RESUMEN. Tópico 4: Metalurgia Física. Deformación Plástica y Propiedades Mecánicas.

Transcripción

1 RELACIÓN ENTRE PARÁMETROS MECÁNICOS Y CURVAS LÍMITE DE CONFORMADO DE CHAPAS DE ACERO DE BAJO CARBONO D. Ziegler (1), J. Pedraza (2), G. Berge (1), J. Insausti (1), A. Lucaioli (1), P. Monesterolo (2), M. Puccinelli (1) (1) Laboratorio de Metalurgia y Tecnología Mecánica, Departamento de Ingeniería, UNS Univ.Nacional del Sur, Av. Alem 1253, (B8000CPB) Bahía Blanca, Argentina. (2) Ternium Siderar, Planta Gral. Savio, CC801, 2900 San Nicolás, Pcia. de Buenos Aires, Argentina. dziegler@uns.edu.ar lgberge@criba.edu.ar RESUMEN El método actualmente más aceptado de cuantificar la aptitud al estampado de chapas metálicas es la determinación de sus curvas límite de conformado. Las mismas se obtienen mediante ensayos en los que se someten las chapas a diferentes estados de deformaciones, que van desde uno de tracción compresión hasta la expansión biaxial equilibrada. Las deformaciones se miden mediante un grillado superficial obtenido por medios electrolíticos. En estos ensayos, se miden las deformaciones máximas antes de producirse la estricción localizada y/o rotura de la chapa, para cada estado de deformación. En este trabajo se muestran curvas obtenidas del modo indicado para distintas chapas de acero de bajo carbono y se describe la metodología experimental y los requerimientos normalizados que se deben cumplir para que las curvas límite sean válidas. Se justifican las diferencias encontradas en las distintas chapas estudiadas, por las diferencias en los valores de sus parámetros mecánicos obtenidos en ensayos de tracción, fundamentalmente el factor de anisotropía R y el llamado coeficiente de endurecimiento por deformación n. Se comparan estos valores con los corrimientos que presentan las curvas límite en los campos de tracción tracción y de tracción compresión. Tópico 4: Metalurgia Física. Deformación Plástica y Propiedades Mecánicas. 1. INTRODUCCIÓN El conformado de chapas metálicas es el proceso mediante el cual se convierte una chapa plana en una pieza de forma deseada, sin que se produzca la fractura de la misma ni un adelgazamiento localizado excesivo. El proceso de conformado puede ser un simple doblado, un embutido profundo, estirado, o una combinación de varios de estos procesos, [1]. Las propiedades de las chapas metálicas dependen considerablemente del metal base (acero, aluminio, cobre, etc.), de los elementos de aleación, del procesamiento sufrido, del tratamiento térmico y espesor de la chapa. Al elegir un material para una determinada aplicación, se debe hacer un compromiso entre las propiedades funcionales requeridas en la pieza y las de conformabilidad de los materiales disponibles. Para una conformabilidad óptima, en un rango amplio de aplicaciones, el material a trabajar debería ser capaz de distribuir las deformaciones de manera uniforme y alcanzar altos niveles de deformación sin presentar estricción o romperse, [2]. Tres propiedades de los materiales determinan la distribución de las deformaciones en una operación de conformado: - El coeficiente de endurecimiento por deformación, valor conocido como n. - La sensibilidad a la velocidad de deformación, o parámetro m. - La relaciones de deformaciones plásticas, o factor de anisotropía R. La capacidad de distribuir la deformación de manera uniforme depende de los valores de n y de m. La capacidad de alcanzar altos niveles de deformación total depende de muchos factores, tales como el material base, los elementos de aleación, el temper o grado de endurecimiento, el valor de n, el valor de m, el valor de R, el espesor, la uniformidad y limpieza de defectos e inclusiones. Cada tipo de acero, aluminio, latón u otra aleación metálica, puede ser deformado sólo hasta un cierto nivel antes de que se produzca un adelgazamiento en forma de estricción localizada y fractura. Este nivel 261

2 depende principalmente de la combinación de las deformaciones impuestas, o sea de la relación entre las deformaciones mayor y menor. El nivel más bajo tiene lugar cuando la deformación menor es cero. La vinculación entre las relaciones de deformación y los niveles máximos de deformación, se analiza mediante los llamados diagramas límite de conformado. En el caso del conformado de chapas metálicas, las deformaciones se suelen medir en el plano de la chapa, dado que las variaciones en el espesor son difíciles de medir con precisión. Por lo tanto, cuando se habla de la relación de las deformaciones, se hace referencia a la mayor y menor que se producen en el plano de la chapa. El nivel más bajo de deformaciones sin que la pieza adelgace o rompa, se presenta para un estado de deformación plana, o sea cuando la menor de las deformaciones es cero. S. P. Keeler [3] fue el primero en cuantificar dicho concepto en 1965, construyendo un diagrama de conformado para una gran variedad de materiales recocidos, sometidos a estirado biaxial con punzón semiesférico. Los valores de falla considerados fueron las combinaciones de deformaciones convencionales e 1 y e 2 que conducían a la formación de una estricción localizada. M. Goodwin [4] completó la idea investigando la zona de deformaciones tracción compresión, aunque su criterio de falla fue la aparición de la fractura. Combinando los trabajos de ambos, se tienen los Diagramas Límite de Conformado (DLC), [5]. Estos diagramas se determinan y se usan con el auxilio del trazado de una grilla circular en la superficie de las probetas o de las chapas a conformar. En el diagrama límite de conformado se pueden apreciar las siguientes circunstancias: - A mayor uniformidad en el estirado biaxial, o sea cuando la relación e 2 / e 1 tiende a uno, mayor es el nivel de deformaciones posibles antes de la falla. - En la zona de tracción compresión, los esfuerzos de compresión ayudan a soportar una deformación mayor por tracción. Para determinar los DLC, se utilizan los siguientes ensayos: tracción simple, tracción plana, embutido, estirado, embutido estirado, etc., con los cuales se logran las diferentes relaciones de deformaciones necesarias. Las deformaciones se miden en y alrededor de las regiones de estricción visible y/o de fractura, según el criterio de falla que se adopte. Se pueden considerar deformaciones convencionales o bien deformaciones naturales o logarítmicas, que fueron las adoptadas en este trabajo. La curva límite de conformado se traza sobre las regiones medidas fuera de las regiones adelgazadas y por debajo de las medidas en las regiones adelgazadas y fracturadas. Trazado de grillas sobre las chapas A los efectos de medir las deformaciones en el plano de la chapa, se trazan grillas sobre la superficie de la misma, por medio de ataque electroquímico o utilizando técnicas fotográficas o de impresión. Tanto las grillas impresas como las obtenidas por técnicas fotográficas pueden ser barridas con cierta facilidad durante el conformado, por lo cual se prefieren en general las grillas aplicadas por ataque químico. Las grillas comúnmente usadas son círculos, lo cual permite determinar a simple vista la dirección de las deformaciones principales, que son aquéllas en que están orientados los dos ejes de la elipse en que se convierte un círculo luego de la deformación. Se han usado muchos tipos de agrupamientos de círculos en estas grillas, tales como disposiciones cuadradas de círculos en contacto o cercanos, círculos solapados, etc. En este trabajo se ha elegido la disposición cuadrada de círculos en contactote 2,5 mm de diámetro. Los círculos deformados se pueden medir usando algún dispositivo divisor, o en forma automática actualmente, mediante programas con analizadores de imágenes. Dado que las piezas conformadas pierden su carácter de planas, es muy frecuente el uso de plantillas transparentes provistas de líneas divergentes que dan la lectura directa de la deformación. Se usaron planilla tales en las mediciones del presente trabajo. Criterios para la definición de diagramas límite de conformado Existen dos criterios básicos de falla para piezas conformadas: [5]. - Localización de la deformación por estricción difusa o localizada - Fractura La distinción entre diagramas límite de estricción y de fractura surgió como un requerimiento de los usuarios de chapa, que no podían tolerar estricciones en el producto conformado, ya sea por motivos de seguridad o porque se trataba de superficies expuestas y resultaba difícil o costoso disimular dichos defectos. Se usan diferentes técnicas para determinar los diagramas límite, según el criterio adoptado. La localización de la deformación no es siempre fácil de visualizar, por lo que, cuando se busca el DLC según este criterio, es 262

3 necesario ir incrementando la deformación y analizar la aparición y profundización de gradientes de deformación. En el caso de los DLC por fractura, la cuestión es un tanto más simple, dado que ésta es más visible. De todos modos, la fractura debe pasar por el centro de un círculo. Las consideraciones anteriores explican el hecho de que pueda haber diagramas diferentes según las técnicas metodológicas, el tamaño de los círculos, etc. [6,7].. 2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL En este trabajo se determinan las curvas límite de conformado de tres (3) chapas de acero de bajo carbono. En la tabla 1 se resumen las características principales de las chapas ensayadas Tabla 1. Carácterísticas de material ensayado Identificación Espesor Fluencia Resistencia Alargamiento [mm] [MPa] [Mpa] [%] n 90 R 90 Chapa I ,6 0,19 2,02 Chapa II ,6 0,20 1,85 Chapa III ,0 0,20 1,88 Los DLC se determinaron empleando ensayos de laboratorio en los cuales se trató de obtener diferentes relaciones entre la deformación mayor y la menor en el plano de la chapa. En este trabajo se emplearon para obtener las distintas trayectorias los siguientes ensayos: Tracción uniaxial, Tracción plana, Tracción biaxial equilibrada. Con éstos se obtuvieron los dos puntos extremos y el central del diagrama. A los efectos de completar con mayor información la curva en la zona de deformaciones positivas (estirado) se empleó el Ensayo en matriz Swift con punzón semiesférico para obtener una trayectoria con tracción biaxial no equilibrada, lubricando la probeta con polietileno del lado del punzón y bloqueando el ala. Se muestran a continuación las probetas empleadas en los distintos ensayos. En la Figura 2 se observa la probeta entallada utilizada para lograr condiciones de deformación plana, [8]. Figura 1. Tracción uniaxial Figura 2. Tracción plana Todas las probetas fueron grilladas previo al ensayo empleando un stencil de Mylar, con un modelo de círculos de 0.1 de diámetro inscriptos en cuadrados de de lado, para medir los valores de las deformaciones. La impresión de la grilla se realizó efectuando ataque electrolítico, empleando una fuente de corriente continua y un electrolito en base a ácido oxálico. Los círculos de interés (indicados en las figuras con un punto interior en color) fueron medidos empleando una escala plástica de medición de las deformaciones reales o naturales mediante el empleo de una lupa con iluminación incorporada. El color del punto se corresponde con el nivel de deformación alcanzado por el mismo de acuerdo al siguiente detalle: Rojo = Estricción localizada (adyacentes a la fisura); Azul = Estricción difusa (vecinos a los anteriores) y Verde = Sanos (sin estricción difusa) como puede apreciarse en la Figura

4 Figura 3. Tracción biaxial equilibrada Figura 4. Ensayo Swift De cada chapa se realizaron los siguientes ensayos: 2 Ensayos de tracción uniaxial en dirección Longitudinal, 2 Ensayos de tracción uniaxial en dirección Transversal, 3 Ensayos de tracción de probetas entalladas para obtener deformación plana en dirección longitudinal, 3 Ensayos de tracción de probetas entalladas para obtener deformación plana en dirección transversal, 2 Ensayos de tracción Biaxial por acopado hidráulico y 1 Ensayo en matriz Swift con punzón semiesférico. Para cada chapa se representaron en un diagrama de deformaciones naturales, todos los puntos obtenidos con los ensayos realizados para la misma, empleando el color que caracteriza su nivel de deformación. En cada uno de estos diagramas se trazaron las curvas límite de conformado de acuerdo al siguiente criterio: - Curva límite superior. En las zonas en que los puntos de estricción localizada (rojos) están netamente por encima de los restantes, la curva se trazó de forma tal que ningún punto de éstos quedara por debajo de la misma (cuadrante de embutido). En las zonas en que se mezclan los puntos de estricción localizada con los de estricción difusa, se trazó la línea estimando una media estadística entre los puntos mencionados (cuadrante de estirado). - Curva límite inferior. Se trazó una segunda línea de seguridad, ubicada un 10% por debajo de la curva superior medida en valores de la deformación ε RESULTADOS Y DISCUSIÓN Se muestran a continuación los diagramas obtenidos, en los que una vez representados los valores de las deformaciones de los círculos considerados se han trazado las curvas superior e inferior con el criterio expuesto. En algunos puntos, los valores de deformación correspondientes a distintos ensayos son los mismos pero el carácter de la deformación es distinto, por lo que en su representación resultan superpuestos. Los valores del coeficiente de endurecimiento n obtenidos con los ensayos de tracción en la dirección transversal a la laminación se consignan en la Tabla 2. Se observa una diferencia entre los valores de las Chapas II y III (aproximadamente similares) con respecto a la Chapa I Tabla 2. Coeficientes de endurecimiento. Probeta n 90º Chapa I Chapa II Chapa III Las curvas DLC de las Chapas II y III resultan similares en forma, en tanto que las curvas correspondientes a la Chapa I se encuentran ubicadas por debajo de ellas. Esto demuestra la fuerte influencia que tiene el valor de n en las curvas DLC. 264

5 Si se consideran los valores de R, se puede apreciar que los mismos son altos y similares. Teniendo en cuenta que la bibliografía [9] no le asigna una influencia significativa a R en los diagramas DLC, en este caso en particular la variación en la forma de los mismos para las chapas analizadas, depende exclusivamente del valor de n. A veces resulta difícil determinar el carácter de la deformación correspondiente a un punto. Por otra parte, debe tenerse en cuenta que las curvas trazadas responden al criterio expuesto, sin embargo los puntos representados son los reales, obtenidos en los ensayos. Es decir, si se consideran otros criterios pueden trazarse otras curvas DLC sobre los puntos experimentales. Figura 5. Diagrama Límite de Conformado de la Chapa I Figura 6. Diagrama Límite de Conformado de la Chapa II 265

6 Figura 7. Diagrama Límite de Conformado de la Chapa III 4. CONCLUSIONES Se cuenta con equipamiento y facilidades experimentales para poder determinar los Diagramas Límite de Conformado. Se ha confirmado la incidencia de las características mecánicas de las chapas ensayadas, fundamentalmente del exponente n en la posición de estos diagramas. REFERENCIAS 1. G. E. Dieter, Mechanical Metallurgy, Third Edition, McGraw-Hill., B. Taylor, Formability Testing of Sheet Metals, Metals Handbook, Ninth Edition, Vol. 14 Forming and Forging, American Society for Metals. 3. S. Keeler, Circular Grid System A Valuable Aid for Evaluating Sheet-metal Formability, Sheet Metal Industries, Sept. 1968, pp G. M. Goodwin, Application of Strain Analysis to Sheet Metal Forming Problems in the Press Shop, La Metallurgia Italiana, Agosto 1968, pp ISO TC 164/SC 2 N, Metallic materials Determination of forming limit curves., L. Iurman, N. Mazini, A. Saenz Lopez, A. Lucaioli, J. M. Blanco, Parámetros mecánicos que inciden en la estampabilidad de chapas metálicas, Seminario Latinoamericano sobre la calidad de los productos laminados, Instituto Latinoamericano del Fierro y del Acero, ILAFA 7. N. A. Cantalejos, Conformabilidad de chapas metálicas, Cursillo de Conformado de Chapas, Tomo 2, Instituto Argentino de Siderurgia, R. Pérez, A. Lucaioli, L. Iurman, D. Ziegler, Estudio de la conformabilidad de hojalata de uso alimenticio, 2ª Conferencia sobre Usos del Acero, Instituto Argentino de Siderurgia, 2004, pp Z. Marciniak, J.L. Duncan, S.J. Hu, Mechanics of Sheet Metal Forming, Butterworth Heinemann 266