Abordagens de solução de problemas com a ductilidade de borda do AHSS

As bordas cortadas conformadas de aços avançados de alta resistência (AHSSs) exigem ductilidade de borda suficiente, caso contrário podem falhar — com trincas nas bordas ao longo de furos ou flanges.

Este artigo fala sobre como a trinca de borda dos AHSS pode ter origem nos processos de corte e conformação — e as melhores práticas para o corte, ferramentas e teste de materiais para reduzir as falhas de bordas. O artigo abrange os destaques de um recente webinar sobre ductilidade de bordas Docol® com Vili Kesti, especialista sênior em conformação da SSAB.

Onde a ductilidade de borda é necessária?

Em geral, a ductilidade de bordas é necessária sempre que as bordas cortadas são conformadas. Por exemplo, em aplicações de chassi automotivo, as peças são frequentemente mecanicamente aparadas ou perfuradas em um processo de produção em série. Após o corte, há muitas situações diferentes de deformação de bordas: por exemplo, expansão de furo, formação do anel, distensão de flange, etc.

À medida que os designs se tornam mais complexos para as peças automotivas feitas de AHSS, a conformação de bordas cortadas sem trincas pode se tornar um processo cada vez mais desafiador — principalmente para aços AHSS laminados a quente. Além disso, as propriedades de fadiga de uma peça também podem ser afetadas negativamente se as áreas das bordas apresentarem defeitos iniciais, tais como rachaduras.

Exemplos de problemas de ductilidade de bordas feitas com o AHSS

Exemplos de problemas de ductilidade de bordas feitas com o AHSS

Esse é um problema típico: uma trinca ocorreu na borda do furo durante o processo de expansão de furo. A trinca começou em uma seção da circunferência do furo, que apresenta uma superfície aparada áspera.

Outro exemplo de problemas de ductilidade de bordas feitas com o AHSS

Outro exemplo: aqui está um visão aproximada de uma trinca típica de flange em uma área onde grandes deformações por tração foram introduzidas durante a conformação.

O software de simulação pode ser muito eficaz na captura de áreas críticas (ou seja, deformações elevadas) que, inicialmente, podem não ser candidatas óbvios para trincas.

Os processos de corte mecânico, como a perfuração de furos, introduzem um encruamento intenso, bem como possíveis espaços vazios iniciais e formação de rebarbas ao longo das bordas cortadas — todas as quais criam uma “zona afetada por cisalhamento” ou SAZ.

A SSAB realizou medições de microdureza e determinou que quanto próximo à face da borda cortada, maiores são os valores de encruamento. Isso reduz a capacidade de deformação da borda, mesmo antes de qualquer processo de conformação.

Os vazios do SAZ podem ser criados nas proximidades de inclusões, carbonetos, limites de fase, etc., dependendo da microestrutura do AHSS.

Ferramentas, folgas de corte e ductilidade de borda

A primeira prática recomendada durante a conformação é saber (e traçar) a taxa de desgaste de sua ferramenta. Normalmente, você obtém uma taxa de desgaste inicial, depois um platô e, em seguida, uma taxa acelerada. Um padrão semelhante geralmente ocorre para a formação de rebarbas: veja a tabela. Nos dois casos, realize a manutenção das suas ferramentas antes que a aceleração prevista comece. As ferramentas desgastadas podem reduzir significativamente as taxas de expansão de furos (HERs) para alguns graus de AHSS.

Sempre que possível, coloque suas rebarbas no interior de uma borda. As rebarbas na parte externa de uma borda tendem a criar defeitos durante as operações subsequentes de flexão.

Utilizar a folga de corte ideal para um grau específico de AHSS — o que, em alguns casos, é maior que a norma ISO 16630 HER de 12% — pode aumentar os valores de sua HER. Verifique com o seu fabricante de AHSS se há folgas de corte para um grau e aplicação específicos.

Realizar a manutenção das ferramentas e manter folgas de corte consistentes são coisas interligadas. O desgaste das ferramentas é afetado pela folga de corte e pelo grau do AHSS que está sendo cortado. A rigidez da ferramenta também é importante: a rigidez ajuda a fornecer folgas de corte consistentes ao redor dos furos e ao longo de flanges mais longos.

A zona afetada por cisalhamento pode ser eliminada ao mudar o seu método de corte para perfuração, usinagem ou corte a fio (por EDM). Infelizmente, perfuração, usinagem e EDM são demorados e não são viáveis para grandes ciclos de produção. Os métodos de corte térmico, tais como laser ou plasma, podem melhorar a ductilidade das bordas, mas podem criar gradientes de dureza devido ao seu calor.

Diagrama de ferramentas, folgas de corte e ductilidade de borda

A pré-perfuração (pre-piercing) pode melhorar muito a HERs/conformabilidade de bordas

Muitos documentos técnicos fornecem evidências de que a pré-perfuração (pre-piercing), também conhecida como corte por cisalhamento em duas etapas, pode melhorar significativamente as taxas de expansão de furos do AHSS e, portanto, a conformabilidade das bordas.

Com a pré-perfuração (pre-piercing), uma perfuração simples e em etapas ou duas operações de perfuração separadas são utilizadas para criar um orifício inicial seguido por uma ação de recorte. Para obter resultados ideais, a espessura do anel resultante recortado ou perfurado deve ser escolhida com cuidado. A pré-perfuração (pre-piercing) pode melhorar muito a HER, mas a quantidade de melhorias varia de acordo com o grau, conforme mostrado neste gráfico.

A pré-perfuração (pre-piercing) pode melhorar muito a HERs/conformabilidade de bordas

Mesmos nomes de AHSS, diferentes ductilidades de bordas

A ductilidade de bordas pode variar significativamente de grau para grau, mesmo quando os graus possuem níveis de resistência semelhantes. Também serão notadas diferenças entre vários fabricantes de aço que fornecem nominalmente o grau “mesmo nome”.

Além disso, não há uma clara correlação entre a HER e o limite de escoamento tradicional, a resistência à tração ou o alongamento. (Dito isso, publicações recentes mostram uma possível correlação entre as verdadeiras deformações e HER de fraturas de espessura: se pesquisas adicionais confirmarem essa correlação, esperamos escrever a respeito em um futuro artigo INSIGHTS.)

Por exemplo, aqui estão quatro graus de aço diferentes, todos com uma resistência à tração mínima de 800MPa. Obviamente, ao escolher o grau de aço correto, é possível obter melhorias significativas em suas propriedades de conformação de bordas.

Outra consideração ao selecionar aços AHSS: em condições reais de fabricação, pode ser difícil manter as suas folgas de corte consistentes. Este gráfico mostra como o grau Docol® HE (High Edge) possui uma melhor qualidade de bordas e melhor conformabilidade em uma variedade de folgas de corte, em comparação com os graus tradicionais de AHSS.

Diagrama "Boxplot" do resultado HER [%]
Diagrama "Boxplot" da relação HE S355MC em comparação com Docol 355 HE, diferentes folgas [%]

Indo além da ISO 16630: FLDs de bordas tridimensionais

A norma mundial atual para testes de expansão de furos é a ISO 16630, que tem sido amplamente criticada por fornecer resultados com incerteza e variação excessivas.

A ISO 16630 abrange apenas um estado específico de tensão/deformação. Porém, a produção real geralmente inclui diferentes casos de carregamento de bordas. Até mesmo na mesma peça automotiva, pode haver uma variedade de diferentes estados de tensão/deformação para as bordas.

É possível utilizar diversos testes para abranger uma ampla variedade de casos de carregamento de tensão/deformação, incluindo medições de deformação por correlação de imagem digital (Digital Image Correlation - DIC) online. Os pesquisadores da SSAB utilizam:

  • Teste Nakajima HE
  • Teste KWi HE
  • Teste de Diabolo
  • Teste de flexão dupla
  • Teste de tração de furos

Os pesquisadores da SSAB estão trabalhando em um novo conceito para descrever a “conformabilidade de bordas total”. A abordagem utiliza todos os testes listados acima para realizar testes em uma amostra de AHSS em três sentidos diferentes (ε1, ε2 e ε3) para criar um diagrama de limite de conformação (FLD) tridimensional de bordas, traçando os limites de deformação logo antes da trinca.

Os diagramas de limite de conformação tridimensional de bordas são uma boa maneira de comparar visualmente diferentes materiais e sua ductilidade de bordas total. Há também a possibilidade de que eles possam ser usados com eficácia em simulações: fique atento.

Gráfico de superfície

Gostaria de saber mais sobre os FLDs de bordas 3D para nossos aços?

Ou tem dúvidas sobre como determinar a ductilidade de bordas para um grau de AHSS específico e para a aplicação em peças automotivas?

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