Deformação de metais: causas, efeitos e prevenção.

Deformação do metal

A fabricação de chapas metálicas, o processo de transformação de chapas metálicas em componentes, é fundamental para as operações nas indústrias automotiva, de construção, de transporte e muitas outras. No entanto, a fabricação não está isenta de desafios, sendo um dos principais a deformação do metal. 

Empenamento é definido como a curvatura ou distorção de um material que se desvia das especificações do projeto. Suas causas são as propriedades do material, forças mecânicas e calor. Os fabricantes têm motivos para evitar o empenamento a todo custo, pois ele afeta a funcionalidade e a integridade da peça. 

Felizmente, existem maneiras práticas de evitar deformações, como o pré-aquecimento do metal, o resfriamento lento e o uso adequado de gabaritos e grampos. Considerando que a deformação é um fenômeno significativo na fabricação, este artigo explora o tema, apresentando a definição, as causas, os materiais afetados e as medidas de prevenção.

O que é empenamento de metal?

Placas de aço deformadas

A deformação do metal é um fenômeno que ocorre durante fabricação de metal de precisãoresultando em curvatura, arqueamento e torção das peças. Esses ajustes contribuem para variações nos desvios das especificações do projeto. O aquecimento, o resfriamento e os processos mecânicos concomitantes na fabricação causam deformação do metal, um tipo de deformação irreversível. 

O que é Distorção?

A distorção metálica é a referência geral a qualquer alteração dimensional que um metal sofre em relação à geometria do projeto. Essas alterações incluem empenamento, contração e curvatura. O termo "empenamento" refere-se apenas à deformação planar, enquanto "distorção" abrange uma gama mais ampla de deformações. 

O que causa a deformação do metal?

Existem três causas principais de empenamento em processos de fabricação de chapas metálicas: calor, propriedades do material e forças mecânicas. 

Calor:

Não é surpreendente que o calor seja uma das causas mais comuns de deformação em metais. Isso porque, quando o calor é aplicado rapidamente, ou quando o processo de resfriamento também é rápido, tensões térmicas são geradas, provocando a deformação do metal. Uma má gestão térmica pode causar deformações graves em peças metálicas, o que pode resultar em fragilidades e danos.  

A chave para compreender o papel do calor na deformação e distorção é garantir que as tolerâncias de projeto sejam mantidas. Por exemplo, na fabricação de automóveis, deformações extremas podem afetar os prazos do projeto e aumentar os custos. Especialistas em técnicas de fabricação de metais Aplicar técnicas de gerenciamento de entrada de calor, por exemplo, o backstepping. 

Propriedades materiais

A propensão à deformação varia de um tipo ou classe de metal para outro. A resposta de um material ao calor pode depender de propriedades como condutividade térmica, limite de elasticidade e dilatação térmica. 

Forças Mecânicas

As operações de dobra, conformação e estiramento exercem forças sobre o metal. Isso introduz concentrações de tensão que causam empenamento e distorção. Além das inevitáveis ​​forças mecânicas, também existem fatores desencadeantes de mecanismos de fixação e ferramentas inadequados. 

Quais materiais são propensos a deformações?

As propriedades de tensão interna e os níveis de condutividade térmica fazem com que alguns materiais sejam mais propensos à deformação do que outros. No topo dessa lista estão as ligas de alumínio e os aços com alto teor de carbono. 

Vamos explicar por que esses e outros materiais específicos são propensos a deformações. 

Ligas de Alumínio

O elevado coeficiente de expansão térmica e a alta condutividade térmica das ligas de alumínio podem facilmente causar deformações durante a fabricação. Na maioria dessas condições, o alumínio deforma-se duas vezes mais que o aço. 

Painéis de alumínio deformados

As propriedades das ligas de alumínio promovem a rápida propagação e dissipação de calor, o que pode causar altos gradientes de temperatura. As tensões internas resultantes aumentam o empenamento e a distorção. 

Aços de alto carbono

Os aços de alto carbono são altamente propensos a deformações devido ao seu elevado teor de carbono. Técnicas inadequadas de soldagem, conformação e corte também podem agravar o problema. O resfriamento rápido de aços de alta resistência (HCSs) é acompanhado por transformação martensítica e expansão volumétrica, o que gera tensões internas. Os aços ferramenta O1 e D2 frequentemente exibem esse fenômeno. 

Aços Inoxidáveis

Compreender a deformação do aço inoxidável é fundamental para fabricantes e usuários de utensílios de cozinha e outros produtos. 

Panela de aço inoxidável deformada

O aquecimento e o resfriamento não uniformes causam deformações no aço inoxidável. A maior parte das deformações é observada nos aços inoxidáveis ​​304, 316 e em outras ligas austeníticas do metal. O aço inoxidável 430 e outros aços inoxidáveis ​​ferríticos não sofrem tanta deformação quanto os aços inoxidáveis ​​austeníticos. 

Ligas de titânio

O titânio possui baixa condutividade térmica, portanto, o aquecimento e o resfriamento desiguais causam gradientes de temperatura prejudiciais. A alta relação resistência/peso e as propriedades de retorno elástico da liga criam um ambiente ainda mais propício à deformação. É por isso que é tão desafiador fabricar Ti-6Al-4V, uma liga popular usada em aplicações aeroespaciais. 

Ligas de cobre 

As ligas de cobre possuem uma condutividade térmica de 300 W/mK ou superior, significativamente maior que a do cobre puro (aproximadamente 401 W/mK) e muitas vezes superior à do aço inoxidável. Isso significa que, durante a fabricação, o calor se propaga pelo metal de forma extremamente rápida. 

Ainda assim, para essa propriedade, é necessário muito calor para o processamento adequado dessas ligas. As temperaturas de trabalho que os fabricantes precisam atingir para latão, bronze e outras ligas são elevadas. Essas condições fazem da deformação um desafio importante durante a fabricação.

Processos propensos à deformação do metal

Os processos que mais causam deformações são o corte a chama, o corte a laser, o corte a plasma e a soldagem. Processos de conformação que envolvem calor também contribuem para esse problema, o que significa que a conformação por rolos e a prensagem em dobra também causam deformações e distorções. 

A deformação por tensão específica e os gradientes térmicos para cada um desses processos diferem. Por exemplo, enquanto os processos de corte causam tensões nas bordas, a soldagem está principalmente associada a zonas de calor localizadas. 

Fabricação de chapas de metal Os especialistas realizam esses processos com cuidado e de acordo com as diretrizes do setor para minimizar a deformação. 

Corte com chama (corte oxiacetilênico)

O corte a chama envolve aquecer a chapa metálica até sua temperatura de ignição e, em seguida, usar um jato de oxigênio potente para cortá-la. 

Corte a Laser 

Os materiais cortados a laser sofrem deformações devido a alterações no equilíbrio das tensões internas. Essa alteração pode se manifestar como um aumento ou diminuição desigual da tensão, que é tanto mecânica quanto térmica.

Folha cortada a laser deformada

Corte a plasma 

A temperatura de cerca de 20,000 °C produzida no corte a plasma é mais do que suficiente para causar deformação na maioria dos metais. O jato de plasma também gera tensão mecânica ao atravessar o material. 

O maior potencial de deformação está nas chapas mais finas, pois o calor fica mais concentrado na parte superior do que na inferior da chapa metálica – formando-se uma grande diferença de temperatura. 

Soldagem

Deformação na soldagem

A soldagem causa aquecimento e resfriamento localizados. O calor expande a área de soldagem, enquanto o resfriamento tenta contrair o mesmo local. A deformação ou empenamento ocorre quando essas forças de expansão e contração excedem o nível de restrição do material. Metais como o alumínio, com sua alta condutividade térmica, são extremamente propensos a esse tipo de deformação.  

Perfiladeira

Formação de rolo

A deformação plástica progressiva na conformação por rolos é uma causa comum de empenamento. Tensões residuais são introduzidas no material à medida que ele passa pelos conjuntos de rolos. Se a espessura do material for irregular ou os raios de curvatura não forem otimizados, é provável que ocorra empenamento. A conformação em alta velocidade também pode elevar as temperaturas, o que introduz tensão térmica na chapa metálica. 

Pressão do freio 

À medida que a matriz e o punção forçam uma chapa metálica a dobrar, a superfície interna sofre compressão e a superfície externa se estica. O gradiente de tensão criado deve estar em equilíbrio; caso contrário, a chapa metálica irá deformar. 

Pressione o freio de flexão

O que é empenamento no aço? 

A deformação ocorre no aço em padrões distintos, dependendo da classe de aço. A deformação angular é evidente em peças de aço macio, enquanto os aços de alto carbono exibem torção extrema. No aço temperado, o problema da deformação é ainda mais pronunciado. 

Dicas para evitar deformações em metais

Os fabricantes de peças metálicas utilizam diversas estratégias para minimizar a deformação, incluindo:

Considerações sobre materiais e design adequados

O tipo de material, a espessura da chapa e o projeto devem ser cuidadosamente considerados para minimizar as chances de empenamento. Por exemplo, no projeto, os engenheiros devem levar em conta elementos como raios de curvatura e posicionamento de detalhes. 

Estratégias de gerenciamento de calor

Os processos de corte, conformação e soldagem devem ser bem gerenciados para minimizar a deformação da peça fabricada. Processamento de chapa metálica Os especialistas utilizam estratégias como métodos avançados de soldagem, curvatura gradual e aplicação dos parâmetros de corte corretos. 

Gerenciamento de Tensão Mecânica 

Para problemas de tensão mecânica, as opções incluem fixação segura, seleção cuidadosa de ferramentas e suporte adicional durante a fabricação de chapas metálicas. 

Fixação por grampos na soldagem

Resfriamento Eficaz

O resfriamento controlado é uma estratégia eficaz para minimizar as tensões relacionadas aos gradientes térmicos em um material.

Conclusão 

A deformação do metal pode tornar uma peça acabada de chapa metálica inutilizável. No entanto, isso pode ser evitado com serviços de fabricação de chapas que aplicam as melhores práticas. Corte, soldagem e conformação especializados, aliados à pré-fabricação e pós-fabricação, oferecem a melhor solução. Contrate um profissional para seus projetos de fabricação de chapas metálicas a fim de evitar os perigos e prejuízos causados ​​pela deformação do metal.