UFOP - CETEC - UEMG. Dissertação de Mestrado

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1 Rede Temática em Engenharia de Materiais UFOP - CETEC - UEMG Pós-Graduação em Engenharia de Materiais UFOP - CETEC - UEMG Dissertação de Mestrado " ESTAMPABILIDADE DE CHAPAS FINAS LAMINADAS A QUENTE " Autor: Cristiano Roosevelt Cerceau Orientador: Fernando Gabriel da Silva Araujo Co-Orientadores: André Barros Cota Anderson Peter Morelato ABRIL 2004

2 AGRADECIMENTOS Agradeço à Companhia Siderúrgica de Tubarão CST pela oportunidade e suporte para a realização deste Mestrado. e amizade. Agradeço também aos colegas de serviço da Assistência Técnica, pelo apoio À REDEMAT, ao Orientador Fernando Gabriel, e aos Co-Orientadores Anderson Morelato e André Cota pela colaboração técnica. À minha família e amigos que torceram por mim. E a todos, Muito Obrigado. 2

3 ÍNDICE " ESTAMPABILIDADE DE CHAPAS FINAS LAMINADAS A QUENTE "... 1 AGRADECIMENTOS... 2 ÍNDICE... 3 RESUMO... 6 ABSTRACT... 7 Lista de Figuras... 8 Lista de Tabelas INTRODUÇÃO REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Estampagem Descrição do Processo de Estampagem Estampagem profunda Defeitos oriundos da conformação Materiais especiais para estampagem Aços Livres de Intersticiais (IF) Aços Livres de Intersticiais de Alta Resistência (IF HS) Aços Endurecíveis na Pintura (Bake Hardening) Aços Bifásicos (Dual Phase) e Aços Endurecíveis por Transformação - TRIP Ensaios de Embutimento Ensaio Swift: Estampagem profunda Ensaio Erichsen Ensaio Fukui Teste Combinado Ensaio de Tração Tensão e Deformação Encruamento Coeficientes de Anisotropia Envelhecimento

4 2.5. Curva Limite de Conformabilidade Método Nakazima Principais diferenças físicas entre laminados a quente e laminados a frio Qualidade Superficial Controle de Espessura e Forma Propriedades Mecânicas Laminados a quente de baixa espessura em substituição a laminados a frio Áreas potenciais para utilização de laminados a quente finos Tubos Construção Civil Setor Automotivo Utensílios Eletrodomésticos Substrato para revestimento Laminado a quente como matéria-prima para redução a frio PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Metodologia Materiais Ensaios de Tração e Dureza Ensaio Curva Limite de Conformabilidade à Estricção Máxima Dimensões das amostras Marcação da grade Ensaios de Conformação das Chapas Obtenção da curva limite de conformação à estricção máxima Metalografia RESULTADOS E DISCUSSÃO Metalografia Ensaios de tração e de dureza Rockwell b

5 4.2. Coeficientes de Anisotropia das Chapas LQ e LF Comparações das Propriedades Mecânicas das Chapas LQ e LF para cada Espessura Curva Limite de Conformabilidade à Estricção Máxima Curvas Limites de Conformabilidade à Estricção Máxima Comparação das CLC s à Estricção Máxima entre os Laminados a Quente e a Frio CONCLUSÕES BIBLIOGRAFIA Anexo A: propriedades mecânicas à tração em cp s nas direções transversal, longitudinal e diagonal, com respeito à direção de laminação

6 RESUMO Chapas finas laminadas a quente do aço SAE1006, nas espessuras nominais de 1,2; 1,5 e 1,8mm, produzidas no laminador de tiras a quente da Companhia Siderúrgica de Tubarão, CST, tiveram suas características e propriedades comparadas a chapas laminadas a frio, do mesmo aço e com as mesmas espessuras nominais, estas adquiridas no mercado. Foram investigadas as microestruturas das chapas nas três espessuras, por microscopia óptica e por microscopia eletrônica de varredura, com determinação dos tamanhos médios de grão. As chapas foram submetidas a ensaios de dureza Rockwell B e a ensaios de tração, com corpos de prova retirados nas direções paralela, transversal e diagonal, com respeito ao sentido de laminação, para a determinação dos limites de escoamento e resistência, dos alongamentos uniforme e total e do coeficiente de encruamento. Os resultados de deformação a 15% nos ensaios de tração foram usados para calcular os coeficientes de anisotropia de Lankford, normal e planar das chapas laminadas a quente e laminadas a frio, nas três espessuras. Para todas as chapas, foram preparadas amostras de 200mm de comprimento, com larguras variando de 40 a 200mm, em intervalos de 20mm, com as quais foram realizados ensaios de curva limite de conformabilidade, CLC, pelo método Nakazima, em prensa Erichsen. Foi demonstrado que as chapas finas laminadas a quente apresentam maior estampabilidade que as chapas laminadas a frio, sendo as demais propriedades mecânicas testadas praticamente equivalentes. 6

7 ABSTRACT Thin gauge SAE 1006 steel hot rolled strips, with the nominal thicknesses of 1.2, 1.5 and 1.8mm, produced in the hot strip mill of Companhia Siderúrgica de Tubarão, CST, had their characteristics and properties compared to cold rolled strips. Their microstructures were investigated by light and electron microscopies, for the calculation of their average grain sizes. Tensile and Rockwell b hardness tests were performed in all strips, from samples machined in the parallel, transverse and diagonal directions, with respect to the milling direction, for the determination of the yield strength, tensile strength, uniform and total elongations, and strain-hardening exponent. The results of the tensile tests at 15% elongation were used in the calculation of the Lankford, normal and planar anisotropy coeficients, of the hot- and cold-rolled strips, in all of the three nominal thicknesses. Samples with 200mm length and width varying from 40 to 200mm, in intervals of 20mm, from all strips, were pressed in an Erichsen machine, according to the Nakazima method, to determine their forming limit curves, FLC. The hot-rolled strips showed better forming behaviour than the cold-rolled strips, all the other mechanical properties tested showed to be similar. 7

8 LISTA DE FIGURAS Figura Laminador de tiras a quente da CST Figura Processo de estampagem Figura Esquema mostrando a parte encruada da chapa, que transmite esforços às partes externas Figura Classificação dos modos de conformação Figura Estampagem profunda Figura Exemplos de modos de deformação e fraturas típicas associadas Figura Ensaio de estampagem profunda Ensaio Swift Figura Tipos de deformação que ocorrem na estampagem profunda Figura Esboço do ensaio de embutimento Erichsen Figura Esquema do ensaio Fukui Figura Curva do ensaio (tração) [USIMINAS, 2001] Figura Curva de ensaio de tração apresentando limite de escoamento definido [USIMINAS, 2001] Figura Direções para o cálculo do coeficiente de anisotropia Figura Efeito do coeficiente de anisotropia planar no orelhamento Figura Curva de tração para material com escoamento definido Figura Limite de escoamento descontínuo em aço em que ocorreu envelhecimento Figura Ilustração das etapas do método Nakazima para levantamento da CLC [ARC] Figura Regiões da Curva Limite de Conformabilidade Figura Exemplo prático de Curva Limite de Conformabilidade, CLC. [CamSys] Figura extraída da Internet de uma empresa especializada no levantamento da CLC Figura Diferencial de preços entre laminados a quente e laminados a frio nos EUA ( )- Dados gerais - incluindo espessuras acima de 2.0mm [CRU, 1998] Figura Distribuição por espessura no mercado de tubos na Europa em 1998 [CRU, 1998] Figura Percentagem da distribuição de espessura de chapa no mercado de construção dos EUA no ano de 1988 [CRU, 1998] Figura Percentagem da distribuição de espessura de material em partes estruturais [CRU, 1998] Figura Distribuição de peso na espessura do material em partes estruturais [CRU, 1998] Figura Percentagem da distribuição de espessuras de chapas no mercado de utensílios, em 1997 [CRU, 1998] Figura Posições de retirada dos CP s de tração, com respeito ao sentido de laminação das chapas Figura Geometria dos CP s de tração Figura Decapagem do LQ Figura Máquina Erichsen Figura Conformação da chapa no CP de 40mm Figura Conjunto de amostras de CLC, da chapa laminada a quente com espessura de 1,5mm, submetidas a ensaios de conformação em máquina Erichsen, com 200mm de comprimento e larguras de 40, 60, 80, 100, 120, 140, 160, 180 e 200mm. Carga no prensa 8

9 chapas de 150kN e velocidade do punção de 21mm/min, até a estricção Figura Marcação dos pontos que delimitam a região de maior estricção encontrada na deformação Figura (a) Microestrutura da chapa LQ, na espessura de 1,8mm. Microscópio óptico, 100X, nital 2% por 15s. (b) Micrografia da seção reta da chapa LQ, mostrando camada oxidada de 8,65µm. MEV, 5.000X Figura (a) Microestrutura da chapa LQ, na espessura de 1,5mm. Microscópio óptico, 100X, nital 2% por 15s. (b) Micrografia da seção reta da chapa LQ, mostrando camada oxidada de 4,11µm. MEV, 5.000X Figura (a) Microestrutura da chapa LQ, na espessura de 1,2mm. Microscópio óptico, 100X, nital 2% por 15s. (b) Micrografia da seção reta da chapa LQ, mostrando camada oxidada de 4,78µm. MEV, 5.000X Figura Tamanho de grão do LQ nas espessuras de 1,2; 1,5 e 1,8mm Figura (a) Microestrutura da chapa LF, na espessura de 1,8mm. Microscópio óptico, 100X, nital 2% por 15s. (b) Micrografia da seção reta da chapa LF, mostrando camada oxidada de 3,07µm. MEV, 5.000X Figura (a) Microestrutura da chapa LF, na espessura de 1,5mm. Microscópio óptico, 100X, nital 2% por 15s. (b) Micrografia da seção reta da chapa LF, mostrando camada oxidada de 613,26nm. MEV, 5.000X Figura (a) Microestrutura da chapa LF, na espessura de 1,2mm. Microscópio óptico, 100X, nital 2% por 15s. (b) Micrografia da seção reta da chapa LF, mostrando camada oxidada de 674,59nm. MEV, 5.000X Figura Tamanho de grão do LF nas espessuras de 1,2; 1,5 e 1,8mm Figura Dureza Rockwell b, para chapas do aço SAE 1006 laminadas a quente, LQ, e laminadas a frio, LF, nas espessuras nominais 1,2; 1,5 e 1,8mm. Média da dureza feita nos corpos de prova dos ensaios de tração nas direções longitudinal, transversal e diagonal de laminação Figura Limite de escoamento médio para chapas do aço SAE 1006 laminadas a quente, LQ, e laminadas a frio, LF, nas espessuras nominais 1,2; 1,5; e 1,8mm. Média de nove ensaios de tração, sendo três em cada uma nas direções longitudinal, transversal e diagonal de laminação Figura Limite de resistência médio para chapas do aço SAE 1006 laminadas a quente, LQ, e laminadas a frio, LF, nas espessuras nominais 1,2; 1,5 e 1,8mm. Média de nove ensaios de tração, sendo três em cada uma nas direções longitudinal, transversal e diagonal de laminação Figura Alongamento uniforme médio para chapas do aço SAE 1006 laminadas a quente, LQ, e laminadas a frio, LF, nas espessuras nominais 1,2; 1,5 e 1,8mm. Média de nove ensaios de tração, sendo três em cada uma nas direções longitudinal, transversal e diagonal de laminação Figura Alongamento total médio para chapas do aço SAE 1006 laminadas a quente, LQ, e laminadas a frio, LF, nas espessuras nominais 1,2; 1,5 e 1,8mm. Média de nove ensaios de tração, sendo três em cada uma nas direções longitudinal, transversal e diagonal de laminação Figura Coeficiente de encruamento médio para chapas do aço SAE 1006 laminadas a quente, LQ, e laminadas a frio, LF, nas espessuras nominais 1,2; 1,5 e 1,8mm. Média de nove ensaios de tração, sendo três em cada uma nas direções longitudinal, transversal e diagonal de laminação Figura Coeficiente de anisotropia normal para chapas do aço SAE 1006 laminadas a quente, LQ, e laminadas a frio, LF, nas espessuras nominais 1,2; 1,5 e 1,8mm. Resultado obtido de nove ensaios de tração, sendo três em cada uma nas direções longitudinal, transversal e diagonal de laminação Figura Coeficiente de anisotropia planar para chapas do aço SAE 1006 laminadas a 9

10 quente, LQ, e laminadas a frio, LF, nas espessuras nominais 1,2; 1,5 e 1,8mm. Resultado obtido de nove ensaios de tração, sendo três em cada uma nas direções longitudinal, transversal e diagonal de laminação Figura Gráfico comparativo das propriedades mecânicas do LQ e LF na espessura de 1,2mm Figura Gráfico comparativo das propriedades mecânicas do LQ e LF na espessura de 1,5mm Figura Gráfico comparativo das propriedades mecânicas do LQ e LF na espessura de 1,8mm Figura CLC à Estricção Máxima para o LF na espessura 1,2mm Figura CLC à Estricção Máxima para o LQ na espessura 1,2mm Figura CLC à Estricção Máxima para o LF na espessura 1,5mm Figura CLC à Estricção Máxima para o LQ na espessura 1,5mm Figura CLC à Estricção Máxima para o LF na espessura 1,8mm Figura CLC à Estricção Máxima para o LQ na espessura 1,8mm Figura Valores máximos dos pares de deformação e 1 e e 2 obtidos nas CLC s à estricção máxima, para as chapas LQ e LF, na espessura 1,2mm Figura Valores máximos dos pares de deformação e 1 e e 2 obtidos nas CLC s à estricção máxima, para as chapas LQ e LF, na espessura 1,5mm Figura Valores máximos dos pares de deformação e 1 e e 2 obtidos nas CLC s à estricção máxima, para as chapas LQ e LF, na espessura 1,8mm Figura Deformação máxima em espessura antes da falha para a deformação e 2 de 0,05% nas espessuras 1,2; 1,5 e 1,8mm Figura A. 1. Limite de escoamento para chapas do aço SAE 1006 laminadas a quente, LQ, e laminadas a frio, LF, nas espessuras nominais 1,2; 1,5; e 1,8mm. Média de três ensaios de tração, nas direções transversal (a), longitudinal (b) e diagonal de laminação (c) Figura A. 2. Limite de resistência para chapas do aço SAE 1006 laminadas a quente, LQ, e laminadas a frio, LF, nas espessuras nominais 1,2; 1,5; e 1,8mm. Média de três ensaios de tração, nas direções transversal (a), longitudinal (b) e diagonal de laminação (c) Figura A. 3. Alongamento uniforme para chapas do aço SAE 1006 laminadas a quente, LQ, e laminadas a frio, LF, nas espessuras nominais 1,2; 1,5; e 1,8mm. Média de três ensaios de tração, nas direções transversal (a), longitudinal (b) e diagonal de laminação (c) Figura A. 4. Alongamento total para chapas do aço SAE 1006 laminadas a quente, LQ, e laminadas a frio, LF, nas espessuras nominais 1,2; 1,5; e 1,8mm. Média de três ensaios de tração, nas direções transversal (a), longitudinal (b) e diagonal de laminação (c) Figura A. 5. Coeficiente de encruamento para chapas do aço SAE 1006 laminadas a quente, LQ, e laminadas a frio, LF, nas espessuras nominais 1,2; 1,5; e 1,8mm. Média de três ensaios de tração, nas direções transversal (a), longitudinal (b) e diagonal de laminação (c)

11 LISTA DE TABELAS Tabela II. 1. Composições típicas de aços IF em pecentagem peso ( wt%) Tabela II. 2. Composição química de um aço (IF HS) em pecentagem peso (wt%) Tabela II. 3. Composições químicas de aços BH em percentagem peso (wt%) Tabela II. 4 Chapas de aço usadas no setor de tubos [CRU, 1998] Tabela II. 5 Chapas de aço finas usadas no setor automotivo dos EUA, Europa, Japão, em 1997 [CRU, 1998] Tabela II. 6 Previsão de chapas de aço finas usadas no setor automotivo nos EUA, Europa e Japão, em 2002 [CRU, 1998] Tabela II. 7 Previsão de chapas de aço finas usadas no setor automotivo nos EUA, Europa e Japão, em 2007 [CRU, 1998] Tabela II. 8 Quantidade de Laminado a quente utilizado com substrato em chapas revestidas nos EUA, Europa, Japão, em 1997 [CRU, 1998] Tabela III. 1. Espessuras nominais e reais das chapas LQ e LF, utilizadas para realização dos ensaios mecânicos (tração e Curva Limite de Conformabilidade à Estricção Máxima - CLC à Estricção Máxima) Tabela III. 2. Composições químicas dos elementos minoritários, em porcentagem em peso, da faixa de especificação do aço SAE 1006 e real das chapas LQ nas espessuras nominais de 1,2, 1,5 e 1,8mm Tabela III. 3.Composições químicas dos elementos minoritários, em porcentagem em peso, da faixa de especificação do aço SAE 1006 e real das chapas LF nas espessuras nominais de 1,2, 1,5 e 1,8mm Tabela III. 4. Dimensões das amostras LQ e LF para ensaio da CLC à estricção máxima Tabela V. 1. Tabela comparativa das propriedades mecânicas, conformabilidade e camada de oxidação do aço SAE 1006 LQ e LF

12 1. INTRODUÇÃO Com a entrada em operação do Laminador de Tiras a Quente (LTQ) da Companhia Siderúrgica de Tubarão (CST) em 2002 (Fig. 1.1), a CST inaugura uma nova era. Com tecnologias de última geração, este será o mais moderno e versátil de sua categoria no Brasil, tendo implicado em um investimento total de 450 milhões de dólares. A capacidade de produção do LTQ é de 2 milhões de toneladas por ano, com faixa de espessura variando de 1,20mm a 16,00mm e largura de 700mm a 1880mm. As várias tecnologias agregadas permitem laminação de tiras finas menores que 2.00mm de espessura, mantendo a estabilidade operacional. O laminado a quente fino (com espessura inferior a 2,00mm), oferece uma boa oportunidade à CST, quanto à possibilidade de substituição do produto laminado a frio, pelo laminado a quente, em várias aplicações específicas. Esse nicho de mercado abrange tubos de pequeno diâmetro, construção civil, indústria moveleira, indústria automotiva, indústria de eletrodomésticos, etc. Com a concepção moderna de novos laminadores de tiras a quente, muitos problemas comuns na laminação a quente de chapas de baixa espessura, como qualidade superficial, controle de espessura e controle de forma, estão sendo minimizados, senão solucionados. O objetivo do trabalho se resume em estudos de viabilidade de substituição de laminados finos a frio por laminados finos a quente, nas espessuras nominais de 1,2; 1,5 e 1,8mm. Após a produção das tiras nas três espessuras, por laminação a frio e por laminação a quente, os materiais serão submetidos a ensaios de tração, e a levantamentos de suas curvas limite de conformabilidade, fazendo-se a seguir comparação entre os mesmos e analisando a possibilidade de substituição. 12

13 Figura Laminador de tiras a quente da CST 13

14 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1. ESTAMPAGEM DESCRIÇÃO DO PROCESSO DE ESTAMPAGEM Basicamente, a estampagem é um processo em que uma chapa fina cortada, chamada esboço ( blank ), é transformada em outro perfil através da aplicação de uma pressão por um mandril [DIETER, 1981]. O mandril impulsiona o esboço contra uma matriz convexa. Através do encaixe matriz / material / punção é obtido o novo perfil (Fig. 2.1). Um outro aspecto importante do processo de estampagem é o fato de que a espessura do material obtido é em geral a mesma da chapa utilizada, ou seja, não há redução de espessura. Figura Processo de estampagem A maior parte da produção em massa de partes metálicas conformadas a partir de chapas finas é feita em prensas mecânicas ou hidráulicas [DIETER, 1981]. Nas prensas mecânicas a energia é, geralmente, armazenada em um volante e transferida para o cursor móvel pertencente ao êmbolo da prensa. As prensas mecânicas são geralmente de ação rápida, aplicando esforços de curta duração, enquanto as prensas hidráulicas são geralmente de ação lenta, mas podem aplicar 14

15 pressões por períodos mais longos, alcançando maiores deformações. Freqüentemente, matrizes e punções são desenhados de forma a permitir que os estágios sucessivos de conformação da peça sejam realizados na mesma matriz, a cada acionamento da prensa. Este procedimento é conhecido por conformação progressiva. As etapas da conformação progressiva podem envolver corte, furação, dobramento, vários estágios de estampagem, etc. Cada operação dessas pode, em si mesma, representar um processo de fabricação. Por exemplo, alguns componentes utilizados em motores elétricos são fabricados a partir de chapas finas de aço, apenas através do processo de corte em prensas. Assim, a conformação por prensagem de chapas finas implica na utilização de uma matriz, de um antirruga para prender a chapa e um punção que obriga a chapa a penetrar na matriz e dar-lhe a forma adequada da peça final. É um método de conformação que é utilizado para se obter peças de formas complicadas e assimétricas. Conseqüentemente, as deformações e tensões que ocorrem durante o processo são igualmente complexas e de difícil avaliação. A conformação por prensagem é largamente utilizada na indústria automobilística onde se necessita alta produção, baixo índice de sucatamento e rigor de dimensões [FILHO, 1990]. Para avaliar as variáveis que influem no processo, deve-se analisar: as características do material; as condições de conformação; o projeto das ferramentas. Os vários tipos de deformação são [K. PARK, 1995]: estampagem profunda; estiramento; combinado (estampagem + estiramento); dobramento. 15

16 Os testes de laboratório, efetuados para verificação das características de conformabilidade do material, mostram as propriedades referentes a cada tipo de deformação separadamente. No entanto, a conformação industrial é complexa e a avaliação em geral deve envolver mais de um teste. Além disto, a caracterização do material, através de testes de laboratório, não dispensa a realização de testes em escala industrial, uma vez que as condições de conformação só poderão ser avaliadas corretamente através de experiências reais, cujos resultados deverão ser comparados com os de laboratório utilizando as curvas limite de conformação. Um material com boas características de conformabilidade não deve romper durante a conformação. Mas não é apenas este o único fator. Em segundo lugar vem o conceito de rigidez de forma (ocorrência de efeito mola spring back ; rigidez do produto acabado) e também a ocorrência de rugas. Portanto, a avaliação da conformação na prensa deve ser realizada levando em conta, não só as propriedades mecânicas, forma, rugosidade, etc, do material, mas também as condições operacionais e de ferramentas em escala industrial. Tipos de conformação presentes em operações de estampagem Os dois tipos de conformação mais importantes durante a estampagem são o estiramento e a estampagem profunda, podendo ocorrer ainda o dobramento, flangeamento e a deformação combinada [RIZZO, 2000]. De maneira simplificada, pode-se esperar que a região sob o punção sofra estiramento e as demais regiões do esboço sofram estampagem profunda (ou outros tipos de conformação) [LOUREIRO, 2000]. O estiramento pode ter um papel importante na estampagem, pois causa o encruamento da chapa na região sob o punção elevando sua resistência mecânica. Esta elevação na resistência permite que o material suporte com maior facilidade o esforço de transmitir a tensão do punção para as partes mais externas da chapa (fig. 2.2), movimentando-as para o interior da matriz. Em contrapartida, este estiramento deve ser controlado, pois causa a redução de espessura, podendo levar à instabilidade e até mesmo à falha. 16

17 Esta região deve transmitir o esforço para as demais regiões da chapa. Figura Esquema mostrando a parte encruada da chapa, que transmite esforços às partes externas. Um bom planejamento do processo de estampagem depende do componente que será produzido. Em geral, tende-se a minimizar o estiramento, devido à redução de espessura que provoca [LOUREIRO, 2000]. Além do projeto dos ferramentais, algumas características operacionais, como pressão no antirruga, folga entre punção e matriz, lubrificação, projeto da matriz, etc, podem favorecer um ou outro modo de conformação, podendo dificultar a obtenção de determinado componente. A seguir é feita uma descrição dos principais modos de deformação, bem como de algumas características operacionais que facilitam a ocorrência de cada modo. Estampagem profunda (Fig. 2.3.a ). Neste caso, há uma combinação de encolhimento do flange (superfície mais externa do esboço) com dobramento, sendo caracterizada por baixa pressão no antirruga e uso de punção de cabeça chata. Este modo de conformação possui combinações de tensão e deformação bem característicos. 17

18 Estiramento puro (Fig. 2.3.b). Neste modo de conformação, ocorre apenas o estiramento do flange (redução de espessura), sendo caracterizado por elevada pressão no antirruga e punção de cabeça hemisférica. Conformação combinada. Ocorre o encolhimento do flange + dobramento + estiramento do flange. É um caso intermediário aos itens estampagem profunda e estiramento puro. Neste caso ocorre a redução de espessura do fundo do copo. Dobramento. Quando ocorre apenas dobramento. Flangeamento (Fig.2.3.c). Quando ocorre dobramento + estiramento do flange sob estado plano de deformação. a) Estampagem profunda b) Estiramento c) Flangeamento Figura Classificação dos modos de conformação Estes diversos tipos de formas de conformação significam que diversas combinações de estados de tensão estão se desenvolvendo na chapa em suas diversas regiões. 18

19 ESTAMPAGEM PROFUNDA A estampagem profunda é o processo de fabricação utilizado para modelar chapas planas em artigos com forma de copo, tais como banheiras, cápsulas e para-lamas de automóveis. Embora os fatores que controlam o processo de estampagem sejam bastante evidentes, eles interagem de maneira tão complexa que é impossível, em termos simples, fazer uma descrição matemática precisa. A figura a seguir (Fig. 2.4), mostra os principais elementos envolvidos na estampagem de um copo. Figura Estampagem profunda Na estampagem profunda de um copo, o metal é submetido a três tipos diferentes de deformação [WOO, 1964]. O metal situado no centro do disco, sob a cabeça do punção, é acomodado em torno do perfil do punção, assim, tem sua espessura reduzida. Nesta região, o metal está sujeito a um estado biaxial de tração, devido a ação do punção. O metal situado na região interna do esboço é deformado radialmente para o interior em direção da garganta da matriz, e à medida que isto ocorre, a circunferência externa deve decrescer continuamente desde a dimensão do disco original, até aquela relativa à peça final. Isto significa que o metal está submetido a uma deformação compressiva na direção circunferencial e a uma deformação compressiva na direção radial. Sob a ação destas duas deformações 19

20 principais, ocorre um aumento contínuo da espessura à medida que o metal penetra na matriz. No entanto, quando o metal ultrapassa o raio da matriz, é primeiramente dobrado e depois endireitado, ao mesmo tempo que sofre um esforço de tração. Este dobramento plástico sobre tração resulta numa considerável redução de espessura, que modifica o aumento da mesma, produzido pela contração circunferencial. Entre a zona interna tracionada e a zona externa contraída existe um estreito anel de metal que não foi dobrado, seja sobre a matriz, seja sobre o punção. O metal nesta região foi submetido apenas a um carregamento de tração ao longo da operação de estampagem. Caso a folga entre o punção e a matriz não seja suficientemente grande para permitir o aumento de espessura a que nos referimos, o metal nestas regiões será comprimido, ou estirado, entre a matriz e o punção, a fim de produzir uma espessura uniforme da parede. Na estampagem profunda comercial costumam-se empregar folgas da ordem de 10 a 20% superiores à espessura da peça metálica. A força do punção necessária para produzir o copo é a soma da força ideal de deformação, das forças de atrito e da força necessária para produzir a uniformização da espessura. A força ideal de deformação aumenta continuamente com o curso, pois a deformação é crescente, e, devido ao encruamento, a tensão plástica também cresce. A pressão de fixação é a maior responsável pelo atrito. Este componente atinge rapidamente um máximo e diminui com o aumento do curso, pois a área do esboço sob o curso decresce continuamente. Quando for necessária uma força para uniformizar a espessura, ela será solicitada ao fim do processo, depois da parede do copo ter atingido a espessura máxima. A força necessária para dobrar e endireitar o material é outro fator a considerar. De todo trabalho necessário para a fabricação de um copo, 70% são gastos na deformação radial do metal, 13% para superar o atrito e 17% no dobramento e endireitamento do material em torno do raio da matriz [LANGE, 1985]. 20

21 DEFEITOS ORIUNDOS DA CONFORMAÇÃO Um defeito crítico apresentado por uma peça conformada é o desenvolvimento de uma trinca que destrói sua integridade estrutural [DIETER, 1981]. A utilidade da peça pode também ser destruída por localização de deformação (estricção), ou por formação de ondulação e rugas em regiões de esforços compressivos. Um outro defeito, bastante inoportuno, é a não observância das tolerâncias dimensionais, a qual pode resultar da presença do efeito de mola. Na estampagem profunda a carga é aplicada pelo punção no fundo do copo e então é transmitida para as paredes laterais. Quando ocorre ruptura, esta se localiza numa estreita banda de material, na parede do copo, imediatamente acima do raio do punção, a qual não foi dobrada ou deformada radialmente, mas sim, submetida essencialmente a deformação por tração. Esse anel de metal entre a parede da matriz e o punção está sujeito, essencialmente, a um estado de deformação plana que o alonga e reduz a espessura (Fig. 2.5.a). Figura Exemplos de modos de deformação e fraturas típicas associadas Uma vez que a redução máxima na estampagem profunda é da ordem de 50% [DIETER, 1981], é necessário empregar operações sucessivas de estampagem caso se queira produzir peças altas delgadas (como chapas de cartuchos e tubos 21

22 fechados). No estiramento, o material do flange pára de fluir para dentro da matriz, a elevação da carga do punção leva à redução de espessura e o material falha. Essa fratura ocorre sempre no raio da curvatura do punção (Fig. 2.5.b). Para minimizar esses defeitos, pode-se tanto aumentar o raio do punção (que diminui o estreitamento), quanto diminuir a carga do punção requerida pela operação. Se, ocorre a formação de trincas radiais nas bordas do copo, isto significa que o metal não apresenta ductilidade suficiente para suportar a grande quantidade de contração circunferencial que se verifica nesta região do esboço. Esse tipo de defeito ocorre mais facilmente durante o processo de expansão sem recozimento prévio do que na estampagem inicial. A formação da ondulação e rugas na borda do copo é resultante das altas tensões compressivas circunferenciais, desenvolvidas na chapa. Esse defeito pode ser evitado através da utilização de uma pressão de fixação adequada. Como as peças obtidas por estampagem apresentam geralmente grande área superficial, estão sujeitas à presença de defeitos superficiais que prejudicam sua aparência. Outro defeito superficial importante é a presença de nervuras de distenção, comumente encontradas em aços baixo carbono. A presença desse defeito está diretamente associada à existência do patamar de escoamento na curva tensão-deformação do metal e com a deformação não uniforme que resulta da elongação do limite de escoamento descontínuo. Esse defeito pode ser minimizado pela aplicação de uma pequena deformação a frio na chapa de aço da ordem de 1,2 a 2% em espessura, que elimina o escoamento descontínuo [DIETER, 1981]. 22

23 2.2 MATERIAIS ESPECIAIS PARA ESTAMPAGEM A norma ABNT 5906 CHAPAS de Aço Laminadas a Quente para Estampagem, assim como a ABNT 5915 Chapas de Aço Laminadas a Frio para Estampagem dividem os aços em três categorias básicas: aços para estampagem média (EM), aços para estampagem profunda (EP), e aços para estampagem extra profunda (EEP). Na norma são definidos requisitos de composição química, bem como de propriedades mecânicas, como limite de escoamento, limite de resistência, alongamento total e embutimento (apenas a ABNT 5915). No entanto, com a crescente exigência feita aos materiais destinados à estampagem, há a necessidade de desenvolvimento de novos materiais (aços) para atender as exigências do mercado. A indústria automobilística, por exemplo, no intuito de reduzir o peso dos automóveis, vem exigindo a produção de componentes com resistência mecânica cada vez maior; o que é, obviamente, deletério à estampabilidade dos aços, dificultando a obtenção de perfis complexos. Por outro lado, o design dos carros exige a produção de perfis complexos, com formas cada vez mais atraentes aos seus consumidores. O atendimento de tais exigências só é possível através do desenvolvimento de aços que atendam a restritos requisitos de estampabilidade e de resistência. Alguns aços que podemos citar como parte desses novos desenvolvimentos são: aços livres de átomos intersticiais ( Intersticial Free IF), aços IF de alta resistência (IF HS), aços bake hardening (BH), aços bifásicos ( dual phase DP), aços endurecíveis por transformação TRIP ( transformation induced plasticity ), etc AÇOS LIVRES DE INTERSTICIAIS (IF) Os aços IF notabilizam-se por baixíssimos níveis de elementos intersticiais (notadamente Carbono e Nitrogênio), o que é alcançado tanto através de técnicas especiais na aciaria por exemplo através de desgaseificação a vácuo a fim de 23

24 obter-se teores de carbono tão baixos quanto 30ppm como pela adição de elementos estabilizadores do carbono e nitrogênio, como alumínio, nióbio e titânio. Esses procedimentos resultam no desenvolvimento de uma textura de recristalização altamente favorável a operações de estampagem, como a estampagem profunda [PEREIRA, 1999]. Os aços IF, desgaseificados a vácuo e laminados a frio, são caracterizados por apresentarem baixos limites de escoamento e baixa resistência a tração, altos valores de alongamento total, de fator de encruamento e de coeficiente de anisotropia. Além disso, por possuírem características mecânicas de excelente estampagem profunda e de não envelhecimento, os aços IF permitiram à indústria mecânica a confecção de peças com geometrias complexas. Uma forma comum de se classificar os aços IF é pelos elementos químicos utilizados na sua estabilização. Dessa forma, os aços IF podem ser subdivididos em aços IF estabilizados ao Ti, ao Nb e ao Ti + Nb. São fornecidas algumas composições de aços destas três classes na Tabela II.1: Tabela II. 1. Composições típicas de aços IF em pecentagem peso ( wt%) Aço IF estabilizado ao Ti C Mn Si S P Al Ti N B 0,0029 0,17 0,01 0,013 0,010 0,042 0,079 0, Aço IF estabilizado ao Nb C Mn Si S P Al Nb N B 0,0030 0,25 0,01 0,010 0,010 0,040 0,040 0, Aço IF estabilizado ao Ti + Nb C Mn Si S P Al Nb N Ti 0,0030 0,25 0,01 0,010 0,010 0,042 0,040 0,0033 0,025 Cada tipo de aço IF terá características particulares e aplicações diferenciadas. Atualmente, o aço IF estabilizado ao titânio é o mais amplamente empregado. 24

25 AÇOS LIVRES DE INTERSTICIAIS DE ALTA RESISTÊNCIA (IF HS) Para fazer frente à competição com outros materiais, tem havido uma pressão do mercado para diminuir o peso dos componentes estampados sem perda da resistência dos mesmos (especialmente pela indústria automobilística). Por este motivo, os aços IF têm evoluído para aços com maior resistência mecânica [RABELO, 2000]. Tradicionalmente, a elevação da resistência mecânica é feita por um dos seguintes mecanismos de endurecimento: solução sólida, segunda fase, redução do tamanho de grão, endurecimento por precipitação e por trabalho a frio. Sendo a grande maioria destes mecanismos deletérios à estampabilidade dos aços. Aços IF de alta resistência (IF HS) têm sido produzidos através da adição de fósforo aos aços, um elemento de menor custo que o manganês e o titânio. O fósforo é adicionado aos aços IF com o intuito de causar o endurecimento por solução sólida substitucional, que não leva à redução da estampabilidade dos aços. Entretanto, o fósforo tem uma grande desvantagem, que é a fragilização durante o trabalho a frio. Devido à segregação de parte deste fósforo adicionado aos contornos de grão, o fósforo causa fragilização destes contornos, tornando o aço susceptível à fratura frágil. Isto tem sido contornado através da adição de boro, ou através da utilização de aços IF estabilizados ao Ti + Nb. Esses elementos, B e Nb, tendem a se segregar no contorno de grão de maneira preferencial ao fósforo, reduzindo a fragilização causada pelo mesmo. Esses aços têm como grande diferencial, a possibilidade de redução de espessura dos componentes, sem perda de resistência, o que mantém o potencial de utilização do aço, especialmente na indústria automotiva. Uma composição química típica de um aço IFHS é mostrada na tabela II.2. Tabela II. 2. Composição química de um aço (IF HS) em pecentagem peso (wt%) C Mn P S Al Ti Nb N B 0,0035 0,41 0,047 0,007 0,042 0,041 0,012 0,0042 0,

26 AÇOS ENDURECÍVEIS NA PINTURA (BAKE HARDENING) Os aços bake hardening ou BH são fruto de uma proposta inteligente, de produzir a elevação das propriedades mecânicas do material quando o produto já foi conformado. Isto ocorre na etapa de cura da pintura, onde o componente é exposto a temperaturas relativamente elevadas por um tempo suficiente para que ocorra o envelhecimento do aço [RABELO, 2000]. Esses aços são desenvolvidos através de pequenos ajustes de composição química, apresentando teores elevados de fósforo, e através do controle do nível de carbono em solução sólida na laminação a frio, a fim de que, após a estampagem da peça e durante o processo de cura de pintura, tenha-se a precipitação/segregação dos átomos de carbono (envelhecimento), visando maximizar a elevação do limite de escoamento, provocando aumento da resistência da peça. Assim, tem-se um material de baixo limite de escoamento durante a etapa de estampagem e um componente com propriedades mecânicas otimizadas após a pintura [ABM, 2002]. Os níveis mínimos de elevação da tensão ou limite de escoamento que causam algum benefício são de 30 a 40N/mm 2. Sabe-se, por exemplo, que uma elevação de 40N/mm 2 no limite de escoamento poderia compensar uma redução de 0,1mm na espessura de uma chapa, mantendo a mesma resistência a indentação. Essa elevação pode também estar associada à presença de nitrogênio mantido em solução sólida. Resultados mais expressivos de efeito BH ocorrem para aços com níveis de carbono livre em solução de 5 a 20ppm. Portanto, este efeito resulta de um controle rigoroso da composição química e do processamento, para garantir este nível de carbono livre em solução. Composições químicas típicas de um aço BH são mostradas na tabela II.3. Tabela II. 3. Composições químicas de aços BH em percentagem peso (wt%) C Mn P S Al Ti Nb N B 0,0108 0,22 0,042 0,013 0,029 0,003 0,001 0,0035-0,0115 0,18 0,052 0,013 0,023 0,003 0,001 0,

27 AÇOS BIFÁSICOS (DUAL PHASE) E AÇOS ENDURECÍVEIS POR TRANSFORMAÇÃO - TRIP Esses aços desenvolvem elevadas resistências mecânicas devido à presença de produtos de transformação tais como martensita, bainita e austenita retida na microestrutura. Quando esses produtos estão distribuídos em uma matriz ferrítica em proporções de até 20%, pode-se obter interessantes combinações de resistência e ductilidade. Esses aços apresentam limites de resistência na faixa entre 500 e 650N/mm 2 [LLEWELLYN, 1998]. Os aços dual phase possuem microestrutura formada de ferrita e martensita (até 20%), possuem escoamento contínuo e elevado encruamento. No entanto, apresentam baixa relação tensão de escoamento/limite de resistência. Os aços TRIP, por sua vez, apresentam uma microestrutura contendo austenita retida, que ao ser deformada transforma-se em martensita, o que promove elevadíssimo encruamento e, por conseqüência, elevada conformabilidade. Além de boa conformabilidade, devido a presença de fases muito resistentes, apresentam limites de resistência de até 800N/mm 2. 27

28 2.3. ENSAIOS DE EMBUTIMENTO O ensaio de embutimento tem como objetivo avaliar a estampabilidade de chapas e/ou tiras, relacionando características mecânicas e estruturais da peça com as máximas deformações possíveis de serem realizadas sem que ocorra ruptura. Existem diversos tipos de ensaio para essa forma de avaliação [GARCIA, 1999], alguns dos quais são relacionados abaixo. Ensaio Swift: consiste na deformação de um disco metálico (blank), preso em uma matriz, com um punção na forma cilíndrica. Nesse caso, o resultado é obtido por meio da relação entre o diâmetro máximo do disco e o diâmetro do punção que provoca a ruptura da peça. Desse modo, esse método de ensaio exige a utilização de diversos corpos de prova, sendo muito utilizado para análise de casos de estampagem profunda (deep drawing). Ensaio Erichsen: consiste na deformação de uma tira metálica (blank-corpo de prova) presa em uma matriz com um punção de forma esférica. Mede-se a máxima penetração do punção para a qual não tenha ocorrido a ruptura da tira. Ensaio Olsen: é semelhante ao ensaio Erichsen, com algumas alterações na dimensão do equipamento. Ensaio Fukui: este tipo de ensaio consiste em conformar um disco metálico como um cone com vértice esférico. Exige a utilização de diversos corpos de prova, e é usado também para análise de estampagem profunda ENSAIO SWIFT: ESTAMPAGEM PROFUNDA Na estampagem profunda, um disco metálico (blank) é colocado sobre uma matriz e é comprimido para o seu interior através de um punção, geralmente de forma cilíndrica [GARCIA, 1999]. O objetivo da análise da estampagem profunda é 28

29 determinar as relações geométricas entre o máximo diâmetro do disco e o mínimo diâmetro do punção, possíveis para se conformar um copo cilíndrico sem que ocorram ruptura ou falhas superficiais. A Fig.2.6 mostra um esboço do ensaio de Swift [GARCIA, 1999]. Figura Ensaio de estampagem profunda Ensaio Swift Ao longo do processo de estampagem, o blank é submetido a diferentes tipos de conformação, até atingir a forma final. Para maiores informações a respeito de estampagem profunda vide item A seguir tem-se a fig. 2.7 com os tipos de deformação que ocorrem na estampagem profunda. 29

30 Figura Tipos de deformação que ocorrem na estampagem profunda. 30

31 ENSAIO ERICHSEN O ensaio Erichsen é um ensaio de padronização européia para a avaliação da ductilidade de chapas metálicas. O ensaio Erichsen consiste em um punção de cabeça esférica que avança sobre uma fina chapa metálica (blank), presa em um sistema que aplica uma sobrepressão. O ensaio envolve estiramento biaxial, e o resultado é dado pelo avanço do punção sobre o metal até o instante em que ocorre a fratura. Os resultados podem variar com a velocidade de avanço do punção, a lubrificação do equipamento e do blank e, principalmente, em razão dos critérios para a determinação do fim de teste (início da fratura) [GARCIA,1999]. Os blanks utilizados no ensaio podem ser circulares ou retangulares, e o mínimo comprimento ou diâmetro deve ser de 90mm, e a espessura nominal da chapa deve estar entre 0,2 e 2,0mm. A parte esférica do punção deve ter dureza de 62 HRc, e a superfície da matriz (do topo até a base) deve ter dureza superior ou igual a 56 HRc. Na (Fig. 2.8) tem-se o esboço do ensaio de embutimento Erichsen. Figura Esboço do ensaio de embutimento Erichsen A velocidade de avanço do punção deve estar entre 0,08 e 0,40mm/s, e próximo a ruptura a velocidade pode ser reduzida para se obter maior precisão. Em geral, devido à dispersão dos resultados, deve se ensaiar pelo menos seis chapas e indicar a média dos valores de avanço do punção. 31

32 No relatório do ensaio devem ser registradas as seguintes informações: tipo de material; espessura do blank; método da determinação de fim de ensaio; número de elementos de ensaio; tipo de lubrificante utilizado; valor médio e desvio-padrão dos resultados obtidos; valor médio da carga máxima atingida nos ensaios; método de avanço do punção (constante ou proporcional); variação da força do punção (se for um parâmetro conhecido) ENSAIO FUKUI TESTE COMBINADO Nos testes combinados procura-se simular operações em que ocorram estampagem e estiramento simultaneamente. Existem inúmeros tipos dos quais o mais conhecido é o Ensaio Fukui ou CCV ( Conical Cup Value ), utilizando punção de cabeça esférica [WOO, 1964]. Nesse teste, a matriz é cônica na parte de apoio do esboço, conforme figura 2.9, sendo que o esboço é simplesmente apoiado, sem uso de antirruga. Quando o punção desce, o esboço adquire formato cônico, sendo após isso deformado em formato cilíndrico através da cavidade da matriz até iniciar-se a fratura. A forma final do corpo de prova está mostrada na parte inferior da figura

33 Figura Esquema do ensaio Fukui. O valor medido pelo ensaio é o valor de CCV que é igual à soma do diâmetro máximo Dm (mostrado na figura) e o diâmetro mínimo (na direção circunferencial da parte mais larga do corpo de prova). O valor de CCV tem o inconveniente de ser dimensional (mm) e de depender do diâmetro inicial do esboço. Por isso, esse diâmetro é padronizado por faixa de espessuras, assim como o conjunto punção e matriz, tornando-se difícil a comparação de valores referentes a faixas de espessuras diferentes. O posicionamento do corpo de prova na matriz influi notavelmente nos resultados. 33

34 2.4. ENSAIO DE TRAÇÃO O ensaio de tração é o mais utilizado dos ensaios mecânicos, por sua facilidade de execução, reprodutividade e também pelas informações que são fornecidas a respeito da resistência dos materiais ensaiados. Esse ensaio consiste na aplicação de uma força em um corpo de prova padronizado, que tende a alongá-lo no sentido axial. Esta força é aplicada por meio de uma máquina que mede a força e a deformação ao longo do ensaio. As deformações produzidas no corpo de prova, CP, são uniformemente distribuídas, ou seja, praticamente iguais ao longo da seção menor do corpo de prova (parte útil). Isto ocorre até que seja atingida uma carga máxima; a partir daí forma-se um pescoço (estricção) nesta parte do CP e as deformações tornam-se diferentes em cada ponto do corpo de prova. O ensaio completo prossegue até depois que se forma esta estricção, com a ruptura do material. A ruptura sempre se dá na região estreita do CP, a menos que um defeito interno do material, fora desta região, promova a formação de trincas. Os CP s para o ensaio de tração podem ser de seções retangulares ou cilíndricas, dependendo da forma e tamanho do produto do qual foi retirado. A parte útil do CP é a região onde são feitas as medidas das propriedades mecânicas desejadas, e a cabeça é a parte destinada apenas à fixação na máquina do ensaio, podendo ou não ser rosqueada conforme o tipo de garras do equipamento. A transição entre as cabeças do corpo de prova e a parte útil é sempre feita de forma gradual, com um formato circular ou elíptico, para que a concentração de tensões se minimize TENSÃO E DEFORMAÇÃO Define-se como tensão a força aplicada em um corpo de prova dividida pela área da seção transversal. A tensão e deformação convencionais levam em consideração a área inicial do CP. F T = (Eq. 2.1) A 34

35 Onde: T = Tensão (kgf/mm 2 ) F = Força aplicada (kgf) A = Área transversal inicial do CP (mm 2 ) Deformação convencional é definida como sendo o comprimento final do CP menos o comprimento inicial dividido pelo comprimento inicial. e L L L 0 = (Eq. 2.2) 0 Onde: L = Comprimento final do CP L 0 = Comprimento inicial do CP A determinação da carga e deformação possibilita a construção de um gráfico denominado curva do ensaio de tração (fig.2.10). Figura Curva do ensaio (tração) [USIMINAS, 2001]. 35

36 O limite de escoamento, LE, é a tensão onde ocorre a transição do regime elástico para o regime plástico. Ou seja, é o ponto onde a deformação obtida pela aplicação de uma carga começa a ficar permanente. Para aplicações estruturais, desde que as cargas sejam estáticas, as tensões de trabalho são geralmente baseadas no valor do limite de escoamento. Além disso, no caso de materiais onde a deformação plástica é desejável, por exemplo em materiais destinados à conformação mecânica, o limite de escoamento define o ponto a partir do qual se inicia a deformação plástica. Existem basicamente dois tipos de limite escoamento: Definido; Indefinido. O limite de escoamento definido caracteriza-se por um patamar entre o regime elástico e plástico. Nessa região do ensaio a carga permanece praticamente constante e o material continua a se deformar até que o regime plástico seja atingido (fig. 2.11). Na curva do ensaio de tração, o limite de escoamento definido é usualmente medido em um dos seguintes pontos: Limite superior: corresponde ao ponto de maior carga registrada no patamar; Limite inferior: corresponde ao ponto de menor carga registrada no patamar; Patamar de escoamento: corresponde ao ponto da carga do patamar; Esses três pontos podem se confundir na curva. Porém há sempre a presença de um patamar (carga constante). 36

37 Figura Curva de ensaio de tração apresentando limite de escoamento definido [USIMINAS, 2001]. O limite de escoamento indefinido caracteriza-se por uma transição suave entre os regimes elástico e plástico, e não é possível determinar com precisão o ponto onde o material passa de um regime a outro. Dessa forma, foram padronizados os pontos onde o limite de escoamento indefinido deve ser medido, sendo que dois métodos são mais usuais, como descrito abaixo: 1. No primeiro método, toma-se uma determinada deformação (usualmente 0,5%) e traça-se uma reta vertical neste ponto. O limite de escoamento é então medido na interseção desta reta com a curva do ensaio. 2. No segundo método, toma-se no eixo de deformação um determinado valor (geralmente 0,2%) e traça-se a partir deste ponto uma reta paralela à parte elástica da curva. O limite de escoamento é então medido na interseção desta reta com a curva do ensaio. A partir do momento que se atinge o limite de escoamento o ensaio prossegue até a ruptura do material. No entanto, em determinado ponto inicia-se a formação da estricção no corpo de prova. O limite de resistência é a tensão máxima aplicada antes do início da estricção. Em uma curva de tensão x deformação convencional, é a maior tensão obtida no ensaio. Portanto, para obter o LR divide-se a maior carga obtida pela área inicial do corpo de prova. 37

38 O alongamento percentual e a redução de área são medidas da ductilidade do material. O alongamento percentual é definido como a diferença percentual entre o comprimento final, na fratura, e o comprimento inicial útil do CP. E% L 100 f L 0 L 0 = (Eq. 2.3) Onde: L 0 = comprimento inicial do CP; L f = comprimento do CP na fratura. A redução de área é definida como a diferença percentual entre a área transversal inicial e a área transversal final do CP dividido pela área transversal inicial. A0 Af RA = 100 (Eq. 2.4) A 0 Onde: A 0 = área transversal inicial do CP; A f = área transversal final do CP (na fratura) ENCRUAMENTO A necessidade de aumentar-se a tensão para dar continuidade à deformação plástica do material decorre de um fenômeno denominado encruamento. A partir da região de escoamento, o material entra no campo de deformações permanentes, onde ocorre endurecimento por deformação a frio. Esse fenômeno resulta da interação entre discordâncias com obstáculos, como solutos, contornos de grãos, etc, que impedem sua livre movimentação. A partir da curva tensão x deformação pode traçar a curva tensão x deformação verdadeiras, ou seja, traçar a curva de fluxo. Nesse caso, a tensão é calculada dividindo-se a carga instantânea pela área instantânea, e não pela área inicial. 38

39 A tensão verdadeira fica expressa pela equação abaixo. Onde: σ = tensão verdadeira; F = carga instantânea aplicada; A i = área instantânea da secção reta do CP. F σ = (Eq. 2.5) A i A deformação verdadeira é dada pela equação 2.6. L ε = ln i L (Eq. 2.6) 0 Onde: ε = deformação verdadeira; L i = comprimento instantâneo; L 0 = comprimento inicial. Para alguns metais e ligas, a curva de fluxo pode ser aproximada pela seguinte equação de Holloman, abaixo. n σ = K ε (Eq. 2.7) Onde: n = coeficiente de encruamento; K = coeficiente de resistência do material. O coeficiente de encruamento é uma importante característica do material, pois significa o quanto o material aumenta sua resistência através de deformação plástica. 39

40 COEFICIENTES DE ANISOTROPIA O coeficiente de anisotropia é uma propriedade mecânica importante na definição de limites de estampagem. A anisotropia é caracterizada pela existência de uma orientação preferencial de certos planos cristalográficos de cada cristal com relação a uma certa direção. Esta orientação preferencial é causada pelas operações de conformação anteriores, podendo ser mantida e até mesmo ampliada pelas operações de recozimento. Chapas metálicas que apresentam anisotropia sofrem deformações diferentes em cada direção. Uma medida da anisotropia de chapas finas é o coeficiente anisotropia de Lankford, r, que é definido na equação 2.8. ε r = ε l argura espessura ε 2 = ε 3 = ln( w/ w0 ) ln( t / t ) 0 (Eq. 2.8) Sendo os valores das deformações na largura (w) e na espessura (t) obtidos através do ensaio de tração e até 18% de deformação de um corpo de prova retirado de uma chapa cortada. Um alto valor de r significa que a chapa oferece grande resistência à deformação ao longo da espessura, enquanto valores baixos significam que a chapa tem maior tendência a deformar-se na espessura. Dado que na estampagem é desejável que a espessura final seja a mesma da chapa inicial, um alto valor de r será favorável. Como o coeficiente de Lankford de chapas laminadas varia com a direção em que é realizado o teste, é comum expressar o coeficiente de anisotropia como um valor médio dos parâmetros r obtidos em diferentes direções. Uma definição usual é o coeficiente de anisotropia normal médio, mostrado na equação 2.9. r r 0 + 2r45 + r90 = (Eq. 2.9) 4 40

41 Onde os valores são obtidos segundo a figura abaixo, onde 0 é a direção de laminação: Figura Direções para o cálculo do coeficiente de anisotropia. É também definido o coeficiente de anisotropia planar, na equação r0 2r45 + r90 r = (Eq. 2.10) 2 O coeficiente de anisotropia planar está relacionado à formação de orelhas nas peças estampadas, conforme pode ser visto na figura Figura Efeito do coeficiente de anisotropia planar no orelhamento ENVELHECIMENTO A presença do escoamento definido é característica dos aços baixo carbono. Este tipo de escoamento causa nos aços estampados um defeito muito característico, que são as bandas de deslizamento ou bandas de Lüders. A causa do escoamento definido é a presença de átomos de soluto (C e N em solução sólida intersticial) que dificultam a movimentação das discordâncias, causando um escoamento não homogêneo no início da deformação plástica. 41

42 F Patamar de Escoamento 1,5-3% δ Figura Curva de tração para material com escoamento definido. Fica claro ao observarmos a figura 2.14 que este defeito é próprio dos aços quando submetidos a pequenas deformações. Assim, é comum após o recozimento dos aços destinados a estampagem a aplicação de um passe de laminação (laminação de encruamento ou temper mill ) normalmente da ordem de 1,5 a 3% para evitar este patamar e como conseqüência, evitar o defeito citado anteriormente durante a operação de estampagem. No entanto, com o passar do tempo, e sob a ação da temperatura, este patamar volta a existir no aço devido ao retorno dos átomos de carbono ao aprisionamento das deslocações, como mostrado na figura Este fenômeno é denominado envelhecimento e é deletério à estampabilidade dos aços. F Após a ação do tempo e da temperatura há a elevação do limite de escoamento e retorno do patamar. δ Figura Limite de escoamento descontínuo em aço em que ocorreu envelhecimento. 42

43 É muito comum nas normas (ex. ABNT Chapas de Aço Laminadas a Quente para Estampagem ) a definição de um tempo útil de utilização dos aços destinados a estampagem. Assim, o fornecedor deve garantir que durante aquele tempo estipulado pela norma o material não sofrerá envelhecimento, ou numa especificação mais severa, que o aço não sofrerá envelhecimento em tempo algum CURVA LIMITE DE CONFORMABILIDADE A avaliação da conformabilidade de um determinado material é bastante difícil, devido à complexidade das deformações introduzidas durante o processo. Dentre os métodos utilizados para avaliar o desempenho das chapas metálicas na conformação, a Curva Limite de Conformabilidade (CLC) é o mais adequado, permitindo definir a capacidade máxima de deformação do material, quando submetido a processos de conformação por estiramento, estampagem e/ou tração. Nesse método de avaliação, condições críticas de estampagem em diferentes situações são representadas num mesmo gráfico, de forma a permitir uma comparação direta dos limites de conformabilidade. Existem basicamente dois métodos para traçar a CLC. Um desenvolvido pelo IRSID ( Institut de Recherches de la Sidérurgie ) que utiliza corpos de prova de tração com entalhe e ensaios de embutimento conhecidos, por exemplo o CCV, Erichsen e Swift. O outro método bastante utilizado, é o método desenvolvido por K. Nakazima [NAKAZIMA, 1971], que utiliza apenas ensaios de embutimento MÉTODO NAKAZIMA Para levantar a CLC pelo método Nakazima deve-se cortar as chapas do material nos formatos adequados, imprimir em cada chapa uma rede de círculos ou quadrados de dimensões conhecidas, deformar as chapas até a fratura ou até a estricção de acordo com a CLC que se deseja levantar (CLC à fratura ou CLC à estricção), medir as deformações máximas obtidas e traçar um gráfico com os pontos obtidos, colocando-se na ordenada o valor da deformação principal e 1 43

44 (maior deformação no plano da chapa), e na abscissa o valor e 2 (deformação perpendicular neste plano da chapa) (Fig. 2.16). [KEELER, 1965] O Método Nakazima utiliza apenas uma ferramenta, consistindo de um punção de diâmetro igual a 100mm, hemisférico, que age contra uma matriz de diâmetro igual a 106mm. São deformados vários corpos de prova, com com comprimento fixo, normalmente, de 180 ou 200mm, e largura variando de 40 a 200mm, em intervalos de 10 em 10mm ou 20 em 20mm. As dimensões variadas proporcionam diversas condições de atrito. Cortar chapas (blanks) Realizar a marcação Realizar a deformação das chapas e medir as deformações principais Traçar CLC Figura Ilustração das etapas do método Nakazima para levantamento da CLC [ARC] 44

45 O número de corpos de prova é elevado e é comum realizar-se uma ou duas repetições, o que dobra ou triplica o número de corpos de prova. Isso resulta em um grande número de ensaios, para que seja obtida uma CLC. O método utilizado para a marcação da rede de círculos ou quadrados deve aliar a rapidez a exatidão, além de não exercer influência na concentração de tensões sobre a chapa. Existem três métodos disponíveis, a fotolitografia, o silk-screen e o método eletrolítico. O método eletrolítico consiste na utilização de um stencil especial no qual está impresso em baixo relevo o modelo da rede que se quer gravar. Através de um eletrólito que embebe o stencil e a superfície da chapa e a aplicação de uma corrente elétrica (AC ou DC), o modelo pode ser gravado em baixo relevo e/ou pode depositar sais do eletrólito sobre a peça. Este método é rápido (cerca de 30 segundos para cada gravação) e bastante preciso. Para a deformação das chapas, utiliza-se uma prensa onde elas são devidamente posicionadas e, através do movimento de um punção, são deformadas até a fratura, ou estricção, de acordo com a CLC que se deseja levantar. As deformações são medidas com base nas alterações das dimensões de cada divisão da malha, com respeito às suas dimensões iniciais. Uma vez obtidos os valores de deformação, traça-se num mesmo gráfico todos eles e obtém-se a Curva Limite de Conformabilidade, que demarca os maiores valores do par de deformação e 1 xe 2, através da interpolação desses pontos. 45

46 Figura Regiões da Curva Limite de Conformabilidade. A figura 2.17 ilustra as regiões de uma CLC. Cada corpo de prova fornece um conjunto de pontos sobre o gráfico, sendo que cada ponto corresponde a um par de deformações medido em uma divisão da malha. A curva em si, demarca os valores máximos de deformação. A região acima da curva corresponde à região de falha. Na CLC observam-se vários regimes de deformação. O lado direito do gráfico corresponde à região de expansão biaxial, ou de estiramento biaxial, em que e 1 e e 2 são maiores que 0 e e 3 é menor que zero, pois e 1 +e 2 +e 3 =0. Trata-se de uma região de perda de espessura da peça, portanto correspondente a um estado de deformação propenso a falha. Os pontos desse lado da curva são obtidos dos corpos de prova de maior largura. A figura 2.18 mostra um exemplo prático de CLC. O lado esquerdo superior do gráfico corresponde à região de tração, em que e 1 é maior que zero e e 2 e e 3 são menores que zero. O lado esquerdo inferior, com valores absolutos de e 2 maiores que os de e 1 correspondem ao espessamento, com e 3 maior que zero, em que o material ganha espessura. Separando as regiões de estiramento e tração, sobre o eixo e 1, encontra-se o estado de tração plana, com e 2 =0 e e 3 =-e 1, portanto com grande perda de espessura e correspondendo à região de menores deformações na CLC. 46

47 A análise das deformações através da CLC é um valioso instrumento para o desenvolvimento de matrizes de estampagem e para a seleção de materiais adequados. A análise da CLC permite o diagnóstico de problemas ou de regiões que podem tornar-se problema na conformação de peças. A CLC pode também ser utilizada como uma ferramenta para o controle de processos, podendo ser realizadas análises periódicas dentro de uma planta de produção para verificar se as condições de lubrificação continuam as mesmas, se o material continua respondendo da mesma forma, etc. As curvas limite de conformação podem ser utilizadas para a determinação da melhor solução do ponto de vista econômico para as variáveis de produção, tais como: pressão, material, lubrificante, etc. Como limitação, quando uma peça é produzida em vários estágios, a CLC só é aplicável para o último estágio anterior à análise. Além disso, a análise da produção de peças através da CLC não consegue diferenciar variáveis do material com as de processo, avaliando o processo como um todo. Assim, não é possível saber de antemão se a causa de um problema é uma mudança nas características do material ou uma mudança nas condições operacionais. Figura Exemplo prático de Curva Limite de Conformabilidade, CLC. [CamSys] Figura extraída da Internet de uma empresa especializada no levantamento da CLC. 47

48 2.6. PRINCIPAIS DIFERENÇAS FÍSICAS ENTRE LAMINADOS A QUENTE E LAMINADOS A FRIO Levando-se em consideração pesquisas feitas às indústrias, as três principais diferenças físicas entre laminados a quente e laminados a frio são [CRU, 1998]: 1. Qualidade superficial; 2. Controle de espessura e forma; 3. Propriedades mecânicas; Estas diferenças físicas ajudam a explicar porque várias aplicações são mais ou menos vulneráveis à substituição de laminados a frio por laminados a quente finos. Em alguns casos, bobinas laminadas a quente podem ser um produto, mas é melhor considerar uma situação mais prática, na qual o laminado a quente é decapado e encruado, melhorando algumas características do material, mas em contrapartida aumentando os custos de produção QUALIDADE SUPERFICIAL A qualidade superficial é provavelmente o maior problema associado ao laminado a quente fino. A qualidade superficial de bobinas laminadas a quente não é normalmente comparável com a obtida de laminados a frio. Os defeitos superficiais, e uma aparência visual mais pobre são sempre mais aparentes em laminados a quente. A superfície laminada a quente carregará as imperfeições superficiais dos cilindros do laminador, as quais pioram devido a condições severas de altas temperaturas e tensões. Problemas nos cilindros do laminador a quente podem causar defeitos superficiais como marcas de cilindros. Estes problemas superficiais, se não tão severos, podem ser posteriormente eliminados na laminação a frio. Em contraste, uma boa qualidade superficial de acabamento pode ser alcançada na laminação a frio dando-se uma atenção especial às superfícies dos cilindros de trabalho. Os cilindros dos laminadores a frio têm a abilidade de conceder superfícies 48

49 finais claras ou brilhantes. Ao contrário, é difícil conceder boas características superficiais aos aços laminados a quente, melhorando um pouco estas características quando este é submetido ao laminador de encruamento hot skin pass, o qual promove uma superfície mais lisa, plana e melhora a textura superficial com o objetivo de enquadrar às especificações das aplicações finais CONTROLE DE ESPESSURA E FORMA Há algumas aplicações de laminados a quente onde qualidade superficial pode não ser crítica. Entretanto, o controle de espessura e forma (planicidade) é muito importante do ponto de vista da seleção de laminados a quente finos. Atuais laminadores de tiras a quente apresentam as tecnologias de laminação mais avançadas. Grandes precisões dimensionais podem ser obtidas utilizando o roll bending como principal equipamento para controle de forma, desde que não haja contração após a laminação devido ao resfriamento. Múltiplos sensores monitorando o processo, aliados ao sofisticado sistema automático de controle de processo são usados para controle de forma e espessura. É importante ressaltar que há uma maior probabilidade de erros para laminados a quente abaixo de 2.0mm. O controle de forma e espessura pode ser mais cuidadosamente controlado durante a operação de laminação a frio, usando o mesmo padrão de controle de processo e automação. As tolerâncias padrão são maiores para laminados a quente quando comparados a laminados a frio. Como exemplo, a prática de tolerância padrão é para ¾ da ASTM para laminados a quente e ½ para laminados a frio PROPRIEDADES MECÂNICAS As propriedades mecânicas são determinadas pela combinação da composição química do aço líquido com o processo de conformação, gerando resistência e ductilidade para as aplicações finais. 49

50 Propriedades mecânicas são importantes parâmetros na escolha entre laminados a quente e laminados a frio. A deformação é muito importante quando a chapa de aço é submetida a operações que envolvem dobramento ou estampagem. Outra propriedade relevante é a resistência, principalmente quando se promove a diminuição da espessura com o intuito de se conseguir aços mais leves. O laminado a quente é trabalhado com temperaturas acima da temperatura de recristalização, enquanto o laminado a frio trabalhado abaixo desta temperatura. Após a laminação a frio, a estrutura do grão está em alto estado de deformação de alongamento e o aço não é normalmente usado nesta condição, sendo necessário o tratamento de recozimento, com o objetivo de diminuir seu limite de escoamento. Isto torna possível dar ao aço as propriedades metalúrgicas exatas solicitadas pelo cliente, incluindo ductilidade, porém onera o processo e o produto. Como regra geral, na prática comercial a qualidade "estampagem" é fornecida como laminado a quente, assim como a qualidade "estampagem profunda", dependendo da aplicação solicitada; já a qualidade "estampagem extra profunda" é normalmente fornecida como laminado a frio. 50

51 2.7. LAMINADOS A QUENTE DE BAIXA ESPESSURA EM SUBSTITUIÇÃO A LAMINADOS A FRIO O maior determinante no futuro de laminados a quente de baixa espessura é se o consumidor pode usá-lo em seus produtos e reduzir custos. Apesar das diferenças físicas como a qualidade superficial, o controle de espessura e forma, o uso dos laminados finos a quente dependerá largamente no diferencial de preço entre laminado fino a quente e laminado a frio equivalente [CRU, 1998]. Levantamentos com os centros de serviços e de aplicações finais indicam que a diferença de preço entre laminados a quente finos e laminados a frio deve ser de pelo menos US$20/tonelada para incentivar a substituição. Estima-se que os custos de produção total de 1mm laminado a quente (decapado e encruado) são US$ 37/tonelada a menos que o custo de produção de 1mm laminado a frio no grau comercial. Adquirindo qualidade superficial e níveis de tolerância aceitáveis, o laminado a quente fino deve oferecer incentivos suficientes para a substituição de laminados a frio [CRU, 1998]. Diferencial de Preços entre Laminados a Quente e Laminados a Frio nos EUA ( ) Preços ($/t) Laminado a Quente Ano Laminado a Frio Figura Diferencial de preços entre laminados a quente e laminados a frio nos EUA ( )- Dados gerais - incluindo espessuras acima de 2.0mm [CRU, 1998] 51

52 O gráfico da figura 2.19 mostra que a diferença média de preço entre laminado a quente e laminado a frio está em $138,00/tonelada, no mercado dos EUA ÁREAS POTENCIAIS PARA UTILIZAÇÃO DE LAMINADOS A QUENTE FINOS Serão listados a seguir alguns setores os quais já utilizam e têm potencial para crescimento na utilização de laminados a quente de baixa espessura. TUBOS O mercado de tubos soldados é provavelmente o maior mercado para laminados a quente finos até o momento. A razão principal da popularidade da utilização de laminados a quente finos para tubos é que a qualidade superficial utilizada é muitas vezes não crítica para a aplicação, pois tubos tendem a ser usados em áreas onde não se tem grandes restrições estéticas, uma vez que na maioria das vezes encontram-se em áreas não vistas. Ao mesmo tempo, no caso de produtos pintados, uma micro-superfície grosseira é de suma importância para a aderência do revestimento aplicado, o que favorece o laminado a quente quando comparado com a superfície mais lisa do laminado a frio. Outra razão para a laminação a quente ser extensamente usada é que os fabricantes de tubos normalmente compram as bobinas pretas ou não decapadas, pois a aplicação do revestimento é muitas vezes feita depois que o tubo é deformado e soldado. As características de deformabilidade e soldabilidade são dois dos mais importantes atributos das chapas usadas na fabricação de tubos e essas boas propriedades do laminado a quente favorecem as suas aplicações no ramo. A tabela II.4 mostra as quantidades de chapas de aço usadas no setor de tubos nos EUA, Europa e Japão, confirmando uma preponderância dos laminados a quente sobre os laminados a frio no mercado de fabricação de tubos. 52

53 Tabela II. 4 Chapas de aço usadas no setor de tubos [CRU, 1998] Chapas de aço usadas no setor de tubos nos EUA, Europa e Japão, em 1997 (consumo x10 3 t) USA Europa Japão Bobinas laminadas a quente e chapas (1) Bobinas laminadas a frio e chapas Chapas revestidas Consumo total de chapas Nota: (1) Números da Europa incluem chapas acima de 3mm. Como pode ser visto no gráfico da figura 2.20, a grande maioria dos laminados a quente utilizados no mercado de tubos na Europa apresenta-se na espessura acima de 2mm, abaixo de 2mm nas aplicações para tubos é estimado ser de 22%, dando uma quantidade aproximada de milhões de toneladas. No mercado Americano na faixa abaixo de 2mm este valor é de 17% do mercado total. Isto é equivalente a aproximadamente 1 milhão de toneladas no mercado. Percentagem (%) Distribuição por Espessura do Mercado de Tubos na Europa 0 < < <2.0 >=2.0 Espessura (mm) Laminado a Quente Laminado a Frio Figura Distribuição por espessura no mercado de tubos na Europa em 1998 [CRU, 1998] 53

54 CONSTRUÇÃO CIVIL No gráfico a seguir, tem-se a percentagem da distribuição de espessura de chapa de aço no mercado de construção dos EUA. Percentagem da Distribição de Espessura de Chapa no Mercado de Construção dos EUA % de Chapas no Mercado de Construção (%) < < <2.0 >2.0 Espessura (mm) Chapas Revestidas Laminado a Frio Laminado a Quente Figura Percentagem da distribuição de espessura de chapa no mercado de construção dos EUA no ano de 1988 [CRU, 1998] SETOR AUTOMOTIVO Uma tendência para materiais mais leves e finos com alta resistência é evidente na indústria automobilística, os quais trazem oportunidades de aumento na utilização de laminados a quente finos. Mas há um limite e redução de espessura de laminados a quente, devido aos pré-requisitos de alta qualidade superficial de acabamento e estreitas tolerâncias na estampagem. Esta tendência para utilização de materiais mais finos na indústria automobilística, implicando na redução de peso, ocorre desde a crise do petróleo em 1970 e A redução de peso é a melhor maneira de se atingir economia de combustível. Abriuse, assim, a concorrência a materiais mais leves como alumínio ou compósitos. Em resposta, em 1990 foi criado um consórcio com 35 produtores de aço internacionais, dando origem o Ultra Light Steel Autobody (ULSAB) para reduzir o peso de aço em estruturas automotivas, mantendo-se a alta resistência do aço [CRU, 1998]. 54

55 Obviamente, o principal incentivo da substituição de laminados a frio por laminados finos a quente, além das características citadas acima, é a redução de custos. As quatro maiores áreas com tendências a esta substituição na indústria automobilística são: Partes estruturais Componentes externos (capus e rodas) Componentes internos (estrutura para assentos, partes de cinto de segurança) Peça de chassis (eixo, transmissão, suspensão) Partes estruturais Representa a carcaça estrutural, painel, porta, etc. O material dominante usado é chapa de aço estampado, contando com cerca de 75% do peso total de chapa de aço utilizado em um veículo. Os gráficos das figuras 2.22 e 2.23, mostram as percentagens e pesos da distribuição por espessura de material utilizado nas partes estruturais. % de Partes estruturais Percentagem da Distribuição de Espessura de Material em Partes Estruturais < < <2.0 >=2.0 Espessura do Material (mm) Revestido Laminado a Quente Laminado a Frio Figura Percentagem da distribuição de espessura de material em partes estruturais [CRU, 1998] 55

56 200 Distribuição de Peso na Espessura do Material em Partes Estruturais (Peso Total 473 Kg) Peso(Kg) em Partes Estruturais < < <2.0 >=2.0 Espessura do Material (mm) Revestido Laminado a Quente Laminado a Frio Figura Distribuição de peso na espessura do material em partes estruturais [CRU, 1998] Analisando os gráficos podemos retirar algumas conclusões: Aproximadamente 95% do peso em partes estruturais é abaixo de 2.0mm. Aproximadamente 65% do peso em partes estruturais é abaixo de 1.2mm. Aproximadamente 29% do peso em partes estruturais está entre mm. Aproximadamente 90% do peso de partes estruturais é chapa revestida. Somente 2% do peso em partes estruturais é laminado a quente. Componentes externos Quantidades consideráveis de aços laminados a quente são usados nas aplicações da parte externa de veículos, como rodas e capus. Estes aços têm como concorrente as rodas de alumínio (liga de magnésio), mas são mais caras e mais susceptíveis a danos. Componentes internos Estruturas de assentos são os maiores consumidores de laminados a quente e a frio 56

57 em componentes internos. As espessuras usadas estão na faixa de 1.5mm, onde laminados a quente finos competem com laminados a frio. Entretanto, tolerâncias e estampabilidade são importantes como critério de escolha. Peças para chassis Peças para chassis incluem peças como eixo para rodas, para-choques, sistema de suspensão, etc. Alguns estudos feitos (CRU) assumem que a média do uso de laminado a quente fino utilizado em peças para chassis é de 5 Kg, com tendência de chegar a 10 Kg. Algumas Previsões: Em consulta a clientes de aplicações finais da indústria automobilística, estes mostraram positivos com relação ao uso de laminados a quente de baixa espessura [CRU, 1998]. As tabelas II.5, II.6 e II.7 a seguir, mostram as estimativas do consumo de laminados a quente finos no mercado automobilístico dos USA, Europa e Japão para 1997, 2002, O consumo é esperado dobrar nestes três países em 2002, com tendência de crescimento para

58 Tabela II. 5 Chapas de aço finas usadas no setor automotivo dos EUA, Europa, Japão, em 1997 [CRU, 1998]. Chapas de aço finas usadas no setor automotivo nos EUA, Europa e Japão ( 1997) Laminados a quente finos utilizados (x10 3 t) Peso no automóvel (Kg) USA Europa Japão USA Europa Japão Partes estruturais 29,9 70,1 147, Componentes externos Rodas 20,4 28,5 18,5 67,5 67,5 67,5 capus 12,1 16,9 10, Componentes internos Assento 145,4 203,2 131, Peças de chassis 60,5 84,6 54, Consumo Total 268,5 403,5 363,6 Tabela II. 6 Previsão de chapas de aço finas usadas no setor automotivo nos EUA, Europa e Japão, em 2002 [CRU, 1998]. Previsão de chapas de aço finas usadas no setor automotivo nos EUA, Europa e Japão ( 2002) Laminados a quente finos utilizados (x10 3 t) Peso no automóvel (Kg) USA Europa Japão USA Europa Japão Partes estruturais 130,4 163,1 244, Componentes externos Rodas 36,4 35,5 23, Capus 12,1 16,9 10, Componentes internos Assento 212,1 237,0 192, Peças de chassis 90,8 84,6 82,3 7,5 5,0 7,5 Consumo Total 481,8 537,3 532,6 58

59 Tabela II. 7 Previsão de chapas de aço finas usadas no setor automotivo nos EUA, Europa e Japão, em 2007 [CRU, 1998]. Previsão de chapas de aço fino usadas no setor automotivo nos EUA, Europa e Japão ( 2007) Laminados a quente fino utilizado (x10 3 t) Peso no automóvel (Kg) USA Europa Japão USA Europa Japão Partes estruturais 391,1 474,4 560, Componentes externos Rodas 83,3 42,3 90, Capus 10,9 3,0 9, Componentes internos Assento 363,5 269,2 329, Peças de chassis 121,2 169,34 109, Consumo Total 970,1 958, ,9 UTENSÍLIOS Esta é uma aplicação final que inclui mobílias e outros produtos metálicos utilizados na indústria e em domicílios. Este setor possui um grande número de aplicações, onde laminados a quente finos podem substituir laminados a frio. Os seguintes utensílios têm já sido parcialmente substituídos, ou já se identificado como potencial para substituição: Caixas elétricas (incluindo chaves disjuntoras e transformadores); Armários (doméstico); Prateleiras (doméstico, industrial); Caixas de ferramentas; Mobílias; Bancos em estádios, portas, etc. 59

60 O potencial de aplicação de laminados a quente finos, em cada uma destas aplicações, depende da faixa de espessura e se não são críticas com relação à qualidade superficial. Outras características importantes são a deformabilidade e planicidade. No gráfico da figura 2.24 tem-se a percentagem da distribuição de espessura de chapas no mercado de utensílios nos USA. % de chapas no Mercado de Utensílios Percentagem da Distribuição de Espessuras de Chapas no Mercado de Utensílios nos USA < < <2.0 >2.0 Espessura (mm) Laminado a Quente Laminado a Frio Chapas Revestidas Figura Percentagem da distribuição de espessuras de chapas no mercado de utensílios, em 1997 [CRU, 1998]. ELETRODOMÉSTICOS Este setor tem um baixo potencial para laminado a quente fino, porque as espessuras são muito finas, sendo então usado em poucas aplicações. Algumas aplicações como máquina de lavar, secadoras e lavadoras usam espessura em torno de 0,7-0,8mm, e estas espessuras são inferiores à faixa de laminados a quente finos, pois limitam suas espessuras entre 1,0 e 1,2mm. Freezers e fornos de microonda usam chapas de laminado a frio com 0,4 a 0,5mm de espessura. Sendo que a maioria destas aplicações requer qualidade superficial crítica, qualidade estampagem e qualidade estampagem extra-profunda. 60

61 SUBSTRATO PARA REVESTIMENTO Do ponto de vista das aplicações, não importa se a chapa revestida provém de laminado a quente ou laminado a frio, ela deverá conter as especificações técnicas requeridas para a aplicação. Somente pequenas quantidades de laminados a quente são revestidas, sendo que a grande maioria de laminado a frio é revestida abaixo de 2mm. Na tabela II.8 tem-se a quantidade de laminado a quente, utilizado como substrato em chapas revestidas: Tabela II. 8 Quantidade de Laminado a quente utilizado com substrato em chapas revestidas nos EUA, Europa, Japão, em 1997 [CRU, 1998]. Quantidade de laminado a quente utilizado como substrato em chapas revestidas nos USA, Europa, Japão, em 1997 (x10 3 t) >=2mm <2mm Total USA Europa Japão LAMINADO A QUENTE COMO MATÉRIA-PRIMA PARA REDUÇÃO A FRIO A redução a frio de laminado a quente não é uma aplicação final, mas representa uma possível saída para a produção de laminado a quente fino. Do ponto de vista estatístico, não é incluído na análise de potencial aplicação para laminados a quente finos, mas precisa ser contabilizado, para estimar a produção total destes. A maioria dos laminadores a frio usa como faixa de espessura de entrada, acima de 2mm. Entretanto, há alguns casos em que é apropriado usar laminados a quente com espessuras de entrada menores que 2mm. Há duas razões principais para isto: Primeiramente, a quantidade máxima de redução a frio, ao qual o material pode ser submetido, é cerca de 80%. Para reduções acima de 80% na laminação a frio, o material precisa ser recozido, antes que sofra reduções posteriores. Portanto, para espessuras muito finas laminadas a frio, é muitas 61

62 vezes mais econômico, usar laminados a quente finos (abaixo de 2mm), como espessura de entrada no laminador a frio. Este laminado a quente fino seria usualmente para bobinas laminadas a frio com espessura final abaixo de 0,4mm (pelo menos 80% da redução de 2mm), como materiais para tin-plate e chapas elétricas silicosas. O laminado a quente fino pode também ser usado para reduzir o número de passes em laminadores reversíveis, qualquer que seja a espessura final de redução a frio. Por exemplo, se um laminador reversível pode reduzir o número de passes de 6 para 3, isto pode reduzir o tempo gasto no laminador pela metade, e aumentar a sua produtividade. A vantagem dependerá largamente da redução que necessita, dos custos nos estágios da laminação a frio devido ao número da redução de passes, contra os custos adicionais de se ter uma matéria-prima laminada a quente fina. CRU estima que entre 2-6% de laminado a frio é produzido utilizando laminado a quente fino. Embora seja uma proporção relativamente pequena da produção de laminado a frio, conta-se como uma significante parte da produção total de laminado a quente fino. Assim, qualquer aumento neste setor direcionado para a produção de laminado a frio, terá um impacto positivo para a produção de laminado a quente de baixa espessura [CRU, 1998]. 62

63 3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 3.1. METODOLOGIA Foram analisadas amostras de chapas finas laminadas a quente e chapas finas laminadas a frio, aqui chamadas LQ e LF, respectivamente, do aço SAE 1006, para aplicação comercial. Foram selecionadas três espessuras nominais para comparação do comportamento mecânico das chapas LQ e LF MATERIAIS A tabela III.1 abaixo, mostra as espessuras nominais e reais das chapas utilizadas. No presente trabalho, as chapas são designadas levando em consideração as espessuras nominais. Tabela III. 1. Espessuras nominais e reais das chapas LQ e LF, utilizadas para realização dos ensaios mecânicos (tração e Curva Limite de Conformabilidade à Estricção Máxima - CLC à Estricção Máxima) Espessura Nominal (mm) Espessura Real (mm) LQ LF LQ LF 1,2 1,2 1,21 1,21 1,5 1,5 1,53 1,50 1,8 1,8 1,84 1,88 As composições químicas da faixa de trabalho selecionadas e reais das chapas LQ e LF encontram-se nas tabelas III.2 e III.3 respectivamente: 63

64 Tabela III. 2. Composições químicas dos elementos minoritários, em porcentagem em peso, da faixa de especificação do aço SAE 1006 e real das chapas LQ nas espessuras nominais de 1,2, 1,5 e 1,8mm. Aço SAE 1006 Composição Especificação Composição química medida no LQ Elemento mín. máx. 1.2mm 1.5mm 1.8mm C Si Mn P S Al Cu Ni Cr Mo V Nb Tabela III. 3.Composições químicas dos elementos minoritários, em porcentagem em peso, da faixa de especificação do aço SAE 1006 e real das chapas LF nas espessuras nominais de 1,2, 1,5 e 1,8mm. Aço SAE 1006 Composição Especificação Composição química medida no LF Elemento mín. máx. 1.2mm 1.5mm 1.8mm C Si Mn P S Al Cu Ni Cr Mo V Nb

65 3.3. ENSAIOS DE TRAÇÃO E DUREZA Foram realizados ensaios de tração em todas as amostras LQ e LF nas espessuras nominais 1,2; 1,5 e 1,8mm, com o objetivo de determinar as propriedades mecânicas do material, como limite de escoamento, limite de resistência, alongamento total, alongamento uniforme, coeficiente de encruamento, coeficiente de anisotropia normal e coeficiente de anisotropia planar. Simultaneamente, foi realizado o ensaio de dureza Rockwell b (HRb) nas amostras de tração. A figura 3.1 mostra as posições de extração dos CP s para a determinação do coeficiente de anisotropia. Sentido de Laminação 420mm Figura Posições de retirada dos CP s de tração, com respeito ao sentido de laminação das chapas. Onde foi calculado o coeficiente de anisotropia de Lankford, de acordo com a equação: r = ε largura / ε espessura => r = ln (w/w 0 )/ln (t/t 0 ) Sendo os valores das deformações na largura (w) e na espessura (t) obtidas através do ensaio de tração a 15% de deformação do CP. Como o coeficiente de Lankford de chapas laminadas varia com a direção em que é realizado o teste, é comum expressar o coeficiente de anisotropia como um valor 65

66 médio dos parâmetros r obtidos em diferentes direções. Uma definição usual é o coeficiente de anisotropia normal (r N ), que é obtido da seguinte forma: r = (r 0 + 2r 45 + r 90 )/4 e o coeficiente de anisotropia planar, como segue: r = (r 0-2r 45 + r 90 )/2 A geometria dos CP s de tração utilizada na preparação é mostrada na figura 3.2 abaixo: Amostra de tração (ASTM E8) (Valores em milímetros) G = 50,0 ± 0,1 W = 12,5 ± 0,2 T = espessura do material R 12,5 L 200 A 57 B 50 C 20 Figura Geometria dos CP s de tração Todos os ensaios foram realizados com réplica e tréplica em uma máquina de tração eletromecânica, da marca Instron, no centro de pesquisa da Acesita. 66

67 3.4. ENSAIO CURVA LIMITE DE CONFORMABILIDADE À ESTRICÇÃO MÁXIMA A CLC à Estricção Máxima foi utilizada para avaliar a capacidade de uma chapa metálica a ser deformada durante um processo de fabricação. Estas curvas são determinadas em um processo no qual a chapa é submetida a diferentes solicitações de embutimento profundo até o estiramento biaxial. O procedimento para o levantamento da CLC à estricção máxima foi realizado como segue DIMENSÕES DAS AMOSTRAS Para a determinação das CLC s à Estricção Máxima foi utilizado o ensaio Nakazima, no qual é utilizado um punção hemisférico, uma matriz e um prendedor de chapas (prensa-chapas). Para cada material (espessura), o ensaio foi realizado em 9 dimensões de corpos de prova, com comprimento de 200mm e larguras que variaram de 40 a 200mm em intervalos de 20mm. A tabela III.4 mostra as dimensões das amostras para a realização dos ensaios. Tabela III. 4. Dimensões das amostras LQ e LF para ensaio da CLC à estricção máxima. Dimensões das amostras para ensaio da curva limite de conformabilidade (CLC) N de Amostras Chapas Laminadas a Quente Espessura 1,2mm Espessura 1,5mm Espessura 1,8mm Largura X Comp. (mm) Largura X Comp. (mm) Largura X Comp. (mm) 3 40 x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x

68 Dimensões das amostras para ensaio da curva limite de conformabilidade (CLC) N de Amostras Chapas Laminadas a Frio Espessura 1,2m Espessura 1,5mm Espessura 1.8mm Largura X Comp. (mm) Largura X Comp. (mm) Largura X Comp. (mm) 3 40 x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x 200 Daqui em diante, os corpos de prova dos ensaios para levantamento da CLC serão designados por suas larguras MARCAÇÃO DA GRADE Os ensaios de conformação realizados analisam a deformação de uma grade bidimensional marcada sobre a superfície da amostra, após a pressão pelo punção. A marcação da grade foi realizada através de processo eletrolítico, escolhido devido a sua simplicidade, rapidez, baixo custo e por manter as marcas durante os ensaios de laboratório. Antes de iniciar a marcação foi realizada a limpeza das chapas laminadas a quente (LQ) e laminadas a frio (LF). As chapas laminadas a quente foram decapadas em uma solução de ácido clorídrico em uma concentração de 20%, a uma temperatura de 70 C em um intervalo que variou de 20 a 25 segun dos. Após esse tratamento, foram lavadas com água e sabão, secadas e enroladas em um papel para evitar contato com o ar e posterior oxidação. Observou-se que camada de óxido formada sobre as chapas era de pequena espessura, não ocorrendo problemas na decapagem do material. A figura 3.3 ilustra a realização da decapagem do LQ. As chapas laminadas a frio foram limpas com álcool não sendo necessária a decapagem prévia. 68

69 Figura Decapagem do LQ Em seguida, cada CP foi colocado em cima de uma superfície metálica ligada ao pólo negativo de uma fonte, afixando-se uma tela com malha de 5x5mm sobre o CP. Um rolo metálico revestido com um feltro, embebido na solução eletrolítica, e ligado ao pólo positivo da fonte, foi passado com pressão e velocidade uniforme sobre a tela (estêncil), para a marcação da grade em toda a superfície do CP. Por fim, as chapas foram lavadas com água e sabão para retirar o excesso do ácido. Finalmente, foi aplicado um neutralizador. As amostras foram então secas e revestidas por uma fina camada de óleo, para evitar oxidação ENSAIOS DE CONFORMAÇÃO DAS CHAPAS O equipamento utilizado para a conformação das chapas foi a máquina ERICHSEN (figura 3.4). A curva levantada é a Curva Limite de Conformabilidade à Estricção Máxima. O equipamento é composto de uma matriz, com um punção hemisférico de diâmetro de 100mm, posicionado na parte inferior da máquina e, na parte superior, um prensa-chapas. O punção é lubrificado em toda a sua superfície, com a função de diminuir o atrito, facilitar o escoamento e distribuir mais uniformemente a deformação. O lubrificante utilizado foi o Molycote. 69

70 Figura Máquina Erichsen. O corpo de prova, após a retirada do excesso de óleo, é posicionado no centro da máquina, distante do punção cerca de 40mm. Na parte superior da máquina tem-se o cabeçote (prensa-chapa), que aplica uma carga de 150kN. A força aplicada no prensa-chapas evita qualquer escoamento de material do flange para a parte central do CP, que está sendo deformado durante o ensaio. Após o início da operação, o sistema punção-chapa vai de encontro ao prensachapa e quando estes se encontram dá-se início à deformação do material. A velocidade do punção foi de 21mm por minuto e a carga aplicada é diretamente proporcional à resistência do material e à geometria dos CP s, ou seja, para larguras menores cargas menores e assim sucessivamente. 70

71 Durante o início da estricção em um ponto qualquer, ocorre uma apreciável diminuição da força aplicada, o que serve de indicativo para determinar o fim do processo. Na figura 3.5 tem-se a conformação na máquina Erichsen do CP de 40mm. Figura Conformação da chapa no CP de 40mm Após a estampagem das chapas, é feita uma análise dos pontos (quadrados), onde ocorreu a estricção do material e marcado um retângulo nesta região crítica, para servir de base a análises posteriores. O ensaio foi trabalhado com detector de trinca zerado, ou seja, o mais sensível possível, de maneira que, a qualquer sinal de estricção ou trinca há descarregamento e pára a deformação do material. Para os CP s intermediários (60, 80, 100, 120mm de largura), foram adicionadas chapas de alumínio aos pontos de contato do prensa-chapas, para evitar rompimento precoce dos CP s, pois estas geometrias são críticas, havendo grande probabilidade de rompimento dos CP s antes da detecção do ponto de estricção e conseqüente perda dos mesmos. A figura 3.6 mostra um conjunto de amostras de CLC ensaiadas na espessura de 1,5mm LQ. 71

72 Figura Conjunto de amostras de CLC, da chapa laminada a quente com espessura de 1,5mm, submetidas a ensaios de conformação em máquina Erichsen, com 200mm de comprimento e larguras de 40, 60, 80, 100, 120, 140, 160, 180 e 200mm. Carga no prensa chapas de 150kN e velocidade do punção de 21mm/min, até a estricção OBTENÇÃO DA CURVA LIMITE DE CONFORMAÇÃO À ESTRICÇÃO MÁXIMA Após a deformação do material, com detecção de seu ponto de estricção, é feita a escolha da área a ser analisada, envolvendo a região central de estricção, e realizada a marcação de quatro pontos delimitando-a. Os pontos de delimitação da análise formam um retângulo de seis divisões da malha na direção transversal ao máximo alongamento, por 5 divisões da malha na direção paralela ao máximo alongamento, como mostrado na figura 3.7. A superfície de deformação é analisada por um software, com base na imagem tridimensional da amostra ensaiada, ou seja, com base em fotografias do corpo de prova obtidas de diferentes ângulos. Para tanto, são feitas no mínimo duas fotos, em diferentes ângulos, capturando a imagem do CP e de um padrão cúbico, utilizado 72

73 para malhas de 5mm (Fig. 3.7). O posicionamento do padrão deve ser de maneira tal que pelo menos duas faces deste sejam fotografadas em conjunto com a imagem da área a ser analisada. Deve-se tomar o cuidado de não alterar o posicionamento do padrão e do CP entre as fotos. De posse das fotografias, estas são transferidas para o computador e editadas para o cálculo das deformações e 1 e e 2. Para cada uma das nove chapas com larguras diferentes, foram analisados os retângulos marcados, delimitando as divisões de malha onde foram detectadas as estricções do material. Em cada um desses quadrados foram calculados os pares de deformação em comprimeno e largura (e 1 e e 2 ) e transportados a um gráfico, obtendo-se a CLC à estricção máxima do material. Figura Marcação dos pontos que delimitam a região de maior estricção encontrada na deformação. 73

74 3.5. METALOGRAFIA Foram separadas amostras finas de LQ e LF do aço SAE 1006 nas espessuras nominais de 1,2; 1,5 e 1,8mm, com o objetivo de determinar metalograficamente a microestrutura, tamanho de grão e espessura de carepa das amostras. Além de análises das superfícies, foram realizados cortes nas seções transversal e longitudinal das amostras, que propiciaram o levantamento das propriedades citadas acima. As amostras foram embutidas em baquelite e polidas nas lixas abrasivas com granulometrias de #220, #320, #400, #600, #800, #1000, #1200, seguido de polimento com pasta de diamante de 6, 3 e 1µm. A microestrutura foi revelada com ataque de Nital a 2%. A realização da análise do tamanho de grão foi de acordo com a Norma ASTM E O método utilizado envolve a comparação dos tamanhos de grão dos materiais com padrões definidos (grades) podendo ser na forma de transparências ou reticulados para microscópios. Preferencialmente aplicável a estrutura com grãos equiaxiais. 74

75 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO 4.1. METALOGRAFIA Foram realizados ensaios metalográficos onde foram obtidos tamanhos médios de grão, microestrutura e espessura de carepa das amostras de chapas do aço SAE 1006 laminadas a quente, LQ, e laminadas a frio, LF, nas espessuras nominais 1,2; 1,5; e 1,8mm. Os resultados são mostrados nas figuras 4.1 a 4.6. A figura 4.1 mostra micrografias da chapa LQ, com espessura de 1,8mm. A figura 4.1a revela que a chapa laminada a quente apresenta microestrutura constituída de grãos ferríticos equiaxiais, com tamanho médio de 23µm (ASTM n 7,5). A figura 4.1b mostra a camada superficial na seção reta da chapa LQ, revelando uma espessura oxidada de, aproximadamente, 8,65µm. A figura 4.2 mostra micrografias da chapa LQ, com espessura de 1,5mm. A figura 4.2a revela que a chapa laminada a quente apresenta microestrutura constituída de grãos ferríticos equiaxiais, com tamanho médio de 16µm (ASTM n 8,5). A figura 4.2b mostra a camada superficial na seção reta da chapa LQ, revelando uma espessura oxidada de, aproximadamente, 4,11µm. A figura 4.3 mostra micrografias da chapa LQ, com espessura de 1,2mm. A figura 4.3a revela que a chapa laminada a quente apresenta microestrutura constituída de grãos ferríticos equiaxiais, com tamanho médio de 13µm (ASTM n 9). A figura 4.3b mostra a espessura de carepa na seção reta da chapa LQ, revelando uma espessura oxidada de, aproximadamente, 4,78µm. 75

76 (a) (b) Figura (a) Microestrutura da chapa LQ, na espessura de 1,8mm. Microscópio óptico, 100X, nital 2% por 15s. (b) Micrografia da seção reta da chapa LQ, mostrando camada oxidada de 8,65µm. MEV, 5.000X. 76

77 (a) (b) Figura (a) Microestrutura da chapa LQ, na espessura de 1,5mm. Microscópio óptico, 100X, nital 2% por 15s. (b) Micrografia da seção reta da chapa LQ, mostrando camada oxidada de 4,11µm. MEV, 5.000X. 77

78 (a) (b) Figura (a) Microestrutura da chapa LQ, na espessura de 1,2mm. Microscópio óptico, 100X, nital 2% por 15s. (b) Micrografia da seção reta da chapa LQ, mostrando camada oxidada de 4,78µm. MEV, 5.000X. 78

79 25 TAMANHO DE GRÃO - LQ dg (µm) LQ 0 0,9 1,2 1,5 1,8 2,1 Espessura (mm) Figura Tamanho de grão do LQ nas espessuras de 1,2; 1,5 e 1,8mm. A figura 4.4 mostra a evolução do tamanho de grão das chapas laminadas a quente com a redução. Observa-se o refinamento da estrutura, com o tamanho médio de grão passando de 23µm na espessura de 1,8mm, para 13µm na espessura de 1,2mm. Isto revela que os passes de acabamento do LQ são executados em temperatura alta o suficiente para eliminar o alongamento dos grãos, porém permitindo ainda o desejável refinamento da estrutura. As amostras foram retiradas no laminador de tiras a quente da CST, com uma temperatura mínima de acabamento em torno de 860 C. A figura 4.5 mostra micrografias da chapa LF, com espessura de 1,8mm. A figura 4.5a revela que a chapa laminada a frio apresenta microestrutura constituída de grãos ferríticos equiaxiais, com tamanho médio de 23µm (ASTM n 7,5). A figura 4.5b mostra a camada superficial na seção reta da chapa LF, revelando uma espessura oxidada de, aproximadamente, 3,07µm. A figura 4.6 mostra micrografias da chapa LF, com espessura de 1,5mm. A figura 4.6a revela que a chapa laminada a frio apresenta microestrutura constituída de grãos ferríticos alongados, com tamanho médio de 19µm (ASTM n 8,0). A figura 4.6b mostra a camada superficial na seção reta da chapa LF, revelando uma espessura oxidada de, aproximadamente, 613,26nm. 79

80 A figura 4.7 mostra micrografias da chapa LF, com espessura de 1,2mm. A figura 4.7a revela que a chapa laminada a frio apresenta microestrutura constituída de grãos ferríticos equiaxiais, ligeiramente alongados no sentido de laminação, com tamanho médio de 16µm (ASTM n 8,5). A figura 4.7b mostra a camada supe rficial na seção reta da chapa LF, revelando uma espessura oxidada de 674,59nm. (a) (b) Figura (a) Microestrutura da chapa LF, na espessura de 1,8mm. Microscópio óptico, 100X, nital 2% por 15s. (b) Micrografia da seção reta da chapa LF, mostrando camada oxidada de 3,07µm. MEV, 5.000X. 80