UNIVERSIDADE PRESBITERIANA MACKENZIE ENGENHARIA DE...

UNIVERSIDADE PRESBITERIANA MACKENZIE

ESCOLA DE ENGENHARIA

ENGENHARIA DE MATERIAIS

MARCOS ROBERTO DE CASTRO

ESTUDO SOBRE O USO DO AÇO BIFÁSICO COMO MATÉRIA-PRIMA EM

COMPONENTES ESTAMPADOS DE CARROCERIAS VEICULARES

São Paulo

2012

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ESTUDO SOBRE O USO DO AÇO BIFÁSICO COMO MATÉRIA-PRIMA EM


Dissertação de Mestrado apresentada ao programa de Mestrado Profissional em Engenharia de Materiais da Universidade Presbiteriana Mackenzie como requisito parcial à obtenção do título de Mestre em

Engenharia de Materiais.

ORIENTADOR: Prof. Dr. Waldemar Alfredo Monteiro

São Paulo

2012





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C355e Castro, Marcos Estudo sobre o uso do aço bifásico como matéria-prima em

componentes de carrocerias veiculares. / Marcos Castro � São Paulo,

2012.

70 f. ; 30 cm

Dissertação (Profissional em Engenharia de Materiais) - Universidade Presbiteriana Mackenzie - São Paulo, 2012.

Bibliografia : p. 068-069

1. Aço bifásico. 2. Aço avançado de alta resistência. 3. Propriedades Mecânicas. I.Título.

CDD 342.29932





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ESTUDO SOBRE O USO DE AÇO BIFÁSICO COMO MATÉRIA-PRIMA EM


Dissertação de Mestrado apresentada ao programa de Mestrado Profissional em Engenharia de Materiais da Universidade Presbiteriana Mackenzie como requisito parcial à obtenção do título de Mestre em

Engenharia de Materiais.

Aprovado em:_____ de __________________ de 2012.

BANCA EXAMINADORA

__________________________________________

Prof. Dr. Waldemar Alfredo Monteiro

Universidade Presbiteriana Mackenzie

__________________________________________

Prof. Dr. Antônio Augusto Couto

Universidade Presbiteriana Mackenzie

__________________________________________

Prof. Dr. Arnaldo Homobono Paes de Andrade

IPEN � Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares





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AGRADECIMENTOS

Ao Prof. Dr. Waldemar Monteiro, pela orientação no decorrer dos estudos e realização

deste trabalho.

À preciosa contribuição de: Alex Campanharo, Daniel Pante, Erika Ishara, Marcelo

Tonetti, Maria Elisa Ferreira, Anderson Fernandes, Gabriela Spedo, Leandro Macedo, Valdir

Berloffa e Hélio Santos Cardoso.

A todos os amigos pelo incentivo.

À Volkswagen do Brasil.

À Arcelor Mittal Brasil � aços planos.

À Esi-Group � soluções em CAE.

Ao Criador, aos meus pais, meus irmãos e meus sobrinhos.





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RESUMO

Neste trabalho foi analisado um aço conhecido comercialmente por dual phase,

compreendendo a obtenção deste tipo de aço, suas propriedades mecânicas, a relação entre

sua microestrutura e seu desempenho e um comparativo com um aço microligado.

Comparados aos aços convencionais, os aços bifásicos, em virtude do melhor desempenho em

serviço, podem proporcionar redução de peso e consequentemente de custo nos componentes.

O trabalho analisou o aço DP 800 (espessura = 1,2 mm) como potencial material em

substituição a um aço microligado H260 PD (espessura = 1,5 mm) em um componente

estampado de carroceria de um veiculo em produção. Esta troca possibilitou a redução de

20% de massa da peça. Foram estudadas as seguintes características: processamento,

composição química, microestrutura e propriedades mecânicas. Para análise micro estrutural

foi utilizada microscopia óptica. A caracterização química foi feita por meio de um

espectrômetro de emissão óptica. Foram feitos ensaios de tração nos dois materiais em estudo.

O ensaio de tração serviu para a obtenção de curvas tensão-deformação cujos valores

alimentaram softwares de CAE visando simulação de estampagem e crash-test virtual. Com

os resultados dos ensaios e das simulações foi possível verificar a viabilidade da substituição

do aço microligado pelo aço bifásico (dual phase). O aço bifásico apresentou similar

conformabilidade e desempenho em serviço (integridade estrutural na simulação do teste de

impacto frontal).

(palavras-chave = Aços avançados de alta resistência, aços bifásicos, propriedades mecânicas)





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ABSTRACT

In this work it was analyzed a dual phase steel concerning its mechanical properties, the

microstructure and its performance comparing with micro alloyed steel. These steels have the

potential to achieve cost and weight savings while improving performance. The trend for the

use of AHSS (Advanced high strength steels) in automotive industry has grown in the last

decades in an exponential way and has encouraged researches around the world to study

processes that enhance the characteristics of actual steel, in order to optimize weight for fuel

economy and structural stiffness in safety. This work analyzed the DP 800 steel (1.2 mm

thickness) as a potential replacement for steel HSLA (micro alloyed steel) HX 260 PD (1.5

mm thickness) as a component of a vehicle body production. This replacement allowed 20%

mass reduction of the vehicle. It was studied the following characteristics: processing,

chemical composition, microstructure and mechanical properties. For microstructure analysis

has been used optical. The chemical element analysis was made by an optical emission

spectrometer instrument. Tensile tests were made in both materials. The obtained mechanical

values were the input to the CAE software: simulation of stamping and virtual crash test. With

the results of the tests and simulations were able to evaluate the feasibility of replacing steel

micro alloyed steel for dual phase steel. Dual phase steel showed similar formability and

service performance (structural integrity in the crash test simulation).

(keywords = High strength steels, Dual phase steels, mechanical properties)





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LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1.1 � Estrutura de carroceria veicular .....................................................................

Figura 2.1 � Diagrama de fases do sistema Ferro-Carbono ...............................................

Figura 2.2 � Micrografia óptica da ferrita e austenita ........................................................

Figura 2.3 � Micrografia óptica da perlita ..........................................................................

Figura 2.4 � Formação da ferrita e cementita .....................................................................

Figura 2.5 � Curva de transformação isotérmica para aço eutetóide .................................

Figura 2.6 � Micrografia óptica da bainita .........................................................................

Figura 2.7 � Micrografia óptica da ferrita acicular .............................................................

Figura 2.8 � Micrografia óptica da martensita ...................................................................

Figura 2.9 � Micrografia óptica da cementita globulizada .................................................

Figura 2.10 � Micrografia óptica de aço microligado.........................................................

Figura 2.11 � Micrografia óptica de aço bifásico DP600...................................................

Figura 2.12 � Linha de recozimento em caixa ....................................................................

Figura 2.13 � Linha de recozimento contínuo ....................................................................

Figura 2.14 � Gráfico do ciclo de recozimento contínuo ...................................................

Figura 2.15 � Relação do teor de Mn com a tensão máxima e volume de martensita .......

Figura 2.16 � Gráfico representando fases presentes em aço bifásico (AT=760°C)...........

Figura 2.17 � Gráfico representando fases presentes em aço bifásico (AT=930°C)...........

Figura 2.18 � Vista em corte de barra transversal...............................................................

Figura 2.19 � Esquema simplificado de ferramenta de repuxar...........................................

Figura 2.20 � Curva tensão-deformação.............................................................................

Figura 2.21 � CLC gerada a partir do método de Nakajima................................................

Figura 2.22 � Space frame de automóvel............................................................................

Figura 2.23 � Elemento sujeito ao estado plano de tensões................................................

Figura 2.24 � Representação gráfica do critério de Von Mises..........................................

Figura 2.25 � Zonas de deformação na estrutura monobloco.............................................

Figura 2.26 � Simulação de crash test frontal....................................................................

Figura 3.1 � Componente travessa de reforço do assoalho dianteiro ..................................

Figura 3.2 � Modelo em CAD das peças posicionadas para processo de estampagem.......

Figura 4.1 � Diagrama tensão-deformação para aço microligado H260PD........................

Figura 4.2 � Diagrama tensão-deformação para aço microligado DP 800..........................

Figura 4.3 � Microscopia óptica do aço microligado H260PD............................................

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Figura 4.4 � Microscopia óptica do aço bifásico DP 800....................................................

Figura 4.5 � Afinamento de espessura da peça em aço microligado...................................

Figura 4.6 � Afinamento de espessura da peça em aço bifásico.........................................

Figura 4.7 � Análise de tensões da peça em aço microligado.............................................

Figura 4.8 � Análise de tensões da peça em aço bifásico....................................................

Figura 4.9 � Zonas de qualidade de conformação para peça em aço microligado...............

Figura 4.10 � Diagrama CLC para peça em aço microligado..............................................

Figura 4.11 � Zonas de qualidade de conformação para peça em aço bifásico...................

Figura 4.12 � Diagrama CLC para peça em aço bifásico....................................................

Figura 4.13 � Plataforma dianteira no software de simulação de impacto frontal..............

Figura 4.14 � Intrusões no habitáculo - peça em aço microligado......................................

Figura 4.15 � Intrusões no habitáculo - peça em aço bifásico............................................

Figura 4.16 � Deformações na travessa em aço microligado..............................................

Figura 4.17 � Deformações na travessa em aço bifásico.....................................................

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LISTA DE TABELAS

Tabela 4.1 � Análise química do aço microligado H260PD...............................................

Tabela 4.2 � Análise química do aço bifásico DP 800........................................................

Tabela 4.3 � Resultados do ensaio de tração do aço microligado H260PD........................

Tabela 4.4 � Resultados do ensaio de tração do aço bifásico DP 800.................................

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SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ..........................................................................................................

1.1 OBJETIVO GERAL....................................................................................................

1.2 OBJETIVO ESPECÍFICO...........................................................................................

1.3 JUSTIFICATIVA .........................................................................................................

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

2.1 LIGAS FERROSAS .....................................................................................................

2.2 AÇOS............................................................................................................................

2.3 POLIMORFISMO DO ELEMENTO FERRO ............................................................

2.4 SOLUÇÕES SÓLIDAS PARA O FERRO ................................................................

2.5 DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO Fe-C ........................................................................

2.5.1 Principais microestruturas presentes no diagrama Fe-C ............................................

2.5.1.1 Austenita .....................................................................................................................

2.5.1.2 Ferrita .........................................................................................................................

2.5.1.3 Cementita....................................................................................................................

2.5.1.4 Perlita .........................................................................................................................

2.6 ALTERAÇÃO DA VELOCIDADE DE RESFRIAMENTO DAS LIGAS Fe-C ......

2.6.1 A cinética da formação da perlita .............................................................................

2.6.2 Curvas TTT..................................................................................................................

2.6.3 Fases metaestáveis .....................................................................................................

2.6.3.1 Bainita .........................................................................................................................

2.6.3.2 Ferrita acicular ..........................................................................................................

2.6.3.3 Martensita ....................................................................................................................

2.6.3.4 Cementita globulizada ................................................................................................

2.7 PRINCIPAIS TRATAMENTOS TÉRMICOS PARA AÇOS ....................................

2.7.1 Recozimento ................................................................................................................

2.7.2 Normalização ...............................................................................................................

2.7.3 Têmpera .......................................................................................................................

2.7.4 Revenido ......................................................................................................................

2.7.5 Austêmpera ..................................................................................................................

2.7.6 Martêmpera ..................................................................................................................

2.8 MECANISMOS DE ENDURECIMENTO DO AÇO....... ....................................

2.8.1 Refino de grão ........................................................................................................

2.8.2 Solução sólida .........................................................................................................

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2.8.3 Encruamento ..........................................................................................................

2.9 AÇOS PARA CHAPAS..........................................................................................

2.10 AÇOS FERRÍTICOS PARA ESTAMPAGEM.......................................................

2.10.1 Aços refosforados ...................................................................................................

2.10.2 Aços com efeito bake hardening............................................................................

2.10.3 Aços livres de intersticiais......................................................................................

2.10.4 Aços isotrópicos......................................................................................................

2.10.5 Aços microligados ..................................................................................................

2.11 AÇOS AVANÇADOS PARA ESTAMPAGEM....................................................

2.11.1 Aços bifásicos.........................................................................................................

2.11.2 Aços ferrítico-bainíticos..........................................................................................

2.11.3 Aços multifásicos TRIP..........................................................................................

2.11.4 Aços martensíticos..................................................................................................

2.11.5 Aços com plasticidade induzida por maclação (TWIP)..........................................

2.11.6 Aços de grão ultrafino.............................................................................................

2.12 AÇO BIFÁSICO.....................................................................................................

2.12.1 Rotas de fabricação.................................................................................................

2.12.1.1 Laminação a quente................................................................................................

2.12.1.2 Recozimento em caixa............................................................................................

2.12.1.3 Recozimento contínuo............................................................................................

2.12.2 Microestrutura.........................................................................................................

2.12.3 Parâmetros importantes na fabricação do aço bifásico...........................................

2.12.4 Endurecimento por trabalho a frio..........................................................................

2.12.5 Retorno elástico do material em peças estampadas................................................

2.13 A CONFORMAÇÃO MECÂNICA POR ESTAMPAGEM..................................

2.13.1 Parâmetros importantes das chapas para estampagem............................................

2.13.1.1 Tensão de escoamento............................................................................................

2.13.1.2 Tensão máxima de resistência...............................................................................

2.13.1.3 Alongamento..........................................................................................................

2.13.1.4 Coeficiente de encruamento....................................................................................

2.13.1.5 Coeficiente de anisotropia.......................................................................................

2.13.2 Tensão verdadeira e deformação verdadeira..........................................................

2.13.3 Curvas limites de conformação...............................................................................

2.14 CARROCERIA VEICULAR..................................................................................

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2.14.1 Engenharia simultânea............................................................................................

2.14.2 Os sistemas CAE....................................................................................................

2.14.3 Estado plano de tensões.........................................................................................

2.14.4 Estrutura monobloco...............................................................................................

2.14.5 Teste de impacto frontal.........................................................................................

3 MATERIAIS E MÉTODOS ...............................................................................

3.1 AÇO MICROLIGADO x AÇO BIFÁSICO...........................................................

3.2 PRODUTO.............................................................................................................

3.3 ENSAIOS E SIMULAÇÕES..................................................................................

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

4.1 CARACTERIZAÇÃO DAS AMOSTRAS...........................................................

4.2 PROPRIEDADES MECÂNICAS.................................. ......................................

4.3 MICROSCOPIA ÓPTICA.....................................................................................

4.4 SIMULAÇÃO DE ESTAMPAGEM.....................................................................

4.4.1 Afinamento de espessura........................................................................................

4.4.2 Análise de tensões.......................................................................................... .......

4.4.3 Diagramas das curvas de conformação mecânica..................................................

4.5 SIMULAÇÃO DO TESTE DE IMPACTO FRONTAL........................................

5 CONCLUSÃO ......................................................................................................

REFERÊNCIAS ................................................................................................................

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1 INTRODUÇÃO

Sem sombra de duvida, o início da produção em série do automóvel no fim do século

XIX revolucionou o mundo. O novo meio de locomoção foi se tornando parte integrante da

vida das pessoas e um importante componente na dinâmica da economia mundial.

Para sua produção, a madeira era o material utilizado na carroceria. Já no inicio do

século XX se iniciou o emprego do aço, cujas propriedades mecânicas eram indiscutivelmente

superiores as da madeira. Essa substituição se deu pelo avanço das técnicas de manufatura,

que aos poucos possibilitaram aproveitar a versatilidade do aço. O modelo construtivo de

carroceria veicular passou a ser união por solda de componentes em aço estampado a frio.

Na segunda metade do século XX, houve um notável avanço no desenvolvimento de

aços com desempenho superior aos convencionais. A adição de elementos de liga elevou sua

resistência mecânica sem, no entanto comprometer significativamente sua estampabilidade.

Com a crise do petróleo da década de 1970, ocorreu uma demanda mundial pela redução no

consumo de combustíveis.

Essa redução viria pela racionalização de componentes, pela melhor eficiência térmica

dos motores e pela redução de massa dos veículos. Anos mais tarde, a área de segurança

veicular passou a exigir veículos cuja estrutura devesse preservar o habitáculo e deformar-se

progressivamente em pontos específicos. Os efeitos dessa combinação, como são sabidos,

permitiriam maximizar a segurança dos ocupantes. O uso do aço nessa aplicação ainda é

predominante e sobre ele caiu o fardo de propiciar o desenvolvimento de carrocerias com

menor massa, com regiões de deformação controlada e peças de elevada resistência mecânica.

O desafio tem se tornado mais critico à medida que itens de conforto e segurança tem

sido incorporados aos veículos. Os carros precisam ser mais leves, estando mais equipados.

Os componentes precisam ser manufaturáveis e atender às solicitações de trabalho.

Tal demanda levou a engenharia de materiais ao contínuo desenvolvimento de aços

com elevada resistência mecânica combinada a razoável estampabilidade e boa soldabilidade.

Na década de 1990, um consórcio mundial de siderúrgicas encampou o chamado projeto

ULSAB que indicou o uso de aços de alta resistência em vários componentes para carroceria

veicular visando melhorar a resistência estrutural e reduzir peso.





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Figura 1.1 � Estrutura da carroceria veicular. Fonte: Catálogo Arcelor-Mittal 2008.

1.1 OBJETIVO GERAL

Este trabalho visa estudar os aços avançados utilizados na confecção de produtos em

aço estampado a frio de carrocerias veiculares em substituição aos aços convencionais.

1.2 OBJETIVO ESPECÍFICO

Analisar a utilização do aço bifásico (conhecido comercialmente por dual phase) em

produtos estampados de carroceria veicular. Esta análise compreende a obtenção deste tipo de

aço, suas propriedades mecânicas, a relação entre sua microestrutura e seu desempenho e um

comparativo com um aço microligado. A comparação é feita por meio de simulações

computacionais.

1.3 JUSTIFICATIVA

O trabalho se justifica porque está em sintonia com um dos anseios da indústria

automobilística, já que a estampagem é o principal processo de conformação mecânica na

fabricação de componentes para carrocerias veiculares. Peças com melhores propriedades

mecânicas possibilitam em muitos casos, redução de massa do veículo além de resistir melhor

às solicitações de trabalho.





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2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 LIGAS FERROSAS

Entre os materiais mais utilizados na engenharia, destacam-se as ligas ferrosas,

aquelas onde o ferro (Fe) é o principal constituinte. Esse predomínio se deve a abundância do

minério de ferro na crosta terrestre, à relativa facilidade de extração e processamento e à

versatilidade de utilização. O segundo constituinte principal das ligas ferrosas é o carbono

(C). Seu teor é que define o tipo de liga ferrosa. Em uma liga binária (dois elementos) de

Ferro e Carbono cujo teor deste último fica entre 0,008 a 2,14% é classificada como aço. De

2,11 a 6,7 % tem-se ferro fundido. Uma liga Fe-C com teores de carbono abaixo de 0,008% é

classificada como ferro comercialmente puro.

2.2 AÇOS

Comercialmente são raras as ligas ferrosas binárias. Além do ferro e do carbono, são

adicionados outros elementos de liga com o objetivo de melhorar propriedades mecânicas ou

tornar o material resistente à corrosão, por exemplo. Combinando-se teores de carbono e

outros elementos, além de tratamentos térmicos diversos, é possível obter tipos de aços para

as mais variadas aplicações. Há muitas classificações para os aços, mas a mais comum é

aquela que considera o teor de carbono.

Os aços com baixo teor de carbono, 0,25%C (em peso), normalmente possuem baixa

resistência mecânica e alta ductilidade. São utilizados em tubulações, componentes de

carrocerias veiculares e aplicações sem severa solicitação mecânica. Além disso, tem boa

usinabilidade e boa soldabilidade. Ao serem adicionados elementos de liga como por

exemplo, vanádio, nióbio e tungstênio, o aço tem apreciável melhora nas propriedades

mecânicas e passa a ser chamado de aço de alta resistência e baixa liga. Com o teor de

carbono entre 0,25 a 0,6% em peso, têm-se os aços com médio teor de carbono. São ligas

passivas de serem tratadas termicamente. Por isso, comparadas às ligas com baixo teor de

carbono, estas ligas apresentam maior resistência mecânica. A desvantagem se dá com

alguma perda de ductilidade e tenacidade. A soldabilidade também pode ser sacrificada.

Quanto maior o teor de carbono, maior a temperabilidade do material com possível

fragilização. Como principais aplicações têm-se rodas de trem, engrenagens, peças motrizes

de máquinas e componentes estruturais. Da mesma forma que nos aços de baixo teor de

carbono, a adição de elementos de liga pode alterar características do material. Os aços com

alto teor de carbono entre 0,6 a 1,4% C em peso são os mais duros e resistentes, porem menos

dúcteis entre os aços carbono. Normalmente são utilizados na confecção de ferramentas para





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operações de corte e conformação mecânica. Com a adição de elementos de liga apresentam

notável resistência mecânica e dureza.

2.3 POLIMORFISMO DO ELEMENTO FERRO

A variedade de ligas ferrosas e em particular dos aços se deve, entre outras razões pelo

polimorfismo do elemento ferro. À medida que o ferro sólido é aquecido seus átomos sofrem

rearranjos. Até 912°C o ferro apresenta a estrutura cristalina CCC (Cúbica de corpo centrado)

e é chamado de Fe á. Continuando a fornecer calor ao material, após 912°C a estrutura

cristalina passa a ser CFC (Cúbica de faces centradas) e é chamado Fe ã. Após 1394°C o ferro

volta a ser CCC e é chamado Fe ä. À temperatura de 1538°C o ferro passa para o estado

líquido e a 2875°C para o estado gasoso. Para a maioria das aplicações práticas os objetivos

principais de estudo são o Fe á e o Fe ã. Com a elevação da temperatura, aumenta-se a

vibração atômica e como consequência, o parâmetro de rede (dimensão da aresta da célula

unitária da estrutura cristalina).

A medida da densidade volumétrica da célula unitária é chamada de fator de

empacotamento (FE) e é dada pela fórmula: ܧܨ ൌ

n = número de átomos inteiros na célula.

Va = volume do átomo

Vc = volume da célula

Para as estruturas cúbicas, tem-se:

FE=0,68 para CCC

FE= 0,74 para CFC

FE=0,54 para CS (Cúbica simples)

2.4 SOLUÇÕES SÓLIDAS PARA O FERRO

Uma solução sólida é formada quando átomos de um elemento são adicionados a uma

matriz de outro elemento de maneira que a estrutura cristalina do material não seja alterada. O

material hospedeiro é chamado de solvente e o adicionado é chamado de soluto. A solução

sólida pode ser intersticial ou substitucional. A solução sólida intersticial se caracteriza pela

mistura dos materiais quando o soluto apresenta átomos de raio atômico pequeno se

comparados aos átomos de solvente. Assim, podem se alojar entre os átomos do material





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matriz. Na solução sólida substitucional, os raios atômicos dos elementos têm dimensões

semelhantes. Um átomo do soluto ocupa o mesmo lugar de um átomo de solvente.

Apesar da estrutura cristalina CFC possuir maior fator de empacotamento que a

estrutura CCC, os espaços intersticiais são maiores. A conclusão é que o ferro, quando

disposto em estrutura CFC apresenta maior solubilidade que quando em CCC. De acordo com

o descrito acima, à temperatura ambiente, o ferro possui estrutura CCC e a temperaturas mais

altas, estrutura CFC. Os espaços entre os átomos de ferro podem ser vãos tetraédricos ou vãos

octaédricos. Os vãos tetraédricos tem esse nome porque um átomo intersticial neste espaço

estará equidistante de 4 átomos de Ferro e os octaédricos de 8 átomos. O carbono não forma

solução sólida substitucional neste caso, pois seu raio atômico (0,71Å) é consideravelmente

menor que o do ferro (1,25Å). A solubilidade máxima do carbono no ferro à temperatura

ambiente é de apenas 0,008%. Mas à temperatura de 1147°C chega a 2,14%. Essa

porcentagem delimita a separação entre os dois principais produtos siderúrgicos.

2.5 O DIAGRAMA DE EQUILIBRIO Fe-C

Um estudo sobre os aços envolve necessariamente a compreensão do diagrama de

equilíbrio Fe-C (figura 2.1). O equilíbrio termodinâmico entre dois elementos ocorre quando

sua estrutura não se altera com o tempo. O diagrama Fe-C convencionalmente utilizado não

representa um diagrama de equilíbrio, pois apresenta uma fase metaestável em uma de suas

extremidades: a Cementita ou carbeto de Ferro (ܨଷܥሻ. O uso do diagrama com esta fase

metaestável é perfeitamente aceitável, pois a decomposição da cementita em ferro e grafita é

extremamente lenta.

Por meio do diagrama é possível obter inúmeras informações. O ferro de estrutura

CCC é chamado de ferrita e o de estrutura CFC é chamado de austenita. Variando-se o teor de

carbono e as temperaturas, são várias as estruturas resultantes possíveis. À temperatura

ambiente, a liga com mais de 0,008% de carbono possui uma estrutura de duas fases: Fe á e

cementita. A liga ferro-carbono, ao ser aquecida, tem na estrutura uma alteração polimórfica,

cujo resultado dependerá do teor de carbono e da temperatura final.

No estudo dos aços um ponto muito importante no diagrama Fe-C ocorre no teor de

0,76% de carbono. Este ponto é chamado de eutetóide.





Figura 2.1- Diagrama de fases do sistema ferro

2.5.1 Principais microestruturas presentes no diagrama Fe

2.5.1.1 Austenita: é o ferro

727°C. Possui boa resistência mecânica e tenacidade e não é magnética.

tratamentos térmicos, os materiais

processo.

2.5.1.2 Ferrita: é o ferro

apreciável alongamento.

Figura 2.2: Micrografia

Diagrama de fases do sistema ferro-carbono. Fonte: Callister, 2006

Principais microestruturas presentes no diagrama Fe-C

Austenita: é o ferro ã (CFC). Nos aços carbono comuns é estável acima de

C. Possui boa resistência mecânica e tenacidade e não é magnética.

entos térmicos, os materiais devem ser aquecidos até o campo austenítico em seu

Ferrita: é o ferro á (CCC). Possui baixa dureza e resistência à tração, mas

: Micrografias ópticas da ferrita e austenita. Fonte: Chiaverini 2008.

18

. Fonte: Callister, 2006

(CFC). Nos aços carbono comuns é estável acima de

C. Possui boa resistência mecânica e tenacidade e não é magnética. Em muitos

devem ser aquecidos até o campo austenítico em seu

(CCC). Possui baixa dureza e resistência à tração, mas

Fonte: Chiaverini 2008.





2.5.1.3 Cementita: é o carbeto de ferro

extremamente dura. Nos aços de alto carbono é responsável pela

ductilidade.

2.5.1.4 Perlita: é solução sólida composta de 88,5% de ferrita e 11,5% de cementita. É

a microestrutura que ocorre no teor de carbono do ponto eutetóide (0,76%C). A perlita possui

uma estrutura em lâminas alternadas de

propriedades mecânicas têm grandezas intermediárias entre as da ferrita e cementita.

A proporção de perlita num aço carbono cresce de 0% até 100% num aço eutetóide

(0,76%C) e depois decresce conforme o teor de c

carbono inferiores a 0,76% são chamadas de hipoeutetóides. Nessas ligas a microestrutura

presente é constituída de uma matriz de ferrita com porções de perlita. As ligas com teores de

carbono entre 0,76% e 2,14% s

ligas hipereutetóides é formada por perlita envolta por veios de cementita.

Conforme já mencionado, raramente ocorre na prática um aço constituído de uma liga

binária. A adição de elementos de lig

variações ocorrem nas extensões das fases e nos pontos que posicionam as curvas, sendo o

mais importante deles, o ponto eutetóide.

Figura 2.3 Micrografia óptica da perlita (as áreas claras correspondem à

Cementita: é o carbeto de ferro . Por causa do alto teor de carbono é

extremamente dura. Nos aços de alto carbono é responsável pela elevada dureza e baixa

Perlita: é solução sólida composta de 88,5% de ferrita e 11,5% de cementita. É


uma estrutura em lâminas alternadas de ferrita e cementita (figura 2.4)



(0,76%C) e depois decresce conforme o teor de carbono é aumentado. As ligas com teores de



carbono entre 0,76% e 2,14% são chamadas de ligas hipereutetóides. A microestrutura das

ligas hipereutetóides é formada por perlita envolta por veios de cementita.


binária. A adição de elementos de liga pode causar variações no diagrama Fe


mais importante deles, o ponto eutetóide.

Micrografia óptica da perlita (as áreas claras correspondem à ferrita e as escuras à c

Fonte: Callister, 2006.

19

. Por causa do alto teor de carbono é

elevada dureza e baixa

Perlita: é solução sólida composta de 88,5% de ferrita e 11,5% de cementita. É


(figura 2.4). Assim suas



arbono é aumentado. As ligas com teores de



ão chamadas de ligas hipereutetóides. A microestrutura das


a pode causar variações no diagrama Fe-C. Essas


ferrita e as escuras à cementita).





2.6 EFEITOS DA ALTERAÇÃO NA VELOCIDADE DE RESFRIAMENTO DAS

LIGAS Fe-C

O diagrama de equilíbrio contempla apenas as variáveis temperatura e composição

química não considerando os tempos das reaç

resfriamento de uma liga austenitizada é de grande relevância, pois se for elevada, gerará

fases com outros tipos de microestruturas

da austenita levando em consideração

de curvas TTT (tempo, temperatura, transformação). Para cada composição química, há um

diferente gráfico. Nas transformações de fases, feitas de maneira lenta, o processo presente é o

da difusão atômica. A austenita dará origem à ferrita e c

já mencionado, constituída de lâminas alternadas de cement

ferrita varia de acordo com a taxa de resfriamento, sendo equiaxial quando formada em

resfriamento lento, passando a forma acicular quando formada sob resfriamento rápido. Os

contornos de grão são gerados preferencialmente em torno do grão austenítico.

2.6.1 A cinética da formação da p

A perlita nucleia nos contornos de grão austenítico, quando esta se apresenta de forma

homogênea. Quando ocorrem gradientes de concentração de carbono e partículas dispersas, a

perlita pode nuclear também no interior do

À medida que ocorre a nucleação de cementita, cai o teor de carbono nas regiões

vizinhas. O resultado final deste processo é a formação da

da fase ferrita, há mais segregação de carbono para a austenita

concomitantemente e fazem com que a microestrutura resultante seja a de lâminas alternadas

(figura 2.4).

Figura 2.4 �

EFEITOS DA ALTERAÇÃO NA VELOCIDADE DE RESFRIAMENTO DAS


química não considerando os tempos das reações. No caso do Fe-C, a velocidade de


outros tipos de microestruturas, não presentes no diagrama Fe-C. A decomposição

da austenita levando em consideração a variável tempo pode ser representada nos diagramas



A austenita dará origem à ferrita e cementita. A perlita é uma fase, como

já mencionado, constituída de lâminas alternadas de cementita e ferrita. A morfologia da

errita varia de acordo com a taxa de resfriamento, sendo equiaxial quando formada em



A cinética da formação da perlita



perlita pode nuclear também no interior do grão austenítico.


vizinhas. O resultado final deste processo é a formação da ferrita. Conforme há o crescimento

errita, há mais segregação de carbono para a austenita. Esses processos ocorrem


� Formação da ferrita e cementita (perlita). Fonte: Mei, 2010.

20

EFEITOS DA ALTERAÇÃO NA VELOCIDADE DE RESFRIAMENTO DAS


C, a velocidade de


C. A decomposição

a variável tempo pode ser representada nos diagramas



ementita. A perlita é uma fase, como

ita e ferrita. A morfologia da

errita varia de acordo com a taxa de resfriamento, sendo equiaxial quando formada em






errita. Conforme há o crescimento

. Esses processos ocorrem


(perlita). Fonte: Mei, 2010.





2.6.2 Curvas TTT

O diagrama de curvas de transformações isotérmicas representa as transformações de

fases que ocorrem em uma liga com uma determinada composição química, observando a

temperatura e tempo de transformação. No caso das ligas ferrosas, esta é austenitizada, so

um resfriamento rápido e então é mantida a uma temperatura constante a fim de se obter uma

microestrutura objetivo. Uma vez iniciado o processo de formação de uma fase, para se obter

outra fase é necessário novamente austenitizar a liga.

Há também o diagrama de transformações por resfriamento contínuo

representa a maior parte das transformações realizadas na prática. Neste tipo de

transformação, a liga aquecida sofre resfriamento a uma taxa controlada para a obtenção das

microestruturas desejadas.

Figura 2.5 - Curva de transformação isotérmica para aço eutetóide (0,8% C).



temperatura e tempo de transformação. No caso das ligas ferrosas, esta é austenitizada, so



outra fase é necessário novamente austenitizar a liga.

agrama de transformações por resfriamento contínuo



Curva de transformação isotérmica para aço eutetóide (0,8% C). Fonte: Callister, 2006.

21



temperatura e tempo de transformação. No caso das ligas ferrosas, esta é austenitizada, sofre



(figura 2.5), que



Callister, 2006.





2.6.3 Fases metaestáveis

As fases metaestáveis não estão presentes no diagrama Fe

ao aumento na taxa de resfriamento da austenita. As fases metaestáveis são também

responsáveis pela grande variedade dos aços.

2.6.3.1 Bainita

A região da curva TTT mais próximo do eixo das ordenadas é conhecida por nariz ou

joelho. Quando um aço carbono é resfriado rapidamente para temperaturas abaixo do nariz da

curva TTT e mentido nessa temperatura, se forma a estrutura

feixes de ferrita com carbonetos entre estes feixes

de grão austenítico. As placas que formam a

com o auxílio da microscopia eletrônica. Os carbonetos da

nanômetros. A transformação bainítica concorre com a perlítica. Observand

TTT, se o resfriamento inicial não levar a uma temperatura abaixo do �nariz� da curva (para

posterior transformação isotérmica) a estrutura resultante será perlita. A

resistência mecânica que a perlita.

Figura 2.6

2.6.3.2 Ferrita acicular

Os mecanismos de formação da

diferença entre ambas em relação à microestrutura é que a ferrita acicular

em inclusões não metálicas e no interior do grão.

Fases metaestáveis

As fases metaestáveis não estão presentes no diagrama Fe-C e sua formação se deve


responsáveis pela grande variedade dos aços.


no é resfriado rapidamente para temperaturas abaixo do nariz da

curva TTT e mentido nessa temperatura, se forma a estrutura bainita. A bainita é formada por

feixes de ferrita com carbonetos entre estes feixes (figura 2.6). A bainita nucleia no contorno

grão austenítico. As placas que formam a bainita são tão finas que só se pode observá

com o auxílio da microscopia eletrônica. Os carbonetos da bainita têm dimensões na escala de

nanômetros. A transformação bainítica concorre com a perlítica. Observand


posterior transformação isotérmica) a estrutura resultante será perlita. A bainita possui maior

resistência mecânica que a perlita.

Figura 2.6 - Micrografia óptica da bainita. Fonte: Mei, 2010.

cicular

Os mecanismos de formação da bainita e da ferrita acicular são muito semelhantes. A

diferença entre ambas em relação à microestrutura é que a ferrita acicular (figura 2.7

em inclusões não metálicas e no interior do grão.

22

C e sua formação se deve



no é resfriado rapidamente para temperaturas abaixo do nariz da

ainita é formada por

ainita nucleia no contorno

ainita são tão finas que só se pode observá-las

ainita têm dimensões na escala de

nanômetros. A transformação bainítica concorre com a perlítica. Observando o diagrama


ainita possui maior

errita acicular são muito semelhantes. A

(figura 2.7) nucleia





Figura 2.7 - Micrografia óptica da f

2.6.3.3 Martensita

A martensita é uma fase metaestável muito importante, pois entre todas, é a que

apresenta a maior resistência mecânica e dureza. É obtida a partir do resfriamento brusco da

austenita (por exemplo, na água). A velocidade de resfriamento deve ser rápida de maneira

que a difusão não tenha tempo de se processar. A transformação é efetuada por cis

A microestrutura da martensita tem a forma de agulhas

TCC, tetragonal de corpo centrado. Entre os átomos de ferro, nos vértices, estão os átomos de

carbono. Isso faz com que a célula unitária esteja sempre tensionada

dureza e resistência da martensita. Tanta dureza traz consigo fragilidade que é atenuada

através do tratamento térmico de Revenimento.

Figura 2.8 - M

Micrografia óptica da ferrita acicular. Fonte: Mei, 2010

artensita é uma fase metaestável muito importante, pois entre todas, é a que

resistência mecânica e dureza. É obtida a partir do resfriamento brusco da


que a difusão não tenha tempo de se processar. A transformação é efetuada por cis

artensita tem a forma de agulhas (figura 2.8). A estrutura cristalina é


carbono. Isso faz com que a célula unitária esteja sempre tensionada. Isso pode explicar

artensita. Tanta dureza traz consigo fragilidade que é atenuada

através do tratamento térmico de Revenimento.

Micrografia óptica da martensita. Fonte: Callister, 2006.

23

artensita é uma fase metaestável muito importante, pois entre todas, é a que

resistência mecânica e dureza. É obtida a partir do resfriamento brusco da


que a difusão não tenha tempo de se processar. A transformação é efetuada por cisalhamento.

. A estrutura cristalina é


. Isso pode explicar a alta

artensita. Tanta dureza traz consigo fragilidade que é atenuada





2.6.3.4 Cementita globulizada

A cementita globulizada se forma quando uma liga de

bainítica é aquecida a uma temperatura ligeiramente abaixo da temperatura do ponto eutetóide

por um período relativamente longo (por exemplo, a 700

lamelas alternadas de ferrita e cementita dão lugar a uma microestrutura de matriz ferrítica

com partículas de cementita em formato semelhante á de esferas

transformação ocorre por difusão adicional de carbono. A presença

confere ao material excelente ductilidade sendo, portanto, uma microestrutura apreciável para

aços de fácil usinagem.

Figura 2.9 � Micrografia óptica da matriz ferrítica com partículas de cementita

2.7 PRINCIPAIS TRATAMENTOS TÉRMICOS PARA AÇOS

Após o estudo das fases, convém conhecer os principais tratamentos térmicos

empregados nos aços. Os tratamentos térmicos constituem o meio mais comum para se alterar

uma microestrutura. As microestruturas costumam ser alteradas quando se objetiva a melhoria

de características de um material, como por exemplo: resistência, dureza, resiliência,

tenacidade, ductilidade, etc.

2.7.1 Recozimento

O recozimento visa reduzir a dureza do aço e melho

tipos de recozimento são: pleno, que consiste em austenitizar o aço e em seguida resfria

lentamente. A temperatura do tratamento costuma ser de aproximadamente 50

lobulizada

A cementita globulizada se forma quando uma liga de microestrutura


por um período relativamente longo (por exemplo, a 700°C por entre 18


com partículas de cementita em formato semelhante á de esferas (figura 2.9)

transformação ocorre por difusão adicional de carbono. A presença de cementita globulizada


Micrografia óptica da matriz ferrítica com partículas de cementita globulizada.

Fonte: Callister, 2006.

PRINCIPAIS TRATAMENTOS TÉRMICOS PARA AÇOS



microestruturas costumam ser alteradas quando se objetiva a melhoria


visa reduzir a dureza do aço e melhorar a usinabilidade. Os principais

tipos de recozimento são: pleno, que consiste em austenitizar o aço e em seguida resfria

lentamente. A temperatura do tratamento costuma ser de aproximadamente 50

24

microestrutura perlítica ou


C por entre 18 e 24 horas). As


(figura 2.9). Esta

de cementita globulizada


globulizada.



microestruturas costumam ser alteradas quando se objetiva a melhoria


rar a usinabilidade. Os principais

tipos de recozimento são: pleno, que consiste em austenitizar o aço e em seguida resfria-lo

lentamente. A temperatura do tratamento costuma ser de aproximadamente 50°C acima da





25

linha A3 (no diagrama Fe-C é a linha entre as fases á+ã e austenita); subcrítico, quando a

temperatura fica abaixo da linha A1 (linha no diagrama Fe-C entre á+cementita e cementita),

normalmente empregado para recuperar a ductilidade de um aço encruado; esferoidização,

feito a temperaturas próximas da linha A1 por tempo prolongado, dando origem à formação

da cementita globulizada, que confere excelente usinabilidade ao material.

2.7.2 Normalização

Consiste em austenitizar o aço e depois resfriar ao ar. Tem por objetivo aliviar tensão e

tornar a estrutura do material mais homogênea.

2.7.3 Têmpera

A têmpera ocorre quando se aquece um aço normalmente de médio e alto carbono até

sua completa austenitização seguido de um resfriamento brusco para a formação da

microestrutura martensítica. O resfriamento pode ser ao ar, em água ou em óleo. A escolha

depende da composição da liga

2.7.4 Revenido

O revenido é o processo precedido da têmpera e é aplicado para aumentar a tenacidade

do material e, portanto reduzir sua fragilidade. Deve-se aquecer o aço temperado à alta

temperatura durante um período curto para se iniciar a reação á + cementita.

2.7.5 Austêmpera

Consiste em temperar o aço do campo austenítico até uma temperatura abaixo do

�nariz� da curva TTT sem no entanto, atingir o campo martensítico. Esta temperatura deve ser

mantida até que a formação da bainita seja concluída.

2.7.6 Martêmpera

Tem por objetivo endurecer a liga evitando as trincas que muitas vezes aparecem nas

têmperas convencionais. Na Martêmpera, o resfriamento é interrompido por alguns instantes a

uma temperatura pouco superior à temperatura de início da transformação martensítica. Desta

forma são reduzidos substancialmente os gradientes térmicos.

Além dos tratamentos térmicos existem também os chamados tratamentos termo

químicos, cujo objetivo principal é aumentar a dureza e a resistência ao desgaste da superfície

do material mantendo o núcleo dúctil. Os processos ocorrem com a formação de uma camada

por meio da difusão de elementos químicos, como por exemplo: carbono (cementação),

nitrogênio (nitretação), boro (boretação) ou a combinação de mais elementos (carbono e

nitrogênio = carbonitretação).





26

2.8 MECANISMOS DE ENDURECIMENTO DO AÇO

Os tratamentos térmicos são realizados para melhorar algumas propriedades

mecânicas do material. Essa melhora se deve às alterações que estes tratamentos provocam na

microestrutura. A têmpera promove a aparição de uma fase metaestável de estrutura

tetragonal de corpo centrado (martensita) no lugar da estrutura CCC tendo os átomos de

carbono posicionados de tal maneira que a célula fica tensionada. Esta disposição torna esta

estrutura extremamente resistente. A fim de melhorar a resistência do material, conservando

as características da fase original, têm-se as seguintes possibilidades:

2.8.1 Refino de grão: um material com grãos menores possui maior resistência

mecânica que o mesmo material com grãos maiores. O refino do grão é possível através de

parâmetros no tempo e na temperatura nas fases de laminação a quente e por meio de

tratamentos térmicos. A adição de elementos de liga também pode favorecer o refino do grão.

2.8.2 Solução sólida: a solução sólida é obtida através da adição de elementos de liga

ao material original. Os elementos adicionados são átomos intersticiais (que se alojam nos

vãos entre os átomos do solvente) ou substitucionais (de características semelhantes aos do

solvente, se alojam em espaços vazios na microestrutura). A presença destes elementos não

altera a fase do material.

2.8.3 Encruamento: pela deformação a frio, um material sofre um acréscimo no

número de defeitos de linha (discordâncias). Este processo torna as discordâncias dispostas de

tal maneira que sua movimentação torna-se bastante prejudicada o que contribui para o

aumento da resistência do material.

2.9 AÇOS PARA CHAPAS

Chapas finas de aço são os produtos planos com espessura entre 0,3 e 6 mm e largura

igual ou superior a 300 mm. Os aços para chapas normalmente são dúcteis o que proporciona

facilidade para a conformação. Além disso, apresentam boa soldabilidade e superfície sem

defeitos.

As chapas são produzidas a partir da laminação a quente ou a frio. Os produtos

laminados a frio são na verdade, produtos acabados confeccionados de produtos laminados a

quente, que atingem certa espessura a quente e chegam à espessura final por laminação a frio.

A laminação a frio confere ao material excelente acabamento superficial. O processo de

laminação a frio traz consigo o encruamento do material que é o endurecimento pelo trabalho

a frio. Após a laminação a frio, as chapas são submetidas ao tratamento de recozimento que

pode ser em caixa ou contínuo.





27

No recozimento em caixa, as bobinas são colocadas em fornos vedados e deixadas a

temperaturas abaixo da temperatura do eutetóide por várias horas. No recozimento contínuo a

tira de aço é mantida desbobinada tendo assim garantida a uniformidade das temperaturas

aplicadas em todo o material.

Quando se necessita de maior resistência à corrosão, é aplicado um tratamento

superficial ao material. Têm sido desenvolvidos inúmeros tipos de proteção superficial de

acordo com a utilização do material. Esses revestimentos têm de fazer seu papel e conservar a

baixa rugosidade e, portanto, manter o apreciável acabamento superficial. Podem ser por

imersão em tanques com metal líquido (metal que constituirá a camada protetora),

eletrodeposição e outros.

Entre os vários processos de revestimento superficial é possível destacar a zincagem,

onde o zinco, por eletrodeposição formará a camada protetora do aço. A chapa é ionizada

negativamente e o zinco líquido é ionizado positivamente neste processo. O zinco protege o

aço contra o ataque corrosivo de vários meios e, sendo eletroquimicamente mais ativo que o

aço, atua como protetor galvânico. Há ainda o revestimento por: estanho (eletrodeposição ou

imersão a quente) muito utilizado para embalagem de alimentos por não ser tóxico e

apresentar aspecto decorativo; alumínio, quando se objetiva resistência ao calor e à corrosão;

anodização, aplicada a um aço galvanizado com excelente resistência à corrosão, ao desgaste,

ao aquecimento e à abrasão sendo processada a partir da imersão das peças acabadas num

eletrólito simples e pela aplicação de uma voltagem durante até 10 minutos; a fosfatização

antecede a pintura e se constitui de um tratamento onde o aço é imerso em ácido fosfórico,

fazendo com que a superfície fique convertida numa camada integral de um composto

fosfatado cristalino insolúvel; pintura, feita sobre um aço galvanizado confere ao material

maior durabilidade e efeito decorativo.

A condição de superfícies das chapas tem grande importância nas propriedades de

serviço, em especial na conformação mecânica por estampagem e em processos de pintura. A

qualidade da superfície é caracterizada pelos tratamentos químicos, pela lubrificação e pela

topografia (rugosidade).

2.10 AÇOS FERRÍTICOS PARA ESTAMPAGEM

Os aços ferríticos são aqueles cuja matriz da microestrutura é a ferrita. Muito se

avançou no desenvolvimento de aços de fases complexas, mas os ferríticos também tiveram





28

interessantes progressos atendendo satisfatoriamente várias aplicações. O aço ferrítico básico

é o composto somente de ferro e carbono, com baixo teor de carbono e de intersticiais.

Apresenta boa soldabilidade e conformabilidade e baixa resistância mecânica.

Dentre os novos tipos de aços ferríticos, é possível destacar os seguintes tipos:

2.10.1 Aços Refosforados: a solução sólida pode ser considerada um meio barato de

aumentar a resistência mecânica do aço sem grande perda de estampabilidade. O fósforo

geralmente é visto como impureza e seu teor é objetivo de redução tanto quanto possível.

Testes têm demonstrado que em teores pequenos, o fósforo aumenta a resistência mecânica

com pouca perda na ductilidade. A adição deste elemento traz o aumento no coeficiente de

anisotropia. Na prática o limite do teor de P está em torno de 0,1%. Acima disso, a tendência

é o material se tornar frágil. Os aços refosforados têm sido muito utilizados em painéis

externos de porta de automóveis. O acréscimo na resistência mecânica traduz-se em

resistência ao vinco, qualidade desejável numa peça suscetível a pequenos choques.

2.10.2 Aços com efeito bake hardening: são aços com a característica de endurecerem

quando deformados e posteriormente expostos sob temperaturas da ordem de 170 °C por

algumas horas. São aços originalmente com baixo limite de escoamento (200 MPa) mas que

têm um acréscimo de 40 MPa após o tratamento térmico. Caso a peça venha a ser pintada, a

temperatura da estufa e o posterior envelhecimento já serão suficientes para provocar o efeito

de endurecimento. A ductilidade do material após o processo é bastante afetada, mas como a

peça já foi estampada, isso não prejudica o processo.

2.10.3 Aços livres de intersticiais: são chamados de aços IF do inglês: Intertitial free.

São muito utilizados em painéis de carrocerias veiculares. Apresentam excelente

estampabilidade devido à presença quase nula de intersticiais (C e N menores que 0,003 e

0,004% respectivamente). Essa condição proporciona baixo limite de escoamento e alta

resistência à redução de espessura sob deformação a frio. O alongamento destes aços chega a

37% e coeficiente de anisotropia na ordem de 1,9.

2.10.4 Aços isotrópicos: chapas com alta resistência mecânica tendem a ter maior grau

de anisotropia. O alto grau de anisotropia favorece a irregularidade nas extremidades das

peças submetidas à operação de repuxo. Quanto mais isotrópico for o material, menos

irregular será a linha do contorno externo da peça estampada. Os aços isotrópicos são obtidos

por meio de condições específicas: nas temperaturas de acabamento da laminação de tiras a





29

quente; nos graus de deformação da laminação a frio; na temperatura de recristalização;

tratamento térmico de normalização; micro adições de Titânio (Ti).

2.10.5 Aços microligados: são materiais utilizados com muito sucesso em várias

aplicações na indústria automobilística, fabricados a partir de micro adições de elementos de

liga, sendo os mais comuns, Nióbio (Nb), Titânio (Ti) e Vanádio (V). Esses elementos

promovem o endurecimento por refino de grão e precipitação. Podem fixar os átomos

intersticiais solubilizados em precipitados. Nos ciclos de recozimento em caixa e contínuo, os

elementos de liga atrasam a cinética da recristalização da ferrita o que proporciona refino do

grão. O coeficiente de anisotropia também sofre um decréscimo o que significa uma pequena

diminuição na estampabilidade.

Os aços microligados podem apresentar em sua microestrutura, ferrita acicular, que ao

contrário da ferrita poligonal, tem discordâncias que aumentam sua resistência mecânica.

Figura 2.10 - Micrografia óptica de aço microligado. Fonte: Catálogo Arcelor Mittal, 2008.

2.11 AÇOS AVANÇADOS PARA ESTAMPAGEM

Além dos ferríticos, houve o avanço no desenvovimento de outros tipos de aços por

meio do conhecimento das características de cada uma das fases possíveis combinado ao

estudo dos efeitos dos elementos de liga. A microestrutura com várias fases se revelou uma

opção muito interessante para várias aplicações.

2.11.1 Aços bifásicos: o aço bifásico é aquele que possui duas fases em sua

microestrutura: uma matriz, dúctil e uma dispersa, dura. Normalmente os aços bifásicos

possuem 80 a 85% de ferrita poligonal e 15 a 20% de martensita dura. A fase dura é isolada e





30

fica ao lado dos contornos de grão da fase ferrítica. Essa microestrutura apresenta

características que lhe asseguram boa conformabilidade. Não há patamar de limite de

escoamento como ocorre nos aços ferríticos comuns. O coeficiente de encruamento costuma

ser alto (0,2 a 0,3) e tem considerável limite de resistência (entre 620 e 655 MPa). O

alongamento normalmente fica acima de 27%. Assim, o aço bifásico possui estampabilidade

próxima a um aço comum de baixo carbono e resistência mecânica similar (às vezes superior)

a um aço microligado.

Figura 2.11 � Microscopia óptica de aço bifásico DP 600 (as ilhas claras são de martensita envoltas

pela matriz ferrítica). - Fonte: Catálogo Arcelor, 2008.

2.11.2 Aços ferrítico-bainíticos: são aços também de duas fases, mas com bainita no

lugar de martensita. Esses aços possuem menores pontos de concentração de tensões. A

ductilidade é superior a dos bifásicos com alguma perda na resistência mecânica. Devido à

tenacidade e ductilidade são muito utilizados na fabricação de rodas de automóveis.

2.11.3 Aços multifásicos TRIP (Transformation-induced-plasticity ou plasticidade

induzida por transformação): são aços onde a austenita retida transforma-se em martensita à

temperatura ambiente, sob deformação. São fabricados de maneira a apresentar 20% de

austenita retida após o processo de recozimento contínuo. São aços de fabricação e

processamento complexos, dado o desafio de conservar considerável quantidade de austenita

à temperatura ambiente e a variação na ductilidade durante a conformação a frio. Esses aços

são muito utilizados em componentes que tem relação direta com a segurança veicular.





31

2.11.4 Aços martensíticos: a martensita é a microestrutura predominante. O limite de

resistência é ajustado pelo teor de C. São aços utilizados no processo de estampagem a

quente. O aço deve ser auto-temperável, e utiliza o elemento químico boro (B). O processo de

estampagem a quente se inicia com a proteção da superfície da tira para descarbonetação e

oxidação por um revestimento a base de AlSi. O material desbobinado entra num forno

contínuo de 23 m de comprimento, saindo do mesmo, sete minutos depois, a temperaturas

entre 850 e 950°C. Então ele é estampado e resfriado na própria matriz. As peças saem com

resistência extrema chegando a ordem de 1500 MPa. Um dos tipos mais utilizados atualmente

é o aço 22MnB5 com resistência mecânica de 1050 MPa.

2.11.5 Aços com plasticidade induzida por maclação (TWIP): se utilizam da

deformação por reorientação de regiões macladas. Possuem alta concentração de manganês e

considerável Silício e Alumínio. São aços austeníticos, antes e após a deformação plástica. O

efeito TWIP aumenta simultaneamente resistência mecânica e ductilidade.

2.11.6 Aços de grão ultrafino: formam uma categoria de desenvolvimento ainda

recente. Os aços de grão ultrafino (tamanho de 1ìm) exigem técnicas complexas para

fabricação. O ganho de resistência mecânica é considerável, mas a perda de ductilidade é algo

que ainda precisa ser atenuada.

2.12 AÇO BIFÁSICO

Na produção dos aços bifásicos, a matriz ferrítica se forma em primeiro lugar,

enriquecendo a austenita remanescente com C e outros elementos de liga. Assim, a austenita

ganha temperabilidade sob temperaturas mais baixas. O desenvolvimento dos primeiros aços

bifásicos se deu na década de 70 onde o material era obtido diretamente do laminador de tiras

a quente.

2.12.1 Rotas de fabricação

2.12.1.1 Laminação a quente: para chapas com espessuras entre 2 e 5 mm, utiliza-se a

laminação de tiras a quente. Neste processo, placas de aço com espessura entre 150 e 200 mm

são aquecidas a 1250 °C e laminadas a quente até a espessura desejada. A seguir sofrem

resfriamento rápido de jatos d�água até uma temperatura entre 200 e 600°C. A definição desta

temperatura se dá pela composição química do aço. A seguir a tira é bobinada e resfriada

lentamente ao ar. Outro modo de obtenção de aço bifásico é pelo recozimento intercrítico, ou

seja, após a laminação a quente é inserido o tratamento de recozimento dentro da zona de





32

coexistência entre ferrita e austenita no diagrama de equilibrio. A vantagem deste processo

em relação ao anterior está na menor utilização de elementos de liga, já que o controle das

temperaturas envolvidas é mais refinado. Entretanto o custo de produção pode sofrer

acréscimo por causa da adição da instalação para recozimento.

Chapas com espessura menor que 2 mm tem de ser laminadas a frio para então

passarem por recozimento intercrítico.

Para chapas laminadas a frio, o recozimento pode ser em caixa ou contínuo.

2.12.1.2 Recozimento em caixa: neste tratamento, bobinas fechadas são dispostas em

instalações cilíndricas (caixas) num ciclo que varia de 2 a 3 dias. As bobinas são empilhadas

sobre um eixo vertical. As caixas são estanques e ocorre a ação de gases, principalmente do

gás HNX (96% de nitrogênio e 4% de hidrogênio). Os gases têm como funções:

Garantir a proteção do metal contra oxidação;

Transmitir o calor por convecção;

Garantir a retirada dos resíduos dos óleos provenientes da laminação.

Na figura 2.12 está ilustrada uma típica instalação de recozimento em caixa.

Figura 2.12 � Linha de recozimento em caixa. Fonte: Catálogo Arcelor-Mittal 2008.

2.12.1.3 Recozimento contínuo: uma dos problemas encontrados no recozimento em

caixa é o gradiente de temperaturas existente entre a periferia e o centro da bobina. Isso

dificulta a homogeneidade das características do material. Desta maneira o processo

consagrado na fabricação de aços bifásico é o recozimento contínuo.





33

Figura 2.13 � Linha de recozimento contínuo. Fonte: Catálogo Arcelor-Mittal, 2008.

No processo do recozimento contínuo, o tratamento é aplicado à tira desbobinada. As

várias etapas são realizadas de maneira a garantir a homogeneidade das características do

material: microestrutura e propriedades mecânicas. Isso é feito com a passagem de cada

trecho da tira por todas as etapas do processo.

A seguir a representação gráfica do ciclo de recozimento contínuo para o aço bifásico:

Figura 2.14 � Gráfico do ciclo de recozimento contínuo. Adaptado de Girina, 2003.

Inicialmente o material é aquecido até sua austenitização. Nos aços bifásicos isso gira

em torno de 800 °C. Após o aquecimento o material é mantido nesta temperatura (encharque)

por 50 segundos. O tempo nesta etapa é um parâmetro muito importante, pois está relacionado

com a recristalização do material. Após o encharque, o material sofre o resfriamento lento





34

para a formação da ferrita. A taxa de resfriamento é de 10 °C/s. Quando o material chega a

675 °C ele sofre o resfriamento brusco (à taxa de 100 °C/s). Ao final desta etapa, a austenita

remanecente se transforma em martensita. O material então é mantido a cerca de 400 °C por

cerca de 2 minutos para estabilização da microestrutura. Após isso é resfriado até 160 °C sem

qualquer transformação.

Comparado ao recozimento em caixa, é um tratamento mais caro por causa da

complexidade da instalação. Em troca permite alta produtividade.

2.12.2 Microestrutura

A microestrutura do aço bifásico é formada por ilhas de martensita dispersas numa

matriz de ferrita poligonal. A tensão de resistência do material é dada por: ߪ = ெ ߪெ + ி ߪி

A tensão de resistência é resultado da soma da fração volumétrica de cada fase

multiplicada por sua tensão de resistência. Os parâmetros M e F referem-se a martensita e

ferrita respectivamente. Aumentando a fração de martensita, tem-se um aumento na

resistência, mas com perda na dutilidade. A apreciável conformabilidade do aço bifásico está

relacionada com as características da microestrutura.

Os aços bifásicos ao contrário de aços ferríticos, não possuem ponto de escoamento

definido. Isso se dá pela diferença de estrutura cristalina entre as duas fases. A martensita tem

estrutura tetragonal de corpo centrado e a ferrita, cúbica de corpo centrado. Na transformação

da austenita em martensita, ocorre uma expansão volumétrica da porção resultante, pois a

célula austenítica sofre um aumento de tamanho num dos eixos do sistema cristalino. Tal

distensão provoca a formação de discordâncias livres na matriz ferrítica no entorno da ilha de

martensita. São essas discordâncias livres que facilitaram o deslizamento entre as fases nas

operações de conformação mecânica. Por isso, busca-se o quanto possível, que as ilhas de

martensita não fiquem interligadas.

Vale a pena mencionar que, quando a ferrita passa do regime elástico para o regime

plástico, a porção de martensita ainda se encontra no regime elástico.

Quanto mais fina a martensita dispersa maior o perímetro entre esta fase e a ferrita. Foi

relatada a correlação entre o comprimento do perímetro entre as fases ferrita e martenita e a

melhor absorção de energia em deformações à taxa de 2 x 10³��ଵ . De acordo com Senuma

[2001], com maior perímetro entre as fases, maior o escomento entre elas.





35

2.12.3 Parâmetros importantes na fabricação do aço bifásico

Desde a primeira geração dos aços bifásicos até os dias atuais, tem ocorrido um

contínuo avanço nas técnicas para obtenção desses materiais. No processo do recozimento

contínuo a adição de elementos de liga e o controle das temperaturas exerce grande influência

no resultado. No início, empregava-se o Molibdênio para garantir a formação de martensita

durante o resfriamento lento da bobina a partir de uma temperatura de bobinamento alta.

Como este elemento é relativamente caro devido sua disponibilidade restrita,

procurou-se reduzir seu teor através do aumento no rigor do controle da temperatura do

resfriamento brusco, o que levou a sofisticação da instrumentação e controle dos processos.

A partir de meados da década de 80, tornou-se padrão a utilização de Molibdênio (em

menor quantidade), de Cromo, de Vanádio e de Manganês. Os elementos de liga nos aços

bifásicos são utilizados para estabilizar a austenita e, portanto, atrasar a formação de perlita

para que assim, a austenita, rica em carbono, se transforme em martensita. A presença de

átomos de liga dispersos em solução sólida dificulta o avanço de frentes de recristalização da

ferrita, que ao se formar, segrega carbono para a austenita remanescente.

O Manganês tem sido o elemento de liga mais utilizado nos aços bifásicos comercias.

De acordo com GIRINA [2003] a microestrutura dos aços bifásicos é extremamente sensível

ao teor de Manganês e à temperatura que se inicia o resfriamento brusco. Variando-se o teor

de Manganês de 0,5 a 1,8% da liga, obtiveram-se maiores valores de tensão de resistência e

frações de martensita nas ligas com teores mais altos (figura 2.15). Em ligas com teores mais

altos de Mn, as faixas de temperatura para o início da transfomação martensítica foram

maiores o que reduz o rigor no controle de temperaturas de processo.

Figura 2.15 � Relação do teor de Mn com Tensão máxima de resistência e volume de martensita.

Fonte: Girina, 2003.





Ainda de acordo com o mesmo autor, além do teor de

temperatura de austenitização e velocidade do resfriamento influem decisivamente nas

características da microestrutura final. O uso de baixas temperaturas de recozimento na área

intercrítica favorece a formação de estrutura fer

Figura 2.16 � Gráfico representando fases presentes

Altas temperaturas de recozimento provocam baixa estabilização da austenita o que se

traduz na formação de bainita no

Figura 2.17 � Gráfico representando fases presentes

Ainda de acordo com o mesmo autor, além do teor de Manganês também a



intercrítica favorece a formação de estrutura ferrítico-martensítica (figura 2.16

representando fases presentes em aço bifásico austenitizado a 760

resfriamento. Adaptado de Girina, 2003.


aduz na formação de bainita no lugar de martensita (figura 2.17).

representando fases presentes em aço bifásico austenitizado a 930

resfriamento. Adaptado de Girina, 2003.

36

Manganês também a



ensítica (figura 2.16).

zado a 760°C seguido de


em aço bifásico austenitizado a 930°C seguido de





37

2.12.4 Endurecimento por trabalho a frio: há apreciável endurecimento por trabalho a

frio (work hardening) quando a microestrutura sofre um aumento na densidade de

discordâncias devido ao aumento da deformação. Microestruturas com partículas duras

dispersas em uma matriz dúctil agem como um fornecedor de discordâncias inerentes ao

processo de encruamento. Essa característica é interessante do ponto de vista da manufatura,

pois em muitos casos o material inicia sua deformação plástica (inicio da estampagem) sob

mediana tensão e adquire maior resistência nos estágios finais de conformação, quando as

formas mais complexas já foram geradas.

Nos aços bifásicos o encruamento pode proporcionar um incremento de cerca de 100

MPa na tensão máxima de resistência.

2.12.5 Retorno elástico do material em peças estampadas: é também chamado spring

back (termo em inglês). Acontece quando uma peça é estampada, e, após a remoção do

punção na ferramenta de repuxo, há a ação de tensões residuais no material e as abas ou

flanges da peça se deformam alguns graus, na tendência de voltar à forma antes da operação.

Peças que, após a conformação apresentam considerável diferença entre tensões internas em

regiões próximas tem forte tendência ao spring back. É um fenômeno que depende das

propriedades do material, como as tensões máxima e de escoamento, anisotropia e módulo de

resistência. Além disso, sua ocorrência está relacionada à geometria da peça, ao processo de

conformação, ao lubrificante, à temperatura e pressão de estampagem. Com tantas variáveis, a

previsão da ocorrência do fenômeno e, sua magnitude, é de difícil avaliação. E o

conhecimento da ocorrência ou não do spring back é importante à medida que o fenômeno

deve ser compensado com alterações na ferramenta para que o produto final fique de acordo

com as especificações.

Figura 2.18 � Vista em corte de barra transversal. Adaptado de Shi, 2006.





Na figura 2.18 o retorno elástico é observado quando a peça após a estampagem apresenta um

ângulo maior que o ângulo do punção e, portanto diferente do especificado. Neste caso, o

punção tem de ser retrabalhado sendo usinado com um ângulo menor para que após a

estampagem e, a consequente ocorrência do retorno elástico, o produto final fique dentro das

especificações. O retorno elástico pode ser observado também quando flanges da peça se

deformam (altura de flange). O retrabalho de punção e matriz é na maioria das vezes,

atividade custosa e a perfeita geometria destes para obtenção do produto dentro das

especificações é obtida por ajustes consecutivos. Os simuladores de estampagem têm

evoluído significativamente na previsão do fenômeno podendo fornecer dados para a

confecção dos componentes da ferramenta com a forma já compensando o

2.13 A CONFORMAÇÃO MECÂNICA POR ESTAMPAGEM

A estampagem é a processo de conformação mecânica onde a chapa de um material é

forçada por uma ferramenta de maneira que ela se d

máquina que acolhe a ferramenta é a prensa. Parte

complexidade das peças, são raras vezes que uma peça é concluída em uma única operação.

Uma operação é definida por cada ação da ferrame

prensa.

Figura 2.19 -

Na operação de repuxo

a fim de dar a forma desta matriz à chapa. O prensa

crie rugas até que a operação se conclua. O material

Cabeçote

Porta-punção

Punção

Prensa

Extrator

Base

o retorno elástico é observado quando a peça após a estampagem apresenta um



em e, a consequente ocorrência do retorno elástico, o produto final fique dentro das


deformam (altura de flange). O retrabalho de punção e matriz é na maioria das vezes,




nfecção dos componentes da ferramenta com a forma já compensando o spring

A CONFORMAÇÃO MECÂNICA POR ESTAMPAGEM


forçada por uma ferramenta de maneira que ela se deforme e adquira a forma da matriz. A

máquina que acolhe a ferramenta é a prensa. Parte-se de chapas planas e, devido à


Uma operação é definida por cada ação da ferramenta sobre a peça trabalhada a cada golpe da

- Esquema simplificado de uma ferramenta de repuxar.

Na operação de repuxo (figura 2.19) um punção força a chapa plana contra uma matriz

a fim de dar a forma desta matriz à chapa. O prensa-chapas pressiona a chapa para que ela não

crie rugas até que a operação se conclua. O material é de certa forma, rearranjado

Punção

Prensa-chapas

Matriz

38

o retorno elástico é observado quando a peça após a estampagem apresenta um



em e, a consequente ocorrência do retorno elástico, o produto final fique dentro das


deformam (altura de flange). O retrabalho de punção e matriz é na maioria das vezes, uma




spring back.


eforme e adquira a forma da matriz. A

se de chapas planas e, devido à


nta sobre a peça trabalhada a cada golpe da

um punção força a chapa plana contra uma matriz

chapas pressiona a chapa para que ela não

de certa forma, rearranjado





39

geometricamente. Isso tem de ser feito de maneira que o material mantenha suas

características superficiais e a peça não perca significativamente resistência mecânica. Em

outras palavras, a peça, depois de repuxada, não pode ter rugas, trincas ou afinamento de

espessura excessivo. Vários fatores influenciam no sucesso (e no fracasso) da estampagem:

velocidade do movimento do punção, profundidade da cavidade repuxada, rugosidade do

punção e matriz, força no prensa-chapas, espessura da chapa, propriedades mecânicas do

material, lubrificação, temperatura de processo, entre outros. Aços de baixo carbono

normalmente são excelentes para estampagem, apresentam boa soldabilidade, mas têm pouca

resistência mecânica. O dimensionamento da ferramenta de estampar e a escolha do tipo de

prensa que irá efetuar a operação de repuxo levam em consideração todas as variáveis.

2.13.1 Parâmetros importantes das chapas para estampagem

Os principais parâmetros das chapas para estampagem são obtidos através do ensaio

de tração. Este teste consiste em aplicar uma carga a um corpo de prova no sentido transversal

ao sentido de laminação (conforme a norma ISO 6892-1). A máquina de tração permite

aumentar progressivamente a carga até a ruptura do material ao mesmo tempo em que um

dispositivo eletrônico traça a curva tensão-deformação (figura 2.20) e registra os principais

dados, a saber:

Figura 2.20 � Curva tensão � deformação. Fonte: Catálogo Arcelor, 2008.

2.13.1.1 Tensão de escoamento (YS): é o ponto no gráfico tensão-deformação que

representa a carga máxima aplicada a um material quando a deformação sofrida é reversível.

Acima deste valor, o material passa ao regime plástico e deformação passa a ser irreversível.

A curva que une a origem ao ponto da tensão de escoamento é uma reta.





40

2.13.1.2 Tensão máxima de resistência (UTS): acima da tensão de escoamento, o

material entra no regime plástico. Aumentando a carga, antes de se romper, haverá um ponto

de tensão máxima de resistência.

2.13.1.3 Alongamento (e): é a deformação que o material sofre quando lhe é aplicada

uma tensão. O alongamento máximo é o alongamento que o material experimenta antes de se

romper. É adimensional.

2.13.1.4 Coeficiente de encruamento (n): esse coeficiente descreve a propensão do

material em endurecer durante a deformação no regime plástico.

2.13.1.5 Coeficiente de anisotropia (r): as chapas de aço em virtude do processo de

fabricação não são materiais isotrópicos. Na conformação, grãos cristalinos são alongados na

direção da maior deformação de tração. Os materiais passam a ser então anisotrópicos. A

distribuição de orientações tem um ou mais máximos, que são as orientações preferenciais.

Essas orientações irão ocasionar variações nas propriedades mecânicas de acordo com a

direção do processo de conformação.

Para um material isotrópico, r = 1. Altos valores de r sugerem alta resistência ao

afinamento de chapas sob tração, já que por definição, a anisotropia é o razão entre a

deformação verdadeira na largura (åw) e na espessura (åt) de um corpo de prova no ensaio de

tração. Para obtenção de coeficientes médios de anisotropia o ensaio de tração é feito em três

direções: sentido de laminação da chapa, transversal ao sentido de laminação e 45° em relação

ao sentido de laminação.

2.13.2 Tensão verdadeira e deformação verdadeira

O gráfico tensão-deformação convencional difere do gráfico com tensão verdadeira,

pois no convencional a tensão de ruptura do material é menor que a máxima. Isso acontece

porque ocorre uma redução na área da seção transversal (estricção) antes do rompimento.

Considerando a redução da área, a tensão de ruptura real é maior que a tensão máxima do

gráfico convencional.

Em alguns casos é conveniente utilizar a tensão verdadeira no lugar da tensão de

engenharia (convencional). As simulações por softwares de CAE são um bom exemplo onde

as tensões utilizadas são as verdadeiras. As modernas máquinas de ensaio de tração geram

tabelas de tensões e deformações correspondentes. Às tensões é aplicada a fórmula:

óv = ó (1 + å)

onde:

óv = tensão verdadeira





41

ó = tensão de engenharia (obtida do ensaio de tração)

å = alongamento

É importante mencionar que essa equação é válida até o ponto de surgimento da

estricção. Após esse ponto, a perfeita obtenção da tensão verdadeira é possível medindo

carga, deformação e área. No caso de aços a tensão verdadeira, entre o inicio da deformação

plástica e o início do empescoçamento, pode ser obtida pela chamada Lei de Holloman:

óv = K åvⁿ

onde:

K e n (coeficiente de encruamento) = constantes do material

2.13.3 Curvas limites de conformação

As curvas limites de conformação compõem os gráficos para avaliar e comparar a

estampabilidade dos materiais. Esses gráficos representam as maiores e menores deformações

que um material pode sofrer ao ser estampado. Os resultados não fornecem um resultado

exato do comportamento da chapa ao ser estampada (existem muitas variáveis envolvidas no

processo, como velocidade da ação da ferramenta, lubrificante, rugosidade de punção e

matriz, entre outros), mas podem servir para comparar diferentes materiais.

O método mais utilizado é o Nakajima, onde 18 retângulos da chapa são cortados em

diferentes larguras (de 40 a 180 mm) e igual comprimento. As 18 peças são estampadas numa

ferramenta formada por punção e matriz sendo o punção de formato hemisférico.

Normalmente as peças mais largas experimentam na estampagem, redução na espessura e

alongam-se em todas as direções e as de menor largura chegam ao fim do processo com a

largura ainda menor, pois o material se rearranjou de tal maneira que a parte reduzida na

largura se deslocou para o alongamento na direção do comprimento. Os 18 resultados obtidos

são convertidos em pontos e plotados no diagrama. Unindo os pontos, teremos a curva limite

de conformação (figura 2.21).





42

Figura 2.21 � Curva limite de conformação gerada a partir do método Nakajima. Fonte: Srour, 2002.

As deformações limites são determinadas realizando-se o ensaio até que ocorra o

início de uma fratura dúctil.





2.14 CARROCERIA VEICULAR

O projeto da carroceria veicular envolve várias

[2003], o projeto se inicia com a liberação do modelo

exterior do veículo.

Com esse modelo, os conceitos de

semelhantes de veículos em produção, começam a serem

componentes da carroceria: suportes, estruturas e reforços que juntos, formarão o chamado

space frame (Figura 2.22).

Figura 2.22

Os modelos matemáticos

pelos sistemas CAE (Engenharia assistida por computador).

chamada engenharia simultânea.

2.14.1 Engenharia Simultânea

A Engenharia Simultânea é uma metodologia cujo emprego se iniciou na década de 80

e está presente nas discussões de metodologias para gerenciamento do desenvovimento de

produtos. É aplicável em todos os segmentos da indústria, mas é na indústria automobilí

que seu uso se tornou mais presente. É um processo no qual, todas as atividades envolvidas

em um projeto participam das etapas de desenvolvimento, desde as iniciais. Assim, estas áreas

CARROCERIA VEICULAR

O projeto da carroceria veicular envolve várias etapas. De acordo com Damoulis

, o projeto se inicia com a liberação do modelo gerado por computação gráfica

Com esse modelo, os conceitos de aproveitamento de espaço

semelhantes de veículos em produção, começam a serem gerados no computador,


2.22: Space frame de um automóvel. Fonte: Damoullis, 2003.

s modelos matemáticos dos componentes são criados e em seguida são simulados

(Engenharia assistida por computador). Essa sequencia faz parte da

chamada engenharia simultânea.

.1 Engenharia Simultânea



produtos. É aplicável em todos os segmentos da indústria, mas é na indústria automobilí



43

etapas. De acordo com Damoulis

gerado por computação gráfica do

e de modelos

no computador, os


Damoullis, 2003.

criados e em seguida são simulados

Essa sequencia faz parte da



produtos. É aplicável em todos os segmentos da indústria, mas é na indústria automobilística







44

podem interagir entre si no decorrer do processo com o objetivo de reduzir tempos de

desenvolvimento e evitar falhas que poderiam ser descobertas somente no final de uma longa

sequencia de atividades. Há alguns anos, uma peça de carroceria era modelada no

computador, construida e depois utilizada como protótipo. As etapas não se sobrepunham.

Isso trazia alguns problemas, pois se a peça fosse mal projetada, somente no teste de

estampagem, com ferramenta confeccionada seria possível ver dificuldades para

conformação. Se passasse no teste de conformação, poderia ser reprovada no teste de

durabilidade. Os ajustes eram infindáveis. Um dos pontos da engenharia simultânea é

justamente fazer com que as etapas sejam muitas vezes concorrentes. No exemplo citado,

antes de se construir a ferramenta, é feita a simulação de estampagem e os testes de análise

estrutural. Após os bons resultados desses é que se passa aos modelos físicos (confecção de

ferramentas e protótipos).

2.14.2 Os Sistemas CAE

Os softwares de simulações constituem das mais poderosas ferramentas no

desenvolvimento de produtos. Pela chamada tecnologia CAE (Computer Aided Engineering),

programas reproduzem as condições de solicitação do produto, como sua geometria e os

esforços a ele exercidos. Os programas trabalham com o método dos elementos finitos, onde o

volume do modelo matemático do produto é subdividido em figuras tridimensionais

padronizadas. O programa permite simular os esforços e respostas em cada uma das partições

e depois analisar o resultado no corpo total da peça. A solução não é exata, pois para isso, as

subdivisões teriam de ser de tamanho tendendo a zero. Porém, por meio de alta capacidade de

processamento de alguns computadores, é possível reduzir as partições de tal maneira que a

solução final é muito próxima à solução exata. Com os resultados, se valida a idéia original ou

são feitas alterações no modelo para que atenda à solicitação. Os sistemas CAE estão

presentes, por exemplo, nos simuladores de estampagem e no crash-test virtual: ferramentas

utilizadas neste trabalho.

O simulador de estampagem permite modelar no computador a condição da peça em

processo de conformação. Com ele é possível dimensionar a prensa para a estampagem,

estimar o número de operações e prever regiões críticas no produto (trincas ou rugas). O

crash-test virtual simula o crash-test, onde um veículo em velocidade de 50 km/h colide com

uma barreira indeformavável. São coletados os dados sobre o estado do veículo como um todo

e de seus componentes após a colisão.





2.14.3 Estado plano de tensões

No caso de peças estampadas

elementos finitos são tratados como bidimensionais na análise de tensões atuantes, o chamado

estado plano de tensões.

Pelo estado plano de tensões um elemento está sujeito a tensões e

de cisalhamento. Na figura 2.23

Figura 2.23

Há alguns critérios para análise de tensões de materiais dúcteis (aqueles que ao serem

tracionados, antes de sofrerem rupura exibem o regime plástico). Os mais utilizados são: o

Critério da máxima tensão de cisalhamento, ou C

energia de distorção, ou Critério de Von Mises. Apesar do critério de Tresca ser mais

conservador, o critério de Von Mises é mais utilizado pelos

dinâmica e simulações.

Pelo critério de Von Mises um componente estrutural está em condições de segurança

enquanto o a máxima energia de

da unidade de distorção por unidade de volume necessária para promover o escoamento no

corpo de prova de mesmo material submetido a ensaio de tração.

.3 Estado plano de tensões

peças estampadas em chapas finas (geralmente até 2 mm de espessura)


Pelo estado plano de tensões um elemento está sujeito a tensões em x e y e a tensões

de cisalhamento. Na figura 2.23, temos a representação desta condição.

Figura 2.23 � Elemento sujeito ao estado plano de tensões.


antes de sofrerem rupura exibem o regime plástico). Os mais utilizados são: o

ima tensão de cisalhamento, ou Critério de Tresca e o Critério da m

itério de Von Mises. Apesar do critério de Tresca ser mais

ervador, o critério de Von Mises é mais utilizado pelos softwares de análise estrutural,

Pelo critério de Von Mises um componente estrutural está em condições de segurança

enquanto o a máxima energia de distorção por unidade de volume atuante permanecer abaixo

unidade de volume necessária para promover o escoamento no

corpo de prova de mesmo material submetido a ensaio de tração.

45

em chapas finas (geralmente até 2 mm de espessura) os


m x e y e a tensões


antes de sofrerem rupura exibem o regime plástico). Os mais utilizados são: o

ritério de Tresca e o Critério da máxima

itério de Von Mises. Apesar do critério de Tresca ser mais

de análise estrutural,

Pelo critério de Von Mises um componente estrutural está em condições de segurança,

distorção por unidade de volume atuante permanecer abaixo

unidade de volume necessária para promover o escoamento no





46

No caso do estado plano de tensões, o crítério de Von Mises pode ser escrito por meio

da equação a seguir: ߪଶ - ߪߪ+ߪଶ<ߪଶ

onde: ߪ e ߪ são as tensões atuantes nos eixos x e y respectivamente e ߪ é a tensão de escoamento do material.

Num ensaio em tração, ߪ= 0 e ߪ= tensão atuante no corpo de prova.

Na figura 2.24 há a representação gráfica de critério de Von Mises. O elemento estará

em condições de segurança, enquanto as tensões atuantes sobre ele estiverem dentro da área

demarcada pela elipse.

Figura 2.24 � Representação gráfica do critério de Von Mises.

2.14.4 Estrutura monobloco

O conceito de estrutura monobloco nasceu com a idéia da divisão da carroceria

veicular em três zonas distintas: zona de deformação frontal, zona de deformação traseira e

célula de sobrevivência (figura 2.25).

Segundo Damoulis [2003], a célula de sobrevivência, local onde estão os ocupantes,

deverá estar protegida contra a energia recebida pelas outras zonas em caso de colisão. A

maximização da segurança no habitáculo é objeto de estudo constante. Nos últimos anos,

grandes avanços foram obtidos, inicialmente em carros de competição, depois em carros de

produção em série.





47

Figura 2.25 - Zonas da deformação na estrutura monobloco. Fonte: VW, 2010.

Essa evolução só foi possível graças à engenharia de materiais, responsável pelo

desenvolvimento de aços versáteis, seja na condição de alta resistência ou na absorção da

energia de impacto.

2.14.5 Teste de impacto frontal

Os testes de impacto consistem em proporcionar a colisão entre um veículo e uma

barreira indeformável ou deformável com o objetivo de avaliar a segurança automotiva de

acordo com a legislação de segurança do trânsito. Basicamente há duas normas que tratam do

assunto, a européia e a americana. O que mais diferencia as duas é a velocidade com que o

veículo é atingido. Dentre os testes de impacto, o do tipo frontal é que primeiro passou a ser

realizado no desenvolvimento de veículos.

Figura 2.26: Simulação de Crash Test frontal. VW 2011.





48

Também nessa área de conhecimento, os softwares de simulação tem encontrado

grande campo de utilização, pois permitem descartar modelos construtivos de desempenho

sofrível quanto à segurança veicular. O Crash Test virtual é executado com um modelo

matemático do veículo com todas as características inerentes ao estudo, como por exemplo,

características dos materiais de todos os componentes. Ele simula o impacto do veículo contra

a barreira (figura 2.26) e apresenta como resultado: as deformações nos componentes do

veículo. No caso de peças ao redor do habitáculo as deformações são chamadas de intrusões,

pois representam o quanto cada peça invade o espaço dos ocupantes. O ideal é a que intrusão

tenda a zero. Com os resultados da simulação são possíveis ajustes nos produtos antes da

confecção de protótipos (engenharia simultânea).





49

3 MATERIAIS E MÉTODOS

O trabalho foi desenvolvido a partir da proposta de substituição do material de um

componente de carroceria veicular. Conforme mencionado no capítulo 1, torna-se viável

utilizar um aço mais complexo no lugar de um convencional, em peças estampadas e assim,

reduzir a espessura. Pelas melhores propriedades mecânicas, é desejável que se mantenha sua

qualidade estrutural, se reduza a massa e que não comprometa a estampabilidade do produto.

Se a abordagem for estendida a outros componentes, a redução em massa torna-se

mais significativa. O veículo tornar-se-á mais leve o que se traduz em menos desgaste de

pneus e de freios, além de redução no consumo de combustível.

3.1 AÇO MICROLIGADO x AÇO BIFÁSICO

Tanto os aços microligados quanto os bifásicos são materiais comerciais muito

utilizados em componentes de carrocerias veiculares. São aços com interessantes propriedades

mecânicas utilizados em aplicações semelhantes. A microestrutura, entretanto, é diferente.

Enquanto os microligados são ferríticos, os bifásicos apresentam duas ou mais fases.

O componente objeto de estudo utiliza como matéria prima o aço microligado

comercialmente chamado de H260PD com espessura de 1,5 mm.

O material proposto para esta utilização é o aço bifásico DP 800 com espessura de

1,2mm.

3.2 PRODUTO

O componente, objeto de estudo é a travessa do assoalho de um automóvel compacto

(figura 3.1). Essa peça é unida ao assoalho do veículo, às caixas de roda internas, ao túnel do

câmbio e ao painel corta-fogo, (mais conhecido no meio da indústria automobilística pelo

nome em inglês: dash panel) por meio do processo de solda a ponto.

Para se tornar viável a substituição do material original, a peça precisa ter algumas de

suas propriedades mecânicas testadas. Neste estudo foram abordadas a estampabilidade dos

materiais e sua integridade estrutural após a simulação do teste de impacto frontal (Crash

test).





50

Figura 3.1 � Componente travessa de reforço do assoalho dianteiro

no sistema CAD (cor azul) e fotografia.

Este produto é estampado a frio em quatro operações. A peça possui um plano de

simetria, pois ela é posicionada no centro do veículo e vai de uma caixa de roda a outra.

Optou-se por estampar duas peças de cada vez (figura 3.2). Ao se posicionar uma peça junto à

outra de maneira a se procurar uma simetria na geometria, a operação de repuxo é facilitada,

pois o punção força a região central (semelhante a uma caixa) e a região das abas sofre a ação

do prensa-chapas. Essa configuração de modelo para repuxo permite por meio de ajustes de

prensa e ferramenta eliminar ou reduzir rugas e trincas com maior eficácia que a estampagem

de uma única peça por operação.





51

Figura 3.2 � Modelo em CAD das peças posicionadas para processo de estampagem.

Na primeira operação, a chapa plana é conformada mecanicamente até adquirir uma

forma próxima a do produto final. Nesta fase ocorre mais intensamente o chamado retorno

elástico. O punção força a chapa contra a matriz dando a forma do produto. Após o fim do

curso de ação da ferramenta, o punção libera a peça em processo. Na segunda operação, as

peças em processo têm seu recorte externo executado. Na terceira operação, as peças têm suas

abas concluídas e seu corpo principal calibrado. Na quarta e última operação, são feitos os

furos.

3.3 ENSAIOS E SIMULAÇÕES

Para a validação da substituição do aço microligado pelo bifásico, as propriedades

mecânicas de um e de outro tem de ser conhecidas. Essas propriedades foram obtidas pelos

ensaios de tração. Com o ensaio de tração, foi possível obter as tensões: máxima e de

escoamento, o alongamento total, o coeficiente de encruamento e o coeficiente de anisotropia.

O espectrômetro de emissão ótica permitiu obter a composição química dos materiais

em estudo. Com os dados obtidos pelo ensaio de tração, foram levantadas as curvas Tensão

Deformação dos aços. Com dados dessa curva, o software PAMSTAMP (www.esi-group.com)

realizou a simulação de estampagem para a operação de repuxo, que é a operação que dará à





52

chapa plana formas próximas ao do produto final, portanto, a operação de estampagem onde

há maior deformação.

O ensaio de tração feito com três taxas de deformação no campo de deformação

plástica gera curvas e tabelas relativas de tensão deformação para serem utilizados no

software de Crash Test virtual. Este programa possibilita a avaliação do produto com o novo

material, para verificar se ele resiste aos esforços em condição de trabalho. Foi feita a

comparação com o teste do material microligado.





53

4 RESULTADOS E DISCUSSÃO

4.1 CARACTERIZAÇÃO DAS AMOSTRAS

A análise química do aço microligado (cinco pontos de análise) pela técnica de

emissão óptica trouxe os seguintes resultados (média e desvio padrão):

Tabela 4.1 � Análise química do aço microligado H260PD.

Elemento %C %Si %Mn %P %V %Cr

(x) 0,018 0,019 0,55 0,067 0,0029 0,016

(s) 0,0018 0,0008 0,0058 0,0021 0,0004 0,001

Elemento %Mo %Al %Cu %Ti %Nb %Fe

(x) 0,0063 0,049 0,023 0,043 0,011 99,1

(s) 0,0009 0,0023 0,0012 0,0006 0,0009 0,024

(observação: x = média; s = desvio padrão; porcentagem em peso).

É possível verificar a presença de elementos de microliga: Nióbio a Titânio. O aço

H260PD possui quantidade desprezível do elemento de microliga Vanádio.

O mesmo procedimento foi efetuado com o aço bifásico.

Tabela 4.2 � Análise química do aço bifásico DP 800.

Elemento %C %Si %Mn %P %Mo %Al

(x) 0,135 0,22 1,85 0,016 0,107 0,032

(s) 0,0048 0,0032 0,033 0,0005 0,0011 0,001

Elemento %Cu %Ti %Nb %W %Zn %Fe

(x) 0,012 0,023 0,0051 0,038 0,013 97,2

(s) 0,0005 0,0004 0,0013 0,0059 0,0003 0,005

(observação: x = média; s= desvio padrão; porcentagem em peso).

Mesmo sendo classificado como aço bifásico, também é possível verificar elementos

de liga sendo o manganês, cuja influência na formação da microestrutura ferrítico-

martensítica foi abordada no capítulo 2, o de quantidade mais expressiva.





54

4.2 PROPRIEDADES MECÂNICAS

Foram executados ensaios de tração em nove corpos de prova de cada material a 3

taxas de deformação 25, 45 e 65 mm/min. Estas taxas de deformação estão de acordo com a

norma ISO 6892-1 utilizada na indústria automobilística. O equipamento forneceu como

resultados: tensão máxima, tensão de escoamento, alongamento, coeficiente de encruamento e

coeficiente de anisotropia. Na figura 4.1 temos as curvas tensão-deformação para o aço

microligado

Figura 4.1 � Diagrama tensão-deformação para aço microligado H260 PD à taxa de deformação de25mm/min.

A seguir, os valores obtidos.

Tabela 4.3 � Resultados do ensaio de tração para o aço H260PD.

Amostra ó esc (MPa) ó max (MPa) å % n r Vel. (mm/min)

1 292 388 38 0,182 1,06 252 295 390 37 0,181 1,06 253 297 390 37 0,179 1,06 254 295 392 38 0,18 1,05 455 297 394 35 0,179 1,07 456 297 393 36 0,178 1,06 457 296 394 34 0,177 1,07 658 298 395 34 0,176 1,06 659 298 395 35 0,178 1,06 65

média 296 392 36 0,179 1,06

Utilizando as mesmas condições, foram efetuados os ensaios com o aço bifásico.

A seguir o diagrama tensão deformação (figura 4.2).





55

Figura 4.2 � Diagrama tensão-deformação para o aço bifásico DP 800 á taxa de deformação de 25mm/min.

Foram obtidos os dados conforme a tabela a seguir.

Tabela 4.4 � Resultados do ensaio de tração para o aço DP 800.

Amostra ó esc (MPa) ó max (MPa) å % n r Vel. (mm/min)

1 515 794 18 0,15 1,08 252 514 801 18 0,152 1,09 253 515 797 18 0,153 1,07 254 535 819 18 0,142 1,09 455 518 798 19 0,15 1,09 456 519 798 18 0,149 1,08 457 516 799 18 0,15 1,09 658 514 790 17 0,146 1,08 659 513 797 17 0,144 1,07 65

média 518 799 18 0,148 1,08

Já eram esperados os maiores valores das tensões do aço bifásico em relação ao

microligado. É interessante observar a menor relação elástica do segundo (0,648) em

relação ao primeiro (0,755) lembrando que esse valor é o quociente entre tensão de

escoamento e tensão máxima. De acordo com Gorni [2009], baixa razão elástica

corresponde a melhor capacidade de deformação plástica do aço.

4.3 MICROSCOPIA ÓPTICA

Com o uso da microscopia óptica foram feitas as observações microestruturais

dos aços estudados. O ataque utilizado nas amostras dos dois aços foi Nital a 3%.





56

Figura 4.3 � Microscopia óptica do aço microligado H260PD.

Na figura 4.3 é possível identificar os contornos de grão e verificar a estrutura

monofásica já que se trata de um aço ferrítico com átomos intersticiais.

Figura 4.4 � Microscopia óptica do aço bifásico DP 800.

O aço bifásico exibiu um menor tamanho de grão e, só essa característica já lhe

garantiria vantagens sobre o microligado. Menor tamanho de grão aliado à presença de

martensita proporcionaram as melhores propriedades mecânicas comprovadas nos ensaios de

tração.





57

4.4 SIMULAÇÃO DE ESTAMPAGEM

4.4.1 Afinamento de espessura

O simulador de estampagem fornece muitas informações para o estudo do

processamento do material. Entre essas informações há o afinamento que o material sofre com

a conformação.

Figura 4.5 � Afinamento de espessura da peça em aço microligado H260. Software PamStamp.

A figura 4.5 exibe o resultado da análise de afinamento da espessura da peça em aço

microligado. A manufatura da indústria automobilística admite redução pontual de até 20%

nas peças estampadas. A escala de cores mostra que quase todo o material sofreu redução de

espessura abaixo do permitido. Algumas regiões, nas cores laranja e vermelho, tiveram um

afinamento de até 27%. Entretanto, do ponto de vista prático, estas regiões não

inviabilizariam o processo, pois o afinamento está concentrado em regiões de raios pequenos,

portanto, concentrador de tensões. O aumento dos raios nessas regiões já seria suficiente para

levar todo o material a condições satisfatórias. Neste caso, a forma final dos raios seria obtida

na última operação. As áreas na cor azul exibem regiões com tendência a formação de rugas,

boa parte em áreas que não fazem parte do produto. Ajustes na ferramenta podem reduzir essa

tendência

A seguir, a mesma análise gráfica feita para o aço bifásico DP 800.





58

Figura 4.6 -� Afinamento de espessura da peça em aço bifásico DP800. Software PamStamp.

O aço bifásico sofreu menor redução de espessura. Os poucos pontos críticos tiveram

redução máxima de 23%. O alívio nos raios onde estão concentradas tensões seria menor. A

tendência à formação de rugas foi bem menor na comparação com o aço microligado (áreas

azuis).

4.4.2 Análise de Tensões

Conforme mencionado no capítulo 2, os softwares de simulação realizam análise de

tensões. Essa análise é importante, pois mostra eventuais pontos de concentração de tensões

responsáveis pelo fenômeno do retorno elástico ou ocorrência de falhas em uso. O critério

mais utilizado pelos simuladores é o de Von Mises.

A seguir, a análise de tensões nas peças estampadas em aço microligado.





59

Figura 4.7 - Análise de tensões da peça em aço microligado H260. PamStamp.

A unidade dos resultados é GPa. As regiões na cor vermelha estão sob tensão de cerca

de 530 MPa. O resultado gráfico mostra a propensão ao retorno elástico nas extremidades da

peça (sentido longitudinal), notadamente pontos de maior tensão. É interessante notar que os

pontos de afinamento de espessura estão inseridos nas regiões mais tensionadas. O projetista

de ferramentas de posse dessas informações pode prever uma compensação no punção de

repuxo.

As regiões em vermelho no centro da peça também indicam concentração de tensões.

Eventualmente pode-se suavizar o ângulo de estampagem nessa operação deixando sua

conclusão para a operação de calibrar, a exemplo dos pontos onde ocorreu afinamento de

espessura.

Regiões em vermelho muito próximas a regiões em cor azul na simulação de

estampagem indicam forte tendência ao retorno elástico, pois revelam áreas muito tensionadas

ao lado de áreas pouco tensionadas.





60

Figura 4.8 - Análise de tensões das peças em aço bifásico DP800. PamStamp.

A figura 4.8 revela o material mais tensionado que o anterior. Isso era previsto já que o

aço bifásico é mais resistente que o microligado. O contraste entre áreas muito e pouco

tensionadas mais evidente nesta análise que na anterior, indica maior propensão ao retorno

elástico. As áreas mais tensionadas atingiram a marca de 1 GPa. É interessante ressaltar que

este valor não se refere a tensões uniaxiais, mas à tensão resultante.

4.4.3 Diagramas das curvas de conformação mecânica (CLC)

Uma análise complementar feita no simulador de estampagem é a determinação de

curvas CLC dos materiais utilizados na conformação. Esta análise mostra regiões onde pode

ocorrer estiramento (deformação plástica), tendência à formação de rugas e trincas.

Sob o ponto de vista prático (comparativos entre simulações de estampagem e os

produtos manufaturados), um estiramento mínimo de 2% mostrou ser interessante em

operações de repuxo. O material que não sofre estiramento algum normalmente não

apresentará trinca ou rugas, mas terá sua estabilidade dimensional comprometida

(característica estrutural) e também poderá sofrer retorno elástico.





61

Figura 4.9 � Zonas de qualidade de conformação para peça em aço microligado. Pamstamp.

Figura 4.10 � Diagrama CLC para peça em aço microligado. PamStamp.





62

Na figura 4.9 é possível identificar áreas com forte tendência à formação de rugas (cor

vermelha), algumas regiões com estiramento abaixo de 2% (cor verde clara) e a maior parte

em verde. Na figura 4.10 é nítido que todos os pontos do material estão abaixo das curvas

limites de conformação o que mostra que não houve pontos de ruptura.

Figura 4.11 � Zonas de qualidade de conformação para a peça em aço bifásico. PamStamp.

Figura 4.12 � Diagrama CLC para a peça em aço bifásico. PamStamp.





63

As figuras 4.11 e 4.12 mostram que há maior tendência à formação de rugas no aço

bifásico. Neste caso pode-se optar por aumentar a força de sujeição no prensa chapas com o

cuidado para que essa força extra não constitua trincas em regiões críticas. Todos os pontos

ficaram abaixo da curva CLC o que indica ausência de trincas no material.

4.5 SIMULAÇÂO DO TESTE DE IMPACTO FRONTAL

Após a avaliação da estampabilidade, o modelo matemático do produto final foi

carregado no software de simulação de impacto frontal: o PamCrash (figura 4.13).

Figura 4.13 - Visualização da plataforma dianteira no software de simulação de impacto frontal.

Assim como no simulador de estampagem, o PamCrash utiliza como dados as

propriedades mecânicas do material e sua geometria gerada em sistema CAD (Computer

Aided Design). As propriedades inseridas foram àquelas obtidas nos ensaios de tração. Os

softwares também utilizam as tensões verdadeiras no lugar das de engenharia, pois as

deformações mais importantes são as que ocorrem no regime plástico.

No programa, o engenheiro posiciona o produto na plataforma, bem como suas peças

adjacentes e as uniões entre peças. No caso em estudo, as uniões entre as peças são por pontos

de solda. O banco de dados do programa tem as informações relativas às características

estruturais desses pontos. Com a peça posicionada e as condições de contorno estabelecidas, o

software simula o veículo sofrendo impacto frontal. O impacto causará deformações em

vários componentes. Como resultado, trará a magnitude das intrusões de componentes no

habitáculo. Neste trabalho, são mostrados os valores de intrusão relativos. O objetivo é





64

comparar o desempenho estrutural do aço microligado com o bifásico sendo a peça em

microligado a atual em produção.

Figura 4.14 � Intrusões no habitáculo � peça em aço microligado.

Na figura 4.14 há o resultado da simulação utilizando o componente em aço

microligado. A cor vermelha se refere à intrusão máxima e a ela foi atribuído o valor relativo

de 1. Neste caso, a medição se refere ao deslocado no eixo cartesiano x, no sentido

longitudinal do veículo.

Figura 4.15 � Intrusões no habitáculo � peça em aço bifásico.





65

Na figura 4.15 o teste foi repetido, mas desta vez com a peça em aço bifásico. É

possível notar que houve pequena variação nas intrusões, com uma sensível melhor conforme

as áreas em cores vermelha e amarela. Vale mencionar que apesar do estudo ser direcionado a

um componente, os impactos devem ser avaliados no conjunto. Os deslocamentos em ambos

os casos foram observados no dash panel. A travessa, objeto de estudo, atua como reforço

entre o dash panel e o assoalho dianteiro.

Figura 4.16 � Deformações na travessa em aço microligado.

Na figura 4.16 estão os valores relativos às deformações na simulação do teste de

impacto frontal para a peça em aço microligado. Em relação a todo o conjunto onde foi

atribuído o valor de 1 ao deslocamento máximo, o máximo valor de deformação relativo na

travessa foi de 0,3 numa área relativamente pequena. A maior parte da peça não sofreu

deformações relevantes (cor cinza).





66

Figura 4.17 � Deformações na travessa em aço bifásico.

Na figura 4.17 estão as deformações apresentadas pela travessa em aço bifásico. A

região mais crítica teve sua área reduzida em relação à da peça em microligado. Além do

resultado gráfico, onde é possível visualizar a redução das áreas correspondentes a

deformações, o software forneceu como dado para comparação uma melhoria de 2% da peça

em aço bifásico em relação a do aço microligado. À primeira vista, o percentual parece

pequeno, mas é importante ressaltar que na peça que teve desempenho 2% melhor, o material

tem espessura 20% menor.





67

5 CONCLUSÃO

Com os resultados obtidos, o aço bifásico DP 800 se mostrou mais resistente e com

semelhante estampabilidade na comparação com o aço microligado H260PD. A maior

resistência mecânica foi verificada nos ensaios de tração. A sua menor razão elástica,

parâmetro normalmente relacionado à boa estampabilidade foi verificada nas simulações de

estampagem. A maior tendência ao enrugamento e ao retorno elástico sugerem maior força de

prensa e maiores ajustes nos componentes das ferramentas de repuxar da peça em aço bifásico

em relação à peça em aço microligado. Em razão da maior tendência ao retorno elástico

recomendam-se compensações na geometria de punções e matrizes da ferramenta de repuxar.

Na simulação do teste de impacto frontal, a peça em aço bifásico exibiu uma discreta

melhora em relação à peça em aço microligado. Como o componente atual atende a legislação

dos testes de segurança veicular, no que se refere à magnitude de intrusões no habitáculo, a

substituição pode ser avaliada como viável. A sequencia deste trabalho passaria pela

fabricação de peças em aço bifásico com ferramentas protótipo e a realização de testes reais

de impacto e de durabilidade.

Não se pode esquecer também dos estudos de viabilidade econômica. O aço é uma

matéria com variação de preço de acordo com vários fatores, sendo um interessante deles: a

demanda. O aço bifásico custa de 20 a 30% mais caro que o microligado. Se a demanda por

este tipo de material aumentar substancialmente, a diferença entre ambos tende a se reduzir. A

troca de matéria-prima para um item de produção gera grandes investimentos nos meios de

produção, o que pode inviabilizá-la. Este trabalho pode, porém, nortear a seleção de materiais

para componentes (inclusive a travessa dianteira do assoalho) de veículos em

desenvolvimento.

O percentual de maior custo de um aço em relação ao outro não pode ser comparado

diretamente com a redução pura e simples de massa do componente, pois a menor massa tem

outras consequências vantajosas como menor peso total do veículo, que gera entre outras:

menor consumo de combustível (menos emissões de poluentes) e menor desgaste de pneus.





68

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