Estudo Da Expansão de Furos e Estampabilidade de Chapas de Aço

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARAN

MANOLO LUTERO GIPIELA

ESTUDO DA EXPANSO DE FUROS E ESTAMPABILIDADE DE CHAPAS DE AO MULTIFSICO CPW800

CURITIBA 2012



Tese apresentada como requisito para obter o ttulo de Doutor em Engenharia Mecnica do Curso de Doutorado em Engenharia Mecnica da Universidade Federal do Paran, na rea de concentrao Manufatura.

Orientador: Prof. Dr. Paulo Victor Prestes Marcondes.

CURITIBA 2012

TERMO DE APROVAO



Tese aprovada como requisito parcial obteno de grau de Doutor em Engenharia Mecnica, rea de concentrao Manufatura, no Programa de Ps-Graduao em Engenharia Mecnica, Setor de Tecnologia da Universidade Federal do Paran.

Banca Examinadora:

Prof. Dr. Lrio Schaeffer Prof. Dr. Fred L. Amorim UFRGS PUCPR Examinador externo Examinador externo

Prof. Dr. Heraldo Cambraia Prof. Dr. Sergio L. Henke UFPR UFPR Examinador interno Examinador interno

Prof. Dr. Paulo Victor Prestes Marcondes UFPR

Presidente

Curitiba, 13 de Novembro de 2012.

Dedico este trabalho pessoa mais importante na

minha vida, minha filha, Maria Ceclia.

AGRADECIMENTOS

Aos meus pais e irmos, pelo apoio incondicional e motivao.

Ao Prof. Dr. Paulo Victor Prestes Marcondes, pela orientao e incentivo ao desenvolvimento do doutoramento em Engenharia Mecnica.

Ao Departamento de Engenharia Mecnica e ao Programa de Ps-Graduao em Engenharia Mecnica da UFPR, por permitir a utilizao dos laboratrios e por prover os recursos materiais e financeiros necessrios realizao deste trabalho.

Ao Prof. M.Eng. Nixon Malveira, pelas valiosas discusses e pelo emprstimo de instrumentos de medio empregados no procedimento experimental.

Aos Professores Pedro Luis Fiad do Amaral, Dr. Alosio Jos Schuitek, Jos Germano Hambrusch, Dr. Ossimar Maranho e Dr. Fbio Martins do Departamento de Mecnica da UTFPR, campus Curitiba, por franquearem a utilizao dos laboratrios de usinagem da UTFPR para preparao de corpos de prova utilizados nos ensaios de estampagem.

empresa Thyssen Krupp, pelo fornecimento do ao CPW800.

empresa Spectroscan Ltda, pelas anlises de espectrometria de emisso tica.

Doutoranda ngela Maria Cordeiro de Oliveira, pela ajuda na preparao de amostras e realizao de metalografias.

Ao Prof. Dr. Irionson Antonio Bassani por permitir a utilizao do circularmetro do laboratrio de Metrologia da PUCPR.

Ao amigo M.Eng. Rosalvo da Cunha Barreto Neto pelo apoio dirio nos experimentos conduzidos no LABCONF da UFPR.

Ao aluno de iniciao cientfica Nikolas Woellner pela ajuda com os desenhos do ferramental de estampagem e de puncionamento com brochamento.

todos que colaboraram direta ou indiretamente realizao deste trabalho.

RESUMO

Na estampagem de chapas pr-furadas comum a gerao de trincas nas bordas de furos que foram submetidos expanso durante o processo de estampagem. Aos avanados de alta resistncia (AHSS) laminados quente podem facilmente nuclear trincas em regies superficiais nas bordas dos furos expandidos devido aos mtodos de processamento que foram empregados para furar as chapas. A capacidade de um furo ser expandido no dependente somente da ductilidade do material. A qualidade superficial da parede do furo, bem como o seu dimetro so de extrema importncia na sua razo de expanso. O objetivo do presente trabalho foi avaliar a expanso de furos puncionados por processo inovador de puncionamento com brochamento, bem como a conformabilidade de chapas de ao multifsico CPW800 empregando diferentes cargas de prensa-chapas. Para desenvolvimento do estudo foi definida a seguinte metodologia: ensaios de puncionamento com duas geometrias distintas de puno inovador (tipo 1 e tipo 2), uma geometria clssica de puno (tipo 3) e trs folgas distintas entre puno e matriz (1%, 3% e 5% da espessura da chapa) para definir a melhor combinao entre puno e matriz em termos de qualidade superficial dos furos. Ensaios de Nakazima para avaliar a estampabilidade do ao foram conduzidos empregando-se cargas de prensa-chapas distintas, sendo estas de 1002, 401 e 300,6 kN. Ensaios de expanso de furos com puno hemisfrico e com puno reto foram realizados para determinar a razo de expanso de furos puncionados que apresentaram os melhores resultados quanto qualidade superficial dos furos. Pelos resultados obtidos, verificou-se que o puno inovador tipo 1 e a matriz com a folga de 1% da espessura da chapa proporcionaram os melhores resultados em termos de cilindricidade, circularidade e qualidade superficial dos furos. Comparaes entre curvas limite de conformao obtidas a partir de ensaios de Nakazima realizados com as diferentes cargas de prensa-chapas indicaram que a conformabilidade do ao estudado diminuiu com a diminuio da carga no prensa-chapas. Os ensaios de expanso de furos permitiram constatar que capacidade mxima de expanso de um furo de 10 mm puncionado em chapa 1,6 mm pelo processo de puncionamento com brochamento foi em torno de 50% do dimetro inicial do furo. As seguintes concluses podem ser apresentadas: Ocorre diminuio da conformabilidade do ao devido nucleao de trincas nos furos puncionados, trincas as quais so causadas pelo estiramento das bordas dos furos. A carga no prensa-chapas tem influncia direta na conformabilidade do ao CPW800 de forma que diminuio gradativa da carga no prensa-chapas reduz a capacidade do material estirar. Portanto, o ajuste adequado da carga no prensa-chapas na estampagem do ao multifsico CPW800 primordial para que produtos estampados por embutimento e estiramento sejam manufaturadas de forma satisfatria.

Palavras-chave: Expanso de furos. Puncionamento combinado com brochamento. Ensaios de Nakazima. Curva Limite de Conformao - CLC. Prensa-chapas.

ABSTRACT

In the punched blanks stamping the crack generation at the hole edges is very common when holes are expanded during the forming. Advanced high strength steels - AHSS can easily crack in the surface regions because the processing methods applied to bore the blanks. The hole expansion capacity is not dependent only the material ductility. The hole surface quality and it`s diameter are extremely important on hole expansion ratio. The aim of this study was to evaluate the punched hole expansion and formability of multiphase CPW800 sheet steel under different blank-holder loads. The study was realized according the following experimental methodology: punching tests using two innovative punchs with punching and broaching combo geometries (type 1 and type 2) and punching tests using a classical punch geometry (type 3) were performed considering three distinct clearances between punch and die (1%, 3 % and 5% of the sheet thickness). All the punchings were accomplished to define the best combination between punch and die in terms of the surface hole quality. Nakazima tests to evaluate the steel drawability were performed under three different blank holder loads which were 1002, 401 and 300.6 kN. Hole expansions tests with a hemispherical punch and a flat punch were performed to find out the hole expansion ratio of the best holes punched. Results shown the punch "type 1" and the die with clearance 1% provided the best results in terms of roundness, cylindricity and hole surface quality. Forming limit curves defined from Nakazima`s tests performed with different blank holder loads shown the CPW800 formability droop when the blank holder load was reduced. Hole expansion tests shown the maximum expansion of 10 mm holes punched was increased around 50% comparing with the original hole diameter. The following conclusions are presented in this study: due to crack nucleation on the holes punched the CPW800 steel had its formability decreased. Cracks were caused by stretching of hole edges. The blank holder load had a direct influence on the CPW800 formability and the gradual decrement of blank holder load reduced the CPW800 stretchability. Thus, a proper adjustment of the blank holder load is necessary in the CPW800 sheet metal forming. The correct blank holder load in draw and stretch sheet metal allows manufacture products with satisfactory quality.

Key words: Hole expansion. Punching and broaching combo. Nakazima test. Forming Limit Curve - FLC. Blank holder.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 Relao entre ductilidade e resistncia de vrias categorias de aos utilizados na estrutura dos automveis (ULSAB-AVC, 2001). ................................................................... 29 Figura 2 - Possibilidades de aplicao dos aos AHSS na carroceria dos automveis (adaptado de MARRA, 2008). .............................................................................................. 34 Figura 3 - Flange para assento estampada em ao CP 600 de 1,5 mm de espessura (LOMBARDO, 2011). ........................................................................................................... 38 Figura 4 - Reforo de cabine estampado em ao CP 800 de 1,6 mm de espessura (LOMBARDO, 2011). ........................................................................................................... 38 Figura 5 Exemplo esquemtico do embutimento de uma chapa (SCHAEFFER, 2011). .... 41 Figura 6 Estado de deformaes atuantes no copo durante o embutimento (BRESCIANI et al., 1997). ................................................................................................... 43 Figura 7 E embutimento (a) e estiramento (b) de chapas (CALDIN, 2006). ...................... 44 Figura 8 - Distncia l de apoio da chapa sobre a matriz (ASM Handbook, 1993). ................ 45 Figura 9 - Ferramental utilizado por PEREIRA et al. (2008). ................................................ 47 Figura 10 - Ferramental utilizado por ALTAN et al. (2008). .................................................. 48 Figura 11 Efeito do raio da matriz sobre a fora de estampagem (adaptado de ASM Handbook, 1993). ................................................................................................................ 49 Figura 12 Deformaes na circunferncia da malha gravada (adaptado de KEELER, 2002). .................................................................................................................................. 51 Figura 13 Representao da curva limite de conformao e das regies de deformao (adaptado de CALDIN, 2006). .............................................................................................. 52 Figura 14 Deformao dos CP`s aps os ensaios de conformabilidade (a) e a CLC obtida a partir dos resultados de deformao de cp`s (b) - (CALDIN, 2006). .................................. 55 Figura 15 Montagem esquemtica de um teste de expanso de furos em uma prensa hidrulica (adaptado de NARAYANASAMY et al., 2010). .................................................... 57 Figura 16 Pescoo formado a partir da expanso de furo por flangeamento de uma chapa de ao TRIP (adaptado de HYUN et al., 2002). ................................................................... 58 Figura 17 Processo de expanso de furos com puno cnico (adaptado de UTHAISANGSUK et al., 2009). ............................................................................................ 58 Figura 18 Processo de expanso de furos com puno em forma de domo (adaptado de HYUN et al., 2002). .............................................................................................................. 59

Figura 19 Representao esquemtica de um furo expandido por um puno cilndrico reto (adaptado de STACHOWICZ, 2008). ................................................................................... 60 Figura 20 Princpio do processo de puncionamento de chapas (MELLO, 2001). .............. 63 Figura 21 Etapas do processo de puncionamento de chapas (adaptado de TARKANY, 2003). .................................................................................................................................. 65 Figura 22 Conicidade em um furo puncionado em uma chapa de ao LNE 38 de 8 mm de espessura (ETO, 2005). ....................................................................................................... 66 Figura 23 - Efeitos da folga: a) adequada, b) insuficiente e c) excessiva (MARCONDES, 2009). .................................................................................................................................. 68 Figura 24 Folga entre puno e matriz no processo de puncionamento (ETO, 2005). ...... 69 Figura 25 Ilustrao esquemtica e macrogrfica das regies desenvolvidas em uma chapa puncionada e no retalho do corte. Regies no retalho: (a) rebarba, (b) zona de fratura, (c) zona lisa e (e) roll over. Regies na chapa puncionada: (e) roll over, (f) e (g) zona de fratura (adaptado de HAMBLI et al., 2003; GOIJAERTS et al., 2001; LUO, 1999). .............. 70 Figura 26 ngulo de propagao de trinca e ngulo direcional (adaptado de HAMBLI e GUERIN, 2003). ................................................................................................................... 73 Figura 27 Evoluo da altura da rebarba com a folga (adaptado de RACHIK et al., 2002). ............................................................................................................................................ 77 Figura 28 Remoo de material por brochamento de uma superfcie plana externa (adaptado de ASM, 1989). ................................................................................................... 79 Figura 29 Brocha de compresso (STEMMER, 1995). ..................................................... 82 Figura 30 - Elementos de uma brocha interna de compresso (STEMMER, 1995). ............ 83 Figura 31 Etapas do processo combinado de puncionamento com brochamento (ETO, 2005). .................................................................................................................................. 85 Figura 32 Superfcie acabada de um furo obtido por puncionamento combinado com brochamento (MELLO e MARCONDES, 2006). ................................................................... 86 Figura 33 Microscpio eletrnico de varredura com EDS acoplado. ................................. 90 Figura 34 Desenho do CP para o ensaio de trao (modelo de CHEMIN, 2011). ............. 91 Figura 35 ngulos para extrao de corpos de prova a partir da direo de laminao (adaptado de USIMINAS, 1999). ......................................................................................... 91 Figura 36 Ferramental utilizado nos ensaios de puncionamento. ...................................... 95 Figura 37 Punes utilizados nos ensaios de puncionamento: (a) Puno tipo1, (b) puno tipo 2 e (c) puno tipo 3. .................................................................................................... 96 Figura 38 Matrizes utilizadas nos ensaios de puncionamento: (a) matriz com folga de 1%, (b) matriz com folga de 3% e (a) matriz com folga de 5%. ................................................... 97 Figura 39 CP utilizado em ensaios para definir a combinao ideal de puno e matriz. 100

Figura 40 (a) Referncias do posicionamento do apalpador para medio de circularidade e cilindricidade e (b) Circularmetro modelo Talyrond 252 do laboratrio de metrologia do departamento de Engenharia Mecnica da PUCPR. ......................................................... 101 Figura 41 Relgio comparador digital e coluna de medio utilizados nas medies de altura de rebarbas em furos puncionados e brochados. ..................................................... 102 Figura 42 Ferramental utilizado em trabalho anterior por NIKHARE et al. (2008). .......... 105 Figura 43 Ferramental desenvolvido para execuo dos ensaios de Nakazima: (a) desenho e (b) como fabricado. .......................................................................................... 106 Figura 44 Desenho esquemtico de malha impressa em corpo de prova para ensaio de Nakazima (adaptado de NETTO, 2004). ............................................................................ 107 Figura 45 Desenho esquemtico da tcnica de impresso eletroqumica de malhas (adaptado de NETTO, 2004). ............................................................................................. 108 Figura 46 CP`s utilizados por CHEMIN (2011) para o levantamento da CLC do ao DP600. .......................................................................................................................................... 111 Figura 47 CP`s dimensionados para os ensaios de Nakazima........................................ 112 Figura 48 Domo de um CP estampado ilustrando os pontos de medio das deformaes maior e menor, para levantamento da CLC. ...................................................................... 113 Figura 49 Puno reto desenvolvido para realizao de ensaio de embutimento em CP de raio de 60 mm: (a) desenho e (b) como fabricado. ............................................................. 115 Figura 50 Micrografias do ao CPW800 com ampliao de 1000x obtida com microscpio tico (a) e ampliao de 5000x obtida com MEV (b). ......................................................... 120 Figura 51 Curva Tenso vs Deformao de engenharia do ao CPW800. ..................... 125 Figura 52 Ampliao da parede de um furo puncionado por puno combinado tipo 1 e matriz com 1% de folga MEV 52x. .................................................................................. 129 Figura 53 Retalho (a) e cavacos (b) obtidos a partir do puncionamento do ao CPW800 com punes do tipo 1 e 2 e matrizes com 1%, 3% e 5% de folga. ................................... 130 Figura 54 Cavacos gerados no processo de brochamento: (a) em lascas, (b) cisalhado e (c) contnuo (adaptado de STEMMER, 1995). ................................................................... 132 Figura 55 Princpio de formao do cavaco extrudado. .................................................. 132 Figura 56 Altura de rebarbas inferiores para puncionamentos realizados com puno tipo 1 e folgas com 1%, 3% e 5% da espessura de chapa........................................................... 134 Figura 57 Altura de rebarbas inferiores para puncionamentos realizados com puno tipo 2 e folgas com 1%, 3% e 5% da espessura de chapa........................................................... 134 Figura 58 Evoluo da altura de rebarbas inferiores para puncionamentos realizados com punes tipo 1 e tipo 2 empregando folgas com 1%, 3% e 5% da espessura de chapa. ... 135

Figura 59 Estgios para as arestas de corte dos punes combinados tipo 2 (a) e tipo 1 (b). ........................................................................................................................... 136 Figura 60 Altura de rebarbas superiores para puncionamentos realizados com puno tipo 1 e folgas com 1%, 3% e 5% da espessura de chapa. ....................................................... 137 Figura 61 Altura de rebarbas superiores para puncionamentos realizados com puno tipo 2 e folgas com 1%, 3% e 5% da espessura de chapa. ....................................................... 137 Figura 63 Altura de rebarbas inferiores para puncionamentos realizados com puno tipo 3 e folgas com 1%, 3% e 5% da espessura de chapa........................................................... 140 Figura 64 Evoluo da altura de rebarbas inferiores para puncionamentos realizados com puno tipo 3 empregando folgas com 1%, 3% e 5% da espessura de chapa................... 141 Figura 65 Ampliao dos perfis dos furos puncionados com puno tipo 1, tipo 2 e tipo 3 MEV 50x: Zona lisa (a) Comb. 11, (b) Comb. 13, (c) Comb. 15, (d) Comb. 21, (e) Comb. 23, (f) Comb. 25, (g) Comb. 31, (h) Comb. 33 e (i) Comb. 35. ........................................ 145 Figura 66 Ampliao da zona lisa dos perfis dos furos puncionados com puno tipo 1, tipo 2 e tipo 3 MEV 400x: (a) Comb. 11, (b) Comb. 13, (c) Comb. 15, (d) Comb. 21, (e) Comb. 23, (f) Comb. 25, (g) Comb. 31, (h) Comb. 33 e (i) Comb. 35. ........................................... 147 Figura 67 Estado de tenses no incio da fratura (adaptado de BAUDOUIN et al., 2002). .......................................................................................................................................... 148 Figura 68 Ampliao da zona rugosa dos perfis dos furos puncionados com puno tipo 3 MEV 400x: (a) Comb. 31, (b) Comb. 33, (c) Comb. 35. ................................................... 148 Figura 69 Ampliao da zona rugosa dos perfis dos furos puncionados com puno tipo 3 MEV 2000x: (a) Comb. 31, (b) Comb. 33, (c) Comb. 35. ................................................. 149 Figura 70 Curva Limite de Conformao do ao CPW800 obtida atravs de ensaio de Nakazima com carga no prensa-chapas de 1002 kN. ........................................................ 150 Figura 71 Diagrama Limite de Conformao para CP`s de raio de 65 mm estampados com carga no prensa-chapas CPC1. .......................................................................................... 152 Figura 72 Variao provocada na Curva Limite de Conformao para a carga no prensa-chapas CPC1. ........................................................................................................ 152 Figura 73 Diagrama Limite de Conformao do ao CPW800 para CP`s de raio de 65 mm estampados com a carga no prensa-chapas CPC2. ........................................................... 153 Figura 74 Variao provocada na Curva Limite de Conformao para a carga no prensa-chapas CPC2. ........................................................................................................ 154 Figura 75 Curva Limite de Conformao para as cargas no prensa-chapas de 1002, 401 e 300,6 kN. ........................................................................................................................... 155 Figura 76 Variao da taxa de deformao no flange em funo da carga no prensa-chapas. .................................................................................................................. 157

Figura 77 Variao da taxa de deformao no flange em funo da carga no prensa-chapas, com as cargas de 3199,32 kN e 814,90 kN. ............................................. 159 Figura 78 CP`s aps o ensaio de expanso de furos: (a) CP de 50 x 137 mm sem rebarbas, (b) CP de 50 x 137 mm com rebarba, (c) CP de R 60 mm sem rebarbas, (d) CP de R 60 mm com rebarbas, (e) CP de R 65 mm sem rebarbas e (f) CP de R 65 mm com rebarbas. ........................................................................................................................... 160 Figura 79 Curva Limite de Conformao para CP`s com furo expandido e sem furo. ..... 165

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 Composio qumica de aos de fase complexa (THYSSENKRUPP STEEL, 2008) ....................................................................................... 36 Tabela 2 Propriedades mecnicas de chapas no revestidas de aos de fase complexa (THYSSENKRUPP STEEL, 2008) ....................................................................................... 36 Tabela 3 Classificao das ferramentas de brochar (STEMMER, 1995). .......................... 81 Tabela 4 Composio qumica do ao CPW800 (THYSSENKRUPP STEEL, 2008). ........ 89 Tabela 5 Quantidade de CP`s necessrios no ensaio de trao para levantamento das propriedades n, R, LR, LE, Al. ............................................................................................. 92 Tabela 6 Tratamentos trmicos aplicados ao ao VC 131. ............................................... 97 Tabela 7 Matriz de planejamento do procedimento experimental com processos de puncionamento. ................................................................................................................... 99 Tabela 8 Siglas adotadas para avaliao de rebarbas em superfcie inferior e superior de chapas puncionadas por puno com arestas para brochamento...................................... 103 Tabela 9 Siglas adotadas para avaliao de rebarbas em superfcie inferior e superior de chapas puncionadas pelo puno tipo 3. ........................................................................... 104 Tabela 10 Composio qumica do eletrlito (NETTO, 2004). ........................................ 109 Tabela 11 Composio qumica do neutralizador (NETTO, 2004). ................................. 109 Tabela 12 Quantidade de CP`s necessrios para os ensaios de Nakazima. .................. 113 Tabela 13 Quantidade de CP`s necessrios para os ensaios de Nakazima com variao de carga no prensa-chapas. .............................................................................................. 114 Tabela 14 Quantidade de CP`s utilizados nos ensaios de expanso de furos. ............... 116 Tabela 15 Composio qumica do ao Complex Phase (CPW800) laminado quente segundo anlise espectromtrica, segundo fabricante e segundo pesquisa anterior realizada por ZIEGELHEIMOVA et al. (2003). ................................................................................... 119 Tabela 16 Propriedades mecnicas do ao CPW800, obtidos atravs dos ensaios de trao realizados neste trabalho e propriedades mecnicas segundo o fabricante THYSSENKRUPP STEEL (2008). ..................................................................................... 122 Tabela 17 Fatores de anisotropia R, R e R e coeficiente de encruamento n do ao CPW800, obtidos atravs dos ensaios de trao e segundo GEIGER et al. (2008). .......... 123 Tabela 18 ANOVA das alturas de rebarbas desenvolvidas na superfcie inferior das chapas puncionadas com puno combinado e puno clssico. .................................................. 126 Tabela 19 ANOVA das alturas de rebarbas desenvolvidas na superfcie superior das chapas puncionadas com puno combinado.................................................................... 127

Tabela 20 ANOVA da cilindricidade de furos puncionados com puno combinado e puno clssico. ................................................................................................................ 141 Tabela 21 Cilindricidade de furos puncionados pelas combinaes ................................ 142 Tabela 23 Tempo de estampagem, deslocamento da chapa e velocidade de ................ 156 Tabela 24 Correo de dimetro de furos expandidos e razo de expanso de furos (REF). ................................................................................................................................ 161

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ABNT Associao Brasileira de Normas Tcnicas AC Alternate Current AHSS Advanced High Strength Steel AISI American Iron Steel Institute ANOVA Anlise da Varincia ASM American Society of Materials ASTM American Society for Testing and Materials AVC Advanced Vehicle Concepts BH Bake Hardening CLC Curva Limite de Conformao CP Ao multifsico de fase complexa CP`s Corpos de prova CPW Complex Phase Hot Rolled CPK Complex Phase Cold Rolled DC Direct Current DEMEC Departamento de Engenharia Mecnica DIN Deutsche Industrie Normen DLC Diagrama Limite de Conformao DP Dual Phase EDS Energy Dispersive Spectroscopy FEM Finite Elements Method GL Graus de Liberdade HRC Hardness Rockwell C HSS High Strength Steel INF Inferior IS Isotropic Steel ISO International Organization for Standartization LABCONF Laboratrio de Conformao LACTEC Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento MART Martensticos

MEF Mtodo dos Elementos Finitos MEV Microscopia Eletrnica de Varredura MS Soma do Quadrados Mdios NBR Norma Brasileira Regulamentadora CPC Carga no prensa-chapas PUCPR Pontifcia Universidade Catlica do Paran REF Razo de Expanso de Furo SQ Soma dos Quadrados SUP Superior TRC Transformao e Resfriamento Contnuo TRIP Transformation Induced Plasticity UFPR Universidade Federal do Paran UHSS Ultra High Strength Steel ULSAB Ultra Light Steel Auto Body USIMINAS Usinas Siderrgicas de Minas Gerais

LISTA DE SMBOLOS

Al Alongamento percentual Coeficiente de expanso de furo ngulo de propagao de trinca c Folga entre puno e matriz df Dimetro mdio final no estgio de fratura do corpo de prova di Dimetro mdio inicial no furo do corpo de prova Dm Dimetro da matriz Dp Dimetro do puno e1 Maior deformao convencional e2 Menor deformao convencional F F de significao: p-value da estatstica F FCalculado Valor do F de significao calculado pelo software STATISTICA 8.0 FTabelado Valor do F de significao tabelado para um nvel de significncia de

5% segundo o nmero de graus de liberdade do numerador e denominador

g Grama C Grau Celsius h Horas INF Regio inferior dos furos puncionados kN Quilonewton l Distncia da chapa apoiada sobre a matriz l0 Dimetro inicial da circunferncia l1 Dimenso maior final da elipse l2 Dimenso menor final da elipse LR Limite de ruptura MPa Mega Pascal n Coeficiente de encruamento N Newton n0 Coeficiente de encruamento a 0 da direo de laminao n45 Coeficiente de encruamento a 45 da direo de laminao

n90 Coeficiente de encruamento a 90 da direo de laminao nmedio Coeficiente de encruamento mdio p Estatstica utilizada para sintetizar o resultado de um teste de hipteses CPC1 Carga de 401 kN no prensa-chapas CPC2 Carga de 300,6 kN no prensa-chapas R Coeficiente de anisotropia normal

R Coeficiente de anisotropia mdio R0 Coeficiente de anisotropia a 0 da direo de laminao R45 Coeficiente de anisotropia a 45 da direo de laminao R90 Coeficiente de anisotropia a 90 da direo de laminao rd Raio de dobra Ry Distncia entre o pico mais alto e o vale mais baixo, dentro de um

comprimento medido de um perfil de rugosidade s Penetrao do puno SUP Regio superior dos furos puncionados t Espessura da chapa t0 Espessura da chapa te Tempo total de estampagem tf Tonelada fora Up Penetrao do puno na chapa V1 Velocidade de estampagem V2 Velocidade de escoamento da chapa no flange

.

max Taxa de deformao mxima

Dimetro

e Dimetro expandido

1 Deformao verdadeira maior 2 Deformao verdadeira menor R Tendncia ao orelhamento df Deslocamento da chapa no flange m Micrmetro

d ngulo diagonal formado entre as arestas de corte do puno e da matriz

max Tenso cisalhante mxima

SUMRIO

1 INTRODUO E OBJETIVOS ........................................................................... 23 1.1 Formulao do problema ...................................................................................................... 23 1.2 Hiptese ................................................................................................................................ 24 1.3 Objetivo ................................................................................................................................. 24 1.4 Metas ..................................................................................................................................... 25 1.5 Estrutura do trabalho ............................................................................................................. 26

2 REVISO BIBLIOGRFICA ............................................................................... 27 2.1 Aos avanados de alta resistncia (AHSS). ........................................................................ 27 2.1.1 Aos bifsicos (DP) ...................................................................................................... 29 2.1.2 Aos martensiticos (MART) .......................................................................................... 30 2.1.3 Aos de plasticidade induzida por deformao (TRIP) ................................................ 31 2.1.4 Aos multifsicos de fase complexa (CP) .................................................................... 33 2.2 Estampagem de chapas metlicas ....................................................................................... 40 2.2.1 Embutimento e estiramento de chapas ......................................................................... 42 2.2.2 Variveis de processo na estampagem de chapas ..................................................... 45 2.3 Curvas limite de conformao ............................................................................................... 49 2.4 Expanso de furos................................................................................................................. 56 2.5 Puncionamento de chapas .................................................................................................... 63 2.5.1 Folga entre puno e matriz no processo de puncionamento e recorte de chapas ..... 67 2.6 Processo de brochamento .................................................................................................... 78 2.6.1 Princpios de operao .................................................................................................. 79 2.6.2 Ferramentas .................................................................................................................. 80 2.6.3 Classificao das ferramentas de brochar .................................................................... 80 2.6.4 Brocha interna de compresso ..................................................................................... 82 2.7 Processo combinado de puncionamento com brochamento ................................................ 83

3 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL .................................................................. 87 3.1 Generalidades ....................................................................................................................... 87 3.2 Material utilizado .................................................................................................................... 88 3.3 Ensaios para caracterizao do ao CPW800 ...................................................................... 89 3.3.1 Anlise qumica por espectrometria de emisso tica .................................................. 89 3.3.2 Ensaios metalogrficos ................................................................................................. 89 3.3.3 Ensaios de trao .......................................................................................................... 90 3.3.4 Ensaios de puncionamento combinado com brochamento e puncionamento com puno clssico ................................................................................................................................. 94 3.3.5 Curvas Limite de Conformao (CLC) ........................................................................ 105

3.3.6 Ensaios de Nakazima para anlise da influncia da carga no prensa-chapas........... 114 3.3.7 Ensaios de expanso de furos .................................................................................... 115

4 RESULTADOS E DISCUSSES ...................................................................... 118 4.1 Caracterizao do ao CPW800 ......................................................................................... 118 4.1.1 Anlise qumica ........................................................................................................... 118 4.1.2 Anlise microestrutural ................................................................................................ 120 4.1.3 Ensaios de trao ........................................................................................................ 121 4.2 Ensaios de puncionamento ................................................................................................. 125 4.2.1 ANOVA Anlise da Varincia ................................................................................... 126 4.2.2 Puncionamento combinado com brochamento ........................................................... 129 4.2.3 Puncionamento com puno clssico ......................................................................... 138 4.3 Curvas limite de conformao ............................................................................................. 150 4.4 Efeito da carga no prensa-chapas na conformabilidade do ao CPW800 ......................... 151 4.5 Expanso de furos e conformabilidade de chapas puncionadas ........................................ 160 4.5.1 Avaliao de curva limite de conformao em chapas com furos expandidos ........... 164

5 CONCLUSES ................................................................................................. 167 5.1 Caracterizao do material ................................................................................................. 167 5.2 Ensaios de puncionamento com brochamento ................................................................... 167 5.3 Efeito da carga no prensa-chapas ...................................................................................... 169 5.4 Expanso de furos............................................................................................................... 169

6 SUGESTES PARA TRABALHOS FUTUROS ................................................ 171 REFERNCIAS ....................................................................................................... 172

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1 INTRODUO E OBJETIVOS

1.1 Formulao do problema

As indstrias tm sido supridas com novas tecnologias que tm permitido a melhoria dos processos de fabricao, bem como a implementao de novos mtodos de manufatura que proporcionam a fabricao de produtos acabados de melhor qualidade (DAL BIANCO, 2003). Neste sentido, a procura crescente da reduo dos tempos de produo tem estimulado a melhora das tcnicas de manufatura existentes (MELLO e MARCONDES, 2006).

Processos de estampagem como o puncionamento tm sido otimizados com o propsito de eliminar os defeitos desenvolvidos nas chapas estampadas. Em chapas puncionadas, defeitos como conicidade e rebarbas so comumente observados nos furos puncionados (ETO, 2005). Para manter a qualidade superficial e dimensional dos furos, processos de fabricao adicionais como o brochamento, alargamento e escariamento devem ser executados (FERRARESI, 1974 e STEMMER, 1995).

Na estampagem de chapas pr-furadas comum a gerao de trincas nas bordas de furos que foram submetidos expanso durante o processo de estampagem. Segundo HYUN et al. (2002), aos avanados de alta resistncia (AHSS) laminados quente podem facilmente nuclear trincas em regies superficiais nas bordas dos furos devido aos mtodos de processamento que foram empregados para furar a chapa. A capacidade de expanso de um furo no dependente somente da ductilidade do material. A qualidade superficial da parede do furo, bem como o seu dimetro so de extrema importncia na expanso do furo. A partir do desenvolvimento do modo de deformao na parede do furo, as deformaes nas paredes do furo podem, dependendo da qualidade superficial das paredes do furo e do dimetro do mesmo, criar condies propcias nucleao e crescimento de trincas radiais. Tal fato impede que a expansibilidade desse furo seja estimada precisamente, independentemente da tcnica empregada para obter a expanso.

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O uso de aos AHSS na indstria automotiva mundial tem aumentado pelo fato de estes aos apresentarem maior resistncia mecnica e melhor conformabilidade que os aos convencionais utilizados em estampagem (WIEDENMANN et al., 2009). Face s informaes expostas nos pargrafos anteriores, pode-se afirmar que as indstrias e a comunidade cientfica tem procurado pesquisar cada vez mais a influncia dos parmetros envolvidos na estampagem de chapas de aos avanados. importante destacar que o propsito de pesquisas e do desenvolvimento cientfico-industrial garantir que produtos manufaturados sejam menos susceptveis aos defeitos tpicos dos processos de fabricao ou aos problemas relativos aos limites mecnicos do material. Sob esse ponto de vista, o emprego de recursos humanos, materiais e monetrios no desenvolvimento de pesquisas envolvendo aos AHSS e processos de estampagem se faz necessrio no cenrio da indstria automotiva brasileira.

1.2 Hiptese

A hiptese que motiva o emprego de esforos em pesquisa neste trabalho de que o acabamento superficial em furos de extrema importncia na posterior expanso destes furos por processos de estampagem. Desta forma, a utilizao de processo inovador de puncionamento que possibilite a obteno de melhor qualidade superficial nas paredes dos furos poder permitir que furos puncionados alcancem maiores razes de expanso quando submetidos aos processos clssicos de estampagem na fabricao de componentes automotivos.

1.3 Objetivo

O presente trabalho tem por objetivo geral avaliar a possibilidade de se obter maior conformabilidade de componentes pr-furados por processo inovador de puncionamento. Para isso, foram conduzidos os seguintes ensaios: ensaios de

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puncionamento com 3 punes de diferentes geometrias e 3 folgas distintas entre puno e matriz e, ensaios de Nakazima e de Marciniak, os quais permitiro avaliar a conformabilidade do material definido para estudo. Os ensaios de puncionamento, bem como os ensaios de Nakazima e de Marciniak proporcionaro a criao de uma base de dados slida, a qual servir de referncia para a conduo de pesquisas futuras no Laboratrio de Conformao LABCONF da UFPR.

1.4 Metas

As metas ou objetivos especficos definidos para este trabalho:

Realizar a caracterizao experimental do ao multifsico Complex Phase (CPW800), a fim de se conhecer de forma precisa as caractersticas de conformabilidade deste ao de nova gerao.

Definir folgas adequadas entre puno e matriz procurando otimizar o processo de inovador de puncionamento combinado com brochamento de maneira a obter a melhor qualidade possvel dos furos em termos de gerao de rebarbas, conicidade, circularidade e textura superficial.

Avaliar por ensaios de Nakazima a influncia da carga aplicada no prensa-chapas na conformabilidade do ao CPW800 a partir da CLC Curva Limite de Conformao.

Avaliar, a partir de ensaios de Nakazima, a expanso de furos puncionados com a combinao de puno e matriz que permitiram alcanar os melhores resultados no quesito qualidade.

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1.5 Estrutura do trabalho

Este trabalho se destina a empregar esforos na pesquisa cientfica relacionada conformao de chapas de ao avanado de alta resistncia mecnica (AHSS) utilizado na indstria automotiva. Direcionou-se o foco da pesquisa em processo inovador de puncionamento de chapas, na caracterizao do material estudado, na avaliao de curvas limite de conformao e na anlise da expanso de furos. A estrutura deste trabalho ficou dividida em sete sees, as quais so brevemente aqui descritos. Na seo 2 iniciada com uma reviso da literatura sobre aos AHSS, descrevendo suas caractersticas, propriedades e aplicaes. Na sequncia, feita uma abordadem sobre processos de estampagem clssicos como embutimento e estiramento; tcnicas de avaliao da estampagem de aos a partir da curva limite de conformao e expanso de furos. A seo 2 encerrada com uma reviso sobre os processos de puncionamento, brochamento e puncionamento combinado com brochamento. Na seo 3 descrita a metodologia adotada para a conduo dos trabalhos e o planejamento experimental delineado. Na seo 4 so reportados os resultados dos experimentos prticos realizados, seguidos de anlise e discusso. Na seo 5 so sumarizadas as concluses formuladas no estudo e, nas sees 6 e 7, so informadas, respectivamente, as sugestes para trabalhos futuros e as referncias bibliogrficas consultadas.

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2 REVISO BIBLIOGRFICA

2.1 Aos avanados de alta resistncia (AHSS).

Com o crescimento da tecnologia nas indstrias automotivas, na dcada de 1970, visando uma significativa melhoria nos materiais presentes nos automveis, capazes de reduzirem o peso e assegurando outros fatores exigidos pelas montadoras como, por exemplo, a resistncia, nota-se que o ao provavelmente seja o elemento em um automvel com maior potencial para reduzir a massa e o custo, aliado a significativas melhorias no desempenho estrutural em um veculo. Com isso, as indstrias siderrgicas concentraram suas linhas de pesquisas no desenvolvimento de novos aos com melhores propriedades (MINTO et al., 2009). O uso de aos de alta resistncia em carrocerias de automveis tem aumentado nos ltimos anos. Graas s propriedades mecnicas favorveis, a utilizao dos aos avanados de alta resistncia (AHSS Advanced High Strength Steel) se tornou bastante atrativa para as indstrias automotivas (SILVEIRA e SCHAEFFER, 2011a; SILVEIRA e SCHAEFFER, 2011b). A alta resistncia dos aos AHSS permite que produtos estampados de menores espessuras sejam produzidos e, consequentemente, possibilitem reduo do peso dos veculos, bem como melhora da segurana veicular a partir da utilizao de componentes fabricados em aos mais adequados para tal funo (HAMMER, 2007). Dentre a gama de aos desenvolvida at a atualidade esto os aos de alta resistncia (HSS High Strength Steel), aos de ultra-alta resistncia (UHSS Ultra High Strength Steel) tais como os aos de plasticidade induzida por deformao (TRIP Transformation Induced Plasticity), aos bifsicos (DP Dual Phase) e os aos de fase complexa (CP Complex Phase) (LAMIKIZ et al., 2005). Embora exista grande utilizao dos aos de alta resistncia na indstria, pode-se afirmar que a aplicabilidade de tais aos ainda limitada devido aos desafios mecnicos e metalrgicos que envolvem a conformabilidade e retorno elstico das chapas metlicas, vida das ferramentas utilizadas na estampagem e unio metalrgica por processos de soldagem (CHEN e KO, 2007).

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No que tange indstria automotiva, observado grande empenho desse setor industrial em aplicar materiais cada vez mais inovadores em seus produtos, desenvolver mtodos de produo e tcnicas de montagem mais adaptados s necessidades fabris, focando, de forma geral, no aumento dos nveis de segurana veiculares, bem como na reduo do peso dos automveis atuais, atendendo tanto s questes ambientais quanto diminuio do consumo de combustveis (ANDRADE et al., 2002; COOMAN, 2004; ADAMCZYK e GRAJCAR, 2005). Nesse sentido, grande destaque deve ser dado ao projeto liderado Porsche Engineering intitulado Ultra Light Steel Auto Body (ULSAB), o qual contou com a parceria de 35 companhias siderrgicas de 18 pases. Um dos benefcios oriundos desse projeto foi a introduo dos aos de alta resistncia (HSS) nas estruturas dos automveis, destacando-se entre esses os aos Bake-Hardening (BH) e os aos de alta resistncia e baixa liga (HSLA). O projeto ULSAB, finalizado em 1998, foi avaliado satisfatoriamente em relao aos objetivos almejados principalmente no que se refere segurana e reduo no consumo de combustvel (ANDRADE et al., 2000).

Na continuao do projeto ULSAB, um novo programa, o ULSAB-AVC (Advanced Vehicle Concepts) props a aplicao de novos tipos de aos HSLA, os quais foram batizados de aos avanados de alta resistncia (AHSS Advanced High Strength Steel). Dentre os novos tipos de aos AHSS propostos pelo programa ULSAB-AVC, encontram-se os aos bifsicos (DP), aos martensticos (MART), aos de plasticidade induzida por deformao (TRIP) e os aos de fase complexa (CP).

Os aos AHSS so aos multifsicos que contm em sua microestrutura fases como ferrita, martensita, bainita, e/ou austenita retida e, estas fases so formadas em funo dos elementos de liga e do processamento utilizado na fabricao destes aos (ANDRADE et al., 2000).

Uma comparao entre as propriedades mecnicas de uma variedade de famlias de aos de alta resistncia aplicados nas estruturas dos automveis mostrada na Figura 1 a seguir.

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Figura 1 Relao entre ductilidade e resistncia de vrias categorias de aos utilizados na estrutura dos automveis (ULSAB-AVC, 2001).

A Figura 1 permite comparar as caractersticas de resistncia mecnica e ductilidade dessa nova famlia de aos. O aumento do nvel de resistncia mecnica do produto leva quase inevitavelmente reduo de seu alongamento total, ou seja, de sua conformabilidade. Contudo, o uso de microestruturas adequadas permite minimizar a perda de ductilidade sob maiores nveis de resistncia mecnica (SCHRDER, 2004). Na sequncia realizada uma abordagem sobre os aos AHSS com nfase nos aos bifsicos (DP), aos de plasticidade induzida por deformao (TRIP), aos martensticos (MART) e aos de fase complexa (CP). importante salientar que uma abordagem mais aprofundada sobre o ao CP conduzida, pois esse foi o ao escolhiido para realizao de estudos no presente trabalho.

2.1.1 Aos bifsicos (DP)

Os aos bifsicos ou aos DP (Dual Phase) so aos AHSS empregados na indstria automotiva que possuem uma microestrutura composta de uma matriz

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ferrtica e ilhas de martensita dispersas como segunda fase. As propriedades mecnicas deste grupo de aos so controladas pela frao volumtrica de martensita e o tamanho de gro da ferrita (LONG e KHANNA, 2007). A fase ferrtica geralmente contnua e confere excelente ductilidade a estes aos. Quando estes aos deformam, a deformao concentrada na fase ferrtica de menor resistncia envolvendo as ilhas de martensita, criando um coeficiente de encruamento excepcional. O coeficiente de encruamento e o excelente alongamento dos aos DP conferem um limite de resistncia trao maior a esse ao quando comparado aos aos convencionais (AHSS Application Guidelines, 2009). Os aos DP, assim como os demais aos AHSS, tambm possuem efeito de endurecimento por recozimento (bake hardening) e isso uma vantagem importante em comparao com aos convencionais. O efeito de endurecimento por recozimento proporciona um aumento da tenso limite de escoamento do ao durante o recobrimento ou pintura realizado a uma temperatura de aproximadamente 170C (AHSS Application Guidelines, 2009). Aos DP apresentam uma excelente combinao de alta resistncia e capacidade de deformao, resultado da sua microestrutura com grande capacidade de encruamento. A alta capacidade de encruamento garante a esses aos excelente capacidade de absoro de impacto e resistncia fadiga. Todas essas caractersticas fazem dos aos DP uma opo interessante para componentes estruturais e de segurana nos automveis, tais como, barras transversais da porta, longarinas, colunas, soleira da porta, arco do teto, para-choque, entre outros (CHEMIN, 2011).

2.1.2 Aos martensiticos (MART)

Os aos martensticos possuem uma microestrutura com grande percentual de martensita e pouca quantidade de ferrita e/ou bainita. adicionado carbono a este ao para aumentar o endurecimento e a resistncia. Mangans, Silcio, Cromo, Molibdnio, Boro, Vandio e Nquel tambm so usados em vrias combinaes para aumentar o endurecimento do ao martensitico (AHSS Application Guidelines, 2009).

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O nvel da resistncia mecnica desse material tambm pode ser ajustado pelo teor de Carbono, j que o principal mecanismo de endurecimento da martensita decorre do efeito da soluo slida desse elemento. As demais fases presentes na microestrutura so usadas para um ajuste fino das caractersticas mecnicas. Por exemplo, maiores fraes de martensita auto-temperada reduzem a resistncia mecnica do ao, ao mesmo tempo em que melhoram sua conformabilidade (GORNI, 2008). As propriedades tpicas das chapas de ao martenstico so: limite de escoamento de 1.150 MPa, limite de resistncia de 1.360 MPa, mdulo de elsticidade de 0,85 e alongamento total de 5%. A conformabilidade por dobramento desse material muito boa, apesar da baixa ductilidade observada no ensaio de trao: o raio mnimo de curvatura da ordem de 1,5 vezes a espessura da chapa (GORNI, 2008).

2.1.3 Aos de plasticidade induzida por deformao (TRIP)

De acordo com ZACKAY et al. (1967) possvel obter altos valores de alongamento em um ao austentico se, durante o processo de deformao sob temperatura ambiente, ocorrer transformao contnua da austenita para martensita. Esse fenmeno foi atribudo dilatao que ocorre durante a transformao da austenita CFC para a ferrita CCC, e foi designado pela sigla TRIP (Transformation-induced-plasticity) cujo significado plasticidade induzida por transformao.

O desenvolvimento bem sucedido das chapas de aos bifsicos DP motivou a busca por outros recursos microestruturais que promovessem aumento na ductilidade em aos com alta resistncia mecnica. No final da dcada de 1980 MATSUMURA et al. (1987) mostraram, pela primeira vez, que era possvel aplicar o conceito TRIP para aumentar a ductilidade em chapas de ao de baixo teor de Carbono com Silcio e Mangans na composio e processadas por recozimento contnuo, de forma a apresentar at 20% de austenita retida em sua microestrutura. O principal desafio metalrgico nesse caso foi conseguir estabilizar, sob temperatura ambiente, uma quantidade considervel de austenita que permitisse elevar

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significativamente o alongamento do material. Isso pode ser feito submetendo o material a um ciclo de resfriamento a partir de seu estado austentico que permita a permanncia durante um perodo significativo de tempo dentro do campo baintico do diagrama de transformao e resfriamento contnuo (TRC), de forma a proporcionar suficiente enriquecimento de carbono austenita remanescente para estabiliz-la sob temperatura ambiente. Este material pode ser produzido diretamente da laminao de chapas a quente, onde o resfriamento lento da bobina garante o enriquecimento de Carbono da austenita remanescente, ou a partir de recozimento contnuo, onde o resfriamento da chapa deve incluir um tratamento adicional de superenvelhecimento com esse mesmo objetivo. A reduo do tamanho de gro da austenita retida tambm contribui para elevar sua estabilidade, atravs do abaixamento da temperatura de incio de transformao martenstica. Ao final desse processo tem-se uma microestrutura multifsica, geralmente constituda de 50 a 60% de ferrita, 25 a 40% de bainita e 5 a 15% de austenita retida, que proporciona a esse material limites de resistncia da ordem de 600 a 800 MPa. interessante notar que fraes de austenita retida superiores a 20% degradam a conformabilidade a frio dos aos TRIP (BLECK et al., 2001; HULKA, 2003; BLECK et al., 2004).

A deformao provocada pela transformao da austenita retida em martensita no explica totalmente os altos valores de alongamento uniforme obtidos nos aos TRIP, os quais oscilam entre 15 e 30%. Nos aos de baixo Carbono com efeito TRIP essa transformao promove deformao por trao de apenas 2%, em funo das fraes muito baixas de austenita retida presentes na microestrutura. A maior contribuio para a ductilidade desse material o maior coeficiente de encruamento devido formao progressiva de martensita ao longo de toda a deformao. As discordncias criadas pela transformao martenstica na ferrita tambm possuem papel importante na definio da ductilidade dos aos TRIP, pois tambm contribuem para o encruamento (SHAN et al., 2008).

Se, por acaso, a transformao ocorrer inteiramente logo no incio da deformao a frio, o material no apresentar alta ductilidade. necessrio que a austenita se mantenha estvel at serem atingidos altos graus de deformao a frio, j que essa fase retarda o processo de estrico que ocorre sob solicitaes de trao atravs de sua transformao martenstica nos pontos do material onde

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ocorrem concentraes de tenso. Ou seja, importante retardar a transformao da austenita retida at os estgios finais da deformao, quando ocorre acmulo significativo de danos no ao. Por esse motivo, a adio de Silcio e o enriquecimento adequado de Carbono da austenita retida so vitais para assegurar um nvel adequado de estabilidade na austenita retida e garantir a alta ductilidade desse material. A presena de martensita de alto Carbono no revenida e, portanto, frgil, num material com alta ductilidade, como o caso dos aos TRIP, parece ser uma contradio. Isso pode ser explicado pelo pequeno tamanho de gro da austenita retida, o qual torna difcil a transferncia de carga desde a matriz da microestrutura multifsica at a martensita frgil que se forma durante a deformao a frio. Portanto, o refino da microestrutura dos aos TRIP duplamente importante, garantindo simultaneamente a estabilidade da austenita retida e imunidade fragilidade que poderia ser induzida pela presena de martensita no revenida (BHADESHIA, 2002; HULKA, 2003; CHATTERJEE e BHADESHIA, 2006).

O desenvolvimento de correlaes entre as propriedades mecnicas e a microestrutura nos aos TRIP uma tarefa complicada, j que este tipo de material apresenta alteraes dinmicas em seus parmetros microestruturais durante a conformao a frio, ou seja, a transformao da austenita retida em martensita. A complexidade das interaes microestruturais e a recente existncia comercial dos aos TRIP impediram at o momento o desenvolvimento de correlaes quantitativas consagradas entre propriedades mecnicas e microestruturas (BLECK, 2002; BLECK et al., 2004).

2.1.4 Aos multifsicos de fase complexa (CP)

2.1.4.1 Introduo

Os aos de fase complexa (CP), surgidos na segunda metade da dcada de 1990, representam uma transio entre os aos TRIP e os aos com ultra-alta resistncia mecnica (UHSS). A exemplo dos aos TRIP, os aos CP possuem microestrutura multifsica que possibilita que maiores valores de resistncia mecnica com menor ductilidade sejam alcanados.

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Nos aos CP a austenita presente na microestrutura substituda por outras fases mais duras e isso permite que tais aos alcancem limites de resistncia da ordem de 800 a 1000 MPa em funo de percentuais de fases que variam entre 80 a 90% de bainita, 5 a 10% de ferrita e 5 a 10% de martensita. Mediante essa caracterstica mecnica de alcanar limites de resistncia mais elevados que os aos TRIP, os aos CP so particularmente mais adequados manufatura de componentes estruturais automotivos de segurana (LOMBARDO, 2011).

A Figura 2 ilustra a carroceria de um automvel com seus componentes estruturais em destaque. A Figura mostra as possiblidades de aplicao dos aos AHSS em componentes estruturais veiculares, em especial, a aplicao do ao CP na coluna B ou pilar B.

Figura 2 - Possibilidades de aplicao dos aos AHSS na carroceria dos automveis (adaptado de MARRA, 2008).

Os aos multifsicos CP so aos de baixo teor de carbono, laminados a quente ou a frio (THYSSENKRUPP STEEL, 2008), que possuem gros extremamente refinados e microestrutura contendo pequenas partes de martensita, austenita retida e perlita dentro de uma matriz de ferrita/bainita. Essa matriz criada pela recristalizao retardada durante o resfriamento e precipita a partir de elementos microligantes como o Titnio ou Nibio (AHSS Application Guidelines, 2009).

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Para SAKAR (2008), aos CP so um tipo nico de ao baintico de baixo carbono e seus elementos de liga desempenham um papel importante na determinao da microestrutura, contribuindo para a resistncia final do produto. Os elementos de liga nos aos CP exercem um forte efeito de retardamento sobre a austenita para transformao ferrtica levando formao de bainita e martensita.

2.1.4.2 Composio qumica e propriedades mecnicas

Os aos CP possuem uma composio qumica com os seguintes teores em peso:

- Carbono, menores que 0,12%; - Mangans, menores que 2,20 %; - Silcio, menores que 0,80 %; - Fsforo, menores que 0,040%; - Cromo e Molibdnio, menores que 1,00 %; - Enxofre, menores que 0,015 %: para conseguir uma boa conformabilidade a frio, o teor de Enxofre mantido baixo, definido numa frao favorvel formao de pequenas partculas pela adio de elementos de liga; - Nibio e Titnio, menores que 0,15 %: o Nibio adicionado nestes aos para aumentar a resistncia, adquirida pelo endurecimento por precipitao (envelhecimento), assim como pelo refino do tamanho de gro, por efeito do arrasto de soluto. A adio de Nibio melhora a microestrutura baintica, aumentando a resistncia e contribuindo para a precipitao de carbonitretos na ferrita com tamanho refinado devido ao dos tomos de soluto em ligas de baixo Carbono (JIA, 2009). O Titnio utilizado para restringir o crescimento de gro austentico durante o reaquecimento da placa, bem como inibir o crescimento dos gros austenticos recristalizados durante a laminao a quente (GORNI, 2001). - Alumnio em teores menores que 1,20%: o alumnio um poderoso desoxidante dos aos, combinado com o Nitrognio, reduz a suscetibilidade do ao ao envelhecimento

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pela deformao, em pequenas adies, impede o crescimento dos gros dos aos e endurece a ferrita. - Vandio deve ter teores menores que 0,20% e o Boro ser inferior a 0,005%: o vandio em pequenas adies aumentam a dureza a quente e diminuem o tamanho do gro, do ponto de vista da formao de carbonetos, substitui o Molibdnio na proporo de 1% de Vandio para 2% de Molibdnio. O Boro aumenta a dureza, nos aos austenticos, aumenta o limite elstico, porm, diminui a resistncia corroso.

A Tabela 1 mostra a composio qumica dos aos de fase complexa.

Tabela 1 Composio qumica de aos de fase complexa (THYSSENKRUPP STEEL, 2008)

Tipo de ao

C max

Mn max

Si max

P max

Cr+Mo max

S max

Nb+Ti max

Al max

V max

B max

CPW 800 0,12 2,20 0,80 0,040 1,00 0,015 0,15 1,20 0,20 0,005

CPW 1000 0,17 2,20 0,80 0,040 1,00 0,015 0,15 1,20 0,20 0,005

CPK 60/78 0,12 2,20 0,80 0,040 1,00 0,015 0,15 1,20 0,20 0,005

As propriedades mecnicas dos aos CP so caracterizadas por uma alta resistncia, boa conformabilidade, alta absoro de energia e capacidade de deformao com um alongamento mnimo de aproximadamente 10% (LOMBARDO, 2011). Na Tabela 2 a seguir podemos ver as propriedades mecnicas de trs tipos de ao de fase complexa.

Tabela 2 Propriedades mecnicas de chapas no revestidas de aos de fase complexa (THYSSENKRUPP STEEL, 2008)

Tipo de ao

Lim. esc. min (MPa)

Lim. esc. max (MPa)

Lim. rup. min (MPa)

Lim. rup. max (MPa)

Along. min A5%

Along. min A80%

CPW 800* 680 830 800 980 - 10

CPW 1000* 720 920 950 1130 - 10

CPK 60/78** 600 700 780 940 - 10

*Laminado quente / ** Laminado frio

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A presena de uma significativa frao volumtrica de bainita nos aos CP promove um alto limite de resistncia trao, em torno de 800 MPa, com adequado alongamento, aproximando-se de 10 a 15% de alongamento total (MESPLONT, 2003; SHAW, 2002).

Aos CP apresentam uma morfologia bastante peculiar de fases duras (martensita e bainita) e de menor dureza intercaladas, combinadas com precipitados finos e dispersos entre as fases (THYSSENKRUPP STEEL, 2008).

Quando comparado com aos bifsicos (DP), os aos CP apresentam um alto limite de resistncia e alto limite de escoamento em torno de 800 MPa ou, s vezes, at mesmo superior (LOMBARDO, 2011).

2.1.4.3 Tratamentos trmicos

Diferentes tipos de microestruturas podem ser obtidas atravs da mesma composio de um ao. Por isso, necessrio controlar tambm a formao da microestrutura por meio de tratamentos trmicos apropriados (COOMAN, 2004).

Os aos CP, quando submetidos tratamentos trmicos (envelhecimento) feitos a temperatura entre 500 700C, podem ter ganhos de resistncia acima de 100 MPa. Em adio, componentes fabricados com ao CP com comparveis propriedades mecnicas podem ser produzidos por conformao em faixas de temperatura de 550 650 C. Depois do tratamento trmico, o efeito bake hardening em temperaturas de 170C e aguardado tempo de encharque (tempo de permanncia da ferramenta temperatura de austenitizao) de 20 minutos, a resistncia dos aos CP podem ter seus valores elevados acima de 30 MPa, em mdia, 70 MPa so obtidos em produtos fabricados em aos CP laminados quente (THYSSENKRUPP STEEL, 2008).

2.1.4.4 Aplicaes

As aplicaes dos aos CP so favorecidas pela sua alta capacidade de absoro de energia e resistncia fadiga. Mediante a combinao destas duas

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caractersticas, esta classe de ao AHSS particularmente adequada para a fabricao de componentes estruturais de segurana de automvel, destacando-se pilares, vigas de impacto lateral e de para-choque (THYSSENKRUPP STEEL, 2008). Alm disso, a boa resistncia ao impacto proveniente dos aos CP tambm os torna apropriados para a fabricao de componentes do sistema de suspenso de automveis (BHATTACHARYA et al., 2003).

Nos aos CP, com o aumento do limite de escoamento, a deformao plstica tende a diminuir e, por sua vez, a regio de estrico torna-se menor. No entanto, em relao aos seus altos nveis de resistncia trao, o ao CP mostra valores de alongamento elevados, o que indica boa conformabilidade para processos a frio (THYSSENKRUPP STEEL, 2008). As Figuras 3 e 4 mostram algumas aplicaes do ao CP em produtos estampados.

Figura 3 - Flange para assento estampada em ao CP 600 de 1,5 mm de espessura (LOMBARDO, 2011).

Figura 4 - Reforo de cabine estampado em ao CP 800 de 1,6 mm de espessura (LOMBARDO, 2011).

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2.1.4.5 Processamento do ao CP

A microestrutura dos aos CP de natureza complexa e seu desenvolvimento muito sensvel s condies de processamento. Portanto, um melhor controle dos parmetros do processo necessrio para otimizar a relao entre microestrutura e propriedades mecnicas fundamentais. Para atingir isto, til desenvolver modelos de microestrutura que podem capturar e predizer a formao desta estrutura a partir dos fundamentos metalrgicos dos aos CP, tais como a sua deformao a quente, recristalizao e comportamento da decomposio da austenita (COLPAERT, 2008). Nenhuma literatura consagrada revela como os fabricantes de aos AHSS realizam o processamento dos aos CP que atendem as demandas da indstria automobilstica, mas, por outro lado HAMMER (2007) descreve em sua patente um mtodo de fabricao do ao CP. O mtodo descrito nos prximos pargrafos permite processar produtos de ao plano com alta resistncia com menos esforos, permitindo uma ampla gama de dimenses.

Para o processamento do ao CP, HAMMER (2007) utilizou a seguinte composio qumica em peso: 0,08-0,11% de Carbono; 1,00-1,30% de Mangans; 0,030% de Fsforo; 0,004% de Enxofre; 0,60-0,80% de Silcio; 0,05% de Alumnio; 0,0060% de Nitrognio; 0,30-0,80% de Cromo; 0,060-0,120% em peso de Titnio, sendo o restante composto de ferro e impurezas inevitveis. O material foi fundido e modelado com uma espessura de 1 - 4 mm.

A fita molde do ao foi posteriormente laminada a quente, com espessura de 0,5 a 3,2 mm, por um laminador em processo contnuo. Sua temperatura final de laminao a quente variou de 900 a 1100 C, sendo o grau de deformao superior a 20%. As tiras laminadas a quente foram enroladas uma temperatura de bobinamento variando de 550-620C, de modo a obter uma resistncia trao mnima de 800 MPa e um alongamento mnimo de 10%. Nos aos CP, normalmente as propriedades so determinadas pela quantidade, tipo e alinhamento das fases da microestrutura. Portanto, pelo menos duas fases existem na microestrutura (ferrita, martensita, podendo ter ainda bainita). Como resultado, estes aos possuem uma resistncia mecnica superior, combinada com boa conformabilidade, se comparados com os aos convencionais (HAMMER, 2007).

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Apenas como complemento descrio do processamento patenteado por HAMMER (2007), deve-se ressaltar que composio qumica e o processamento do material, devem ser concebidos de forma a reduzir a estabilidade da austenita, formando constituintes duros para se atingir a resistncia mecnica necessria no ao (HELLER e NUSS, 2003; ZHU et al., 2005; ALTAN et al., 2008).

2.2 Estampagem de chapas metlicas

A estampagem um dos principais processos de conformao de chapas metlicas, sendo amplamente utilizada na indstria metal-mecnica devido a elevada produtividade, possibilidade de gerao de formas irregulares, alto ndice de capabilidade do processo e baixo custo de produo para grandes volumes (CALDIN,2006). Os princpios bsicos do processo so caracterizados pela aplicao de tenses externas a uma chapa de metal, desenvolvidas pela ao de um puno contra uma matriz. A ao conjunta do puno e matriz proporciona a modificao da geometria plana da chapa para uma forma tridimensional definida. A mudana de geometria da chapa ocorre atravs do controle do escoamento do material, no estado plstico de tenses e deformaes, para o interior de uma matriz de estampagem (CALDIN, 2006). A Figura 5 a seguir ilustra um exemplo esquemtico da estampagem por embutimento de uma chapa.

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Figura 5 Exemplo esquemtico do embutimento de uma chapa (SCHAEFFER, 2011).

Normalmente, as tenses de trao so predominantes nos processos de estampagem, sendo que as deformaes finais so limitadas pelo incio da instabilidade plstica causada pela formao de defeitos como a estrico de espessura localizada, orelhamentos ou pelo enrugamento da chapa. O estado limite da conformao do metal no uma propriedade intrnseca e caracterstica apenas do material, mas tambm funo da taxa de deformao, do nvel de deformao, do ferramental utilizado, da existncia de gradientes de deformao e da lubrificao. H ainda a influncia da espessura do material da chapa e dos raios do puno e do ombro da matriz da ferramenta, pois quando a espessura da chapa e os raios do puno e do ombro da matriz so aumentados, eleva-se tambm o limite de conformao do material (EVANGELISTA, 2000). Combinaes de diferentes processos como a conformao de chapas tm sido empregados com muito sucesso na indstria mecnica. O estiramento e o embutimento so condies de estados de tenso importantes presentes no processamento industrial das chapas metlicas (SCHULER, 1998). Como o presente trabalho trata da avaliao de diferentes processos de conformao plstica de metais, na sequncia conduzida uma breve reviso da literatura sobre embutimento e estiramento de chapas, curvas limite de conformao, puncionamento de chapas e expanso de furos.

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2.2.1 Embutimento e estiramento de chapas

Para BUTTON e BORTOLUSSI (1999) a estampagem por embutimento e estiramento tem como um dos seus maiores usurios a indstria automobilstica, pois a competitividade existente entre empresas desse segmento tem provocado grandes transformaes na forma de execuo dos projetos dos ferramentais para a reduo de tempo e custo de desenvolvimentos.

O processo de embutimento corresponde ao processo de estampagem utilizado para modelar chapas planas em produtos com forma especfica. realizado colocando-se uma amostra de tamanho adequado sobre uma matriz de forma definida e comprimindo o metal com um puno para o interior desta matriz, como ilustrado na Figura 5.

Os processos de estampagem como o embutimento e o estiramento devem assegurar ao produto determinadas caractersticas mecnicas atribudas na fase de projeto tais como: resistncia mecnica, tolerncia dimensional e repetitibilidade de produo do produto estampado em funo do fornecimento da matria-prima com caractersticas tcnicas bem similares entre as partidas. Esses parmetros conferem ao processo de estampagem viabilidade em sua utilizao (LASCOE, 1988).

Normalmente, os processos de estiramento e embutimento so utilizados simultaneamente na indstria automobilstica para fabricar painis complexos das carroarias dos veculos, e a varivel de influncia que pode determinar se o processo ser efetuado por estiramento, embutimento ou por estado plano de deformaes a ao da carga no prensa-chapas (CALDIN, 2006).

Segundo BRESCIANI et al. (1997), o processo de embutimento submete chapas planas a um estado de tenses e deformaes que alteram sua espessura durante o processo. O estado tpico de tenso varia conforme a posio da retirada do elemento de anlise na pea que est sendo conformada. Para peas cilndricas existem trs diferentes estados de tenses, sendo um estado no flange, um estado na lateral e, enfim, um estado de tenses no fundo do copo (Figura 6 a seguir).

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Figura 6 Estado de deformaes atuantes no copo durante o embutimento (BRESCIANI et al., 1997).

Em concordncia com BRESCIANI et al. (1997), CALDIN (2006) discute que a caracterstica fundamental no embutimento (Figura 7(a), pgina 22) a ao de tenses trativas e compressivas. Essa ao de tenses combinadas permite que a chapa seja conformada sob a ao de tenso compressiva tangencial e tenso trativa radial, proporcionando, ento, reduo de espessura na lateral e aumento na regio prxima do flange. No processo de estampagem de chapas convencional utilizando draw bead (Figura 7(b), pgina 22) a ferramenta composta por um puno, uma matriz e um prensa-chapas, que age como um freio na chapa durante o processo de estiramento. Por outro lado, no processo de estiramento, a chapa impedida de deslizar para o interior da matriz devido ao da carga no prensa-chapas e da geometria do draw bead, que geram tenses de trao na chapa durante a penetrao do puno, ocasionando a reduo da espessura dessa chapa, conforme ilustrado pela Figura 7(b). Em contrapartida, o embutimento um processo de conformao de chapas no qual a chapa desliza para o interior da matriz, pois h somente a ao do prensa-chapas e no do drawbead. Em processos de embutimento o prensa-chapas empregado para evitar a formao de rugas na borda das chapas (SCHULER, 1998). Tcnicas modernas

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foram desenvolvidas para aplicao de foras localizadas no prensa-chapas. Estas tcnicas empregam foras independentes em pontos estrategicamente definidos com o objetivo de proporcionar a movimentao e o travamento da chapa em posies distintas. Em processo de estampagem, a ao combinada de travamento e movimentao da chapa possibilita um melhor equilbrio entre o estiramento e o escoamento do material durante a estampagem, concebendo, consequentemente, maiores ndices de deformao sem comprometer a integridade da pea (SHULKIN et al., 2000). EVANGELISTA (2000) discute que os maiores nveis de deformao em chapas estampadas so obtidos atravs da manuteno das tenses de compresso no plano das deformaes. A manuteno das tenses compressivas evita possveis enrugamentos por permitir controlar o cisalhamento no plano de deformaes evitando, assim, a ocorrncia dessa falha tpica no processo de estampagem.

Figura 7 E embutimento (a) e estiramento (b) de chapas (CALDIN, 2006).

COOK et al. (1989) e BUTTON e BORTOLUSSI (1999) apud BATHE (1982) relatam que a complexidade da transformao de forma durante o processo de embutimento atribuda o grande nmero de variveis envolvidas. Variveis como velocidade do equipamento, rigidez das matrizes e o atrito desenvolvido durante o embutimento, limitam a aplicao de mtodos analticos para avaliar esses processos de estampagem, pois a capacidade de relacionar muitas variveis

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limitada nesses mtodos. Conhecendo-se tais limitaes, estudos envolvendo a simulao por elementos finitos relacionados estampagem de aos AHSS tm sido realizados com o propsito de estudar as variveis de processe de forma mais rpida e eficaz (KIM et al., 2007; KIM et al., 2008; KIM et al., 2009).

2.2.2 Variveis de processo na estampagem de chapas

Entre os diversos fatores que determinam o sucesso ou falha de um processo de estampagem podem ser destacados os raios do puno e da matriz, a folga entre eles, a velocidade de conformao, a lubrificao e a restrio ao escoamento da chapa. As caractersticas da chapa, como espessura, coeficiente de encruamento e coeficiente de anisotropia tambm tm grande importncia no processo.

De acordo com o ASM Handbook (1993), tanto a espessura da chapa quanto o raio da matriz oferecem resistncia ao escoamento da chapa durante a estampagem. Apesar disso, em muitas operaes torna-se necessrio um aumento dessa resistncia atravs de uma maior carga no prensa-chapas a fim de se evitar problemas como o orelhamento em produtos estampados.

At certo limite possvel a estampagem sem prensa-chapas, isto para alumnio e aos de baixo teor de carbono, quando a razo l / t fica entre 1 e 3, sendo l a distncia da chapa apoiada sobre a matriz e t a espessura da chapa, Figura 8. Uma forma de se melhorar esta condio seria a utilizao de uma matriz com entrada elptica ou cnica, em ngulos de 30, 45 ou 60 (ASM Handbook, 1993).

Figura 8 - Distncia l de apoio da chapa sobre a matriz (ASM Handbook, 1993).

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Segundo o ASM Handbook (1993) a ao do prensa-chapas nas operaes de estampagem estabelece foras compressivas sobre a chapa na superfcie de apoio sobre a matriz, as quais contribuem para que o material se curve sobre o raio da matriz. Se esta curvatura da chapa ocorre para dentro da matriz durante a estampagem, a deformao na regio entre a ponta do puno e a regio da fratura da chapa ocorre aps o incio da estampagem. A fora utilizada no prensa-chapas serve para prevenir esta curvatura e a posterior fratura e, normalmente, esta equivalente a 1/3 da fora necessria para a conformao da chapa. Deve-se levar em conta, no entanto, a espessura da chapa, uma vez que o afinamento do material decorrente da aplicao de foras de maiores intensidades no prensa-chapas.

Um detalhe importante que no existem equaes que permitam uma quantificao precisa da carga no prensa-chapas. Na maior parte dos casos, este parmetro determinado de forma prtica em ensaios de estampagem preliminares. A carga no prensa-chapas deve ser o suficiente para se evitar o orelhamento, o que depende do afinamento, da espessura, das propriedades do material da chapa e da lubrificao. Em casos particulares, a determinao da fora adequada no prensa-chapas feita de forma experimental (ASM Handbook, 1993).

PEREIRA et al. (2008) analisaram a influncia das principais variveis ligadas ao processo de estampagem destacando a influncia do prensa-chapas e do raio do puno na presso de contato entre o puno e a chapa. importante relatar que no estudo, os pesquisadores realizaram ensaios prticos de estampagem e utilizaram o mtodo dos elementos finitos (FEM) para simulao numrica da influncia do prensa-chapas. Os resultados obtidos foram avaliados atravs dos ensaios prticos com ferramental que, segundo os pesquisadores, simulava as reais condies dos estampos utilizados na indstria automobilstica. A ilustrao esquemtica do ferramental utilizado por PEREIRA et al. (2008) em seus ensaios prticos apresentada na Figura 9 a seguir.

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Figura 9 - Ferramental utilizado por PEREIRA et al. (2008).

No ferramental utilizado por PEREIRA et al. (2008) o controle da carga no prensa-chapas foi feito atravs de molas a gs, com cargas de 112,5 N, 450 N e 900 N. O autor analisou a presso de contato a fim de verificar o desgaste do ferramental, porm, o modelo de ferramental apresentado, assim como a metodologia de anlise, serviram de base para a verificao da influncia da carga no prensa-chapas na gerao de trincas no material.

ALTAN et al. (2008) tambm apresentaram em pesquisa anterior um modelo de ferramental utilizado em ensaios prticos de estampagem, o qual serviu como referncia para estudo do mecanismo de formao de trincas em aos de ltima gerao. O ferramental utilizado por ALTAN et al. (2008), Figura 10 a seguir, mais sofisticado que o utilizado por PEREIRA et al. (2008), foi instalado em uma prensa de duplo efeito, pois a almofada da prensa hidrulica era responsvel pelo controle da carga do prensa-chapas. Adicionalmente ao ferramental, ALTAN et al. (2008) utilizaram um sistema dedicado para monitoramento da fora de estampagem a partir de uma clula de carga.

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Figura 10 - Ferramental utilizado por ALTAN et al. (2008).

Outra varivel de grande importncia nos processos de estampagem so os raios do puno e da matriz. Segundo o ASM Handbook (1993), como o puno age diretamente sobre a chapa no incio da estampagem, a chapa assume o formato dos raios do puno e da matriz, de maneira que as tenses e deformaes geradas so similares s que ocorrem no processo de dobramento. A dobra sobre o puno estacionria, enquanto que sobre o raio da matriz essa dobra constantemente deslocada, ocasionando um afinamento gradativo. A fora para estampagem numa posio intermediria do processo decomposta em pelo menos trs componentes: a fora necessria para a dobra da chapa entre o flange e a parede lateral do blank estampado; a fora necessria para vencer a resistncia do prensa-chapas e a fora necessria para o estiramento decorrente da compresso circunferencial e radial. Em funo da deformao do material e da resistncia ao seu escoamento, a fora do puno aumenta rapidamente, atingindo um valor mximo e, gradativamente reduzindo a zero medida que o material escoa sobre o ombro da

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matriz para dentro desta, formando a parede lateral conformada. Como o dimetro da pea permanece constante, a carga necessria para estampagem depende da dimenso do blank ou do recorte. Os raios do puno e da matriz e o percentual de reduo determinam a carga de estampagem necessria. A conformabilidade do material tende a melhorar com o aumento dos raios do puno e da matriz, ou seja, a fora necessria para execuo do processo diminui a medida que esses raios aumentam (ASM Handbook, 1993), Figura 11.

Figura 11 Efeito do raio da matriz sobre a fora de estampagem (adaptado de ASM Handbook, 1993).

2.3 Curvas limite de conformao

A conformabilidade de chapas metlicas geralmente definida como a capacidade do material deformar-se dentro de uma forma definida sem estrico ou fratura. Cada tipo de chapa pode suportar um determinado limite de deformao, que usualmente associado ao incio da estrico localizada, que eventualmente leva fratura dctil da chapa conformada (OZTURK et al., 2005).

Segundo STOUGHTON (2000), a habilidade para determinar a severidade de conformao relativa ruptura do material, um fator crtico na anlise do processo de conformao das chapas metlicas.

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Dessa forma, o ensaio mais utilizado para determinar as propriedades mecnicas das chapas o ensaio de trao, pois permite obter o limite de resistncia, o limite de escoamento, o grau de encruamento e o coeficiente de anisotropia do material. Esse ensaio tem como desvantagem os estados de tenses uniaxiais impostos aos corpos de prova, que no representam os estados de tenses encontrados nos processos reais de estampagem. Em adio, pode ser empregado o ensaio Erichsen, que utiliza uma matriz com abertura circular e um puno hemisfrico que proporciona ao material a ser ensaiado, estados de tenses similares aos encontrados em operaes de embutimento e estiramento. Os resultados obtidos nesse ensaio servem para julgar a capacidade do material para uso em processos de embutimento (HARPELL et al., 2000; KLEIBER et al., 2002).

O limite de conformao de uma chapa metlica definido como o estado no qual um afinamento localizado (estrico) na chapa inicia durante a conformao, basicamente levando a uma ruptura. O limite de conformao convencionalmente descrito por uma curva traada em um grfico de deformao verdadeira maior 1 versus deformao verdadeira menor 2 (STOUGHTON, 2000).

O conceito da Curva Limite de Conformao (CLC) introduzido por Keeler e Goodwin pode representar satisfatoriamente a conformabilidade de uma chapa, sendo um mtodo amplamente utilizado para determinar o critrio de otimizao dos processos de estampagem e desenvolvimento das ferramentas (BLECK et al., 1998).

SROUR (2002) relata que atravs da CLC possvel identificar o modo como ocorrem as deformaes e as possveis causas de defeitos que esto relacionadas com as variveis do processo, do projeto e do material. Os defeitos de processo esto sempre relacionados lubrificao, ao ajuste do ferramental e operao. Por outro lado, defeitos relativos ao projeto esto diretamente relacionados com as geometrias finais dos produtos, geometrias do puno, matriz e prensa-chapas. Quanto a defeitos intrnsecos ao material conformado, estes esto relacionados principalmente a parmetros como limite de resistncia e escoamento no apropriados, baixa ductilidade e coeficientes no apropriados de encruamento (n) e anisotropia normal (R de Lankford).

Segundo KEELER (2002), a determinao da severidade da estampagem pode ser realizada empiricamente atravs da estampagem de chapas submetidas

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impresso de malha de circunferncias de pequenos dimetros, entre 2,5 mm e 5 mm. Essa malha impressa na chapa com o propsito de determinar a quantidade de deformao imposta durante o processo de estampagem. medida que a chapa estampada, as circunferncias so alongadas nas regies deformadas resultando em uma geometria elptica que evidencia as direes de deformaes mximas e mnimas no material. A geometria elptica desenvolvida na malha permite a realizao da medio das deformaes verdadeiras 1 e 2, respectivamente (Figura 12).

Figura 12 Deformaes na circunferncia da malha gravada (adaptado de KEELER, 2002).

A maior deformao verdadeira positiva, sendo esta obtida a partir do maior eixo da elipse. A menor deformao verdadeira perpendicular em relao maior deformao e pode ser positiva, nula ou negativa (KEELER, 2002).

A CLC ilustrada na Figura 13 a seguir empregada para avaliar a conformabilidade de metais ferrosos e no ferrosos. Baseando-se na quantidade de deformao imposta no processo de estampagem, a CLC possibilita determinar a possibilidade de falha do material durante a operao de estampagem.

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Figura 13 Representao da curva limite de conformao e das regies de deformao (adaptado de CALDIN, 2006).

A regio 1 definida na Figura 13 indica uma condio de embutimento profundo com a presena de tenses compressivas e trativas, enquanto a regio 2 determina uma zona onde as tenses trativas so mais atuantes que as compressivas, favorecendo o estiramento do material. As zonas identificadas pelas elipses localizadas acima da CLC indicam uma elevada probabilidade de ruptura do material se as deformaes na chapa durante o processo de fabricao atingirem estas posies no grfico. Enquanto, as elipses localizadas abaixo da CLC, indicam uma zona segura de deformao durante o processo de conformao (CALDIN, 2006).

Para se obter um carregamento biaxial de tenso no ensaio da CLC, necessrio que o flange do prensa-chapas atue em toda extenso perifrica do corpo de prova, simulando a condio de estiramento (condio identificada na regio 2 da Figura 13). medida que a largura do corpo de prova reduzida, proporcionada pela ao do flange do prensa-chapas em reas menores, possvel

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obter a condio de carregamento trao-compresso, simulando o estado de embutimento (condio identificada na regio 1 da Figura 13). A severidade da conformao ou margem de segurana para algum ponto localizado na estampagem a diferena entre a deformao admissvel (CLC) e a frente mxima de deformao efetiva do produto (CALDIN, 2006).

SROUR (2002) descreveu que existem vrios mtodos para se construir uma CLC, que diferem entre si pelo tipo de ensaio empregado para obter os pontos da curva. Os mtodos mais utilizados so o IRSID, Marciniak e o mtodo de Nakazima.

O mtodo IRSID emprega corpos de prova de trao com entalhes nas laterais submetidos ao embutimento em equipamentos destinados aos ensaios Erichsen e / ou Swift.

No mtodo de ensaio proposto por Marciniak, o corpo de prova (CP) conformado sobre a superfcie plana de um puno de seo transversal cilndrica junto com um espaador de poliuretano, posicionado entre a chapa e o puno, eliminando dessa forma o efeito desfavorvel do atrito e permitindo obter a fratura ou a estrico no fundo plano do corpo de prova (CRIVELLARO, 2003).

O mtodo de Nakazima, atualmente mais utilizado para determinar a CLC, consiste na marcao de uma rede de circunferncias sobre a superfcie plana da chapa, seguida por um embutimento at a fratura ou incio da estrico. Nesse ensaio, chapas com larguras diferentes so conformadas sob a ao de um puno hemisfrico ou um fluido pressurizado (OZTURK et al., 2005).

As circunferncias gravadas so deformadas, transformando-se em elipses ou circunferncias de dimetros maiores. Dessa forma, as deformaes so facilmente determinadas ao longo da superfcie da pea ensaiada, atravs da medio dos dimetros maiores e menores das elipses. As deformaes obtidas na fratura (ou estrico) so traadas em um grfico, tendo como eixo da abscissa, a menor deformao principal verdadeira e o eixo da ordenada, a maior deformao principal verdadeira (CALDIN, 2006).

A CLC construda baseado-se nas deformaes principais obtidas de experimentos de estiramento biaxial e

Estudo Da Expansão de Furos e Estampabilidade de Chapas de Aço

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