Corte de Tesoura: Tecnologia de Corte de Precisão na Fabricação de Aço
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Definição e Conceito Básico
Corte é um processo de fabricação que corta material de estoque aplicando uma tensão de cisalhamento além da resistência ao cisalhamento do material, resultando na separação do material. Representa uma operação fundamental de conformação de metais onde o material é separado sem a formação de aparas ou o uso de queima ou fusão.
Na ciência e engenharia dos materiais, o corte é crítico para preparar o material de estoque nas dimensões desejadas antes das operações de processamento subsequentes. O processo envolve desperdício mínimo de material e pode ser realizado à temperatura ambiente (corte a frio) ou a temperaturas elevadas (corte a quente).
Dentro da metalurgia, o corte ocupa uma posição central tanto como um método de fabricação primário quanto como uma consideração de propriedade mecânica. Compreender o comportamento de cisalhamento é essencial para prever o desempenho do material sob condições de carga complexas e para projetar operações de corte eficientes em processos de fabricação.
Natureza Física e Fundamento Teórico
Mecanismo Físico
No nível microestrutural, o corte envolve o deslocamento de planos atômicos em relação uns aos outros quando uma força suficiente é aplicada. Esse deslocamento ocorre ao longo de planos de deslizamento, que são planos cristalográficos com a maior densidade atômica e o maior espaçamento interplanar.
O processo de corte induz uma deformação plástica severa em uma zona localizada, criando deslocações que se movem através da rede cristalina. À medida que essas deslocações se multiplicam e interagem, elas causam endurecimento por trabalho na zona afetada pelo cisalhamento, levando eventualmente à iniciação e propagação de fissuras.
Modelos Teóricos
A teoria clássica do corte de metais foi desenvolvida por Tresca e von Mises, que estabeleceram critérios de escoamento para prever quando os materiais começam a se deformar plasticamente sob tensão de cisalhamento. A teoria da tensão de cisalhamento máxima (critério de Tresca) afirma que o escoamento começa quando a tensão de cisalhamento máxima atinge um valor crítico.
Historicamente, a compreensão do corte evoluiu de observações empíricas para modelos sofisticados que incorporam plasticidade cristalina. Os primeiros metalúrgicos confiaram na experiência, enquanto as abordagens modernas integram a teoria das deslocações e a análise de elementos finitos.
Modelos contemporâneos incluem equações constitutivas dependentes da taxa que levam em conta os efeitos da taxa de deformação, particularmente importantes em operações de corte em alta velocidade. Os modelos de Johnson-Cook e Zerilli-Armstrong são comumente usados para prever o comportamento do material sob condições dinâmicas de cisalhamento.
Base da Ciência dos Materiais
O comportamento de cisalhamento está intimamente relacionado à estrutura cristalina, com estruturas cúbicas de corpo centrado (BCC) e cúbicas de face centrada (FCC) exibindo diferentes respostas ao cisalhamento devido aos seus distintos sistemas de deslizamento. As fronteiras de grão atuam como barreiras ao movimento de deslocações, afetando a resistência ao cisalhamento geral.
A microestrutura influencia significativamente o desempenho do corte, com materiais de grão fino geralmente exigindo forças de cisalhamento mais altas do que os equivalentes de grão grosso. A distribuição de fases em aços multifásicos cria caminhos de cisalhamento complexos, com fases mais duras resistindo à deformação enquanto fases mais macias acomodam a deformação.
O corte se conecta a princípios fundamentais de deformação plástica, endurecimento por deformação e mecânica da fratura. O equilíbrio entre comportamento dúctil e frágil durante o corte depende da temperatura, taxa de deformação e características microestruturais que controlam a mobilidade das deslocações.
Expressão Matemática e Métodos de Cálculo
Fórmula de Definição Básica
A equação fundamental da tensão de cisalhamento é expressa como:
$$\tau = \frac{F}{A}$$
Onde:
- $\tau$ = tensão de cisalhamento (MPa ou psi)
- $F$ = força aplicada paralela à área da seção transversal (N ou lbf)
- $A$ = área da seção transversal resistindo à força de cisalhamento (mm² ou in²)
Fórmulas de Cálculo Relacionadas
A força necessária para cortar um material pode ser calculada usando:
$$F = L \times t \times \tau_{max}$$
Onde:
- $F$ = força de cisalhamento (N ou lbf)
- $L$ = comprimento do corte (mm ou in)
- $t$ = espessura do material (mm ou in)
- $\tau_{max}$ = resistência ao cisalhamento do material (MPa ou psi)
Para operações de cisalhamento angular, a força pode ser reduzida por:
$$F_{angular} = F \times \frac{t}{\tan(\theta)}$$
Onde:
- $F_{angular}$ = força necessária com lâminas anguladas
- $\theta$ = ângulo da lâmina de cisalhamento
Condições e Limitações Aplicáveis
Essas fórmulas assumem propriedades uniformes do material em toda a seção transversal e são mais precisas para operações de corte a frio em taxas de deformação moderadas. Elas se aplicam principalmente a materiais dúcteis que sofrem deformação plástica antes da fratura.
Os modelos tornam-se menos precisos para materiais muito finos onde os efeitos de flexão dominam, ou para seções muito grossas onde o atrito ao longo da superfície de corte afeta significativamente os requisitos de força. Efeitos de temperatura não são considerados nessas fórmulas básicas.
As suposições incluem bordas de corte afiadas, folga adequada entre lâminas e efeitos negligenciáveis da taxa de deformação. Para operações em alta velocidade ou corte a quente, fatores adicionais devem ser incorporados para levar em conta as mudanças no comportamento do material.
Métodos de Medição e Caracterização
Especificações de Teste Padrão
ASTM B831: Método de Teste Padrão para Teste de Cisalhamento de Produtos de Liga de Alumínio Finos - Cobre procedimentos para determinar as propriedades de cisalhamento de chapas e placas de alumínio.
ISO 12996: União mecânica - Teste destrutivo de juntas - Dimensões do espécime e procedimento de teste para teste de cisalhamento de tração de juntas únicas - Fornece métodos padronizados para avaliar a resistência ao cisalhamento de juntas mecânicas.
ASTM A370: Métodos e Definições de Teste Padrão para Testes Mecânicos de Produtos de Aço - Inclui procedimentos de teste de cisalhamento para vários produtos de aço.
ASTM D732: Método de Teste Padrão para Resistência ao Cisalhamento de Plásticos por Ferramenta de Punção - Embora seja principalmente para plásticos, essa metodologia às vezes é adaptada para chapas de metal finas.
Equipamentos e Princípios de Teste
Máquinas de teste de cisalhamento geralmente apresentam duas lâminas ou punções opostas que aplicam força ao espécime. Máquinas de teste universais podem ser equipadas com dispositivos de teste de cisalhamento especializados para realizar testes padronizados.
O princípio envolve aplicar uma força paralela ao plano de cisalhamento pretendido enquanto restringe o material para evitar flexão ou carga de tração. Células de carga medem a força aplicada, enquanto transdutores de deslocamento rastreiam o movimento dos elementos de cisalhamento.
Equipamentos avançados podem incluir câmeras de alta velocidade para testes dinâmicos de cisalhamento ou testadores de impacto instrumentados para caracterização de alta taxa de deformação. Sistemas de imagem térmica podem monitorar mudanças de temperatura durante o processo de cisalhamento.
Requisitos do Espécime
Espécimes de teste de cisalhamento padrão geralmente têm seções transversais retangulares com dimensões precisamente usinadas. Para materiais em chapa, as larguras típicas variam de 25 a 50 mm, com comprimentos suficientes para permitir uma fixação adequada.
Os requisitos de preparação da superfície incluem desbastar as bordas e garantir a planicidade para evitar falhas prematuras devido a concentrações de tensão. A rugosidade da superfície deve ser controlada e consistente entre os espécimes de teste.
Os espécimes devem estar livres de deformações anteriores ou zonas afetadas pelo calor que possam alterar as propriedades locais do material. Para materiais anisotró