Desenvolvimento de materiais ferrosos para a indústria automobilística. Nicolau Apoena Castro

Transcrição

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2 Desenvolvimento de materiais ferrosos para a indústria automobilística Nicolau Apoena Castro nicolau.castro.ufrn@gmail.com

3 Agenda Estrutura de Pesquisa UFRN; Projetos em andamento - UFRN; Conceitos básicos sobre corpo de automóveis; Projetos ULSAB e AVC; Aços para corpo veicular; HSLA; Dual Phase; Aços TRIP; Aços TWIP; Aços Martensíticos para estampagem a quente.

4 Agenda Estrutura de Pesquisa UFRN; Projetos em andamento - UFRN; Conceitos básicos sobre corpo de automóveis; Projetos ULSAB e AVC; Aços para corpo veicular; HSLA; Dual Phase; Aços TRIP; Aços TWIP; Aços Complex Phase; Aços Martensíticos para estampagem a quente.

5 LOCALIZAÇÃO E ESTRUTURA

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7 ESTRUTURA Graduação conceito 4 Vespertino e noturno (30 vagas por período) Ingresso semestral Pós-graduação PPGCEM conceito 7 CAPES Aproximadamente 200 alunos de pós-graduação Estrutura Laboratorial a seguir.

8 Caracterização Microestrutural Microscopia óptica: Caracterização microestrutural de aços e ferros fundidos Identificação e quantificação de fases e microconstituintes Determinação de Tamanho de Grão Identificação e quantificação de inclusões Olympus GX 51 Caracterização de defeitos

9 12% de ferrita

10 Caracterização Microestrutural Microscopia Eletrônica de Varredura: Caracterização microestrutural de aços e ferros fundidos Caracterização de defeitos Microanálise química Hitachi TM3000

11 Microanálise química via EDS

12 Microanálise química via EDS

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14 Caracterização Microestrutural Microscopia Eletrônica de Varredura - FEG: Caracterização microestrutural de aços e ferros fundidos Caracterização de defeitos Microanálise química Análise de falhas Imagens em alta resolução Microscopia 3D Zeiss Auriga 60

15 Caracterização Microestrutural Microscopia de Força Atômica - AFM: Microscopia de alta resolução Avaliação da microrrugosidade Shimadzu SPM 9600

16 Análises Térmicas Dilatometria Determinação dos pontos alotrópicos Determinação do coeficiente de dilatação / contração térmica Avaliação de sinterização Quantificação de fases ao longo de tratamentos térmicos Mapeamento microestrutural e de transformações de fases A C1 : 716 C A C3 : 830 C Netzsch DIL 402 PC

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18 Análises Térmicas DTA Differential Thermal Analysis / DSC Differential Scanning Calorimetry Determinação dos pontos alotrópicos Estudo de precipitações e transformações de fases. Netzsch DSC 404 (Bernal, 2002)

19 Sqrt(Counts) Caracterização da Estrutura dos Materiais Difratômetro de raios-x Identificação e quantificação de fases Determinação da estrutura cristalina e dos parâmetros estruturais Determinação de tensões residuais Determinação de tamanho de cristalito QA1248-B_Co_Back_DS0.6.raw_1 QA1248-B_Co_Back_DS0.6.raw_1 Hematite % Magnetite % Quartz 6.42 % Goethite 7.28 % Gibbsite 0.84 % Shimadzu XRD Th Degrees

20 Análise Química Fluorescência de raios-x Análise química semiquantitativa (Na a U) Shimadzu EDX-720

21 Comportamento Mecânico Ensaio de tração Tração até 25 t Flexão até 20 t Compressão até 20 t Shimadzu AG-X 300

22 Comportamento Mecânico Pêndulo de Impacto 300 J máximo

23 Comportamento Mecânico Ensaio de Dobramento 20 t máximo

24 Comportamento Mecânico Fadiga por Flexão Rotativa 300 J máximo

25 Comportamento Mecânico Durômetros Vickers Brinell Rockwell Micro-Vickers

26 Agenda Estrutura de Pesquisa UFRN; Projetos em andamento - UFRN; Conceitos básicos sobre corpo de automóveis; Projetos ULSAB e AVC; Aços para corpo veicular; HSLA; Dual Phase; Aços TRIP; Aços TWIP; Aços Complex Phase; Aços Martensíticos para estampagem a quente.

27 Caracterização microestrutural de aços AHSS Aço TRIP Aço Dual Phase

28 TRIP Bainite fraction = 14% Austenite fraction = 11%

29 DP Martensite fraction = 20%

30 Transmission Forescattering Electron Image - T-FSE Aço TRIP Conventional Transmission

31 TKD applied to high-resolution AHSS analysis Forescattering Electron Image - FSE bainite Twins TRIP Steel Austenite

32 T-FSE Carbides Dual Phase Steel Martensite

33 Agenda Estrutura de Pesquisa UFRN; Projetos em andamento - UFRN; Conceitos básicos sobre corpo de automóveis; Projetos ULSAB e AVC; Aços para corpo veicular; HSLA; Dual Phase; Aços TRIP; Aços TWIP; Aços Complex Phase; Aços Martensíticos para estampagem a quente.

34 Corpo e Chassi do Automóvel Função estrutural e segurança; Contribui significativamente para a massa total do veículo; Seleção de materiais é extremamente importante para a qualidade do projeto.

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36 Tipos de Corpos de Automóveis Monobloco

37 redução do consumo de combustíveis (escassez, preço); redução da emissão de poluentes (meio-ambiente); aumento da segurança (passageiros/pedestres).

38 Consumo de combustível e emissão de poluentes Principais fatores que influenciam o consumo de combustível (e a emissão de poluentes) dos veículos: potência e eficiência do motor; massa do veículo; aerodinâmica do veículo; atrito das rodas com o solo.

39 Consumo de combustível e emissão de poluentes Principais fatores que influenciam o consumo de combustível (e a emissão de poluentes) dos veículos: potência e eficiência do motor; massa do veículo; aerodinâmica do veículo; atrito das rodas com o solo.

40 O Programa ULSAB Ultra Light Steel Auto Body Carroceria Automotiva Ultra Leve em Aço Consórcio de 38 siderúrgicas de 18 países Aceralia, AK Steel, Bethlehem Steel, BluesScope Steel Limited, British Steel, Cockerill, CSN, Dofasco, Hoogovens, Inland Steel, Kawasaki Steel, Krakatau, Krupp Hoesch, LTV Steel, National Steel, Nippon Steel, NKK, POSCO, Rouge Steel, Salzgitter, SIDERAR, Sidmar Sollac, SSAB, Stelco, Sumitomo, Tata, Thyssen, United States Steel Corporation, Usiminas, VSZ Kosice, Voest-Alpine, WCI, Weirton Coordenação Execução Objetivo: Demonstrar a viabilidade do uso intensivo do aço para a redução substancial do peso da estrutura de veículos, garantindo a segurança e o conforto dos passageiros, com custo adequado.

41 O Programa ULSAB Principais resultados % de redução de peso; 90% de aços de alta resistência; 2,5% de aços de ultra alta resistência % de redução de peso em portas; 27% de redução de peso em relação à porta mais leve das classes analisadas % de redução de peso; 100% de aços de alta resistência; 82% de Advanced High Strength Steel (AHSS).

42 Materiais no Projeto ULSAB-AVC (Classe C)

43 Alongamento Total (%) Aços na construção automotiva atual Low Strength (< 210 MPa) High Strength Ultra High Strength (< 550 MPa) IF - Interstitial Free Isotrópico BH - Bake Hardenable Limite de Escoamento (MPa) HSLA - High Strength Low Alloy DP - DUAL PHASE TRIP - Transformation Induced Plasticity MS - Martensítico

44 Aços HSLA Laminação a quente Laminação a frio Recozimento Microestrutura Ferrita Perlita fina HSLA - High Strength Low Alloy

45 HSLA - LQ Fonte: Galego (2000)

46 HSLA - LF Fonte: Murari (2014)

47 HSLA Composição química

48 HSLA Propriedades Mecânicas Típicas

49 Aço Dual Phase - DP Laminação a Quente Laminação a Frio Recozimento intercrítico Microestrutura Ferrita e martensita Reforço de para-choque Rodas Coluna B

50 Aços Dual Phase LQ - Produção Linha de Tiras a Quente

51 Aço DP Laminado a Quente DP600 LQ

52 TEMPERATURA Aços Dual Phase LF - Produção Linha de Recozimento Contínuo C g + a g a TEMPO C a C g C g %C

53 TEMPERATURA Aços Dual Phase LF - Produção Linha de Recozimento Contínuo C g + a TEMPO C a C 0 C g %C

54 TEMPERATURA Aços Dual Phase LF - Produção a g Linha de Recozimento Contínuo F (a) P B M a g M TEMPO

55 TEMPERATURA Aços Dual Phase LF - Produção Linha de Recozimento Contínuo F (a) P M B F M TEMPO

56 Aços Dual Phase - Microestrutura Aços Dual Phase têm a microestrutura composta, basicamente, por duas fases: Ferrita (fase macia, responsável pela dutilidade do aço), e Martensita (fase dura, responsável pela resistência do aço). Martensita Ferrita Fonte: Usiminas

57 Aços Dual Phase - Características A alta resistência dos aços Dual Phase é conseguida através de: presença da fase dura (Martensita); refino dos grãos ferríticos; adição de elementos químicos endurecedores. A alta dutilidade dos aços Dual Phase é conseguida através de: presença da fase macia (Ferrita); limpeza dos grãos ferríticos; distribuição adequada das ilhas de Martensita (finas e dispersas).

58 Faixas de composição química Fonte: ArcelorMittal

59 Propriedades Mecânicas Fonte: ArcelorMittal

60 Aços Dual Phase x HSLA 60 Retorno elástico (Spring back) DP340/590-18,5 HSLA340/420-15,6 HSLA420/590-17,0 Fonte: Usiminas

61 Conformação de aços AHSS 61 Principais considerações na conformação de aços AHSS: as forças necessárias são mais elevadas ( maior desgaste das ferramentas, maior consumo de energia); as regiões próximas a beads são mais solicitadas (maior encruamento melhorar acabamento e raios); é necessário compensar o maior retorno elástico; o acabamento das bordas é crítico (maior susceptibilidade a trincas na expansão de furos e nos flanges); o encruamento mais elevado pode provocar aquecimento excessivo das ferramentas ( cuidados com a lubrificação e refrigeração). Algumas recomendações/conselhos/soluções: AHSS Application Guidelines Disponível em

62 Aços TRIP Laminação a quente seguida de laminação a frio Recozimento Microestrutura ferrita e austenita Coluna B Reforço de para-choque

63 Temperatura Aços TRIP Transformation Induced Plasticity Produção na Linha de Recozimento Contínuo Ferrita Perlita Bainita M S Tempo A F Concentração de C na austenita A F Prevenção da transformação da austenita, resfriamento rápido A F B A F B Transformação da austenita para bainita A austenita restante permanece estável (devido ao aumento do teor de C)

64 Aços TRIP Microestrutura e efeito TRIP Microestrutura Efeito TRIP: plasticidade induzida por transformação austenit a ferrit a bainit a Fonte: Usiminas

65 TRIP Composição química Fonte: ArcelorMittal

66 TRIP Propriedades mecânicas Fonte: ArcelorMittal

67 Propriedades - comparativo Fonte: Gorni (2008)

68 Aços TWIP Twinning Induced Plasticity Laminação a quente seguida de laminação a frio Recozimento Ainda não é comercialmente produzido. Microestrutura - austenita Fonte: WorlsAutoSteel

69 Fonte: Neu (2013)

70 TWIP POSCO Fonte:

71 TWIP - Aplicações

72 TWIP Propriedades mecânicas Fonte: Neu (2013)

73 Aços Martensíticos para estampagem a quente Laminação a quente Laminação a frio Recozimento Microestrutura ferrítico a temperatura ambiente (antes da estampagem) Austenítico após aquecido para estampagem Martensítico após estampagem. Longarinas, reforço da coluna B Fonte: ArcelorMittal

74 Microestrutura aço martensítico Antes da estampagem Após da estampagem Fonte: ArcelorMittal

75 Composição química Aço martensitico Fonte: ArcelorMittal

76 Propriedades mecânicas Antes da estampagem Após da estampagem Fonte: ArcelorMittal

77 Perspectivas e Oportunidades noticia/conheca-principaispontos-do-programa-deincentivo-as-montadoras-orota-2030.ghtml

78 Principais referências Materials for Automobile Bodies, 2nd Edition from Geoffrey Davies; Advanced High-Strength Steels Application Guidelines V5. December 15, 2014 by WorldAutoSteel; Neu, R. W., Performance and Characterization of TWIP Steels for Automotive Applications, Materials Performance and Characterization, Vol. 2, No. 1, 2013, pp ; B. C. De Cooman, Kwang-geun Chin and Jinkyung Kim, High Mn TWIP Steels for Automotive Applications;