A capacidade das máquinas para realizar operações de conformação mecânica a quente deve ser compatível com a resistência do material durante a operação e o material deve ser processado sem sofrer danos microestruturais. A trabalhabilidade é determinada não somente pela microestrutura do material, temperatura, deformação e taxa de deformação, mas também pelo estado de tensão imposto pela ferramenta na zona de deformação. Assim, é conveniente considerar a trabalhabilidade composta de duas parcelas: uma relacionada com o estado de tensão do processo e outra intrínseca ao material.
A trabalhabilidade devido ao estado de tensão depende da geometria da zona de deformação, do processo e da natureza do estado de tensão aplicado. Por exemplo, em processos como a extrusão, em que o estado de tensão hidrostático é compressivo, podem-se impor maiores deformações, sem que haja a falha do material, do que em processos em que atuam tensões hidrostáticas trativas. Com componentes hidrostáticos trativos, qualquer interface mais fraca no material irá abrir causando fratura interna. Assim, a parcela da trabalhabilidade devido ao estado de tensão é específica de cada processo de conformação e é independente do comportamento do material.
A trabalhabilidade intrínseca do material depende da microestrutura inicial do material e de sua resposta às condições de deformação impostas. Nesta resposta está embutida implicitamente a variação da tensão com a deformação, temperatura e taxa de deformação e é representada matematicamente por uma equação constitutiva. Todavia, como parte explicita da resposta do material aos parâmetros do processo, pode haver mudanças microestruturais. Por exemplo, sob certas condições, o material pode responder com danos microestruturais devido a fluxo instável ou localizado. Alternativamente, a microestrutura pode ser reconstruída devido a processos de restauração como a recristalização
Nesta primeira abordagem da simulação física determinam-se a resistência do material e a quantidade de deformação que o material pode ser submetido sem falhar em condições similares as do processamento industrial, ou seja: a trabalhabilidade intrínseca do material. O procedimento usual para determinar a trabalhabilidade a quente é a realização de ensaios isotérmicos até a fratura, variando as condições de deformação. Estas condições devem cobrir toda a janela de temperaturas e de taxas de deformação do processamento industrial em estudo. Os corpos de prova são aquecidos até temperaturas de solubilização, resfriados até a temperatura de ensaio e deformados continuamente até a fratura ou até níveis pré-determinados. O ciclo térmico empregado pode ser visto na figura abaixo. Com esses ensaios determinam-se as curvas de escoamento plástico do material.
Ilustração esquemática do ciclo térmico empregado nos ensaios isotérmicos contínuos.
(i) Resistência do material
A figura abaixo mostra curvas de escoamento plástico obtidas com a utilização do equipamento esboçado anteriormente As curvas mostradas na figura abaixo foram obtidas em amostras de um aço médio carbono utilizado no forjamento de peças para a indústria automotiva. A temperatura foi variada na faixa de 900 °C a 1200 °C e a taxa de deformação na faixa de 0.01 a 10 s-1. Observando as curvas podem-se obter algumas informações: (i) a recristalização dinâmica é o mecanismo de amaciamento predominante, com recuperação dinâmica mais intensa em altas taxas de deformação e baixas temperaturas, (ii) o material é dúctil nas condições ensaiadas, suportando deformações efetivas iguais a 3,0, que equivale a uma deformação por laminação superior a uma redução de espessura de 90%.
Curvas de escoamento plástico do aço carbono 38MnSiVS5 variando a temperatura de ensaio e a taxa de deformação.
A resistência do material pode ser avaliada diretamente das curvas, todavia a determinação da equação constitutiva do material é bastante útil no cálculo de carga dos processos industriais. Selecionando a tensão de pico como uma tensão representativa de cada curva de escoamento, a dependência da tensão de escoamento com a temperatura e taxa de deformação pode ser determinada a partir dos resultados experimentais mostrados na figura acima. Para o aço 38MnSiVS5 que recupera e recristaliza dinamicamente, a equação constitutiva assume a forma:
A energia de ativação aparente para a deformação a quente (358 000 J/mol.K) indica como a tensão de pico aumenta ou diminui conforme as condições de deformação são alteradas durante o processamento. Por exemplo; como a tensão de escoamento aumenta conforme a temperatura é decrescida de 0.8 Tm (~1300 °C) - onde aços baixo e médio carbono têm tensões de pico próximos a 20-30 MPa - até 0.5 Tm, (~800 °C), quando materiais mais complexos ou concentrados em elementos de liga, como é o caso do aço 38MnSiVS5, são mais resistentes e menos dúcteis.
(ii) Ductilidade
As curvas de escoamento plástico mostradas na figura acima não apresentam evidências de falha do material durante a deformação plástica; trata-se de um material dúctil. Todavia, realizando ensaios com a aplicação de deformações em materiais menos dúcteis pode-se determinar as condições em que o material falha durante o processamento. A figura abaixo mostra curvas de escoamento plástico de um aço inoxidável dúplex e curvas da dependência da quantidade de deformação em função da temperatura de deformação. Vê-se nestas figuras que o material poderá falhar durante o processamento em temperaturas mais baixas.
Curvas de escoamento plástico obtidas nos ensaios de torção a quente
Curva de ductilidade para o aço inox super duplex UNS S32760 em diferentes taxas de deformação.
Existem, também, metodologias que utilizando os dados experimentais mostrados acima permitem a avaliação da trabalhabilidade intrínseca do material de uma forma mais global. Os mapas de processamento propostos por Prassad é um exemplo destes procedimentos. A figura abaixo mostra um mapa de processamento do aço inoxidável super duplex UNS S32760. utilizado na manufatura de tubos para a extração de petrólio em grandes profundidades.
Mapa de dissipação de energia para deformação de 0,75.
Mapa de instabilidade de fluxo para deformação de 0,75
Mapa de processamento para deformação de 0,75
O mapa de dissipação de potência (parte do mapa de processamento) indica amaciamento em altas temperaturas com a recuperação e recristalização dinâmica. No mapa de instabilidade há uma indicação clara de uma região grande em baixas temperaturas, onde o material poderá falhar durante o processamento.
A comprovação das informções obtidas com as curvas de escoamento plástico pode ser feita realizando o acompanhamento microestrutural. As figuras abaixo mostram algumas micrografias de amostras do aço inoxidável super duplex deformadas em diferentes condições. Em (a) e (b) vê-se a formação de trincas. Em (c) e (d) o material está sendo deformado em condições adequadas para a conformação mecânica.
Microestruturas observadas após deformações em 900°C com taxas de deformação de: (a) 0,1s-1e (b) 10s-1
Microestruturas observadas após deformações em 1100°C com taxas de deformação de (c) 0,1s-1 e (d) 10s-1.