Caracterización mecánica

2.4.1 Ensayo de tracción uniaxial

Por razones históricas y debido a la facilidad de ejecución de este ensayo, muchas de las propiedades principales de los materiales se basan todavía en mediciones hechas sobre probetas uniaxiales. En la presente tesis, los ensayos se realizaron siguiendo la norma ASTM E8-04 para probetas planas de dimensiones reducidas (subsize), cuyas dimensiones se muestran en la Fig. 2.17. Mediante la utilización de probetas cortadas por láser CNC en la dirección de laminado (RD), transversal (TD) y diagonal a 45° (DD), se evaluaron tensiones de fluencia (σ0),

resistencia a la tracción (σT), alargamiento uniforme (A%), coeficiente de resistencia ( ) y de

endurecimiento por deformación ( ). Estos valores proporcionan las bases para la calibración de la mayoría de los modelos computacionales y leyes de endurecimiento. Los parámetros de endurecimiento correspondientes a la ley de Hollomon ( ) se obtienen a partir de aproximar las curvas de tensión-deformación verdadera entre 5 y 12% de deformación para cada una de las tres orientaciones de muestra.

Durante la ejecución de las pruebas, los datos de fuerza y desplazamiento de cabezal fueron registrados continuamente mediante el software BlueHill 3.0®. Todos los ensayos se desarrollaron a temperatura ambiente en un equipo de ensayos universal Instron 59848 de 150 kN de capacidad. Se seleccionó una velocidad de desplazamiento del cabezal de la máquina de 1,5 mm/min, lo que corresponde a una velocidad de deformación de aproximadamente 10-3 s-1. Se obtuvieron datos de al menos dos ensayos válidos para cada dirección considerada y los resultados fueron promediados. Las curvas de carga ingenieriles obtenidas, se muestran en la Fig. 2.18, mientras que las propiedades mecánicas medidas se resumen en la Tabla 2.3.

Figura 2.17 Esquema de probeta subsize según norma ASTM E8-04 para el ensayo de tracción (dimensiones en mm).

Figura 2.18 Curvas de tracción ingenieriles experimentales para las chapas de acero DP-780.

2.4.2 Determinación de los coeficientes de anisotropía

En el campo de la ciencia de los materiales, la anisotropía es la dependencia direccional de las propiedades físicas y mecánicas de los materiales. De modo general, las características mecánicas distintivas de los materiales metálicos vienen dadas por su resistencia, su capacidad de endurecimiento por deformación y su ductilidad. En el caso de chapas metálicas, la anisotropía es un parámetro de igual nivel de importancia, y se considera atribuible exclusivamente a la componente plástica. La importancia de este parámetro en el conformado de chapas metálicas se ha reconocido por muchos años debido a su gran influencia en las formas y dimensiones finales de los productos en un proceso de fabricación. A modo de ejemplo, la Fig. 2.19 muestra la formación de irregularidades (orejado) en el borde superior de una pieza embutida, causada por anisotropía en la chapa metálica. Tal como fue mencionado anteriormente, la causa más importante de la anisotropía plástica en los metales es la distribución preferencial de las orientaciones cristalinas, es decir, su textura cristalográfica.

La anisotropía plástica se evalúa por medio del coeficiente de Lankford ( ) (Lankford et al., 1950), definido por la relación entre la deformación en el ancho ( ) y la deformación en el espesor ( ) (Ec. 2.3). Por lo tanto, cuantifica la capacidad de una chapa a resistir adelgazamiento o engrosamiento cuando es sometida a esfuerzos en el plano de la misma.

Figura 2.19 Efecto de la anisotropía en el orejado de una chapa de aluminio luego de ser embutida: material isotrópico (izq.) vs material anisotrópico (der.).

(2.3)

Debido a las dificultades para medir deformaciones en el espesor con suficiente precisión, en la práctica se recurre a la hipótesis de constancia de volumen durante la deformación plástica para cuantificar ( ), siendo la deformación verdadera de la probeta en la dirección longitudinal. Los coeficientes de Lankford son usualmente obtenidos a través de tres ensayos de tracción uniaxial realizados a 0º, 45º y 90º respecto a la dirección de laminado para determinar los coeficientes , y , respectivamente. Para especificar el grado de conformabilidad de un material, y facilitar la lectura de los coeficientes de Lankford, se define un valor promedio para las tres direcciones, denominado anisotropía normal, a partir de la siguiente expresión:

̅

(2.4)

En materiales isotrópicos, toma el valor unitario, mientras que los aceros de bajo carbono presentan, en general, valores entre 1,2 y 3,0 (Ray et al., 1994a). Valores elevados de anisotropía normal mejoran las propiedades de embutido, ya que se tiene mayor deformación en el ancho en comparación con la del espesor, por lo que la aparición de la estricción y rotura se retarda. Una medida de la variación de la anisotropía normal con el ángulo de la dirección de laminado viene dada por la anisotropía planar:

̅

(2.5)

Este parámetro está directamente relacionado a la formación de orejado. Un valor positivo de ̅ indica la formación de orejas a 0º y 90º con respecto a la dirección de laminado, mientras que un valor negativo lleva a la formación de orejas a 45º respecto a RD (Ray et al., 1994b). Lamentablemente, un material con anisotropía normal alta posee, en general, una alta anisotropía planar. Muchos fabricantes de aceros están trabajando en obtener chapas metálicas con un alto valor ̅ y un ̅ nulo. La Fig. 2.20 esquematiza las diferencias entre los valores de anisotropía planar y normal.

Hay que notar que la determinación de dichos coeficientes se restringe al rango que comprende desde el comienzo de la plastificación, hasta el inicio de la estricción. Para la gran mayoría de los materiales, estos coeficientes presentan diferencias a distintos niveles de deformación (Gilmour et al., 2004). Por lo tanto, se debe indicar el nivel de deformación, en la dirección de aplicación de la carga, en el cual se evalúa. Varios autores (Lin et al., 1995;

los mayores valores de deformación dentro del rango admisible de trabajo, ya que niveles de deformación más bajos presentan grandes dispersiones en los resultados. Por otro lado, Hill (1950, 1980) propuso definiciones similares para estos coeficientes, definiéndolos inicialmente en términos de incrementos de deformación plástica para posteriormente hacerlo en función de velocidades de deformación plástica. Lege et al. (1989) propuso el uso de la medida de la deformación media desde el inicio de la plastificación hasta el límite de deformación uniforme como una alternativa a la obtención de dichos coeficientes a un nivel de deformación específico. Sin embargo, una de las conclusiones fundamentales en el trabajo de Gilmour et al. (2004) fue que las mejores correlaciones entre los modelos numéricos y los resultados experimentales se obtenían cuando se evaluaban los coeficientes de anisotropía basados en deformaciones plásticas y en niveles de deformación lo más cercanos al límite superior del rango de deformación uniforme.

En la presente tesis se optó por considerar las recomendaciones de la normativa ASTM E517, en consonancia con lo anteriormente expuesto. La misma establece que el nivel de deformación ingenieril en la dirección de la carga más adecuado para la evaluación de los coeficientes es el más cercano al límite superior admisible, recomendando de forma general valores por encima del 15%, siempre que el material lo permita. En el presente caso, los coeficientes de anisotropía se determinaron en probetas adicionales de tracción, estiradas hasta un 10% de deformación ingenieril. Los ensayos fueron realizados por duplicado, para verificar la repetitividad, a temperatura ambiente y con velocidades de desplazamiento del cabezal del equipo de 0,5 mm/min (~10-4 s-1).

Para la evaluación de las deformaciones longitudinales y transversales en la probeta se empleó la técnica de correlación digital de imágenes (DIC), que será explicada posteriormente en el apartado 3.3.2.2. Este método permite obtener el campo completo de deformaciones sobre la superficie de la muestra, tal como se observa en la Fig. 2.21. Resulta claro que la deformación no se distribuye homogéneamente a lo largo de la probeta, lo que tiene un efecto no despreciable sobre los valores R medidos (Van Bael et al., 1994). Por lo tanto, para obtener

Figura 2.20 Determinación de los coeficientes de Lankford (Granbom, 2010)

resultados confiables, se hace necesario estudiar una sección reducida de la probeta que esté lo suficientemente alejada de las zonas de sujeción a las mordazas del equipo, para no experimentar efectos restrictivos de deformación, y lo suficientemente alejada de los bordes de la probeta, los cuales fueron posiblemente endurecidos durante el corte de las probetas. Se optó por promediar los valores de deformaciones en la zona marcada por un rectángulo negro ubicado aproximadamente en el tercio medio de la probeta (Fig. 2.22). En esta zona, los valores de deformación y del coeficiente de Lankford se mantienen prácticamente constantes, tal como también se ilustra en la Fig. 2.22. Allí, se presenta la evolución de los parámetros de interés ( 1,

2 y R) sobre dos líneas de inspección, una longitudinal y otra transversal (ver líneas blancas

sobre la probeta, Fig. 2.22). Los coeficientes de Lankford obtenidos (Tabla 2.4) son inferiores a la unidad en las tres direcciones de carga consideradas, lo cual es típico en aceros DP, y se relaciona directamente a la presencia de orientaciones Cube y mayormente orientaciones Shear en la textura del material de partida (Ray y Jonas, 1990; Hutchinson, 1994).