EDWAN ANDERSON ARIZA ECHEVERRI ANÁLISE NUMÉRICA E EXPERIMENTAL DE UM AÇO TRIP SUBMETIDO AOS PROCESSOS DE ESTAMPAGEM A QUENTE E TÊMPERA E PARTIÇÃO (Q&P) Tese apresentada à Escola Politécnica da Universidade de São Paulo para obtenção do título de Doutor em Ciências – Programa de Engenharia Metalúrgica e de Materiais SÃO PAULO 2017 EDWAN ANDERSON ARIZA ECHEVERRI ANÁLISE NUMÉRICA E EXPERIMENTAL DE UM AÇO TRIP SUBMETIDO AOS PROCESSOS DE ESTAMPAGEM A QUENTE E TÊMPERA E PARTIÇÃO (Q&P) Tese apresentada à Escola Politécnica da Universidade de São Paulo para obtenção do título de Doutor em Ciências – Programa de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Área de Concentração: Engenharia Metalúrgica e de Materiais Orientador: Prof. Dr. André Paulo Tschiptschin SÃO PAULO 2017 FICHA CATALOGRÁFICA Este exemplar foi revisado e corrigido em relação à versão original, sob responsabilidade única do autor e com anuência de seu orientador. São Paulo, __________ de ________________ de ___________ Assinatura do autor: ___________________________ Assinatura do orientador: ______________________ Ariza Echeverri, Edwan Anderson Análise numérica e experimental de um aço TRIP submetido aos processos de estampagem a quente e têmpera e partição (Q&P) / E.A. Ariza Echeverri.--versão corr.--São Paulo, 2017. 218 p. Tese (Doutorado) - Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Departamento de Engen haria Metalúrgica e de Materiais. 1. Têmpera e partição 2. Estampage m a quente 3. Simulação física e numérica 4. Aço TRIP. Universidade de São Paulo. Escola Politécnica. Departamen to de Engenharia Metalúrgica e de Materiais II. t. DEDICATÓRIA A: Isaac Ariza Arango Juliana Gómez Mejía María Emma Echeverri L. AGRADECIMENTOS Meu agradecimento ao Professor André Paulo Tschiptschin é imensurável. Os conhecimentos transmitidos, a paciência, entusiasmo, o apoio e a confiança depositada em mim e em meu trabalho desde o início deste processo foram indispensáveis para a realização desta pesquisa. Um sincero “MUITÍSSIMO OBRIGADO!” prezado Professor André. Da mesma forma estou muito agradecido com o Professor Hélio Goldenstein por me transmitir seu amor pelo conhecimento, por me fazer perguntas que eu não tinha considerado nos resultados obtidos, por me empolgar a fazer novas descobertas e análises, tudo sempre em meio de papos descontraídos. Professor Hélio, admiro muito sua simplicidade, o grande amor pelo conhecimento e, o respeito e bom trato a seus alunos e demais pessoas que te rodeiam. Ao meu grande amigo e colega Arthur Seiji Nishikawa. Muito obrigado pelas discussões constantes dos resultados e toda a contribuição, suporte e apoio durante a realização desta pesquisa. Sua empolgação, alegria, paixão pelo aprendizado, simplicidade e gentileza são motivo de admiração e profundo agradecimento. Aos professores do Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais – PMT – USP: Dr. Cesar Roberto Farias Azevedo e Dr. Marcelo Aquino Martorano, por seus ensinamentos, conselhos e amizade. Aos companheiros e amigos do laboratório e do PMT: Leidy Hernández Buitrago, Alan Barros de Almeida, Adriano Alex Almeida, Daniel Rodrigues Jr., Danny Centeno, Mario González, André Kraszczuk, Guilherme Faria, Luis Varela, Marcelo Rojas, Wilmar Calderón, Duberney Hincapie e Rafael Rocha. Obrigado pela ajuda, cooperação, as discussões acadêmicas e por fazer do espaço do laboratório um ambiente tão agradável. A Luis Felipe Perilla López e Felipe Jaime Dávila pela ajuda na parte experimental e análise dos resultados. Ao Laboratório Nacional de Nanotecnologia – LNNano – pelo apoio técnico e por permitir o uso da linha XTMS acoplada ao síncrotron, em especial ao Leonardo Wu pelo apoio durante as análises. Ao Laboratório de Fenômenos de Superfície – LFS – por facilitar o uso do triboindentador, em especial ao Manuel Alberteris pelo suporte nas medições. Ao Verissimo Silva dos Santos pela ajuda com as análises por MEV-FEG. À CAPES, à CNPq (Projeto: 235297/2014-3 PVE) e à FAPESP (Processo: 2014/11793-4). Special thanks to Dr. Edgar Lara-Curzio for facilitating the triboindenter and SEM and to Dr. Kinga A. Unocic for the STEM measurements at Oak Ridge National Laboratory (ORNL). I would like to thanks Prof. Suresh Surdasam Babu for his patience and teachings during my stay at the University of Tennessee and at ORNL. It was a real challenge and a great experience to share with his research group. To Dorothy W. Coffey for her assistance with the FIB (Focus Ion Milling) specimen preparation. My sincerest thanks to Dr. Jonathan D. Poplawsky and Dr. Wei Guo for many valuable inputs towards operating 3D – LEAP effectively for the best results. A la preciosa: Juliana Gómez Mejía. Las palabras, los besos y los abrazos no son suficientes para expresar mi profundo agradecimiento. Por el apoyo incondicional, la fuerza, las palabras de ánimo, nuestros momentos juntos, los viajes, las conversas amenas y por todo el amor que me has brindado durante todo este tiempo, GRACIAS TOTALES. RESUMO O desenvolvimento de métodos de simulação física e numérica tem criado novas possibilidades de otimização dos processos relacionados à estampagem com inclusão de processos industriais reais. Portanto, recorrendo à aplicação destes métodos de análise, é possível avaliar a transformação mecânica e as transformações de fase que ocorrem no material e prever as interações entre as propriedades dos materiais no processo de conformação, o comportamento constitutivo do material, as variáveis de otimização do processo, bem como a previsão das tensões e deformações a fim de estabelecer a melhor relação material-processo-desempenho. A introdução e crescente utilização de aços avançados de alta resistência (AHSS) em aplicações automotivas exige uma maior compreensão dos fenômenos físicos envolvidos no processamento termomecânico a fim de otimizar a performance da peça final fabricada. O presente trabalho teve como objetivo avaliar experimentalmente o processo de estampagem a quente, com posterior tratamento térmico de têmpera e partição e analisar as microestruturas formadas e suas propriedades mecânicas. A formação de microestruturas durante o processo de estampagem a quente e de têmpera e partição foi avaliada neste trabalho por simulação física em simulador termomecânico Gleeble, acoplado à uma linha de difração de raios X (XTMS) de feixe de luz síncrotron no Laboratório Nacional de Nanotecnologia (LNNano). Foram avaliadas a partição do carbono, a estabilidade térmica da austenita retida e a formação de microconstituintes resultantes da transformação da austenita durante resfriamento forçado (têmpera), seguido de partição de carbono em patamares isotérmicos. Foram utilizadas técnicas de caracterização com apoio de microscopia eletrônica (MEV-FEG e STEM), EBSD, tomografia de sonda atômica (APT) e avaliação de propriedades mecânicas por ensaios de tração e indentação instrumentada. A análise numérica foi realizada por meio do método dos elementos finitos (MEF) e por elementos finitos orientada a objetos (OOF, Object Oriented Finite Element Analysis) visando estabelecer correlações entre microestrutura e propriedades mecânicas, comparando com resultados experimentais. Os resultados e conclusões obtidos no projeto, além de possibilitarem a identificação dos mecanismos fundamentais de geração de microestruturas durante o processo, auxiliam no projeto de aços AHSS estampados a quente, usados principalmente na indústria automobilística, na busca pela redução do consumo de combustível, através da redução do peso, e pelo aumento da segurança dos passageiros. Palavras-chave: Têmpera e partição, Estampagem a quente, Simulação física, Simulação numérica. ABSTRACT The development of numerical and physical simulation methods has created new possibilities regarding the optimization of metal forming processes, taking into account real industrial forming processes. Therefore, by applying such methods of analysis it is now possible to assess the material phase transformations and predict the interactions between material properties and the forming process, the constitutive behavior of the material, and optimize process variables as well as predicting the best material-process-performance relationship. The increasing usage of Advanced High Strength Steels (AHSS) in automotive applications demands a better insight of the physical phenomena involved in the thermomechanical processing in order to optimize the performance of the final manufactured part. Thermomechanical simulation of the hot stamping, quenching and partitioning process was carried out in a Gleeble machine coupled to the XTMS Synchrotron X-ray diffraction line at the National Nanotechnology Laboratory (LNNano). Carbon partitioning, carbon contents, and amount of retained austenite, martensite, bainite and ferrite was assessed online during the experiments. In addition, characterization techniques by optical, electron microscopy (FEG-SEM and STEM), EBSD, and Atom Probe Tomography (APT) were applied. Mechanical testing of subsize specimens of the processed steels was performed by means of tensile tests and macro and nanoindentation tests. The numerical analysis was performed using the finite element method (FEM) and object-oriented finite element technique (OOF). The results were compared with the experimental results of mechanical testing of specimens used in the thermomechanical simulations and with hot stamped sheets, where quenching and partitioning were carried out. The results and conclusions obtained in this project allow the identification of the fundamental mechanisms of the process, helping the design of the hot stamping process for AHSS steels used primarily in the automotive industry, seeking weight reduction to improve fuel economy and increased passenger safety. Keywords: Quenching and partitioning, Hot stamping, Physical simulation, Numerical simulation. LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS Ac Temperatura de início de formação de austenita no aquecimento 1 Temperatura em que a transformação de ferrita para austenita se Ac 3 completa durante aquecimento Ae Temperaturas de equilíbrio de início da austenitização 1 Ae Temperaturas de equilíbrio de fim da austenitização 3 AHSS Aços avançados de alta resistência APT Tomografia de Sonda Atômica A-R Como recebido at.% Porcentagem atômica BC Band Contrast BH Bake Hardening 𝐶 Carbono C Teor de carbono na austenita γ C Teor de carbono na martensita α' Elemento bidimensional triangular linear de quatro nós com CPS3 deslocamento e temperatura bi-linear CCC Cúbica de Corpo Centrado Constrained Carbon Equilibrium - Equilíbrio constrito ou restringido CCE de carbono CFC Cúbica de Face Centrada CP Complex Phase CS Cold Stamping – Estampagem na temperatura ambiente DIC Digital Image Correlation – Correlação de imagem digital Deformation Induced Ferrite Transformation – Transformação DIFT ferrítica induzida por deformação DP Dual Phase DRX Difração de raios X 𝑑 Distância interplanar ℎ𝑘𝑙 𝑑 Distância interplanar padrão 0 e Carga elétrica fundamental 𝐸 Módulo de elasticidade 𝐸∗ Módulo de elasticidade reduzido 𝐸 Energia de deformação armazenada 𝜀 EBSD Difração de elétrons retroespalhados Energy Dispersive X-ray Spectroscopy - Espectroscopia de raios X por EDS energia dispersive 𝐹 Fator de estrutura / Força FIB Focused Ion Beam – Feixe de íons focalizados FVM Fração volumétrica de martensita 𝐺 Energia livre de Gibbs H Dureza h Profundidade de penetração do indentador ℎ𝑘𝑙 Índices de Miller HS Hot Stamping – Estampagem a quente HSQ&P Hot Stamping and Quenching and Partitioning HSS Aços convencionais de alta resistência HV Dureza Vickers IPF Figura de Polo Inverso IQ Qualidade de Imagem 𝐼 Intensidade relativa 𝑅 IT Temperatura de austenitização intercrítica KAM Kernel Average Misorientation – Desorientação média de kernel 𝐿 Comprimento LNLS Laboratório Nacional de Luz Síncrotron LNNano Laboratório Nacional de Nanotecnologia 𝑙 Comprimento inicial 0 LR Limite de Resistência à tração M Mega MEF Método dos Elementos Finitos MEV Microscópio eletrônico de varredura 𝑀 Temperatura de início da transformação martensítica 𝑠 𝑀 Temperatura de final da transformação martensítica 𝑓 𝑛 Taxa de encruamento / estado de ionização OIM Orientation Imaging Map