A liga binária Al-Cu é a base para todas as ligas da série 2xxx que são de grande importância em diversas aplicações como na indústria aeronáutica, transporte, máquinas e equipamentos. No entanto, pouco se conhece sobre os efeitos do tipo de solidificação desta liga e da deformação plástica sobre sua resistência à corrosão em meio aquoso. O escopo deste trabalho foi procurar correlacionar microestruturas da liga Al-4,5%p.Cu solidificada de maneira convencional e unidirecional vertical ascendente (brutas de fusão, deformadas plasticamente por forjamento rotativo a frio, e tratadas termicamente visando recristalização), orientações preferenciais de grãos com as características de resistência à corrosão. Foram utilizadas técnicas de microscopia eletrônica de varredura e óptica, difratometria de raios X e ensaios eletroquímicos em soluções de NaCl 0,6 M e Na2SO4 0,1M por polarização potenciodinâmica e espectroscopia de impedância eletroquímica. A taxa de corrosão foi maior em solução de NaCl 0,6 M do que em Na2SO4 0,1M para todas as amostras. O aumento da redução por deformação plástica conduziu a uma diminuição da resistência à corrosão da liga devido ao aumento das tensões internas e ao aparecimento de orientações preferenciais dos grãos de menor densidade planar como (200) e (220). As amostras recristalizadas apresentaram de uma forma geral uma resistência maior quando comparada às amostras não recristalizadas, comportamento atribuído ao alívio de tensões internas e ao desaparecimento da orientação preferencial do plano menos denso (220). / The binary Al-Cu alloy is the basis for all AA2xxx alloys, being important in several applications as aeronautical industry, transportation, machines and equipments. However, few is known about the effect of the type of solidification of this alloy and plastic deformation on the corrosion resistance in aqueous medium. The scope of this work was to correlate microstructures of the Al-4.5 % wt. Cu alloy solidified under conventional and upward direct chilling conditions (as cast condition, plastic formed by cold swaging, and heat treated seeking recristallyzation), crystallographic orientations and corrosion resistance characteristics. Scanning electron microscopy and optical, X ray diffractometry techniques and electrochemical measurements in NaCl 0,6 M and Na2SO4 0,1 M potentiodynamic polarization and electrochemical impedance spectroscopy were used. The corrosion rate in NaCl 0,6 M was higher than in Na2SO4 0,1 M for all samples. The increase of the plastic deformation led to alloy corrosion resistance decrease, due to the internal stresses increase and the arising of less dense grain preferred orientations of lower planar density as (200) and (220) orientations. The recristallyzed samples presented in a general way a higher corrosion resistance, when compared to the non recristallyzed samples, being imputed to the internal tension relieve and the extinction of the plane (220) of lower planar density to a structure of random orientation.

A aplicação de chapas de aço como revestimento em matrizes de forjamento a quente tem sido estudada como uma alternativa inovadora, dentro de um projeto de cooperação internacional titulado “Evaluation of Sheet Metal Covers to Improve Tool Life in Forging”. Pesquisa realizada em parceria com a Alemanha pelo programa BRAGECRIM. Essas chapas serviriam como um metal de sacrifício em matrizes de forjamento a quente, que pretende substituir tratamentos superficiais de alto custo. As limitações geométricas e propriedades mecânicas das chapas garantiriam o sucesso ou não da gravura conforme o design exigido pela ferramenta, como também o número de ciclos de forjamento mantendo-se a integridade. Desta forma, o conhecimento das propriedades mecânicas em chapas e ductilidade torna-se fundamental para garantir os limites de aplicabilidade. Portanto, este trabalho tem como objetivo avaliar as propriedades mecânicas e os aspectos metalúrgicos em diferentes temperaturas de duas chapas de alta resistência DP600 e Hardox450®, os quais possuem diferentes microestruturas e ductilidade. Esta escolha se deve as diferentes aplicações que ambos os materiais possuem na indústria automobilística, devido as suas propriedades físicas, com a hipótese que influenciará na aplicação como máscaras que irão proteger as matrizes. Para isso foram realizados ensaios de dureza após ciclos de aquecimento e tração em diferentes temperaturas, com taxa de deformação controlada, simulando as condições térmicas que o material irá suportar durante o processo de forjamento. Para avaliar a ductilidade das chapas foi realizado o ensaio de estiramento biaxial. Uma análise pelo método de elementos finitos foi utilizada no ensaio de estiramento de punção esférico Erichsen, o qual foi possível pela análise de laboratório validar os experimentos e então a realização da simulação de estampagem de uma geometria bi radial em formato de copo. Os resultados de tração e dureza mostram que o DP600 possui considerável resistência mecânica em altas temperaturas com boa ductilidade, porém não maior que o Hardox450®, que perde em termos de ductilidade devido a fenômenos de fragilização em altas temperaturas. A simulação numérica permitiu avaliar como seria o produto estampado em uma geometria 3D, sobre os aspectos geométricos da chapa e os efeitos de anisotropia do DP600, como também suas tensões. / The application of sheet metal cover in hot forging dies has been studied as an innovative alternative, within an international project titled "Evaluation of sheet metal covers to improve tool life in forging". Research carried out in partnership with Germany under the BRAGECRIM program. The sheet metal would apply as a sacrificial membrane in the hot forging die, which intended to replace expensive surface treatments. The geometrical limitations and mechanical properties of the plates would guarantee the success or failure of the engraving according to the design required by the tool, as well as the number of forging cycles maintaining the integrity. In this way, the knowledge of the mechanical properties of the sheet metals and ductility becomes fundamental to guarantee the limits of applicability. Therefore, this work has as objective to evaluate the mechanical properties and the metallurgical aspects in different temperatures of two advanced High Strength Steel Sheets DP600 and Hardox450®, which have different microstructures and ductility. This choice is due to the different applications that both materials have in the automotive industry due to their properties, with the hypothesis that will influence the application as masks that will protect dies. Therefore, a hardness test has performed after heating cycles and tensile tests at different temperatures, with a controlled strain rate, simulating the thermal conditions that the material will withstand during the forging process. Biaxial stretching test to evaluate the ductility of the plates were performed. An inverse analysis by the finite element method was used in the Erichsen biaxial stretching test, in which it has been possible to validate the experiments and then to perform the stamping simulation of a bi-radial geometry in a cup format. The results show that the DP600 has considerable mechanical resistance at high temperatures with good ductility, but not higher than the Hardox450®, which is inferior in terms of ductility due to embrittlement phenomena at high temperatures. The numerical simulation allowed an evaluation of how the product can be stamped in a 3D geometry, the geometric aspects of the plate, the anisotropy effects of the DP600, as well as stress distributions.

Orientador: Maria Helena Robert / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-11-08T18:39:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Silva_RenatoRafaelda_M.pdf: 15646556 bytes, checksum: 19ff8cd2fd9081ac7985bc44c94795f5 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: Este trabalho teve como objetivo estudar o processo de produção de esponjas metalicas por tixoconformacao em pré-formas removiveis e caracterizacao mecanico-metalurgica do produto, visando a compreensão da influencia de parametros de processo nas suas caracteristicas estruturais e propriedades. A liga empregada, AA2011, foi infiltrada sobre pre-formas de particulas de NaCl de granulometrias distintas, sinterizadas ou soltas. As esponjas metalicas produzidas foram caracterizadas quanto a sua arquitetura, propriedades fisicas (densidade real e relativa, condutividade e difusividade termicas) e mecanicas (tensão de compressão, modulo de Young, tensão no plato, deformação e energia de impacto absorvida); foi analisada a influencia do tipo de pre-forma utilizada para produção das esponjas, nestas caracteristicas e propriedades. Os resultados mostraram boa reprodutibilidade do processo, principalmente quando da utilização de pre-formas de partículas medias e grosseiras nao sinterizadas. A densidade da esponja e a espessura da parede celular apresentam tendencia a aumentar com o aumento das dimensões das celulas produzidas em preformas de particulas mais grosseiras. Todas as amostras produzidas apresentaram condutividade termica da ordem de 10x inferior e difusividade termica da ordem de 4x superior as do metal maciço. O comportamento das esponjas em compressão estatica ou dinamica se mostrou tipico de materiais celulares, com reduzidos valores de modulo de Young e de tensão de compressão, grande plato de deformação plástica sem acréscimo de tensão, e elevados valores de deformação total e energia absorvida no impacto / Abstract: The aim of this work was the analysis of the thixoforming process to produce metallic sponges and the mechanical and metallurgical characterization of the product, searching for better understanding the influence of processing parameters in the material structural characteristics and properties. The aluminium alloy AA2011 was infiltrated in the semi-solid state into performs of NaCl particles with different sizes and in sintered and non sintered conditions. Cellular products were characterized concerning internal architecture, physical properties (actual and relative densities, thermal conductivity and diffusivity) and mechanical properties (Young's modulus, compressive strength, plateau stress and absorbed impact energy); it was analyzed the influence of processing parameters on the properties and characteristics of the produced sponges. Results showed good reproducibility of the process, mainly when medium and coarse non sintered space holder particles were employed. Density of the product as well as cell wall thickness increases as space holder particles sizes increase. All the sponges produced showed low thermal conductivity (~10x inferior compared to the bulk material) and high thermal diffusivity (~3x superior compared to the bulk alloy). Results of static and dynamic compression tests showed typical cellular material behaviour in all cases, presenting low values for Young's modulus and compressive strength, a well defined plateau of plastic deformation, high plastic deformation and high capacity of energy absorption in impact events / Mestrado / Materiais e Processos de Fabricação / Mestre em Engenharia Mecânica

A liga binária Al-Cu é a base para todas as ligas da série 2xxx que são de grande importância em diversas aplicações como na indústria aeronáutica, transporte, máquinas e equipamentos. No entanto, pouco se conhece sobre os efeitos do tipo de solidificação desta liga e da deformação plástica sobre sua resistência à corrosão em meio aquoso. O escopo deste trabalho foi procurar correlacionar microestruturas da liga Al-4,5%p.Cu solidificada de maneira convencional e unidirecional vertical ascendente (brutas de fusão, deformadas plasticamente por forjamento rotativo a frio, e tratadas termicamente visando recristalização), orientações preferenciais de grãos com as características de resistência à corrosão. Foram utilizadas técnicas de microscopia eletrônica de varredura e óptica, difratometria de raios X e ensaios eletroquímicos em soluções de NaCl 0,6 M e Na2SO4 0,1M por polarização potenciodinâmica e espectroscopia de impedância eletroquímica. A taxa de corrosão foi maior em solução de NaCl 0,6 M do que em Na2SO4 0,1M para todas as amostras. O aumento da redução por deformação plástica conduziu a uma diminuição da resistência à corrosão da liga devido ao aumento das tensões internas e ao aparecimento de orientações preferenciais dos grãos de menor densidade planar como (200) e (220). As amostras recristalizadas apresentaram de uma forma geral uma resistência maior quando comparada às amostras não recristalizadas, comportamento atribuído ao alívio de tensões internas e ao desaparecimento da orientação preferencial do plano menos denso (220). / The binary Al-Cu alloy is the basis for all AA2xxx alloys, being important in several applications as aeronautical industry, transportation, machines and equipments. However, few is known about the effect of the type of solidification of this alloy and plastic deformation on the corrosion resistance in aqueous medium. The scope of this work was to correlate microstructures of the Al-4.5 % wt. Cu alloy solidified under conventional and upward direct chilling conditions (as cast condition, plastic formed by cold swaging, and heat treated seeking recristallyzation), crystallographic orientations and corrosion resistance characteristics. Scanning electron microscopy and optical, X ray diffractometry techniques and electrochemical measurements in NaCl 0,6 M and Na2SO4 0,1 M potentiodynamic polarization and electrochemical impedance spectroscopy were used. The corrosion rate in NaCl 0,6 M was higher than in Na2SO4 0,1 M for all samples. The increase of the plastic deformation led to alloy corrosion resistance decrease, due to the internal stresses increase and the arising of less dense grain preferred orientations of lower planar density as (200) and (220) orientations. The recristallyzed samples presented in a general way a higher corrosion resistance, when compared to the non recristallyzed samples, being imputed to the internal tension relieve and the extinction of the plane (220) of lower planar density to a structure of random orientation.

São realizadas análises teóricas e experimentais do atrito nos processos de forjamento a frio, através do ensaio de compressão do anel. Os modelos de atrito de Amonton-Coulomb (μ), atrito interfacial (m) e de Levanov (f) são investigados com auxílio de softwares comerciais de simulação de processos de forjamento. Diferentes condições de lubrificação foram aplicadas para o aço baixa liga 16MnCr5 e a liga de alumínio AA6351 nas condições recozido e encruado. O atrito foi analisado, utilizando os softwares MSC.Superforge e Qform, em função dos resultados obtidos e as condições de lubrificação e estado do material. Valores paramétricos do atrito adquiridos através de correlação teórico-experimental são condizentes com a literatura, indicando a relação do atrito com o material de trabalho, inclusive com seu grau de encruamento. Os modelos de atrito m e f apresentaram maior sensibilidade com relação ao estado do material. / Experimental and theoretical analyses of friction in cold forging process are evaluated by means of the ring compression test. Friction models from Amonton- Coulomb (μ), interfacial friction (m) and Levanov’s model (f) are investigated by aid of numerical simulation software. Different lubricants are applied for low carbon steel alloy 16MnCr5 under annealed and work-hardened conditions. Friction is analyzed by means of lubricant and material conditions using MSC.Superforge and Qform numerical simulation softwares. Acquired frictional parameter values obtained by theoretical-experimental correlation agree with literature, showing friction’s relationship with workpiece material and its hardening level. Friction models m and f presented better sensitivity when concerning the material’s hardening level.

Neste trabalho é realizado um estudo teórico-experimental do processo de forjamento a quente em matriz fechada de peças tubulares, denominadas comercialmente por flanges. O material utilizado para fabricação das peças é a liga de alumínio AA 6351. Normalmente, tais peças são forjadas a partir de billets maciços e os furos centrais são, posteriormente, usinados. Desta forma, este trabalho visa o estudo do uso de billets vazados em substituição aos maciços minimizando a perda de material e força necessária para o forjamento que podem ser relativamente significativos dependendo do peso, geometria da peça, e tamanho do lote produzido. O processo de forjamento foi planejado e executado com auxilio de softwares, onde o projeto do ferramental foi realizado em programa de CAD 3D da empresa SolidWorks, e a simulação numérica computacional, aplicada para predizer o comportamento do material no final do forjamento, no programa Simufact. Forming 11.0. Foram analisados, por simulação numérica computacional, dados como a estimativa da força necessária para forjar a peça em estudo, preenchimento da matriz, escoamento do material e as deformações finais. Utilizam-se cálculos analíticos, baseados na Teoria Elementar da Plasticidade (TEP), para estimar a força necessária para o forjamento. Os resultados obtidos experimentalmente validam a utilização de métodos numéricos e analíticos para desenvolvimento de processos de forjamento. Os resultados de força obtidos utilizando o modelo matemático da Teoria Elementar da Plasticidade (TEP) foram os que mais se distanciaram da força real necessária para o forjamento, no caso do billet maciço foi de 2706 kN, enquanto que a força utilizada no experimento foi de 3432 kN e com a utilização do billet vazado a força calculada pela TEP foi de 2579 kN e a real foi de 2451 kN. Já a simulação indica valores necessários de 2432 kN para o billet vazado e 2814 kN para o billet maciço. Conclui-se, então, que com a utilização de billets vazados a força para o forjamento e o material utilizado são inferiores, assim, comprovando sua vantagem em relação ao processo de fabricação convencional. / In this paper is done a theoretical-experimental study of the hot forging process in closed die of tubular components, commercially known as flanges. The material used for the manufacture process of the pieces is AA6351. These pieces are usually forged from massive billets and the central holes are subsequently machined. In this way, this paper aims the use of hollow billets instead of the massive ones, minimizing the loss of material and strength used in forging that can be relatively significant depending on the weight, geometry of the piece and size of the batch produced. The forging process was planned and done with the help of software where the tooling project is performed in CAD 3D from Solidworks, and the computer numerical simulation applied to predict the material behavior at the final of the forging process in Simufact Forming 11.0. Data as strength, die filling, material draining and final deformation are analyzed by computer numerical simulation. Analytical calculation, based on the Plasticity Elementary Theory (TEP), are performed in order to estimate the necessary strength for the forging process. The results, experimentally obtained, validate the use of numerical and analytical methods in forging process development. The strength results obtained using the mathematical model of Plasticity Elementary Theory, were the farthest from the real required strength used in forging. As with the massive billet, the strength was 2706 kN while the strength used in the experiment was 3432 kN and using de hollow billet the estimated strength calculated by the TEP was 2579 kN while the real one was 2451 kN. Yet, the simulation indicates required values of 2432 kN for the hollow billet and 2814 kN for the massive billet. We can therefore conclude that when using hollow billets the strength required in forging and the used material are inferior, thus proving its advantage in relation to the conventional manufacture process.

Tese de mestr.. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2001

Tese de mestr.. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2001

São realizadas análises teóricas e experimentais do atrito nos processos de forjamento a frio, através do ensaio de compressão do anel. Os modelos de atrito de Amonton-Coulomb (μ), atrito interfacial (m) e de Levanov (f) são investigados com auxílio de softwares comerciais de simulação de processos de forjamento. Diferentes condições de lubrificação foram aplicadas para o aço baixa liga 16MnCr5 e a liga de alumínio AA6351 nas condições recozido e encruado. O atrito foi analisado, utilizando os softwares MSC.Superforge e Qform, em função dos resultados obtidos e as condições de lubrificação e estado do material. Valores paramétricos do atrito adquiridos através de correlação teórico-experimental são condizentes com a literatura, indicando a relação do atrito com o material de trabalho, inclusive com seu grau de encruamento. Os modelos de atrito m e f apresentaram maior sensibilidade com relação ao estado do material. / Experimental and theoretical analyses of friction in cold forging process are evaluated by means of the ring compression test. Friction models from Amonton- Coulomb (μ), interfacial friction (m) and Levanov’s model (f) are investigated by aid of numerical simulation software. Different lubricants are applied for low carbon steel alloy 16MnCr5 under annealed and work-hardened conditions. Friction is analyzed by means of lubricant and material conditions using MSC.Superforge and Qform numerical simulation softwares. Acquired frictional parameter values obtained by theoretical-experimental correlation agree with literature, showing friction’s relationship with workpiece material and its hardening level. Friction models m and f presented better sensitivity when concerning the material’s hardening level.

A aplicação de chapas de aço como revestimento em matrizes de forjamento a quente tem sido estudada como uma alternativa inovadora, dentro de um projeto de cooperação internacional titulado “Evaluation of Sheet Metal Covers to Improve Tool Life in Forging”. Pesquisa realizada em parceria com a Alemanha pelo programa BRAGECRIM. Essas chapas serviriam como um metal de sacrifício em matrizes de forjamento a quente, que pretende substituir tratamentos superficiais de alto custo. As limitações geométricas e propriedades mecânicas das chapas garantiriam o sucesso ou não da gravura conforme o design exigido pela ferramenta, como também o número de ciclos de forjamento mantendo-se a integridade. Desta forma, o conhecimento das propriedades mecânicas em chapas e ductilidade torna-se fundamental para garantir os limites de aplicabilidade. Portanto, este trabalho tem como objetivo avaliar as propriedades mecânicas e os aspectos metalúrgicos em diferentes temperaturas de duas chapas de alta resistência DP600 e Hardox450®, os quais possuem diferentes microestruturas e ductilidade. Esta escolha se deve as diferentes aplicações que ambos os materiais possuem na indústria automobilística, devido as suas propriedades físicas, com a hipótese que influenciará na aplicação como máscaras que irão proteger as matrizes. Para isso foram realizados ensaios de dureza após ciclos de aquecimento e tração em diferentes temperaturas, com taxa de deformação controlada, simulando as condições térmicas que o material irá suportar durante o processo de forjamento. Para avaliar a ductilidade das chapas foi realizado o ensaio de estiramento biaxial. Uma análise pelo método de elementos finitos foi utilizada no ensaio de estiramento de punção esférico Erichsen, o qual foi possível pela análise de laboratório validar os experimentos e então a realização da simulação de estampagem de uma geometria bi radial em formato de copo. Os resultados de tração e dureza mostram que o DP600 possui considerável resistência mecânica em altas temperaturas com boa ductilidade, porém não maior que o Hardox450®, que perde em termos de ductilidade devido a fenômenos de fragilização em altas temperaturas. A simulação numérica permitiu avaliar como seria o produto estampado em uma geometria 3D, sobre os aspectos geométricos da chapa e os efeitos de anisotropia do DP600, como também suas tensões. / The application of sheet metal cover in hot forging dies has been studied as an innovative alternative, within an international project titled "Evaluation of sheet metal covers to improve tool life in forging". Research carried out in partnership with Germany under the BRAGECRIM program. The sheet metal would apply as a sacrificial membrane in the hot forging die, which intended to replace expensive surface treatments. The geometrical limitations and mechanical properties of the plates would guarantee the success or failure of the engraving according to the design required by the tool, as well as the number of forging cycles maintaining the integrity. In this way, the knowledge of the mechanical properties of the sheet metals and ductility becomes fundamental to guarantee the limits of applicability. Therefore, this work has as objective to evaluate the mechanical properties and the metallurgical aspects in different temperatures of two advanced High Strength Steel Sheets DP600 and Hardox450®, which have different microstructures and ductility. This choice is due to the different applications that both materials have in the automotive industry due to their properties, with the hypothesis that will influence the application as masks that will protect dies. Therefore, a hardness test has performed after heating cycles and tensile tests at different temperatures, with a controlled strain rate, simulating the thermal conditions that the material will withstand during the forging process. Biaxial stretching test to evaluate the ductility of the plates were performed. An inverse analysis by the finite element method was used in the Erichsen biaxial stretching test, in which it has been possible to validate the experiments and then to perform the stamping simulation of a bi-radial geometry in a cup format. The results show that the DP600 has considerable mechanical resistance at high temperatures with good ductility, but not higher than the Hardox450®, which is inferior in terms of ductility due to embrittlement phenomena at high temperatures. The numerical simulation allowed an evaluation of how the product can be stamped in a 3D geometry, the geometric aspects of the plate, the anisotropy effects of the DP600, as well as stress distributions.