Análise teórica e numérica do processamento não isotérmico de materiais via a técnica de prensagem em canais equiangulares

Abstract

A técnica de prensagem em canais equiangulares caracteriza­se por atribuir níveis elevados de deformação plástica, em condições de cisalhamento simples, aos materiais processados em razão de considerável refinamento microestrutural observado. As amostras, na forma de tarugos maciços, são forçadas a se deslocar no interior de uma matriz composta por dois canais transversais idênticos interceptados a um ângulo Φ geralmente igual a 90º e, justamente na região de ligação entre tais canais, o material é deformado permanentemente por cisalhamento. Neste contexto, considerando­se as propriedades termomecânicas de uma liga de alumínio Al 7050, obtidas por compressão a quente e ajustadas pelo modelo de encruamento de Peirce, foram propostos modelos analíticos bidimensionais baseados no método do limite superior e combinados à equação do calor adiabático, capazes de fornecer previsões consistentes de força de prensagem, deformação plástica efetiva e temperatura final da amostra após um único passe e para distintas configurações geométricas do ferramental e velocidades de processamento. Buscando validar as soluções analíticas, foi proposto um modelo numérico de elementos finitos, aproximado à condição de deformação plana, por meio do programa comercial Ansys 14.0. Assim, adotando­se uma matriz com canais interceptados a 90º e desprovida de raios de adoçamento, avaliou­se a evolução térmica do sistema peça­ferramental considerando­se o ferramental e a amostra a 300ºC. A velocidade de prensagem foi mantida constante e igual a 10 mm/s e empregou­se a condição de lubrificação ideal. Ainda, o critério de plasticidade de von Mises foi utilizado nos modelos analíticos e numéricos para a descrição do comportamento plástico da liga Al 7050. A partir dos modelos analíticos propostos, foi possível observar, de forma consistente, o aumento da carga de prensagem, deformação plástica efetiva e temperatura final do corpo­de­prova para em razão ora do aumento da velocidade de prensagem ora da geometria da matriz ( Φ ≤ 90º e inclusão do raio interno de adoçamento). Por outro lado, houve um decréscimo destas previsões para 90º ≤ Φ ≤ 135º e na presença de raios externos de adoçamento. Por fim, o modelo numérico construído permitiu observar a distribuição das deformações plásticas efetivas e temperatura ao longo da superfície deformada do tarugo e possibilitou a validação das soluções analíticas propostas em termos de previsões máximas de carga de prensagem, deformação plástica efetiva e temperatura final. Assim, foi possível concluir que os modelos analíticos e numérico propostos no presente trabalho foram capazes de reproduzir o comportamento termomecânico macroscópico de metais processados a quente por um único passe de prensagem, em especial a liga Al 7050.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e TecnológicoThe technique of equal­channel angular pressing, ECAP is characterized by subjecting materials to elevated levels of plastic deformation through simple shear strain to observe the refined ultrafine grain size. Samples, in the shape of a billet, are forced through the interior of a die composed of two identical transversal channels intercepted at an angle Φ equal to 90°, and at the region of the interception of the channels, the material is permanently deformed through simple shear strain. In this context, considering the thermodynamic properties of an aluminum alloy, Al 7050, obtained through heat compression and adjusted to the strain hardening model of Peirce, twodimensional upper bound analytical models were proposed and combined with a adiabatic heat equation that were capable of supplying consistent predictions of pressing force, effective plastic deformation and final temperature of the sample with a single pass through the die and for distinct geometric configurations of the die and processing speeds. A numerical model of finite elements approximate to the state of plane deformation using the program Ansys 14.0 was used to validate the analytical solutions. Thus, a die with channels intercepting at 90° without fillet radii was adopted and the thermal evolution of the sample and the die was evaluated to 300°C. The pressing speed was maintained constant and equal to 10mm/s and ideal lubrification was employed. Also, the von Mises yield criterion was utilized on the analytical and numerical models for the description of the plastic behavior of the Al 7050 alloy. From the analytical models processed, it was possible to consistently observe the increase of pressing load, effective plastic deformation and final temperature of the test specimen, sometimes from the increase of the pressing speed or sometimes from the geometry of the die (Φ ≤ 90º and the inclusion of an internal fillet radius). On the other hand, there was a decrease in the prediction to 90º ≤ Φ ≤ 135º and with an external fillet radius. Finally, the numerical model constructed permitted the observation of the distribution of the plastic deformations and temperature along the deformed surface of the billet and made possible the validation of the analytical solutions proposed in terms of maximum predictions of pressing loads, effective plastic deformation and final temperature. Thus, it was possible to conclude that the analytical and numerical models proposed in the project were able to reproduce the thermal­mechanical and macroscopic behavior of hot worked metals with single pressings, in particular the Al 7050 alloy.137 p