguir apresentam fotos de trubos extrudados com 2,5mm
de espessura e diferentes punções e temperaturas.
Figura 72- Fotos de tubos extrudados de 2,5mm de espessura, compunção cônico, a 400,
450 e 500 graus Celsius, respectivamente
71
Figura 73- Fotos de tubos extrudados de 2,5mm de espessura, com punção cônico, a
500, 450 e 400 graus Celsius, respectivamente
Figura 74- Fotos de tubos extrudados de 2,5mm de espessura, com punção redondo, a
400 e 450 graus Celsius, respectivamente
Figura 75- Fotos de tubos extrudados de 2,5mm de espessura, com punção redondo, a
400 e 450 graus Celsius, respectivamente
72
CAPÍTULO 5
CONCLUSÕES
O objetivo desta pesquisa foi investigar a distribuição de tensões residuais na parede de
tubos de alumínio comercialmente puro extrudados a quente, estabelecendo o seu mapa de
intensidade e de natureza (compressiva ou trativa).
Na realização do experimento, podemos concluir que:
- Foram encontradas tensões residuais nas paredes dos tubos. Estas tensões mostraram-se de
natureza compressiva, o que favorece a utilização destes tubos como elementos estruturais,
pois a indução de tensões residuais compressivas favorece a sua resistência à fadiga.
- Houve diferenças quanto à valores de tensão residual nas paredes interna e externa dos tubos
extrudados, sendo que as paredes internas mostraram menor tensão residual.
- O ângulo da matriz de extrusão não teve influência na dureza do material.
- As diferentes espessuras dos tubos não exerceram influência nas medidas de dureza, pois as
reduções de 10% para a espessura de 3,5 mm, 20% para a espessura de 2,5 mm resultaram em
baixos fatores de atrito.
- A temperatura de extrusão influenciou as medidas de dureza e quanto maior a temperatura,
menor a tensão residual induzida.
- Apesar de o punção redondo requerer menor carga para realizar o processo de extrusão, o
tipo de punção não influenciou a indução de tensões residuais nas paredes dos tubos
extrudados.
- Quanto ao acabamento dos tubos, a temperatura de extrusão, não mostrou diferenças
significativas.
- O punção redondo mostrou melhor acabamento externo, porém, o acabamento interno foi
pior.
- O punção cônico apresentou melhor acabamento interno e pior acabamento externo.
73
- A variação no ângulo da matriz de extrusão não mostrou diferenças no acabamento dos
tubos.
74
CAPÍTULO 6
SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
Este trabalho analisou a indução de tensões residuais na extrusão a quente de tubos de
alumínio comercialmente puro. A partir das conclusões, podemos sugerir os seguintes
trabalhos futuros:
- Verificar os parâmetros de extrusão a quente de tubos para a liga de alumínio ASTM 6351T6;
- Analisar a indução de tensões residuais através de outros métodos de medição;
- Extrudar tubos de alumínio com maiores reduções;
- Verificar a influência de lubrificantes na extrusão a quente de tubos de alumínio;
- Medir a força no processo de extrusão a quente de tubos de alumínio;
- Avaliar a vida em fadiga dos tubos de alumínio extrudados a quente;
- Avaliar a corrosão sob tensão de tubos de alumínio extrudados a quente;
- Verificar a extrusão a quente de tubos para outros metais.
75
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81
ANEXO – Tabelas de Distribuição de Fisher
82
83
84
85