Modificação Funcional de Materiais e Componentes Metálicos por Tratamento Térmico Localizado

Abstract

Em diversos setores da indústria, nomeadamente no setor automóvel, tem vindo a crescer a tendência para a construção de componentes mais leves. Desde logo, pelo aparecimento de materiais como as ligas de alumínio endurecidas e os UHSS. De forma complementar, o surgimento de novas tecnologias, como a denominada ‘Tailor Heat Treated Blanks’ permite alterar as propriedades mecânicas ao longo do material e, consequentemente, aumentar o limite de conformabilidade dos componentes. Através de um tratamento térmico localizado via laser, os componentes caracterizam-se por uma variação gradual de resistência mecânica ao longo do seu comprimento: onde é afetado, o material amacia, sendo que nas restantes zonas, as propriedades mecânicas são inalteradas.

Dois materiais foram alvo de estudo: liga de alumínio 6063 T6 e aço ‘Dual Phase’ DP 1000. O tratamento térmico localizado via laser foi efetuado através de uma máquina de laser de diodo; a caracterização dos materiais, através de ensaios de dureza, microdureza e de tração, permitiu estabelecer uma correlação entre a temperatura máxima de aquecimento e as modificações nas propriedades mecânicas, consequência de alterações ao nível microestrutural, pelo que para a liga de alumínio foi efetuada uma análise de calorimetria. Além da componente experimental, uma análise numérica comparativa do processo de embutidura da geometria de copo circular foi efetuada para modelos sujeitos a tratamento térmico localizado via laser.

Os resultados obtidos demonstram que o tratamento térmico localizado é eficaz no amaciamento da resistência mecânica dos materiais. O amaciamento da resistência do material correlaciona-se com as alterações microestruturais estimadas para a liga de alumínio 6063 T6. A aplicação da lei constitutiva de ‘Hocket-Sherby’ permitiu estabelecer uma relação entre as modificações das propriedades mecânicas e a temperatura máxima de aquecimento no tratamento térmico localizado via laser de diodo para a gama de temperaturas 353 – 425°C. O aumento da conformabilidade do material foi corroborado, pela melhor performance dos modelos sujeitos a tratamento térmico localizado. Para a geometria de copo circular, a otimização do processo ocorre para uma extensão radial tratada termicamente de 2mm, cuja temperatura máxima foi de 400°C, os resultados sugerem o aumento da profundidade de embutidura sem iniciação de fratura da peça, em pelo menos 67 %.

Alternate abstract:

In many industrial fields, particularly in the automotive sector, there is a trend toward lightweight construction. Hence, the use of aluminum alloys and ultra high strength steels (UHSS) is increasing. Additionally, new technologies such as the so called Tailor Heat Treated Blanks (THTB) enhances the formability of the materials, by locally softening the component, which is characterized by a flow of mechanical properties along is length.

Indeed, the focus of this document are two materials: aluminum alloy 6063 T6 and DP 1000 steel. Diode Laser machine performs a local laser heat treatment. Then, material characterization is done by means of hardness, microhardness and tensile tests, which enables to correlate the modifying mechanical properties as a function of the maximum temperature in the heat affected zone by laser radiation. The modifying mechanical properties are a result of microstructural transformations, hence a differential scanning calorimetry analyses was done for the aluminum alloy. Besides the experimental procedure, deep drawing of a circular cup was performed in layouts subjected to local laser heat treatments by means of ‘AnsysWorkbench’.

Softening of the mechanical resistance is achieved by local laser heat treatment for both materials. However, homogenization of the temperature in the heat affected zone is not fulfilled for DP 1000. The precipitation mechanism of the aluminum alloy correlates well with the tensile tests. As a consequence, the modifying mechanical properties plotted against the maximum laser temperature allowed to estimate stress vs strain curves in the range of 353 – 425 °C through Hocket-Sherby coefficients. Lastly, the better performance of deep drawing layouts subjected to local laser heat treatment, was corroborated by a 67 % increase in the formability.