Mechanical characteristics and drawability of metallic sheets processed by accumulative roll bonding

Resumo Técnico: Características Mecânicas e Conformabilidade de Chapas Metálicas Processadas por Laminação Acumulativa por Conformação (ARB)

Definição do Problema
Embora a Laminação Acumulativa por Conformação (ARB) seja amplamente reconhecida como um processo de Deformação Plástica Severa (SPD) de baixo custo para o refinamento da estrutura de grãos e aumento das propriedades mecânicas intrínsecas (resistência, dureza) de chapas metálicas, existe uma lacuna significativa na compreensão das propriedades extrínsecas necessárias para aplicação industrial. Especificamente, poucos estudos investigaram a capacidade das chapas processadas por ARB de serem conformadas em produtos finais, como através de embutimento profundo. Esta pesquisa aborda a necessidade de avaliar a conformabilidade e a capacidade de embutimento profundo de chapas de alumínio AA1050 processadas por ARB, comparando-as com os materiais iniciais e avaliando o potencial do recozimento de alívio de tensões para mitigar as perdas de conformabilidade.

Metodologia
O estudo utilizou chapas de alumínio AA1050 comercialmente puras (espessura de 2,5 mm) como material inicial (SM). O procedimento experimental envolveu as seguintes etapas:

• Processamento ARB: As chapas foram submetidas a até seis ciclos de ARB. Em cada ciclo, duas chapas foram empilhadas, as superfícies foram preparadas e elas foram laminadas com uma redução de espessura de 50%. Isso resultou em amostras (R1–R6) contendo até 64 camadas.
• Recozimento de Alívio de Tensões: Após os ciclos de ARB, amostras selecionadas foram recozidas a 200°C por 30 minutos para aliviar as tensões internas (amostras RA1–RA6).
• Caracterização Mecânica: Testes de tração foram realizados ao longo das direções de laminação (RD), diagonal (DD) e transversal (TD) para determinar o Limite de Escoamento (YS), a Resistência à Tração Máxima (UTS), o alongamento e o expoente de encruamento ($n$-value). A anisotropia plástica foi avaliada pelo parâmetro Lankford ($r$-value).
• Embutimento Profundo: Testes de embutimento profundo foram realizados utilizando uma matriz equipada com uma mola central. Para otimizar a conformabilidade, o estudo variou as condições de lubrificação (óleo vs. múltiplas camadas de filmes de nylon) e os raios de borda do mandril (3 mm vs. 6 mm). Os principais parâmetros medidos incluíram a profundidade máxima da copinha ($h_{max}$), a força de embutimento e a energia de embutimento.

Principais Contribuições e Resultados

• Reforço Anisotrópico: O processo ARB aumentou significativamente a resistência nas direções de laminação e diagonal, mas exibiu um efeito prejudicial na direção transversal.
  • Na direção de laminação, a UTS aumentou de 111 MPa (SM) para 275 MPa no quinto ciclo (aumento de aproximadamente 150%).
  • Na direção diagonal, a UTS subiu de 94 MPa (SM) para ~263 MPa no segundo ciclo.
  • Por outro lado, na direção transversal, a resistência das amostras ARB permaneceu inferior à do SM em todos os ciclos, atribuído à criação de defeitos e ao desenvolvimento de uma textura cristalográfica específica.
• Impacto na Ductilidade e Conformabilidade: O processo ARB causou inicialmente uma redução drástica no alongamento total e na conformabilidade. A profundidade máxima da copinha no embutimento profundo caiu de 16,54 mm (SM) para 11,85 mm após apenas um ciclo de ARB (R1). Embora a conformabilidade tenha mostrado uma leve recuperação com ciclos adicionais, ela permaneceu inferior ao material inicial.
• Efeito do Recozimento de Alívio de Tensões: O recozimento a 200°C por 30 minutos melhorou a ductilidade ao custo de uma leve redução na resistência. Crucialmente, este tratamento restaurou a capacidade de embutimento profundo. Quando combinado com condições de processamento otimizadas (aumento da lubrificação por filme de nylon e um raio de mandril maior de 6 mm), as amostras recozidas (ex: RA1) atingiram uma profundidade máxima de copinha de 27,66 mm, mais que o dobro da amostra R1 não recozida.
• Otimização dos Parâmetros de Processo: O estudo demonstrou que fatores extrínsecos influenciam significativamente a conformabilidade. Substituir o óleo por quatro filmes de nylon e aumentar o raio do mandril de 3 mm para 6 mm quase triplicou a profundidade máxima da copinha do material inicial (de 11,1 mm para 31,1 mm), destacando a importância da lubrificação e da geometria da ferramenta no processamento de chapas de alta resistência por ARB.

Significância e Alegações
O artigo alega que, embora o ARB seja eficaz para o reforço do alumínio AA1050, ele inerentemente reduz a capacidade de embutimento profundo devido ao aumento da resistência e redução da ductilidade. No entanto, a pesquisa demonstra que essa limitação pode ser superada para aplicações industriais. Ao aplicar o recozimento de alívio de tensões para recuperar a ductilidade e otimizar os parâmetros de embutimento profundo (especificamente lubrificação e raios de ferramentas), as chapas processadas por ARB podem exibir um comportamento de embutimento profundo favorável. O estudo conclui que a combinação do processamento ARB, recozimento pós-processamento e ajuste das condições de conformação permite a produção de chapas metálicas de grãos refinados que mantêm conformabilidade suficiente para a fabricação de produtos industriais.