Análise do calor gerado por deformação plástica em aços de alta resistência

Abstract

Nos últimos anos a utilização dos aços de alta resistência têm vindo a aumentar na indústria automóvel. A elevada resistência mecânica destes aços permite reduzir o peso dos veículos em relação aos aços convencionais. A redução do seu peso permite a diminuição do consumo de combustível, levando a uma diminuição dos impactos ambientais provocados pelos automóveis. Porém a utilização deste tipo de aços impõe novos desafios do ponto de vista tecnológico uma vez que a formabilidade é menor. Além disso, o esforço nas ferramentas de estampagem e maior, bem como a geração de calor por deformação plástica e contacto com atrito. Apesar de pequenas variações de temperatura não alteram as propriedades mecânicas dos materiais metálicos, os lubrificantes utilizados no processo de conformação de chapas metálicas são muito sensíveis a pequenas variações de temperatura.O objetivo principal deste trabalho é quantificar o aumento de temperatura gerado por deformação plástica em dois aços de alta resistência, o aço DP500 e o aço DP780. Para tal o ensaio de tração uniaxial foi estudado com auxílio do método dos elementos finitos, onde são avaliados vários parâmetros numéricos. O aumento de temperatura depende do coeficiente de Taylor e Quinney (B), que traduz a percentagem de trabalho plástico convertido em calor durante a deformação plástica. Vários estudos demonstram que beta=0,9 para a maioria dos metais, sendo este o valor habitualmente usado em modelos de simulação numérica. No entanto, outros estudos mostram que B aumenta com a deformação plástica. Na modelação do ensaio de tração as perdas de calor para o exterior são consideradas, sendo estas por convecção natural na zona em contacto com o ar e por transferência de calor por contacto na zona das amarras do provete.Neste trabalho são estudados dois provetes com geometrias diferentes, com o intuito de analisar a influência da geometria no aumento de temperatura. Os resultados obtidos mostram que a geração de calor é maior no aço DP780, pois possui tensões de escoamento superiores. No entanto a geometria do provete (tamanho) não tem um impacto significativo no aumento de temperatura previsto. Considerando uma velocidade de amarra igual a 1 mm/s, no instante de carga máxima o aço DP500 alcança uma temperatura de 44,4ºC e o aço DP780 de 52,7ºC, sendo a temperatura inicial de 22ºC. O aumento de temperatura é superior para velocidades de deformação mais elevadas. De facto, o parâmetro que revelou maior influência no aumento de temperatura foi a velocidade de deformação, enquanto o que menos influenciou foi o coeficiente de transferência de calor por contacto.

In the last few years, Advanced High Strength Steels (AHSS) use has been increasing in the automotive industry. This steels have a high mechanical strength that allows to reduce the vehicles weight compared to conventional steels. The weight reduction leads to a decrease in fuel consumption and consequently a reduction of the environmental impacts caused by cars. However, the use of this type of steel imposes new challenges from the technological point since the formability is smaller. Besides, the mechanical loads in the stamping tools increases, as well as the heat generated by plastic deformation and friction contact. Although small variations in temperature don’t change mechanical properties of the metallic materials, the lubricants used in the sheet metal forming process are very sensitive to small variations in temperature. The main objective of this work is to quantify the temperature increase generated by plastic deformation in two AHSS, namely the DP500 steel and the DP780 steel. For this, uniaxial tensile test was studied using the finite element method, where several numerical parameters are evaluated. Temperature increases depends on Taylor and Quinney coefficient (B), which defines the fraction of plastic work converted into heat during plastic deformation. Several studies have shown that B = 0.9 for most metals, which is the commonly used value in numerical simulation. However, other studies show that β increases with plastic deformation. The heat losses are considered in the tensile test modeling, assuming natural convection in specimen zone surrounded by air and thermal contact conductance in the zones of the specimen where the grip is applied.In this work two specimens with different geometries are studied in order to analyze the influence of geometry on temperature increases. Results shown that heat generation is higher in the DP780 steel, because it has higher flow stress values. However, the geometry of the specimen (size) doesn’t have a significant impact on the expected temperature increase. Considering a grip speed of 1 mm/s, at the instant of maximum load, the DP500 steel reaches a temperature of 44.4 °C and the DP780 steel of 52.7 °C, using the initial temperature of 22 °C. Besides, the temperature rise is higher for large values of plastic strain rate. In fact, the parameter with largest influence on the temperature rise is the plastic strain rate, while the interfacial heat transfer coefficient presents a negligible impact on the predicted temperature.