FLD: definición y conceptos

El diagrama FLD muestra las condiciones límite de deformación que se pueden alcanzar en un punto de la chapa para producir la falla de la misma. La determinación del mismo se realiza de forma manual mediante la realización de diferentes ensayos, que comprenden desde solicitaciones de tracción uniaxial (UAT), pasando por deformación plana (PS), hasta deformación biaxial equilibrada (EBA). Dentro del diagrama, la curva límite de conformado delimita una zona de conformado seguro de una zona de conformado inseguro donde existe riesgo potencial de aparición de la estricción localizada o la fractura del material. El diagrama FLD es, por lo tanto, una herramienta esencial para el diseño y/o comprobación en procesos de conformado de chapa. Sin embargo, el conocimiento de la FLC usualmente no provee información suficiente a los propósitos industriales. Debido a la incerteza en la determinación experimental de la FLC, los usuarios están generalmente más interesados en conocer el ancho de la banda límite de conformado (FLB), es decir, una región pequeña, en lugar de una línea, debajo de la cual la falla del material no ocurrirá (Buchar, 1996). Cabe destacar que el mínimo valor de formabilidad se encuentra usualmente bajo condiciones de deformación plana y es denominado FLC0. La Fig. 3.2 muestra esquemáticamente un diagrama límite de conformado

típico.

Figura 3.2 Esquema de un diagrama límite de conformado típico.

3.2.1 Factores limitantes

En la práctica, los procesos de deformación plástica están limitados por la falla de la chapa. El material conformado debe satisfacer los requisitos que le serán solicitados durante toda la vida de uso y cualquier evento que inutilice la pieza para la función que fue diseñada se considerará como falla. En términos generales, la falla del material toma principalmente la forma de estricción localizada o fractura dúctil, predominando uno u otro en función de la ductilidad del material y del estado de solicitación mecánica en la chapa. Así, en materiales de alta ductilidad, la falla usual es la estricción localizada, la cual ocurre cuando el estado de tensiones lleva a incrementar el área superficial de una chapa a costa de una reducción en su espesor (Fig. 3.3, izq.). Hay dos tipos de estricción: la estricción difusa, llamada así debido a que su extensión en área es mucho mayor al espesor de la chapa, y la estricción localizada, la cual ocurre posteriormente a la estricción difusa y aparece en una banda muy estrecha, del orden del espesor de la chapa. A partir de entonces se concentra en esa pequeña área casi toda la deformación posterior del material, mientras que el resto de la chapa no se deforma significativamente, produciendo el adelgazamiento progresivo e inestable del mismo hasta el desgarro. Mientras que la estricción difusa en general no es una limitación en la práctica del conformado de chapas, el problema de la localización es de gran interés para los ingenieros debido a que a menudo se relaciona a una calidad pobre del producto y es una indicación temprana de la falla estructural de la pieza.

Por otro lado, en chapas de ductilidad reducida, como son por ejemplo algunas aleaciones de aluminio o de acero endurecidas térmicamente, la fractura dúctil puede ocurrir incluso antes que la estricción localizada. Este comportamiento está favorecido por un estado de deformaciones biaxiales de tracción. En estos casos, el proceso de falla está controlado por los mecanismos de iniciación, crecimiento y coalescencia de cavidades en el espesor de la chapa (Fig. 3.3, centro).

A su vez, a diferencia de los aceros convencionales, los aceros AHSS presentan otro tipo de fractura a menudo llamada fractura por corte. Este tipo de fractura se orienta perpendicular a la dirección de estirado en el plano, exhibe poca estricción localizada y presenta grietas inclinadas sobre planos alternantes orientados a 45º sobre el espesor (Fig. 3.3, der.). Varios investigadores atribuyen este fenómeno a un mecanismo especial de daño y/o crecimiento de cavidades, posiblemente relacionado a la compleja microestructura de estos aceros (Lee et al., 2004; Sarwar et al., 2006; Wagoner, 2006; Vernerey et al., 2007; Sun et al., 2009).

Existen otros tipos de fenómenos limitantes en el conformado de chapas metálicas, además de los mencionados anteriormente. Por ejemplo, la falla por arrugado, que ocurre cuando las fuerzas dominantes son compresivas tendiendo a causar el engrosamiento del material, dando lugar a la formación de arrugas en la pieza final. La recuperación elástica (springback), que

afecta a la forma final de la pieza, es característica del conformado por plegado, ya que la deformación por flexión de las fibras (no homogénea) hace que unas estén traccionadas y otras comprimidas. La fractura frágil, donde la ruptura o separación de material se produce por clivaje (separación directa de planos cristalinos por ruptura de enlaces), entre otros.

3.2.2 Factores que influencian el diagrama FLD

La formabilidad de las chapas metálicas está influenciada por algunos factores físicos y propios del proceso de conformado, de los cuales los más relevantes se reseñan a continuación:

 Espesor de la chapa. La región de conformado seguro aumenta a medida que lo hace el espesor hasta un valor crítico (de hecho, una de las soluciones industriales para piezas poco seguras es simplemente aumentar el espesor de la chapa). La influencia del espesor es alta para estados de tracción biaxial y disminuye progresivamente hasta la región de tracción uniaxial (Dieter, 1967).

 Endurecimiento por deformación. El exponente de endurecimiento por deformación provee una medida de la ductilidad del material antes de que aparezca la estricción. La FLC corta al eje aproximadamente a un valor igual a . Si este valor disminuye, la curva disminuye proporcionalmente, reduciendo la zona de conformado seguro. Si

→ 0, la capacidad de conformado en el sector izquierdo del diagrama se agota pero es posible conformarla todavía bajo un estado de tracción biaxial (Marciniak et al., 2002).

 Anisotropía plástica. En condiciones de tracción uniaxial, el efecto de la anisotropía plástica normal se refleja en los caminos de deformación resultantes ( ), desplazándolos hacia la izquierda o derecha de -0,5 para valores de mayores y menores que la unidad (Wagoner et al., 1989). Por otro lado, para tracción biaxial (zona derecha del diagrama FLD), un aumento de la anisotropía plástica normal disminuye el valor máximo de deformación límite (Marciniak y Kuczynski, 1967).

 Velocidad de deformación. En general, el incremento en la velocidad de deformación desplaza hacia abajo la FLC, disminuyendo la formabilidad (Percy, 1980). Coeficientes altos de sensibilidad a la velocidad de deformación ( ) en el material retrasan el adelgazamiento y, por lo tanto, el desarrollo de la estricción (Conrad et al., 1978).

Figura 3.3 Fallas típicas en chapas metálicas dúctiles: estricción localizada (izq.), fractura dúctil (centro) y fractura por corte (der.) (Björklund et al., 2013).

 Imperfecciones. Dentro de las imperfecciones que pueden encontrarse en las chapas metálicas se engloban las reducciones de espesor, las inclusiones o la propia rugosidad superficial. Cuanto mayor sea el número y/o tamaño de ellas, más se reduce la zona de conformado seguro, ya que la estricción localizada se inicia allí con más facilidad.

 Técnica de medición de las deformaciones. Este factor está principalmente asociado a la técnica de análisis de grilla de círculos. En esta técnica, cuanto mayor es el diámetro del círculo original, menor es la precisión, dado que se están midiendo gradientes promediados con una distancia mayor (Grumbach y Sanz, 1972). Sin embargo, en la actualidad se está generalizando el uso de la técnica de correlación digital de imágenes para medir las deformaciones, la cual posee una precisión mucho mayor (Sutton et al., 2009). Ambas técnicas se describen en el apartado 3.3.2.

 Trayectoria de deformación. Para que la determinación de los límites de formabilidad sea representativa, es necesario que sea constante durante todo el ensayo. Cambios abruptos en el camino de deformación, durante el conformado de la chapa, pueden producir diferencias significativas en la formabilidad máxima y por lo tanto en la FLC (Graf y Hosford, 1994). En consecuencia, una gran limitación de los diagramas FLD es que únicamente son válidos en procesos con caminos de deformación lineales, es decir, en los que las relaciones de las deformaciones son constantes durante el proceso de deformación.

 Radio del punzón. Cuando disminuye el radio del punzón aumenta la componente de doblado sobre la chapa, generando gradientes de deformación y tensión sobre su espesor. Este gradiente pospone la aparición de la estricción localizada, por lo que tiene un efecto positivo sobre la formabilidad (Charpentier, 1975; Frictorie et al., 2010).

 Temperatura. Sólo para algunos materiales la formabilidad aumenta si la temperatura de trabajo aumenta (trabajo en caliente). Esta estrategia es utilizada en la industria para materiales que disponen baja formabilidad (Li y Ghosh, 2004).

 Presión normal. En procesos como hidroconformado, un aumento de la presión normal tiende a cerrar las posibles imperfecciones en forma de huecos y, por lo tanto, aumenta la zona de seguridad del diagrama FLD (Padwal et al., 1992).