Análise microestrutural das instabilidades plásticas em materiais metálicos

Doutoramento em Ciência e Engenharia dos MateriaisDurante os processos industriais de enformação por deformação plástica desenvolvem-se, frequentemente, instabilidades plásticas que podem conduzir à localização da deformação plástica e, consequentemente, à rotura das peças. O presente trabalho teve como objectivo fundamental a análise dos mecanismos físicos das instabilidades plásticas em chapas de aço e de alumínio submetidas a deformações simples e complexas. As trajectórias simples investigadas foram a laminagem, a tracção uniaxial e o corte enquanto que as trajectórias complexas contemplaram os ensaios sequenciais de laminagem-tracção uniaxial e de laminagem-corte. Para cada ensaio foi avaliada a influência da evolução da estrutura de deslocações e da orientação cristalográfica dos grãos no comportamento mecânico dos materiais. Para o efeito, realizaram-se observações por microscopia electrónica de transmissão e determinaram-se as texturas cristalográficas por difracção de raios-X. Os resultados experimentais foram objecto de simulações numéricas utilizando o modelo policristalino viscoplástico auto-coerente. No caso da chapa de aço, verificou-se que as instabilidades plásticas estão directamente relacionadas com a evolução da estrutura de deslocações. Nomeadamente, em solicitações que envolvem alterações acentuadas da trajectória de deformação foi detectada a ocorrência de fenómenos de amaciamento transitórios ou permanentes resultantes da activação de sistemas de escorregamento latentes. Para a trajectória de deformação complexa laminagem-corte o mecanismo de instabilidade plástica encontra expressão no desenvolvimento de microbandas com deformação de corte associada. Na chapa de alumínio, o mecanismo de desenvolvimento de instabilidades plásticas durante a alteração da trajectória de deformação difere substancialmente do encontrado para a chapa de aço e tem origem na evolução da textura cristalográfica do material. Segundo os cálculos e medições experimentais efectuadas, a ocorrência de uma taxa de encruamento negativa durante a recarga está associada a uma diminuição gradual do valor do factor de Taylor. No âmbito do presente trabalho ficou demonstrada a adequação do modelo policristalino viscoplástico autocoerente ao estudo do comportamento mecânico dos materiais investigados.Sheet metal forming processes involve large strains and complex loading paths that promote plastic instabilities. The resulting flow localization alters the quality of the product and leads to expensive rejects. The objective of the present work was to analyse the physical mechanisms of plastic instabilities in steel and aluminum sheets deformed under simple and complex strain paths. Mainly, rolling, uniaxial tension and shear tests in different orientations were conducted. The influence of dislocation structures and crystallographic orientation of the grains on the mechanical behavior of the materials was investigated using transmission electron microscopy and X-ray diffraction techniques. Particular attention was paid for conditions of monotonic and cross loading. Numerical simulations of crystallographic texture evolution were performed using a selfconsistent viscoplastic model. For the low carbon steel, plastic instabilities are directly related to the evolution of the dislocation structures. Namely, during abrupt changes of strain path the material exhibits transient or permanent softening as a result of the activation of latent slip systems. In the case of the rolling-shear sequence, the mechanism of plastic instability gives rise to the development of microbands with associated shear. For the aluminum sheet, the appearance of plastic instabilities strongly depends on the evolution of the crystallographic texture. According to self-consistent calculations and experimental measurements, the occurrence of a negative work-hardening rate during the reloading is recorded only when the Taylor factor is decreasing. The present work showed that the self-consistent viscoplastic model is suitable for the analysis of mechanical behavior of steel and aluminum alloys