O compromisso da força-ductilidade | Article | Automotive Manufacturing Solutions
By ams_jamesbakewell2017-09-06T11:13:29+01:00
Os aços dúcteis de alta resistência poderiam ser processados em escala industrial graças a um novo projeto de pesquisa da WMG na Universidade de Warwick, no Reino Unido. A AMS foi descobrir o que isto significa para a indústria automotiva
A equipe da WMG afirma ter encontrado uma maneira de controlar estágios indesejados no metal durante a produção. O pesquisador principal do projeto, Alireza Rahnama, diz: "O ponto mais importante desta pesquisa é que mostramos como podemos aproveitar a força das fases frágeis - quando os aços não são facilmente cortáveis - e aumentar a ductilidade geral dos aços leves. Ela fornece instruções finas para o design de aço novo e leve"
Nos últimos anos, os OEMs estão se voltando cada vez mais para alternativas leves ao aço, como alumínio e compósitos, a fim de reduzir o peso de seus veículos. Claro, a indústria siderúrgica não está levando essa ameaça à sua supremacia automotiva. É preciso investir fortemente na P & D de aços avançados e ultra-resistentes mais fortes e mais leves (AHSS e UHSS) para competir.
De um modo geral, o AHSS é um aço que demonstra uma resistência à tração máxima (UTS) de mais de 500 MPa, enquanto o UHSS é um aço que possui um UTS acima de 980MPa. Esses materiais são usados principalmente na carroceria-em-branco (BIW) de um veículo para produzir componentes que devem adsorver grandes quantidades de energia em caso de acidente, como os partes laterais, dianteira e traseira. No entanto, há um equilíbrio complicado que os fabricantes de aço devem encontrar. Quanto mais fortes fabricam seus metais, menos dúctiveis eles tendem a se tornar, o que limita os métodos que podem ser usados para formá-los em partes. Rahnama diz: "É uma pesquisa sem fim. Nós sempre procuramos novas ligas com peso cada vez mais reduzido que têm maior força e maior ductilidade."
Aços de fase múltiplaHá uma grande variedade de notas AHSS e UHSS, com cada tipo exibindo propriedades ligeiramente diferentes. Tipicamente, eles possuem uma microestrutura martensítica. A martensita é a forma mais dura e forte de aço, mas também é a menos compacta. Para corrigir esta questão, é necessária uma mistura de fases formáveis e fortes. Atualmente, o AHSS mais usado é o aço de fase dual (DP) de primeira geração, que contem fases ferríticas e martensíticas para um equilíbrio de formabilidade e resistência. Atualmente, os aços DP estão disponíveis com resistência à tração de 590-1,400MPa e são altamente adequados para a formação de prensa. Os aços de fase complexa (CP) geralmente podem ser formados mais facilmente do que os aços DP e contêm uma fase adicional de bainita.
"É uma pesquisa sem fim. Nós sempre procuramos novas ligas com peso cada vez mais reduzidos que têm maior força e maior ductilidade"– Alireza Rahnama, WMG
Os aços de plasticidade induzida por transformação (TRIP) contêm austenite retida, além de ferrita e martensita. Quando esses aços são deformados, a austenite se transforma em martensite, o que ajuda a distribuir a tensão e aumentar o alongamento. Estes aços são mais facilmente formados do que os aços CP e DP. Entretanto, os aços de plastilidade induzidos por geminação (TWIP) de segunda geração são 100% austenitos à temperatura ambiente. Os elementos de alta liga - maior que 15% de manganês - causam a formação de limites duplos quando o aço é deformado. Esses limites duplos fortalecem o aço, permitindo que demonstrem alongamento de mais de 50% com uma força de cerca de 1.000 MPa.
Rahnama diz: "Principalmente, os aços TRIP e TWIP são usados atualmente na indústria automotiva. A fabricação de aço é muito mais barata que o alumínio e os compósitos. Por outro lado, as ligas de alumínio e os compósitos têm menor densidade, o que, por sua vez, reduz o peso do carro, levando ao aumento da eficiência do consumo de combustível e das emissões reduzidas de dióxido de carbono. No entanto, os aços de baixa densidade se beneficiam da fabricação de aço de baixo custo, bem como de um peso reduzido. Assim, os carros fabricados com este tipo de aço serão mais baratos ao mesmo tempo que são mais leves."
Os aços martensíticos são - como o próprio nome indica - principalmente martensíticos com algumas pequenas quantidades de ferrite e bainita. Estes aços possuem excepcionalmente alta resistência - 900 a 1,700 MPa - mas são difíceis de formar usando qualquer outro processo que não seja a formação de rolos.
Estampado a quente para alta resistênciaOutras notas UHSS só podem ser formadas usando estampagem a quente. Desenvolvido na década de 1970 na Suécia, foram usadas pela primeira vez na indústria automotiva pela Saab Automobile AB em 1984. Usando o processo, uma placa - geralmente feita de aço de boro - é aquecida em um forno até sua temperatura de austenitização de cerca de 900 °C, formada em um conjunto de matriz de resfriamento interno e extinta sob pressão a uma taxa mínima de resfriamento de 27 °C por segundo. Esta taxa de resfriamento mínima garante a formação de uma microestrutura martensítica no componente, conferindo alta resistência - que pode ser superior a 1.500 MPa.
Isso significa que é possível construir componentes com medidas mais finas de aço do que seria possível. Além disso, as peças com geometrias complexas podem ser produzidas sem o problema da mola, onde um metal tende a reverter à sua forma original devido às suas propriedades naturais de recuperação elástica. Todo o processo, desde o aquecimento do espaço em branco no forno até o carimbo no dado, leva de cinco a dez minutos, mas a tecnologia do forno permitiu uma taxa de produção de uma peça a cada 20 segundos ou mais. O uso de estampagem a quente aumentou significativamente ao longo dos últimos anos, mas a energia necessária para aquecer a matriz torna este processo mais caro do que a variedade de formação a frio.
Desenvolvendo novos processosA Rahnama desenvolveu uma nova rota de processamento que permite que as ligas à base de aço de baixa densidade sejam produzidas com um alto grau de força, mantendo-se duráveis e flexíveis - uma combinação que foi amplamente impossível de alcançar até agora. Ele continua: "A maioria dos mecanismos metalúrgicos para aumentar a força leva à perda de ductilidade, um efeito referido como o compromisso força-ductilidade. Este trabalho estuda a cinética e a termodinâmica da evolução microestrutural de aços leves através de simulações e experimentos, e propõe um mecanismo para alcançar maior resistência e maior ductilidade - um método que pode ser facilmente adotado pela indústria."
Em seu trabalho, Rahnama olhou para aços de alto teor de alumínio, também conhecidos como aços Triplex. Em comparação com os aços TRIP e TWIP, esses materiais possuem maior resistência (que pode ser bem superior a 1.000 MPa) e maior tenacidade. Além disso, sua densidade é menor - 6,5 g.cm -3 comparando com cerca de 7,85 g.cm -3. No entanto, o alto teor de alumínio destes materiais leva a problemas. Rahnama diz: "A adição de alumínio leva à formação de fases duras mas frágeis, como compostos de carboneto de kappa-carbeto (carboneto de carbono) e B2 intermetálicos". Estes tornam os aços duros, mas limitam sua dutilidade, por isso são difíceis de formar em partes.
Dois aços leves foram testados por Rahnama e sua equipe - Fe-15Mn-10Al-0.8C-5Ni and Fe-15Mn-10Al-0.8C - por seu potencial para alcançar alta resistência e ductilidade.Através da simulação e, em seguida, da experimentação, os pesquisadores descobriram que, em certas temperaturas de recozimento elevadas, as fases frágeis desses dois aços podem se tornar muito mais controláveis, permitindo que os aços retenham ductilidade.
Research by WGM is helping to evolve the structure of steel
Rahnama diz: "Desenvolvemos esse processo através do trabalho teórico e da modelagem matemática. A ideia inicial foi apenas entender as transformações de fase que ocorrem nos aços de baixa densidade. Os modelos matemáticos nos forneceram orientações precisas e nos mostraram como podemos realmente obter melhores propriedades mecânicas através da modificação da microestrutura dos nossos aços leves". Entre 900 °C e 1.200 °C, a fase de carboneto de carbono pode ser removida da produção, e a fase frágil intermetáica B2 pode se tornar gerenciável, formando-se em uma morfologia de nanoescópio semelhante a um disco, em comparação a um produto mais grosso que se formaria sob temperaturas menores.
De acordo com Rahnama, o processo poderia ser fácil de implementar pelos fabricantes de aço. Ele diz: "Nós só precisamos recozir [os aços] a uma temperatura específica por uma duração e taxa de resfriamento específicas". Mas o processo de Rahnama está de acordo com a prontidão comercial.
Enquanto isso, as siderúrgicas têm desenvolvido suas próprias formas de aço de alta resistência formáveis. Anunciado em 2014, a gama Fortiform da ArcelorMittal dúctil AHSS foi desenvolvida especificamente para estampagem a frio, e poderia reduzir o peso dos componentes produzidos atualmente usando (DP), aços de fase dual em até 20%. O Fortiform 1050 foi o primeiro produto nesta gama a estar disponível no mercado, e os primeiros veículos produzidos em série a usá-lo sairão das linhas de montagem este ano.Como resultado da sua elevada resistência à tração, o aço Fortiform 1050 é particularmente adequado para a produção de peças que devem absorver a energia no caso de impactos. Amostras de duas outras séries, Fortiform 980 e Fortiform 1180 estão atualmente disponíveis para os fabricantes para testes.
Aço nanoestruturadoEnquanto isso, NanoSteel - uma família de ligas ferrosas nanoestruturadas desenvolvidas por uma empresa norte-americana de mesmo nome - demonstra alongamentos de mais de 20% à temperatura ambiente, que apresenta oportunidades para formação a frio que são impossíveis usando atuais notas AHSS e UHSS. Em aço convencional, os grãos e matriz que compõem a estrutura do material são colocadas em microns. Ligas de NanoSteel são nanoestruturadas, o que significa que elas apresentam grãos e matrizes com dimensões inferiores a 100nm. Estas microestruturas em nanoescala conferem propriedades mecânicas e físicas singulares. As ligas NanoSteel exploraram dois novos mecanismos que permitem a criação de nanoestruturas em ambientes de produção de alta temperatura e entregam propriedades únicas após deformação.
O primeiro mecanismo é chamado Refinamento Nanophase. Enquanto a maioria dos nanomateriais experimentam crescimento de grãos quando exposto a altas temperaturas, o mecanismo de refinanciamento NanoPhase refina os grãos, mantendo essas propriedades favoráveis. O segundo mecanismo é o Fortalecimento de Nanophase dinâmico, que ocorre após escoamento e fornece elevada encruamento e ductilidade utilizável quando o material é formado em peças automotivas.