A conformação mecânica é um importante processo na obtenção de artefatos metálicos semiacabados, feitos a partir de chapas finas e grossas, arames, tubos, barras de seções variadas, utilizando processos específicos tais como a laminação, trefilação e extrusão.

Este livro analisa, em seus sete primeiros capítulos, como as abordagens teóricas ajudam na análise e compreensão dos fenômenos na conformação mecânica dos metais, no nível do chão de fábrica. E em vez de se deter nos detalhes de uma análise mais rigorosa das teorias, ele utiliza uma abordagem mais intuitiva. Por exemplo, não discute os princípios regendo as simulações numéricas da conformação mecânica, mas somente como estas simulações podem ser usadas, suas vantagens e limitações. Sempre que possível apresenta aplicações práticas e exercícios dos diversos aspectos e, em especial, analisa casos reais.

Este livro é útil tanto para os estudantes de Engenharia, nos níveis de graduação e pós-graduação, quanto para profissionais que trabalham na área, e que estejam em busca de explicações para fenômenos, por vezes inesperados, observados no dia a dia do chão de fábrica em instalações de conformação mecânica.

Sumário

1 – Introdução................................................................................................ 15

1.1. Artefatos e seus materiais......................................................................... 15

1.2. A fabricação no mundo moderno.............................................................. 16

1.3. Processos de fabricação............................................................................ 17

1.4. Processos de conformação mecânica......................................................... 18

1.5. Organização deste texto........................................................................... 27

1.6. Posicionamento didático deste texto......................................................... 29

1.7. Mensagem aos usuários deste livro........................................................... 29

2 – Tensões.................................................................................................... 31

2.1. Esforços aplicados a uma peça.................................................................. 31

2.2. Tensões médias........................................................................................ 32

2.3. Tensões em um ponto.............................................................................. 33

2.4. Variação das tensões em um ponto com a variação
do plano de corte............................................................................................ 40

2.5. Tensões principais.................................................................................... 44

2.7. Estado de tensões plano (2 dimensões – 2d).............................................. 56

2.8. Estado de tensões em 3 dimensões (3D).................................................... 59

2.9. Concentração de tensões.......................................................................... 61

2.10. Distribuição de tensões na região da aplicação dos esforços..................... 64

2.11. Os círculos de Mohr................................................................................ 66

Solução dos exercícios..................................................................................... 76

3 – Deformações............................................................................................ 81

3.1. Distorções em uma peça........................................................................... 81

3.2. Distorções na tração pura: a deformação linear convencional (ε)................ 81

3.3. Distorções na tração pura: a deformação linear verdadeira (ε_v)................... 84

3.4. Distorções na tração pura: a redução de área convencional (ra)................. 87

3.5. Distorções na tração pura: a redução de área verdadeira (ra_v )................... 92

3.6. As deformações angulares (gama – γ)........................................................ 95

3.6. Variação das deformações lineares (ε, ε_v) e das deformações angulares (γ)

com a direção no componente........................................................................ 99

3.7. Deformações volumétricas convencionais................................................ 101

3.8. Deformações volumétricas verdadeiras................................................... 103

3.9. Aplicação: tensões e deformações principais na tração, torção e laminação

de chapas largas em materiais que se deformam sob volume constante.......... 104

3.10. Heterogeneidades de deformação......................................................... 108

3.11. Distribuição de deformações na região da aplicação dos esforços............ 110

3.12. Os círculos de Mohr para deformação dos metais................................... 115

Solução dos exercícios................................................................................... 118

4 – Elasticidade............................................................................................ 129

4.1. Relação entre esforços e distorções......................................................... 129

4.2. Relação entre tensões e deformações elásticas na tração pura................. 130

4.3. Relação entre tensões e deformações elásticas no estado tridimensional

de tensões.................................................................................................... 133

4.4. Relação entre tensões de cisalhamento e deformações angulares no

regime elástico............................................................................................. 135

4.5. Relação entre a tensão principal média (σ_m) e a deformação volumétrica (Δ)

no regime elástico......................................................................................... 137

4.6. Círculos de Mohr para deformações elásticas na tração pura...................... 138

Solução dos exercícios................................................................................... 140

5 – Escoamento............................................................................................ 143

5.1. O limite da deformação elástica de metais............................................... 143

5.2. Os limites de escoamento....................................................................... 143

5.3. Critérios de escoamento......................................................................... 147

5.4. Representação gráfica dos critérios de escoamento para o estado plano

de tensões.................................................................................................... 154

Solução dos exercícios................................................................................... 158

6 – Plasticidade............................................................................................ 161

6.1. A plasticidade na tração pura.................................................................. 161

6.2. Curvas tensão – deformação verdadeiras na tração pura.......................... 166

6.3. A descrição matemática das curvas tensão – deformação verdadeiras na

tração pura................................................................................................... 179

6.4. Aplicação: critério para início da estricção e importância do coeficiente de

encruamento “n”.......................................................................................... 184

6.5. Tensão e deformação efetivas (ou equivalentes)...................................... 194

6.6. Deformação a frio: encruamento e curvas de fluxo................................... 201

6.7. Efeito da velocidade de deformação, temperatura e caminho de

processamento............................................................................................. 208

6.8. Relação entre tensões e deformações na plasticidade.............................. 232

6.9. Superplasticidade................................................................................... 245

Solução dos exercícios................................................................................... 248

7 – Aspectos gerais da conformação mecânica.............................................. 261

7.1. A medida da ductilidade dos metais......................................................... 262

7.2. Fratura dúctil.......................................................................................... 277

7.3. Deformação a quente............................................................................. 294

7.4. Atrito, lubrificação e desgaste na conformação mecânica......................... 314

7.5. Fratura frágil e fadiga das ferramentas na conformação mecânica............. 325

7.6. Estudo de caso: desgaste e tenacidade à fratura em cilindros de

laminação a quente....................................................................................... 332

Solução dos exercícios................................................................................... 336

8 – A análise dos processos de conformação mecânica.................................. 341

8.1. Informações necessárias para a análise adequada de
processos de conformação mecânica............................................................. 341

8.2. Métodos de análise de processos de conformação mecânica.................... 344

Solução dos exercícios................................................................................... 370

9 – Forjamento............................................................................................. 371

9.1. Equipamentos para o forjamento............................................................ 372

9.2. O forjamento no estado plano de deformações........................................ 376

9.3. O recalcamento no estado plano de deformações com efeito do atrito

variável ao longo da altura da peça e encruamento do material....................... 387

9.4. O estiramento no estado plano de deformações com efeito do atrito

variável ao longo da altura da peça e encruamento do material....................... 403

9.5. O forjamento a quente com matrizes fechadas........................................ 423

9.6. Análises de casos de forjamento em matrizes fechadas através da

simulação computacional por elementos finitos............................................. 434

Solução dos exercícios................................................................................... 453

10 – Laminação............................................................................................ 457

10.1. Produtos da laminação.......................................................................... 457

10.2. Equipamentos na laminação.................................................................. 459

10.3. Análise da laminação de planos............................................................. 471

10.4. Análise da laminação de longos............................................................. 505

10.5. Análises de casos de laminação............................................................. 512

Solução dos exercícios................................................................................... 524

11 – Trefilação e extrusão............................................................................. 533

11.1. A trefilação........................................................................................... 534

11.2. A extrusão............................................................................................ 619

11.3. Análises de casos de trefilação e extrusão.............................................. 626

Solução dos exercícios................................................................................... 633

12 – Conformação de chapas........................................................................ 637

12.1. Corte ou cisalhamento.......................................................................... 638

12.2. Dobramento......................................................................................... 642

12.3. Estiramento e embutimento.................................................................. 648

12.4. Curvas limite de conformação (clc)....................................................... 666

12.5. Análise de peças conformadas............................................................... 670

12.6. Efeito da qualidade das bordas: o ensaio de expansão de furo................ 672

12.7. Casos de análise da conformação de chapas........................................... 675

Solução dos exercícios................................................................................... 681

13 – Envelhecimento dos aços...................................................................... 683

13.1. Deslocações e deformação plástica........................................................ 683

13.2. Interação entre deslocações e átomos de soluto.................................... 690

13.3. Aplicações do envelhecimento dos aços na conformação mecânica..........694

Sobre o autor

Paulo Roberto Cetlin

É engenheiro mecânico graduado em 1969 pela Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), Mestre em Ciências em Engenharia Metalúrgica pela University of Florida em 1972 e doutor na mesma área pela UFMG em 1983. Permaneceu por dois anos (1991 e 1992) na McGill University, Montreal, Canadá, em pós-doutoramento também em Engenharia Metalúrgica. Trabalhou na Nuclebrás de 1972 a 1974 e ingressou como professor no Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais da UFMG em 1975, tendo chegado à posição de professor titular em 1991. É professor titular no Departamento de Engenharia Mecânica da UFMG desde agosto de 2010, onde se aposentou em 2021. Lecionou diversas disciplinas nos cursos de Engenharia da UFMG, com foco no comportamento mecânico e conformação mecânica dos metais, tanto no nível de graduação quanto de pós-graduação. Até o momento, orientou 172 trabalhos de iniciação científica e de final de curso (TCC), 76 mestres, 16 doutores e 11 pós-doutores; publicou 372 artigos em anais de congressos nacionais, 44 artigos em anais de congressos internacionais, 54 artigos em periódicos nacionais e 134 artigos em periódicos indexados internacionais.

Foi Representante de Área da Engenharia II (Engenharias Química, Metalúrgica e Materiais, Minas e Nuclear) junto à CAPES – Ministério da Educação, Brasília, de 1997 a 2001, e coordenador do comitê de assessoramento em Engenharia Metalúrgica, Materiais e de Minas (CA-MM) do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), Ministério de Ciência e Tecnologia – Brasília, de 2000 a 2003. Participou de muitas comissões internas no âmbito das atividades de graduação e pós-graduação na UFMG.

Além das atividades acadêmicas, manteve intenso contato com empresas da área metalomecânica e especialmente siderúrgica, através de inúmeros cursos de extensão e consultorias no Brasil e no exterior (em Bizerte, na Tunísia, em Luxemburgo e em La Tablada, Argentina) sempre através da UFMG, com foco na área de conformação mecânica dos metais. Nessa interação universidade-indústria, considerou fundamental o desenvolvimento de atividades baseadas em princípios mais fundamentais e teóricos e sua aplicação no dia a dia do chão de fábrica; esse posicionamento reflete-se no presente texto, no qual abordagens mais teóricas são limitadas ao essencial, mas suas aplicações são discutidas especialmente através de casos concretos.