ESTAMPABILIDADE DE CHAPAS FINAS LAMINADAS A … de... · Os resultados de deformação a 15% nos ensaios de tração foram usados para calcular os coeficientes de anisotropia de Lankford,

Rede Temática em Engenharia de Materiais

UFOP - CETEC - UEMG Pós-Graduação em Engenharia de Materiais

Dissertação de Mestrado

""" EEESSSTTTAAAMMMPPPAAABBBIIILLLIIIDDDAAADDDEEE DDDEEE

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Autor: Cristiano Roosevelt Cerceau

Orientador: Fernando Gabriel da Silva Araujo

Co-Orientadores: André Barros Cota

Anderson Peter Morelato

ABRIL 2004

UFOP - CETEC - UEMG

2

AGRADECIMENTOS

Agradeço à Companhia Siderúrgica de Tubarão – CST – pela oportunidade e

suporte para a realização deste Mestrado.

Agradeço também aos colegas de serviço da Assistência Técnica, pelo apoio

e amizade.

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.

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 ............................................................................................ 11

1. INTRODUÇÃO .................................................................................................. 12

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ..................................... ........................................ 14

2.1. Estampagem ................................. .............................................................. 14

2.1.1. Descrição do Processo de Estampagem ................................................. 14

2.1.2. Estampagem profunda ............................................................................ 19

2.1.3. Defeitos oriundos da conformação .......................................................... 21

2.2 Materiais especiais para estampagem ......... ............................................. 23

2.2.1. Aços Livres de Intersticiais (IF)................................................................ 23

2.2.1.1. Aços Livres de Intersticiais de Alta Resistência (IF HS) ................... 25

2.2.2. Aços “Endurecíveis na Pintura” (Bake Hardening) .................................. 26

2.2.3. Aços “Bifásicos” (Dual Phase) e Aços Endurecíveis por Transformação -

TRIP .................................................................................................................. 27

2.3. Ensaios de Embutimento ....................... ..................................................... 28

2.3.1. Ensaio Swift: Estampagem profunda ....................................................... 28

2.3.2. Ensaio Erichsen....................................................................................... 31

2.3.3. Ensaio Fukui – Teste Combinado ............................................................ 32

2.4. Ensaio de Tração ............................. ............................................................ 34

2.4.1. Tensão e Deformação ............................................................................. 34

2.4.2. Encruamento ........................................................................................... 38

2.4.3. Coeficientes de Anisotropia ..................................................................... 40

2.4.4. Envelhecimento ....................................................................................... 41

4

2.5. Curva Limite de Conformabilidade ............. ................................................ 43

2.5.1. Método Nakazima .................................................................................... 43

2.6. Principais diferenças físicas entre laminados a quente e laminados a frio

.............................................................................................................................. 48

2.6.1. Qualidade Superficial .............................................................................. 48

2.6.2. Controle de Espessura e Forma .............................................................. 49

2.6.3. Propriedades Mecânicas ......................................................................... 49

2.7. Laminados a quente de baixa espessura em subst ituição a laminados a

frio .............................................. .......................................................................... 51

2.7.1. Áreas potenciais para utilização de laminados a quente finos ................ 52

Tubos ............................................................................................................. 52

Construção Civil ............................................................................................. 54

Setor Automotivo ........................................................................................... 54

Utensílios ....................................................................................................... 59

Eletrodomésticos ........................................................................................... 60

Substrato para revestimento .......................................................................... 61

Laminado a quente como matéria-prima para redução a frio ........................ 61

3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL ........................................................................... 63

3.1. Metodologia .................................. ................................................................ 63

3.2. Materiais .................................... ................................................................... 63

3.3. Ensaios de Tração e Dureza ................... .................................................... 65

3.4. Ensaio Curva Limite de Conformabilidade à Estr icção Máxima .............. 67

3.4.1. Dimensões das amostras ........................................................................ 67

3.4.2. Marcação da grade .................................................................................. 68

3.4.3. Ensaios de Conformação das Chapas .................................................... 69

3.4.4. Obtenção da curva limite de conformação à estricção máxima............... 72

3.5. Metalografia ................................. ................................................................. 74

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO ................................................................................. 75

4.1. Metalografia ................................. ................................................................. 75

4.2. Ensaios de tração e de dureza Rockwell b ..... ........................................... 84

5

4.2. Coeficientes de Anisotropia das Chapas LQ e LF .................................... 89

4.3. Comparações das Propriedades Mecânicas das Cha pas LQ e LF para

cada Espessura .................................... ............................................................... 91

4.5. Curva Limite de Conformabilidade à Estricção Máxima .......................... 92

4.5.1. Curvas Limites de Conformabilidade à Estricção Máxima ....................... 92

4.5.2. Comparação das CLC’s à Estricção Máxima entre os Laminados a

Quente e a Frio ................................................................................................. 97

5. CONCLUSÕES .................................................................................................... 100

6. BIBLIOGRAFIA ................................................................................................... 103

Anexo A: propriedades mecânicas à tração em cp’s nas direções transversal,

longitudinal e diagonal, com respeito à direção de laminação ..................... 105

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.

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.

8

LISTA DE FIGURAS

Figura 1. 1. Laminador de tiras a quente da CST ................................................................................ 13

Figura 2. 1. Processo de estampagem ................................................................................................. 14

Figura 2. 2. Esquema mostrando a parte encruada da chapa, que transmite esforços às partes externas. ..................................................................................................................................... 17

Figura 2. 3. Classificação dos modos de conformação ........................................................................ 18

Figura 2. 4. Estampagem profunda ....................................................................................................... 19

Figura 2. 5. Exemplos de modos de deformação e fraturas típicas associadas ................................... 21

Figura 2. 6. Ensaio de estampagem profunda – Ensaio Swift .............................................................. 29

Figura 2. 7. Tipos de deformação que ocorrem na estampagem profunda. ......................................... 30

Figura 2. 8. Esboço do ensaio de embutimento Erichsen ..................................................................... 31

Figura 2. 9. Esquema do ensaio Fukui. ................................................................................................. 33

Figura 2. 10. Curva do ensaio (tração) [USIMINAS, 2001]. .................................................................. 35

Figura 2.11. Curva de ensaio de tração apresentando limite de escoamento definido [USIMINAS, 2001]. ................................................................................................................................ 37

Figura 2. 12. Direções para o cálculo do coeficiente de anisotropia. ................................................... 41

Figura 2. 13. Efeito do coeficiente de anisotropia planar no orelhamento. ........................................... 41

Figura 2. 14. Curva de tração para material com escoamento definido. .............................................. 42

Figura 2. 15. Limite de escoamento descontínuo em aço em que ocorreu envelhecimento. ............... 42

Figura 2. 16. Ilustração das etapas do método Nakazima para levantamento da CLC [ARC] ............. 44

Figura 2. 17. Regiões da Curva Limite de Conformabilidade. .............................................................. 46

Figura 2. 18. Exemplo prático de Curva Limite de Conformabilidade, CLC. [CamSys] Figura extraída da Internet de uma empresa especializada no levantamento da CLC. .................................. 47

Figura 2. 19. Diferencial de preços entre laminados a quente e laminados a frio nos EUA (1990 - 1198)- Dados gerais - incluindo espessuras acima de 2.0mm [CRU, 1998] ............................ 51

Figura 2. 20. Distribuição por espessura no mercado de tubos na Europa em 1998 [CRU, 1998] ...................................................................................................................................................... 53

Figura 2. 21. Percentagem da distribuição de espessura de chapa no mercado de construção dos EUA no ano de 1988 [CRU, 1998] ............................................................................... 54

Figura 2. 22. Percentagem da distribuição de espessura de material em partes estruturais [CRU, 1998] ........................................................................................................................................... 55

Figura 2. 23. Distribuição de peso na espessura do material em partes estruturais [CRU, 1998] ...................................................................................................................................................... 56

Figura 2. 24. Percentagem da distribuição de espessuras de chapas no mercado de utensílios, em 1997 [CRU, 1998]. ......................................................................................................... 60

Figura 3. 1. Posições de retirada dos CP’s de tração, com respeito ao sentido de laminação das chapas. ........................................................................................................................................... 65

Figura 3. 2. Geometria dos CP’s de tração ........................................................................................... 66

Figura 3. 3. Decapagem do LQ ............................................................................................................. 69

Figura 3. 4. Máquina Erichsen. ............................................................................................................. 70

Figura 3. 5. Conformação da chapa no CP de 40mm ........................................................................... 71

Figura 3. 6. 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

9

chapas de 150kN e velocidade do punção de 21mm/min, até a estricção. .......................................... 72

Figura 3. 7. Marcação dos pontos que delimitam a região de maior estricção encontrada na deformação. ........................................................................................................................................... 73

Figura 4. 1. (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



Figura 4. 4. Tamanho de grão do LQ nas espessuras de 1,2; 1,5 e 1,8mm. ....................................... 79

Figura 4. 5. (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

Figura 4. 6. (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. .................................................................................................... 81

Figura 4. 7. (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. .................................................................................................... 82

Figura 4. 8. Tamanho de grão do LF nas espessuras de 1,2; 1,5 e 1,8mm. ........................................ 83

Figura 4. 9. 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. ............................................................................................................................................. 85

Figura 4. 10. 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. .......................................................................................................................... 86

Figura 4. 11. 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. .......................................................................................................................... 86

Figura 4. 12. 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. .......................................................................................................................... 87

Figura 4. 13. 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. ........................................................................................................................................ 88

Figura 4. 14. 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. .......................................................................................................................... 88

Figura 4. 15. 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. .................................................................................................... 89

Figura 4. 16. Coeficiente de anisotropia planar para chapas do aço SAE 1006 laminadas a

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. .................................................................................................... 90

Figura 4. 17. Gráfico comparativo das propriedades mecânicas do LQ e LF na espessura de 1,2mm. ................................................................................................................................................... 91



Figura 4. 20. CLC à Estricção Máxima para o LF na espessura 1,2mm. ............................................. 93

Figura 4. 21. CLC à Estricção Máxima para o LQ na espessura 1,2mm. ............................................. 94

Figura 4. 22. CLC à Estricção Máxima para o LF na espessura 1,5mm. ............................................. 95

Figura 4. 23. CLC à Estricção Máxima para o LQ na espessura 1,5mm. ............................................ 95

Figura 4. 24. CLC à Estricção Máxima para o LF na espessura 1,8mm .............................................. 96

Figura 4. 25. CLC à Estricção Máxima para o LQ na espessura 1,8mm .............................................. 96

Figura 4. 26. Valores máximos dos pares de deformação e1 e e2 obtidos nas CLC’s à estricção máxima, para as chapas LQ e LF, na espessura 1,2mm. ..................................................... 97



Figura 4. 29. Deformação máxima em espessura antes da falha para a deformação e2 de 0,05% nas espessuras 1,2; 1,5 e 1,8mm. ............................................................................................. 99

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). ........................... 105

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). ........................... 106

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). ...................... 107

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). ........................... 108

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). ........ 109

11

LISTA DE TABELAS

Tabela II. 1. Composições típicas de aços IF em pecentagem peso ( wt%) ........................................ 24

Tabela II. 2. Composição química de um aço (IF HS) em pecentagem peso (wt%) ............................ 25

Tabela II. 3. Composições químicas de aços BH em percentagem peso (wt%) ................................. 26

Tabela II. 4 Chapas de aço usadas no setor de tubos [CRU, 1998] ..................................................... 53

Tabela II. 5 Chapas de aço finas usadas no setor automotivo dos EUA, Europa, Japão, em 1997 [CRU, 1998]. ................................................................................................................................. 58

Tabela II. 6 Previsão de chapas de aço finas usadas no setor automotivo nos EUA, Europa e Japão, em 2002 [CRU, 1998]. ............................................................................................................ 58

Tabela II. 7 Previsão de chapas de aço finas usadas no setor automotivo nos EUA, Europa e Japão, em 2007 [CRU, 1998]. ............................................................................................................ 59

Tabela II. 8 Quantidade de Laminado a quente utilizado com substrato em chapas revestidas nos EUA, Europa, Japão, em 1997 [CRU, 1998]. ............................................................... 61

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) ...................................................................................................................... 63

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. .............................................................................................................................. 64

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. .............................................................................................................................. 64

Tabela III. 4. Dimensões das amostras LQ e LF para ensaio da CLC à estricção máxima. ................ 67

Tabela V. 1. Tabela comparativa das propriedades mecânicas, conformabilidade e camada de oxidação do aço SAE 1006 LQ e LF. ............................................................................................. 102

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.

Figura 1. 1. Laminador de tiras a quente da CST

13

14

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1. ESTAMPAGEM

2.1.1. 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 2. 1. 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

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.

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 esta mpagem

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.

17

Esta região deve transmitir oesforço para as demais

regiões da chapa.

Figura 2. 2. 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.

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 2. 3. 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.

19

2.1.2. 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 2. 4. 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

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].

21

2.1.3. 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 2. 5. Exemplos de modos de deformação e frat uras 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

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].

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.

2.2.1. 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

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 pec entagem 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 0,0033 -

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 0,0033 -

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.

25

2.2.1.1. 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 0,0012

26

2.2.2. AÇOS “E NDURECÍVEIS 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/mm2. Sabe-se, por exemplo, que uma elevação de

40N/mm2 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 p ercentagem 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 0,0032 -

27

2.2.3. AÇOS “B IFÁSICOS” (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/mm2 [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/mm2.

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.

2.3.1. 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

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 2. 6. 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 2.1.2.

A seguir tem-se a fig. 2.7 com os tipos de deformação que ocorrem na estampagem

profunda.

30

Figura 2. 7. Tipos de deformação que ocorrem na est ampagem profunda.

31

2.3.2. 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 2. 8. Esboço do ensaio de embutimento Erichs en

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.

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).

2.3.3. 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 2.9.

33

Figura 2. 9. 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.

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.

2.4.1. 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.

A

FT = (Eq. 2.1)

35

Onde:

T = Tensão (kgf/mm2)

F = Força aplicada (kgf)

A = Área transversal inicial do CP (mm2)

Deformação convencional é definida como sendo o comprimento final do CP menos

o comprimento inicial dividido pelo comprimento inicial.

0

0

L

LLe

−= (Eq. 2.2)

Onde:

L = Comprimento final do CP

L0 = 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 2. 10. Curva do ensaio (tração) [USIMINAS, 2 001].

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).

37

Figura 2.11. 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.

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.

0

0100%L

LLE f −

= (Eq. 2.3)

Onde:

L0 = comprimento inicial do CP;

Lf = 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.

0

0100A

AARA f−

= (Eq. 2.4)

Onde:

A0= área transversal inicial do CP;

Af= área transversal final do CP (na fratura).

2.4.2. 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.

39

A tensão verdadeira fica expressa pela equação abaixo.

iA

F=σ (Eq. 2.5)

Onde:

σ = tensão verdadeira;

F = carga instantânea aplicada;

Ai = área instantânea da secção reta do CP.

A deformação verdadeira é dada pela equação 2.6.

0

lnL

Li=ε (Eq. 2.6)

Onde:

ε = deformação verdadeira;

Li = comprimento instantâneo;

L0 = comprimento inicial.

Para alguns metais e ligas, a curva de fluxo pode ser aproximada pela seguinte

equação de Holloman, abaixo.

nK εσ = (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.

40

2.4.3. 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.

)/ln(

)/ln(

0

0

3

2arg

tt

wwr

espessura

ural ===εε

εε

(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.

4

2 90450 rrrr

++=

(Eq. 2.9)

41

Onde os valores são obtidos segundo a figura abaixo, onde “0°” é a direção de

laminação:

Figura 2. 12. Direções para o cálculo do coeficient e de anisotropia.

É também definido o coeficiente de anisotropia planar, na equação 2.10.

2

2 90450 rrrr

+−=∆ (Eq. 2.10)

O coeficiente de anisotropia planar está relacionado à formação de “orelhas” nas

peças estampadas, conforme pode ser visto na figura 2.13.

Figura 2. 13. Efeito do coeficiente de anisotropia planar no orelhamento.

2.4.4. 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.

42

F

δ1,5-3%

Patamar de Escoamento

Figura 2. 14. Curva de tração para material com esc oamento 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 2.15. Este fenômeno é denominado

envelhecimento e é deletério à estampabilidade dos aços.

F

δ

Após a ação do tempo eda temperatura há a elevação dolimite de escoamento e retorno dopatamar.

Figura 2. 15. Limite de escoamento descontínuo em a ço em que ocorreu envelhecimento.

43

É muito comum nas normas (ex. ABNT 5906 - “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.

2.5. 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.

2.5.1. 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 e1

44

(maior deformação no plano da chapa), e na abscissa o valor e2 (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.

Figura 2. 16. Ilustração das etapas do método Nakaz ima para levantamento da CLC [ARC]

Cortar chapas

(blanks)

Realizar a

marcação

Realizar a deformação das chapas

e medir as deformações principais

Traçar CLC

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 e1xe2, através da interpolação desses pontos.

46

Figura 2. 17. Regiões da Curva Limite de Conformabi lidade.

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 e1 e e2

são maiores que 0 e e3 é menor que zero, pois e1+e2+e3=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 e1 é

maior que zero e e2 e e3 são menores que zero. O lado esquerdo inferior, com

valores absolutos de e2 maiores que os de e1 correspondem ao espessamento, com

e3 maior que zero, em que o material ganha espessura. Separando as regiões de

estiramento e tração, sobre o eixo e1, encontra-se o estado de tração plana, com

e2=0 e e3=-e1, portanto com grande perda de espessura e correspondendo à região

de menores deformações na CLC.

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 2. 18. Exemplo prático de Curva Limite de Co nformabilidade, CLC. [CamSys] Figura extraída da Internet de uma empresa especializada n o levantamento da CLC.

48

2.6. PRINCIPAIS DIFERENÇAS FÍSICAS ENTRE LAMINADOS A QUEN TE

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.

2.6.1. 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

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.

2.6.2. 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.

2.6.3. 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.

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.

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 (1990-

1998)

366310 320

378420

380 370 390340

500445 450

560 548520 520 520

460

0

200

400

600

90 91 92 93 94 95 96 97 98

Ano

Pre

ços

($/t)

Laminado a Quente Laminado a Frio

Figura 2. 19. Diferencial de preços entre laminados a quente e laminados a frio nos EUA (1990 - 1198)- Dados gerais - incluindo espessuras acima de 2.0mm [CRU, 1998]

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.

2.7.1. ÁREAS POTENCIAIS PARA UTILIZAÇÃO DE LAMINADOS A QUEN TE 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.

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 x103t)

USA Europa Japão

Bobinas laminadas a quente e chapas (1) 5.594 10.097 3.057

Bobinas laminadas a frio e chapas 997 1133 315

Chapas revestidas 150 354 175

Consumo total de chapas 6.741 11.584 3.347

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 2.222 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.

Distribuição por Espessura do Mercado de Tubos na Europa

0

10

20

30

40

50

60

70

80

<0.8 0.8<1.2 1.2<2.0 >=2.0

Espessura (mm)

Per

cent

agem

(%)

Laminado a Quente Laminado a Frio Figura 2. 20. Distribuição por espessura no mercado de tubos na Europa em 1998 [CRU, 1998]

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

05

1015202530354045

<0.8 0.8<1.2 1.2<2.0 >2.0

Espessura (mm)

% d

e C

hapa

s no

Mer

cado

de

Con

stru

ção

(%)

Chapas Revestidas Laminado a Frio Laminado a Quente

Figura 2. 21. Percentagem da distribuição de espess ura 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 1980. A

redução de peso é a melhor maneira de se atingir economia de combustível. Abriu-

se, 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].

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.

Percentagem da Distribuição de Espessura de Materia l em Partes Estruturais

05

10152025303540

<0.8 0.8<1.2 1.2<2.0 >=2.0

Espessura do Material (mm)

% d

e P

arte

s es

trut

urai

s

Revestido Laminado a Quente Laminado a Frio

Figura 2. 22. Percentagem da distribuição de espess ura de material em partes estruturais [CRU, 1998]

56

Distribuição de Peso na Espessura do Material em P artes Estruturais (Peso Total 473 Kg)

0

40

80

120

160

200

<0.8 0.8<1.2 1.2<2.0 >=2.0

Espessura do Material (mm)

Pes

o(K

g) e

m P

arte

s E

stru

tura

is

Revestido Laminado a Quente Laminado a Frio

Figura 2. 23. 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 1.2

– 2.0mm.

� 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

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, 2007. O consumo é esperado dobrar nestes três países em 2002, com

tendência de crescimento para 2007.

58

Tabela II. 5 Chapas de aço finas usadas no setor au tomotivo 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 (x103t) Peso no automóvel (Kg)

USA Europa Japão USA Europa Japão

Partes estruturais 29,9 70,1 147,5 506 473 440


� Rodas 20,4 28,5 18,5 67,5 67,5 67,5

� capus 12,1 16,9 10,9 20 20 20


� Assento 145,4 203,2 131,7 80 80 80

Peças de chassis 60,5 84,6 54,8 5 5 5

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 (x103t) Peso no automóvel (Kg)




� Rodas 36,4 35,5 23,0 60 60 60

� Capus 12,1 16,9 10,9 20 20 20


� Assento 212,1 237,0 192,1 70 70 70

Peças de chassis 90,8 84,6 82,3 7,5 5,0 7,5

Consumo Total 481,8 537,3 532,6

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 (x103t) Peso no automóvel (Kg)



Componentes

externos

� Rodas 83,3 42,3 90,5 55 50 55

� Capus 10,9 3,0 9,8 18 18 18

Componentes

internos

� Assento 363,5 269,2 329,2 60 53 60

Peças de chassis 121,2 169,34 109,7 10 10 10

Consumo Total 970,1 958,4 1.099,9

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.

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.

Percentagem da Distribuição de Espessuras de Chapas no Mercado de Utensílios nos USA

0

10

20

30

40

50

60

<0.8 0.8<1.2 1.2<2.0 >2.0

Espessura (mm)

% d

e ch

apas

no

Mer

cado

de

Ute

nsíli

os

Laminado a Quente Laminado a Frio Chapas Revestidas

Figura 2. 24. Percentagem da distribuição de espess uras 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.

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 utiliz ado com substrato em chapas revestidas nos EUA, Europa, Japão, em 1997 [CRU, 1998].

Quantidade de laminado a quente utilizado como subs trato em chapas

revestidas nos USA, Europa, Japão, em 1997 (x10 3 t)

>=2mm <2mm Total

USA 500 100 600

Europa 500 100 600

Japão 300 60 360

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

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].

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.

3.2. 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 chap as LQ e LF, utilizadas para realização dos ensaios mecânicos (tração e Curva Limite de Conform abilidade 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:

64

Tabela III. 2. Composições químicas dos elementos m inoritários, em porcentagem em peso, da faixa de especificação do aço SAE 1006 e real das c hapas 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 0.020 0.060 0.053 0.060 0.038 Si - 0.020 0.007 0.004 0.004 Mn 0.19 0.30 0.24 0.25 0.25 P - 0.030 0.013 0.017 0.014 S - 0.015 0.009 0.007 0.006 Al 0.020 0.080 0.034 0.053 0.044 Cu - 0.08 0.019 0.032 0.009 Ni - 0.05 0.007 0.011 0.003 Cr - 0.05 0.013 0.017 0.007 Mo - 0.060 0.002 0.002 0.001 V - 0.005 0.001 0 0

Nb - 0.003 0.001 0.001 0

Tabela III. 3.Composições químicas dos elementos mi noritários, em porcentagem em peso, da faixa de especificação do aço SAE 1006 e real das c hapas 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 0.020 0.060 0.035 0.024 0.035 Si - 0.020 0.010 0.013 0.011 Mn 0.19 0.30 0.23 0.19 0.25 P - 0.030 0.018 0.027 0.013 S - 0.015 0.009 0.008 0.014 Al 0.020 0.080 0.043 0.039 0.076 Cu - 0.08 0 0.021 0 Ni - 0.05 0 0.02 0 Cr - 0.05 0 0.029 0 Mo - 0.060 0 0.007 0 V - 0.005 0 0 0

Nb - 0.003 0 0 0

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.

420mm

90°

0°45°

Sentido de Laminação

Figura 3. 1. Posições de retirada dos CP’s de traçã o, 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/w0)/ln (t/t0)

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

66

médio dos parâmetros r obtidos em diferentes direções. Uma definição usual é o

coeficiente de anisotropia normal (rN), que é obtido da seguinte forma:

r = (r0 + 2r45 + r90)/4

e o coeficiente de anisotropia planar, como segue:

∆r = (r0 - 2r45 + r90)/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 3. 2. 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.

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.

3.4.1. 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)

Chapas Laminadas a Quente

N° de

Amostras

Espessura 1,2mm Espessura 1,5mm Espessura 1,8mm

Largura X Comp. (mm) Largura X Comp. (mm) Largura X Comp. (mm)

3 40 x 200 40 x 200 40 x 200 3 60 x 200 60 x 200 60 x 200 3 80 x 200 80 x 200 80 x 200 3 100 x 200 100 x 200 100 x 200 3 120 x 200 120 x 200 120 x 200 3 140 x 200 140 x 200 140 x 200 3 160 x 200 160 x 200 160 x 200 3 180 x 200 180 x 200 180 x 200 3 200 x 200 200 x 200 200 x 200

68

Dimensões das amostras para ensaio da curva limite de conformabilidade (CLC)

Chapas Laminadas a Frio

N° de

Amostras

Espessura 1,2m Espessura 1,5mm Espessura 1.8mm

Largura X Comp. (mm) Largura X Comp. (mm) Largura X Comp. (mm)

3 40 x 200 40 x 200 40 x 200 3 60 x 200 60 x 200 60 x 200 3 80 x 200 80 x 200 80 x 200 3 100 x 200 100 x 200 100 x 200 3 120 x 200 120 x 200 120 x 200 3 140 x 200 140 x 200 140 x 200 3 160 x 200 160 x 200 160 x 200 3 180 x 200 180 x 200 180 x 200 3 200 x 200 200 x 200 200 x 200

Daqui em diante, os corpos de prova dos ensaios para levantamento da CLC serão

designados por suas larguras.

3.4.2. 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.

69

Figura 3. 3. 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.

3.4.3. 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.

70

Figura 3. 4. 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 es coamento 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 prensa-

chapa 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.

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 3. 5. 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.

72

Figura 3. 6. Conjunto de amostras de CLC, da chapa laminada a quente com espessura de 1,5mm, submetidas a ensaios de conformação em máqui na 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.

3.4.4. 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

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 e1 e e2. 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 (e1 e

e2) e transportados a um gráfico, obtendo-se a CLC à estricção máxima do material.

Figura 3. 7. Marcação dos pontos que delimitam a re gião de maior estricção encontrada na deformação.

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 45-81. 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.

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.




4.2b mostra a camada superficial na seção reta da chapa LQ, revelando uma




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


76

(a)

(b)

Figura 4. 1. (a) Microestrutura da chapa LQ, na esp essura 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.

77

(a)

(b)


78

(a)

(b)


79

TAMANHO DE GRÃO - LQ

0

5

10

15

20

25

0,9 1,2 1,5 1,8 2,1

Espessura (mm)

dg (µ

m)

LQ

Figura 4. 4. Tamanho de grão do LQ nas espessuras d e 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


4.5b mostra a camada superficial na seção reta da chapa LF, revelando uma




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.

80



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 4. 5. (a) Microestrutura da chapa LF, na esp essura 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.

81

(a)

(b)

Figura 4. 6. (a) Microestrutura da chapa LF, na es pessura 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.

82

(a)

(b)

Figura 4. 7. (a) Microestrutura da chapa LF, na es pessura 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.

83

TAMANHO DE GRÃO - LF

0

5

10

15

20

25

0,9 1,2 1,5 1,8 2,1

Espessura (mm)

dg (µ

m)

LF

Figura 4. 8. Tamanho de grão do LF nas espessuras d e 1,2; 1,5 e 1,8mm.

A figura 4.8 mostra a evolução do tamanho de grão das chapas laminadas a frio com

a redução. Observa-se o refinamento da estrutura, com o tamanho médio de grão

passando de 23µm na espessura de 1,8mm, para 16µm na espessura de 1,2mm. É

observado um refinamento da estrutura menos acentuado do que no LQ. Isto revela

que as chapas LF foram submetidas a tratamentos térmicos de recozimento em

temperaturas altas o suficiente para promover o crescimento de grãos e, nos casos

das espessuras 1,2 e 1,8mm, suficientes ainda para reduzir drasticamente o

alongamento dos grãos na direção de laminação.

84

4.2. ENSAIOS DE TRAÇÃO E DE DUREZA ROCKWELL B

A figura 4.9 mostra o gráfico da 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. Os resultados apresentados são médias de 27 indentações, de maneira que

as barras de erro apresentam-se menores que os pontos designados no gráfico.

Para ambas as chapas, LQ e LF, observa-se, como ten dência geral, um ligeiro

aumento da dureza com a diminuição da espessura. Esta tendência corresponde

ao esperado em ambos os casos, estando relacionada ao refinamento da estrutura,

ou ao encruamento, no caso do LF. As observações de tendência de variação

das propriedades mecânicas, daqui por diante, serão feitas principalmente

com respeito às espessuras de 1,2 e 1,8mm, uma vez que a chapa LF de 1,5mm

apresentou maiores variações, associadas a diferent e história de

processamento.

A chapa LF de 1,5mm apresenta maior valor de dureza que as demais. Tal fato está

relacionado à sua história de processamento termomecânico, ou à sua composição,

notadamente apresentando teor de fósforo ligeiramente superior aos demais LF. A

observação das microestruturas, no item anterior, revelou que as amostras da chapa

LF de 1,5mm foram as únicas a apresentar alongamento de grãos pronunciado, o

que implica que foram recozidas em condições menos severas que as demais,

estando ainda com encruamento residual. No entanto, como o estudo trata de

comparar propriedades de chapas produzidas em escala industrial, maiores detalhes

do processamento do LF de 1,5mm não puderam ser obtidos, posto que as chapas

LF foram adquiridas no mercado.

85

DUREZA HRb

0

20

40

60

80

0,90 1,20 1,50 1,80 2,10Espessura (mm)

HR

bLQ LF

Figura 4. 9. 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.

As figuras 4.10 a 4.14 mostram, respectivamente, os valores do limite de

escoamento, limite de resistência, alongamento uniforme, alongamento total e

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. Cada valor é uma

média de nove ensaios de tração, sendo três em corpos de prova usinados

paralelamente à direção de laminação, designados por longitudinais, L, ou pelo sub-

índice 0, referindo-se a 0° com respeito à direção de laminação; mais três

perpendiculares à direção de laminação, os transversais, T, ou 90°; e, por fim, três

diagonais, D, ou 45°. A obtenção de valores médios para as três direções nas

chapas visa buscar valores representativos na operação de estampagem, à qual os

aços em questão se destinam, posto que nesse tipo de conformação a deformação é

sempre feita sobre o plano da chapa. O apêndice A apresenta os valores das

propriedades mecânicas medidos em cada direção, separadamente.

86

LIMITE DE ESCOAMENTO

0

100

200

300

0,90 1,20 1,50 1,80 2,10Espessura (mm)

LE (M

Pa)

LQ LF

Figura 4. 10. Limite de escoamento médio para chapa s 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 lon gitudinal, transversal e diagonal de laminação.

No gráfico da figura 4.10 observa-se uma suave tendência de aumento do limite de

escoamento com a diminuição da espessura. Como tratam-se de aços na mesma

faixa de composição química e tamanho de grão, os valores de limite de

escoamento do LQ e do LF são próximos. Chapas de aço SAE 1006 laminadas a

quente e laminadas a frio de mesma espessura aprese ntam limites de

escoamento equivalentes.

LIMITE DE RESISTÊNCIA

320330

340350

360370

380

0,9 1,2 1,5 1,8 2,1Espessura (mm)

LR (M

Pa)

LQ LF

Figura 4. 11. Limite de resistência médio para chap as 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 lon gitudinal, transversal e diagonal de laminação.

No gráfico da figura 4.11 observa-se o aumento do limite de resistência das

87

amostras LQ e LF quando se passa da espessura de 1,8mm para as menores

espessuras. Isto é resultado da combinação do refinamento de grão com o

encruamento do material durante o prosseguimento da laminação. Foi observado um

maior valor do limite de resistência para a chapa LF de 1,5mm de espessura, que

deve estar relacionado com maior nível de encruamento residual da amostra, uma

vez que as micrografias revelaram que apenas este material apresentava grãos

ainda alongados no sentido de laminação. Excetuando-se este fato, pode-se afirmar

que os limites de resistência do aço SAE 1006 laminados a quente e laminados

a frio de mesma espessura apresentam valores simila res .

ALONGAMENTO UNIFORME

05

1015202530

0,9 1,2 1,5 1,8 2,1Espessura (mm)

eu (%

)

LQ LF

Figura 4. 12. Alongamento uniforme médio para chapa s 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 lon gitudinal, transversal e diagonal de laminação.

No gráfico da figura 4.12 observa-se que o alongamento uniforme das amostras

laminadas a quente e laminadas a frio permanece pra ticamente constante, não

havendo variação com a espessura ou processamento t ermomecânico .

88

ALONGAMENTO TOTAL

0

10

20

30

40

50

0,9 1,2 1,5 1,8 2,1Espessura (mm)

e T LQ LF

Figura 4. 13. Alongamento total médio para chapas d o 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 longitu dinal, transversal e diagonal de laminação.

No gráfico da figura 4.13 observa-se que o alongamento total das amostras

laminadas a quente e laminadas a frio permanece pra ticamente constante, não

havendo variação com a espessura ou processamento t ermomecânico .

Isto pode ser explicado pela semelhança das microestruturas e composição química

dos aços laminados a quente e laminados a frio nas espessuras estudadas.

COEFICIENTE DE ENCRUAMENTO

0,180,190,200,210,220,230,240,25

0,9 1,2 1,5 1,8 2,1

Espessura (mm)

n

LQ LF

Figura 4. 14. 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 dire ções longitudinal, transversal e diagonal de laminação.

89

No gráfico da figura 4.14 observa-se que há tendência de aumento do coeficiente

de encruamento das amostras laminadas a quente com a diminuição da

espessura , novamente desconsiderando-se a espessura de 1,5mm, pelas suas

peculiaridades de processamento. Este fato se deve à diminuição do tamanho de

grão, que promove mais precocemente as interações de ancoramento entre

discordâncias.

Para as amostras laminadas a frio o coeficiente de encruamento diminui com a

diminuição da espessura . Este fato está relacionado com o fato de as amostras

laminadas a frio já apresentarem certo encruamento residual, proveniente do

processamento, o que revelou-se mais pronunciado que a diminuição do tamanho

de grão.

4.2. COEFICIENTES DE ANISOTROPIA DAS CHAPAS LQ E LF

As figuras 4.15 e 4.16 mostram, respectivamente, os valores do coeficiente de

anisotropia normal e do coeficiente de anisotropia planar, 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.

COEFICIENTE DE ANISOTROPIA NORMAL

0,0

0,4

0,8

1,2

1,6

2,0

0,9 1,2 1,5 1,8 2,1Espessura (mm)

rN

LQ LF

Figura 4. 15. Coeficiente de anisotropia normal par a 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 cad a uma nas direções longitudinal, transversal e diagonal de laminação.

90

No gráfico da figura 4.15 observa-se uma tendência do aumento de coeficiente de

anisotropia normal para as amostras laminadas a quente e laminadas a frio com o

aumento da espessura do material. As amostras laminadas a frio apresentam

coeficiente de anisotropia normal superior às lamin adas a quente , o que revela

menor perda em espessura durante a tração. Isto pode ser explicado pelo fato de

que o trabalho a frio, a que foram submetidas as amostras LF, induz a formação de

textura, com alongamento de grãos na direção de laminação, além de maior

encruamento da amostra. Esta observação fica mais evidente na amostra LF de

1.5mm, que apresentou um coeficiente de anisotropia superior às demais, em razão

da maior orientação dos grãos com relação à direção de laminação, conforme

revelado pela microestrutura. A tendência de diminuição do coeficiente de

anisotropia normal com a continuação da deformação é explicada, de fato, pelo perfil

térmico do tratamento termomecânico, que reduz os efeitos de encruamento e

textura.

COEFICIENTE DE ANISOTROPIA PLANAR

-0,4

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

0,9 1,2 1,5 1,8 2,1

Espessura (mm)

∆r LQ LF

Figura 4. 16. Coeficiente de anisotropia planar par a 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 cad a uma nas direções longitudinal, transversal e diagonal de laminação.

O gráfico da figura 4.16, mostra que o coeficiente de anisotropia planar das

amostras laminadas a quente é menor, em módulo, que para as amostras

laminadas a frio. Portanto, durante a conformação, a tendência de formação de

orelhas é mais acentuado nas chapas LF que nas LQ. Considerando-se os

valores dos desvios padrão, não foi observada uma tendência conclusiva de

variação do coeficiente de anisotropia planar com a espessura das chapas LQ ou

LF.

91

4.3. COMPARAÇÕES DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DAS

CHAPAS LQ E LF PARA CADA ESPESSURA

Os gráficos 4.17, 4.18 e 4.19 sumarizam de forma qualitativa as propriedades

mecânicas principais referentes às chapas do aço SAE 1006 laminadas a quente,

LQ, e laminadas a frio, LF, nas espessuras nominais 1,2; 1,5 e 1,8mm.

PROPRIEDADES MECÂNICAS - LQ e LF - 1.2mmHRb

LE

LR

eTeU

n

rN

LQ LF

Figura 4. 17. Gráfico comparativo das propriedades mecânicas do LQ e LF na espessura de 1,2mm.

Na fig. 4.17 observa-se que as chapas laminadas a quente, na espessura de 1,2mm,

apresentam propriedades à tração equivalentes ou melhores que os das chapas

laminadas a frio, à exceção do coeficiente de anisotropia normal.

PROPRIEDADES MECÂNICAS - LQ e LF - 1.5mmHRb

LE

LR

eTeU

n

rN

LQ LF


92



laminadas a frio, à exceção do coeficiente de anisotropia normal, dureza e limite de

resistência.

PROPRIEDADES MECÂNICAS - 1.8mm - LQxLF

0

0,5

1

1,5HRb

LE

LR

eTeU

n

rN

LQ LF




laminadas a frio, à exceção dos coeficientes de anisotropia normal e de

encruamento.

4.5. CURVA LIMITE DE CONFORMABILIDADE À ESTRICÇÃO MÁXIMA

4.5.1. CURVAS LIMITES DE CONFORMABILIDADE À ESTRICÇÃO MÁXIMA

Foram obtidas as CLC’s à Estricção Máxima para as espessuras nominais 1,2; 1,5 e

1,8mm para o aço SAE 1006 LQ e LF, mostradas nas figuras 4.20, 4.21, 4.22, 4.23,

4.24 e 4.25, abaixo.

As CLC`s encontradas mostram o limite máximo de estricção do material (curva

contínua), onde acima deste ponto tem-se uma grande probabilidade de falha do

material (região de falha) e a curva inferior (curva descontínua), que o sistema

93

calcula automaticamente, correspondente a um valor 10% inferior à deformação

máxima encontrada, definindo uma região de zona crítica de estricção do material.

Cada conjunto de pontos corresponde às deformações e1 e e2 medidas em um corpo

de prova de uma largura específica.

Os pontos do lado direito da curva correspondem ao regime de expansão biaxial, em

que e1 e e2 > 0 e e3 < 0. Esta região é crítica durante a estampagem, uma vez que é

neste regime que se tem maior perda de espessura da chapa, aumentando a

probabilidade de trincas e fraturas. Sobre a ordenada encontra-se o regime de

tração plana, com e2 = 0 e e3 = -e1, também crítico durante a estampagem, porém de

menor ocorrência. Do lado esquerdo da curva encontram-se os regimes de tração

larga e tração uniaxial, em que e1 > 0 e e2 e e3 < 0.

Figura 4. 20. CLC à Estricção Máxima para o LF na e spessura 1,2mm.

94

Figura 4. 21. CLC à Estricção Máxima para o LQ na e spessura 1,2mm.

95

Figura 4. 22. CLC à Estricção Máxima para o LF na e spessura 1,5mm.

Figura 4. 23. CLC à Estricção Máxima para o LQ na espessura 1,5mm.

96

Figura 4. 24. CLC à Estricção Máxima para o LF na e spessura 1,8mm

Figura 4. 25. CLC à Estricção Máxima para o LQ na e spessura 1,8mm

97

4.5.2. COMPARAÇÃO DAS CLC’S À ESTRICÇÃO MÁXIMA ENTRE OS LAMINADOS

A QUENTE E A FRIO

Nos gráficos das figuras 4.26, 4.27 e 4.28, são comparados os valores máximos dos

pares de deformação e1 e e2 obtidos nas CLC’s à Estricção Máxima, para as

espessuras 1,2; 1,5 e 1,8mm LF e LQ.

Para as CLC’s nas três espessuras estudadas, o dese mpenho do laminado a

quente foi superior ao do laminado a frio, na regiã o de estiramento biaxial. Na

região de tração observou-se praticamente a equival ência entre os

comportamentos das chapas LQ e LF nas espessuras de 1,2 e 1,8mm. Para a

chapa de espessura de 1,5mm, a conformabilidade da chapa LQ é superior à LF,

também na região de tração, embora para a mesma deformação e1 tomada

aleatoriamente tenhamos redução de espessura maior no LQ quando comparado

ao LF, fato este comprovado nos cálculos do coeficiente de anisotropia normal.

COMPARAÇÃO CLC ESTRICÇÃO MÁXIMA (LQ e LF - 1,2mm)

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

-0,3 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2 0,3e2

e1

LF 1,2mm LQ 1,2mm

Figura 4. 26. Valores máximos dos pares de deformaç ão e1 e e2 obtidos nas CLC’s à estricção máxima, para as chapas LQ e LF, na espessura 1,2mm.

98


0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

-0,3 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2 0,3e2

e1

LF 1,5mm 1.5 LQ



0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

-0,3 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2

e2

e1

LF 1,8mm LQ 1,8mm


99

Deformação máxima em espessura antes da falha para e 2=0,05

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0,9 1,2 1,5 1,8 2,1

Espessura (mm)

[e3

(LQ

) - e

3 (L

F)]/

e3

(LF

) (

%)

Figura 4. 29. Deformação máxima em espessura antes da falha para a deformação e 2 de 0,05% nas espessuras 1,2; 1,5 e 1,8mm.

Na Figura 4.29 tomou-se o valor de 0,05% da deformação e2 nas espessuras de

1,2; 1,5 e 1,8mm para o cálculo da diferença percentual da deformação entre LQ e

LF, no afinamento das chapas, na região de estiramento biaxial. Foi observada uma

diferença percentual entre LQ e LF, na deformação máxima em espessura, superior

a 10%. Estes valores são similares para as espessuras de 1,2 e 1,8mm. Para a

espessura de 1,5mm, como a chapa apresenta maior encruamento residual que as

demais chapas laminadas a frio, este valor é de aproximadamente de 27%. Esses

resultados mostram que as chapas laminadas a frio possuem estampabilidade

inferior às chapas laminadas a quente, ou seja, as chapas laminadas a quente

resistem a valores maiores no afinamento da chapa, antes de ocorrer a falha

do material.

100

Foi observado que, embora as chapas LF apresentem maiores valores de

coeficiente de anisotropia normal, o que deve representar menor perda de

espessura, as chapas LQ apresentam, de maneira geral, maior estampabilidade,

demonstrada pelas CLC’s. Isto revela que, embora as chapas LQ sofram maiores

reduções na espessura, para uma mesma deformação longitudinal na região de

tração das CLC’s, o início da formação de trincas ocorre para maiores níveis de

deformação. Este resultado é ainda mais pronunciado na região de estiramento

biaxial, na qual a redução em largura é impossibilitada pelo fato de a chapa ser

alongada em toda a sua área pela prensa-chapas.

5. CONCLUSÕES

As chapas LQ do aço SAE 1006, aplicação comercial, de 1,2; 1,5 e 1,8mm de

espessura, apresentaram grãos ferríticos equiaxiais , respectivamente com

tamanhos médios de 13, 16 e 23 µµµµm.

A chapa LF do aço SAE 1006, para a espessura de 1,2 mm, apresentou grãos

ferríticos equiaxiais, ligeiramente alongados no se ntido de laminação, com

tamanho médio de 16 µµµµm. A de 1,5mm de espessura apresentou grãos ferríti cos

alongados, com tamanho médio de 19 µµµµm, enquanto a de 1,8mm de espessura

apresentou grãos ferríticos equiaxiais, com tamanho médio de 23 µµµµm.

Observou-se refinamento de grão menos acentuado no LF, quando comparado

ao LQ.

Em geral, o LQ tende a ter espessura de oxidação su perior ao LF.

Para ambas as chapas, LQ e LF, observa-se, como ten dência geral, um ligeiro

aumento da dureza com a diminuição da espessura.

Chapas de aço SAE 1006 laminadas a quente e laminad as a frio de mesma

espessura apresentam limites de escoamento equivale ntes.

101

Os limites de resistência do aço SAE 1006 laminados a quente e laminados a

frio de mesma espessura apresentam valores similare s.

O alongamento uniforme das amostras laminadas a que nte e laminadas a frio

permanece praticamente constante, não havendo varia ção com a espessura ou

processamento termomecânico .

O alongamento total das amostras laminadas a quente e laminadas a frio

permanece praticamente constante, não havendo varia ção com a espessura ou

processamento termomecânico .

As amostras laminadas a frio apresentam coeficiente de anisotropia normal

superior às laminadas a quente.

O coeficiente de anisotropia planar das amostras la minadas a quente é menor,

em módulo, que para as amostras laminadas a frio. Portanto, durante a

conformação, a tendência de formação de orelhas é m ais grave nas chapas LF

que nas LQ.

Para as CLC’s nas três espessuras estudadas, o dese mpenho do laminado a

quente foi superior ao do laminado a frio, na regiã o de estiramento biaxial. Na

região de tração observou-se praticamente a equival ência entre os

comportamentos das chapas LQ e LF nas espessuras de 1,2 e 1,8mm.

As chapas laminadas a frio possuem estampabilidade inf erior às chapas

laminadas a quente, ou seja, as chapas laminadas a quente resistem a valores

maiores no afinamento da chapa, antes de ocorrer a falha do material.

102

Abaixo é apresentada uma tabela resumindo as compar ações entre as

propriedades mecânicas das chapas LQ e LF.

Tabela V. 1. Tabela comparativa das propriedades me cânicas, conformabilidade e camada de oxidação do aço SAE 1006 LQ e LF.

Melhor - Camada de Óxido

- Melhor Conformabilidade

- Melhor Coeficiente de Anisotropia Planar

Melhor - Coeficiente de Anisotropia Normal

Alongamento Uniforme e Total

Limite de Resistência

Limite de Escoamento

Similares

Dureza

LF LQ Propriedades analisadas

103

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105

ANEXO A: PROPRIEDADES MECÂNICAS À TRAÇÃO EM CP ’S NAS DIREÇÕES TRANSVERSAL ,

LONGITUDINAL E DIAGONAL , COM RESPEITO À DIREÇÃO DE LAMINAÇÃO

LIMITE DE ESCOAMENTO - TRANSVERSAL

150

200

250

300

0,9 1,2 1,5 1,8 2,1

Espessura (mm)

LE (

MP

a)

LQ LF

LIMITE DE ESCOAMENTO - LONGITUDINAL

150

200

250

300

0,9 1,2 1,5 1,8 2,1

Espessura (mm)

LE (

MP

a)

LQ LF

(a) (b)

LIMITE DE ESCOAMENTO - DIAGONAL

150

200

250

300

0,9 1,2 1,5 1,8 2,1Espessura (mm)

LE (

MP

a)

LQ LF

(c)

Figura A. 1. Limite de escoamento para chapas do aç o 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).

106

LIMITE DE RESISTÊNCIA - TRANSVERSAL

300

325

350

375

400

0,9 1,2 1,5 1,8 2,1

Espessura (mm)

LR (

MP

a)

LQ LF

LIMITE DE RESISTÊNCIA - LONGITUDINAL

300

325

350

375

400

0,9 1,2 1,5 1,8 2,1

Espessura (mm)

LR (

MP

a)

LQ LF

(a) (b)

LIMITE DE RESISTÊNCIA - DIAGONAL

300

325

350

375

400

0,9 1,2 1,5 1,8 2,1

Espessura (mm)

LR (

MP

a)

LQ LF

(c)

Figura A. 2. Limite de resistência para chapas do a ço 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).

107

ALONGAMENTO UNIFORME-TRANSVERSAL

15

18

21

24

27

30

0,9 1,2 1,5 1,8 2,1Espessura (mm)

eU (

%)

LQ LF

ALONGAMENTO UNIFORME - LONGITUDINAL

15

18

21

24

27

30

0,9 1,2 1,5 1,8 2,1Espessura (mm)

eU (

%)

LQ LF

(a) (b)

ALONGAMENTO UNIFORME - DIAGONAL

15

18

21

24

27

30

0,9 1,2 1,5 1,8 2,1Espessura (mm)

eU (

%)

LQ LF

(c)

Figura A. 3. Alongamento uniforme para chapas do aç o 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).

108

ALONGAMENTO TOTAL- TRANSVERSAL

35

40

45

50

0,9 1,2 1,5 1,8 2,1Espessura (mm)

eT (

%)

LQ LF

ALONGAMENTO TOTAL - LONGITUDINAL

35

40

45

50

0,9 1,2 1,5 1,8 2,1Espessura (mm)

eT (

%)

LQ LF

(a) (b)

ALONGAMENTO TOTAL - DIAGONAL

35

40

45

50

0,9 1,2 1,5 1,8 2,1Espessura (mm)

eT (

%)

LQ LF

(c)

Figura A. 4. Alongamento total para chapas do aço S AE 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).

109

COEFICIENTE DE ENCRUAMENTO - TRANSVERSAL

0,15

0,18

0,21

0,24

0,27

0,9 1,2 1,5 1,8 2,1Espessura (mm)

n

LQ LF

COEFICIENTE DE ENCRUAMENTO - LONGITUDINAL

0,15

0,18

0,21

0,24

0,27

0,9 1,2 1,5 1,8 2,1Espessura (mm)

n

LQ LF

(a) (b)

COEFICIENTE DE ENCRUAMENTO - DIAGONAL

0,15

0,18

0,21

0,24

0,27

0,9 1,2 1,5 1,8 2,1 Espessura (mm)

n

LQ LF

(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).

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ESTAMPABILIDADE DE CHAPAS FINAS LAMINADAS A … de... · Os resultados de deformação a 15% nos ensaios de tração foram usados para calcular os coeficientes de anisotropia de Lankford,