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Previous issue date: 2015-08-28 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The new contributions of present thesis are an alternative experimental waviness method and a new theoretical model for evaluation of limit strains of sheet metal forming in the automotive industry, employing the analysis of roughness and waviness parameters evolution with the equivalent plastic strain and a new ductile rupture criterion as function of stress triaxiality. For validation of proposed experimental waviness method and rupture criterion, specimens of IF steel sheet of thickness 0.72mm, 0.82mm and 0.85mm were tested under tensile test and Nakazima sheet forming test with Marciniak flat punch. The specimens were deformed in incremental steps in different strain path such as: balanced biaxial stretching, plane strain, uniaxial tension and pure shear. Present proposed method consider that roughness and waviness parameters are important surface quality index and useful as indicator of onset of visible local necking and should be monitored in sheet metal forming. Thus, a Waviness Limit Curve, WLC, is proposed to be plotted in Map of Principal Limit Strains (MDLC) of sheet metal as an alternative to the forming limit strain curve, FLC. Various parameters of roughness and waviness such as arithmetic average roughness (Ra), maximum peak-valley roughness (Rt), arithmetic average waviness (Wa), total heigth peak-valley waviness (Wt), maximum peak height waviness (Pp) and maximum valley depth waviness (Pv) were measured during the uniaxial and biaxial testing. Tensile test of IF steel specimens at 0º, 45º and 90º to the rolling direction, RD, and Nakazima type of IF steel specimens at 0º RD only, in which a mesh of 2.5mm circles were printed, were employed. During the uniaxial and biaxial testing, the following plastic deformations were calculated in each straining step from the printed circles in the sheet surface: major true strain (1) and minor true strain (2). Parameters of roughness and waviness versus equivalent plastic strain curves were plotted to obtain a phenomenological equation of 4th and 3rd degree polynomials, using the Hill 1979 yield stress criterion. Furthermore, the growth rate of parameters Wa and Wt with equivalent plastic strain were calculated. From the growth rate, it was possible to conclude that the sheet 12 thickness imperfections, measured by Wa and Wt, evolve during material deformation, being possible to predict with accuracy the influence of equivalent plastic strain in the onset of local necking. From the experimental analysis, it was concluded that the maximum peak-valley waviness parameter (Wt) was the best option to chacaracterized the beginning of local necking in IF steel sheet forming. Thus, from the analysis of waviness growth rate parameters, Wa and Wt, during plastic strains, it was possible to propose a criterion of local necking inception. This allowed to obtain and plot an experimental Waviness Limit Curve (WLC) in the map MDLC: the beginning of local necking was established when the normalized parameter Wt* (=Wt/Wto) attained a critical value Wt*= 2.5, but with distinct values of equivalent strains. A second mathematical model was proposed for local necking criterion to obtain the FLC of IF steel sheets, employing stress triaxiality analysis and the Hill 1979 yield stress criterion. 2nd degree polynomials were obtained from plotted and adjusted phenomenological curves in graphs of equivalent strain at rupture versus stress triaxiality, considering the different plastic strain path in the formability testing. The IF steel specimens showed ductile rupture, according to scanning electronic microscope examinations, which showed that rupture occurred due to formation, growth and coalescence of large quantity of pores in many specimens of balanced biaxial (BB) and plane strain (DP). Also, mixed rupture of ductile type due to shear mechanisms in certain regions of tensile test (TS) and Nakazima uniaxial tension (UTN) specimens were shown. / As propostas de ineditismo da presente tese foram mostrar um método experimental alternativo de rugosidades e um modelo teórico de ruptura novo para se avaliar as deformações limites de conformação de chapas metálicas da indústria automobilística, empregando-se uma análise da evolução dos parâmetros de ondulação da rugosidade com a deformação plástica equivalente e um critério de ruptura dúctil em função da triaxialidade das tensões. Para validação do método experimental de rugosidades e do critério de ruptura propostos, utilizou-se corpos de prova de chapas de aço IF de 0,72mm, 0,82mm e 0,85mm de espessura, que foram submetidas aos ensaios de tração simples e ensaio de estampagem tipo Nakazima com punção plano de Marciniak. As amostras foram sujeitas a deformação incremental em diferentes trajetórias de deformação, tais como: estiramento biaxial balanceado, deformação plana, estiramento uniaxial e cisalhamento puro. O presente método proposto considera que parâmetros de rugosidade e ondulação são índices importantes de qualidade da superfície e servem como indicador preciso do início da estricção local visível e devem ser monitorados na conformação de chapas metálicas. Portanto, propõe-se traçar uma Curva Limite de Ondulação da Rugosidade, CLOR, no Mapa das Deformações Principais Limite de Conformação (MDLC) das chapas metálicas como alternativa da curva limite de conformação, CLC. Vários parâmetros do perfil de rugosidade e da ondulação da rugosidade tais como a rugosidade média aritmética (Ra), altura máxima pico-vale (Rt), ondulação média aritmética (Wa), a altura máxima da ondulação pico-vale (Wt), altura máxima de pico da ondulação (Pp) e profundidade máxima de vale (Pv) foram medidos durante os ensaios uniaxiais e biaxiais. Foram utilizados corpos de prova de aço IF em tração simples a 0º, 45º e 90º da direção de laminação, DL, e corpos de prova tipo ensaio Nakazima de aço IF somente a 0º DL nos quais foram impressos uma malha de círculos de 2,5 mm de diâmetro. Durante os ensaios uniaxiais e 10 biaxiais, as seguintes deformações plásticas foram calculadas em cada etapa a partir da malha de circulos impressos na superficie da chapa: a deformação verdadeira longitudinal maior (1) e a deformação verdadeira transversal menor (2). Curvas dos parâmetros de rugosidade e ondulações versus deformação plástica equivalente, empregando-se o critério de escoamento plástico de Hill (1979), foram traçados para se obter equações fenomenológicas do tipo polinomial de 4° e 3° graus. Além disso, foram calculadas as taxas de crescimento dos parâmetros Wa e Wt com a deformação plástica equivalente. A partir das curvas de taxas crescimento, foi possível concluir que as imperfeições na espessura da chapa, medidas por meio de Wa e Wt, evoluem durante a deformação do material, sendo possível prever com precisão a influência da deformação plástica equivalente no início do surgimento da estricção local. Concluiu-se então que o parâmetro da altura máxima total pico-vale das ondulações (Wt) é a melhor opção para caracterizar o início da estricção local em chapas de aço IF. Portanto, a partir da análise das taxas de crescimento dos parâmetros de ondulação, Wa e Wt, durante as deformações plásticas, foi possível propor um critério para o surgimento da estricção local. Isto permitiu obter e traçar a curva experimental de Limite de Ondulação da Rugosidade, (CLOR), no Mapa MDLC: o início da estricção local foi quando o parâmetro normalizado Wt* (=Wt/Wto) atingiu o valor crítico Wt*=2,5, mas com valores distintos da deformação equivalente. Um segundo modelo matemático foi proposto como critério de estricção local para obtenção da CLC de chapas de aço IF, empregando-se análise da triaxialidade de tensões e o critério de escoamento plástico de Hill (1979). Foram obtidos polinômios de 2º grau por meio de curvas fenomenológicas ajustadas e traçadas nos gráficos de triaxialidade de tensões versus deformação equivalente de ruptura, considerando-se as diferentes trajetórias da deformação plástica dos ensaios de conformabilidade. As amostras de chapa de aço IF mostraram ruptura dúctil conforme exame no microscópio eletrônico de varredura, o qual mostra que a fratura ocorreu devido a formação, crescimento e coalescência de uma grande quantidade de espaços vazios ou poros na maioria dos corpos de prova tipo Biaxial Balanceado (BB) e Deformação Plana (DP). Também, as amostras apresentaram fraturas mistas do tipo dúcteis e com mecanismos de cisalhamento em determinadas regiões das amostras fraturadas em Tração Simples (TS) e Tração Uniaxial de Nakazima (UTN).
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:tede.udesc.br #179.97.105.11:handle/625 |
| Date | 28 August 2015 |
| Creators | Unfer, Ricardo Kirchhof |
| Contributors | Bressan, José Divo |
| Publisher | Universidade do Estado de Santa Catarina, Doutorado em Ciência e Engenharia de Materiais, UDESC, BR, Ciência e Engenharia de Materiais |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UDESC, instname:Universidade do Estado de Santa Catarina, instacron:UDESC |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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