edwan anderson ariza echeverri análise numérica e experimental de um aço trip submetido aos ...

218 Pages·2017·18.27 MB·Portuguese

EDWAN ANDERSON ARIZA ECHEVERRI

ANÁLISE NUMÉRICA E EXPERIMENTAL DE UM AÇO TRIP SUBMETIDO AOS
PROCESSOS DE ESTAMPAGEM A QUENTE E TÊMPERA E PARTIÇÃO (Q&P)

Tese apresentada à Escola Politécnica da
Universidade de São Paulo para obtenção do
título de Doutor em Ciências – Programa de
Engenharia Metalúrgica e de Materiais

SÃO PAULO
2017
EDWAN ANDERSON ARIZA ECHEVERRI

ANÁLISE NUMÉRICA E EXPERIMENTAL DE UM AÇO TRIP SUBMETIDO AOS
PROCESSOS DE ESTAMPAGEM A QUENTE E TÊMPERA E PARTIÇÃO (Q&P)

Tese apresentada à Escola Politécnica da
Universidade de São Paulo para obtenção do
título de Doutor em Ciências – Programa de
Engenharia Metalúrgica e de Materiais

Área de Concentração:
Engenharia Metalúrgica e de Materiais

Orientador:
Prof. Dr. André Paulo Tschiptschin

SÃO PAULO
2017
FICHA CATALOGRÁFICA

Este exemplar foi revisado e corrigido em relação à versão original,
sob responsabilidade única do autor e com anuência de seu orientador.

São Paulo, __________ de ________________ de ___________

Assinatura do autor: ___________________________

Assinatura do orientador: ______________________

Ariza Echeverri, Edwan Anderson

Análise numérica e experimental de um aço TRIP submetido
aos processos de estampagem a quente e têmpera e partição (Q&P) / E.A.

Ariza Echeverri.--versão corr.--São Paulo, 2017.
218 p.

Tese (Doutorado) - Escola Politécnica da Universidade
de São Paulo. Departamento de Engen haria Metalúrgica e de Materiais.

1. Têmpera e partição 2. Estampage m a quente 3. Simulação física e
numérica 4. Aço TRIP. Universidade de São
Paulo. Escola Politécnica. Departamen to de Engenharia Metalúrgica e de
Materiais II. t.
DEDICATÓRIA

A:
Isaac Ariza Arango
Juliana Gómez Mejía
María Emma Echeverri L.
AGRADECIMENTOS

Meu agradecimento ao Professor André Paulo Tschiptschin é imensurável. Os
conhecimentos transmitidos, a paciência, entusiasmo, o apoio e a confiança depositada em mim
e em meu trabalho desde o início deste processo foram indispensáveis para a realização desta
pesquisa. Um sincero “MUITÍSSIMO OBRIGADO!” prezado Professor André.
Da mesma forma estou muito agradecido com o Professor Hélio Goldenstein por me
transmitir seu amor pelo conhecimento, por me fazer perguntas que eu não tinha considerado
nos resultados obtidos, por me empolgar a fazer novas descobertas e análises, tudo sempre em
meio de papos descontraídos. Professor Hélio, admiro muito sua simplicidade, o grande amor
pelo conhecimento e, o respeito e bom trato a seus alunos e demais pessoas que te rodeiam.
Ao meu grande amigo e colega Arthur Seiji Nishikawa. Muito obrigado pelas discussões
constantes dos resultados e toda a contribuição, suporte e apoio durante a realização desta
pesquisa. Sua empolgação, alegria, paixão pelo aprendizado, simplicidade e gentileza são
motivo de admiração e profundo agradecimento.
Aos professores do Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais – PMT – USP:
Dr. Cesar Roberto Farias Azevedo e Dr. Marcelo Aquino Martorano, por seus ensinamentos,
conselhos e amizade.
Aos companheiros e amigos do laboratório e do PMT: Leidy Hernández Buitrago, Alan
Barros de Almeida, Adriano Alex Almeida, Daniel Rodrigues Jr., Danny Centeno, Mario
González, André Kraszczuk, Guilherme Faria, Luis Varela, Marcelo Rojas, Wilmar Calderón,
Duberney Hincapie e Rafael Rocha. Obrigado pela ajuda, cooperação, as discussões
acadêmicas e por fazer do espaço do laboratório um ambiente tão agradável.
A Luis Felipe Perilla López e Felipe Jaime Dávila pela ajuda na parte experimental e análise
dos resultados.
Ao Laboratório Nacional de Nanotecnologia – LNNano – pelo apoio técnico e por permitir
o uso da linha XTMS acoplada ao síncrotron, em especial ao Leonardo Wu pelo apoio durante
as análises.
Ao Laboratório de Fenômenos de Superfície – LFS – por facilitar o uso do triboindentador,
em especial ao Manuel Alberteris pelo suporte nas medições.
Ao Verissimo Silva dos Santos pela ajuda com as análises por MEV-FEG.
À CAPES, à CNPq (Projeto: 235297/2014-3 PVE) e à FAPESP (Processo: 2014/11793-4).
Special thanks to Dr. Edgar Lara-Curzio for facilitating the triboindenter and SEM and to
Dr. Kinga A. Unocic for the STEM measurements at Oak Ridge National Laboratory (ORNL).
I would like to thanks Prof. Suresh Surdasam Babu for his patience and teachings during
my stay at the University of Tennessee and at ORNL. It was a real challenge and a great
experience to share with his research group.
To Dorothy W. Coffey for her assistance with the FIB (Focus Ion Milling) specimen
preparation.
My sincerest thanks to Dr. Jonathan D. Poplawsky and Dr. Wei Guo for many valuable
inputs towards operating 3D – LEAP effectively for the best results.
A la preciosa: Juliana Gómez Mejía. Las palabras, los besos y los abrazos no son suficientes
para expresar mi profundo agradecimiento. Por el apoyo incondicional, la fuerza, las palabras
de ánimo, nuestros momentos juntos, los viajes, las conversas amenas y por todo el amor que
me has brindado durante todo este tiempo, GRACIAS TOTALES.
RESUMO

O desenvolvimento de métodos de simulação física e numérica tem criado novas possibilidades
de otimização dos processos relacionados à estampagem com inclusão de processos industriais
reais. Portanto, recorrendo à aplicação destes métodos de análise, é possível avaliar a
transformação mecânica e as transformações de fase que ocorrem no material e prever as
interações entre as propriedades dos materiais no processo de conformação, o comportamento
constitutivo do material, as variáveis de otimização do processo, bem como a previsão das
tensões e deformações a fim de estabelecer a melhor relação material-processo-desempenho. A
introdução e crescente utilização de aços avançados de alta resistência (AHSS) em aplicações
automotivas exige uma maior compreensão dos fenômenos físicos envolvidos no
processamento termomecânico a fim de otimizar a performance da peça final fabricada. O
presente trabalho teve como objetivo avaliar experimentalmente o processo de estampagem a
quente, com posterior tratamento térmico de têmpera e partição e analisar as microestruturas
formadas e suas propriedades mecânicas. A formação de microestruturas durante o processo de
estampagem a quente e de têmpera e partição foi avaliada neste trabalho por simulação física
em simulador termomecânico Gleeble, acoplado à uma linha de difração de raios X (XTMS)
de feixe de luz síncrotron no Laboratório Nacional de Nanotecnologia (LNNano). Foram
avaliadas a partição do carbono, a estabilidade térmica da austenita retida e a formação de
microconstituintes resultantes da transformação da austenita durante resfriamento forçado
(têmpera), seguido de partição de carbono em patamares isotérmicos. Foram utilizadas técnicas
de caracterização com apoio de microscopia eletrônica (MEV-FEG e STEM), EBSD,
tomografia de sonda atômica (APT) e avaliação de propriedades mecânicas por ensaios de
tração e indentação instrumentada. A análise numérica foi realizada por meio do método dos
elementos finitos (MEF) e por elementos finitos orientada a objetos (OOF, Object Oriented
Finite Element Analysis) visando estabelecer correlações entre microestrutura e propriedades
mecânicas, comparando com resultados experimentais. Os resultados e conclusões obtidos no
projeto, além de possibilitarem a identificação dos mecanismos fundamentais de geração de
microestruturas durante o processo, auxiliam no projeto de aços AHSS estampados a quente,
usados principalmente na indústria automobilística, na busca pela redução do consumo de
combustível, através da redução do peso, e pelo aumento da segurança dos passageiros.
Palavras-chave: Têmpera e partição, Estampagem a quente, Simulação física, Simulação
numérica.
ABSTRACT

The development of numerical and physical simulation methods has created new possibilities
regarding the optimization of metal forming processes, taking into account real industrial
forming processes. Therefore, by applying such methods of analysis it is now possible to assess
the material phase transformations and predict the interactions between material properties and
the forming process, the constitutive behavior of the material, and optimize process variables
as well as predicting the best material-process-performance relationship. The increasing usage
of Advanced High Strength Steels (AHSS) in automotive applications demands a better insight
of the physical phenomena involved in the thermomechanical processing in order to optimize
the performance of the final manufactured part. Thermomechanical simulation of the hot
stamping, quenching and partitioning process was carried out in a Gleeble machine coupled to
the XTMS Synchrotron X-ray diffraction line at the National Nanotechnology Laboratory
(LNNano). Carbon partitioning, carbon contents, and amount of retained austenite, martensite,
bainite and ferrite was assessed online during the experiments. In addition, characterization
techniques by optical, electron microscopy (FEG-SEM and STEM), EBSD, and Atom Probe
Tomography (APT) were applied. Mechanical testing of subsize specimens of the processed
steels was performed by means of tensile tests and macro and nanoindentation tests. The
numerical analysis was performed using the finite element method (FEM) and object-oriented
finite element technique (OOF). The results were compared with the experimental results of
mechanical testing of specimens used in the thermomechanical simulations and with hot
stamped sheets, where quenching and partitioning were carried out. The results and conclusions
obtained in this project allow the identification of the fundamental mechanisms of the process,
helping the design of the hot stamping process for AHSS steels used primarily in the automotive
industry, seeking weight reduction to improve fuel economy and increased passenger safety.
Keywords: Quenching and partitioning, Hot stamping, Physical simulation, Numerical
simulation.
LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS

Ac Temperatura de início de formação de austenita no aquecimento
1
Temperatura em que a transformação de ferrita para austenita se
Ac
3
completa durante aquecimento
Ae Temperaturas de equilíbrio de início da austenitização
1
Ae Temperaturas de equilíbrio de fim da austenitização
3
AHSS Aços avançados de alta resistência
APT Tomografia de Sonda Atômica
A-R Como recebido
at.% Porcentagem atômica
BC Band Contrast
BH Bake Hardening
𝐶 Carbono
C Teor de carbono na austenita
γ
C Teor de carbono na martensita
α'
Elemento bidimensional triangular linear de quatro nós com
CPS3
deslocamento e temperatura bi-linear
CCC Cúbica de Corpo Centrado
Constrained Carbon Equilibrium - Equilíbrio constrito ou restringido
CCE
de carbono
CFC Cúbica de Face Centrada
CP Complex Phase
CS Cold Stamping – Estampagem na temperatura ambiente
DIC Digital Image Correlation – Correlação de imagem digital
Deformation Induced Ferrite Transformation – Transformação
DIFT
ferrítica induzida por deformação
DP Dual Phase
DRX Difração de raios X
𝑑 Distância interplanar
ℎ𝑘𝑙
𝑑 Distância interplanar padrão
0
e Carga elétrica fundamental
𝐸 Módulo de elasticidade
𝐸∗ Módulo de elasticidade reduzido
𝐸 Energia de deformação armazenada
𝜀
EBSD Difração de elétrons retroespalhados
Energy Dispersive X-ray Spectroscopy - Espectroscopia de raios X por
EDS
energia dispersive
𝐹 Fator de estrutura / Força
FIB Focused Ion Beam – Feixe de íons focalizados
FVM Fração volumétrica de martensita
𝐺 Energia livre de Gibbs
H Dureza
h Profundidade de penetração do indentador
ℎ𝑘𝑙 Índices de Miller
HS Hot Stamping – Estampagem a quente
HSQ&P Hot Stamping and Quenching and Partitioning
HSS Aços convencionais de alta resistência
HV Dureza Vickers
IPF Figura de Polo Inverso
IQ Qualidade de Imagem
𝐼 Intensidade relativa
𝑅
IT Temperatura de austenitização intercrítica
KAM Kernel Average Misorientation – Desorientação média de kernel
𝐿 Comprimento
LNLS Laboratório Nacional de Luz Síncrotron
LNNano Laboratório Nacional de Nanotecnologia
𝑙 Comprimento inicial
0
LR Limite de Resistência à tração
M Mega
MEF Método dos Elementos Finitos
MEV Microscópio eletrônico de varredura
𝑀 Temperatura de início da transformação martensítica
𝑠
𝑀 Temperatura de final da transformação martensítica
𝑓
𝑛 Taxa de encruamento / estado de ionização
OIM Orientation Imaging Map