Os processos de forjamento se dividem basicamente em três tipos, sendo eles a frio, a morno e a quente. O forjamento a quente é feito sob temperaturas acima da zona de recristalização do material, sendo esse processo o que deixa o metal mais fácil de ser conformado, pois ocorre simultaneamente com a deformação estrutural, tornando o metal menos propenso à fratura.

Tais fenômenos dinâmicos são mecanismos de restauração da microestrutura e afetam significativamente o escoamento do metal, sendo o fator chave dos processos a quente^[1].

O processo consiste na deformação plástica de uma geratriz pela sua compressão entre matrizes para a obtenção de uma determinada forma final^[2]. No forjamento em matriz aberta a peça é conformada entre duas matrizes, de modo que apenas uma parcela do corpo de prova é conformada por elas. Já em matriz fechada, o corpo de prova é completamente envolvido pelas matrizes. No primeiro caso, o material conformado escoa de forma livre, e no segundo, o material escoa de forma restrita pelas matrizes que o envolvem.^[3]

No forjamento um fator que deve ser levado em consideração é o atrito entre as faces da ferramenta e da peça, que nada mais é do que a dificuldade do metal em escoar quando submetido à deformação. Assim, quanto maior for o atrito, maior será a dificuldade de o material escoar e com isso o esforço requerido para a deformação será maior^[4].

Utilizou-se então simulação numérica para comparar os dados obtidos nos ensaios. Essas simulações têm grande relevância para a pesquisa e geração de conhecimento, permitindo um alto grau de interação entre o pesquisador e seu objeto de pesquisa. Essa ferramenta demonstra grande importância para a análise de parâmetros relativos ao processo de forjamento a quente de aços com baixo carbono, de modo a auxiliar no processo de desenvolvimento de processos de fabricação, otimizando o processo de forjamento^[5,6].

Os ensaios podem ser macrográficos ou micrográficos. No primeiro caso, a superfície do material é analisada a olho nu ou com instrumento de análise com ampliação de até 50 vezes, após ser polida e atacada com iodo (10 g de iodeto sublimado, 20 g de iodeto de potássio e 100 ml de água destilada), sendo novamente polida, em seguida, com alumina 0,3 µm.

O ataque revela segregações, porosidades, fissuras, profundidade de camadas depositadas e linhas de deformação. Já no ensaio micrográfico, a análise é feita com microscópio, em que é possível identificar características, tais como granulação do material e teor aproximado de carbono no aço^[7].

Materiais e métodos

Para comparar os resultados provindos da simulação computacional relacionada à prática, cinco amostras cilíndricas foram submetidas ao ensaio de compressão. Os corpos de prova foram fabricados em aço SAE1045, todos torneados nas dimensões de 70,03 mm x 35,04 mm de diâmetro (figura 1, pág. 48). As geratrizes foram aquecidas até 1.100 °C por uma hora para a homogeneização da temperatura.

Figura 1 – Corpos de prova de aço SAE1045 nas dimensões de 70,03 mm x 35,04 mm

A compressão dos corpos de prova foi feita em matriz aberta, mostrada na figura 2a e 2c (pág. 49), com velocidade de 3,4 m/s e redução de 50% na altura dos corpos de prova. Foram usados batentes temperados de 35 mm de altura para limitar a compressão. Foi usada no ensaio uma prensa hidráulica FKL, modelo PH600 (figura 2b), com força máxima de 600 t, e células de carga para a obtenção de dados referentes aos esforços gerados para a compressão em cada uma das geratrizes.

Figura 2 – (a) matriz; (b) corpo de prova aquecido; e (c) compressão

 

Para reduzir o atrito entre as faces da matriz e dos corpos de prova usou-se lubrificante à base de grafite. Estabilizou-se a temperatura das matrizes em 250 °C para diminuir a perda térmica no contato entre a peça e a ferramenta. Usando o software Forge, foram feitas as geratrizes com as mesmas dimensões e foram utilizados os mesmos dados de entrada usados no ensaio prático, acrescentando apenas o coeficiente de atrito de 0,3 µm, cooling de cinco segundos (figura 3) e malha triangular de 1 m.

Figura 3 – Cooling de cinco segundos (software Forge)

Para visualizar as linhas de fluxo do material foi necessário aplicar lixamento progressivo alternando a direção de lixamento a cada troca de granulometria, usando lixas de 220, 360, 400, 600 e 1.200 micra. Posteriormente, a amostra foi limpa e submetida ao ataque de iodo (10 g de iodeto sublimado, 20 g de iodeto de potássio e 100 ml de água destilada) por vinte minutos. Limpou-se a superfície da amostra que foi submetida em seguida a novo polimento para realçar os contrastes, para a realização da análise macrográfica.

Resultados e discussões

Após o ensaio prático, representado na figura 4a, conseguiu-se notar o “embarrilhamento” do material muito semelhante ao que foi simulado com software, como pode ser visto na figura 4b.

Figura 4 – (a) peça física submetida a ensaio de compressão; e (b) peça via simulação (Forge)

Pela simulação (figura 5a), também foi possível estimar as dimensões do corpo de prova, sendo que o mesmo se mostrou muito similar às peças físicas ensaiadas (figura 5b). Via simulação, o diâmetro maior demonstrou 53,3478 mm, e no ensaio prático a peça apresentou diâmetro de 53,07 mm, com uma variação de 0,5 mm de deformação.

Figura 5 – Comparativo das dimensões da peça gerada via simulação e da peça física

Pelo ensaio prático conseguiu-se obter a curva da força em função do deslocamento e compará-la com a obtida na simulação computacional, representada na figura 6 (pág. 52). Ao sobrepor as curvas pôde-se evidenciar que a variação entre software e ensaio prático é bem pequena, podendo-se atribuir tal diferença ao cooling, dado que a simulação, por requerer um tempo maior do que o de transferência real, fez com que a perda térmica um pouco maior gerasse esta variação.

Figura 6 – Comparativo da curva de deslocamento do material e da curva da força aplicada

Após a aplicação do reagente de iodo, realizou-se a análise macrográfica do material e foram obtidas as linhas de fluxo do material em função do ensaio de compressão. São visíveis na figura 7 as linhas se deslocando para as extremidades do corpo de prova, enquanto o núcleo pouco se altera, apenas sofre a compressão sem ter para onde expandir.

Figura 7 – Corpo de prova submetido ao ataque de iodo para análise das linhas de fluxo

Conclusão

A simulação computacional tem grande coerência com o experimento prático, inclusive em relação às linhas de fluxo do material, pois em uma peça mais complexa seria possível prever o escoamento do material e preenchimento da matriz usando este recurso. As forças aplicadas em função do deslocamento tiveram grande similaridade tanto no ensaio prático como na simulação, assim como as dimensões dos corpos de prova. As diferenças apresentadas podem ser atribuídas à perda térmica no ensaio prático, tendo em vista os resultados obtidos com o uso do software, mesmo considerando o cooling de cinco segundos. Assim, a perda térmica é empírica e, portanto, a variação constatada é aceitável.

Com relação ao comportamento dimensional, via software, o escoamento do material ao ser comprimido é uniforme, mesmo considerando um coeficiente de atrito. Na prática, pode haver pequenas diferenças em função da variação na homogeneidade da aplicação do lubrificante, considerando o dinamismo necessário para a realização do ensaio.

O presente estudo evidencia que, mesmo aplicada em uma peça com geometria simples, a simulação computacional apresenta boa assertividade.

Referências

1. Saadatkia, S.; Mirzadeh, H.; Cabrera, J-M.: Hot deformation behavior, dynamic recrystallization, and physically based constitutive modeling of plain carbon steels. Materials Science & Engineering A, V. 636, p. 196–202, 2015.

2. Koller, L. A.; Schaeffer, L.; Oliveira, R. A.: Evaluation of Two Commercially Available Lubricants by Means of.

3. Schaeffer, L.: Forjamento. 1ª. ed. Porto Alegre: Editora Imprensa Livre, 2001.

4. ASM, ASM Handbook – Forming and Forming Vol. 14, 9 Ed, American Society for Metals – ASM, 1993.

5. Medeiros, L. F.; Moser, A.; Santos, N.: Simulação computacional como técnica de pesquisa na administração. Revista Intersaberes, v. 9, n. especial, p.441-459, jul.- dez. 2014.

6. Moraes, A. L. I.: Numerical simulation of hot closed die forging of a low carbon steel coupled with microstructure evolution. 2013. 118 f. Dissertação (Mestrado em Ciências Exatas e da Terra) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2013.

7. Colpaert, H.: Metalografia dos produtos siderúrgicos comuns, 3ª edição. Editora Edgarg Blücher Ltda., São Paulo – 1974.