Taxa de endurecimento por trabalho do aço inoxidável austenítico: implicações para a conformação a frio

O que é a taxa de endurecimento por trabalho e por que ela controla o comportamento-de conformação a frio em aço inoxidável austenítico?

A equação de Hollomon descreve a curva de tensão verdadeira-de deformação verdadeira na região de deformação plástica uniforme-antes do início da estricção. K é o coeficiente de resistência en é o expoente de encruamento-de deformação: quanto maior for n, mais a resistência do material a deformações adicionais aumenta para um determinado incremento de deformação. Como n também é igual à verdadeira deformação no início do estreitamento (pelo critério de Considère), um valor alto de n-é um indicador direto de quanto uma folha pode ser esticada ou esticada antes de começar a afinar localmente e falhar.

Para um fabricante, esse número único explica várias coisas observadas no chão de fábrica ao mesmo tempo: por que a chapa inoxidável requer mais tonelagem do que o aço-carbono para a mesma dobra ou estiramento, por que a superfície de uma peça moldada em aço inoxidável é mensuravelmente mais dura do que a-chapa recebida e por que uma peça que parecia boa no meio-da estampagem ainda pode esticar com sucesso através de uma operação profunda que teria dividido um material de menor-n.

Por que as classes austeníticas-endurecem mais rápido que os aços ferrítico, duplex e carbono?

A energia de falha de empilhamento (SFE) governa a facilidade com que os deslocamentos podem se reorganizar durante a deformação. No aço inoxidável austenítico, o baixo SFE faz com que as discordâncias se dividam em discordâncias parciais que não podem facilmente-deslizamento cruzado para um novo plano. Em vez de se aniquilarem ou se reorganizarem em configurações de{3}}energia mais baixa, os deslocamentos se acumulam e se emaranham, e a resistência do material ao fluxo adicional aumenta acentuadamente com a deformação. Os aços ferríticos e carbono têm uma rede cúbica de corpo centrado (BCC) com maior SFE, de modo que as discordâncias se recuperam mais rapidamente e a taxa de endurecimento é menor.

Classes austeníticas metaestáveis ​​- mais notavelmente 301 - adicionam o efeito TRIP. À medida que o material se deforma, parte da austenita (FCC, não magnética) se transforma em martensita (corpo -tetragonal centrado, magnética e muito mais dura). Esta transformação absorve energia e introduz uma segunda fase dura numa matriz dúctil, razão pela qual o 301 em particular pode atingir uma resistência muito elevada puramente através de trabalho a frio, sem tratamento térmico envolvido. As classes duplex ficam no meio: como aproximadamente metade de sua estrutura já é ferrita, seu valor n-em massa é geralmente inferior ao de uma classe totalmente austenítica, mesmo que a fração de austenita dentro de uma microestrutura duplex ainda possa endurecer através dos mesmos mecanismos relacionados ao TRIP-.

Deformação comparativa-Expoentes de endurecimento por família de aço

n-valores compilados da literatura de teste-de tração publicada e de dados técnicos de fresagem sob condições de teste ASTM E646. Os valores reais variam de acordo com a faixa de deformação, direção de laminação, bitola e trabalho a frio anterior; trate-os como faixas de planejamento-de estágio de projeto, e não como propriedades mecânicas certificadas. Confirme com o relatório de teste do moinho (MTR) um calor e têmpera específicos.

Como o efeito TRIP altera o endurecimento por trabalho em classes metaestáveis ​​como 301?

Md30 é definido como a temperatura na qual 30% de deformação verdadeira produz 50% de transformação em martensita. É uma propriedade baseada-na composição: menor teor de níquel e menor teor intersticial (carbono mais nitrogênio) aumentam Md30, o que significa que o material se transforma mais rapidamente à temperatura ambiente. Esta é exatamente a lógica de projeto por trás do 301 em relação ao 304 - 301 carrega menos níquel especificamente, então ele funcionará-endurecerá e ganhará resistência mais rapidamente durante a conformação a frio, com algum custo para a resistência à corrosão e margem de formação em comparação com 304.

A implicação prática para uma linha de formação é dupla. Primeiro, a resistência e a dureza não são propriedades fixas do material para uma classe metaestável, como são para uma liga -tratada termicamente -; elas são uma função da quantidade de deformação e da taxa e temperatura que a peça realmente sofre, o que significa que a repetibilidade do processo (força de suporte da peça bruta, velocidade de estiramento, temperatura da matriz) faz parte da especificação, não apenas do certificado da usinagem. Em segundo lugar, como o risco de fissuração retardada em peças repuxadas-profundas se correlaciona com a combinação do conteúdo de Md30 e (C+N), classes e aquecimentos com um Md30 mais alto precisam de taxas de estiramento mais conservadoras, mais estágios de conformação e inspeção mais minuciosa para peças que sofrerão tensão residual sustentada em serviço.

Quais processos{0}}de conformação a frio são mais afetados pela alta taxa de endurecimento por trabalho?

Desenho profundo e estampagem

Como a tensão do fluxo aumenta acentuadamente com a deformação, a carga do punção e a força do suporte da peça bruta aumentam à medida que o estiramento prossegue, e o risco de divisão aumenta em direção ao raio do punção e ao canto da matriz, onde a deformação se concentra primeiro. Os estiramentos de vários-estágios são a mitigação padrão: reduzir a taxa de estiramento tomada por estágio e inserir um recozimento de processo (solução) entre os estágios para restaurar a ductilidade antes da próxima redução, em vez de tentar a redução total em uma passagem, como pode ser feito em aço-carbono.

Dobragem e perfilagem

Dobrar o aço inoxidável austenítico requer um raio de curvatura mínimo maior do que o mesmo aço carbono de{0}}calibre para evitar rachaduras na superfície da fibra externa e produz mais retorno elástico porque a recuperação do módulo de elasticidade após o descarregamento interage com um material que já endureceu substancialmente na zona de dobra. A compensação de retorno elástico - sobreflexão ou aumento da força de flexão aplicada - é uma prática padrão e deve ser validada por teste ou simulação, em vez de presumida a partir de dados de ferramentas de aço-carbono.

Usinagem após conformação

Um efeito relacionado, muitas vezes subestimado, aparece posteriormente na usinagem secundária: cada corte deixa uma fina camada-endurecida na superfície, de modo que um corte leve ou interrompido subsequente pode passar por cima do material endurecido em vez de cortá-lo, acelerando o desgaste da ferramenta. Os dados de usinabilidade para 304 versus um típico aço-carbono médio (1045) ilustram a mesma lacuna de n-valor discutida acima e são um proxy útil de como o material se comportará em qualquer operação de{6}}deformação repetida, incluindo a formação.

301 vs. 304 vs. 316: Qual classe você deve escolher para uma aplicação de conformação-a frio?

Compilado a partir de dados de especificação ASTM A240/A666 e folhas de dados técnicos de moinhos publicados para têmperas recozidas e-laminadas a frio. Verifique as propriedades mecânicas exatas e a designação da têmpera em relação ao relatório de teste específico do moinho antes de finalizar o projeto da ferramenta.

Como você compensa a alta taxa de endurecimento por trabalho em ferramentas e projetos de processos?

Aumente a folga da matriz e do punção em relação às ferramentas de aço-carbono para acomodar maior tensão de fluxo e reduzir escoriações; confirme a folga específica por teste para a classe, têmpera e calibre em uso.

Use raios de curvatura e punção maiores do que o equivalente em aço-carbono para evitar rachaduras-na fibra externa, já que a ductilidade do material é progressivamente consumida pelo trabalho a frio.

Reduza a taxa de estiramento tomada por estágio na estampagem profunda e insira um recozimento de processo (solução) - normalmente na faixa de 1.010-1.100 graus com resfriamento rápido para classes austeníticas padrão - entre os estágios para restaurar a ductilidade antes da próxima redução.

Especifique aços para ferramentas-resistentes ao desgaste (como D2 ou M2) ou matrizes revestidas, já que o mesmo alto valor n-que fortalece a peça também acelera o desgaste da ferramenta abrasiva.

Use lubrificantes formadores-sem cloreto; cloretos residuais presos em uma peça inoxidável formada sob tensão residual de tração são um risco reconhecido de fissuração por tensão-corrosão-.

Valide o retorno elástico com peças de teste ou simulação de conformação, em vez de deslocamentos de ferramentas de aço-carbono, e incorpore a sobrecurvatura ou aumente a força de dobra conforme necessário.

Para classes metaestáveis ​​próximas à temperatura Md30, controle a velocidade de estiramento e a temperatura da peça, uma vez que a fração de martensita - e, portanto, a resistência final, a ductilidade e o risco de trincamento - dependem do processo-, e não são fixados apenas pelo certificado da fábrica.

Quais métodos e padrões de teste quantificam a taxa de endurecimento por trabalho para aquisição e controle de qualidade?

ASTM E646 define como o valor n-é calculado a partir da curva de tensão verdadeira-deformação verdadeira dentro de uma faixa de deformação plástica-especificada, o que é essencial porque n não é uma única constante fixa para um material - ele pode variar um pouco com o intervalo de deformação usado, a temperatura de teste e a direção de rolamento da folha. Quando o comportamento de endurecimento for uma entrada crítica do projeto, e não apenas uma expectativa geral, especifique a faixa de teste E646 no pedido de compra junto com o material base e o padrão de têmpera, e solicite os dados reais do teste no relatório de teste do moinho (MTR), em vez de confiar apenas nas faixas típicas publicadas.

Perguntas frequentes

P: Uma taxa de endurecimento mais alta significa que o aço inoxidável austenítico é mais difícil de formar a frio do que o aço carbono?

R: Não necessariamente. O mesmo alto valor n-que aumenta as cargas de formação também atrasa o início do estrangulamento localizado, e é por isso que o aço inoxidável austenítico muitas vezes pode ser esticado ou estirado mais do que o aço carbono antes de rachar. A compensação-é a maior tonelagem de prensa necessária, maior retorno elástico e desgaste mais rápido da ferramenta, e não menor conformabilidade.

P: Por que o aço inoxidável 301 se torna magnético após a formação quando começa não magnético?

R: O trabalho a frio abaixo da temperatura Md30 da liga converte uma porção da austenita FCC não magnética em martensita tetragonal-centrada-de corpo magnético. Essa plasticidade-induzida por transformação (efeito TRIP) é intencional em 301 e é a principal razão pela qual ele pode atingir resistência muito alta somente através do trabalho a frio.

P: Qual padrão de teste mede o expoente de{0}endurecimento por deformação (n-valor)?

R: ASTM E646 é o método de teste padrão para determinar o expoente de deformação-endurecimento e o coeficiente de resistência de um teste de tração. Ele deve ser especificado junto com o padrão do material base (ASTM A240 para chapas grossas e chapas ou ASTM A666 para tiras-laminadas a frio) quando o valor-n for uma entrada de conformação crítica.

P: O recozimento pode restaurar a ductilidade do aço inoxidável após a conformação a frio?

R: Sim. Um recozimento de processo (solução), normalmente na faixa de 1.010-1.100 graus seguido de resfriamento rápido para graus austeníticos padrão, dissolve carbonetos e restaura a estrutura da austenita FCC, redefinindo a ductilidade antes do próximo estágio de formação.

P: O aço inoxidável duplex é mais ou menos endurecível-no trabalho do que classes austeníticas como 304?

R: Geralmente menos, em termos de volume. Como aproximadamente metade de uma microestrutura duplex é composta de ferrita, que-endurece mais lentamente que a austenita, o valor n-geral de uma classe duplex é normalmente menor do que uma classe totalmente austenítica, mesmo que a fração de austenita dentro da estrutura duplex ainda possa contribuir com o endurecimento relacionado ao TRIP-.

P: Qual classe austenítica é a escolha padrão quando o comportamento de encruamento não é o fator decisivo?

R: 304 é o-padrão de uso geral para peças estampadas e trefiladas. Alcance 301 especificamente quando o projeto pretende explorar o reforço-de trabalho a frio e especifique 316 quando a exposição a cloretos ou produtos químicos em serviço supera as considerações de formação.

Resumo

A taxa de endurecimento por trabalho não é um efeito colateral para projetar em conformação a frio de aço inoxidável austenítico - é uma propriedade principal do material que deve orientar a seleção de classe, seleção de têmpera e projeto de ferramentas desde o início. Um expoente de encruamento-de 0,40 a 0,55, impulsionado pela baixa energia de falha de empilhamento e, em classes metaestáveis, pelo efeito TRIP, dá às classes austeníticas uma vantagem (resistência a estrangulamento localizado) e um conjunto de requisitos de processo (maior tonelagem, folgas maiores, recozimento entre passes, controle de retorno elástico) que diferem materialmente da prática do aço carbono.

Combinar classe, têmpera e processo com a operação de conformação específica - em vez de usar como padrão uma única classe ou uma receita de processo de aço-carbono - é a diferença entre uma peça que se forma de forma limpa e outra que se divide, enruga ou falha posteriormente em serviço.