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Artigo: Estudo numérico e experimental do comportamento do taamanho do grão do material DIN 16MNCR5 MOD conformado a quente; por Valter de S. Filho, Mauro M. de Souza e Sérgio T. Button
30/10/2007 01h24

Diversos estudos têm sido realizados com o objetivo de avaliar a influência sobre o comportamento micro-estrutural de diversas variáveis associadas aos processos de conformação mecânica a quente, tais como as alterações da composição química, gradientes de deformação, taxas de deformação e de resfriamento. Com relação à taxa de deformação, os estudos desenvolvem-se mais na escala laboratorial devido à dificuldade de determinarem-se as equações constitucionais, além da dificuldade de obterem-se e utilizarem-se equipamentos industriais que apresentam alto custo de aquisição, operação e manutenção.
Nos processos industriais, as ligas metálicas estão sempre sujeitas a históricos complexos de temperatura, tempo, deformação e taxa de deformação tornando cara e lenta a investigação experimental da influência de todas essas potenciais variáveis. Os ensaios de laboratório são capazes de modelar algumas condições locais, mas são incapazes de descrever todo o processo.
Este trabalho compara o comportamento do tamanho de grão austenítico do aço DIN 16MnCr5 MOD em ensaios com taxas de deformação até 90 s-1, utilizando-se uma prensa horizontal industrial, e compara os resultados experimentais com resultados obtidos na simulação numérica com o software comercial Superform. Os resultados encontrados possibilitam otimizar o processo de fabricação por previsão das características metalúrgicas dos produtos, mais especificamente relacionadas com a variação do tamanho de grão austenítico.
Palavras-chaves: simulação, conformação a quente, tamanho de grão, alta taxa de deformação.
1. Introdução
A simulação em computador dos processos de conformação a quente em condições industriais de trabalho tem sido objeto de estudo de diversos autores. Esses trabalhos determinam condições de contorno por meio de ensaios convencionais de laboratório (compressão, tração e torção), que são utilizados como base da parametrização para a simulação por métodos numéricos e permitem a determinação de equações constitucionais e o cálculo de mudanças microestruturais, comprovadas posteriormente em experimentos industriais1.
A simulação física em laboratório de situações industriais reais utilizando se de uma simulação física análoga ao forjamento a quente2, quando comparada com os valores obtidos a partir de equações constitucionais e simulação numérica, permite correlacionar os mecanismos de recuperação e endurecimento com parâmetros de produção2. Essas simulações foram realizadas em sua maioria com sucesso quando as taxas de deformação são baixas. Casos industriais como o estudado nesse trabalho (90s-1) não são muitos freqüentes.
Durante a conformação a quente, o encruamento atua, mas é balanceado por processos de amaciamento dinâmico de recuperação e recristalização, que são termicamente ativados. Esses processos foram adotados e demonstrados por diversos autores como dependentes da taxa de deformação, temperatura (T ) e quantidade de deformação3. A similaridade das condições de estado para a teoria da fluência e o processo de conformação a quente permitiu que Sellars e Tegart4 elaborassem uma equação genérica para representar uma larga faixa de tensões de escoamento:
 
O valor do expoente p é teoricamente menor do que 10 conforme Sellars3, enquanto Yada5 e Grass et al.6 adotam o valor de 2 para o coeficiente p. As constantes A′ e Q são dependentes do material. Teorias metalúrgicas básicas para evolução microestrutural e desenvolvimento de tecnologia inovadora para simulação computacional têm contribuído para promover estudos na predição de comportamento de recristalização em laminação a quente, sendo o método de elemento finito uma ferramenta efetiva para investigar esses parâmetros7. A importância de modelos como o de Sellars foi identificada por outros pesquisadores, como é o caso de Yada5, que adaptou as equações apresentadas anteriormente nesse trabalho, equações estas que, foram incorporadas no software MSC.Superform8.
 
O tamanho de grão austenítico inicial de 170 μm (figura 01) foi obtido do tarugo aquecido e resfriado em água antes do forjamento e revelado pelo ataque com aço pícrico saturado aquecido a 80°C (13g para 1000ml água destilada e 5 ml de detergente Kodak photo-flo 200 solution) por 60 a 120 segundos. Esse método permite revelar o TGA demarcando-se na estrutura martensítica2. Três peças do aço DIN 16MnCr5 MOD foram forjadas com uma ferramenta em forma de cunha e matriz plana (figura 02) baseado no trabalho de Gentile et al.2. Foi utilizada uma prensa horizontal que fornece 90 s-1 de taxa de deformação, localizada na planta da Neumayer Tekfor Automotive do Brasil9 em Jundiaí. Os parâmetros do processo de conformação estão descritos na figura 03
 
 
 
 
 
 
Esses resultados, quando comparados com os valores experimentais, resultam que os valores obtidos na simulação numérica do TGA são menores do que os obtidos pelo ensaio experimental. Isso se dá pela dificuldade em resfriar toda a massa da peça em água logo após a conformação no processo industrial. Um tempo de 15 segundos decorre entre a saída da peça da máquina e seu resfriamento em água, o que potencialmente pode ocasionar a recristalização estática seguida pelo crescimento de grãos. Esta informação é sustentada pela observação da equiaxialidade dos grãos austeníticos na peça resfriada.
Visando complementar este efeito na análise e na simulação do processo de conformação, foi assumido que o aumento do TGA após conformação aconteceu apenas por crescimento de grão durante resfriamento. Utilizou-se a equação (5) de Grass et al. 6 para calcular o crescimento de grão após o termino da recristalização.
 
A figura 12 compara o TGA obtido no ensaio experimental, do TGA obtido por simulação numérica e do TGA obtido com crescimento utilizando-se a equação (5). O cálculo do crescimento de grão pela equação (5) para cada ponto foi aplicado na faixa do TGA encontrado na simulação numérica. Para o ponto 2, por conservadorismo, adota-se uma faixa mais ampla (68-136 μm) devido à alta densidade de nós nesse ponto, e utiliza-se a temperatura final obtida na simulação.
Conforme figura 12, os valores do TGA com crescimento conforme equação (5) apresentaram uma boa reprodutibilidade com valores obtidos experimentalmente. No ponto 3, possivelmente houve algum refinamento de TGA durante a conformação a quente o que pode explicar a diferença entre o TGA do ensaio experimental com o TGA com crescimento de grão.
Importante entender que essa previsão auxilia na orientação para tomada de decisões antes do processo de conformação industrial permitindo conhecer as condições de heterogeneidade do TGA em cada ponto do produto conformado a quente. É possível, por exemplo, mudar o histórico de conformação de materiais e ou a atuar na homogeneização dos grãos antes da transformação para Bainita, Ferrita ou Perlita.
 
4. Conclusões
A simulação do aço DIN 16MnCr5 MOD em condições de conformação a quente com alta taxa de deformação com o software MSC.Superform reproduziu satisfatoriamente os valores obtidos experimentalmente de TGA, permitindo a utilização desse procedimento na previsão do comportamento microestrutural de peças conformadas a quente nesse material e no equipamento em questão.
 
 
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