6. Texturas em Produtos Conformados



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6. Texturas em Produtos Conformados


Esse item baseia-se nos textos de BARRET e MASSALSKI (1.966), capítulos 2, 9, 20 e 21, HONEYCOMBE (1.984), capítulo 12, BRESCIANI, parte 2, capítulo 5, DIETER, item 6.17 e REED-HILL, itens 1.15 a 1.20.


6.1 Introdução
A existência de orientações preferenciais de grãos cristalinos em materiais metálicos obtidos em determinados processos por conformação plástica, denomina-se textura. BARRET (capítulos 2 e 9) apresenta alguns métodos para detectar e especificar a presença de texturas.

REED-HIILL, itens 1.15 a 1.20, descreve a técnica de projeção estereográfica muito utilizada para representação de planos e direções cristalográficas.

As texturas obtidas dependem do tipo de material trabalhado, do processo empregado, bem como da temperatura de deformação.

A grande importância da texturização de materiais metálicos reside na influência desta sobre as propriedades dos produtos conformados, relacionando-se diretamente com o conceito de isotropia.

Materiais com estruturas uniformes compostas por grãos finos e com orientação aleatória apresentam propriedades similares independentemente da direção principal de ensaio. Já materiais texturizados são anisotrópicos, ou seja, suas propriedades são fortemente dependentes da direção.

Um exemplo em que é vantajoso obter-se um material anisotrópico é a fabricação de chapas de aço para núcleos de transformadores elétricos. Nesse caso, a textura ideal é aquela em que a maioria dos grão apresentam a direção [100] e o plano (100) respectivamente na direção e no plano de laminação. Para essa textura, existe uma maior facilidade de magnetização dos núcleos.

Há também o aspecto desvantajoso da texturização, como é o caso do surgimento de defeitos (“orelhas”) em copos embutidos a partir de chapas texturizadas.
6.2 Desenvolvimento de texturas por deformação a frio
Ao ser deformado plasticamente, um material policristalino tem modificadas a forma e a orientação cristalina dos grãos que o compõem. Essas mudanças desenvolvem-se com a continuidade do processo até atingir-se uma textura definitiva e estável.

Num ensaio simples, como o de tração uniaxial de um monocristal, a direção de deslizamento gira durante a deformação até aproximar-se do eixo de solicitação, e sob compressão, a direção de deslizamento gira até tornar-se normal ao plano de compressão.

Situação semelhante ocorre com grãos individuais de metais policristalinos, porém, submetidos a estados de tensão bem mais complexos, mesmo quando solicitados num simples ensaio de tração, devido à interação existente entre os grãos cristalinos.

O tipo de textura presente após a deformação depende das características do material trabalhado (entre elas, a existência de uma textura prévia) e principalmente, da forma como se dá o escoamento, que está diretamente relacionado aos estados de tensão a que se submete o material ao longo do processo.

Também a temperatura empregada é fator importante, especialmente quando for suficiente para provocar recristalização.

A tabela 6.1 extraída de HONEYCOMBE, p. 327, apresenta algumas texturas de acordo com a estrutura cristalina do metal e o tipo de processo utilizado.


Tabela 6.1 - Texturas produzidas por deformação a frio





Estrutura cristalina



Processos


Textura


cfc

Trefilação e Extrusão




<111>

<100>


Paralela ao eixo do fio




ccc

Trefilação e Extrusão




<110>

Paralela ao eixo do fio




hc

Trefilação e Extrusão




<1010>

Paralela ao eixo do fio




cfc

Laminação


{110}


<112>

Paralela ao plano de laminação

Paralela à direção de laminação



ccc

Laminação


{001}


<110>

Paralela ao plano de laminação

Paralela à direção de laminação



hc

Laminação



{0001}


<1120>

Paralela ao plano de laminação

Paralela à direção de laminação


Nota-se que os processos mencionados são aqueles em que há uma direção preferencial de escoamento (trefilação, extrusão e laminação).

Algumas observações importantes a respeito da texturização:


  1. a presença de grãos alongados não necessariamente implica na existência de textura;




  1. ao analisar-se detalhadamente a textura de um metal, pode-se determinar os tratamentos termo-mecânicos a que foi previamente submetido;




  1. controle de texturas pode ser feito pela escolha adequada de etapas de conformação e recozimento;




  1. materiais com gradientes de tensões e deformações podem apresentar texturas diferentes para diferentes regiões analisadas;




  1. idealmente, a simetria de textura relaciona-se com a simetria das deformações principais. Na prática, fatores diversos como por exemplo, uma distribuição irregular de precipitados pode modificar tais simetrias;




  1. como a textura depende do estado de tensão e do modo de escoamento, ela não pode ser associada à geometria do produto obtido. Por exemplo, um cilindro obtido por extrusão apresenta textura, o mesmo não ocorre com um cilindro semelhante obtido por forjamento radial;




  1. comportamento de um monocristal em relação à texturização não é necessariamente idêntico ao do material policristalino, devido à interação mútua dos grãos através de seus contornos;




  1. um material deformado pode apresentar texturas simples como mostradas na tabela 6.1 ou texturas complexas que exigem a representação por figuras de pólo;




  1. a anisotropia de propriedades mecânicas é afetada pela textura, bem como pela presença de inclusões, vazios, trincas e contornos de grãos orientados, o que se denomina “fibração mecânica”. Também a presença de tensões residuais localizadas pode afetar a anisotropia.


a) Texturas fibrosas
São características de processos onde as deformações ocorrem por solicitação uniaxial como a extrusão e a trefilação de fios e barras, onde os grãos apresentam-se alongados na direção axial.

Esse tipo de textura é caracterizado por direções cristalográficas de baixo índices de Miller paralelas à direção axial e outras direções distribuídas com probabilidades iguais ao redor da direção principal, configurando uma simetria “rotacional” ou “cilíndrica”.

Algumas variações a partir da textura fibrosa simples são apresentadas a seguir:


  1. um espalhamento na orientação em redor de uma textura ideal;




  1. uma mistura de grãos ou sub-grãos orientados, aleatoriamente distribuídos entre os grãos texturizados;




  1. composições de duas ou mais texturas ideais, designadas como duplas, duplex ou múltiplas;




  1. texturizada por camadas, com texturas diferentes nas camadas externas em relação às internas, devido a gradientes de deformação;




  1. textura espiral consistindo de um arranjo de fibras, inclinado e distribuído em relação à direção axial com simetria rotacional.

No caso de metais ccc a direção principal é a direção <110>.

Já materiais cfc apresentam textura dupla ou “duplex”, com duas direções paralelas ao eixo, <111> e <100>. A direção <111> predomina em materiais de alta EDE e a direção <100> nos metais cfc com baixa EDE, como mostrado na figura 6.1 Porém, como pode ser observado, existem algumas exceções cujo comportamento não está devidamente explicado (ligas de Co e Cu-Al).

Figura 6.1 - Porcentagem de textura <100> em função da EDE
Os metais hc têm seus planos basais rotacionados até que contenham a direção axial que será então paralela à direção do plano basal <1010>.

A temperatura empregada no processo exerce grande influência sobre a textura de produtos extrudados. Por exemplo, o alumínio apesar de ter elevada EDE e conseqüentemente orientação preferencial em <111>, com o aumento da temperatura de extrusão passa a apresentar quantidades maiores de grãos orientados em [001]. Essa orientação é normalmente atribuída ao processo de recristalização.

Os processos de laminação e forjamento rotativo de fios fornecem texturas que no centro dos produtos são semelhantes às formadas por trefilação.

Porém nas camadas mais externas, surgem outras orientações com a inclinação das fibras variando entre 8 e 10o de acordo com o processo empregado.


b) Texturas de laminação
As texturas obtidas por laminação apresentam além de uma direção preferencial paralela à direção de laminação, também um plano de baixos índices de Miller paralelo ao plano de laminação.

Como no caso de textura fibrosa, também há um espalhamento ao redor da orientação ideal. Esse espalhamento é tanto menor quanto maior a deformação provocada.

Metais cfc apresentam uma textura de laminação predominante, com {110} no plano de laminação e <112> na direção de laminação. Outras texturas secundárias podem estar presentes como no caso do cobre ({112}<111>). Já para os metais ccc, a orientação predominante é a {001}<110>. Como no caso dos cfc outras texturas como {112}<110> e {111}<112> também estão presentes.

Metais hc apresentam o plano basal paralelo ao plano de laminação e a direção compacta [1120] paralela à direção de laminação.


c) Texturas de compressão
Metais cfc comprimidos axialmente apresentam uma textura do tipo [110] ou seja, em que a diagonal da face é paralela ao eixo de compressão e normal ao plano de compressão. Essa textura é bem simplificada pois como já descrito, há sempre uma distribuição de grãos com orientação próximos a essa direção predominante (algo em torno de 10o).

Metais ccc apresentam texturas de compressão [111] como direção predominante e em menor quantidade a direção [100].

Metais hc apresentam textura de compressão em que o eixo do hexágono é paralelo à direção de compressão. Como nos outros tipos de textura, a de compressão dos metais hc é fortemente definida pela presença de maclação.
6.3 Influência do recozimento na texturização
O tratamento térmico de recozimento apresenta uma influência preponderante sobre a texturização, sendo que em muitos casos a texturização por recristalização é mais pronunciada do que aquela observada após a deformação.

A possibilidade de modificar a textura ou mesmo eliminá-la apresenta elevada importância prática pois permite controlar as propriedades mecânicas e físicas dos produtos recozidos.

A texturização durante o recozimento pode ocorrer devido:


  • ao rearranjo das discordâncias no interior dos grãos deformados, durante a recuperação, o que acabaria somente reproduzindo a textura prévia;

  • à recristalização primária dos grãos deformados e,

  • à recristalização secundária ou crescimento de grãos recristalizados.

O tipo e a quantidade de texturas de recristalização presentes dependem das características do material recozido e principalmente das condições do tratamento térmico empregado: composição química, história térmica (tempo e temperatura) e mecânica prévia, história térmica e atmosfera durante o recozimento, os tamanhos de grão ao longo das diversas etapas de conformação e recozimento e a presença de agentes nucleantes.


6.3.1 Desenvolvimento das texturas de recozimento
Há dois mecanismos para a formação das texturas de recozimento:


  • a existência de núcleos já orientados no metal deformado, formados a partir de sub-grãos deformados: os sub-grãos que dão origem aos núcleos apresentam-se geralmente em locais em que a força motriz para crescimento é grande;

  • crescimento orientado dos núcleos em direções cristalográficas específicas, para as quais esse crescimento é mais acentuado do que o verificado para os núcleos formados em outras regiões.

Assim, uma observação importante é a de que a textura de recristalização é tanto mais pronunciada quanto mais definida for a textura de deformação.

Fios de metais cfc geralmente retêm a textura fibrosa de deformação ([111][100]) quando recristalizados.

O uso de temperaturas elevadas de recozimento tende a gerar novas texturas ou mesmo eliminá-las, como é o caso de fios de alumínio comercialmente menos puro, recozidos a 550 oC. O alumínio comercial mais puro extrudado e recozido entre 350 e 550 oC apresenta uma menor quantidade da orientação [111], sendo preponderantes as orientações entre [103] e [113].

A 600 oC ocorre a recristalização secundária com preponderância das direções [103] e [113].

Os fios de metais ccc que têm [110] como textura de deformação, tendem a reter essa textura sob recristalização primária, porém sob recristalização secundária, outras orientações preferenciais podem estar presentes.

Já os metais hc apresentam fios com textura de recristalização [] retida da textura de deformação. Porém, o titânio e o zircônio apresentam a passagem de [] para [] sob recristalização primária.

Um exemplo importante de textura de recristalização é a textura “cúbica” {100}<001> observada em muitos metais de estrutura cfc, obtida por recristalização posterior à laminação a frio de chapas.

Na textura cúbica um plano de face do cubo (100) apresenta-se paralelo ao plano da chapa e uma aresta do cubo [001] é paralela à direção de laminação.

Quando totalmente desenvolvida, essa textura fornece ao material uma característica de “monocristal contendo subgrãos” com pequenas quantidades de material rotacionadas em relação à direção principal.

Metais como o cobre, ouro, alumínio e ligas como Fe-Ni apresentam esse tipo de textura. Já no cobre ligado (zinco, estanho) está presente a textura {113}<211>, caracterizada como “textura do latão”.

A figura 6.2 mostra a projeção estereográfica característica de um textura cúbica para a liga Fe-Ni.




Pólo {100}

Fe50Ni


T = 1100 oC

Figura 6.2 - Projeção estereográfica de uma liga Fe-Ni.
Já a figura 6.3 mostra a influência da deformação prévia sobre a textura de recristalização do cobre 99,96%, onde observa-se o crescimento da porcentagem de grãos com orientação cúbica com o aumento do grau de deformação prévio.

Redução percentual por laminação

Temperatura de recozimento

Cobre

Figura 6.3 - Relação entre a porcentagem de textura cúbica e a deformação prévia.


O cobre apresenta textura preponderante {112}<111> quando fortemente deformado a frio, com traços de textura {100} <001>. Assim, no caso do cobre, o desenvolvimento da textura cúbica de recristalização será acelerado pela nucleação nas regiões com textura prévia cúbica, crescendo sobre as demais regiões com orientação {112} <111>.

O crescimento dos grãos recristalizados nessas orientações preferenciais relaciona-se à mobilidade dos contornos de grão entre a orientação de recristalização e a textura de deformação.

O desenvolvimento da textura cúbica em metais cfc como o cobre, é acentuado por graus de deformação elevados, granulação fina e altas temperaturas e tempos de recozimento.

Já a presença de fatores que inibam o crescimento dos núcleos durante o recozimento levarão à obtenção de produtos não texturizados, como é o caso da precipitação de partículas finas, que previnem o crescimento e fazem com que a textura de deformação predomine.

Para o alumínio, o uso de grandes deformações faz com que a textura de laminação seja retida, o que pode ser explicado pelo fato de que no caso do alumínio (alta EDE), a recuperação prepondera, inibindo completamente a etapa de recristalização primária.

Chapas laminadas e recozidas de metais ccc podem apresentar texturas (111)[], (001)[] a 15o de DL e (112) [] também a 15o de DL, sendo a terceira a menos predominante entre as três.

chapas de metais hc tendem a reter as texturas de laminação (0001)[] quando recristalizadas.
6.3.2 Texturização na recristalização secundária
A continuidade do recozimento, elevando-se a temperatura no tratamento de estruturas já recristalizadas, faz com que alguns poucos grãos cresçam preferencialmente absorvendo o restante da matriz e aumentando o tamanho de grão da estrutura resultante.

A textura observada nessa estrutura apresenta-se relacionada com a textura recristalizada, girada de ângulos determinados, como por exemplo 38o em relação ao eixo <111> no caso do cobre e do alumínio.

O crescimento de grãos depende da textura de recristalização prévia; caso ela não seja predominante, a orientação preferencial dos grãos é diminuída e dessa forma, reduz-se a força motriz para a recristalização secundária.

Por outro lado, a presença de precipitados finos com dispersão concentrada acelera a recristalização secundária, pois restringem o crescimento generalizado dos grãos a um pequeno número de orientações favoráveis energeticamente.

Um exemplo dessa influência é a textura de recristalização secundária {110} <001> presente na liga Fe-Si que é fortemente dependente de uma fina dispersão de precipitados na matriz, independentemente do tipo de precipitado presente, seja sulfeto de manganês, silica, nitreto de silício ou outros nitretos e carbonetos.
6.4 Anisotropia de propriedades mecânicas
A presença de textura num metal deformado e/ou recozido faz com que apresente propriedades mecânicas diferentes quando solicitado em direções distintas. Esse aspecto apresenta elevada importância no caso de chapas metálicas que normalmente após laminadas e recozidas sofrem um processo de conformação por estampagem.

O comportamento anisotrópico pode ser vantajoso ou desvantajoso de acordo com a aplicação desejada. Por exemplo, numa mesma situação qual seja, o embutimento profundo de copos, a presença de textura pode ser indesejável pois leva à formação de “orelhas” nas bordas da peça embutida, ou por outro lado, pode ser necessária para garantir que o material apresente-se mais resistente na direção da espessura do que no plano da chapa a fim de que não falhe devido à ruptura por estricção.

Como pode-se perceber, torna-se extremamente importante e necessário que se conheça os aspectos metalúrgicos e mecânicos que conduzem à obtenção de uma textura adequada à aplicação posterior do produto conformado, no caso laminado.

A figura 6.4 apresenta a variação das propriedades mecânicas de resistência e ductilidade de acordo com a direção de extração dos corpos-de-prova em relação à direção de laminação.




Ângulo de extração do corpo-de-prova (graus)

Cobre laminado

Textura {100},001>


Figura 6.4 - Variação das propriedades mecânicas em função da direção de extração do corpo-de-prova.


A fim de avaliar a influência da anisotropia no processo de embutimento de chapas, define-se o coeficiente de anisotropia normal R que relaciona as deformações provocadas na largura e na espessura de um corpo-de-prova submetido à tração.

onde

e
com w0 e t0 como largura e espessuras iniciais e

w e t como largura e espessura após um dado alongamento
Ao extrair-se corpos-de-prova orientados a 0o, 45o e 90o em relação à direção de laminação, obtém-se R, R45º e R90º.

Com esses valores pode-se determinar o coeficiente de anisotropia médio e o coeficiente de anisotropia planar :




Para metais não texturizados que apresentam grãos pequenos, pode-se assumir a condição quase isotrópica, assim:
R= R45º = R90º =1
o que fornece = 1 e = 0.

Já metais texturizados podem apresentar Rmaior que 1 na situação em que a direção de maior resistência à deformação é a da espessura e no caso oposto, valores menores que 1.

A condição mais adequada para embutimento profundo é aquela em que os valores de Rsão elevados, de tal forma que se alcance profundidades elevadas de embutimento sem ocasionar ruptura, como mostrado na figura 6.5. Ao mesmo tempo, deve-se obter valores reduzidos de a fim de minimizar o efeito de formação de “orelhas”.

R

Al

Latão

Aço Inox

Aço carbono

Ti

Figura 6.5 -Relação entre a profundidade de embutimento e o coeficiente de anisotropia médio.


BRESCIANI, p. 329, destaca alguns aspectos importantes do controle da textura de chapas de aço laminadas e recozidas, utilizadas na estampagem de peças metálicas.






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