UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA – DEM PROGRAMA DE PÓS–GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS–PGCEM

  

UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC

CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA – DEM

PROGRAMA DE PốSỐGRADUAđấO EM CIÊNCIA E

  

ENGENHARIA DOS MATERIAIS–PGCEM

  Formação: Mestrado em Ciência e Engenharia dos Materiais DISSERTAđấO DE MESTRADO OBTIDA POR

  Ricardo Kirchhof Unfer

  

CONSTRUđấO E TESTES DE MÁQUINA DE ENSAIOS DE

TORđấO PLÁSTICA PARA LEVANTAMENTO DO

COMPORTAMENTO PLÁSTICO DE METAIS

  Apresentada em 26 / 03 / 2004 perante a Banca Examinadora: Dr. José Divo Bressan PRESIDENTE (UDESC/CCT) Dr. Hazim Ali Al-Qureshi (Depto de Engenharia de Materiais/UFSC).

  Dr. Sérgio Tonini Button (Depto de Engenharia de Materiais/UNICAMP).

  UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA – DEM PROGRAMA DE PốSỐGRADUAđấO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS–PGCEM DISSERTAđấO DE MESTRADO Mestrando: RICARDO KIRCHHOF UNFER – Engenheiro Mecânico

  Orientador: Prof. Dr. JOSÉ DIVO BRESSAN CCT/UDESC – JOINVILLE

CONSTRUđấO E TESTES DE MÁQUINA DE ENSAIOS DE TORđấO PLÁSTICA PARA LEVANTAMENTO DO COMPORTAMENTO PLÁSTICO DE METAIS

  DISSERTAđấO APRESENTADA PARA OBTENđấO DO TễTULO DE MESTRE EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS DA UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA, CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT, ORIENTADO PELO PROF. DR. JOSÉ DIVO BRESSAN.

UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA - UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT COORDENAđấO DE PốS-GRADUAđấO Ố CPG ỀCONSTRUđấO E TESTES DE MÁQUINA DE ENSAIOS DE TORđấO PLÁSTICA PARA LEVANTAMENTO DO COMPORTAMENTO PLÁSTICO DE METAIS”

  por

  Ricardo Kirchhof Unfer Essa dissertação foi julgada adequada para a obtenção do título de

  MESTRE EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS

  na área de concentração " Metais ", e aprovada em sua forma final pelo CURSO DE MESTRADO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS

  DO CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DA UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA

  Dr. José Divo Bressan (Presidente)

  Banca Examinadora:

  Dr. Hazim Ali Al-Qureshi UFSC Dr. Sérgio Tonini Button Unicamp FICHA CATALOGRÁFICA NOME: UNFER, Ricardo.

  DATA DEFESA: 26/03/2004 LOCAL: Joinville, CCT/UDESC NÍVEL: Mestrado Número de ordem: 36 – CCT/UDESC FORMAđấO: Ciência e Engenharia dos Materiais ÁREA DE CONCENTRAđấO: Metais

  CONSTRUđấO E TESTES DE MÁQUINA DE ENSAIOS DE TORđấO

TÍTULO:

PLÁSTICA PARA LEVANTAMENTO DO COMPORTAMENTO PLÁSTICO DE METAIS

  PALAVRAS - CHAVE: Ensaio de Torção Plástica, Cisalhamento, Deformação, Plasticidade. NÚMERO DE PÁGINAS: 160 CENTRO/UNIVERSIDADE: Centro de Ciências Tecnológicas da UDESC PROGRAMA: Pós-graduação em Ciência e Engenharia dos Materiais CADASTRO CAPES: 4100201600P8 ORIENTADOR: Dr. José Divo Bressan PRESIDENTE DA BANCA: Dr. José Divo Bressan

MEMBROS DA BANCA: Dr. Hazim Ali Al-Qureshi, Dr. Sérgio Tonini Button, Dr. Miguel Vaz

  Junior

  À Deus, especialmente na pessoa de Jesus Cristo, que permitiu a minha chegada até aqui, à minha esposa Daiane Rafaela que sempre me apoiou nos momentos mais difícieis durante esta etapa de minha vida.

  Aos pais que sempre me incentivaram na minha dedicação aos estudos e contínuo aperfeiçoamento. “Mas os que esperam (os que perseveram até o fim) no Senhor renovarão as suas forças.

  Subirão (contínuo crescimento de vida) com asas como águias; correrão e não se cansarão, caminharão e não se fadigarão.”

  

AGRADECIMENTOS

  À Universidade do Estado de Santa Catarina – UDESC, e ao Programa de Pós- Graduação em Ciência e Engenharia dos Materiais do Centro de Ciências Tecnológicas por ter cedido os laboratórios e pela oportunidade da realização do presente trabalho.

  Ao professor, orientador e amigo José Divo Bressan pela dedicação, apoio e competência, tornando-se fundamental na realização deste trabalho durante todo este período em que convivemos juntos.

  À CAPES pela bolsa de estudo concedida. À empresa Proelt Engenharia pelo trabalho da automatização desenvolvido para o funcionamento da máquina de ensaios de torção plástica em especial aos funcionários

  Juliano e Ricardo Pires que ajudaram na concretização deste processo.

  Ao amigo Ricardo Pires pela disposição e atenção dadas neste período durante as extensas discussões quanto a melhor forma do funcionamento da máquina de ensaios de torção plástica.

  Ao Dr. Balancin pela oportinidade de se conhecer o laboratório de conformação mecânica e em especial a máquina de ensaios de torção plástica a quente com seus mecanismos de funcionamento na UFSCAR em São Carlos – SP.

  À todos os professores e colegas mestrandos do Curso de Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais que de forma direta ou indireta contribuíram para a realização deste trabalho.

  Aos colegas Andrei Tramontin pela colaboração do funcionamento da parte mecânica da máquina de ensaios de torção e ao João Tabalipa pela confecção e preparação dos corpos de prova para os ensiaos de torção plástica e tração simples.

  “Mas, como está escrito: As coisas que o olho não viu, e o ouvido não ouviu, e

não subiram ao coração do homem, são as que Deus preparou para os que o amam.”

(Bíblia NT – 1 Coríntios 2 : 9).

  

RESUMO

  O presente trabalho teve como objetivo o desenvolvimento, operação e ensaios de uma máquina protótipo automatizada para a realização de ensaios de torção plástica a frio. O projeto e operação da máquina foram realizados no Laboratório de Conformação Mecânica da UDESC - Joinville (Universidade do Estado de Santa Catarina). Este equipamento consiste de uma máquina horizontal de ensaio de torção por meio do acionamento de um motor elétrico, volante, eixo e um sistema de controle e aquisição de dados.

  A finalidade deste protótipo é realizar ensaios com materiais metálicos a fim de simular o comportamento à deformação plástica que ocorrem nos processos industriais de conformação de metais como na laminação e no forjamento a frio. Os ensaios são realizados com uma rotação constante que impõe uma taxa de deformação de cisalhamento constante. Variando-se as velocidades de deformação dos ensaios (através da mudança da rotação), é possível simular a laminação que utiliza taxas de deformações de 2/s no início do processo ou na etapa de desbaste até uma taxa de 10/s no acabamento final (no caso da laminação a frio). Sendo importante ressaltar que em relação a máquina de torção plástica, é necessário controlar e definir as velocidades de deformação para se obter uma boa repetibilidade de resultados. Através destes ensaios é possível determinar as propriedades mecânicas dos materiais tais como o módulo de elasticidade de cisalhamento (G), tensão limite de escoamento ( τ esc ), tensão máxima ( ), tensão de ruptura ( ), índice de encruamento (n) e coeficiente de

  τ máx τ rup

  sensibilidade à taxa de deformação. Pode-se investigar tanto o comportamento mecânico como o tipo de fratura (dúctil ou frágil) e os mecanismos de ruptura que ocorrem na realização do ensaio de torção plástica.

  No caso do aço SAE 1020, cobre, latão e alumínio recozidos os corpos de prova maciços e ocos (tubular) apresentaram uma fratura dúctil. O número de corpos de prova utilizados para os ensaios de torção plástica para o aço SAE 1020, latão e cobre recozidos foram 2 maciços e 2 ocos (tubulares) e para o alumínio 1 maciço e 2 ocos (tubulares).

  De acordo com os resultados obtidos através da máquina de torção plástica não foi possível simular as mesmas condições de deformação que ocorrem no processamento limitações ocorrem em função da placa (taxa de transferência de 187,5 Kbs) utilizada que apresentou uma baixa taxa de transferência de dados do CLP (controlador lógico programável) para o programa elipse scada. Foi utilizada então uma taxa de deformação de 2/s – 61 rpm (que é similar ao desbaste inicial no processo de laminação a frio) em função da limitação do equipamento de se variar este parâmetro, que se aproximou do desbaste inicial na laminação a frio.

  Para determinação do “m” (sensibilidade a taxa de deformação) utilizaram-se curvas de tensão verdadeira logarítmica versus deformação verdadeira logarítmica obtidos nos ensaios de tração simples considerando uma média de 3 valores de deformação verdadeira para o aço SAE 1020 e alumínio recozidos com os diferentes valores de tensão verdadeira nas

  • 2 -2

  duas taxas de deformações usadas nestes ensaios que foram de 0,17x10 /s e 3,34x10 /s que se mantiveram constates. Para os materiais latão e cobre recozidos as mesmas curvas não apresentaram variação de valores de tensão verdadeira para as duas taxas consideradas, portanto o valor de “m” para estes materiais é zero. Neste caso não foi possível calcular a sensibilidade a taxa de deformação“m” nos ensaios de torção plástica, sendo necessário utilizar os mesmos valores obtidos nos ensaios de tração simples (como ponto de partida para os cálculos de tensão de cisalhamento e deformação de cisalhamento) , onde utilizaram-se 2 corpos de prova para o aço SAE 1020, latão, cobre e alumínio recozidos realizados na máquina universal de ensaios mecânicos.

  Para se determinar as curvas de tensão de cisalhamento versus deformação, tensão equivalente versus deformação equivalente e as equações da plasticidade do aço SAE 1020, latão, cobre e alumínio recozidos, utilizaram-se os valores obtidos da aquisição de dados pelo programa elipse scada gerados em uma tabela contendo torque (Nm) e ângulo de rotação (graus), que por sua vez é convertida para o programa da Microsoft Excel. Através dos valores de torque e ângulo de rotação convertido para o Excel utilizaram-se as equações específicas (de acordo com os capítulos 4 e 5) para os corpos de prova maciços e ocos (tubulares) usados nos ensaios de torção plástica.

  Nas curvas de tensão equivalente versus deformação equivalente observou-se que com a variação da taxa de deformação no aço SAE 1020 realizada nos ensaios de tração simples

  • 3

  (taxa de 1,7x10 /s) e torção plástica (taxa de 2/s) que não apresentou um aumento torção , ver fig. 5.9 ). Já no caso do latão ( ε f : 35% na tração e 15% na torção, fig. 5.10 ), para o cobre (18% na tração e 47% na torção, fig. 5.11) e para o alumínio (10% na tração e 53% na torção, fig. 5.12) todos recozidos. Para os mesmos valores de taxa de deformação do latão, cobre e alumínio apresentaram um aumento significativo no alongamento total na torção, ou seja, estes materiais se deformaram mais antes de atingir a ruptura, embora tenha-se um aumento da velocidade de deformação realizada nos ensaios de torção plástica comparado com a tração simples.

  De acordo com as curvas de torque versus ângulo de rotação para o aço SAE 1020, latão, cobre e alumínio recozidos observou-se que os corpos de prova ocos (tubulares) romperam quase imediatamente após atingirem o torque máxima sendo este o ponto de instabilidade plástica. Ou seja, a ruptura ocorreu imediatamente após atingir o ponto de instabilidade, sugerindo que a ruptura é devido a mecanismo associado a mecânica da instabilidade. Entretanto, existe alguma diferença sutil de comportamento entre os materiais: o cobre e o alumínio tiveram uma pequena deformação extra após o ponto de máximo. Em vista disto, podemos afirmar que no ensaio de torção plástica de metais, também temos a ocorrência do fenômeno da instabilidade e da localização da deformação plástica na estreita faixa da ruptura. Entretanto, praticamente não se observa a formação de uma redução no diâmetro útil dos cdps de torção como ocorre nos cdps de tração simples.

  

Abstract

  A computerized prototype machine for cold torsion testing has been developed, constructed and tested in the Laboratory of Metal Forming at UDESC (University the State the Santa Catarina) - Joinville. The equipment consists of a horizontal torsion machine, employing an electric motor, a wheel, a horizontal axle and a control and acquisition data system.

  The goal of this torsion test machine is to simulate the conditions of industrial processing of metals as cold upsetting and rolling. Experimental tests were carried out at a constant angular speed which imposed a constant shear strain rate to the specimen. Setting the rotation speed to 60 rpm, it was possible to simulate the initial operation stage of sheet metal rolling process which utilizes the strain rate of about 2/s, and by increasing it up to the strain rate of 10/s , the final sheet calibration stage could be simulated (in cold rolling). To attain good repetibility of results in the torsion tests, the angular velocity must be controlled carefully to provide a sound bases for understanding the plotted curves and its features.

  The torsion test has been carried out on materials such as annealed steel 1020, brass, pure copper and pure aluminium. The mechanical behavior of the metallic materials until fracture can be studied considering the rupture type (how for example is the features of ductile and brittle fracture). This test has been used to determine the mechanical properties of those metals after the plastic flow has taken place (as for example τ esc , τ máx , τ rup e “n” work- hardening) that are obtained from the torque (M) versus twist angle ( θ) curves. Thus, from measurements of the torque (M - Nm) and the angle of twist ( θ - degree), it was possible to construct the shear stress ( τ ) versus shear strain ( γ ), equivalent stress ( σ ) versus equivalent strain ( ε ) curves and obtain the work-hardening equations. The obtained results from the cold torsion tests has shown that the machine of plastic torsion is adequate for laboratory simulation of material in cold rolling and forging studies and also for the determination of mechanical properties of metallic materials.

  The observed equivalent stress and equivalent strain curves have shown that the total elongation or strain to fracture has not shown a meaningful increase with the strain rate for ε f

  • 3

  1020 steel performed in simple tensile (strain rate 1,7x10 /s) and plastic torsion (strain rate brass ( ε f 35% in tensile and 15% in torsion, figure 5.10 ); for copper (18% in tensile and 47% in torsion, see figure 5.11) and for aluminium (10% in tensile and 53% in torsion, see figure 5.12), all material were annealed. That is, for the same strain rate conditions as steel, these materials have shown a relevant increase in elongation for torsion test, or these materials have larger plastic strain before arriving fracture, although they have been tested in torsion with a higher strain rate compared with the simple tensile tests.

  According to the torque (M) versus twist angle ( θ) curves for annealed 1020 steel, annealed brass, annealed copper and annealed aluminium, it was observed that tubular specimens have ruptured almost immediately after arriving the maximum torque or the plastic instability point. That is, rupture occurred immediately after the instability point has been attained, suggesting that rupture mechanisms are associated to the mechanics of instability. However, there is a subtile difference of material behavior: copper and aluminium have presented an extra small strain after the point of maximum. In view of this, it can be asserted that in torsion test of metals there is also the occurrence of the instability phenomena and the plastic strain localization in the narrow rupture band. Although, local necking has not been noted as in simple tension test.

  SUMÁRIO

  INTRODUđấO GERAL

  Motivação do trabalho ................................................................................................. 01 Desenvolvimento dos processos de fabricação do aço ............................................... 02

  CAPÍTULO 1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

  1.1. Uma breve história dos metais............................................................................... 09

  1.2. Ensaios mecânicos................................................................................................. 18

  1.3. Torção plástica ...................................................................................................... 23

  CAPễTULO 2. ANÁLISE TEốRICA DO ENSAIO DE TORđấO

  2.1. Introdução.............................................................................................................. 27

  2.2. Modelamento matemático do ensaio de torção de eixos de seção circular .......... 27

  2.2.1. Deformação elástica ................…............................................................... 29

  2.2.2. Deformação plástica.................................................................................... 31

  2.2.3. Efeito da taxa de teformação....................................................................... 40

  2.2.4. Relações úteis de equações de tensão e deformação de cisalhamento........ 42

  2.3. Refinamento da teoria da torção plástica para altas taxas de deformação,

  46 anisotropia e temperatura .............................................................................................

  2.3.1. Desenvolvimento das equações através do método clássico ..................... 47

  2.3.2. Materiais com anisotropia plástica na torção .............................................. 55

  2.4. Influência do tamanho do corpo de prova ........................................................... 58

  2.4.1. Efeito do aumento de volume na torção...................................................... 61

  2.4.2. Resultados experimentais do trabalho de Wu .............................................. 64

  2.5. Critério limite de escoamento................................................................................ 67

  2.6. Análise da instabilidade plástica na torção............................................................ 70

  2.6.1. Ensaio de tração simples

  70

  &

  2.6.1.4. Material com encruamento do tipo σ = σ ( ) ε , ε ............................ 76

  2.6.2. Ensaio de torção plástica............................................................................ 77

  2.6.2.1. Deformações localizadas na torção................................................ 79

  CAPễTULO 3. EQUIPAMENTO DE TORđấO PLÁSTICA

  3.1. Introdução.............................................................................................................. 81

  3.2. Dimensões do equipamento de torção plástica...................................................... 85

  

CAPÍTULO 4. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

  4.1. Introdução.............................................................................................................. 86

  4.2. Materiais .............................................................................................................. 89

  4.3. Ensaio de tração simples (Uniaxial)...................................................................... 101

  4.4. Ensaio de torção plástica ...................................................................................... 109

  CAPÍTULO 5. RESULTADOS E DISCUSSÕES

  5.1. Curvas da plasticidade dos ensaios de torção...................................................... 113

  5.1.1. Gráficos das medições diretas do torque e do angulo de rotação................. 113

  5.1.2. Gráficos de medições indiretas da tensão de cisalhamento versus 118 deformação...................................................................................................................

  5.1.3. Gráficos de medições indiretas da tensão equivalente versus deformação 124 equivalente....................................................................................................................

  5.2. Caracterização das amostras após os ensaios de torção plástica........................... 132

  5.2.1. Identificação da fratura no microscópio eletrônico de varredura (MEV).... 137

  CAPÍTULO 6. CONCLUSÕES

  6. Conclusões................................................................................................................ 140

  7. Sugestões de trabalhos futuros ................................................................................. 145

  ANEXOS .................................................................................................................... 152 A.1. Esquema elétrico do funcionamento da máquina (cap.3) Apêndice ...................................................................................................................... 156 Ap1. Dedução matemática complementar do capítulo 2

  Lista de Símbolos

  a - raio do corpo de prova maciço ou oco (tubular); a

  1 - raio interno do corpo de prova oco (tubular);

  a - raio externo do corpo de prova oco (tubular);

  C - limite de resistência do material; c - constantes das equações de tensão e deformação equivalentes (c 1, c

  2 , c 3 e c 4 ) ;

  E - módulo de elasticidade (modulo de Young); F - força;

  & f - valor médio da f ( ) γ , γ definido pela equação (2.80);

  & - ‘função correção’da forma da curva de escoamento; f ( ) γ , γ f , & - segunda aproximação da f , & , para r = r (equação 5 do apêndice cap.2); 2 ( ) γ γ ( ) γ γ p

  G - modulo de elasticidade de cisalhamento; j k (a,a

  1 ) - Parâmetro definido pela equação 2.81;

  k - índice da equação 2.81; K - limite de escoamento do material (ver figura 2.2b e equação 2.15, 2.16); K – Valor das tensões principais no estado de cisalhamento puro; K( γ z ) limite de resistência do material com encruamento devido o estado tensão de cisalhamento;

  • – θ

  L - comprimento (útil) da seção cilíndrica do corpo de prova; m - sensibilidade a taxa de deformação do material; M - torque; M - torque calculado assumindo uma aproximação inicial para a curva de escoamento (equação 2.84); M - torque normalizado (para o escoamento plástico);

  P

  n - índice de encruamento do material; p - abreviação (p = m + n); r - distancia a partir do eixo do corpo de prova (fig. 2.1 e 2.4); r p - raio crítico; t - espessura da parede do corpo de prova oco (tubular) equação 2.37; x - variação relativa da dimensão x (fig. 2.9); Z - eixo de coordenada (distância a partir do plano médio) do corpo de prova (fig. 2.7); β - constante definida pela equação (2.72); ε - deformação;

  &

  • taxa de deformação; ε ε - deformação equivalente; d ε - incremento de deformação; ε - deformação no início do escoamento plástico; ε

  1 - deformação na direção do eixo x (axial);

  ε

  2 - deformação na direção y;

  3

  • deformação na direção z; ε

  γ - deformação de cisalhamento;

  • deformação de cisalhamento no início do escoamento plástico; γ

  γ& - taxa de deformação de cisalhamento; γ a - deformação de cisalhamento a partir do raio externo r = a (superfície);

  γ& - taxa de deformação de cisalhamento a partir do raio externo do corpo de prova r = a; a

  • deformação de cisalhamento considerando o raio interno do corpo de prova oco (tubular); γ a1

  γ& - taxa de deformação de cisalhamento a partir do raio interno do corpo de prova oco r = a a 1

  1 ;

  p

  • deformação de cisalhamento no raio crítico r (apêndice cap.2); γ p

  (apêndice cap.2); γ& - taxa de deformação de cisalhamento no raio crítico r p p

  • tensão de cisalhamento a partir de uma distância radial r; γ r

  & - taxa de deformação de uma distancia radial r;

  γ r θ - ângulo de rotação;

  • ângulo de rotação por unidade de comprimento (comprimento útil); θ L

  & θ - taxa do ângulo de rotação;

  σ f - limite de escoamento (equação 2.89);

  σ - tensão equivalente; σ - tensão no início do escoamento plástico; σ

  1 - tensão na direção do eixo x (axial);

  σ

  2 - tensão na direção do eixo y;

  σ

  3 - tensão na direção do eixo z;

  τ - tensão de cisalhamento; τ - tensão de cisalhamento no início do escoamento plástico; τ a - tensão de cisalhamento a partir do raio externo r = a; τ

  

2 - segunda aproximação da tensão de cisalhamento (equação 07 do apêndice do cap.2);

  1 Introdução Geral .

Motivação do Trabalho

  Concluir o desenvolvimento de uma máquina para realização de ensaios de torção plástica no laboratório de conformação no departamento de Engenharia Mecânica; Aprender a projetar e utilizar um sistema de aquisição de dados via computador para obtenção das curvas de tensão de cisalhamento versus deformação de cisalhamento em materiais metálicos.

  Estudar o comportamento da deformação plástica a frio de metais, utilizando os ensaios de torção plástica, bem como a determinação das propriedades mecânicas dos mesmos.

Objetivos do Trabalho Montar e operar uma máquina automatizada de ensaio de torção plástica de metais

  Onde faz necessário, simular o comportamento à deformação plástica de ligas metálicas que ocorrem no processamento industrial da laminação e do forjamento a frio com a mesma taxa de deformação (2/s – 61 rpm - no desbaste inicial e 10/s – 300 rpm - no acabamento final como ocorre no processo de laminação de chapas metálicas).

  Comparar as curvas equivalentes do comportamento plástico dos materiais metálicos aço SAE 1020, latão, cobre e alumínio comercialmente puro (todos no estado recozido) nos ensaios de tração simples com os ensaios de torção plástica, considerando diferentes taxas de deformações.

  Determinar os comportamentos elástico e plástico na torção com as seguintes propriedades mecânicas: modulo de elasticidade de cisalhamento (G), limite de resistência do material ( K ), tensão máxima de cisalhamento (

  τ máx), tensão de ruptura ( τ rup), alongamento n

  total ( ε ) e as equações de encruamento ( σ = K(ε ε) ) dos materiais metálicos. +

  t

  2 Introdução Geral .

Introdução Geral O Desenvolvimento dos Processos de fabricação do Aço

  Com o passar do tempo, as empresas siderúrgicas foram evoluindo seus processos de forma a desenvolverem produtos novos como é o caso do processo de laminação. Dentro deste processo desenvolveram aços laminados a quente, que são aços laminados em um laminador de tiras a quente, sendo um produto destinado mais a para indústria automobilística.

  Da mesma forma, desenvolveram-se os aços laminados a frio que são produtos fabricados a partir de laminados a quente por redução a frio da espessura das folhas, sendo destinados para fabricação de fogões, geladeiras.

  Com base nos dados do IBS (IBS, 2001) é possível fazer um comparativo da produção de aço bruto nos anos 2001 e 2002 considerando a porcentagem, bem como a produção efetiva neste período referente aos processos de produção de laminação (produtos planos e longos), semi-acabados (barras ou tarugos) e outros (extrudados, forjados) conforme os gráficos abaixo.

  No ano de 2001 observa-se na figura 1 que a produção de aço laminado no Brasil apresentou uma porcentagem de 67,5% em relação ao ano de 2002 com 64,39%. Observa-se

  3

  que a produção de aço laminado na figura 2 no ano de 2001 foi de 18.0 73 (10 T) e no ano de

  3

  2002 figura 4 apresentou um crescimento para 19.060 (10 T), considerando um aumento no

  3

  3

  mesmo período para os semi-acabados que foi de 7.717 (10 T - 2001) para 8.841 (10 T - 2002) devido ao aumento da produção das siderúrgicas.

  A produção de aço bruto no Brasil durante o ano de 2002 e início de 2003 se manteve em torno de 2500 toneladas conforme pode ser visto na figura 5. A produção de laminados planos no Brasil apresentou um aumento significativo durante o ano de 2002 de 800 para aproximadamente 1100 toneladas de acordo com a figura 6. Neste mesmo período de 2002 a produção de laminados longos teve um aumento de 590 para 700 toneladas (ver figura 7). A produção dos semi-acabados, entretanto, apresentou uma redução de 800 para 690 toneladas

  3 Introdução Geral .

  

Produção de Aço no Brasil (Ano 2001)

Outros Semi - 3,47%

  Acabados 28,88% Laminados 67,65%

  Figura 1- Mostrando a porcentagem da produção de aço bruto no ano de 2001, com os respectivos processos de produção (conforme o Instituto Brasileiro de Siderurgia).

Produção de Aço no Brasil

  3 (10 Toneladas - Ano 2001) Laminados 927 Semi - Acabados Outros 7.717 18.073

  Figura 2 - Produção efetiva de aço bruto no ano de 2001, com valores respectivos de cada Introdução Geral .

  4 Produção de Aço no Brasil (Ano 2002)

Laminados 64,39% Outros 5,75% Semi - Acabados 29,86%

  Figura 3 - A porcentagem da produção de aço bruto no ano de 2002, com os respectivos processos de produção.

Produção de Aço no Brasil (10

  Laminados Semi - Acabados Outros

  3 Toneladas (unid.: 1000 T) Figura 4 - Produção efetiva de aço bruto no ano de 2002, com valores respectivos de cada processo.

Produção Total = 29.604 10

  5 Introdução Geral .

  

Produção de Aço Bruto no Brasil

3.000 2.500 2.000 1.500

   Toneladas) 1.000

  3 (10 500

  Produção de Aço J F M A M J J A S O N D J

  Meses 2002 2003

  Figura 5 - Produção efetiva mensal no período 2002 e início de 2003 da quantidade de aço bruto produzida segundo o Instituto Brasileiro de Siderurgia (IBS).

  

Produção de Laminados Planos no Brasil

1200 1000

  800 600 3 Toneladas) 400 200

   Laminados Planos (unid.: 10 J F M A M J J A S O N D J

  Meses 2002 2003

  Figura 6 - Produção efetiva mensal no período 2002 e início de 2003 da quantidade de Laminados Planos (chapas metálicas, laminados a frio, laminados galvanizados, entre outros) produzida segundo o Instituto Brasileiro de Siderurgia (IBS).

  6 Introdução Geral .

  Produção de Laminados Longos no Brasil 800 700 600 500 400 300 200 100

  Laminados Longos (unid.: 10 Toneladas) J F M A M J J A S O N D J

  Meses 2002 2003

  Figura 7 - Produção efetiva mensal no período 2002 e início de 2003 da quantidade de Laminados Longos (barras, tarugos, hastes, produtos estruturais), produzida segundo o Instituto Brasileiro de Siderurgia (IBS).

  Produção de Semi-Acabados no Brasil 900 800 700 600 500

   Toneladas)

  3 400 300 200

   Semi-Acabados 100

  (unid.: 10 J F M A M J J A S O N D J

  2002 2003 Meses

  Figura 8 - Produção efetiva mensal no período 2002 e início de 2003 da quantidade de Semi-Acabados (barras que são utilizadas por processos de laminação a frio para se obter produtos de tamanhos menores, como tarugos, barras, tubos e etc.), produzida segundo o

  7 Introdução Geral . O aço bruto após a sair do forno em barras ou tarugos com tamanho desejado é utilizada por alguns processos como laminação a frio ou a quente, trefilação, extrusão para se obter alguns produtos como chapas de várias espessuras, barras quadradas e circulares de tamanho menor, onde são vendidas pelo mercado nacional e internacional. Destes processos, um dos mais utilizados é a laminação, onde podem ser obtidos produtos como laminados planos(que são chapas metálicas) e laminados longos (que podem ser hastes, barras e produtos estruturais). Dentre estes produtos existe um mercado que utiliza em grande quantidade as chapas metálicas que são usadas de forma significativa nas empresas que produzem refrigeradores, ou também conhecida como a linha branca que engloba um grande número de produtos de uso doméstico, sendo também usado na indústria automobilística, aeronáutica, naval entre outras. Como matéria prima para a fabricação desta variedade de produtos em segmentos diferentes utilizam-se as bobinas de aço que são vendidas para mercado mundial.

  Nestes últimos 2 anos (de acordo com o Instituto Brasileiro de Siderurgia – IBS) a variação do preço mundial das bobinas de aço tem apresentado um aumento significativo com a política econômica atual devido aos interesses internacionais que utiliza o Dolar (U$) como moeda oficial para negociações, mantendo assim os monopólios das empresas produtoras de aço no Brasil e nos principais países produtores de aço como China, U.E., Japão, C.E.I., E.U.A entre outros.

  Através disso as bobinas laminadas a frio apresentaram um aumento de preço médio no mercado internacional de janeiro de 2002 a janeiro de 2003 de 37,2%. Já o caso das bobinas laminadas a quente obtiveram um aumento médio no mercado mundial no mesmo período de 41% (conforme das divulgados pelo Instituto Brasileiro de Siderurgia - IBS).

  Desta forma o a produção de aço mundial no período de 2001 e 2002, apresentou variações significativas com relação ao preço das bobinas de aço que pode ser vistos nos gráficos abaixo.

  8 Introdução Geral .

  Evolução Mundial do Preço da Bobina Laminada a Frio 450 400 350 300 250 200 150 100

Aço em U$/ Tonelada

  J F M A M J J A S O N D J F M A M J J A S O N D J

Meses

  2001 2002 2003

  Figura 9 - Preço da bobina de aço laminado a frio nos últimos 2 anos no mercado mundial em U$ por tonelada.

  Evolução Mundial do Preço da Bobina Laminada a Quente 400 350 300 250 200 150 100

  50 de Aço em U$/ Tonelada Preço Mundial da Bobina

  J F M A M J J A S O N D J F M A M J J A S O N D J

Meses

  2001 2002 2003

  Figura 10 - Preço da bobina de aço laminado a quente nos últimos 2 anos no mercado mundial em U$ por tonelada

  

Capítulo I - Revisão Bibliográfica

1 – Introdução 1.1 – Uma breve história dos metais

  O conhecimento das propriedades, transformação e uso das matérias primas minerais apresenta tal grau de importância na história da evolução das sociedades humanas que foi eleito como um marco definidor do estágio de desenvolvimento de uma determinada cultura e das civilizações em geral, como na idade da pedra, do bronze, do ferro, etc..

  Num primeiro momento, a necessidade e o instinto de sobrevivência levaram o homem a utilizar-se dos materiais da forma como são encontrados na natureza, tornando-os uma extensão natural do seu próprio corpo, confeccionando ferramentas e armas, multiplicando assim sua força e superando as limitações impostas por sua própria anatomia.

  A partir de uma atenta observação, o homem começa a modelar objetos com formas e funções específicas, dando o primeiro grande passo no sentido de ordenar e classificar o universo, ou seja, o ambiente a sua volta. Desta forma, a sua sobrevivência, a guerra, o poder e a vontade de saber passam, então, a apresentar maior ou menor intensidade fazendo parte integrante do desenvolvimento da humanidade.

  Antes do término do estágio da civilização denominada Idade da Pedra, este pesquisador primitivo que já havia inventado a roda e descobrira o método para fazer fogo, produz os primeiros utensílios de cerâmica. Assim, ao ter que buscar a proporção certa de argila água e calor para a confecção de objetos com composição e características específicas, dá início a transformação de materiais. O fogo, então, teve uma grande importância para o início da Idade dos Metais. Presume-se, que com seu uso, tenha ocorrido casualmente a fusão de alguns metais existentes nas rochas, utilizadas em um fogão rústica . É através deste período que o homem descobre a existência de metais na natureza. Sendo o cobre o primeiro

  Já no caso dos metais ferrosos eram constituídos principalmente de ferro. Existiam porém 2 fontes de metais ferrosos disponíveis no solo do planeta para que o homem pudesse utilizar para desenvolver seus objetos de uso pessoal ou de defesa. Estas fontes eram: o meterioto de ferro, minério de ferro nativo (Telluric Iron).

  O ouro, o cobre, o estanho, a prata, e mesmo o ferro proveniente de meteoritos começam a ser utilizados em diferentes momentos e por diversos povos pré-históricos. O cobre por sua vez era obtido a partir da redução de minérios de ferro, onde através de um processo rústico de aquecimento atingia o estado líquido, sendo um produto extremamente importante para a época, podendo ser moldado em formas dando origem a adornos ou objetos de uso diário.

  Na antiguidade, o uso de metais ferrosos utilizado pelo homem eram encontrados de forma fragmentada nas inscrições dos monumentos, palácios e túmulos que sobreviveram a fim de cada civilização antiga como a Assíria, Babilônia, Egito, Pérsia, China e mais tarde Grécia e Roma. Com o aumento dos registros arqueológicos escritos foram descobertas ferramentas atuais de metais e ornamentos usados por muitas pessoas da antiguidade, tal como implementos e jóias em muitas partes do mundo de que se tem algum registro da história da humanidade.

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