Caracterização da resistência à fratura de aços avançados de alta resistência e de aços estampados a quente

Em resposta à necessidade de métodos de ensaio rápidos e baratos para a classificação de materiais em termos de resistência à fratura, este artigo descreve um procedimento inovador para o ensaio rápido de resistência à fratura de chapas metálicas. O procedimento consiste em inserir entalhes afiados como fendas em amostras retangulares com geometria do tipo DENT, utilizando uma nova ferramenta. Este procedimento de entalhe permite a obtenção de amostras prontas para ensaio em poucos minutos e evita a necessidade de procedimentos dispendiosos de pré-fissuração por fadiga. As amostras são utilizadas para obter a resistência à fratura de PHS diferentes através do método de fratura por trabalho essencial. Os resultados mostram que o novo procedimento é fiável para avaliar a resistência à fratura em PHS num tempo muito curto. O tempo de preparação de amostras é drasticamente reduzido de aproximadamente 20 horas para 10 minutos. Trata-se de uma grande poupança de tempo e promoverá a utilização de medições da resistência à fratura como um ensaio de controlo de qualidade de rotina para as propriedades de impacto de aços de tipo PHS.

A fim de cumprir os novos requisitos de sustentabilidade, leveza e segurança da atual legislação automóvel, estão a ser desenvolvidos novos aços avançados de alta resistência (AHSS, do inglês Advanced High Strength Steels). Estes materiais, sob a forma de chapas até 2 mm de espessura, caracterizam-se por uma elevada resistência mecânica e uma ductilidade moderada/limitada, o que os torna sensíveis aos processos de conformação a frio, onde pode ocorrer fissuração nos bordos. Por conseguinte, as indústrias de conformação enfrentam desafios significativos e perdas de produção devido à difícil aptidão à enformação de algumas famílias de AHSS, especialmente as de maior resistência, que são precisamente as mais interessantes para a redução do peso no veículo. Em consequência destes problemas relacionados com a iniciação de fissuras, estão a ser desenvolvidas metodologias avançadas de caracterização para avaliar a iniciação da fratura e o comportamento da propagação de fendas.

O processo de estampagem a quente de aços B é totalmente implementado no setor automóvel para construir estruturas anti-intrusão, tais como pilares A, B e C, barras de portas, etc. A estampagem a quente permite a obtenção de peças com geometria complexa e elevada resistência superior a 1500 MPa, o que a torna uma excelente escolha de material para reduzir o peso através da redução da espessura dos componentes. Os aços utilizados neste processo são designados por aços endurecidos a pressão (PHS, do inglês Press Hardened Steels). No entanto, a sua elevada resistência torna-os mais propensos a fendas durante o impacto, o que reduz a absorção de energia nos testes de impacto axial ou de flexão. Para otimizar o comportamento à fratura e a gestão da energia de impacto dos componentes feitos de PHS, podem ser aplicadas diferentes estratégias de arrefecimento e tratamentos térmicos pós-endurecimento. Neste contexto, a Eurecat está a desenvolver procedimentos baseados na mecânica da fratura, que provaram ser a melhor opção para otimizar a seleção de materiais e ajudar na conceção de novas microestruturas que conduzam a uma maior formabilidade e a uma melhor resistência ao choque e durabilidade em diferentes aplicações de engenharia ^[1-5].

A metodologia da tenacidade à fratura por trabalho essencial (WFT) tem-se mostrado aplicável para obter a resistência à fissuração de uma vasta gama de materiais, incluindo AHSS, PHS, aços inoxidáveis e ligas de alumínio [2-6]. No entanto, este método implica um processo complexo de preparação de amostras, envolvendo a introdução de fendas nas amostras por fadiga, o que requer equipamento especializado de fadiga, pessoal com formação e muito tempo. Na referência ^[7] foi apresentada uma nova ferramenta de entalhe por corte para simplificar o procedimento de pré-fissuração e reduzir o tempo de preparação das amostras. Este dispositivo é constituído por um punção biselado que permite introduzir entalhes agudos nos espécimes DENT, semelhantes às fendas obtidas com um processo de fadiga. O ensaio de amostras entalhadas é simples e requer apenas uma máquina de ensaio universal.

No presente trabalho, este procedimento inovador é aplicado para avaliar a resistência à fratura de diferentes chapas finas de aço endurecidas a pressão, a fim de avaliar os diferentes comportamentos de impacto das microestruturas estudadas.

2.1. Materiais

Este trabalho apresenta os resultados para 4 tipos de PHS, sendo dois deles pós-processados com um tratamento térmico após o endurecimento da matriz que caracteriza o processo industrial de endurecimento a pressão. Em particular, são estudados dois tipos de aço: PHS1800 e PHS1500. Este último é também investigado após ter sido submetido a dois tratamentos laser diferentes: HT700FL e HT550FL. Os aços PHS1800 e PHS1500 investigados apresentam uma microestrutura totalmente martensítica, resultando em martensite temperada para o HT700FL e martensite-ferrite temperada para o HT550FL após tratamento laser. As propriedades mecânicas obtidas para estes materiais estão resumidas na tabela 1.

2.2. Metodologia TEF

A metodologia TEF foi desenvolvida para medir a resistência à fratura de chapas metálicas finas dúcteis no âmbito da mecânica da fratura ^[8]. A teoria sugere que o trabalho total de fratura dúctil de uma chapa metálica fina pode ser dividido em dois termos: a contribuição do trabalho de fratura essencial para gerar duas novas superfícies de fratura durante o processo de rutura, we; e o trabalho plástico, wp, que ocorre nas imediações da zona de fratura (Figura 1). Como se mostra na figura 1, ao realizar ensaios com amostras DENT com diferentes comprimentos de ligamentos em modo de tração até à fratura, obtêm-se as curvas de carga-deslocamento e a integração das curvas corresponde ao trabalho total de fratura, Wf. Ao dividir Wf pela secção transversal e ao traçá-la como uma função do comprimento do ligamento, os parâmetros we e l βwp são obtidos por um ajuste linear simples. O trabalho essencial de fratura, we, corresponde à ordenada na origem e o trabalho plástico, wp, multiplicado pelo fator de forma, β, representa o declive da regressão linear, de acordo com:

em que l0 é definido como o comprimento inicial do ligamento (a distância entre os entalhes), t0 como a espessura inicial da placa e β como um fator de forma que depende da forma da zona de fratura.

2.3. Preparação das amostras

O raio do entalhe na metodologia TEF é essencial para obter resultados fiáveis ^{[6, 7]}. Por conseguinte, para obter valores de tenacidade fiáveis e independentes do processo de entalhe, é necessário utilizar amostras pré-fissuradas por fadiga, tal como recomendado pelos procedimentos padrão. A pré-fissuração por fadiga é demorada e requer equipamento especializado e pessoal com formação. A ferramenta inovadora descrita em ^[10] pode criar dois entalhes simétricos e afiados em amostras DENT em poucos segundos e pode ser adaptada a uma máquina de ensaios universal. Os entalhes obtidos no processo de cisalhamento têm um raio de entalhe de ρ ≈ 2 µm, semelhante a uma fissura de fadiga.

A ferramenta de entalhar é constituída por uma placa superior móvel que contém um punção biselado e uma placa inferior que inclui uma matriz e um compactador de amostras (figura 2). Uma amostra retangular sem entalhes é colocada na matriz utilizando dois pinos para a centrar e assegurar a mesma posição dos entalhes para todas as amostras. Uma outra amostra da mesma espessura é colocada no compactador de amostras para corresponder à altura da placa inferior. Ao baixar a placa superior, o punção cria dois entalhes afiados na amostra DENT através de um processo de cisalhamento. A amostra cortada é achatada na zona de achatamento durante o processo de corte seguinte. A calibração do comprimento do ligamento pode ser feita perfurando a mesma amostra a diferentes profundidades e relacionando o ligamento medido à superfície com o deslocamento da placa superior. Quanto maior for o deslocamento, menor será o comprimento do ligamento.

No presente estudo, foram testadas 7 a 9 amostras DENT de 200 x 55 mm para cada material. Foram criados entalhes de cisalhamento para obter comprimentos de ligamento entre 6 e 16 mm.

2.4. Ensaios TEF

Após a preparação das amostras DENT, a espessura da chapa e os comprimentos iniciais dos ligamentos são medidos. O protocolo seguido para o ensaio está descrito no CEN Workshop Agreement (CWA) para o ensaio TEF de chapas metálicas finas dúcteis ^[9]. O ensaio consiste em testar à tração espécimes entalhados até à fratura a uma taxa de deformação de 1 mm/min. A carga é registada por uma célula de carga durante o ensaio e o deslocamento instantâneo é obtido por um extensómetro de vídeo com um comprimento inicial calibrado de 50 mm. Para maior precisão, o comprimento do ligamento pode ser medido após o ensaio na superfície da fratura por meios óticos.

3.1. Resultados do TEF

A Figura 3 mostra as curvas de carga em função do deslocamento para os quatro materiais estudados com amostras DENT cisalhadas. O PHS1800 e o PHS1500 apresentam os deslocamentos de fratura mais baixos, com uma queda súbita da carga logo após a carga máxima. O HT550FL tem o maior deslocamento de fratura. O PHS1500 apresenta a carga máxima mais elevada. A carga máxima mais baixa é apresentada pelo HT550FL.

Integrando numericamente as curvas carga-deslocamento, obtém-se o trabalho de fratura, wf, que é representado em função do comprimento do ligamento, como se mostra na Figura 4a. O ajuste linear é também apresentado na figura 4a. Os valores calculados para o trabalho essencial de fratura, we, o trabalho plástico, βwp, e o coeficiente de correlação de ajuste linear, R2, estão resumidos na tabela 2. Os valores mais elevados de we são obtidos para os dois materiais endurecidos a laser, HT700FL e HT550FL (we = 247 ± 35 kJ/m2 e we = 247 ± 38 kJ/m2, respetivamente). Por outro lado, o PHS1800 apresenta o valor mais baixo de TEF (we = 92 ± 15 kJ/m2). Em geral, obtém-se um bom ajuste linear (R2 = 0,80 - 0,93).

A utilização do procedimento inovador de entalhe é um método muito rápido e rentável para avaliar a resistência à propagação de fendas de chapas metálicas finas de alta resistência. No entanto, para validar a precisão e a fiabilidade dos valores medidos do trabalho de fratura essencial, é importante ter em conta a influência do método de preparação dos entalhes. A metodologia já foi validada em ^[10] para diferentes graus de AHSS, onde foram comparados espécimes de fadiga entalhados e pré-fissurados. Os resultados mostraram que os valores de tenacidade obtidos a partir de amostras entalhadas preparados com a nova ferramenta eram equivalentes aos obtidos a partir de amostras pré-fissuradas por fadiga. Neste trabalho, também foram ensaiadas as amostras pré-fissuradas por fadiga para o PHS1800 para confirmar a sua correspondência com as amostras com entalhes cortados. Os resultados são apresentados na figura 4b. Como se pode observar, os valores de we obtidos com os dois métodos de preparação das amostras são praticamente idênticos. A Figura 4b mostra também os valores de we obtidos com amostras pré-fissuradas por fadiga para um aço PHS1500 previamente caracterizado ^[4] e um aço martensítico ^[11] com propriedades mecânicas semelhantes às do PHS1500 estudado neste trabalho. Verifica-se que estão dentro da mesma gama de valores obtidos neste trabalho. Isto demonstra que os valores de tenacidade obtidos neste estudo são consistentes com os resultados apresentados na literatura para PHS de características semelhantes. Confirma mais uma vez a fiabilidade deste inovador procedimento de entalhe para avaliar com precisão a tenacidade de fratura de chapas finas de AHSS e PHS.

É interessante notar que, embora os valores de alongamento sejam semelhantes para a maioria dos graus de PHS estudados, os valores de resistência à fratura mostram um comportamento diferente na descrição da propagação da fratura. Como se pode ver na tabela 1, o alongamento total é semelhante para os dois PHS e para o HT700FL. No entanto, as medições da resistência à fratura mostram uma maior resistência à propagação de fissuras no HT700FL. Por esta razão, é importante caracterizar a resistência à fratura a partir de uma abordagem mecânica da fratura. Além disso, a metodologia TEF provou ser adequada para avaliar a propagação da fratura de placas de aço endurecidas por pressão.

3.2. Superfície de fratura

A Figura 5 mostra a superfície de fratura das amostras DENT dos 4 aços PHS estudados com um comprimento de ligamento de aproximadamente 12 mm. O comprimento do ligamento pode ser facilmente distinguido entre as duas extremidades dos entalhes. O aspeto da fratura do PHS1800 e do PHS1500 é semelhante, com faces de fissura arredondadas e côncavas. Por outro lado, os materiais endurecidos a laser apresentam pontas de fenda afiadas e maior rigor ou redução da espessura ao longo da fratura. Foi demonstrado que este aumento de rigor está relacionado com um aumento da resistência à fratura ^[6]. Ao verificar os resultados obtidos no presente estudo, esta relação pode ser verificada para os atuais materiais estudados.

No presente trabalho, foi utilizada uma ferramenta rápida inovadora para introduzir entalhes afiados em amostras DENT de chapa metálica para o ensaio de TEF. O novo método para avaliar a resistência à fratura de chapas metálicas finas provou ser adequado para comparar o comportamento à fratura de diferentes graus de aço endurecido por pressão. Além disso, permite discernir os diferentes comportamentos de fratura de várias microestruturas endurecidas por pressão sujeitas a diferentes tratamentos térmicos. Em particular, o HT550FL e o HT700FL apresentaram os valores mais elevados de trabalho essencial de fratura. Esta melhoria na tenacidade da fratura não pode ser prevista pelas propriedades mecânicas convencionais, como o alongamento total ou a tensão de cedência, uma vez que não estão correlacionadas com as medições de resistência à fratura obtidas.

A utilização deste procedimento de entalhe rápido pode levar a uma rotina mais rápida para avaliar e otimizar a qualidade de materiais de chapa de alta resistência com maior resistência à fissuração. Pode ser considerado um método útil e rápido de medição da resistência à fratura que pode contribuir para a seleção e/ou desenvolvimento de aços endurecidos por prensagem com melhor comportamento relativamente à fratura e resistência ao impacto.

Agradecimentos

A investigação que conduziu a estes resultados foi financiada pelo programa do Fundo de Investigação do Carvão e do Aço da União Europeia ao abrigo do acordo de subvenção n.º 101034036 – projeto Tough-Steel.

Referências

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[2] Casellas, D. et al.:Fracture Toughness to Understand Stretch-Flangeability and Edge Cracking Resistance in AHSS. Metall. and Mat. Trans. A 48 (2017) 86-94.

[3] Frómeta, D. et al.: Evaluation of Edge Formability in High Strength Sheets Through a Fracture Mechanics Ap-proach. AIP Conference Proceedings 2113, 160007 (2019).

[4] Frómeta, D. et al..On the correlation between fracture toughness and crash resistance of advanced high strength steels. Eng. Frac. Mech. 205 (2019) 319-332.

[5] Frómeta, D. et al.: Fracture toughness measurements to understand local ductility of advanced high strength steels. IOP Conf. Ser: Mater. Sci. Eng. (2019) 651 012071

[6] Muñoz, R. et al.: Fracture toughness characterization of advanced high strength steels. Int. Deep Drawing Re-search Group (IDDRG) Conference 2011 (Bilbao, España, 5-8 de junio de 2011).

[7] Frómeta, D. et al.. Identification of fracture toughness parameters to understand the fracture resistance of advanced high strength sheet steels. Eng. Frac. Mech. 229 (2020) 106949.

[8] Cotterell B e Reddel JK. The essential work of plane stress ductile fracture. Int. J. Fract. (1977) 267-277.

[9] CWA 17793:2021: Test method for determination of the essential work of fracture of thin ductile metallic sheets. cwa17793_2021.pdf (cencenelec.eu)

[10] Frómeta, D et al.: New tool to evaluate the fracture resistance of thin high strength metal sheets. IOP Conf. Ser: Mater. Sci. Eng. 967 (2020) 012088.

[11] Golling, S. et al.: Influence of microstructure on the fracture toughness of hot stamped boron steel. Mat. Sci. and Eng. A 743 (2019) 529-539.