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Vera Fraga Amado
1 Comparação dos efeitos microestruturais entre o aço BH obtido por tratamento térmico e o aço IF de alta resistência quanto ao efeito springback. Érika Aparecida da Silva, Marcelo dos Santos Pereira Avenida Doutor Ariberto Pereira da Cunha, 333, Pedregulho, Guaratinguetá, São Paulo. Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá FEG/UNESP RESUMO Este trabalho visou a obtenção de alterações microestruturais devidas ao efeito springback a fim de comparar dois aços convencionais de alta resistência, sendo estes o aço com interstícios livres (IF ou interstitial free) e o aço endurecível após pintura (BH ou bake hardening). A caracterização mecânica do efeito springback foi realizada por meio de ensaio de conformação mecânica, denominado dobramento de três pontos ao ar. As alterações geométricas resultantes do processo de conformação foram mensuradas por meio do cálculo da razão de aspecto. Os resultados mostram que o aço BH sofre uma taxa de efeito springback superior ao aço IF, devido à maior resistência mecânica do aço BH, sendo que para este aço a variação da razão de aspecto depende da combinação do alongamento e resistência mecânica. Conclui-se que o tratamento térmico realizado no aço BH aumentou a resistência mecânica do material, sem contudo perder a sua capacidade de conformabilidade. Palavras-chave: Springback, conformação, razão de aspecto, BH, IF. 112
2 INTRODUÇÃO A queima de combustíveis fósseis causa desequilíbrios no ecossistema, assim a indústria automobilística vem tendo a necessidade de reduzir cada vez mais o peso de seus produtos para minimizar o consumo de combustível, diminuindo assim, o custo e as possíveis agressões ecológicas causadas direta ou indiretamente pelo uso de tais produtos. Dessa forma, os automóveis de última geração devem apresentar-se mais leves, econômicos, seguros e menos poluentes (GRITTI et al., 2002) (1). Assim, as siderurgias, em resposta aos seus clientes, vêm desenvolvendo chapas feitas com aços avançados de alta resistência (AHSS), a fim de garantir a fabricação de componentes com os mesmos níveis de resistência mecânica, mas com menor quantidade de material (GORNI, 2008) (2). Porém, a ampla utilização dos AHSS na indústria automobilística encontra-se limitada devido a desafios na conformabilidade, união de chapas, vida de ferramenta e retorno elástico (springback). O springback é o principal problema que compromete a produção em massa de componentes estruturais automotivos com AHSS (PLACIDI et al., 2008) (3). O efeito springback é identificado como uma mudança ocorrida na forma da peça após a retirada da ferramenta de conformação, devido a uma redistribuição das tensões elásticas residuais (KEELER, 2009) (4). Portanto, a fim de buscar soluções para eliminar ou reduzir tal efeito, torna-se fundamental prever a ocorrência deste efeito durante o projeto da peça correlacionando com propriedades microestruturais e mecânicas do material. Os dois tipos de aços estudados neste presente trabalho estão entre os principais aços utilizados pelas indústrias automobilísticas atualmente por serem aços de alta resistência, sendo eles o aço endurecível após pintura ou bake hardening (BH) e o aço com interstícios livres ou interstitial free (IF). O aço BH é essencialmente resultado de um processo de envelhecimento da tensão estática causada pela difusão do carbono presente na tinta aplicada em forno a 170 C, que afeta as propriedades mecânicas por meio de três mecanismos: a migração de átomos de carbono entre os possíveis conjuntos de sítios intersticiais, migração esta induzida por tensão; a segregação de carbono pelas discordâncias e a precipitação de carbonetos. Esse processo de pintura em forno aumenta a resistência do material em aproximadamente 40 MPa (Gorni, 2008). Cada uma 113
3 dessas redistribuições de carbono podem ocorrer durante o envelhecimento da tensão (ZHAO, 2001) (5). MATERIAIS E MÉTODOS Metalografia pré-conformação Os processos de preparação metalográfica a seguir são normatizados pela ASTM E 3-10 (2007). Foram confeccionados corpos de prova a partir dos aços BH e IF como recebidos as dimensões de 10 mm de comprimento por 10 mm de largura por 0,8 mm de espessura. Após seccionamento na direção longitudinal de laminação, os corpos de prova foram submetidos a um embutimento a quente com baquelite. No lixamento foram usadas as seguintes lixas: 220, 320, 400, 600, 1000 e 1200 mesh. E o polimento foi feito com solução de OP-U e água destilada, submetendo a amostra à uma rotação de 600 rpm. Os ataques químicos foram feitos com uma solução de Nital 2%, para revelar os contornos dos grãos de ferrita e constituintes (VANDER VOORT, 1999) (6). As micrografias foram obtidas usando-se o microscópio óptico da marca NIKON, modelo EPIPHOT 200. O processamento das imagens foi feito utilizando se o software ImageJ Todas as imagens foram padronizadas em mesmas condições de luminosidade e escala de tons de cinza com a utilização das ferramentas enhance contrast, normalize e equalize histogram. Ensaios de conformação mecânica Foram confeccionados corpos de prova dos mesmos materiais como recebido nas seguintes dimensões: 80 mm de comprimento x 30 mm de largura x 0,8 mm de espessura. Tais dimensões dos corpos de prova foram feitos de acordo com os parâmetros definidos para o ensaio unconstrained cylindrical bending ou ensaio de flexão cilíndrica livre apresentados na Conferência de Numisheet 2002 (Numisheet, 2002) (7). Os corpos de prova foram submetidos a um ensaio de conformação mecânica denominado dobramento de três pontos ao ar. Tal ensaio foi feito em adaptação ao método unconstraind cylindrical bending, no qual o corpo de prova é submetido a um punção com corpo cilíndrico. O punção utilizado foi de 5 mm de raio e a distância entre os suportes do molde foi de 13 mm, de acordo com as normas da ASTM E para uma espessura da amostra de aproximadamente 1 mm. O dobramento de três pontos ao ar foi realizado na Máquina Universal de Ensaios da marca Shimadzu, modelo Autograph AG-X 50kN. 114
4 Os corpos de prova foram submetidos à conformação até que o ângulo interno de dobramento atingisse um valor pré-determinado. Os valores selecionados para o ângulo interno de dobramento foram: 30º, 60º, 90º e 120º respectivamente para cada dobramento, utilizando-se três repetições para cada ângulo num mesmo material. O punção foi retirado do material vinte segundos após alcançar o dobramento no ângulo desejado e, em seguida, feita a medição do novo ângulo de dobramento para verificar se houve retorno elástico ou springback. Para esta medição foi utilizado o software ImageJ 1.45 para processamento das imagens fotografadas em câmera fotográfica digital Olympus. Essas medições continuaram a ser feitas para os períodos de 12 h, 24 h, 48 h e 72 h pós-conformação. Terminadas as 72 h após a conformação mecânica, o ângulo de dobramento final resultante foi subtraído do ângulo inicial de dobramento, seja este 30º, 60º, 90º ou 120º, e tal subtração resultou no ângulo total de springback (θ1 + θ2), como mostra a Figura 1. Figura 1. Esquema representativo de uma amostra de chapa de aço sofrendo recuperação elástica ou springback. Metalografia pós-conformação Foram confeccionados corpos de prova a partir dos materiais anteriores que foram submetidos ao ensaio de conformação mecânica, após 72 horas de avaliação, nas seguintes dimensões: 10 mm de comprimento x 10 mm de largura x 0,8 mm de espessura. A região das chapas de aço escolhida para a obtenção dos corpos de prova foi aquela em que se formou uma curvatura devido ao dobramento. Os corpos de prova foram cortados na direção longitudinal, ou seja, na 115
5 mesma direção de laminação das chapas de aço, dividindo-se a chapa de aço ao meio e embutindo o material de forma a expor a parte interna à superfície, de forma a obter amostras da região que mais se deformou durante o dobramento. A metalografia seguiu-se da mesma maneira que na etapa pré-conformação, com a utilização de embutimento a quente, lixamento, polimento e ataque químico com Nital 2%. Foram analisadas 30 fotos para cada tratamento. RESULTADOS E DISCUSSÃO Com relação às propriedades mecânicas, seus valores mostrados na Tabela I foram obtidos por meio de ensaios de tração, extraindo-se corpos-de-prova na direção transversal, à 45º e na direção de laminação do material. Tabela I. Propriedades mecânicas dos materiais aço endurecível após pintura - BH e aço com interstícios livres IF. Material RT (MPa) LE (MPa) Along (%) BH 320,9 ± 5,3 198,7 ± 3,9 33,4 ± 1,7 IF 298,0 ± 2,1 147,9 ± 3,8 40,9 ± 1,9 Foi utilizada a Anova como ferramenta estatística para interpretação dos resultados. Seu nome significa análise de variância e é um teste de comparação das médias dos tratamentos, sendo que no presente trabalho, foi utilizada a Anova do tipo fator duplo com repetição submetida ao Teste-F ao nível de significância de 5%. O software utilizado para essa função foi o Minitab 14. Anova e análise microestrutural para o aço endurecível após pintura Na Figura 2, com relação às influências do fator grau no efeito springback, pode-se dizer que os tratamentos 30 e 120 foram os que mais se diferenciaram com relação à média, tendo seus pontos ultrapassados das linhas limitantes dos desvios, apresentando o maior e o menor efeito springback, respectivamente. A Figura 3 analisa a razão de aspecto, mostrando que os tratamentos 120 e 30 diferenciam-se estatisticamente com relação aos outros, apresentando a maior e a menor razão de aspecto, respectivamente. 116
6 Figura 2. Anova dos tratamentos grau e tempo para o aço endurecível após pintura. Figura 3. Anova para o aço endurecível após pintura segundo sua razão de aspecto ao longo dos ângulos de dobramento e do material como recebido (180º). A Figura 4 de (a) a (d) são imagens da microestrutura do aço endurecível após pintura obtidas via microscopia óptica. Observa-se em todas as imagens a presença da microestrutura ferrita. Na imagem (a) é possível observar a presença de grãos de ferrita mais alongados na direção transversal, indicando uma elevada razão de aspecto para o material como recebido. Nas imagens (b) e (c) referentes ao tratamento a 120, as setas indicam a presença de grãos de ferrita mais alongados 117
7 na direção transversal, sendo que esses grãos se apresentam maiores e mais alongados do que no material como recebido, portanto esse tratamento apresentou elevada razão de aspecto como pode ser comprovado de acordo com a Figura 3. Na imagem (d), observa-se que os grãos de ferrita encontram-se alinhados na mesma direção, visto que foram conformados em 30, porém este tratamento foi o que obteve a razão de aspecto mais baixa e seus grãos se comparados aos do material como recebido e tratamento a 120 em (a), (b) e (c), apresentam-se bem menores e menos alongados. a b c d Figura 4. Imagens de microscopia óptica para o aço BH, onde (a): material como recebido; (b) e (c): 120 ; (d): 30 de conformação mecânica. Correlacionando o efeito springback com a microestrutura para o aço endurecível após pintura, pode-se dizer que o maior efeito springback foi obtido no tratamento a 30, sendo que este tratamento foi o que obteve a menor razão de aspecto. E o menor efeito springback ocorreu no tratamento a 120, sendo que este tratamento obteve a maior razão de aspecto. Assim no aço endurecível após pintura 118
8 se verifica, que em aços de alta resistência, um maior efeito springback provoca uma menor razão de aspecto e vice-versa. A pintura em forno é aplicada após o forjamento do material, fazendo com que a quantidade de discordâncias livres na ferrita aumente significativamente, as quais são fixadas por átomos de carbono provenientes da pintura e ocorra a formação de precipitados próximos aos contornos de grãos, dificultando assim a migração de tensão durante o carregamento, o que aumenta o limite de resistência do material e aumenta a intensidade das tensões residuais elásticas geradas, as quais são liberadas durante o descarregamento causando o efeito springback. Anova e análise microestrutural para o aço com interstícios livres A Figura 5 mostra que o tratamento a 30 foi o único que se diferenciou estatisticamente dos demais, visto que sua média encontra-se acima da linha limitante dos desvios a um risco de 5%. Com o auxílio da Figura 6 é possível observar o efeito do grau na razão de aspecto, mostrando que o tratamento 30 foi o que obteve os maiores valores, diferenciando-se significativamente dos demais tratamentos. Figura 5. Anova dos tratamentos grau e tempo para o aço com interstícios livres. 119
9 Figura 6. Anova para o aço endurecível após pintura segundo sua razão de aspecto ao longo dos ângulos de dobramento e do material como recebido (180º). A Figura 7 de (a) a (d) são imagens da microestrutura do aço com interstícios livres obtidas via microscopia óptica. Observa-se em todas as imagens a presença da microestrutura ferrita. As imagens de (a) e (b) não apresentam grandes alterações em forma e tamanho entre si, assim como mostra a Figura 6. Já as imagens (c) e (d) apresentam grãos de ferrita mais alongados numa mesma direção, como pode ser observado com a ajuda das setas, sendo assim tais amostras obtidas a partir do tratamento a 30 devem apresentar maior razão de aspecto, como pode ser comprovado através da Figura
10 a b c d Figura 7. Imagens de microscopia óptica para o aço BH, onde (a): material como recebido; (b): 120 ; (c) e (d): 30 de conformação mecânica. A alta taxa de alongamento do aço com interstícios livres quando comparada aos aço endurecível após pintura é a responsável por manter alta a média da razão de aspecto dos grãos após o alívio de tensões. Como o maior efeito springback ocorreu no tratamento 30, o esperado para aços de alta resistência é que este tratamento apresentasse a menor média de razão de aspecto devido a ação do efeito springback, o qual auxiliaria os grãos a retornarem aos seus tamanhos e formas originais devido à propagação do alívio de tensões. Porém, este tratamento apresentou a maior média da razão de aspecto,devido a alta taxa de alongamento, a qual fez com que os grãos mantivessem as novas dimensões adquiridas durante a deformação mesmo após o alívio das tensões elásticas residuais. 121
11 CONCLUSÕES Conclui-se que para o aço endurecível após pintura, um maior efeito springback causa uma menor razão de aspecto nos grãos e um menor efeito springback causa uma maior razão de aspecto nos grãos, mostrando que é um aço de alta resistência. E o contrário ocorre para o aço com interstícios livres, no qual um maior efeito springback é acompanhado por uma maior razão de aspecto dos grãos. O aço com interstícios livres, por possuir menores índices de resistência e maiores taxas de alongamento, não apresenta altos valores de springback e a razão de aspecto de seus grãos é inversamente proporcional ao ângulo interno de dobramento, pois ao diminuir tal ângulo, o processo de conformação mecânica é mais severo alongando os grãos, o que provoca um aumento na sua razão de aspecto. Portanto, pode se afirmar que o tratamento térmico de envelhecimento da tensão estática por pintura em forno após o forjamento, realizado no aço endurecível após pintura foi o responsável por alterar a microestrutura com a adição de átomos de carbono e a precipitação de carbonetos, o que além de resultar em maior efeito springback, este efeito foi capaz de reduzir a razão de aspecto do material mostrando uma tendência dos grãos retornarem as suas formas originais após o dobramento. Assim, o aço BH mantém uma boa taxa de alongamento aliada à uma maior resistência mecânica. REFERÊNCIAS 1. GRITTI, J. A., CANGUE, F. J. R., GODEFROID, L. B. Fatigue crack growth in two dual-phase steels used in automotive wheels discs. Fatigue 2002; International Fatigue Conference 2002, IISI - Internacional Iron and Steel Institute, Stockholm, Sweden, v.1, p de junho de GORNI, A. A. Aços avançados de alta resistência: microestrutura e propriedades mecânicas. Corte & Conformação de Metais. p.26-57, dezembro de PLACIDI F., VADORI R., CIMOLIN F., CAMPANA F. An efficient approach to springback compensation for ultra high strength steel structural components for the automotive field. New Developments
12 4. KEELER, S., Advanced high strength steel (AHSS) application guidelines. AHSS - World Auto Steel, versão 4.0, 163p., 15 de março de Disponível em: <www.worldautosteel.org>. 5. ZHAO, J. Z., DE, A. K., COOMAN, B. C. Formation of the cottrell atmosphere during strain aging of bake hardenable steels. Metallurgical and Materials Transactions A, V.32A, p , fevereiro de VANDER VOORT, G. F. Metallography, Principles and Practice. New York: McGraw-Hill, p. 7. NUMISHEET, Proceedings of the 5th International Conference on Numerical Simulations of 3-D sheet Metal Forming Processes, D-Y. Yang et al. (eds.), Jeju Island, Korea, Disponível em:< Comparison of the microstructural effects between BH steel obtained by heat treatment and IF steel of high strength concerning the springback effect. ABSTRACT This work aimed to obtain microstructural changes due to springback effect in order to compare two conventional high strength steels, wich are interstitial free steel (IF) and bake hardening steel (BH). The mechanical characterization of the springback effect was performed by mechanical forming testing called three-point bending in air. The geometric changes resulting from the forming process were measured by calculating the aspect ratio. The results show that BH steel suffers a rate greater than the springback effect IF steel, because of the greater mechanical strength BH steel, and the variation of this steel aspect ratio depends on the combination of elongation and mechanical strength. It was concluded that the heat treatment performed on the BH steel increased mechanical strength of the material, without losing its ability to formability. KEY-WORDS: Springback, forming, aspect ratio, BH, IF 123
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