Tensão de Fluxo: Parâmetro Crítico para Deformação e Processamento de Aço

Definição e Conceito Básico

A tensão de fluxo é o valor instantâneo da tensão necessária para continuar deformando plasticamente um material em uma deformação, taxa de deformação e temperatura específicas. Ela representa a resistência de um material à deformação plástica sob condições de carga.

A tensão de fluxo é um parâmetro fundamental nas operações de conformação de metais, influenciando diretamente as exigências de força e energia para processos como laminação, forjamento, extrusão e estiramento. Ela serve como uma entrada crítica para modelagem e simulação de processos na indústria do aço.

Em termos metalúrgicos, a tensão de fluxo está na interseção das propriedades mecânicas e dos parâmetros de processamento, conectando características microestruturais com o comportamento macroscópico durante a deformação. Ela difere da resistência ao escoamento ao considerar a evolução contínua da resistência do material ao longo do processo de deformação, em vez de apenas no início do fluxo plástico.

Natureza Física e Fundamento Teórico

Mecanismo Físico

No nível microestrutural, a tensão de fluxo se manifesta através da interação entre discordâncias e vários obstáculos dentro da rede cristalina. Discordâncias são defeitos lineares na estrutura cristalina que permitem a deformação plástica ao permitir que planos atômicos deslizem uns sobre os outros.

À medida que a deformação avança, as discordâncias se multiplicam e interagem com obstáculos como limites de grão, precipitados, átomos de soluto e outras discordâncias. Essas interações aumentam a resistência ao movimento adicional das discordâncias, exigindo tensões mais altas para manter o fluxo plástico.

O fenômeno de endurecimento por deformação ocorre porque a densidade de discordâncias aumenta durante a deformação plástica, criando uma rede mais complexa de emaranhados de discordâncias que impedem o movimento adicional. Em temperaturas elevadas, processos de recuperação como escalonamento de discordâncias e deslizamento cruzado podem simultaneamente reduzir a tensão de fluxo ao permitir que as discordâncias contornem obstáculos.

Modelos Teóricos

O modelo de Johnson-Cook representa uma das equações constitutivas mais amplamente utilizadas para a tensão de fluxo, levando em conta o endurecimento por deformação, a sensibilidade à taxa de deformação e os efeitos de amolecimento térmico. Este modelo empírico surgiu na década de 1980 e se tornou um padrão da indústria para simulações de conformação de metais.

As fundações teóricas anteriores incluem a equação de Hollomon (1945), que descreveu o endurecimento por deformação através de uma simples relação de lei de potência. O parâmetro de Zener-Hollomon posteriormente incorporou os efeitos da temperatura através de uma equação do tipo Arrhenius.

Abordagens modernas incluem modelos baseados fisicamente, como o modelo de Tensão de Limite Mecânico e formulações de plasticidade cristalina que levam em conta a orientação cristalográfica e os mecanismos de deformação em múltiplas escalas. Esses modelos oferecem maior precisão, mas requerem procedimentos de identificação de parâmetros mais complexos.

Base da Ciência dos Materiais

A tensão de fluxo relaciona-se diretamente com a estrutura cristalina, com aços de estrutura cúbica de corpo centrado (BCC) geralmente apresentando maior dependência de temperatura e taxa de deformação do que metais de estrutura cúbica de face centrada (FCC). Limites de grão atuam como barreiras ao movimento de discordâncias, contribuindo para a tensão de fluxo através da relação de Hall-Petch.

A microestrutura influencia significativamente a tensão de fluxo, com aços multifásicos exibindo comportamento complexo devido às diferentes características de deformação de cada fase. O ferrite geralmente apresenta menor tensão de fluxo do que a martensita ou bainita no mesmo nível de deformação.

Princípios fundamentais como a teoria das discordâncias, endurecimento por trabalho, recuperação dinâmica e recristalização dinâmica fornecem a base teórica para entender o comportamento da tensão de fluxo. Esses mecanismos operam simultaneamente durante a deformação, com suas contribuições relativas dependendo da temperatura, taxa de deformação e composição do material.

Expressão Matemática e Métodos de Cálculo

Fórmula de Definição Básica

A tensão de fluxo ($\sigma_f$) é geralmente expressa como uma função da deformação ($\varepsilon$), taxa de deformação ($\dot{\varepsilon}$) e temperatura ($T$):

$$\sigma_f = f(\varepsilon, \dot{\varepsilon}, T)$$

Para condições isotérmicas de taxa de deformação constante, a representação mais simples é a equação de Hollomon:

$$\sigma_f = K\varepsilon^n$$

Onde $K$ é o coeficiente de resistência e $n$ é o expoente de endurecimento por deformação.

Fórmulas de Cálculo Relacionadas

O modelo de Johnson-Cook incorpora endurecimento por deformação, sensibilidade à taxa de deformação e amolecimento térmico:

$$\sigma_f = $$A + B\varepsilon^n$$$$1 + C\ln(\frac{\dot{\varepsilon}}{\dot{\varepsilon}_0})$$$$1 - (\frac{T-T_r}{T_m-T_r})^m$$$$

Onde $A$ é a tensão de escoamento, $B$ e $n$ são parâmetros de endurecimento por deformação, $C$ é o coeficiente de sensibilidade à taxa de deformação, $m$ é o expoente de amolecimento térmico, $T_r$ é a temperatura de referência e $T_m$ é a temperatura de fusão.

Para deformação a quente, a lei do seno hiperbólico é comumente aplicada:

$$\dot{\varepsilon} = A$$\sinh(\alpha\sigma_f)$$^n\exp(-\frac{Q}{RT})$$

Onde $A$, $\alpha$ e $n$ são constantes do material, $Q$ é a energia de ativação para deformação, $R$ é a constante dos gases e $T$ é a temperatura absoluta.

Condições Aplicáveis e Limitações

Essas fórmulas são geralmente válidas para deformação homogênea sob estados de tensão uniaxial. Sua aplicabilidade diminui em estados de tensão complexos ou condições de deformação severa.

O modelo de Johnson-Cook assume que os efeitos de endurecimento por deformação, taxa de deformação e temperatura são independentes e multiplicativos, o que pode não representar com precisão os efeitos acoplados em certos materiais ou condições de processamento.

A maioria dos modelos assume comportamento isotrópico do material e negligencia a evolução microestrutural durante a deformação. Em altas temperaturas e baixas taxas de deformação, a recristalização dinâmica pode alterar significativamente o comportamento da tensão de fluxo de maneiras que não são capturadas por modelos constitutivos simples.

Métodos de Medição e Caracterização

Especificações de Teste Padrão

ASTM E8/E8M: Métodos de Teste Padrão para Testes de Tensão de Materiais Metálicos, cobrindo procedimentos de teste de tração à temperatura ambiente.

ISO 6892-1: Materiais metálicos — Teste de tração — Parte 1: Método de teste à temperatura ambiente, fornecendo normas internacionais para testes de tração.

ASTM E21: Métodos de Teste Padrão para Testes de Tensão a Elevadas Temperaturas de Materiais Metálicos, abordando protocolos de teste a altas temperaturas.

ISO 6892-2: Materiais metálicos — Teste de tração — Parte 2: Método de teste a temperaturas elevadas, cobrindo normas internacionais para testes a altas temperaturas.

Equipamentos e Princípios de Teste

Máquinas de teste universais equipadas com células de carga e extensômetros são comumente usadas para medição da tensão de fluxo. Esses sistemas aplicam deformação controlada enquanto medem a resposta de força resultante.

Simuladores termomecânicos Gleeble permitem controle preciso de temperatura, deformação e taxa de deformação simultaneamente, tornando-os ideais para gerar dados de tensão de fluxo sob condições representativas de processos industriais.

Equipamentos especializados como testadores de torção e barras de pressão de Hopkinson divididas permitem medições em altas deformações e taxas de deformação, respectivamente. Sistemas avançados podem incorporar correlação de imagem digital para medição de deformação de campo completo.

Requisitos de Amostra

Especificações de tração padrão geralmente têm um comprimento de gauge de 50 mm e diâmetro de 12,5 mm, embora amostras menores sejam comuns para testes especializados. A seção de gauge deve ter dimens