BR102021025574A2 - Método de marcação de malha de referência de corpos de prova para a medição de deformações - Google Patents

Abstract

O presente pedido de patente consiste na deposição de um revestimento metálico sobre a superfície dos corpos de prova utilizados para o levantamento das CLCs, no intuito de aumentar o contraste entre a malha e a superfície das chapas e, com isso, facilitar a medição das deformações. As etapas para a realização da invenção são as seguintes: recortar a chapa metálica transformando-as em blank na dimensão necessária para a realização do ensaio escolhido para o levantamento da curva CLC; preparação superficial de pré-revestimento do blank; revestimento metálico do blank; preparação superficial de pós-revestimento do blank; impressão da malha de referência no blank por meio de processo eletroquímico.

Description

MÉTODO DE MARCAÇÃO DE MALHA DE REFERÊNCIA DE CORPOS DE PROVA PARA A MEDIÇÃO DE DEFORMAÇÕES Campo da invenção

[001] A invenção se insere no campo de realização de ensaios de medição de deformações para o Levantamento de Curvas Limite de Conformação (CLC) e de Diagramas Limite de Conformação (DLC), utilizados em simulações numéricas de estampagem de chapas metálicas e nos projetos de peças estampadas.

Fundamentos da invenção

[002] Entende-se como estampabilidade a capacidade do material de se deformar plasticamente sem que ocorram trincas, fraturas ou afinamento excessivo. As peças estampadas, em sua grande maioria, são projetadas com o auxílio de softwares de simulação numérica de estampagem. Esses softwares utilizam as Curvas Limite de Conformação (CLCs) como critério que permite ao usuário saber até que ponto o material pode ser deformado sem sofrer estricção ou ruptura. Assim sendo, o sucesso das simulações depende essencialmente da utilização de CLCs confiáveis e que representem bem o comportamento do material, pois são elas que estabelecem os limites de sucesso e insucesso do processo de estampagem. Além disso, as CLCs, associadas às deformações medidas nas peças estampadas, dão origem aos Diagramas Limite de Conformação (DLCs), que permitem estabelecer a severidade de estampagem do componente durante tryouts, avaliar alterações nos ferramentais ao longo de sua vida útil, auxiliar no alinhamento de prensas, na seleção/substituição de materiais, além de atuar como elemento auxiliar na detecção de problemas de conformação.

[003] Existem dois modos de obtenção de CLCs quanto à técnica empregada: as curvas experimentais e as curvas teóricas. As curvas experimentais são obtidas por meio de ensaios laboratoriais físicos e as curvas teóricas são estimadas matematicamente, utilizando dados como as propriedades mecânicas do material e critérios de instabilidade plástica, dentre outros.

[004] As CLCs experimentais podem ser obtidas a partir de diversas metodologias, tais como: tração, bulge test, Hecker, Marciniak e Nakajima. O método de Nakajima é o mais utilizado mundialmente, em razão da simplicidade do ferramental e dos corpos de prova utilizados nos ensaios. Contudo, todos os métodos utilizados para o levantamento de CLCs têm em comum a necessidade de se medir as deformações aplicadas sobre o material durante os ensaios, o que é feito por meio da marcação de uma malha de referência na superfície dos corpos de prova ainda na condição plana, antes da estampagem, referido como blank. Essa marcação pode ser feita a partir da impressão de malhas estocásticas ou determinísticas. As malhas determinísticas, com geometria em geral circular ou quadrada, são impressas eletroquimicamente sobre os blanks por meio de aparelhos que imprimem uma corrente contínua entre o blank e um rolo de marcação, tendo um estêncil contendo a geometria da malha como elemento intermediário.

[005] Entretanto, tem-se observado, durante os ensaios de alguns metais, uma grande dificuldade para que a malha impressa nos blanks seja reconhecida pelos softwares de medição de deformações, acarretando na perda de corpos de prova e, em alguns casos, na impossibilidade de levantamento da CLC. Essa dificuldade foi associada ao desprendimento dos óxidos que dão origem à malha ao longo da estampagem dos corpos de prova, que estaria diminuindo o contraste e favorecendo o “desaparecimento” da região marcada. Nessas situações, o uso de CLCs levantadas teoricamente acaba sendo o único recurso disponível para o projeto das peças, culminando na diminuição da precisão dos resultados das simulações numéricas de estampagem e no aumento dos custos de fabricação dos ferramentais, de retrabalho, de tryout e de peças defeituosas.

[006] Análises de anterioridade e revisões bibliográficas sobre o tema permitiram o levantamento de patentes (KR1203635B1 - Formability Valuation Method of Ferrite Stainless Steel Which can Measure Forming Limitation When Stainless Steel is in Board Form e KR1403789B1 - Valuation Method for Forming Character of Cold Rolled Steel for Hot Press Forming), artigos (TOROGHINEJAD M. R.. Effect of Coating Thickness on Formability of Hot-Dip Galvanized Low Carbon Steel Sheet. ISIJ International. 2007 e BASTOS A.C; GRUNDMEIER G. and SIMÕES A. M. P. A forming limit curve for the corrosion resistance of coil-coatings based on electrochemical measurements. Progress in Organic Coatings. 2015) e normas (ISO12004-2. Metallic Materials-Sheet and StripDetermination of Forming Limit Curves Part 2: Determination of Forming Limit Curves in Laboratory. International Organization for Standardization. 2008) relacionados ao campo da invenção. Contudo, nenhum deles faz qualquer menção as técnicas apresentadas na presente invenção para melhorar a nitidez da impressão da malha de referência
Breve descrição dos desenhos
A figura 1 ilustra geometrias típicas de malhas e a marcação eletroquímica realizada sobre os blanks para a medição das deformações durante o levantamento das CLCs/DLCs.
A figura 2 ilustra a superfície de um corpo de prova marcado eletroquimicamente para o levantamento da CLC, observado (a) antes e (b) após a etapa de estampagem.
A figura 3 ilustra corpos de prova utilizados para o levantamento de CLCs, ressaltando a visibilidade da malha prejudicada após a estampagem.
A figura 4 ilustra o reconhecimento parcial da malha impressa no material pelo software de medição de deformações, culminando na perda do corpo de prova.
A figura 5 ilustra o procedimento de galvanização a quente dos corpos de prova destinados ao levantamento das CLCs.
A figura 6 ilustra o procedimento de eletrogalvanização dos corpos de prova destinados ao levantamento das CLCs.
A figura 7 ilustra CLCs levantadas antes e após o revestimento metálico dos corpos de prova, enfatizando a pouca diferença entre as curvas.
A figura 8 ilustra corpos de prova utilizados para o levantamento de CLCs, ressaltando a visibilidade da malha consideravelmente melhorada após o processo de revestimento metálico.
A figura 9 ilustra o reconhecimento total da malha impressa no material pelo software de medição de deformações.

Resumo da invenção

[007] O presente pedido de patente consiste na deposição de um revestimento metálico sobre a superfície dos corpos de prova utilizados para o levantamento das CLCs, no intuito de aumentar o contraste entre a malha e a superfície das chapas e, com isso, facilitar a medição das deformações. Desta forma, a estratégia de revestir os corpos de prova pode ser utilizada para facilitar o levantamento das CLCs, sem comprometer a qualidade dos resultados dos ensaios. Essa metodologia pode ser incorporada ao procedimento utilizado para o levantamento de CLCs a partir de qualquer um dos métodos disponíveis (tração, bulge test, Hecker, Marciniak, Nakajima, dentre outros), devendo ser utilizada sempre que a qualidade da malha impedir a leitura das deformações dos corpos de prova. O resultado é a geração de dados mais confiáveis para a realização de simulações numéricas de estampagem, diminuindo custos com retrabalho, tryout e fabricação de peças defeituosas.

Descrição detalhada da invenção

[008] A sequência de realização da marcação da malha de referência sobre a superfície dos corpos de prova ainda na condição plana (antes da estampagem), conforme apresentado na Figura 1, é feita por meio de impressão eletroquímica utilizando de aparelhos que imprimem uma corrente elétrica entre o corpo de prova e um rolo de marcação, tendo um estêncil contendo a geometria da malha como elemento intermediário.

[009] Durante os ensaios de alguns metais, tem-se observado uma grande dificuldade para que a malha impressa nos blanks seja reconhecida pelos softwares de medição de deformações, acarretando a perda de corpos de prova e, em alguns casos, na impossibilidade de levantamento da CLC, conforme pode ser observado na Figura 2a antes da estampagem e 2b, após a estampagem. Essa dificuldade foi associada ao desprendimento dos óxidos que dão origem à malha ao longo da estampagem dos corpos de prova, que estaria diminuindo o contraste e favorecendo o “desaparecimento” da região marcada, resultando em visibilidade da malha prejudicada pela estampagem, conforme Figura 3, e consequente reconhecimento parcial da malha impressa no material pelo software de medição de deformações, culminando na perda do corpo de prova, conforme Figura 4.

[0010] Foi desenvolvido um método utilizando chapas de metal (blanks), sendo estas cortadas nas dimensões utilizadas para o levantamento das CLCs.

[0011] As etapas para a realização da invenção são as seguintes: recortar a chapa metálica transformando-as em blank na dimensão necessária para a realização do ensaio escolhido para o levantamento da curva CLC; preparação superficial de prérevestimento do blank; revestimento metálico do blank; preparação superficial de pósrevestimento do blank; impressão da malha de referência no blank por meio de processo eletroquímico.

[0012] Ensaios experimentais mostraram que as CLCs levantadas a partir das amostras avaliadas nas condições revestida e não revestida foram estatisticamente semelhantes, conforme demonstrado na Figura 7.

[0013] O invento foi utilizado com sucesso em amostras de aços laminados a quente e a frio não revestidos. O revestimento por galvanização dos corpos de prova melhorou significativamente a qualidade da malha de referência impressa nos blanks, conforme Figura 8, para o levantamento das Curvas Limite de Conformação, facilitando a medição das deformações, conforme Figura 9, e viabilizando o levantamento das curvas.

Exemplos de concretizações da invenção

[0014] Como exemplo de consumação da invenção, foi realizado o revestimento metálico do blank pelo processo de galvanização a quente, conforme representado na Figura 5 e de acordo com as seguintes etapas: 1) desengraxe mecânico do blank antes da galvanização utilizando uma solução de Parco® Cleaner a 2% de concentração na temperatura de 70ºC; 2) lavagem do blank em água corrente, seguida de imersão em água destilada e posterior secagem com sopro de nitrogênio; 3) imersão do blank em um banho contendo 99,8% de Zn e 0,2% de Al a uma temperatura de 470°C por 5 segundos; 4) manutenção do blank galvanizado em suspensão à temperatura ambiente até o resfriamento.

[0015] Tendo recursos disponíveis para tal, é possível controlar a espessura da camada de zinco obtida a partir do processo de galvanização a quente, que pode ser feito por meio do sopro de nitrogênio a uma vazão de 400 litros/minuto sobre as faces do blank galvanizado. Essa contudo, não é uma variável essencial ou necessária para a utilização dos corpos de prova galvanizados para o levantamento da CLC, podendo ser suprimida do processo.

[0016] Parâmetros do processo de galvanização a quente, tais como o tempo de permanência no banho e a metodologia de controle da espessura da camada de zinco também influenciam a massa de camada de zinco depositada sobre o material. Contudo, a galvanização dos aços visa apenas aplicar uma fina camada de zinco sobre a superfície dos blanks, somente para alterar sua coloração e reatividade química e assim viabilizar o reconhecimento da malha impressa para o levantamento das CLCs. Assim sendo, a massa de camada depositada pode variar de 0,1 g/m² a 500 g/m² sem maiores problemas para o levantamento das CLCs.

[0017] Outro exemplo de processo de preparação de blank conforme a presente invenção foi por meio do processo de revestimento por eletrogalvanização, sendo utilizada como eletrólito uma mistura de ZnSO4(sol.), H2SO4 e água desmineralizada, em um equipamento composto por uma célula de galvanização eletrolítica piloto e por uma fonte de energia, demonstrado na Figura 6, e de acordo com as seguintes etapas: 1) desengraxe mecânico do blank antes da galvanização utilizando uma solução de B614 a 20% na temperatura de 60ºC; 2) lavagem do blank antes da galvanização com água corrente seguida de água destilada; 3) desengraxe eletrolítico do blank com corrente de 66 Amperes por um período de 5 segundos; 4) decapagem do blank com uma solução de H2SO4 30 g/l a 40ºC por 20 segundos; 5) galvanização do blank com a temperatura do eletrólito a 70°C, distância entre os eletrodos na célula de galvanização em 40 mm, densidade de corrente variável dependendo da dimensão do blank, corrente de pulsos de 3 s, com intervalos de 1 s entre cada pulso, eletrólito contendo 5 g/l de H2SO4 com 120 g/l de Zn, aplicação de tempo variável de acordo com a massa de camada visada; 6) neutralização do blank galvanizados (solução de Parco® Cleaner B653 a 20% na temperatura de 60ºC); 7) lavagem do blank galvanizados com água corrente seguida de secagem com nitrogênio.

[0018] Parâmetros do processo de eletrogalvanização, tais como o número de pulsos, o intervalo e o tempo de aplicação da corrente elétrica, além da variação nas dimensões, nas condições superficiais e nas espessuras do blank, influenciam a massa de camada de zinco depositada sobre o material, que pode variar bastante de uma condição de ensaio para outra. Assim sendo, a massa de camada depositada pode variar de 0,1 g/m² a 500 g/m² sem maiores problemas para o levantamento das CLCs.

[0019] O invento foi utilizado com sucesso em amostras de aços laminados a quente e a frio não revestidos. A galvanização dos corpos de prova melhorou significativamente a qualidade da malha de referência impressa no blank para o levantamento das Curvas Limite de Conformação, facilitando a medição das deformações e viabilizando o levantamento das curvas.

[0020] O processo de galvanização não alterou a microestrutura, a dureza (tabela 1), a morfologia superficial e as propriedades mecânicas em tração (tabela 2) das amostras. Em contrapartida, o coeficiente de atrito dos aços aumentou após a etapa de galvanização (tabela 3). Esse aumento, contudo, não afetou a posição das CLCs, devido à utilização de lubrificantes (teflon e vaselina) entre os corpos de prova e o ferramental durante a realização dos ensaios, conforme preconizado pelas normas de ensaio (ISO 12004-2 e ASTM E2218).

[0021] As Curvas Limite de Conformação de um aço laminado tal como produzido industrialmente na condição de não revestido e revestido por galvanização a partir da técnica proposta, são mostradas na figura 7. Observando a figura é possível inferir que o processo de galvanização não alterou de maneira significativa a posição das CLCs. Contudo, para se chegar a uma conclusão precisa a respeito, foram realizadas análises estatísticas no intuito de verificar se a aplicação do revestimento alterou a posição das curvas. Essas análises foram feitas por meio da avaliação das maiores e menores deformações obtidas a partir de corpos de prova estampados em três regiões distintas: embutimento, deformação plana e estiramento. Verificou-se que as maiores e menores deformações, medidas antes e após a etapa de revestimento de todas as amostras, foram estatisticamente iguais (95% de confiança). Observou-se ainda que a trajetória de deformação não foi alterada e que o estado plano de deformação (menor deformação igual a zero), ponto mais crítico da CLC em termos de aplicação, sofreu pouca variação entre as condições com e sem revestimento. Como conclusão geral, os resultados mostraram que a estratégia de aplicar uma fina camada de zinco sobre os corpos de prova pode ser utilizada para facilitar o levantamento das CLCs, sem prejudicar ou comprometer a qualidade dos resultados dos ensaios. Cabe destacar ainda que as análises mostraram não ser necessário alterar as condições de lubrificação utilizadas nos ensaios para o levantamento das CLCs dos aços galvanizados (lâminas de teflon e vaselina), cujas rupturas ocorreram no domo dos corpos de prova, assim como observado nos aços ensaiados na condição não revestida.

I) Orientação do comprimento dos corpos de prova de tração em relação à direção de laminação;
II) Alongamento total (Altotal), avaliado na base de medida de 50 mm;

Claims (7)

1. Método de marcação de malha de referência de corpos de prova para a medição de deformações caracterizado por realizar as etapas de: 1) recortar a chapa metálica transformando-as em blank; 2) preparação superficial de pré-revestimento do blank; 3) revestimento metálico do blank; 4) preparação superficial de pós-revestimento do blank; 5) impressão da malha de referência no blank por meio de processo eletroquímico.
2. Método de marcação de malha de referência de corpos de prova para a medição de deformações conforme reivindicação 1, caracterizado por realizar a etapa 2) de preparação superficial de pré-revestimento do blank através do desengraxe mecânico do blank utilizando uma solução de Parco® Cleaner a 2% de concentração na temperatura de 70ºC; lavagem do blank em água corrente, seguida de imersão em água destilada e posterior secagem com sopro de nitrogênio;
3. Método de marcação de malha de referência de corpos de prova para a medição de deformações conforme reivindicação 1, caracterizado por realizar a etapa 3) revestimento metálico do blank em um banho contendo 99,8% de Zn e 0,2% de Al a uma temperatura de 470°C por 5 segundos, sendo a massa de camada de revestimento de 0,1 g/m² a 500 g/m²;
4. Método de marcação de malha de referência de corpos de prova para a medição de deformações conforme reivindicação 1, caracterizado por realizar a etapa 4) preparação superficial de pós-revestimento do blank mantendo-o em suspensão à temperatura ambiente até o resfriamento e, opcionalmente, realizar o sopro de nitrogênio a uma vazão de 400 litros/min sobre as faces do blank;
5. Método de marcação de malha de referência de corpos de prova para a medição de deformações conforme reivindicação 1, caracterizado por realizar a etapa 2) de preparação superficial de pré-revestimento do blank através do desengraxe mecânico do blank utilizando uma solução de B614 a 20% na temperatura de 60ºC; lavagem do blank com água corrente seguida de água destilada; desengraxe eletrolítico do blank com corrente de 66 Amperes por um período de 5 segundos; decapagem do blank com uma solução de H2SO4 30 g/l a 40ºC por 20 segundos;
6. Método de marcação de malha de referência de corpos de prova para a medição de deformações conforme reivindicação 1, caracterizado por realizar a etapa 3) revestimento metálico do blank por meio do processo de eletrogalvanização com a temperatura do eletrólito a 70°C, distância entre os eletrodos na célula de galvanização em 40 mm, densidade de corrente variável dependendo da dimensão do blank, corrente de pulsos de 3 s, com intervalos de 1 s entre cada pulso, eletrólito contendo 5 g/l de H2SO4 com 120 g/l de Zn, aplicação de tempo variável de acordo com a massa de camada visada de 0,1 g/m² a 500 g/m²
7. Método de marcação de malha de referência de corpos de prova para a medição de deformações conforme reivindicação 1, caracterizado por realizar a etapa 4) preparação superficial de pós-revestimento do blank com a neutralização do blank utilizando a solução de Parco® Cleaner B653 a 20% na temperatura de 60ºC, lavagem com água corrente seguida de secagem com nitrogênio.

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