Ensayos de formabilidad

Actualmente existen variadas técnicas experimentales para determinar el diagrama FLD, las cuales incluyen diferentes geometrías de herramientas y de muestras para deformar el material bajo diferentes trayectorias de deformación, nominalmente proporcionales, en el

espacio de deformaciones principales. Dichos caminos recorren estados desde tracción uniaxial hasta tracción biaxial equilibrada. Los ensayos pueden ser organizados de acuerdo a lo sugerido por Raghavan (1995) en procedimientos: en el plano (in-plane) y fuera del plano (out-of-plane).

Los procedimientos en el plano incluyen ensayos donde la probeta, una vez deformada, mantiene su superficie plana, evitando los efectos de la curvatura. Dentro de ellos se pueden citar los ensayos convencionales de tracción uniaxial, ensayos de deformación plana, similares al de tracción uniaxial pero con probetas más cortas y anchas para suprimir la contracción lateral (Xavier et al., 2014), y ensayos de tracción con muestras entalladas, descriptas por Holmberg et al. (2004), que permiten obtener carga proporcional entre tracción uniaxial y deformación plana. Además, pueden encontrarse ensayos de torsión plana (Marciniak y Kolodziejski, 1972) y de corte puro simple (Genevois, 1992), que generan estados de corte puro en el plano de la chapa. Por otro lado, existen diferentes alternativas para determinar los estados de deformación límite en el lado derecho del diagrama FLD. En particular, el ensayo más difundido es el de Marciniak, que originalmente provee estirado equibiaxial mediante un punzón plano, sin la influencia de la fricción (Marciniak y Kuczynski, 1967). Más adelante, este ensayo fue modificado por Tadros y Mellor (1978), quienes utilizaron punzones circulares o elípticos para obtener trayectorias de deformación desde = 0,58 a = 1; y por Raghavan (1995), quien simplemente utilizó muestras con diferentes geometrías de entalla para obtener el campo completo de deformaciones (-0,5 < < 1) en el diagrama FLD.

Los procedimientos fuera del plano imponen una componente de doblado, lo que genera gradientes de tensión/deformación sobre el espesor de la probeta. Dentro de este grupo se encuentra el ensayo Nakajima (Nakajima et al., 1968) en el cual un punzón semiesférico estira muestras circulares entalladas, permitiendo obtener el campo completo de deformaciones. Este ensayo presenta además la desventaja de la presencia de una fuerte componente de fricción y carga normal. Una alternativa para eliminar la fricción durante el estirado del material la constituye el ensayo de acopado hidráulico equibiaxial, originalmente propuesto por Olsen (1920). Éste consiste en la deformación de probetas planas circulares, fijadas sobre su circunferencia, por medio de la acción continua de una presión hidráulica creciente en una de sus caras. Más adelante fue extendido para obtener el sector derecho del diagrama FLD a través del uso de matrices elípticas (Okamoto et al, 1968). Recientemente, Banabic et al. (2013) propusieron un procedimiento mejorado del ensayo de acopado hidráulico, el cual utiliza una muestra doble. La muestra superior posee un par de agujeros perforados en posiciones simétricas con respecto al centro y la muestra inferior actúa como portadora y como punzón deformable. Mediante la modificación de las dimensiones y la posición recíproca de los agujeros es posible obtener el rango completo de deformaciones de la FLC.

Figura 3.4 Técnicas experimentales utilizadas para determinar los diagramas FLD.

Los caminos de deformación alcanzados por estas técnicas se resumen en el diagrama FLD esquemático de la Fig. 3.4. Las diferencias entre los ensayos dentro y fuera del plano fue analizada por Ghosh y Hecker (1974) por medio de ensayos Marciniak y Nakajima, respectivamente. Su estudio concluyó que las deformaciones límite en el ensayo Nakajima eran mayores que aquellas en el ensayo Marciniak, lo cual atribuyeron a diferentes condiciones de inestabilidad y a un proceso de localización de las deformaciones más lento en el caso de estirado fuera del plano. Esto es puesto en evidencia en el Capítulo 6 del presente trabajo por medio de ensayos Nakajima y de tracción sobre probetas con diferentes geometrías de entallas.

La determinación de la FLC en la presente tesis se realizó mediante cuatro de estas metodologías: ensayos de acopado hidráulico, ensayos Nakajima, ensayos de tracción sobre probetas con diferentes geometrías de entallas y ensayos Marciniak. Los resultados obtenidos se presentan, junto con las características generales de cada técnica, en los bloques correspondientes a §Resultados y aplicaciones experimentales (Capítulos 4 a 6) y §Resultados y aplicaciones computacionales (Capítulos 9 y 10). Sin embargo, resulta importante destacar algunas particularidades adicionales de las dos primeras de ellas.

Los ensayos de acopado hidráulico fueron desarrollados en CEMEF2 y en la UNS3. En el primer caso se estudiaron las deformaciones límite del material utilizando mediciones in-situ por medio de equipos de análisis por correlación digital de imágenes en tres dimensiones. Para ello se emplearon máscaras elípticas y circulares (Fig. 3.5), con un diámetro de eje mayor de 125 mm, para la obtención de estados múltiples correspondientes al lado derecho del diagrama FLD. Las probetas son de sección circular con un diámetro de 200 mm. La velocidad de deformación del material queda determinada por el caudal de flujo de la bomba de desplazamiento positivo hacia la matriz. Un valor de caudal constante de 2 cm3/min resulta en

2

velocidades de deformación del orden de 1x10-3 s-1, dependiendo de la geometría de la máscara. En todos los casos, los ensayos fueron realizados a temperatura ambiente.

La Fig. 3.6 muestra la evolución del camino de deformación, extraído a partir de las mediciones DIC en tiempo real, para las cuatro máscaras utilizadas. Los valores corresponden al promedio sobre un área pequeña en el punto más alto del domo de las probetas. Estas trayectorias se caracterizan por una primera etapa quasi-lineal inducida por la geometría de la máscara. Seguidamente, a partir de un determinado nivel de deformación, la trayectoria se separa de la linealidad debido al comienzo de la estricción sobre la muestra, la cual tiende de manera progresiva a un estado instantáneo de deformación plana (Marciniak et al., 2002).

Adicionalmente, el ensayo de acopado hidráulico genera un interés particular en las etapas de calibración de los modelos de simulación (Slota y Spisak, 2008) ya que, a diferencia del

Figura 3.5 Dispositivo de acopado hidráulico del CEMEF (izq.) y máscaras utilizadas (der.). Lós números sobre cada máscara indican su relación de aspecto.

Figura 3.6 Evolución del camino de deformación durante el acopado hidráulico para las diferentes geometrías de máscara. Los resultados

corresponden a muestras de acero DP-780 de dos espesores: t=0,9mm y t=1,1mm. Los datos correspondientes a t=0,9mm no serán utilizados en la presente tesis, sino que corresponden a trabajos en curso (apartado 11.2).

ensayo de tracción uniaxial, las chapas metálicas sometidas a tracción biaxial pueden soportar muchos mayores niveles de deformación plástica sin aparición de estricción o rotura. En este sentido, como parte de este trabajo de tesis, se implementó un sistema de medición en tiempo real de la curva tensión-deformación durante el ensayo de acopado hidráulico en el equipo perteneciente a la UNS. Los detalles de la implementación se presentan en el Capítulo 4, y el resultado de aplicación de esta técnica sobre muestras de acero DP-780 se utiliza en el Capítulo 10 como verificación de la calibración del modelo computacional. Una restricción que se encuentra en este equipamiento es la limitación en la carga a la cual se puede llevar a cabo el ensayo. La presión máxima disponible en el equipo es de 170 kg/cm2, no siendo suficiente para deformar el material previamente indicado. Por lo tanto, las muestras fueron rectificadas para reducir su espesor hasta aproximadamente 0,45 mm. Se tuvo especial cuidado en el control de la temperatura del material para no afectar la microestructura del mismo durante el mecanizado.

Los ensayos Nakajima fueron desarrollados en el IFIR4, utilizando un equipo cuyas dimensiones reducen en un 60% a aquellas propuestas por la norma estándar (ISO 12004-2). El objetivo de ello se debió a la limitación en la capacidad del equipo de ensayo y, adicionalmente, a la búsqueda de reducir la cantidad del material requerido en la obtención del diagrama FLD. Cabe destacar que sólo son aceptables aquellos ensayos donde la estricción o fractura se verifique dentro de un círculo con centro en el polo y cuyo radio no sea mayor al 15% del diámetro del punzón (ISO 12004-2). Ello se logra con condiciones óptimas de lubricación, no existiendo una recomendación generalizada para todos los materiales.

La elaboración de las muestras constó de la utilización de corte por láser. La elección de esta técnica radica en el hecho de que posee una alta velocidad del proceso de corte, por lo que la zona afectada por el calor es mínima, y genera una terminación superficial adecuada. Sin embargo, debido a la presencia de pequeños filos cortantes en las zonas de las entallas, esta zona debió ser pulida previamente a la utilización de la probeta. Al fijarse en la matriz, cada muestra es inicialmente deformada de manera circunferencial mediante una cuña de retención. Esta operación impide el movimiento de la periferia de la probeta durante la prueba, asegurando que la solicitación sea de estirado (Fig. 3.7).

Una vez que el material ha sido conformado, la principal dificultad para la correcta determinación de la FLC es la detección precisa del inicio de la estricción durante el ensayo y la medición de las deformaciones límite en la chapa en ese instante. A partir de ello surgen dos interrogantes que deben ser analizados: ¿cómo son medidas las deformaciones límites y cómo son registradas durante el proceso de conformado?, ¿cómo definimos la FLC?. Esto será abordado en los siguientes sub-apartados.

Figura 3.7 Montaje de probetas en la matriz para el ensayo Nakajima (Serenelli, 2013).