UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica DEM/POLI/UFRJ ESTUDO DAS FORÇAS DE USINAGEM E DA RESISTÊNCIA MECÂNICA DO TITÂNIO PURO PROCESSADO POR EXTRUSÃO ANGULAR EM CANAL Fernanda de Castro Monte Schröder PROJETO FINAL SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO MECÂNICO. Aprovado por: ________________________________________________ Prof. Anna Carla Monteiro de Araújo (Orietador) ________________________________________________ Prof. Daniel Alves Castello ________________________________________________ Prof. Fernando Pereira Duda ________________________________________________ Prof. Juan Carlos Garcia de Blas ________________________________________________ Fábio de Oliveira Campos (Coorientador) RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL AGOSTO DE 2014
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estudo das forças de usinagem e da resistência mecânica do titânio ...
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica
DEM/POLI/UFRJ
ESTUDO DAS FORÇAS DE USINAGEM E DA RESISTÊNCIA MECÂNICA DO
TITÂNIO PURO PROCESSADO POR EXTRUSÃO ANGULAR EM CANAL
Fernanda de Castro Monte Schröder
PROJETO FINAL SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO
DE ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS
REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE
ENGENHEIRO MECÂNICO.
Aprovado por:
________________________________________________ Prof. Anna Carla Monteiro de Araújo (Orietador)
________________________________________________ Prof. Daniel Alves Castello
________________________________________________ Prof. Fernando Pereira Duda
________________________________________________ Prof. Juan Carlos Garcia de Blas
________________________________________________
Fábio de Oliveira Campos (Coorientador)
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL
AGOSTO DE 2014
i
Resumo
Atualmente, os implantes para aplicações médicas e ortodônticas são usualmente
fabricados com ligas de titânio, por exemplo, o Ti-6Al-4Ve o Ti-13Nb-13Zr. Apesar de
trazer benefícios como o aumento resistência mecânica, os elementos de liga ainda
apresentam desvantagens, principalmente, a possibilidade de ocorrerem processos
inflamatório-infecciosos na região do implante. O titânio puro, sem elementos de liga,
pode ter sua resistência mecânica elevada pelo refinamento de grãos, o que seria uma
alternativa visando a inibir problemas de biocompatibilidade. Neste sentido, a técnica de
Extrusão Angular em Canal é utilizada para consolidação do pó metálico de titânio e
refinamento do grão visando à obtenção de titânio puro nanoestruturado. O presente
trabalho apresenta uma comparação entre a resistência mecânica do titânio maciço
comercialmente puro e do pó de titânio processado por Extrusão Angular em Canal. Em
seguida, a usinabilidade do material produzido por metalurgia do pó e processado por
Extrusão Angular em Canal é avaliada segundo as forças de corte envolvidas no
processo de fresamento dos corpos de prova.
ii
Agradecimentos
Gostaria de iniciar agradecendo minha orientadora, Professora Anna Carla, por
ter me aceitado como sua orientada e ter me guiado nesta última etapa da minha
graduação em Engenharia Mecânica. Mesmo com todas as suas demais atribuições, ela
esteve sempre disponível. Fico imensamente grata pelo tempo e emprenho que ela
dedicou a mim, a minha instrução e minha formação acadêmica e também pessoal.
Gostaria de dizer um grande obrigada também ao Fábio Campos, que tanto me
ajudou na realização deste projeto, e a todos os colaboradores do CEFCON - Centro de
Estudos em Fabricação e Comando Numérico da COPPE/UFRJ, que se mostraram
sempre solícitos.
Obrigada aos Professores Juan e Lula por terem fornecido as amostras de
material e terem coorientado este projeto possibilitando minha aproximação com a
Engenharia Metalúrgica e de Materiais.
Professor Daniel e Professor Duda, agradeço por terem aceitado fazer parte da
banca examinadora deste projeto final de graduação.
Cássio e Welington, muito obrigada por me receberem tão bem no INT –
Instituto Nacional de Tecnologia e por terem contribuido para minha formação e para o
enriquecimento deste projeto.
Agradeço a Professora Carolina Cotta, que emprestou o quarto eixo pertencente
ao LabMens – Laboratório de Microfluídica e Microssistemas da COPPE/UFRJ, e o
Professor Sylvio José, que disponibilizou o material necessário do Laboratório de
Tribologia e Metrologia Dimensional da COPPE/UFRJ para a correta instalação e
alinhamento do quarto eixo na microfresadora.
Por fim, gostaria de agradecer a Deus, a minha família e amigos que
indiretamente contribuiram não só para este projeto mas para minha formação como um
todo. Max e Paula, obrigada por prezarem sempre pela minha educação e estarem
sempre ao meu lado. Romain, merci beaucoup por estar sempre tão presente mesmo a
9.168,38 km de distância de mim.
iii
Índice
I. Introdução ...................................................................................................... 1
II. Revisão Bibliográfica .................................................................................... 4
II.1. Processo de Deformação Plástica Severa ............................................... 4
II.1.1. Processo de ECAP convencional com barras .................................. 4
II.1.2. Consolidação de produtos da Metalurgia do Pó por ECAP ............ 7
Figura 5. Microestrutura da chapa de titânio observada em microscópio ótico. Aumento: 200 X.
Além da microestrutura com grãos grosseiros de aproximadamente 30 µm em
média, é conhecido sua dureza de 161 HV. Conforme já mencionado, este material deu
origem à amostra controle servindo de referencial comparativo para a análise da amostra
subsequente, produzida pela Metalurgia do Pó e processada por ECAP.
A preparação da amostra Ti 2X iniciou-se com a compactação uniaxial à
temperatura ambiente com pressão de 730 Mpa de pó metálico de titânio puro grau 2 no
Instituto Nacional de Tecnologia (INT). A tabela 3 apresenta a composição química do
pó de titânio com granulometria inferior a 149 µm. Verifica-se que os teores de
nitrogênio e de hidrogênio encontrados na amostra excedem os limites máximos de 0.03
e 0.015 % em massa, respectivamente, especificados pela norma ASTM F67-89.
Tabela 3. Composição química do pó de titânio comercialmente puro grau 2
Elemento Fe O C N H Mn
% em massa 0.189 0.097 0.018 0.517 0.195 0.07
Cabe ressaltar neste momento que a pastilha compactada resultante do processo
de metalurgia do pó mencionado no parágrafo anterior possui aproximadamente ¼ de
16
polegada de diâmetro e uma altura máxima de ½ polegada devido ao limite de
capacidade da prensa de compactação de pós.
Uma vez que o material a ser processado por Extrusão Angular em Canal não
era maciço, um invólucro de aço 1020 com seção quadrada de 12.7 mm e furo interno
central de 6.3 mm de diâmetro foi preenchido com uma pastilha de pó compactado de
aproximadamente 12.7 mm de altura e outras duas com aproximadamente 6.3 mm de
altura, conforme esquema ilustrativo da figura 6.
Figura 6. Ilustração do conjunto invólucro + pastilhasutilizado para o processamento do pó de titânio compactado na matriz de ECAP
O material de estrutura granular refinada foi, finalmente, concebido através dois
passes em uma matriz de ECAP, cuja angulação do canal era de 90°, a 375ºC segundo a
rota C, na qual o corpo de provasofre rotação de 180° entre os passes. Esta etapa da
obtenção da amostra Ti 2X foi realizada no Laboratório de Processamento
Termomecânico – Bio Matriais, da COPPE – UFRJ.
Após as duas etapas de processamento – metalurgia do pó e conformação
mecânica – a amostra Ti 2X apresentou um tamanho médio de grão reduzido para 1.32
µm e uma dureza elevada para 264 HV. Já a porosidade relativa foi diminuída de 4%,
referente ao material compactado, para 0.82% após o ECAP. A microestrutura final da
amostra após as etapas de processamento pode ser vista na figura 7.
17
Figura 7. Microscopia ótica (ataque com reagente de Kroll) da amostra de pó de titânio puro grau 2 compactado após os 2 passes de ECAP (adaptado de CARVALHO et al., 2014).
III.2. Fabricação de corpos de prova
Esta etapa do trabalho se dedicou à obtenção de corpos de prova para ensaio de
flexão, a fim de avaliar as melhorias das propriedades mecânicas em decorrência do
refinamento de tamanho médio dos grão proporcionado pelo ECAP.
O desafio desta parte experimental reside nas dimensões diminutas dos corpos
de provas a serem usinados com a preocupação de evitar a introdução de deformações
internas desnecessárias na microestrutura do material. Para tal, a usinagem das amostras
foi realizada em uma microfresadora CNC, Mini-Mill/GX da Minitech Machinery
Corporation, nas instalações do Centro de Estudos em Fabricação e Comando
Numérico (CEFCON) da COPPE/UFRJ. As principais características da máquina-
ferramenta em questão estão resumidas na tabela 4.
Tabela 4. Especificações técnicas da micro fresadora CNC Mini-Mill/GX
Rotação máxima 60000 rpm
Curso máximo longitudinal (eixo x) 300 mm
Curso máximo transversal (eixo y) 228 mm
Curso máximo vertical (eixo z)Superfície da mesa de fixação
A opção de trabalhar em uma micro
reduzido dos corpos de provas, mas também pelas
excelente controle do acabamento superficial, mesmo se este não é um ponto crítico
neste trabalho, proporciona resultados precisos e produtos de alta qualidade e permite
valores bem pequenos para o avanço por rotação, o que é e
material potencialmente frágil.
A ferramenta escolhida foi uma fresa de topo de 3 mm de diâmetro, 2 dentes,
inteiriça de metal duro, fabricada pela
2-1250-S. Demais parâmetros da fer
é recomendada tanto para materiais ferrosos como não
Figura 8. Representação esquemática e parâmetros da ferramenta de corte (a) e imagem da fresa inserida no porta
A amostra de Ti CP fornecida
diâmetro e 12,70 mm de comprimento. Esta geom
de pré-compactado de titânio que são inseridas
forçadas a passar através do canal da matriz de ECAP
anterior. Desta forma, a primeira amostra a ser usinada
demais.
Tomou-se como referência a norma
corpos de prova para ensaio de flexão, a saber, uma barra de
4.2 mm de espessura e 2.1 mm de altura
Curso máximo vertical (eixo z) 228 mm
Superfície da mesa de fixação 152.4 x 444.5 mm
opção de trabalhar em uma microfresadora se deu não apenas pelo tamanho
reduzido dos corpos de provas, mas também pelas seguintes razões: permite um
excelente controle do acabamento superficial, mesmo se este não é um ponto crítico
neste trabalho, proporciona resultados precisos e produtos de alta qualidade e permite
valores bem pequenos para o avanço por rotação, o que é essencial quando se usina um
material potencialmente frágil.
A ferramenta escolhida foi uma fresa de topo de 3 mm de diâmetro, 2 dentes,
inteiriça de metal duro, fabricada pela Performance Micro Tool e cuja referência é SR
Demais parâmetros da ferramenta são apresentados na figura 8.
é recomendada tanto para materiais ferrosos como não-ferrosos.
Representação esquemática e parâmetros da ferramenta de corte (a) e imagem da fresa inserida no porta-ferramenta da micro fresadora (b)
A amostra de Ti CP fornecida possuía a forma de um cilindro
diâmetro e 12,70 mm de comprimento. Esta geometria reproduz a forma das amostras
compactado de titânio que são inseridas no invólucro de aço e, em seguida,
forçadas a passar através do canal da matriz de ECAP, conforme descrito na sessão
. Desta forma, a primeira amostra a ser usinada já apresenta a geometria das
se como referência a norma ASTM B 925-08 para a geometria dos
corpos de prova para ensaio de flexão, a saber, uma barra de 10 mm de comprimento,
4.2 mm de espessura e 2.1 mm de altura aproximadamente. Essas dimensões
18
152.4 x 444.5 mm
fresadora se deu não apenas pelo tamanho
seguintes razões: permite um
excelente controle do acabamento superficial, mesmo se este não é um ponto crítico
neste trabalho, proporciona resultados precisos e produtos de alta qualidade e permite
ssencial quando se usina um
A ferramenta escolhida foi uma fresa de topo de 3 mm de diâmetro, 2 dentes,
e cuja referência é SR-
ramenta são apresentados na figura 8. Sua aplicação
Representação esquemática e parâmetros da ferramenta de corte (a) e imagem da fresa
cilindro de 6,25 mm de
etria reproduz a forma das amostras
de aço e, em seguida,
, conforme descrito na sessão
presenta a geometria das
para a geometria dos
10 mm de comprimento,
Essas dimensões
19
correspondem a 1/3 daquelas preconizadas pela referida norma devido à limitação de
tamanho das amostras de material em decorrência da capacidade da prensa de
compactação, conforme já mencionado.
Para obter a geometria supracitada, optou-se por utilizar um quarto eixo rotativo
(vide figura 9) para fixar a peça. Este dispositivo, cujo acionamento também era feito
pelo software de comando da micro fresadora, permitiu a rotação automática da peça
possibilitando o fresamento de topo das quatro faces da geometria final da amostra. Em
seguida, o material restante que estava preso nas castanhas do quarto eixo para
fixaçãoda peça foi removido também por fresamento de topo estando, desta vez, a
amostra fixa em uma morsa.
Antes de iniciar a usinagem da amostra foi preciso alinhá-la com relação ao
plano de trabalho da máquina, etapa fundamental a fim de evitar desvios das dimensões
finais desejadas. Para verificar a inclinação da amostra utilizou-se um relógio
comparador. Com este último fixo, fazia-se o quarto eixo girar e registrava-se a
oscilação do ponteiro do relógio. Com as castanhas ligeiramente afrouxadas, a
inclinação era corrigida com leves toques na peça até o ponteiro do relógio voltar à
posição inicial. O procedimento foi, então, repetido inúmeras vezes. Ao final, o relógio
comparador percorria longitudinalmente a peça e a verificação se deu por concluída
quando a inclinação da amostra era da ordem de centésimos de milímetro.
Figura 9. Verificação da inclinação da amostra de Ti CP
20
Com relação aos parâmetros de corte, optou-se por valores conservadores de
velocidade de avanço e inversamente para velocidade de corte a fim de evitar a
formação de aresta postiça de corte, que ocorre em baixas velocidades de corte, mas
também buscando um compromisso a fim de evitar a acumulação excessiva de calor no
contato peça ferramenta. Com o intuito de estabelecer parâmetros já adaptados ao
próximo material, potencialmente frágil e com trincas superficiais, foi escolhido um
avanço por dente pequeno. A tabela 5 apresenta os parâmetros de corte selecionados.
Tabela 5. Parâmetros de corte utilizados na fabricação de corpos de prova
Rotação 5000 rpm
Velocidade de corte 47,12 m/min
Velocidade de avanço 120 mm/min
Avanço por dente 0,012 mm
Com relação ao fluido de corte, segundo a literatura é interessante o uso de
fluido de corte para usinagem do titânio, tanto para não superaquecer a amostra e
garantir a integridade da sua estrutura quanto para preservar a ferramenta. Sendo assim,
não sendo possível dispor de jorro contínuo, foi utilizado fluido de corte com jatos
intermitentes. Para isso, empregou-se uma pequena quantidade de fluido emulsionante
diluído em água e um borrifador, conforme mostrado na figura 10.
Figura 10. Usinagem de corpo de prova para ensaio de flexão
21
III.3. Ensaios de Flexão
Esta seção do capítulo 3 apresenta o ensaio mecânico voltado para a
caracterização da resposta em flexão do material de estritura granular refinada. Devido
às dimensões diminutas dos corpos de provas, ao invés de ensaio de tração uniaxial
optou-se pelo teste de flexão em três pontos para a comparação da resistência mecânica
das amostras Ti CP e Ti 2X.
Os ensaios foram realizados nas instalações do INT segundo a norma ASTM B
528-12, a qual fornece o método de teste para obtenção da resistência à ruptura
transversal de espécimes oriundos da Metalurgia do Pó. Esta é, portanto, a norma que
mais se aproxima do nosso objetivo de testar amostras de pó de titânio compactado e
posteriormente consolidado por ECAP. Além disso, também foi tomada como
referência a norma ASTM B 925-08, citada na seção precedente sobre fabricação dos
corpos de prova.
Foi utilizada uma máquina universal de ensaios Instron 3382 com capacidade de
100 kN. A resolução da medida do deslocamento do punção é de 0.001 mm e a
resolução da medida de força é de 0.001 kN. Além disso, o software Bluehill foi
utilizado para captação e tratamento dos dados. O dispositivo de apoio e o punção
mostrados na figura 11 foi fabricado em aço 4340 especialmente para os ensaios. Mais
uma vez adotou-se uma proporção de 3:1 com relação às dimensões preconizadas pela
norma, adaptando-se às restrições de tamanho das amostras.
22
Figura 11. Dispositivo de apoio e punção utilizados nos ensaios de flexão em 3 pontos
Seguindo a norma ASTM B 528-12, a velocidade de deslocamento do punção
foi de 5 mm/min, o span (distância entre os apoios) é de 10 mm e o limite para a
deflexão da amostra (flecha máxima admitida) antes de sofrer fratura é de 0.5 mm.Este
limite leva em consideração materiais produzidos por metalurgia do pó, tipicamente
frágeis, e garante a confiabilidade dos resultados do teste. No caso da amostra Ti CP,
tida como referência, foi estipulado um deslocamento máximo de 1 mm para o término
do ensaio tendo em vista a maior ductilidade do material maciço.
A máquina de ensaio fornece o diagrama Força x Deslocamento, a partir do qual
é construído o diagrama Tensão x Deformação convencional. Cabe destacar que a
deflexão da amostra é, portanto, aproximada pelo deslocamento medido do punção.
Além disso, são também calculados o módulo de elasticidade em flexão, a tensão limite
de ruptura e deformação ou flecha máxima. Tais resultados serão apresentados no
capítulo IV.
23
III.4. Medição das forças de usinagem
O foco desta etapa do projeto reside na comparação das forças de usinagem
visando a constatar a influência do ECAP
Esta etapa do trabalho se dedicou à usinagem de duas amostras de titânio puro
de grau 2, tendo uma delas sido submetida à Extrusão Angular em canal após sua
produção por metalurgia do pó. Além da obtenção de um corpo de prova para o ensaio
de flexão, o foco principal desta etapa reside na mediçãodas forças de usinagem visando
constatar os impactos do referido processo na usinabilidade do titânio.
A medição das forças de corte na usinagem das amostras foi realizada por um
dinamômetro modelo 9256C2 da Kistler, recomendado para utilização em máquinas de
usinagem de ultraprecisão permitindo a aquisição de forças extremamente pequenas
numa faixa de medição na direção x, y e z de – 250 a 250N. Possui uma superfície para
fixação dos corpos de prova com área de 55 x 80 mm com furos M3 que permitem o
posicionamento e fixação da amostra.
O sinal elétrico do dinamômetro é inicialmente amplificado em um amplificador
de sinais 5070A10100, também da Kistler. Em seguida é transformado em uma placa de
aquisição da National Instruments, NI USB-6551, que realiza a conversão analógica-
digital. Por fim o sinal é enviado para o computador onde será tratado pelo software
LabView Signal Express 2012. Este sistema de aquisição – ilustrado na figura 12 –
fornece, então, um arquivo digital composto de uma matriz com três colunas referentes
às componentes da força de corte nas direções X, Y e Z.
Figura 12. Esquema
Sendo assim, para garantir uma melhor aquisição das forças de corte
experimentais, uma nova amostra do mesmo material, proveniente da mesma chapa de
titânio maciço, foi fornecida para este fim. A nov
fixação da amostra no dinamômetro, como pode ser visto na figura
referencial do dinamômetro, a direção do avanço coincide com a direção X.
Além disso, as mesmas condições de corte anteriores da tabela 5
fabricação de corpos de prova
medição das forças experimentais realizados todos com uma profundidade de corte de
0.1 mm. Uma vez obtidas as forças de corte experimentais para a amostra controle T
CP, que servirá de referencial comparativo para o estudo da usinabilidade do titânio
puro produzido por metalurgia do pó e ECAP, deu
experimental através da aquisição dos esforços de corte envolvidos no processo de
usinagem da amostra Ti 2X.
. Esquema ilustrativo do sistema de aquisição das forças de corte
Sendo assim, para garantir uma melhor aquisição das forças de corte
experimentais, uma nova amostra do mesmo material, proveniente da mesma chapa de
titânio maciço, foi fornecida para este fim. A nova geometria e tamanho facilitou a
fixação da amostra no dinamômetro, como pode ser visto na figura
referencial do dinamômetro, a direção do avanço coincide com a direção X.
Além disso, as mesmas condições de corte anteriores da tabela 5
fabricação de corpos de prova foram mantidas para os passes de nivelamento e de
medição das forças experimentais realizados todos com uma profundidade de corte de
0.1 mm. Uma vez obtidas as forças de corte experimentais para a amostra controle T
CP, que servirá de referencial comparativo para o estudo da usinabilidade do titânio
puro produzido por metalurgia do pó e ECAP, deu-se prosseguimento a parte
a aquisição dos esforços de corte envolvidos no processo de
mostra Ti 2X.
24
ção das forças de corte
Sendo assim, para garantir uma melhor aquisição das forças de corte
experimentais, uma nova amostra do mesmo material, proveniente da mesma chapa de
a geometria e tamanho facilitou a
fixação da amostra no dinamômetro, como pode ser visto na figura 13. Segundo o
referencial do dinamômetro, a direção do avanço coincide com a direção X.
Além disso, as mesmas condições de corte anteriores da tabela 5 utlizadas para
foram mantidas para os passes de nivelamento e de
medição das forças experimentais realizados todos com uma profundidade de corte de
0.1 mm. Uma vez obtidas as forças de corte experimentais para a amostra controle Ti
CP, que servirá de referencial comparativo para o estudo da usinabilidade do titânio
se prosseguimento a parte
a aquisição dos esforços de corte envolvidos no processo de
25
Figura 13. Posicionamento do dinamômetro em relação à direção de avanço – usinagem Ti CP
Como foi mencionado anteriormente, as pastilhas de pó de titânio consolidadas
após o ECAP não se soltaram do invólucro de aço mostrado na figura 6. Sendo assim, o
corpo de prova disponibilizado para a usinagem não mais possui uma forma cilíndrica
como era esperado. A utilização do quarto eixo foi então abandonada e a peça pode ser
posicionada diretamente sob o dinamômetro.
Note que o referencial do dinamômetro permanece o mesmo e a direção do
avanço continua coincidindo com a direção de Fx (vide figura 14). Sendo assim, o corte
foi realizado na direção normal à direção de extrusão na matriz de ECAP. Todas as
demais condições de corte (tabela 5) permaneceram invariáveis e a mesma ferramenta
foi utilizada, tendo sido constatado com auxílio de um microscópio ótico que não havia
sinais de desgastes significativos da mesma. Sendo assim, não foi introduzido nenhum
novo fator passível de influenciar os esforços de corte além do material usinado.
26
Figura 14. Posicionamento do dinamômetro em relação à direção de avanço – usinagem Ti 2X
Antes de ser disponibilizado para medição das forças experimentais de
usinagem, o material foi submetido a uma preparação que consistiu no desbaste das
faces superior e inferior até serem atingidos os limites das pastilhas e no desbaste das
faces laterais de maneira a restar uma parte do aço para dar sustentação ao conjunto.
Inicialmente foram realizados três nivelamentos da superfície do material com
0.2 mm de profundidade de corte cada garantindo, assim, que os próximos passes da
ferramenta atingiriam uma camada mais interna do titânio. Em seguida, as forças
experimentais foram registradas em três experimentos, i.e., três canais usinados em
cheio no mesmo plano.
Além disso, foi levada em consideração a parcela de aço nas faces laterais da
amostra. As primeiras e últimas rotações, em que a ferramenta estaria cortando o aço
remanescente do invólucro, foram desconsideradas na análise dos dados mais a frente.
27
IV. Resultados e Discussões
Este capítulo está dividido em duas seções. A primeira apresenta os resultados
dos ensaios de flexão em 3 pontos. A segunda seção se volta para os resultados da
medição das forças de usinagem. Em ambas, busca-se sempre realizar um estudo
comparativo entre as amostras de titânio maciço (Ti CP) e de pó de titânio consolidado
por ECAP (Ti 2X).
IV.1. Ensaios de flexão
O resultado dos ensaios de flexão em 3 pontos está registrado na figura 15.
Pode-se, então, observar na figura 15a a amostra de Ti CP fletida, porém não fraturada,
ao término do ensaio. Na figura 15b, observa-se que o ensaio de flexão da amostra de Ti
2X, por sua vez, terminou com a fratura da mesma.
Figura 15. Amostras de Ti CP (a) e de Ti 2X (b) ao término do ensaio de flexão em 3 pontos
Como era esperado, a amostra de titânio comercial puro maciço não sofreu
ruptura devido a sua maior ductilidade. Sendo assim, admitiu-se uma deflexão máxima
de 1 mm para o encerramento do ensaio, que ocorreu após 12,1 segundos. O gráfico
tensão versus deformação resultante do ensaio da amostra Ti CP é apresentado na figura
16. Observa-se que este material apresenta uma comportamento elástico bem definido
28
seguido de um comportamento plástico. A reta vermelha traçada ainda na figura 16
corresponde a 0.2% de deformação com a mesma inclinação da curva tensão-
deformação na zona elástica do material. Ela permite estimar o limite de escoamento do
material em aproximadamente 852 MPa. Através desse método gráfico pode-se também
obter o módulo de elasticidade aparente do material, em torno de 74 GPa.
Figura 16. Tensão e deformação resultante do ensaio de flexão em 3 pontos do titânio maciço comercialmente puro
De forma análoga, a figura 17 apresenta o gráfico tensão versus deformação
resultante do ensaio de flexão em 3 pontos da amostra de titânio processado por ECAP.
É possível observar que este material sofre ruptura ainda no domínio de deformação
elástica. Sendo assim, não apresenta limite de escoamento e a tensão no ponto de
máxima deflexão, isto é, seu limite de resistência à fratura é de aproximadamente 350
MPa. A partir da inclinação da curva tensão-deformação no domínio elástico obtem-se o
valor de 45 GPa para o módulo de elasticidade aparente do material.
Cabe ressaltar que no início de ambos os ensaios existe um período de tempo de
acomodação do sistema punção – corpo de prova – roletes de apoio. Por isso, percebe-se
nos gráficos das figuras 16 e 17 um período inicial em que há uma ligeira deformação
praticamente sem aumento da tensão.
29
Figura 17. Tensão e deformação resultante do ensaio de flexão em 3 pontos do pó de titânio comercialmente puro consolidado por ECAP
Após o ECAP o material se tornou mais denso, compactado e mais duro. No
entanto, a amostra se revelou, bastante frágil. Apesar do aumento de aproximadamente
40% da dureza, o que poderia indicar um aumento da resistência mecânica do material,
o Ti 2X suportou uma carga mais de 2 vezes menor que a amostra de referência (Ti CP)
antes de sofrer ruptura ainda no regime de deformação elástica. O comportamento
elástico do material também foi afetado, tendo em vista a diminuição do valor do
módulo de elasticidade aparente.
Havia de se pensar também que a porosidade do material, oriundo da metalurgia
do pó, teria influência no módulo de elasticidade do Ti 2X. No entanto, o ECAP se
mostrou um processo eficiente na consolidação do pó metálico reduzindo a porosidade
de 4.02% a 0.82%. Esta porosidade considerada residual é até mesmo desejável, do
ponto de vista biológico, por favorecer a osteointegração.
Sendo assim, levando em consideração a Lei das Misturas, equação 4, em que �
indica uma dada propriedade, como módulo de elasticidade e porosidade, e V indica a
fração volumétrica de cada componente da mistura ou poros (MICHELENA et al.,
2013), verifica-se que a porosidade do material processado não impactou o módulo
elástico do mesmo. Além disso, a porosidade é muito baixa para se afirmar que ela teve
influência na fragilização do material, que não chegou a apresentar limite de
escoamento.
A acentuada fragilidade do material Ti 2X pode, então, ser
indesejável de hidretos de titânio, cuja formação foi provavelmente favorecida pelo
elevado teor de H no pó de titânio, conforme mencionado anteriormente (tabela 3). A
imagem da figura 18, cedida p
titânio submetido à metalurgia do pó e Extrusão Angular em Canal. Ela mostra um
mapa de distribuição de fases da amostra em questão.
Este mapa de fases, obtido pela técnica de
conhecida pela sua sigla em inglês EBSD
presença de duas fases bem distintas. Uma predominante de cor vermelha que
representa as partículas de titânio tratando
outra fase de cor amarela que representa os hidretos de titânio formados nos interstícios
das partículas de titânio consolidadas pelo ECAP.
Figura 18. Mapa de distribuição de fases: amostra submetida a 1 passe EAC à 37
Esta segunda fase na interface das partículas de titânio formada por hidretos e,
portanto, mais frágil e quebradiça é provavelmente responsável por prejudicar
influência na fragilização do material, que não chegou a apresentar limite de
����� � ���� ������4)
idade do material Ti 2X pode, então, ser devida à presença
de titânio, cuja formação foi provavelmente favorecida pelo
elevado teor de H no pó de titânio, conforme mencionado anteriormente (tabela 3). A
, cedida pelo INT, é resultado de um trabalho de caracterização do
titânio submetido à metalurgia do pó e Extrusão Angular em Canal. Ela mostra um
mapa de distribuição de fases da amostra em questão.
Este mapa de fases, obtido pela técnica de difração de elétrons re
conhecida pela sua sigla em inglês EBSD (Electron back scatter diffraction
presença de duas fases bem distintas. Uma predominante de cor vermelha que
representa as partículas de titânio tratando-se, assim, de uma zona tenaz e mac
outra fase de cor amarela que representa os hidretos de titânio formados nos interstícios
das partículas de titânio consolidadas pelo ECAP.
. Mapa de distribuição de fases: amostra submetida a 1 passe EAC à 375°C (Fonte: CARVALHO et al., 2014)
Esta segunda fase na interface das partículas de titânio formada por hidretos e,
portanto, mais frágil e quebradiça é provavelmente responsável por prejudicar
30
influência na fragilização do material, que não chegou a apresentar limite de
devida à presença
de titânio, cuja formação foi provavelmente favorecida pelo
elevado teor de H no pó de titânio, conforme mencionado anteriormente (tabela 3). A
um trabalho de caracterização do
titânio submetido à metalurgia do pó e Extrusão Angular em Canal. Ela mostra um
difração de elétrons retroespalhados,
diffraction), ilustra a
presença de duas fases bem distintas. Uma predominante de cor vermelha que
se, assim, de uma zona tenaz e macia. E
outra fase de cor amarela que representa os hidretos de titânio formados nos interstícios
. Mapa de distribuição de fases: amostra submetida a 1 passe EAC à temperatura de
Esta segunda fase na interface das partículas de titânio formada por hidretos e,
portanto, mais frágil e quebradiça é provavelmente responsável por prejudicar
31
propriedades mecânicas como a ductilidade e a tenacidade da amostra Ti 2X. No
entanto, considerando novamente a Lei das Misturas (equação 4) não é possivel atribuir
a diminuição do módulo de elasticidade do material à presença de hidretos de titânio
devido a sua pequena fração em volume.
IV.2. Usinagem das amostras de titânio
Inicia-se esta seção com uma visão geral das forças experimentais. Neste
sentido, as figuras 10 e 20 apresentam os sinais das forças experimentais de usinagem
das amostras Ti CP e Ti 2X, sem manipulação dos dados. A janela de tempo escolhida
de 3 a 5 segundos para análise contempla o fresamento em cheio da amostra
desconsiderando o tempo em que a ferramenta realizava movimentos de aproximação e
afastamento.
Figura 19. Forças experimentais de usinagem da amostra Ti CP
32
Figura 20. Forças experimentais de usinagem da amostra Ti 2X
O sinal bruto foi, então, tratado a fim de eliminar ruídos de alta frequência. Com
este fim, foi empregado um filtro passa baixa. As próximas figuras mostram os sinais
das forças experimentais, tratados e não tratados, para quatro rotações da ferramenta
escolhidas aleatoriamente dentro da janela de tempo considerada válida. Essas imagens
permitem realizar uma análise qualitativa das forças experimentais através do
comportamento que o sinal assume para cada rotação da ferramenta.
As figuras 21 e 22 apresentam o sinal bruto e filtrado, respectivamente, das
componentes de forças em X (Fx), Y (Fy) e Z (Fz). Observa-se, portanto, um sinal bem
regular para as três componentes da força de usinagem da amostra Ti CP. Esta
regularidade já esperada é característica do material maciço cujas propriedades são
uniformes, isto é, não variam ao longo do material.
33
Figura 21. Forças experimentais não filtradas de usinagem da amostra Ti CP para 4 rotações da ferramenta
Figura 22. Forças experimentais filtradas de usinagem da amostra Ti CP para 4 rotações da ferramenta
34
De forma análoga as figuras 23 e 24 representam os sinais não tratado e tratado
das componentes da força de corte da amostra Ti 2X. Contrariamente ao que foi
constatado no parágrafo anterior, a evolução das forças experimentais neste caso é
menos regular apresentando amplitudes variáveis. Essa irregularidade nos sinais das
forças experimentais, verificada para as demais réplicas do experimento, provavelmente
decorrem das descontinuidades da micro estrutura do material. A distribuição
granulométrica do material é da ordem de grandeza do avanço por dente o pode
influenciar a resistência mecânica local no contato cavaco ferramenta.
Figura 23. Forças experimentais não filtradas de usinagem da amostra Ti 2X para 4 rotações da ferramenta
35
Figura 24. Forças experimentais filtradas de usinagem da amostra Ti 2X para 4 rotações da ferramenta
Em um segundo momento, realizou-se uma análise quantitativa do
comportamento dos esforços de corte envolvidos no processo de fresamento das
amostras de titânio maciço e pó de titânio consolidado por ECAP. Para tal, leva-se em
consideração a força na direção vertical Z, Fz, e a resultante das forças no plano XY,
Fxy. Esta última é, portanto, a resultante da força de avanço (Fx) e da força
perpendicular à direção de avanço (Fy). Seu perfil para 4 rotações da ferramenta durante
a usinagem de cada amostra pode ser visualizado nas figuras 25 e 26.
36
Figura 25. Evolução da resultante no plano XY das forças experimentais de usinagem da amostra Ti CP para 4 rotações da ferramenta
Figura 26. Evolução da resultante no plano XY das forças experimentais de usinagem da amostra Ti 2X para 4 rotações da ferramenta
37
A partir dos dados apresentados nos gráficos anteriores, foi possível computar os
valores máximos de Fz e Fxy atingidos por rotação da ferramenta. A média desses
valores e o desvio padrão foram, então, calculados para ambas as amostras. Cabe
mencionar que a barra de erro exibida nos próximos gráficos corresponde a 3 vezes o
devio padrão, que contempla mais 99% dos valores considerando uma distribuição
normal. Os resultados encontram-se registrados na tabela 6 e deram origem ao
comparativo da figura 27 entre os esforços necessários para a usinagem do titânio
maciço comercialmente puro e o pó de titânio comercialmente puro processado por
ECAP.
Figura 27. Forças de corte máximas alcançadas por rotação na usinagem das amostras Ti CP e Ti 2X. A barra de erro corresponde a três vezes o valor do desvio padrão das medidas.
É possível observar na figura 27 o ligeiro aumento das forças médias de corte
para a amostra de pó de titânio consolidado por ECAP. É igualmente importante
observar o aumento considerável do desvio padrão das medidas para a mesma amostra.
Voltando-se para os valores reportados na tabela seguinte, o aumento percentual de Fz
foi de aproximadamente 41%, enquanto que para Fxy foi menos expressivo ficando em
38
torno de 23%. Já os valores da dispersão das medidas, σFz e σFxy, sofreram um aumento
superior a 5 e 8 vezes, respectivamente.
Tabela 6. Intervalo de confiança de 99% dos valores máximos de Fz e Fxy por rotação
Fz (N) Fxy (N)
Ti CP 11.4783 ± 0.7861 13.4764 ± 0.7755
Ti 2X 16.2497 ± 4.2573 16.5793 ± 6.7429
Novamente a partir dos resultados da força na direção Z e da resultante das
forças no plano XY, foi feita mais uma análise com relação à amplitude entre os picos
de máximo e mínimo por dente da ferramenta. Esta análise se justifica pela
irregularidade do perfil das forças para a amostra Ti 2X conforme já havia sido
observado nas figuras 24 e 26. Enquanto que para a amostra Ti CP os máximos e
mínimos atingidos por dente a cada rotação da ferramenta variavam pouco, para a
amostra Ti 2X esses mesmos valores apresentam uma maior variação de um dente para
outro.
Figura 28. Amplitudes das forças de corte por dente na usinagem das amostras Ti CP e Ti 2X. A barra de erro corresponde a três vezes o valor do desvio padrão das medidas.
39
A figura 28 evidencia que as amplitudes de Fz e Fxy para a amostra Ti 2X são
superiores às amplitudes de Fz e Fxy para a amostra Ti CP. Os valores aumentaram em
média pouco mais de 46% para Fz e 16% para Fxy segundo os dados fornecidos na
tabela 7. Não obstante, cabe chamar atenção à dispersão desses valores, conforme
mencionado no parágrafo anterior. Os desvios padrões das amplitudes de Fz e Fxy por
dente da ferramenta referentes à amostra Ti 2X são ainda mais elevados que os desvios
encontrados para os valores máximos das forças.
Tabela 7. Intervalo de confiança de 99% das amplitudes de Fz e Fxy por dente
Amplitude Fz (N) Amplitude Fxy (N)
Ti CP 8.3266 ± 4.5930 10.6918 ± 2.0229
Ti 2X 12.2317 ± 6.6047 12.4325 ± 8.8965
Por último, dada esta variabilidade encontrada para os valores da amplitude da
força registrada a cada vez que um dente da ferramenta remove material, foi feito um
comparativo entre as amplitudes atingidas por cada um dos dois dentes da fresa. Sendo
assim, a figura 29 mostra uma comparação da amplitude média da força no plano XY
alcançada por rotação para cada um dos dentes da ferramenta. Os valores para
amplitude média e desvio padrão encontram-se na tabela 8.
Uma primeira observação pode ser feita com relação ao aumento da amplitude
média do dente 1 para o dente 2 que ocorreu para ambas as amostras. Pode-se pensar,
então, que a origem estivesse relacionada à ferramenta e não ao material. Assim, talvez
segundo dente estivesse mais desgastado que o primeiro implicando maiores esforços
para o dente 2 com relação ao dente 1 durante o corte do mesmo material.
Voltando-se agora para a variabilidade das medidas de ambos os dentes para
cada amostra, percebe-se um grande aumento – em torno de 3 a 4 vezes – dos valores do
desvio padrão da amostra Ti CP para a amostra Ti 2X. Enquanto que para a amostra Ti
CP três vezes o valor do desvio padrão das amplitudes registradas ficou em torno de 2
N, para a amostra Ti 2X este mesmo parâmetro aumentou para mais de 6 N no caso do
dente 1 e mais de 8 N no caso do dente 2. Mais uma vez, esse resultado sobre a
dispersão das medidas para a amostra Ti 2X pode ser decorrente da micro estrutura
deste material particulado.
Figura 29. Amplitudes da resultante no plano XY por rotaçãoTi 2X para cada dente da ferramenta
Tabela 8. Intervalo de confiança de 99%
Ti CP Ti 2X
dispersão das medidas para a amostra Ti 2X pode ser decorrente da micro estrutura
resultante no plano XY por rotação na usinagem das amostras Ti CP e para cada dente da ferramenta. A barra de erro corresponde a três vezes o valor do desvio
padrão das medidas.
Intervalo de confiança de 99% das amplitudes de Fxy alcançadas por cada dente da ferramenta
Amplitude dente 1 (N) Amplitude dente 2 (N)
9.9719 ± 2.1158 11.4539 ± 1.9990
11.7709 ± 6.2668 13.9118 ± 8.8187
40
dispersão das medidas para a amostra Ti 2X pode ser decorrente da micro estrutura
na usinagem das amostras Ti CP e . A barra de erro corresponde a três vezes o valor do desvio
por rotação para
Amplitude dente 2 (N)
11.4539 ± 1.9990
13.9118 ± 8.8187
41
V. Conclusões
Este trabalho buscava estudar o comportamento mecânico e a usinabilidade do
titânio nano estruturado resultante do processamento em duas etapas: compactação do
pó de titânio (metalurgia do pó) e Extrusão Angular em Canal (conformação mecânica).
Portanto, foi realizado um estudo comparativo da resistência mecânica e das forças de
usinagem de amostras de titânio puro grau 2 nano estruturado e titânio maciço
comercialmente puro grau 2, sendo este último referência de material com estrutura
granular não refinada.
O comportamento mecânico dos dois materiais foi analisado segundo ensaios de
flexão em 3 pontos. A resposta em flexão do titânio submetido à metalurgia do pó e
consolidado por ECAP não foi conforme esperado. Foi constatada uma acentuada
fragilidade do material provavelmente em decorrência da presença de hidretos nas
interfaces das partículas de titânio consolidadas por ECAP, que seriam responsáveis
pela degradação da ductilidade e tenacidade do material. Sendo assim, a fratura foi
totalmente frágil, pois o material sofreu ruptura ainda no domínio elástico de
deformação, muito provavelmente devido àconstatada concentração de hidretos de
titânio nos interstícios das partículas de pó de titânio que representaria uma zona mais
dura e quebradiça.
Os resultados mostrados para as forças de corte indicam que não houve aumento
significativo dos esforços necessários para a usinagem do titânio puro produzido por
metalurgia do pó e ECAP quando comparado aos esforços necessários para a usinagem
do titânio puro comercial. O comportamento das forças de usinagem do titânio nano
estruturado mostrou-se apenas irregular, provavelmente por se tratar de um material