Apresentado por: Patricia Diniz

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1 Apresentado por: Patricia Diniz
EXPERIMENTAL AND NUMERICAL EVALUATION OF FORMING AND FRACTURE BEHAVIOUR OF HIGH STRENGTH STEEL C. Nikhare; P. V. Marcondes; M. Weiss* e P. D. Hodgson; Apresentado por: Patricia Diniz PG-Mec – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica LABCONF – Laboratório de Conformação

2 Os Aços Avançados de Alta Resistência (AHSS)
EXPERIMENTAL AND NUMERICAL EVALUATION OF FORMING AND FRACTURE BEHAVIOUR OF HIGH STRENGTH STEEL Os Aços Avançados de Alta Resistência (AHSS) → redução da espessura de peças automotivas → sem comprometer a resistência → redução de peso “Aços com máxima resistência à tração final superior a 700MPa são AHSS” ULSAB (Ultra Light Steel Auto Body) Objetivo: PG-Mec – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica LABCONF – Laboratório de Conformação

3 EXPERIMENTAL AND NUMERICAL EVALUATION OF FORMING AND FRACTURE BEHAVIOUR OF HIGH STRENGTH STEEL
AHSS Aços multifásicos que contêm martensita, bainita e / ou austenita retida que produzem propriedades mecânicas únicas. Não é bem compreendido na conformação de chapas, apresentando imprevisível springback e falha súbita, o que está limitando a sua utilização em algumas aplicações Objetivo: PG-Mec – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica LABCONF – Laboratório de Conformação

4 EXPERIMENTAL AND NUMERICAL EVALUATION OF FORMING AND FRACTURE BEHAVIOUR OF HIGH STRENGTH STEEL
Propriedades e comportamento mecânico de aços comuns, geralmente são definidos com Ensaio de Tração, no entanto, os AHSS apresentam divergências com a realidade. Para estimar o início da fratura para aços multifásicos, é necessário estudar o comportamento de estricção e fratura para diferentes modos de deformação. Tem-se também o efeito da Microestrutura com a direcionalidade da deformação. Objetivo: PG-Mec – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica LABCONF – Laboratório de Conformação

5 Afinamento – Estriccionamento – Modo de fratura
EXPERIMENTAL AND NUMERICAL EVALUATION OF FORMING AND FRACTURE BEHAVIOUR OF HIGH STRENGTH STEEL Foram analisados dois tipos de AHSS e um aço convencional, nos seguintes aspectos: Afinamento – Estriccionamento – Modo de fratura *Propriedades de tração semelhantes, indicando comportamento comparável. As condições de deformação uniaxial, plana e bioaxial foram investigadas por testes: Tração – Embutimento – Estiramento Simulado pelo FEA-Finite Element Analysis após, para comparação. Objetivo: PG-Mec – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica LABCONF – Laboratório de Conformação

6 Os três tipos de aço investigados neste estudo são HSLA, DP e TRIP:
EXPERIMENTAL AND NUMERICAL EVALUATION OF FORMING AND FRACTURE BEHAVIOUR OF HIGH STRENGTH STEEL Os três tipos de aço investigados neste estudo são HSLA, DP e TRIP: Testes de embutimentos e de estiramento foram simulados utilizando FEA e comparados com os resultados experimentais Objetivo: PG-Mec – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica LABCONF – Laboratório de Conformação

7 Tração Norma australiana AS 1391-1991
EXPERIMENTAL AND NUMERICAL EVALUATION OF FORMING AND FRACTURE BEHAVIOUR OF HIGH STRENGTH STEEL Tração Norma australiana AS Objetivo: PG-Mec – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica LABCONF – Laboratório de Conformação

8 Tensile test Inicialmente, amostras na direção de laminação.
EXPERIMENTAL AND NUMERICAL EVALUATION OF FORMING AND FRACTURE BEHAVIOUR OF HIGH STRENGTH STEEL Tensile test Inicialmente, amostras na direção de laminação. *O HSLA apresentou anisotropia no embutimento então suas propriedades de tração foram testadas na direção transversal e 45°, adicionalmente. Os testes foram realizados num MTS de 30 kN. Amostras com 2 pontos e 25 mm de espaçamento. Sistema de câmera media o deslocamento dos pontos durante o teste dando a curva de deslocamento e força. Taxa de deformação de 2 mm / min. Para investigar o comportamento da estricção e fratura, alguns testes foram interrompidos no início do necking, enquanto outros prosseguiram até a fratura.  Objetivo: PG-Mec – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica LABCONF – Laboratório de Conformação

9 Óleo + filme de polímero: superfície externa.
EXPERIMENTAL AND NUMERICAL EVALUATION OF FORMING AND FRACTURE BEHAVIOUR OF HIGH STRENGTH STEEL Erichsen Cup drawing Óleo + filme de polímero: superfície externa. Óleo: superfície interna. Objetivo: PG-Mec – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica LABCONF – Laboratório de Conformação

10 Erichsen Cup drawing - Redução de espessura
EXPERIMENTAL AND NUMERICAL EVALUATION OF FORMING AND FRACTURE BEHAVIOUR OF HIGH STRENGTH STEEL Erichsen Cup drawing - Redução de espessura Razão de estiramento de 2,2 e uma força de vedação de 80 kN. Razão de estiramento de 2,3 e uma força de suporte de 10 kN. Velocidade de punção inicial de 0,1m/min. Com redução no final do teste para determinação mais precisa do início da falha. Todos os materiais com falha no raio do “canto do copo”, permitindo análise do comportamento de fratura próximo à região de deformação plana. Objetivo: PG-Mec – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica LABCONF – Laboratório de Conformação

11 Erichsen stretch forming
EXPERIMENTAL AND NUMERICAL EVALUATION OF FORMING AND FRACTURE BEHAVIOUR OF HIGH STRENGTH STEEL Erichsen stretch forming Óleo + filme de polímero; A velocidade de punção: 0,1m/min; Blankholder: 230 kN Objetivo: PG-Mec – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica LABCONF – Laboratório de Conformação

12 Erichsen stretch forming
EXPERIMENTAL AND NUMERICAL EVALUATION OF FORMING AND FRACTURE BEHAVIOUR OF HIGH STRENGTH STEEL Erichsen stretch forming Testes interrompidos com um curso de perfuração final de 22 mm; ~ 3 mm antes do início da estricção observada para HSLA Testes realizados até à fratura; Velocidade de ensaio inicial de 0,1m/min e reduzida até ao fim do ensaio para permitir a determinação exata do início do estreitamento; Objetivo: PG-Mec – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica LABCONF – Laboratório de Conformação

13 Microscopic thickness measurement
EXPERIMENTAL AND NUMERICAL EVALUATION OF FORMING AND FRACTURE BEHAVIOUR OF HIGH STRENGTH STEEL Microscopic thickness measurement Tiras de 0 ° e 90 ° em relação à direção de Laminação foram extraídas, para análise de “empescoçamento “e redução de espessura. Em recortes ao longo da borda da amostra, realizou-se marcas de dureza Vickers, em uma distância pré-definida de 2 mm. Registrando os locais onde as medições de espessura foram tomadas; Usando um microscópio óptico e um software, a espessura da amostra em cada local de medição foi determinada. Objetivo: PG-Mec – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica LABCONF – Laboratório de Conformação

14 Microscopic thickness measurement
EXPERIMENTAL AND NUMERICAL EVALUATION OF FORMING AND FRACTURE BEHAVIOUR OF HIGH STRENGTH STEEL Microscopic thickness measurement Objetivo: PG-Mec – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica LABCONF – Laboratório de Conformação

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Numerical Modelling Objetivo: PG-Mec – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica LABCONF – Laboratório de Conformação

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Numerical Modelling ABAQUS/Explicit 6.5-1: Ferramental: superfícies rígidas (Fig 4); Blank : 4 nó, integração reduzida (Fig 5); Devido a simetria, uso de 1/4 do blank; Espessuras: Tab 1; Entradas com os verdadeiros dados tensão-deformação; Coeficiente de Atrito estimado para melhor correlação entre a força de estiramento experimental e simulada Estiramento: A região do flange da amostra foi negligenciada e a borda externa foi fixada nas condições de contorno. Isto pressupõe um aperto perfeito. Devido à alta lubrificação, desconsiderou-se o atrito na abordagem FEA entre o em blank e o punção. Objetivo: PG-Mec – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica LABCONF – Laboratório de Conformação

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Numerical Modelling Critério de rendimento anisotrópico de Hills para modelar o comportamento material no embutimento; [~ Von Misses] R11, R22, R33, R12, R13 e R23 são razões de tensão da anisotrópicas em seis direções do elemento de cubo. Para representar a anisotropia planar: R11, R22 e R12 . Demais valores da relação de tensões pode ser considerado como 1 (comportamento do material isotrópico). Objetivo: PG-Mec – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica LABCONF – Laboratório de Conformação

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Numerical Modelling As distribuições de espessura sobre o raio do canto da taça foram medidas para todos os materiais como indicado pela linha cinzenta. Objetivo: PG-Mec – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica LABCONF – Laboratório de Conformação

19 Resultados DP apresenta maior endurecimento inicial do trabalho;
EXPERIMENTAL AND NUMERICAL EVALUATION OF FORMING AND FRACTURE BEHAVIOUR OF HIGH STRENGTH STEEL Resultados DP apresenta maior endurecimento inicial do trabalho; TRIP apresenta um UTS mais elevado; Propriedades de tração muito semelhantes para todos. Objetivo: PG-Mec – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica LABCONF – Laboratório de Conformação

20 PG-Mec – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica
EXPERIMENTAL AND NUMERICAL EVALUATION OF FORMING AND FRACTURE BEHAVIOUR OF HIGH STRENGTH STEEL Objetivo: PG-Mec – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica LABCONF – Laboratório de Conformação

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Comparação das curvas de tensão-deformação verdadeiras experimentais com as leis de potência ajustadas. As leis de potência montadas não dão boa representação do comportamento de rendimento próximo. Isto é, porque foi utilizada uma região de tensão acima de 10% de tensão para determinar o expoente de endurecimento. Objetivo: PG-Mec – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica LABCONF – Laboratório de Conformação

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A razão de deformação plástica a 45° em relação à direção de laminação é maior do que as outras. Indica um maior afinamento na direção de laminação e transversal. A anisotropia normal r¯ determina a profundidade média do maior embutimento possível. A anisotropia planar 'Δr' mostra a extensão de earing, onde: Δr <0 orelhamento ocorre perto de ± 45º, o que foi observado em copos retirados do aço HSLA. Objetivo: PG-Mec – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica LABCONF – Laboratório de Conformação

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Deformação mais profunda do HSLA ; DP e TRIP uma anisotropia planar menor; Forças de estiramento semelhantes para o aço TRIP e DP e mais baixas para formar o aço HSLA Objetivo: PG-Mec – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica LABCONF – Laboratório de Conformação

24 Thickness : razão entre a espessura deformada e a original;
EXPERIMENTAL AND NUMERICAL EVALUATION OF FORMING AND FRACTURE BEHAVIOUR OF HIGH STRENGTH STEEL Thickness : razão entre a espessura deformada e a original; Na direção de laminação – HSLA: não uniforme ao longo do raio do canto do punção; Em 90°, mais uniforme. AHSS - uniforme. Em ambas as direções, TRIP maior afinamento que o DP. Objetivo: PG-Mec – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica LABCONF – Laboratório de Conformação

25 Stretch forming Altura máxima de copo:
EXPERIMENTAL AND NUMERICAL EVALUATION OF FORMING AND FRACTURE BEHAVIOUR OF HIGH STRENGTH STEEL Stretch forming Altura máxima de copo: - HSLA 25mm; - DP 27,5mm; - TRIP 31mm. A fratura foi orientada 0° ou 90° em relação à laminação. Objetivo: PG-Mec – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica LABCONF – Laboratório de Conformação

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Para medir a distribuição da espessura das amostras não fraturadas, uma tira foi cortada da seção da cúpula 0° e 90° em relação à direção de laminação. Objetivo: PG-Mec – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica LABCONF – Laboratório de Conformação

27 Ao contrário do embutimento, no estiramento:
EXPERIMENTAL AND NUMERICAL EVALUATION OF FORMING AND FRACTURE BEHAVIOUR OF HIGH STRENGTH STEEL Ao contrário do embutimento, no estiramento: DP ↑afinamento do que o aço TRIP. Em ambas as direções materiais: HSLA ↑afinamento do os demais AHSS. Afinamento HSLA mais uniforme na direção laminação que em 90°. Objetivo: PG-Mec – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica LABCONF – Laboratório de Conformação

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Cup drawing simulation Curvas do testes de embutimento (razão de estiramento de 2,2 e força de blankholder de 80 kN) são comparadas com as previsões de FEA. Objetivo: PG-Mec – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica LABCONF – Laboratório de Conformação

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A distribuição da espessura sobre o raio do canto da copa foi investigada numericamente a 0 ° e 90 ° em relação à direção de Laminação Objetivo: PG-Mec – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica LABCONF – Laboratório de Conformação

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HSLA em 0º e 90º para a direção de laminação são comparados com resultados experimentais Objetivo: PG-Mec – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica LABCONF – Laboratório de Conformação

31 EXPERIMENTAL AND NUMERICAL EVALUATION OF FORMING AND FRACTURE BEHAVIOUR OF HIGH STRENGTH STEEL
Stretch É obtida boa correlação entre os resultados experimentais e as previsões de FEA; Objetivo: PG-Mec – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica LABCONF – Laboratório de Conformação

32 Previsão fraca do comportamento de afinamento.
EXPERIMENTAL AND NUMERICAL EVALUATION OF FORMING AND FRACTURE BEHAVIOUR OF HIGH STRENGTH STEEL Previsão fraca do comportamento de afinamento. FEA reproduz o afinamento mais elevado do HSLA comparado aos AHSS; Prevê distribuição de espessura semelhante para os AHSS. Mas o DP maior afinamento comparado ao TRIP no estiramento. Objetivo: PG-Mec – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica LABCONF – Laboratório de Conformação

33 PG-Mec – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica
EXPERIMENTAL AND NUMERICAL EVALUATION OF FORMING AND FRACTURE BEHAVIOUR OF HIGH STRENGTH STEEL Objetivo: PG-Mec – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica LABCONF – Laboratório de Conformação

34 HSLA mostra a tendência de empescosamento antes da fratura.
EXPERIMENTAL AND NUMERICAL EVALUATION OF FORMING AND FRACTURE BEHAVIOUR OF HIGH STRENGTH STEEL Estreitamento ↓ na tensão uniaxial do que a deformação plana e reduz ainda mais na tensão biaxial. HSLA mostra a tendência de empescosamento antes da fratura. DP sofre maior estreitamento em relação ao Trip na tensão uniaxial, não foi observado empescosamento antes da fratura no estiramento. TRIP mostrou a formação de estricção antes da fratura no estiramento. No embutimento (deformação plana) os dois AHSS mostram um comportamento de estreitamento semelhante. Objetivo: PG-Mec – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica LABCONF – Laboratório de Conformação

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Discussion Nos testes de tração foi demonstrado que os três tipos de aço investigados têm propriedades de tração semelhantes sugerindo um comportamento de deformação comparável. Nos ensaios de embutimento foi observado um maior afinamento para o aço TRIP em comparação com o aço DP. Ao contrário no estiramento Análise de fraturas revelou diferenças significativas entre os dois aços dependendo da direção de deformação, devido a microestrutura, que deveria ser considerada em simulações. Objetivo: PG-Mec – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica LABCONF – Laboratório de Conformação

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Conclusão Embora todos os materiais apresentassem propriedades de tração semelhantes, observaram-se diferenças no afinamento e no comportamento da fratura nos testes de embutimento e estiramento. Isto tem sido relacionado a diferenças na microestrutura e a direcionalidade. O modelo FEA realizado apresenta boa representação do comportamento do material de todos os aços no embutimento. O modelo FEA não conseguiu representar bem o comportamento de redução de espessura para os materiais. Um modelo mais sofisticado é necessário para representar o comportamento de deformação para aços convencionais e de avançados de alta resistência no estiramento. Objetivo: PG-Mec – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica LABCONF – Laboratório de Conformação

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