A conformação mecânica, processo no qual se obtém peças de metal através da compressão do material sólido em moldes, é um dos procedimentos mais importante na indústria metalmecânica para a fabricação de produtos diversos. Com o objetivo de aumentar a compreensão de fenômenos que danificam ferramentas utilizadas nesse processo, a pesquisadora Ana Paola Villalva Braga estudou a formação de núcleos de trincas causados por fadiga térmica.
Ana Paola explica que a fadiga térmica é um dos problemas que afeta as ferramentas de conformação mecânica a quente. Nesse processo, o metal é aquecido para tornar-se mais maleável e o esforço mecânico necessário para a fabricação das peças é menor em relação à conformação a frio. Cilindros de laminação, matrizes de forjamento e moldes para prensagem de vidro são alguns exemplos dessas ferramentas.
“A fadiga térmica pode ser definida como um modo de fadiga, ou desgaste, causada pela aplicação cíclica de tensões com origem no calor, que ocasiona os gradientes de contrações e dilatações térmicas que o material sofre nesse processo”, justifica a engenheira. Conduzida durante o doutorado de Ana Paola na área de Engenharia Metalúrgica e de Materiais da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (Poli-USP), a pesquisa utilizou ensaios com aplicação de tensões térmicas a corpos de prova que simulavam ferramentas utilizadas na conformação a quente.
Ana Paola explica que é importante entender como funcionam a nucleação, propagação, e a formação de malhas de trincas na superfície das ferramentas para aumentar seu tempo de vida útil. “As ferramentas de conformação mecânica são materiais muito caros. Seu preço pode chegar à ordem de milhões. Além disso, essas ferramentas costumam durar pouco tempo. Um cilindro de laminação, por exemplo, que chega a pesar até 40 toneladas, pode ser trocado várias vezes ao dia para recuperação da superfície por usinagem”.
Entendendo o problema
Nos ensaios, as tensões, exclusivamente térmicas, foram aplicadas em ciclos que simulavam as condições reais de uso das ferramentas de conformação. A pesquisadora estudou especificamente modelos feitos de um aço com carbonetos de nióbio, uma liga de alto potencial no mercado por sua resistência. “Esse tipo de estudo é relevante para suprir a demanda crescente de produção nas indústrias que exige mais dos equipamentos e das ferramentas que, consequentemente, se desgastam mais”, afirma.
As características da superfície dos corpos de prova com nucleação de trincas foram observadas cuidadosamente ao longo do trabalho, e, nos ensaios de fadiga térmica variaram-se quatro condições: temperatura máxima, velocidade do aquecimento, dureza do material e atmosfera. Além disso, ensaios de oxidação, fenômeno ao qual as ferramentas estão sujeitas durante o uso, também ocorreram. Os danos durante e pós-ensaios foram avaliados a cada mil ciclos em um microscópio óptico e eletrônico e também por tomografia de raios-X para a caracterização das trincas.
Ao final do trabalho, Ana Paola, que é pesquisadora no Laboratório de Processos Metalúrgicos do Instituto de Pesquisas Tecnológicas (IPT), percebeu que é essencial estudar a fadiga térmica sempre em conjunto com a oxidação. As chamadas trincas secundárias, que ficam restritas à camada de óxido do corpo de prova são diferentes das principais, que levam o material a falhar.
As duas, porém, estão relacionadas. Por meio de ensaios, a pesquisadora descobriu que a formação de uma malha secundária de trincas acelera a nucleação das trincas principais. A pesquisa, que está inserida no projeto Sistema avançado para projeto de ligas aplicadas em conformação a quente do IPT, concluiu ainda que os carbonetos de nióbio que estão na microestrutura do material formam áreas de concentração de tensão e de oxidação que contribuem para a diminuição do tempo de vida útil das ferramentas.
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