Testes de conformabilidade que permitem aproveitar aços automotivos mais fortes

Conforme o aço de ultra-alta resistência (UHSS) se torna ainda mais difundido em aplicações automotivas, a segurança contra colisões continuará a aumentar, o peso dos componentes diminuirá ainda mais e muitas montadoras se beneficiarão. Outras não. Alguns fabricantes não estão aproveitando ao máximo o potencial do aço de ultra-alta resistência devido a um fator simples: resultados de alongamento insatisfatórios nos testes de tração. É um equívoco comum. Existem maneiras mais precisas de medir a conformabilidade do aço de ultra-alta resistência e eles comprovam que é possível conformá-lo de forma confiável em formatos complexos.

O problema com o teste de tração

O aço de ultra-alta resistência é um material estabelecido na indústria automotiva e é comumente utilizado em reforços estruturais de carrocerias, reforços de lâminas de pára-choques, barras de proteção de portas, bem como estruturas de bancos e mecanismos.

O aço de ultra-alta resistência é responsável por ajudar a alcançar os valores nominais de proteção contra colisões de 5 estrelas e reduzir o peso dos componentes em até 40 por cento. Ele também permite que as montadoras reduzam custos e se tornem mais eficientes na produção, ao mesmo tempo em que desenvolvem designs de componentes mais inovadores e mais competitivos no mercado.

Apesar dos benefícios, muitas montadoras ainda estão escolhendo graus de aço mais macios e perdendo uma vantagem competitiva. O motivo é que elas confiam apenas nos resultados de alongamento dos testes de tração quando pensam em conformabilidade.

“O teste de tração é o teste mais utilizado”, explica o Dr. Lars Troive, especialista sênior em conformação da SSAB. “A ideia é separar os corpos de prova até a fratura. Em seguida, mede-se o quanto ele se expandiu em comprimento. Isso é considerado o seu alongamento. Por exemplo, se o corpo de prova medir 80 milímetros e, então, ficar com 88 milímetros antes da trinca, isso representa um alongamento de 10%.”

Ele continuou: “Embora o teste de tração seja há muito tempo a prática mais comum para avaliar a conformabilidade dos aços, os graus de aços modernos e mais resistentes não são representados corretamente por este método. Isso porque esses aços mais resistentes se comportam de forma diferente, tendo uma deformação plástica mais localmente em comparação aos graus mais macios convencionais.”

Uma maneira mais precisa de prever o comportamento do aço de ultra-alta resistência é através da criação de um diagrama de limite de conformação (Forming Limit Diagram - FLD), também conhecido como curva de limite de conformação. Um único FLD fornece uma descrição gráfica de vários testes de falha de material realizados, ou seja, testes de domo perfurado, com o uso de diversas geometrias de corpos de prova. Cada corpo de prova (ou seja, cortes de aço) possui uma proporção única entre largura e comprimento, o que resulta em diferentes modos de deformação até que ocorra uma falha. Eles se deformarão de forma diferente, tendo seu próprio caminho de deformação.

Antes de um teste FLD ser realizado, cada amostra é primeiramente pintada de branco e, em seguida, coberta por pontos pretos distribuídos aleatoriamente através de pintura por pulverização em um “padrão salpicado”. A cor de base branca é aplicada para obter um bom contraste com o padrão preto.

Durante os testes, o padrão salpicado é fotografado por duas câmeras embutidas na prensa. As câmeras capturam os movimentos de cada ponto durante toda a operação de conformação, o que permite a estimativa do caminho da deformação até a falha. Ao realizar o teste de domo perfurado em cada uma das diferentes geometrias (corte), serão obtidos dois valores para cada teste: as deformações principais e as secundárias. O FLD é então desenhado em um diagrama X e Y, com uma linha conectando todos os valores de deformação obtidas. Esta curva representa o limite de conformação no qual o aço apresenta um alto risco de dividir (trincar).

padrão aleatório de pontos salpicados (speckle)
deformações principais e secundárias, traçadas em um diagrama de limite de conformação

Figura 1: o padrão de pontos aleatórios salpicados (Speckle) (imagem à esquerda) e as deformações principais e secundárias marcadas em um diagrama de limite de conformação (FLD; imagem à direita).

Em outras palavras, o teste de conformabilidade determina até que ponto é possível ir ao conformar antes que o aço trinque, dependendo do estado de deformação e de que forma o material é deformado.

Para constatar as evidências de que o aço de ultra-alta resistência pode ser conformado muito além dos valores de alongamento que lhe informaram, veja os copos estampados na Figura 2.

copos estampados feitos com uma variedade de aços, desde muito macios até aços de ultra-alta resistência

Figura 2: copos estampados feitos com uma variedade de aços, desde muito macios até aços de ultra-alta resistência, por exemplo, por ex., 1400M com uma resistência à tração de 1400MPa.

Resultados mais precisos dos testes de conformação de UHSS

“Visualmente, uma amostra fina do teste FLD se conforma quase da mesma forma que a amostra do teste de tração”, afirmou Troive. “Ela se estreita no meio quando puxada, assim como a amostra de teste de tração; isso é chamado de ‘deformação uniaxial’. Então, por que o resultado do teste de alongamento difere do resultado do teste FLD?”

“Realizamos um teste simples, aplicando um padrão de grade quadrada, com dimensões de 2 mm por 2 mm, em um corpo de prova de testes de tração, medido após a falha”, continuou Troive. “O que acontece ao longo de uma distância de 2 milímetros, em termos percentuais, é muito maior quando comparado ao que acontece ao longo de um comprimento de 80 milímetros — a medida utilizada em testes de tração, onde a extensão total em milímetros é dividida por 80 milímetros, o que significa um alongamento médio ao longo desse comprimento.”

Deformação local acima de 2 milímetros

Figura 3: por exemplo, uma deformação local de 20% acima de 2 milímetros (a grade) é muito maior em termos percentuais do que o indicado pelos testes do mesmo aço UHSS ao longo de uma extensão de 80 milímetros, conforme comumente realizado em testes de tração.

Isso explica por que os dois testes (de tração e FLD) têm uma diferença tão grande nos resultados dos testes, o que leva a conclusões muito diferentes sobre o quanto é possível conformar um aço UHSS.

 

Interpretação de um FLD

Já que um FLD fornece os dados mais precisos sobre como um grau específico de aço de ultra-alta resistência pode ser conformado, é fundamental entender como interpretar os resultados.

Atualmente, simulações de elementos finitos (EF) do processo de conformação são muito comumente utilizadas pela indústria automotiva. Com base nisso, o FLD é uma ferramenta muito importante, pois é capaz de demonstrar se as deformações calculadas estão dentro da região de conformação segura — ou se estão próximas da falha.

O FLD pode ser dividido em três partes:

  • equibiaxial (distensão) para a direita.
  • deformação do plano no centro.
  • corte puro (estampagem) para a esquerda.

Troive explica: “O diagrama FLD tenta fornecer uma descrição gráfica de vários testes de falha de material com diferentes caminhos de deformação. Basicamente, a área abaixo da curva de limite de conformação é considerada segura para operações de conformação. É comum diminuir um pouco a curva para ter uma margem para uma possível dispersão, devido a pequenas variações no processo de estampagem ou nas propriedades do material. Os FLDs são amplamente utilizados como critérios de fratura para simulações de conformação ou medições de deformação.”

“No entanto, há alguns casos em que o FLD não é capaz de prever falhas. Uma delas são as bordas cortadas. A ductilidade das bordas cortadas depende muito de como a peça de metal foi cortada. Por exemplo, a folga de corte correta foi utilizada? As ferramentas estavam afiadas? E assim por diante. Nesse caso, confiamos em um teste prático e comparamos os resultados com o nível de deformação na borda”, disse Troive. (Para obter mais informações, assista ao webinar sob demanda Docol® “Abordagens de solução de problemas com a ductilidade de borda do AHSS.”)

Diferentes tipos de formatos e conformação forçarão o material a deformar de diferentes maneiras. Em geral, o pior cenário é quando uma peça é conformada em condição de deformação plana pura. A flexão simples é um exemplo desse tipo de operação de conformação, resultando no menor caminho de deformação até a falha. Às vezes, é possível alterar um caminho de deformação. Uma maneira pode ser tão simples quanto otimizar a geometria da peça de metal para evitar que o material fique preso, de modo que este último seja puxado ao invés de distendido.

 

Comparação dos resultados dos testes de tração e FLD

Historicamente, os fabricantes automotivos têm trabalhado muito com aços mais macios e os resultados entre os testes de tração e FLD foram bastante semelhantes. Dito isso, o teste de tração foi — historicamente — mais estabelecido e, portanto, mais difundido. O risco de apenas utilizar o teste de tração é que oportunidades de utilizar aços mais resistentes sejam perdidas. Lars Troive explica:

“Se você analisar apenas os dados do teste de tração, pode pensar que tudo é impossível. Se considerar a conformabilidade, trata-se de um aumento de quase 100%, por exemplo, de 10 a 20 sobre a área real destinada a um processo de conformação. Para uma aplicação automotiva, uma variedade de possibilidades surgem ao observar o diagrama de limite de conformação, ao invés de apenas o alongamento.”


Teste de tração A80 (quadrados brancos) e teste de FLD de 2 mm (quadrados cinzas) (resultados em %).

Figura 4: Teste de tração A80 (quadrados brancos) e teste de FLD de 2mm (quadrados cinzas) (resultados em %).

Ao traçar os dois resultados de alongamento de um teste de resistência à tração e os resultados de um teste de conformação, a diferença pode ser facilmente constatada conforme a resistência do aço aumenta.

 

Prova real da conformabilidade de UHSS

Muitas montadoras de automóveis já confiam nos dados do FLD ao escolher materiais. Portanto, a evidência de que um aço de ultra-alta resistência com resistência à tração extremamente alta pode ser conformado em aplicações automotivas já existe.

Por exemplo, a Shape Corp. criou tubos longitudinais de teto (roof rail) mais leves, resistentes e com maior eficiência de espaço e colunas A feitas com o aço martensítico Docol® de 1700MPa para laminação em 3D. Esses designs mais compactos aumentam o espaço interior e a visibilidade do motorista, ao mesmo tempo em que otimizam a colocação de airbags nos Ford Explorer 2020 e Escape 2020.

Benefícios adicionais do uso de aços de maior resistência

Além de permitir um maior desempenho contra colisões e redução de peso, a escolha otimizada do aço de ultra-alta resistência pode proporcionar outras vantagens valiosas às montadoras:

  1. Menos materiais usados: A exclusiva resistência e propriedades técnicas do aço de ultra-alta resistência podem permitir que as montadoras reduzam a quantidade de material necessário para fabricar um componente automotivo, com o uso de paredes de componentes mais finas.
  2. Materiais mais baratos: Os aços de ultra-alta resistência podem ser muito mais econômicos do que outros materiais leves e de alta resistência, tanto com base nos custos de materiais quanto nos de conformação.
  3. Menos custos para conformar: Apesar de ser necessário investir em componentes de ferramentas mais resistentes do que os aços mais macios, os aços UHSS são normalmente conformados com o uso de equipamentos de produção convencionais, permitindo que você utilize as máquinas que já possui.
  4. Conformação mais rápida, usando menos energia: É possível substituir o aço ao boro com estampagem a quente pelos aços AHSS conformados a frio. Você economiza dinheiro ao não precisar de matrizes complexas de estampagem a quente (que também exigem muita energia para aquecimento e resfriamento), ao mesmo tempo em que acelera o tempo de produção.
  5. Soldabilidade: Muitos aços de ultra-alta resistência podem ser soldados com o uso de processos convencionais de soldagem, devido à sua composição química enxuta.

 

Maximize o potencial de design de suas peças automotivas

Ao escolher os aços de ultra-alta resistência para componentes automotivos, as possibilidades de inovação são imensas. No entanto, depender apenas dos dados de alongamento dos testes de tração para avaliar a conformabilidade resultará na escolha de um aço mais macio e na perda de oportunidades de melhorias. Ao invés disso, olhe para o diagrama de limite de conformação para garantir que estará aproveitando ao máximo a sua escolha de aço de ultra-alta resistência.

Gostaria dos conhecimentos especializados da SSAB em ajudá-lo a determinar se um aço UHSS específico é conformável o suficiente para a sua aplicação automotiva? Em seguida, entre em contato com o seu representante local Docol®.

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