ESTUDO DA ESTAMPABILIDADE DE CHAPAS DE AÇO NA INDÚSTRIA AUTOMOBILÍSTICA UTILIZANDO A TECNOLOGIA DE TAILORED BLANKS

Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica Dissertação de Mestrado ESTUDO DA ESTAMPABILIDADE DE CHAPAS DE AÇO NA INDÚSTRIA AUTOMOBILÍSTICA UTILIZANDO A TECNOLOGIA DE TAILORED BLANKS Rodrigo Barcelos Pereira Dissertação apresentada ao Programa de Pós Graduação em Engenharia Mecânica da PUC Minas como parte dos requisitos para obtenção do título de MESTRE EM CIÊNCIAS EM ENGENHARIA MECÂNICA. ORIENTADOR: Prof. Jánes Landre Junior, Dr. Banca Examinadora: Prof. Jánes Landre Junior, Dr. Prof. José Rubens G. Carneiro, Dr. Prof. Avelino Manuel da Silva Dias, Dr. - PUC Minas, Orientador - Examinador Interno - Examinador Externo Belo Horizonte, 27 de Abril de 2005

A Deus, que sempre está junto de mim iluminando meu caminho, meus pais Paulino e Maria Auxiliadora, meus irmãos e principalmente à Cecília pelo apoio, incentivo e carinho.

AGRADECIMENTOS Neste momento gostaria de exprimir meus sinceros agradecimentos: ao professor Jánes Landre Junior, pela orientação, amizade, paciência e compreensão durante o desenvolvimento deste. ao companheiros de trabalho Leonardo José, Rafael Fagundes e em especial ao amigo Paulo Geraldo pela ajuda na execução dos trabalhos experimentais realizados no Laboratório Metalúrgico da Fiat Automóveis. ao companheiros André Bassetti e Nilson que ajudaram respectivamente no projeto e na construção das ferramentas do ensaio de estampagem. à Usiminas e à Rio Negro, pelo fornecimento dos materiais utilizados neste estudo (Sr. Gleyder) e pela execução de ensaio experimental (Sr. Christian). a todos companheiros, profissionais da Fiat Automóveis que direta ou indiretamente, contribuíram para realização deste estudo. à Fiat Automóveis S.A, pela oportunidade para execução deste trabalho.

RESUMO Tailor Welded Blanks são conjuntos construídos tipicamente por duas ou mais chapas de aço com materiais e espessuras diferentes, cuja a junção é feita mediante técnicas específicas de soldagem. Através do processo de soldagem a laser é possível obter peças conformadas com diferentes características mecânicas e físicas em um mesmo blank, de acordo com a necessidade do cliente. Nesse trabalho foram realizados ensaios em máquina de tração para determinação das propriedades mecânicas (Limite de escoamento, Limite de ruptura e Alongamento) dos metais base e das juntas soldadas. Realizou-se também o ensaio Nakajima para determinação e comparação da Curva Limite de Conformação (CLC) das juntas soldadas em relação seus respectivos metais base, além da realização dos ensaios de estampagem. As Curvas Limite de Conformação destacam-se pelo fato de serem definidas como um critério de falha empírico onde são medidas as deformações maior e menor aplicadas a um determinado material. As CLC s visam conhecer a estampabilidade de um material quando submetido a processos de conformação por estiramento e embutimento. Já o ensaio de estampagem pode-se definir como sendo um ensaio simulativo prático, projetado para esse estudo, que visa conhecer o comportamento das juntas soldadas quando submetidas a diferentes tensões de deformações, similares àquelas que ocorrem durante um processo de estampagem industrial. As matérias-prima base para realização do estudo foram os materiais FE P05 (Norma 52806, 2002), FEE 220 BH (Norma 52814, 2000) e FEE 355 F (Norma 52811, 2002). Como resultado pode-se destacar a influência da solda a laser na dureza e nas propriedades mecânicas dos materiais, além da sua influência na estampabilidade dos conjuntos soldadas.

ABSTRACT Tailor Welded Blanks are joints built typically by two or more sheet of steel with diferent materials and thicknesses, whose juncture is deed by means of specific welding technicals. With Laser welding is possible obtain conformed pieces with diferent mechanical and physical characteristics in a same blank, agreement with the need of the client. In this work were carried out attempt in machine of traction for determination of the mechanical characteristics (Yield Point, Tensile Strength and Elongation) of the base metals and welded joints. It carried out also Nakajima tests for determination and comparison of The Forming Limit Curves (FLC) of welded joints in respective her relation metals base, beyond the achievement of the formability tests. The Forming Limit Curves detach itself by the fact of will be defined like empirical criterion fails where are measures the major and minor strains applied to a determined material. The FLC s are going to know material formability when submitted forming processes like, stretching, drawing and tensile stress. The formability testing are able to be defined as being an practical simulation test, projected for that study, that is going to know the behavior of the welded joints when submitted to peculiar forms of stress and strain, similar to those that occur during industrial forming processes. The base materials for achievement of the study were FE P05 (Standard 52806, 2002), FEE 220 BH (Standard 52814, 2000) e FEE 355 F (Standard 52811, 2002). As they turned out is able to be detached the influence of laser welding in the hardness and mechanical characteristics of the materials, beyond their influence in the formability of the welded joints.

SUMÁRIO CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO E OBJETIVOS...1 1.1 MOTIVAÇÃO...1 1.2 OBJETIVOS...3 1.2.1 Objetivo principal...3 1.2.2 Objetivos específicos...3 1.3 ESCOPO DESTE TRABALHO...4 CAPITULO 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA...5 2.1 CONFORMAÇÃO MECÂNICA...5 2.1.1 Dobramento...7 2.1.2 Estiramento...9 2.1.3 Embutimento ou Estampagem profunda...11 2.2 ENSAIOS...13 2.2.1 Ensaio de Tração...13 2.2.1.1 Resistência a Tração ou Tensão máxima...16 2.2.1.2 Limite Elástico...17 2.2.1.3 Ductilidade...18 2.2.1.4 Resiliência...19 2.2.1.5 Tenacidade...20 2.2.1.6 Encruamento...21 2.2.1.7 Anisotropia...21 2.2.2 Ensaio Erichsen...23 2.2.3 Curva Limite de Conformação...26 2.3 FRATURA MECÂNICA NOS METAIS...32 2.3.1 Fratura Dúctil...33 2.3.2 Fratura Frágil...39 2.4. SOLDAGEM A LASER...44 2.4.1 Blanks Soldados a Laser...44 CAPÍTULO 3 METODOLOGIA...50 3.1 GENERALIDADES...50 vi

3.2 MATERIAIS UTILIZADOS...51 3.3 AMOSTRAS SOLDADAS A LASER...53 3.4 ENSAIOS METALOGRÁFICOS...54 3.5 ENSAIOS DE TRAÇÃO...55 3.5.1 Preparação dos corpos-de-prova...56 3.5.2 Equipamento para o ensaio de tração...57 3.5.3 O Ensaio de tração...58 3.6 CURVA LIMITE DE CONFORMAÇÃO...59 3.6.1 Preparação dos corpos-de-prova...59 3.6.2 Equipamentos e ferramentas para o ensaio...60 3.6.3 Ensaio Nakajima...61 3.7 ENSAIOS SIMULATIVOS DE ESTAMPAGEM...62 4.7.1 Projeto das Ferramentas para os Ensaios...62 3.7.2 Corpos-de-prova e o Ensaio de Estampagem...67 CAPÍTULO 4 RESULTADOS E DISCUSSÕES...68 4.1. ENSAIOS METALOGRÁFICOS...68 5.2. ENSAIO DE TRAÇÃO...78 4.3. CURVAS LIMITE DE CONFORMAÇÃO ENSAIO NAKAJIMA...85 4.4 ENSAIO DE ESTAMPAGEM...99 CAPÍTULO 5 CONCLUSÕES...107 5.1 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS...108 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...109 ANEXO A RELATÓRIOS ENSAIO DE TRAÇÃO...113 vii

LISTA DE FIGURAS Figura 1.1 Aplicações de Tailor Welded Blank na carroceria do Automóvel (Zimmerman, 1999)....1 Figura 1.2 Sequência de fabricação (Fiat Auto, 1999)...2 Figura 2.1 Processo de Estampagem...6 Figura 2.2 Ciclo de operações durante a estampagem do pavimento de um veículo...6 Figura 2.3 Dobramento....7 Figura 2.4 Efeito mola no Dobramento (Dieter, 1981)...8 Figura 2.5 Processo de conformação por Estiramento (Metals Handbook, 1969)...9 Figura 2.6 Conformação de copos fundos hemisféricos....10 Figura 2.7 Embutimento ou Estampagem profunda....11 Figura 2.8 Deformações atuantes durante a estampagem de um copo (Button e Bortolussi, 1999)...12 Figura 2.9 Curva Tensão-Deformação (Dieter, 1981)....14 Figura 2.10 Corpo-de-prova em regime elástico (Chiaverini, 1986)...15 Figura 2.11 Curva Tensão-Deformação (regimes elástico e plástico)....16 Figura 2.12 Corpo-de-prova solicitado por força de tração....16 Figura 2.13 Tensão máxima...17 Figura 2.14 Limite elástico....18 Figura 2.15 Ductilidade...19 Figura 2.16 Módulo de Resiliência dos materiais...20 viii

Figura 2.17 Tenacidade...20 Figura 2.18 Ensaio utilizado para determinação da Anisotropia....22 Figura 2.19 Máquina de Ensaio Erichsen....24 Figura 2.20 Ensaio Erichsen IE (NBR 5902, 1980)...25 Figura 2.21 Ensaio Erichsen IE 40 (NBR 5902, 1980)...25 Figura 2.22 Altura de embutimento durante o ensaio Erichsen...26 Figura 2.23 Curva Limite de Conformação....27 Figura 2.24 Método IRSID (Usiminas, 1999)...28 Figura 2.25 Corpos-de-prova usados no ensaio Nakajima (Usiminas, 1999)...28 Figura 2.26 Rede de círculos marcados eletroliticamente sobre o corpo-de-prova....29 Figura 2.27 Caracterização da região após a deformação (Usiminas, 1999)...30 Figura 2.28 Influência do diâmetro dos círculos da malha de marcação eletrolítica sobre a medida das deformações principais da CLC (Júnior, 2002)...31 Figura 2.29 Variação da CLC em função do tamanho do círculo (Júnior, 2002)...32 Figura 2.30 Mecanismos de fratura nos metais (Anderson, 1994)....33 Figura 2.31 Tensão-Deformação uniaxial de metais dúcteis (Anderson, 1994)...34 Figura 2.32 Mecanismos de coalescimento de microcavidades (ABM, 1982)...35 Figura 2.33 Ruptura por cisalhamento (ABM, 1982)....36 Figura 2.34 Mecanismos para crescimento de trincas dúcteis (Anderson, 1994)...37 Figura 2.35 Nucleação, crescimento e coalescência de orifícios em metais dúcteis (Anderson, 1994)....38 Figura 2.36 Marcas radiais e zona de cisalhamento (ABM, 1982)...40 Figura 2.37(a) Fratura por Clivagem (Anderson, 1994)....40 ix

Figura 2.37(b) Fratura por Clivagem (Anderson, 1994)...41 Figura 2.38 Formação dos rios (Anderson, 1994)...42 Figura 2.39 Fractologia dos rios em um aço de baixa liga (Anderson, 1994)....42 Figura 2.40 Fraturas intergranulares (ABM, 1982)....43 Figura 2.41 Elementos de um sistema típico para soldagem a laser....44 Figura 2.42 Relação distância entre chapas e espessura da solda (Ono et al., 2002)..47 Figura 2.43 Gráfico da razão da distância entre chapas e espessura da solda com o metal base (Ono et al., 2002)....47 Figura 2.44 Cordão de solda posicionado paralelo a direção de deformação (Ono et al., 2002)....48 Figura 2.45 Cordão de solda posicionado perpendicular a direção de deformação (Ono et al., 2002)....49 Figura 3.1 Geometria do Blank....52 Figura 3.2 Reforço lateral posterior após operação final de estampagem....52 Figura 3.3 Representação esquemática da geometria das amostras e posicionamento do cordão de solda em relação ao sentido de laminação...53 Figura 3.4 Designação de imperfeições no cordão de solda....55 Figura 3.5 Corpo-de-prova no ensaio de tração...56 Figura 3.6 Corpos-de-prova das juntas soldadas a laser para o ensaio de tração...57 Figura 3.7 Máquina de tração e compressão...57 Figura 3.8 Sistema de coleta de dados....58 Figura 3.9 Corpos-de-prova utilizados no ensaio Nakajima utilizando malha quadrada....60 Figura 3.10 Punções das ferramentas de estampagem...63 x

Figura 3.11 Base das matrizes de estampagem...64 Figura 3.12 Matrizes de estampagem....64 Figura 3.13 Prensa-chapas ou pisadores, vista de frente e vista inferior (lado a contato com a matriz)...65 Figura 3.14 Representação esquemática das ferramentas utilizadas nos ensaios de estampagem...66 Figura 4.1 Perfis de Dureza Vickers junta AB...69 Figura 4.2 Perfis de Dureza Vickers junta AC...70 Figura 4.3 Perfis de Dureza Vickers junta BC...70 Figura 4.4 Microestrutura dos metais base com aumento de 100X....71 Figura 4.5 Microestrutura das juntas soldadas (Zona bruta de fusão e Zona afetada pelo calor) com aumento de 100X no microscópio óptico....73 Figura 4.6 Microestrutura da zona bruta de fusão analisada no MEV...74 Figura 4.7 Geometria do cordão de solda Junta AB c/ sentido de laminação 0º....76 Figura 4.8 Geometria do cordão de solda Junta AC c/ sentido de laminação 90º....77 Figura 4.9 Geometria do cordão de solda Junta BC c/ sentido de laminação 90º...77 Figura 4.10 Variação das propriedades L.E, L.R e AL. de uma amostra para outra em função do sentido de laminação e posicionamento do cordão de solda...80 Figura 4.11 Corpos-de-prova das juntas soldadas com cordão de solda longitudinal. 82 Figura 4.12 Corpos-de-prova das juntas soldadas com cordão de solda transversal...83 Figura 4.13 Variabilidade dos resultados para cada amostra...84 Figura 4.14 (a) CLC s do metal base A com sentido de laminação 0º (1) e 90º (2) à direção da maior deformação...86 xi

Figura 4.14 (b) CLC s do metal base B com sentido de laminação 0º (1) e 90º (2) à direção da maior deformação...87 Figura 4.14 (c) CLC s do metal base C com sentido de laminação 0º (1) e 90º (2) à direção da maior deformação...88 Figura 4.15 CLC s da Junta AB com sentido de laminação 0º (1) e 90º (2) ao cordão de solda....89 Figura 4.16 CLC s da Junta AC com sentido de laminação 0º (1) e 90º (2) ao cordão de solda....90 Figura 4.17 CLC s da Junta BC com sentido de laminação 0º (1) e 90º (2) ao cordão de solda....91 Figura 4.18 Comparação das CLC s dos metais base A, B e C com sentido de laminação 0º...92 Figura 4.19 Comparação das CLC s dos metais base A, B e C com sentido de laminação 90º...93 Figura 4.20 Comparação CLC s junta AB e metais base A e B....94 Figura 4.21 Comparação das CLC s da junta AC e metais base A e C....95 Figura 4.22 Comparação das CLC s da junta BC e metais base B e C...96 Figura 4.23 Corpos-de-prova dos metais base após operações de embutimento e estiramento....97 Figura 4.24 CP s das juntas soldadas após operações de embutimento e estiramento.98 Figura 4.25 Início e sentido de propagação das trincas sobre as calotas esféricas....99 Figura 4.26 Início e sentido de propagação das trincas sobre as calotas raiadas...100 Figura 4.27 Início e sentido de propagação das trincas sobre as calotas quadradas..101 Figura 4.28 Superfície da fratura da calota esférica composta pelos materiais AB...103 Figura 4.29 Superfície da fratura da calota quadrada composta pelos materiais AC.104 xii

Figura 4.30 Superfície da fratura da calota raiada composta pelos materiais BC...106 xiii

LISTA DE TABELAS Tabela 1 Vantagens e desvantagens de Tailor Welded Blanks (Mesquita et al., 1999)..3 Tabela 2 Qualidade da solda a laser (Ono et al., 2002)....46 Tabela 3 Fluxograma dos ensaios experimentais....50 Tabela 4 Identificação dos aços utilizados na fabricação das juntas soldadas...51 Tabela 5 Imperfeições do cordão de solda, segundo norma BS EN ISO 13919-1, 1997....55 Tabela 6 Composição química dos aços das juntas soldadas...68 Tabela 7 Dureza Vickers dos metais base....69 Tabela 8 Caracterização das imperfeições do cordão de solda a laser....76 Tabela 9 Propriedades mecânicas dos materiais base...78 Tabela 10 Propriedades mecânicas das juntas soldadas...79 xiv

LISTA DE SÍMBOLOS a A 0 A 0 A i AL ASAME C C.S CLC CP CW D D 0 D p máx d e E e 1 e 2 G h IE IE 40 K L.E L.R L 0 LDR L i ângulo de dobramento área da seção transversal inicial do corpo-de-prova área inicial do corpo-de-prova área do corpo-de-prova em um instante i alongamento total Automated Strain Analysis and Measurement Environment tensão de compressão cordão de solda a laser curva limite de conformação corpo-de-prova continuous wave largura da solda a laser diâmetro do blank diâmetro do punção tensão de tração radial deformação convencional modulo de elasticidade ou modulo de yong menor deformação convencional maior deformação convencional resistência entre chapas valor em mm da imperfeição do cordão de solda índice de embutimento para espessuras de chapas entre 0,3 e 2mm índice de embutimento para espessuras de chapas entre 2 e 5mm coeficiente de resistência limite de escoamento limite de resistência comprimento inicial do corpo-de-prova Limite Drawing Ratio comprimento do corpo-de-prova no instante i xv

L.N M MEV n Nb:YAG Ø 0 Ø 1 Ø 2 P P a P max q r R R.E R 0 RA R f R m R min s S S.L t T T 0 T 1 T 2 Tav U r W W 0 linha neutra efeito mola ou recuperação elástica microscópio eletrônico de varredura coeficiente de encruamento por deformação neodymium ytrium aluminium garnet diâmetro inicial do círculo diâmetro maior final da elipse diâmetro menor final da elipse carga carga para 0,2% de deformação carga máxima área de dobramento raio interno de dobramento coeficiente de anisotropia de Lankford relação elástica raio de dobramento inicial redução da área da fratura raio de dobramento final coeficiente de anisotropia normal raio mínimo de curvatura espessura tensão convencional sentido de laminação das chapas espessura do aço de menor espessura na junta soldada (mm) espessura final do corpo-de-prova espessura inicial do corpo-de-prova chapa de menor espessura chapa de maior espessura taxa da espessura da chapa em uma junta soldada modulo de resiliência largura final do corpo-de-prova largura inicial do corpo-de-prova xvi

ZTA α 0 α i L R ε ε 1 ε 2 ε e ε o ε w η σ σ e σ f σ max σ y zona termicamente afetada ângulo de dobramento final ângulo de dobramento inicial variação do comprimento do corpo-de-prova coeficiente de anisotropia planar deformação verdadeira maior deformação verdadeira menor deformação verdadeira deformação de escoamento deformação verdadeira na espessura deformação verdadeira na largura termo de eficiência para compensar perdas por atrito tensão verdadeira tensão de escoamento tensão externa necessária para fraturar um material tensão máxima tensão na qual inicia-se a deformação plástica de um material xvii

CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO E OBJETIVOS 1.1 Motivação A busca pela satisfação das exigências do consumidor em termos de desempenho, segurança e funcionalidade do veículo, somada a necessidade de reduzir consumos internos, faz com que a Indústria Automobilística desenvolva e empregue novas técnicas e soluções como forma de atingir suas demandas. A tecnologia Tailor Welded Blank desempenha um papel fundamental em termos de distribuição e redução de peso na estrutura da carroceria através da combinação do tipo e espessura de material a ser utilizado (Baron e Dickinson, 1997). Um exemplo da utilização desta tecnologia na carroceria de um automóvel, pode ser visto na Fig. 1.1. Figura 1.1 Aplicações de Tailor Welded Blank na carroceria do Automóvel (Zimmerman, 1999). 1

Capítulo 1 Introdução e Objetivos 2 O emprego de materiais mais resistentes e espessos somente nas zonas mais solicitadas, ou seja, nas zonas sujeitas a maiores esforços, tem como consequência reduções de peso que influenciam diretamente na diminuição dos consumos energéticos e emissões de poluentes para a atmosfera. Além disso, essa combinação de materiais e espessuras, permite ao projetista trabalhar em um dos principais fundamentos desta tecnologia que é o incremento de rigidez estrutural apenas onde necessário (Mesquita et al., 1999). Logo, vale dizer que, reduzindo o número de peças (blanks), reduz-se custos de logística, de operações e ferramentas de estampagem assim como os custos de montagem devido a eliminação de superposições de peças, pontos de soldas e massas de vedação. São estes, dentre vários outros, os benefícios atingidos com a utilização das Tailor Welded Blanks. A Figura 1.2 mostra a comparação entre o processo de estampagem convencional, onde duas peças são estampadas separadamente e posteriormente unidas através de pontos de solda, e o processo utilizando Tailor Welded Blank onde a solda é realizada inicialmente na preparação do blank. Neste processo obtêm-se somente uma peça estampada apresentando o mesmo desempenho do produto obtido pelo processo convencional. Figura 1.2 Sequência de fabricação (Fiat Auto, 1999).

Capítulo 1 Introdução e Objetivos 3 A Tabela 1 apresenta um comparativo entre o processo tradicional e o processo com Tailor Blanks, ressaltando as principais vantagens e inconvenientes (Fiat Auto, 1999). Tabela 1 Vantagens e desvantagens de Tailor Welded Blanks (Mesquita et al., 1999). Acabamento superficial médio *1 bom Número de matrizes variável *2 reduzido Complexidade reduzida elevada das matrizes Precisão média alta Seleção de materiais possível fixo Peso inferior superior 1) Presença do cordão de solda e consequente dificuldade de pintura sobre peças de acabamento externo. 2) Baixo se efetuar a operação de soldagem primeiro, elevado se cada componente for estampado individualmente. 1.2 Objetivos 1.2.1 Objetivo principal Este trabalho visa estudar a estampabilidade de chapas de aço em Tailor Welded Blank utilizando ensaios de estampagem com peças montadas pela técnica TWB (Tailor Welded Blank). 1.2.2 Objetivos específicos Avaliar a influência do uso da técnica TWB nas propriedades mecânicas de chapas.

Capítulo 1 Introdução e Objetivos 4 Avaliar a influência da presença e do posicionamento do cordão de solda na estampagem de blanks soldados a laser, pela técnica TWB. Analisar os mecanismos de falha (fratura) ocorrido após os ensaios mecânicos de conformação em laboratório. 1.3 Escopo deste trabalho Este trabalho está estruturado em cinco capítulos assim distribuídos: - Capítulo 1 é apresentada a introdução sobre a tecnologia Tailor Welded Blank e os objetivos principal e específicos deste trabalho. - Capítulo 2 é apresentada a revisão bibliográfica. - Capítulo 3 são apresentadas as metodologias dos ensaios. - Capítulo 4 são apresentados os resultados dos testes e suas discussões. - Capítulo 5 são apresentadas as conclusões do estudo e as sugestões para trabalhos futuros. - E por último finalizando o trabalho são apresentadas as referências bibliográficas.

CAPITULO 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Tailor Blanks são chapas de aço formadas pela união de duas ou mais chapas, podendo ser de diferentes materiais, espessuras e classe de resistência. Essas chapas soldadas dão ao projetista a possibilidade de trabalhar com diferentes características mecânicas em diferentes áreas do componente utilizando um mesmo blank. O meio de ligação que origina essas chapas soldadas é conhecido como soldagem a laser. A proposta do estudo em conhecer a estampabilidade de blanks soldados a laser decorre da necessidade de conhecer o comportamento do cordão de solda quando submetido a diferentes formas de matrizes que levam a diferentes tensões de deformações. Conforme visto por outros autores (Mesquita et al., 1999 e Zimmerman, 1999) durante a estampabilidade dos blanks soldados a laser ocorre o surgimento de fraturas tanto paralelo quanto perpendicular ao cordão de solda. Tais fraturas podem ser originadas pelas condições anômalas de processo e/ou até de um projeto que não atendeu determinados pré-requisitos. Neste trabalho estudou-se o comportamento de três juntas soldadas a laser, compostas por diferentes materiais e espessuras. Inicialmente foram realizados os ensaios metalográficos sobre os metais base e juntas soldadas, posteriormente realizou-se os ensaios de tração. Também foi realizado o levantamento das Curvas Limite de Conformação e finalizando os testes, foram realizados os ensaios de estampagem. Neste ensaio, após a estampabilidade das juntas soldadas a laser, caracterizou-se suas fraturas. 2.1 Conformação Mecânica Estampagem é o processo de conformação mecânica, realizado geralmente a frio, onde através de um conjunto de operações, um disco inicialmente plano (Blank) adquire nova forma geométrica. As Figuras 2.1 e 2.2 mostram esse processo de conformação 5

Capítulo 2 Revisão Bibliográfica 6 mecânica onde a deformação plástica é obtida através de ferramentas básicas, empregadas com uma prensa de conformação de peças metálicas, denominadas punção e matriz. Geralmente o punção é a ferramenta móvel enquanto a matriz a fixa (Chiaverini, 1986). Figura 2.1 Processo de Estampagem. Figura 2.2 Ciclo de operações durante a estampagem do pavimento de um veículo. Durante a operação ocorrem alongamento e contração das dimensões de todos os elementos de volume, nas três direções principais mutuamente perpendiculares. A estampagem dos materiais metálicos, compreende basicamente as seguintes operações: dobramento, estiramento, embutimento e flangeamento.

Capítulo 2 Revisão Bibliográfica 7 2.1.1 Dobramento Dobramento é um processo de conformação que transforma segmentos retos em curvos, onde as superfícies externas são mais deformadas que as internas que sofrem contração, conforme mostra a Fig. 2.3 (Dieter, 1981). Além disso, neste processo a deformação aumenta com a diminuição do raio de curvatura, logo, quanto menor o raio de curvatura maior será a diminuição da espessura. Figura 2.3 Dobramento. O raio de dobramento definido como o raio de superfície interna, não pode ser inferior a um certo valor, pois, caso contrário, o material trinca. Este raio é o limite de conformação da peça e é calculado a partir da redução da área (q), como mostram as Eq(s). (2.1) e (2.2).

Capítulo 2 Revisão Bibliográfica 8 Para q < 0,2 R 1 mín : -1 h 2q (desprezando a linha neutra) (2.1) R mín (1- q) Para q > 0,2 : 2-1 h (2q - q ) (considerando a linha neutra) (2.2) Além do defeito de trinca também a variação dimensional após a estampagem é responsável pela perda da peça. A Figura 2.4 ilustra um fenômeno bastante observado nos processo de conformação, principalmente em peças dobradas, é o efeito mola ou recuperação elástica que ocorre após a liberação da carga. Esta recuperação elástica, conforme mostra a Eq. 2.3, é maior quanto maior o limite de escoamento, menor o modulo de elasticidade. M = α α f 0 = h R0 + 2 h Rf + 2 (2.3) Figura 2.4 Efeito mola no Dobramento (Dieter, 1981).

Capítulo 2 Revisão Bibliográfica 9 2.1.2 Estiramento Estiramento é o processo de conformação que consiste na aplicação de forças de tração de maneira a deformar o material sobre uma ferramenta, reduzindo sua espessura. Neste processo, o Blank é posicionado entre a matriz e o pisador, o quebra rugas faz o travamento e, posteriormente, o punção faz a conformação da peça. A Figura 2.5 apresenta a sequência de operação de estiramento. Durante o estiramento não existe o efeito mola, uma vez que, o gradiente de tensões é relativamente uniforme, mas por ter predominantemente tensões trativas, somente materiais dúcteis obtêm grandes deformações. Figura 2.5 Processo de conformação por Estiramento (Metals Handbook, 1969).

Capítulo 2 Revisão Bibliográfica 10 A maioria das peças estampadas da indústria automobilística usa o processo de conformação por estiramento. A Figura 2.6 ilustra a conformação de copos de fundos hemisféricos, onde o material é submetido a um sistema biaxial de tensões na zona central do punção. Assim ao aumentar a profundidade de penetração do punção ocorre nesta região um estiramento do material reduzindo sua espessura e levando-o ao início da fratura, (Dieter, 1981). Figura 2.6 Conformação de copos fundos hemisféricos.

Capítulo 2 Revisão Bibliográfica 11 2.1.3 Embutimento ou Estampagem profunda O embutimento é um processo de conformação mecânica utilizado para a fabricação de peças com forma de copo, a partir de chapas planas, sem que ocorra uma redução na espessura do material. Este processo consiste no arrastamento da chapa para dentro da cavidade da matriz, por meio de um punção. Nesta operação, a chapa fica presa por um pisador que serve como guia. A carga aplicada pelo punção é transmitida para as paredes laterais e quando ocorre a ruptura, esta se localiza numa estreita parte do material, identificada logo acima do raio do punção a qual não foi dobrada ou deformada radialmente, conforme ilustrado na Fig. 2.7. Figura 2.7 Embutimento ou Estampagem profunda.

Capítulo 2 Revisão Bibliográfica 12 Durante o processo de embutimento, o Blank está submetido a um estado complexo de deformação, ocorrendo dessa maneira deformações trativas na direção radial e simultaneamente deformações compressivas na direção circunferencial, conforme mostra a Fig. 2.8. Figura 2.8 Deformações atuantes durante a estampagem de um copo (Button e Bortolussi, 1999).

Capítulo 2 Revisão Bibliográfica 13 Durante o embutimento, a estampabilidade do material é calculada através da razão entre o diâmetro inicial do Blank e o diâmetro final do corpo estampado. Logo, a razão limite de estampabilidade LDR (Limit Drawing Ratio) de um determinado material, representa o maior Blank capaz de ser embutido através de um punção, sem que ocorra ruptura (Dieter, 1981). O limite teórico superior é mostrado na Eq. (2.4): LDR D e 0 η = (2.4) D p máx. Onde: η = termo de eficiência para compensar as perdas por atrito. D 0 = diâmetro do blank D p = diâmetro do punção e = 2,71 2.2 Ensaios 2.2.1 Ensaio de Tração O ensaio de tração é o teste no qual determinam-se as propriedades mecânicas do material. Utilizando um corpo-de-prova com geometria conhecida aplica-se uma carga uniaxial crescente sob o mesmo até o rompimento do material (NBR 6673, 1981). A carga e a deformação são registradas durante intervalos de tempo originando dessa maneira a curva tensão-deformação. A Equação (2.5) mostra que a tensão convencional é obtida através da divisão da carga pela área inicial. E a equação (2.6) mostra o cálculo da tensão verdadeira. P S = (2.5) A 0 σ = S (1+ e) (2.6)

Capítulo 2 Revisão Bibliográfica 14 A Equação (2.7) mostra que a deformação convencional é obtida através da divisão da elongação do comprimento do corpo-de-prova pelo comprimento inicial. E a Equação (2.8) mostra o cálculo da deformação verdadeira. L L - L e = (2.7) L i 0 = 0 L0 Li ε = ln = ln(1+ e) (2.8) L 0 A Figura 2.9 ilustra o gráfico da curva tensão-deformação obtida através do ensaio de tração. Figura 2.9 Curva Tensão-Deformação (Dieter, 1981). Na zona elástica, a tensão é proporcional a deformação (Chiaverini, 1986). Esta relação é conhecida como Lei de Hooke e define uma dependência linear entre a tensão e a deformação, conforme mostra a Eq. (2.9). Ela pode ser considerada válida abaixo do limite elástico, onde a tensão média é proporcional à deformação média.

Capítulo 2 Revisão Bibliográfica 15 σ ε = E = Constante (2.9) onde: σ = tensão E = módulo de elasticidade (módulo de Young) ε = deformação E = é uma medida de rigidez do material, logo quanto maior o módulo de elasticidade, menor é a deformação elástica resultante da aplicação de uma determinada carga. A Figura 2.10 ilustra o comportamento de um corpo-de-prova atuando no regime elástico, onde após a aplicação de uma carga o material deforma e após a retirada, ele recupera o seu estado inicial. Figura 2.10 Corpo-de-prova em regime elástico (Chiaverini, 1986). Ao ultrapassar o limite de escoamento, atinge-se a zona de deformação plástica, ou seja, ao retirar a carga o material está permanentemente deformado. Durante a deformação plástica, o volume permanece constante, aumenta-se o comprimento e reduz-se a seção transversal do corpo-de-prova. A medida que aumenta a tensão, aumenta-se a deformação, logo, o material está encruando, até que atinge um ponto onde ocorre um estreitamento da seção transversal. Forma-se um ponto de fragilidade, onde toda a deformação plástica posterior será concentrada. Com a diminuição da seção transversal mais rápida que o aumento da carga de deformação, a carga necessária à deformação diminuirá e a tensão igualmente continuará a cair até a ruptura do material. As Figuras 2.11 e 2.12 ilustram essa

Capítulo 2 Revisão Bibliográfica 16 subseção com uma curva Tensão-Deformação nos regimes elástico e plástico e a deformação de um corpo-de-prova solicitado por cargas trativas, antes da estricção. Figura 2.11 Curva Tensão-Deformação (regimes elástico e plástico). Figura 2.12 Corpo-de-prova solicitado por força de tração. 2.2.1.1 Resistência a Tração ou Tensão máxima A resistência a tração ou tensão máxima corresponde à tensão máxima (ponto M) aplicada ao material antes da ruptura. Representa a carga máxima dividida pela área da

Capítulo 2 Revisão Bibliográfica 17 seção transversal inicial do corpo-de-prova. A Figura 2.13 representa graficamente o limite de resistência a tração indicado pelo ponto M e a Eq. (2.10) mostra o cálculo para determinar este limite. Figura 2.13 Tensão máxima. P máx σ máx = (2.10) A0 2.2.1.2 Limite Elástico Na maioria dos metais existe uma zona de transição do comportamento elástico para o comportamento plástico, logo, são utilizados alguns critérios para definir o início do escoamento baseado nas medidas de deformação. O limite elástico é definido como a maior tensão que o material suporta sem qualquer deformação permanente após a retirada completa da carga. Outro critério é o limite de escoamento, definido como a maior tensão necessária para produzir uma pequena deformação plástica, e que corresponde a interseção da curva

Capítulo 2 Revisão Bibliográfica 18 tensão-deformação, com uma linha paralela à porção elástica da curva, deslocado de uma deformação específica de 0,1 a 0,2 %, conforme mostra a Fig. 2.14. A Equação (2.11) indica o cálculo para determinação do limite de escoamento, (Dieter, 1981). Figura 2.14 Limite elástico. P (deslocamento de deformação = 0,002) a σ e = (2.11) A0 2.2.1.3 Ductilidade A ductilidade representa uma medida do grau de deformação plástica que o material suportou quando de sua fratura. A Figura 2.15 representa a ductilidade e fragilidade no gráfico tensão-deformação. As medidas convencionais de ductilidade são deformação de engenharia na fratura ou elongamento percentual (AL %) representada na Eq. (2.12), e a redução da área da fratura (RA %) representada na Eq. (2.13).

Capítulo 2 Revisão Bibliográfica 19 Figura 2.15 Ductilidade. Li - L AL% = L 0 0 x 100 (2.12) Ai - A RA% = A 0 0 x 100 (2.13) 2.2.1.4 Resiliência Resiliência é a capacidade de um material absorver energia quando está deformado elasticamente e liberá-la quando descarregado. A Equação (2.14) é o módulo de resiliência Ur, ou seja, é a energia por unidade de volume necessária para tensionar o material da tensão zero até a tensão de escoamento σ e. A Figura 2.16 representa graficamente a resiliência de um determinado material. U r 1 = 2 ( x ε ) σ 2 e σ e e = (2.14) 2E Materiais mais resilientes são aqueles que têm alto limite de elasticidade e baixo módulo de elasticidade.

Capítulo 2 Revisão Bibliográfica 20 Figura 2.16 Módulo de Resiliência dos materiais. 2.2.1.5 Tenacidade Tenacidade é a capacidade do material em absorver energia na região plástica, ou seja, é a capacidade de suportar tensões ocasionais acima da tensão de escoamento, sem que ocorra fraturas. É considerada a área total sob a curva tensão-deformação, e essa área é a quantidade de trabalho por unidade de volume que pode ser realizada no material, sem causar sua fratura (Dieter, 1981). A Figura 2.17 ilustra o comportamento de um aço com baixa e alta tenacidade no gráfico tensão-deformação. Figura 2.17 Tenacidade.

Capítulo 2 Revisão Bibliográfica 21 2.2.1.6 Encruamento O encruamento descreve o fenômeno pelo qual a resistência aumenta durante a deformação plástica. Estruturalmente falando, o encruamento é caracterizado pela densidade de discordância e pelo tipo de arranjo no qual esses defeitos se apresentam. A Equação (2.15) representa uma relação potencial simples da curva de escoamento na zona de deformação plástica uniforme. σ K ε n = (Equação de Holloman) (2.15) onde: K = coeficiente de resistência n = expoente do encruamento e determina a capacidade de um material distribuir a deformação atrasando ao máximo a estricção e o rompimento, n pode variar de 0 (sólido perfeitamente plástico) até 1 (sólido elástico). 2.2.1.7 Anisotropia A anisotropia dos materiais metálicos é uma grandeza que permite avaliar através do valor R (coeficiente de Lankford), a resistência de uma tira de um determinado material ao afinamento. A Equação (2.16) mostra que o valor R é a relação das deformações verdadeiras no sentido da largura e no sentido da espessura, resultantes de um ensaio de tração, quando a deformação longitudinal encontra-se entre 15 a 20%, sem que ocorra instabilidade plástica, como mostra a Fig.2.18. R = ε ε w t W ln W0 = T ln T 0 (2.16)

Capítulo 2 Revisão Bibliográfica 22 Figura 2.18 Ensaio utilizado para determinação da Anisotropia. Os valores de R 0, R 45 e R 90 são obtidos através de corpos-de-prova retirados segundo as direções de 0º, 45º e 90º em relação ao sentido de laminação das chapas. R 90 0 = R45 = R = 1 (Isotropia planar + Isotropia normal) 0 R 45 R 1 (Anisotropia planar + Anisotropia normal) R 90 0 = R 45 = R 1 (Isotropia planar + Anisotropia normal) R 90 Abaixo nas Eq. (2.17) e (2.18) segue o método para o cálculo da Anisotropia normal e o coeficiente de Anisotropia planar.

Capítulo 2 Revisão Bibliográfica 23 1 m = (R0 + 2R 45 + R ) 4 ------------------ Anisotropia normal (2.17) R 90 1 = (R0-2R 45 + R ) ------------------- Anisotropia planar (2.18) 2 R 90 Obs.: O coeficiente de Anisotropia planar ( R) permite avaliar a variação da anisotropia normal no plano da chapa. 2.2.2 Ensaio Erichsen O ensaio Erichsen visa avaliar e reproduzir sob condições controladas a deformabilidade de materiais, como chapas de aço com espessura nominal que variam de 0,3 a 5,0 mm destinadas a operações de conformação (NBR 5902, 1980). Para a realização do Ensaio Erichsen utiliza-se uma máquina dotada de uma matriz, um anel de fixação e um penetrador acoplado a um dispositivo de medição do seu curso, devidamente calibrado, de tal modo que permita determinar com precisão o momento da ruptura, conforme ilustrado na Fig. 2.19. A matriz, o anel de fixação e o penetrador possuem alta resistência ao desgaste e são bastante rígidos para não sofrerem nenhuma deformação durante o ensaio e alterar o resultado final. O penetrador possui uma forma determinada para que ao realizar o ensaio somente o extremo esférico fique em contato com a superfície do corpo-de-prova e possa no final do teste ser extraído livremente (NBR 5902, 1980).

Capítulo 2 Revisão Bibliográfica 24 Figura 2.19 Máquina de Ensaio Erichsen. Depois que o corpo-de-prova é fixado entre a matriz e o anel de fixação com uma carga de aproximadamente 10000 N, o penetrador entra em contato com o corpo-de-prova deformando-o sem choques e vibrações. Este é o ponto inicial onde será medida a profundidade de penetração. O resultado do ensaio é medido pela profundidade de embutimento ou pelo deslocamento do penetrador, desde a posição inicial até a ruptura, sendo expresso em milímetros. Para chapas com espessura nominal entre 0,3 a 2,0 mm, o índice de embutimento é representado pelo símbolo IE. Para este ensaio as dimensões e tolerâncias com relação a matriz, anel de fixação e penetrador são mostrados na Fig. 2.20.

Capítulo 2 Revisão Bibliográfica 25 Figura 2.20 Ensaio Erichsen IE (NBR 5902, 1980). Já os ensaios Erichsen para chapas com espessura nominal entre 2,0 a 5,0 mm, o índice de embutimento é representado pelo símbolo IE 40 e as dimensões e tolerâncias dos componentes são mostrados na Fig. 2.21. Figura 2.21 Ensaio Erichsen IE 40 (NBR 5902, 1980).

Capítulo 2 Revisão Bibliográfica 26 Durante o Ensaio Erichsen é necessário que o penetrador esteja sempre lubrificado, geralmente com graxa grafitada, pois o atrito entre este e o corpo-de-prova afeta o resultado do ensaio. O critério utilizado para o encerramento do ensaio é o início da ruptura, neste momento observa-se um ruído ou uma separação de material, acompanhado por uma queda na carga suportada pelo corpo-de-prova. Dessa maneira, conclui-se que a altura h do corpo-de-prova é o índice Erichsen de embutimento, conforme mostra a Fig. 2.22. Figura 2.22 Altura de embutimento durante o ensaio Erichsen. 2.2.3 Curva Limite de Conformação As curvas limite de conformação representam graficamente a capacidade máxima do material deformar quando submetido a processos de conformação. A Figura 2.23 mostra uma representação esquemática de uma CLC (Curva Limite de Conformação). Observa-se que o eixo das abscissas, (ε 2 ) representa a menor deformação e no eixo das ordenadas, (ε 1 ) é a maior deformação que o material suporta quando conformado. O método utilizado para identificar as deformações máximas do material é o surgimento da estricção/fratura no corpo-de-prova.

Capítulo 2 Revisão Bibliográfica 27 Duas retas, cuja as equações estão representadas no próprio gráfico da Fig. 2.23, delimitam a CLC. A reta da direita representa uma situação de deformação por estiramento puro ou expansão biaxial, e depende do valor R de Lankford. A reta da esquerda representa uma situação de deformação por estampagem/embutimento ou tração uniaxial (Hosford e Caddell, 1993). Figura 2.23 Curva Limite de Conformação. A obtenção das curvas limite de conformação se faz através do emprego de duas técnicas. Uma delas realizada através de ensaios de laboratório é denominada como curvas experimentais, a outra são as curvas teóricas que utilizam algumas propriedades mecânicas do material, análises de critérios de instabilidade e superfície de fluência. Basicamente existem dois métodos mais comuns para se determinar as Curvas Limite de Conformação experimentais: o método IRSID e o método Nakajima. O método IRSID mostrado na Fig. 2.24 utiliza corpos-de-prova de tração com entalhe e ensaio de embutimento similar ao método Erichsen.

Capítulo 2 Revisão Bibliográfica 28 Figura 2.24 Método IRSID (Usiminas, 1999). Já o método Nakajima mostrado na Fig. 2.25 é mais simples e também mais utilizado. Este ensaio consiste em conformar uma chapa em uma prensa hidráulica, sob ação de um punção esférico sólido até a sua fratura ou estricção. Nele utiliza-se diversos corposde-prova com dimensões variadas e previamente marcados sobre as suas superfícies por uma rede de círculos, através de um processo eletrolítico, conforme visto na Fig. 2.26. Figura 2.25 Corpos-de-prova usados no ensaio Nakajima (Usiminas, 1999).

Capítulo 2 Revisão Bibliográfica 29 Após a conformação dos corpos-de-prova, estes círculos são deformados e transformam-se em elipses ou círculos de maior diâmetro. Logo é possível determinar as deformações ao longo da superfície medindo os diâmetros maiores e menores destas elipses, ver Fig. 2.27. Com a plotagem destes pontos no gráfico, a curva obtida é a Curva Limite de Conformação, ou seja, é a capacidade máxima que o material tem de se deformar, independente do tipo de conformação imposta. Uma circunferência perfeita após a conformação, caracterizam um estiramento puro ou expansão biaxial. Elipses com menor eixo, igual ao diâmetro inicial, caracterizam o estado plano de deformação. Já elipses com menor eixo, maior que o diâmetro inicial do círculo, são obtidas por deformação por estiramento e localizam-se no lado direito da CLC. Por fim, elipses com menor eixo, inferior ao diâmetro inicial do círculo, são obtidas através de deformação por embutimento e estão representadas no lado esquerdo da CLC. É importante ressaltar que para realizar estas medidas deve-se escolher elipses onde a fratura tenha passado pelo seu centro, sempre tomando o cuidado de descontar o comprimento da região fraturada do diâmetro medido. Figura 2.26 Rede de círculos marcados eletroliticamente sobre o corpo-de-prova.

Capítulo 2 Revisão Bibliográfica 30 Figura 2.27 Caracterização da região após a deformação (Usiminas, 1999). As deformações convencionais e verdadeiras são calculadas através das seguintes equações: Maior deformação: Φ - Φ 1 0 e 1 = Convencional (2.19) Φ0 ε1 = ln(1+ e1) Verdadeira (2.20) Menor deformação: Φ - Φ 2 0 e 2 = Φ Convencional (2.21) 0 ε2 = ln(1+ e2) Verdadeira (2.22) Onde: φ 0 é o diâmetro inicial do círculo φ 1 é o diâmetro maior final da elipse φ 2 é o diâmetro menor final da elipse

Capítulo 2 Revisão Bibliográfica 31 Alguns parâmetros influenciam no posicionamento e formato da CLC, são eles: o efeito da espessura que eleva o limite de conformabilidade, a trajetória da deformação, prédeformação a frio, limpeza e qualidade do material, orientação da amostra, o coeficiente de encruamento n e o tamanho da malha de círculos usada na medição das deformações (Junior, 2002). As Figuras 2.28 e 2.29, ilustram a influência do diâmetro dos círculos de marcação eletrolítica nas CLC s. Observa-se que a variação no diâmetro influencia somente sobre as maiores deformações principais ε 1. Isto pelo fato da fratura/estricção ser perpendicular à direção de deformação, logo tem-se deformações localizadas na fratura e deformações uniformes ao longo do diâmetro. As deformações localizadas na fratura não variam com o diâmetro, mas com maiores círculos, estas deformações localizadas tornam-se menor em relação as deformações totais (uniforme e local) nesta direção, contribuindo assim para uma diminuição no nível da CLC. Como a fratura é paralela à menor deformação ε 2 e geralmente atravessa completamente a elipse, a variação do diâmetro inicial não tem o mesmo efeito em relação à menor deformação, (Júnior, 2002). Figura 2.28 Influência do diâmetro dos círculos da malha de marcação eletrolítica sobre a medida das deformações principais da CLC (Júnior, 2002).

Capítulo 2 Revisão Bibliográfica 32 Figura 2.29 Variação da CLC em função do tamanho do círculo (Júnior, 2002). A estampabilidade de um material depende do seu limite de deformação e também da distribuição das deformações ao longo do material. As CLC s indicam o limite de deformação mas é a marcação da malha de círculos sobre a chapa que indica a distribuição das deformações. 2.3 Fratura Mecânica nos Metais As fraturas mecânicas nos metais podem estar associadas aos defeitos internos dos materiais, impurezas, tratamentos térmicos incorretos, sobrecargas, colisões, erosões, corrosões, ataques químicos, defeitos de projeto, etc. Geralmente a fratura ocorre quando as tensões e deformações utilizadas superam a capacidade de carga que o corpo suporta. A análise da fratura pode ser feita através de uma caracterização e interpretação da sua superfície, assim torna-se possível obter um mapa topográfico que revela o histórico que levou a fratura ocorrer.

Capítulo 2 Revisão Bibliográfica 33 A fractografia é um sistema de nomenclatura próprio, utilizado para analisar e caracterizar o tipo e a causa da fratura. Ela permite alguma revelação das tensões utilizadas, direção de propagação da trinca, temperatura, etc. Enfim, através dos aspectos topográficos observados, pode-se explicar a causa da fratura (ABM, 1982). A Figura 2.30 ilustra esquematicamente três dos mais comuns mecanismos de fratura dos metais e ligas. Fratura dúctil Fig. 2.30(a), Fratura frágil transgranular ou clivagem Fig. 2.30(b) e Fratura frágil intergranular Fig. 2.30(c). Figura 2.30 Mecanismos de fratura nos metais (Anderson, 1994). 2.3.1 Fratura Dúctil A fratura dúctil é uma das formas de fratura de metais e ligas onde observa-se uma deformação plástica macroscópica considerável, ou seja, a seção resistente se reduz e toma-se um formato de pescoço. Em metais de elevada pureza, esta seção resistente se reduz, por deformação plástica, até atingir um ponto ou uma linha com quase 100% de redução de área, trata-se de deformação plástica continua levada até as últimas

Capítulo 2 Revisão Bibliográfica 34 consequências (ABM, 1982). A Figura 2.31 ilustra esquematicamente o comportamento da tensão uniaxial nos metais dúcteis. Figura 2.31 Tensão-Deformação uniaxial de metais dúcteis (Anderson, 1994). A fratura dúctil é originada pela formação e coalescência de microcavidades. As superfícies dos materiais apresentam topografias com cavidades hemisféricas ou parabólicas, conhecidas como dimples. Essas cavidades se caracterizam pelo seu tamanho médio e pela sua geometria. Seu tamanho relaciona-se com a microestrutura e com as propriedades mecânicas do material. Já sua geometria está associada à distribuição das deformações plásticas específicas nas zonas onde as cavidades crescem e coalescem. A Figura 2.32 mostra os mecanismos de coalescência mais observados. Na Figura 2.32(a), o mecanismo de coalescência é denominado ruptura normal, nele a tensão tende a cisalhar o material acima das cavidades em relação ao material abaixo, que é desprezível. Na Figura 2.32(b), ocorre a ruptura por cisalhamento, neste tipo de ruptura o material acima das cavidades sofre cisalhamento em relação ao material abaixo das mesmas.

Capítulo 2 Revisão Bibliográfica 35 Neste tipo de ruptura as cavidades possuem formas parabólicas apontando na direção do cisalhamento em ambas as superfícies da fratura. Figura 2.32 Mecanismos de coalescimento de microcavidades (ABM, 1982). A geometria das cavidades originadas neste mecanismo de fratura, depende em grande parte da relação entre os valores de deformação específica no ápice da trinca e da deformação específica no material à frente da trinca (ABM, 1982), quando maior for esta relação, mais alongadas serão as cavidades. A Figura 2.33 ilustra com uma foto o mecanismo de ruptura por cisalhamento. Como os sentidos de escorregamento são opostos, as cavidades também apontam em sentidos opostos.

Capítulo 2 Revisão Bibliográfica 36 Figura 2.33 Ruptura por cisalhamento (ABM, 1982). Na Figura 2.32(c), observa-se ruptura por rasgamento, que é similar à ruptura normal, do ponto de vista do estado de tensões diferindo no fato da intensidade de σ 1 não ser uniforme ao longo da seção transversal. A Figura 2.34 ilustra esquematicamente a iniciação das microtrincas, crescimento e coalescência na ponta de uma trinca pré-existente. Como a estrutura trincada é carregada, tensões e deformações locais na ponta da trinca tornam-se suficiente para a nucleação dos orifícios (Anderson, 1994). Esses orifícios crescem como as trincas e eventualmente se juntam a trinca principal, como este processo é continuo, a trinca também tende a crescer.

Capítulo 2 Revisão Bibliográfica 37 Figura 2.34 Mecanismos para crescimento de trincas dúcteis (Anderson, 1994). Logo, a superfície da fratura dúctil se caracteriza pela presença de cavidades que representam os orifícios que foram nucleados, cresceram, coalesceram e formaram as superfícies da fratura. A Figura 2.35 ilustra a nucleação, crescimento e coalescimento dos micro-orifícios. Se a fração do volume inicial dos orifícios for baixa, inferior a 10%, cada orifício pode assumir crescer independentemente; após o crescimento, os orifícios vizinhos se interagem. A deformação plástica concentra-se ao longo de um plano de orifícios e

Capítulo 2 Revisão Bibliográfica 38 desenvolve instabilidades de pescoço localizada. A orientação do caminho da fratura depende do estado de tensão (Anderson, 1994). Figura 2.35 Nucleação, crescimento e coalescência de orifícios em metais dúcteis (Anderson, 1994).