Estampagem de aços carbono e inoxidáveis (1)

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1 Estampagem de aços carbono e inoxidáveis (1) Marcos Domingos Xavier (2) O presente texto refere-se a uma comparação da estampabilidade de aços carbono e aços inoxidáveis. Estudos considerando o estado uniaxial de tensões (1;2) mostraram que os aços inoxidáveis austeníticos apresentam maior taxa de encruamento e maior ductilidade que os aços inoxidáveis ferríticos e martensíticos, e também que estes valores são superiores àqueles apresentados pelos aços carbono. Adicionalmente, é mostrado através de ensaios de tração que a razão da melhor estampabilidade dos aços inox austeníticos deve-se à transformação da austenita em martensita durante a deformação plástica e que os parâmetros de processo que favorecem tal transformação de fase são basicamente a deformação elevada; taxas de deformação baixas; temperatura de deformação baixa e baixos teores de níquel; manganês e nitrogênio (2). As estampabilidades de aços inoxidáveis e aços carbono também foram avaliadas através de curvas limite de conformação (CLC), possibilitando uma avaliação mútua das regiões uniaxiais e biaxiais de tensão (2; 3). Percebeu-se que tais curvas dos aços inox austeníticos são mais elevadas e esta característica aparente ao ponto de mínimo CLC 0, relativo à deformação planar, os tornam mais atrativos à estampagem que os demais materiais. O custo dos aços inoxidáveis é certamente o fator mais relevante na restrição de seus usos e assim, os aços de baixo nível de intersticiais, de ductilidade semelhante, mas com menor taxa de encruamento tem sido mais amplamente aplicados em estampagens profundas. (1) Avaliação da estampabilidade de aços carbono e de aços inoxidáveis - S. Paulo Novembro de (2) Engenheiro Metalurgista, PhD - Professor do Curso de Tecnologia de Materiais Faculdade de Tecnologia de S.Paulo mdxavier@fatecsp.br 1

2 1. ANÁLISE NO ESTADO UNIAXIAL DE TENSÕES As características dos aços inoxidáveis em relação aos aços carbono são basicamente as seguintes (1) : Maior resistência mecânica Maior susceptibilidade ao encruamento Menor condutividade térmica As operações de estampagem são classificadas (1) em: Blanking : corte de blanks; Piercing : furação; Press-brake Forming : conformação em prensa viradeira (dobramento gerando produtos tipo canaletas em V); Deep Drawing : estampagem profunda Spinning : Repuxo (geração de formas axi-simétricas via rotação e aplicação de força); Roll Forming : conformação por rolos; Coining : Cunhagem Embossing : Gravação em relevo Conforme a literatura (1), os aços austeníticos e ferríticos são em geral, adequados a todas as operações de estampagem citadas. Em relação aos aços martensíticos, apenas os tipos AISI 403; 410 e 414 são indicados para conformação a frio sendo que os demais são apropriados para a conformação a morno devido ao teor de carbono mais elevado. A tabela 1 abaixo evidencia estes fatos. Tabela 1: Aplicação de aços inox em vários processos de estampagem (1) 2

3 Os inoxidáveis austeníticos apresentam maior taxa de encruamento comparativamente aos inoxidáveis ferríticos e aos aços carbono. Além disto, apresentam maior razão elástica que este último e o distanciamento considerável entre os valores de limite de escoamento e de resistência à tração mantêm-se durante todo o processo de deformação plástica. Estes fatos são favoráveis aos aços austeníticos, tal como observado na figura 1 (1) para o AISI 301 em relação aos AISI 430; AISI 409 e ASTM Figura 1: Influência do grau de encruamento sobre os aços inox AISI 301 (austenítico); inox 409 e 430 (ferríticos) e aço carbono SAE 1008 (1). 3

4 A comparação adicional da estampabilidade de aços inoxidáveis austeníticos, ferríticos e martensíticos visando a ductilidade e a forma da ruptura em ensaios de embutimento pode ser visualizada na figura 2 (1). Figura 2: Comparação da ductilidade de seis aços inox e dos tipos de falhas resultantes da estampagem profunda (1). A figura 2 (1) mostra que a ductilidade dos aços austeníticos é superior aos demais aços. Além disto, em virtude da maior inclinação de sua curva, caso do inox 301, apresenta maior taxa de encruamento n, fato extremamente favorável à estampagem em virtude do atraso da estricção. Adicionalmente, Os inox austeníticos mostram fraturas típicas de boa estampabilidade, situando-se na região curva entre lateral e fundo do copo enquanto que nos demais casos pode ocorrer nas laterais do produto estampado. Em resumo, temos as seguintes características dos aços sob comparação: Aços austeníticos (AISI 2XX; AISI 3XX). Possuem maior coeficiente de encruamento (n) São bastante dúcteis. A potência para deforma-los é alta. 4

5 Aços ferríticos (ex: AISI 430) Possuem menor coeficiente de encruamento (n); São menos dúcteis; A potência para deforma-los é menor; Aços martensíticos (ex: AISI 410) São também menos dúcteis que os austeníticos; AISI 410 e AISI 430 tem coeficientes de encruamento equivalentes As características de um aço com boa estampabilidade são as seguintes (3): Coeficiente de encruamento (n) alto = Distribuição mais uniforme de deformações. É importante em estampagens que envolvem essencialmente a operação básica de estiramento Índice de anisotropia normal (r) alto = Resistência ao Afinamento. É particularmente importante em estampagens profundas. Índice de anisotropia planar ( r): tendendo a zero = Menor tendência ao orelhamento. É particularmente importante em estampagens profundas. A tabela 2 (1) a seguir, traz os valores do coeficiente de encruamento n e do índice de anisotropia planar r para diversos aços. Considerando as condições supra, pode-se verificar a maior estampabilidade dos aços austeníticos em comparação às demais composições. Há caso em que n para austenítico chega a 0,50 5

6 A maior estampabilidade dos aços inox austeníticos. Tabela 2: Tipo de material e estampabilidade (1) A revisão sobre os métodos de determinação dos valores de n; r; r faz-se aqui necessária (2): 6

7 ANISOTROPIA determinação de r; R. Corpos de prova com eixos coincidentes com a direção de laminação, bem como a 45 o e a 90 o em relação à mesma são usinados. A seguir, tracionam-se estes c.p. até a obtenção de 15 % de alongamento. Posteriormente, medem-se as a largura e a espessura nestas condições e calculam-se as deformações verdadeiras na largura e na espessura. O quociente entre estas deformações fornece os valores de anisotropia normais nas três direções supracitadas. Figura 4: Esquema de medição do valor r de lankford (2) 7

8 Os valores da anisotropia normal média e da anisotropia planar são calculados em função destes valores conforme equações acima. Os valores de R tem relação intrínseca com a textura ótima para a estampagem, (111) < > e com o valor do tamanho de grão. Em outras palavras, quanto mais intensa for a textura acima, maior será o valor R, fato que é inverso ao refino de grão, tal como indicado pela figura a seguir. O aumento no tamanho de grão deve ser aplicado cuidadosamente, pois se excessivo pode conduzir ao defeito superficial em materiais estampados denominado casca de laranja. Figura 5: Relação entre textura e R (2) O valor do índice de anisotropia planar negativo produz orelhamento a 45 graus em relação à direção de laminação enquanto que seu valor positivo conduz o orelhamento a 0 e 90 graus em relação à direção de laminação. Isto pode ser visualizado pela figura abaixo. 8

9 O coeficiente de encruamento, n, leva-se com a inclinação das curvas tensão x deformação, conforme a figura abaixo. Figura 7: Curva tensão x deformação verdadeira (2) A inclinação da reta obtida no gráfico log x log permite o cálculo de n, adicionalmente, tomando-se equivalente a 1 tem-se o valor da constante K da equação de Hollomon. Figura 8: determinação de n (2) 9

10 A análise da estampabilidade de aços inoxidáveis também foi efetuada por outros pesquisadores (2). O estudo destes baseou-se em três composições químicas conforme a tabela abaixo: Tabela 3: composição química dos aços (3) AÇO 301 C 0,096 Mn 1,85 P 0,024 S 0,0003 Si 0,42 Cr 17,33 Mo 0,35 Ni 6,66 Cu 0,70 Cb 0,010 V 0,072 N 0,042 Nb 0,11 W O, 018 Esp. (m m) 0, ,059 1,82 0,027 0,0007 0,42 18,5 0,50 8,07 0,46 0,017 0,087 0,068 0,067 0,021 0, ,032 1,00 0,024 0,0004 0,49 18,58 0,45 11,84 0,44 0,009 0,092 0,027 0,063 0,022 0,508 Tabela 4: TEMPERATURAS M S ( Martensita STARTED ) e M D30 ( 50% de Martensita com deformação real 0,3 ) (3) AISI Ms ( o C) M D30 ( o C) , ,2 A temperatura Ms refere-se à convencional de início da transformação austenita para martensita e depende exclusivamente da composição química da liga. Por outro lado, a temperatura M D30 corresponde à formação de 50 % de martensita considerando austenita sujeita a 0.3 de deformação equivalente. Percebe-se que o aço AISI 301, que tem menor teor de níquel e que, portanto é mais instável, possui temperatura M D30 próxima à ambiente. 10

11 EFEITO DA TEMPERATURA SOBRE AS CURVAS TENSÃO X DEFORMAÇÃO DOS INOX AISI 301; 304; Temperatura: - 60 a 125 o C ; Taxa de deformação: 0,0167 s -1 Temperaturas mais baixas:os inox 301 e 304 exibem curvas de aspecto sigmoidal, denotando transformação martensítica mais intensa; Temperaturas mais altas: Curvas parabólicas nos três aços denotam maior estabilização da austenita. Figura 9: Temperatura x curvas tensão deformação (3) 11

12 EFEITO DA TAXA DE DEFORMAÇÃO SOBRE AS CURVAS TENSÃO X DEFORMAÇÃO DOS INOX AISI 301; 304 ; Taxas de deformação: 0,00167 a 0,167 s -1 As taxas de deformação mais baixas elevam as curvas tensão x deformação dos aços inox 301 e 304 deformados em baixas temperaturas. Isto associa-se à maior fração de martensita Figura 10: Efeito da taxa de deformação sobre as curvas tensão x deformação dos aços inox AISI 301; 304 e 305 (3) 12

13 VARIAÇÃO DO LR e LE EM FUNÇÃO DA TEMPERATURA E DA TAXA DE DEFORMAÇÃO AISI 301 AISI 304 AISI 305 Limite de resistência à tração ( UTS ): 1) diminuiu para todas as ligas com o aumento da temperatura; 2) mostrou-se independente da taxa de deformação exceto para a liga 301 em baixas temperaturas; Limite de escoamento ( YS ):diminuiu com o aumento da temperatura. Figura 11: Influência da temperatura e da taxa de deformação na resistência mecânica dos aços inox AISI 301, 304 e 305 (3) 13

14 ALONGAMENTO UNIFORME ( UEL ) E TOTAL ( TEL ) EM VÁRIAS TAXAS DE DEFORMAÇÃO E TEMPERATURAS AISI 301 AISI 304 AISI 305 ALONGAMENTO X TEMPERATURA Verifica-se um alongamento máximo em determinadas temperaturas e especialmente, em taxas de deformação mais baixas); O alongamento máximo associa-se à fração ótima de martensita em matriz austenítica. Figura 12: Efeito da taxa de deformação e da temperatura na ductilidade dos aços AISI 301,304 e 305 (3) 14

15 FRAÇÃO VOLUMÉTRICA DE MARTENSITA EM FUNÇÃO DA TEMPERATURA E DA TAXA DE DEFORMAÇÃO AISI 301 AISI 304 AISI 305 Aço inox 301: apresenta austenita estável apenas acima de 100 o C, ou seja, é mais instável que os demais; Aço inox 301: forma mais martensita induzida por deformação que os demais, especialmente com o abaixamento da temperatura e da taxa de deformação Figura 13: Efeito da temperatura e da taxa de deformação na fração volumétrica de martensita (3) 15

16 Razões da estampabilidade superior dos aços inoxidáveis austeníticos em relação aos demais aços: Há formação de martensita durante a deformação plástica dos aços inox austeníticos A formação de martensita é favorecida pelas seguintes condições: 1. Taxas de deformação baixas; 2. Temperaturas de deformação baixas; 3. Grandes deformações; 4. Quantidades baixas de elementos de liga tais como níquel; manganês e nitrogênio A transformação da austenita em martensita ocorre com expansão volumétrica e isto ajuda o material a resistir ao afinamento e assim, maior n e maior ductilidade. 16

17 ( PARTE 2 ) ANÁLISE II: ESTADO UNIAXIAL E BIAXIAL Curva Limite de Conformação CLC 1. LEVANTAMENTO 2. FATORES INFLUENTES NA POSIÇÃO; 3. CURVAS DE INOX e IF 1. LEVANTAMENTO DAS CURVAS LIMITE DE CONFORMAÇÃO ( CLC ) ENSAIO NAKAZIMA FERRAMENTA UTILIZADA Figura 14: Prensa para Ensaios Nakazima (5,6) 17

18 ENSAIO NAKAZIMA Figura 15: Estado de deformação dos corpos de prova Nakazima em relação à curva CLC (3) 18

19 Figura 16: Região de medição de círculos para determinação das curvas CLC (5) Figura 17: Amostras submetidas ao ensaio Nakazima (5) 19

20 2. FATORES INFLUENTES NA POSIÇÃO DAS CURVAS CLC INCLUSÕES; IMPUREZAS E COMPOSIÇÃO QUÍMICA; COEFICIENTE DE ENCRUAMENTO ( n ); ESPESSURA DA CHAPA E ORIENTAÇÃO; EXPOENTE DA TAXA DE DEFORMAÇÃO ( m ) PARÂMETRO DE ANISOTROPIA NORMAL ( R ) CAMINHO DA DEFORMAÇÃO ( PRÉ-DEFORMAÇÃO ) EFEITOS GEOMÉTRICOS TEMPERATURA DO FERRAMENTAL ATRITO REVESTIMENTOS; TAYLOR BLANKS INCLUSÕES Figura 18: Influência do tamanho das inclusões no nível da CLC para um aço qualidade extra profunda Haberfield ref. (2) e Boyles,

21 COMPOSIÇÃO QUÍMICA Figura 19: CLC de diferentes materiais Efeito da composição química (2) TAXA DE ENCRUAMENTO E ESPESSURA DA CHAPA O parâmetro n controla a posição da raiz ( CLC 0 ) e lado esquerdo das CLC Figura 20: Efeito da taxa de encruamento n e da espessura da chapa na curva limite de conformação para aço baixo carbono Hosford, ref. (2)

22 EXPOENTE DA TAXA DE DEFORMAÇÃO: m σ = k'. ε n (dε/dt) m. É da ordem de 0,005 a 0,015 para diversos aços submetidos à estampagem na temperatura ambiente. Os valores mais altos contribuem com mais ênfase na para maior uniformidade na distribuição das deformações e assim, postergam o escoamento localizado. Caminho da deformação Figura 21: Curva cheia : CLC de aço sem pré-deformação. Curvas 1; 2 e 3: prédeformações uniaxiais respectivamente 0,068; 0,091 e 0,140 paralelas ao sentido da deformação plástica final. Curvas 4;5 e 6: prédeformações similares, porém, perpendiculares à deformação plástica final (4,5) 22

23 Curvas Limite de Tensão - CLT Figura 22: Curvas Limite de Tensão para material submetido a vários caminhos de (4,5) deformação plástica. ATRITO Efeito no Caminho da Deformação Figura 23: (a) Dois aços carbono onde a ausência de atrito desloca a CLC na direção de ε 1 ( atraso da deformação planar ). (b) Deslocamento da (2,5) região de fratura pelo efeito do atrito. 23

24 ATRITO Efeito na posição da CLC Figura 24: Influência do atrito nas curvas CLC (2) (a) (b) Figura 25: Curvas CLC DE AÇOS INOX 301; 304 ; 305 COM OS SEGUINTES LUBRIFICANTES: (a) SPRAY ; (b) SPRAY + POLIETILENO Ref. (3) 24

25 Figura 26: FRAÇÃO VOLUMÉTRICA DE MARTENSITA FORMADA NOS AÇOS 301 e 304 VERSUS DEFORMAÇÃO EFETIVA DE VON MISES SOB DIFERENTES MÉTODOD DE TESTE E CONDIÇÕES Ref. (3) Figura 27: INFLUÊNCIA DA FRAÇÃO VOLUMÉTRICA DE MARTENSITA (VFM) E DA DEFORMAÇÃO EFETIVA DE VON MISES SOBRE AS CURVAS CLC DE AÇOS INOX 301 e 304 Ref. (3) 25

26 Figura 28: CURVAS CLC PARA INOX 304 e IF ESPESSURA 0,18 mm Ref. (5) O estudo efetuado permitiu verificar que: 1. Os aços inoxidáveis austeníticos apresentam melhor estampabilidade que os demais aços; 2. A taxa de encruamento superior é a razão da ótima estampabilidade dos inox austeníticos; 3. A transformação da austenita em martensita durante a estampagem dos inox austeníticos ocorre com expansão volumétrica gerando maior resistência ao afinamento e ductilidade melhorada; 4. O custo mais alto dos aços inoxidáveis em relação aos aços IF restringe suas aplicações. 26

27 REFERÊNCIAS (1) Metals Handbook 9ª edição -volume 14 Forming and Forging - ASM (2) Plaut, R. L. Estampabilidade de Chapas: ensaios e aplicações - Textura e Relações de Orientação Cap. 15 pp ; EPUSP Agosto de (3) Peterson, S. F. et all The formability of austenitic stainless steels - JOM September 1997 (4) Stoughton, T. B. A general forming limit criterion for sheet metal forming International Journal of Mechanical Sciences 42 (2000) 1-27 (5) Xavier, M. D. análise da estampabilidade de chapas de baixo e médio carbono através de deformações plásticas uniaxiais e ortogonais quase planares (6) Melo, T. M. F. Determinação experimental da curva limite de estampagem à estricção (clee) utilizando os ensaios de tração e bulge-test. In: 43º Seminário de Laminação Curitiba, PR, Brasil, outubro de