Por Kyngbo Kim e Taylan Altan*

 

Publicado em Corte e Conformação de Metais, edição de abril de 2010.

 

A conformação dos aços avançados de alta resistência (Advanced High Strength Steels – AHSS) leva a novos desafios em comparação com o processamento de aços convencionais, como a fratura por cisalhamento que pode ocorrer durante a estampagem. Conforme mostrado na figura 1, esses novos aços são mais suscetíveis à fratura por cisalhamento quando a chapa é estirada e dobrada simultaneamente em raios agudos da matriz.

 

 

Fig. 1 – À esquerda: chapa de aço bifásico DP 600, fraturada durante o dobramento (crédito da imagem: Chrysler Corporation). À direita: peça de reforço para a parte superior da coluna “A” feita com aço bifásico DP 600 (foto: ArcelorMittal).

 

 

A curva-limite de conformação (CLC) é usada rotineiramente nas análises de conformação de chapas metálicas para se estudar a distribuição de deformação na peça conformada e a possível fratura da chapa. Estudos recentes mostraram que a curva-limite de conformação para a estampagem dos aços avançados de alta resistência nem sempre prevê a fratura de forma confiável, especialmente no caso de dobramento em raios agudos da matriz (figura 2).

 

 

Fig. 2 – A fratura por cisalhamento é evidente em componentes automotivos estampados feitos com aços avançados de alta resistência.

 

 

Efeitos do raio sobre a capacidade de dobramento

 

O Centro de Pesquisa em Processamento e Produtos de Aço Avançado (Advanced Steel Processing and Products Research Center – ASPPRC), da Colorado School of Mines (EUA), conduziu ensaios de conformação por estiramento para avaliar a capacidade de dobramento de vários tipos de aços avançados de alta resistência.

 

Foram incluídos os aços bifásicos DP 600, DP 780 e DP 980, além do aço com plasticidade induzida por transformação TRIP 780. Foram considerados modos de fratura no dobramento sob diferentes raios de punção – 1,0 mm, 2,5 mm, 5,0 mm, 7,5 mm e 10 mm.

 

Nestes ensaios, um corpo de prova em forma de tira, medindo 25,4 mm de largura e 180 mm de comprimento, foi preso por frisos e dobrado pela movimentação de um punção sob velocidade de 21 mm/s. O deslocamento do punção no momento da fratura, obtido para uma dada razão R/t (ou seja, a razão entre o raio do punção e a espessura da chapa), foi comparado entre vários graus de aços avançados de alta resistência (ver figura 3).

 

 

Fig. 3 – O deslocamento (ou altura) do punção no momento da fratura é visto aqui em amostras conformadas por estiramento sob diferentes valores da razão R/t ⁽¹⁾.

 

 

Na maioria dos materiais, à medida que a razão R/t se elevou, a fratura por cisalhamento que ocorreu na ponta do punção deslocou-se para a porção estirada da amostra. Contudo, nas amostras de aço DP 980, as fraturas por cisalhamento examinadas ocorreram todas na ponta do punção, mesmo sob valores crescentes da razão R/t.

 

 

Previsão do trincamento por cisalhamento durante o dobramento

 

É desejável poder prever quando as trincas tendem a ocorrer no dobramento de aços avançados de alta resistência, de forma que tanto as matrizes quanto o processo de estampagem sejam projetados para evitar a fratura.

 

Em um estudo preliminar, o Centro para Conformação de Precisão (Center for Precision Forming – CPF) usou a análise por elementos finitos, juntamente com vários critérios de fratura, para correlacionar o estado das deformações e tensões no dobramento com propriedades mecânicas básicas (limite de escoamento e de resistência e alongamento) e a tensão de escoamento dos aços avançados de alta resistência.

 

 

Fig. 4 – Estas curvas representam a carga do punção versus seu deslocamento, conforme determinado a partir da conformação por estiramento de amostras de aço bifásico DP 600 com o uso de análise por elementos finitos, com e sem critérios de fratura. Essa análise previu que a fratura ocorreria para um deslocamento de punção de aproximadamente 12 mm. O experimento mostrou fratura a 13,5 mm.

 

 

Os pesquisadores compararam as previsões feitas pela análise por elementos finitos, geradas pelo programa computacional comercial DEFORM-2D, com dados experimentais disponíveis na literatura ⁽¹⁾. Esta investigação preliminar mostrou que, desde que se use o critério de fratura apropriado, é possível estimar quando a fratura ocorrerá (figura 4) e prever o efeito do raio do punção sobre a fratura no dobramento (figura 5).

 

 

Fig. 5 – Aqui o deslocamento do punção no momento da fratura é comparado com resultados experimentais e obtidos por análise por elementos finitos durante a conformação por estiramento de aço bifásico DP 600 usando diferentes raios de punção.

 

 

Futuros estudos

 

O objetivo principal desta pesquisa do Centro para Conformação de Precisão foi melhorar os critérios de fratura já existentes para fratura por cisalhamento e avaliar a capacidade de dobramento dos aços avançados de alta resistência sob condições próximas às da estampagem industrial.

 

Os passos seguintes são a condução de diferentes séries de testes de dobramento e estiramento/dobramento por ar. As simulações por elementos finitos desses ensaios serão usadas para avaliar a capacidade de dobramento dos aços avançados de alta resistência e estabelecer um critério para previsão da fratura durante o dobramento de vários tipos de aço.

 

 

Referências

 

1) Hudgins, A.; Matlock, D.; Speer, J.; Fekete, J.; Walp, M. The Susceptibility to Shear Fracture in Bending of Advanced High Strength Steels. In: Proceedings from Materials Science and Technology (MS&T) – Detroit, 16-20 set. 2007.

 

2) Stoughton, T.; Xia, C.; Du, C.; Shi, M. Challenges for Constitutive Models for Forming of Advanced Steels. In: Proceedings from Advanced High Strength Steel Workshop – Virginia, 22-23 out. 2006.

 

*Este estudo foi preparado por Kyngbo Kim, assistente graduado do Centro para Conformação de Precisão (Center for Precision Forming – CPF), da The Ohio State University, nos Estados Unidos, e por Taylan Altan (www.ercnsm.org), professor e diretor da instituição. Este artigo foi publicado originalmente na seção R&D Updates do periódico norte-americano Stamping Journal e na edição de abril de 2010 da revista Corte e Conformação de Metais. Tradução e adaptação de Antonio Augusto Gorni. Reprodução autorizada.

Tecnologia em conformação

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