Perfil de dureza do aço AISI 444 após uma operação de estampagem

Hardness profile of AISI 444 steel after a stamping operation

RESUMO

A caracterização mecânica e microestrutural de produtos estampados é essencial para a identificação de defeitos e orientar a melhoria das propriedades, ampliando a gama de aplicações para diferentes tipos de materiais. Nesse contexto, o estudo da relação entre as propriedades mecânicas e o respectivo arranjo microestrutural assumidos por um material após uma operação de estampagem é um método útil para o controle de qualidade, assim como para avaliar a ocorrência de falhas como o desenvolvimento de uma orientação cristalográfica inadequada e a identificação de regiões que sofreram um estado de tensões e deformação plástica que podem ocasionar problemas como o afinamento da espessura da chapa. Este trabalho executa a caracterização mecânica de um copo estampado com uso do aço inoxidável ferrítico AISI 444 por meio da operação de embutimento com a descrição do perfil de dureza Vickers em diferentes posições, combinada com a apresentação do respectivo aspecto microestrutural nessas mesmas posições da caracterização mecânica. Considerando que a operação de estampagem foi realizada a frio, a análise microestrutural indicou reduzida orientação dos grãos, mesmo nas regiões que sofreram maior quantidade de deformação plástica e encruamento, e consequentemente, maior dureza Vickers. Observou-se ainda que a variabilidade da dureza em função doo posição do copo estampado foi maior que a detectada para o aspecto microestrutural.

Palavras-chave
Perfil de dureza; Estampagem; Aço AISI 444; Caracterização microestrutural

ABSTRACT

The mechanical and microstructural characterization of stamped products is essential to identify defects and be a guide to improve the properties in general, amplifying the range of applications for different types of materials. In this context, the study of the relationship between the mechanical properties and the respective structural arrangement assumed by steel during a stamping operation is a valuable method for control of quality, as well as for assessing the occurrence of failures such as the development of an inadequate crystallographic orientation for a stamped product and the identification of regions that experienced intense mechanical efforts and plastic deformation, considered critical to a possible sheet thinning. This work executes the mechanical evaluation of AISI 444 ferritic stainless cup, with the description of Vickers hardness profile in different positions, combined with the corresponding microstructural aspects in the same positions of the mechanical investigation. Considering that all experimental procedures were conducted under cold working, the microstructural analysis exhibited reduced grain orientation, even in the regions that experienced a higher amount of plastic deformation and work-hardening and, consequently, higher Vickers hardness. It detected a higher variability of mechanical resistance than modifications in the microstructural aspects of AISI 444 ferritic stainless steel.

Keywords:
Hardness profile; Stamping; AISI 444 steel; Microstructural characterization

1. INTRODUÇÃO

O conhecimento da evolução das propriedades mecânicas em diferentes posições de um produto estampado é crucial para a correta produção e utilização desses objetos conformados. Considerando a existência de gradientes de deformação plástica ao longo de toda a geometria de componentes estampados é comum o aparecimento de regiões com endurecimento localizado, assim como o surgimento de uma orientação cristalográfica preferencial que pode tanto contribuir, quanto dificultar, por exemplo, a fabricação de dispositivos automotivos [¹,²,³,⁴].

Na estampagem de chapas, variáveis como as condições de processamento, envolvendo o estado de lubrificação de ferramentas e materiais, a geometria das matrizes, dos punções [⁵–⁶], a ação de ferramentas como prensa-chapas [⁷], além do estado de tensões e a relação entre tais esforços mecânicos e os materiais utilizados nas operações de fabricação que podem exibir respostas diferentes quando impostos a um mesmo ciclo de deformação plástica [⁸].

MOHAMADIZADEH et al. [⁹] realizaram a discretização da propriedade mecânica por meio de um mapa de dureza em diferentes posições soldadas de um produto estampado confeccionado a partir dos aços automotivos Usibor® 1500 e Ductibor® 1000-AS em regiões afetadas termicamente pela execução da soldagem. Esse trabalho teve o objetivo de correlacionar os resultados da caracterização mecânica com o respectivo estado de tensões e com a distribuição de deformação nas regiões de fratura de modo a criar um método que possa ser adotado como um procedimento para a prevenção de modos de falha em produtos estampados. Os resultados encontrados neste estudo indicaram que o mapeamento da dureza aliado à caracterização local da microestrutura foram métodos eficazes para prever o modo e a progressão dos danos de falha dos dois aços investigados.

BEHERA et al. [¹⁰] investigaram chapas com espessura de 1,7 mm da liga de Cu-0,5Cr-0,05Zr-0,05Ti (% em peso) quanto à influência do estado inicial desse material, com ou sem pré-deformação por tração biaxial, na geração de vazios em produtos estampados. Foi observado que as amostras pré-deformadas suportaram maior quantidade de deformação devido à menor geração de vazios, sendo isso correlacionado com o modo de deformação plástica adotado por essa liga de cobre.

O trabalho ZHAO et al. [¹¹] avaliou a correlação entre as respostas microestruturais e a conformabilidade de chapas de aço AISI 430, um aço inoxidável ferrítico similar ao utilizado neste presente estudo. Esta pesquisa investigou a influência da temperatura adotada para a realização do tratamento térmico de recozimento por meio de técnicas experimentais como o EBSD, além do uso de simulação numérica para avaliar o acabamento superficial e a presença de rugas em amostras estampadas. Os resultados revelaram que o recozimento conduzido na faixa de temperatura entre 850 ºC e 900 ºC possibilitou a formação de uma microestrutura com a presença de grãos menores e mais homogeneamente distribuídos, permitindo um equilíbrio entre a influência dos fenômenos de recristalização e crescimento dos grãos na qualidade superficial dos produtos estampados.

O aço inoxidável ferrítico AISI 444 é tipicamente utilizado em equipamentos de refino de petróleo, tubos para trocadores de calor nas indústrias de açúcar e álcool e tanques para armazenamento de alimentos [¹²–¹³]. Em todas essas aplicações é extremamente importante o conhecimento de aspectos chave para o processamento desse aço: a resistência mecânica e à corrosão aliados à sua conformabilidade, assunto deste trabalho.

Os trabalhos citados atestam a importância da caracterização mecânica e microestrutural como sendo uma ferramenta de percepção do efeito de diversas outras variáveis que afetam a conformabilidade dos materiais metálicos, como aquelas relacionadas às condições de processamento, envolvendo o modo e a quantidade de deformação plástica, e como tais variáveis influenciam a resposta mecânica e a consequente evolução das propriedades mecânicas, servindo de guia para a previsão da ocorrência de possíveis falhas. Neste contexto, este trabalho tem o objetivo de apresentar a caracterização mecânica e microestrutural apresentados por copos estampados do aço inoxidável ferrítico AISI 444 em diferentes regiões desse produto estampado e assim, correlacionar tais resultados com a distribuição da deformação plástica sofrida pelo objeto estampado, assim como a previsão do afinamento da espessura da chapa e os pontos críticos para a falha.

2. MATERIAIS E MÉTODOS

2.1. Material

Neste trabalho foram utilizadas chapas do aço inoxidável ferrítico AISI 444 com espessura de 1,5 mm, um material comumente usado em aplicações automotivas, associadas a sistemas de exaustão, aquecedores solares, dentre outros no estado recozido, como fornecido pela siderúrgica [¹⁴]. Os resultados da análise química decorrentes da espectroscopia de emissão óptica estão indicados na Tabela 1 (% em peso).

Tabela 1
Composição química do aço AISI 444 (% em peso).

ELEMENTOS QUÍMICOS, (% EM PESO)
C	Cr	Nb	Mo
0,0089	17,529	1,702	1,791

A caracterização mecânica do aço AISI 444 no estado inicial (anterior à estampagem) foi realizada por meio de ensaio de tração com uso de uma máquina de ensaios universal Instron 5982 dotada de um extensômetro do tipo agulhas, sendo os testes conduzidos sob taxa de deformação inicial de 0,001/s com a utilização de corpos de prova confeccionados de acordo com a norma ASTM E8/E8M-24. O coeficiente de encruamento foi obtido por meio da identificação da equação de Hollomon (σ = K.εⁿ, sendo σ a tensão de fluxo, K, a constante de resistência do material, ε a deformação verdadeira e n o expoente de encruamento) a partir do traçado de uma curva de potência na parte plástica da curva de tensão por deformação verdadeira do aço AISI 444, obtendo-se a seguinte equação, σ = 878,66.ε^0,237.

Os ensaios de microdureza Vickers foram realizados antes e após a estampagem do aço AISI 444 com o objetivo de investigar a influência dessa operação de conformação assim como a variabilidade da dureza Vickers no produto estampado. Neste caso, foi utilizado um microdurômetro Shimadzu HMV-2T, adotando carga de 200 gf, tempo de indentação de 15 segundos em amostras que foram preparadas previamente por meio de embutimento a frio com uso de acrílico autopolimerizável acompanhado por lixamento em lixas de 320, 400, 600 e 1200 mesh e posterior polimento com pasta de diamante com granulometria de 9 µm e 3 µm, e ataque com o reativo Vilella (0,5 mL de ácido pícrico, 2,5 mL de HCl e 50 mL de C₂H₅OH) por imersão durante 30 segundos.

Após a estampagem foi realizado o corte dos copos com os dois valores de diâmetro de blank que antecederam a fratura dos copos, no caso, os copos que foram confeccionados com os blanks de diâmetro de 55 mm e 60 mm. Desta forma, foi feita a retirada das amostras para o ensaio de dureza por meio de corte na seção transversal dos copos com uso da técnica de eletroerosão a fio com uso de cobre com posterior preparação metalográfica conforme mencionado para identificação da microestrutura. A medição da dureza Vickers foi feita em 4 posições do copo embutido: flange (próximo à borda do corpo), lateral, raio e fundo, de ambos os lados do copo, conforme exibido na Figura 1, sendo as imagens obtidas a partir do microscópio óptico (MO) Fortel com sistema de digitalização Kontrol. Para cada posição do copo estampado foram realizadas 12 medições de dureza Vickers as quais foram espaçadas entre si de 0,4 mm.

Figura 1
(a) Copo estampado e (b) amostra da seção transversal do copo, embutida e atacada quimicamente para medição da dureza Vickers, com delimitação das regiões de medição.

A estampagem do aço AISI 444 foi realizada em uma máquina universal de ensaios EMIC DL com capacidade de carga de até 200 kN, adotando 7 mm/min para a velocidade de deslocamento do punção com diâmetro de 25,5 mm e raio de 7 mm, além de uma matriz com diâmetro de 30 mm, com o mesmo valor de raio do punção, assim como no prensa chapas, Figura 2. A estampagem foi conduzida com uso do lubrificante bissulfeto de molibdênio, sendo adotado torque de 40 N.m para posicionar o prensa chapas à matriz com uso de 8 parafusos de modo a garantir a correta fixação dos blanks. Neste caso, foram utilizados blanks circulares com diâmetros de 50, 55, 60 e 62 mm, e espessura de 1,5 mm.

Figura 2
Matriz usada para estampagem dos copos montada na máquina de ensaios universais EMIC DL 200 kN.

Com o objetivo de prever as condições para a estampagem do aço AISI 444, como a profundidade dos copos e a intensidade do fenômeno de orelhamento, fez-se a medição dos fatores de anisotropia mediante a retirada de corpos de prova de tração, a 0º, 45º e 90º em relação à direção de laminação desse material para permitir a medição dos respectivos fatores de anisotropia nessas direções, R_0º, R_45º e R_90º, Equação 1, do coeficiente de anisotropia planar, ΔR, Equação 2, e normal média, R_m, Equação 3, mediante a deformação dos corpos de prova até 15% de deformação de engenharia:

(1) $${\text{R}}_{0°},{\text{R}}_{45°}{\text{e R}}_{90°}=-\left({\text{ε}}_{\text{w}}\right)\text{/}({\text{ε}}_{\text{w}}+{\text{ε}}_{\text{l}}\text{)}$$

ε_w = deformação verdadeira na largura;

ε_l = deformação verdadeira no comprimento.

(2) $$\text{Δ}\text{R}\text{=}{\text{(R}}_{0°}+{\text{R}}_{45°}-2.{\text{R}}_{90°}\text{)/2}$$

(3) $${\text{R}}_{\text{m}}={\text{(R}}_{0°}+2.{\text{R}}_{45°}{\text{+R}}_{90°}\text{)/4}$$

3. RESULTADOS E DISCUSSÃO

3.1. Caracterização mecânica

As curvas tensão de engenharia – deformação de engenharia do aço AISI 444 no estado como recebido (recozido) são mostradas na Figura 3 com uso de 3 réplicas, que permitiram a identificação das principais propriedades mecânicas desse material: LE (limite de escoamento), LRT (limite de resistência à tração), AU (alongamento uniforme), AT (alongamento total) e expoente de encruamento, n, como exibido na Tabela 2.

Figura 3
Curvas tensão-deformação de engenharia aço AISI 444 como recebido (com réplicas): (a) curva completa e (b) curva para exibição do detalhe do patamar de escoamento.

Tabela 2
Resumo das propriedades mecânicas do aço AISI 444 como recebido (centralizar conteúdo da tabela).

LIMITE DE ESCOAMENTO, LE (MPa)	LIMITE DE RESISTÊNCIA À TRAÇÃO, LRT (MPa)	ALONGAMENTO UNIFORME, AU (%)	ALONGAMENTO TOTAL, AT (%)	EXPOENTE DE ENCRUAMENTO, n
314 ± 7	487 ± 8	21 ± 1	31 ± 1	0,237

Os resultados dos ensaios de tração em termos de anisotropia do aço AISI 444 são apresentados na Tabela 3.

Tabela 3
Parâmetros de anisotropia do aço AISI 444 como recebido (centralizar conteúdo da tabela).

R0º	R45º	R90º	ANISOTROPIA PLANAR, ΔR	ANISOTROPIA NORMAL MÉDIA, Rm
1,243	1,299	1,491	0,068	1,333

Esses resultados atestam a anisotropia do aço AISI 444, pelo fato de os valores dos fatores de anisotropia terem sido diferentes de 1, e adicionalmente, revelam a tendência para a ocorrência do fenômeno de orelhamento entre 45º e 135º, como indicado pelo valor da anisotropia planar, ΔR, [¹⁵,¹⁶,¹⁷]. Pode-se afirmar ainda o aço AISI 444 exibe patamar de escoamento, característico de um aço inoxidável ferrítico que havia sido recozido, com expoente de encruamento típico para essa classe de material [¹⁸].

De modo a complementar a caracterização mecânica do aço AISI 444 foi feita ainda a medição Vickers desse aço na condição anterior à estampagem sendo detectado o valor médio de 186 ± 16 HV, novamente, coerente ao estado inicial desse material, ou seja, recozido [¹⁸].

3.2. Caracterização microestrutural antes da estampagem

Na Figura 4 é exibida a microestrutura do aço AISI 444 no estado como recebido com diferentes valores de ampliações. É possível observar a presença de pontos claros e escuros, mas ambos se tratam do mesmo constituinte, a ferrita. Essa diferença de tonalidade nas microestruturas exibidas na Figura 4 por meio de microscopia óptica (MO) deve-se ao ataque diferenciado do reativo químico Vilella em diferentes posições da amostra metalográfica.

Figura 4
Microestrutura do aço AISI 444 por MO após ataque com reativo Vilella.

O tamanho de grão exerce influência sobre a habilidade de um material suportar uma operação de conformação por estampagem sem apresentar falhas, e admitindo que o tamanho de grão do aço AISI 444 foi de 30,72 µm, um valor que não pode ser considerado como sendo de um material com granulometria grosseira. Desconsiderando outras variáveis associadas à conformabilidade de um material, pode-se afirmar que uma granulometria fina tende a suportar uma quantidade maior de deformação plástica, em especial para produtos estampados com geometria mais complexa em comparação com materiais com granulometria grosseira, pois a redução do tamanho de grão promove a tenacidade, aumentando o alongamento uniforme e reduzindo a razão elástica [¹⁹,²⁰,²¹].

3.3. Caracterização mecânica após a estampagem

A escolha do diâmetro dos blanks adotados neste estudo foi baseada em um estudo anterior conduzido por Bandyopadhyay et al., [²²] que utilizou ligas de aço inoxidável ferrítico com valor de LDR variando de 2,17 a 2,28. Neste caso, considerando que o diâmetro do punção foi de 25,5 mm era previsto que a ruptura dos copos aconteceria para um diâmetro de blank aproximadamente igual a 60 mm. De fato, após a estampagem do aço AISI 444 com os diferentes valores de diâmetro de blank observou-se que a ruptura do copo ocorreu para o diâmetro de blank de 62 mm, Figura 5.

Figura 5
Copos aço AISI 444 com diferentes valores de diâmetro de blank.

A descrição do comportamento mecânico do aço AISI 444 após a estampagem foi realizada com uso de ensaios de microdureza Vickers em diferentes posições do copo estampado para os dois valores de diâmetro de blank que antecederam a fratura do copo, ou seja, para os copos confeccionados com os blanks de 55 mm e 60 mm. Decorrente do endurecimento promovido pelo encruamento do aço AISI 444 durante a operação de estampagem, percebe-se pela análise da Tabela 4 o acréscimo da dureza Vickers em todas as posições do copo estampado em comparação com o estado inicial, em destaque nas regiões que sofreram maior deformação plásticas, o flange e a lateral dos copos.

Tabela 4
Dureza Vickers média em função da posição copos do aço AISI 444 estampados com blanks de 55 e 60 mm.

DUREZA VICKERS MÉDIA (HV)
POSIÇÃO COPO	BLANK 55 mm	BLANK 60 mm
Flange	287 ± 12	288 ± 10
Lateral	280 ± 10	280 ± 12
Raio	250 ± 11	262 ± 12
Fundo	225 ± 6	224 ± 6

Verifica-se ainda que a dureza dos copos estampados em função dos dois diâmetros de blanks foi similar para os dois diâmetros de blanks que foram escolhidos para essa análise do perfil de dureza Vickers, com ligeira diferença na região do raio.

O mapeamento da dureza Vickers em função da posição dos copos estampados com os blanks de diâmetro de 55 mm e 60 mm é apresentado com o auxílio das Figuras 6 e 7. Nota-se a redução da dureza Vickers desde o flange até o fundo do copo, sendo isso relacionado com diversas variáveis. Considerando que o aço AISI 444 foi estampado a frio com uma microestrutura única composta por grãos de ferrita, pode-se afirmar que a variação da dureza em função da posição do copo deve-se prioritariamente ao fenômeno de encruamento, de modo que as regiões que sofreram maior quantidade de deformação plástica, encruaram mais e consequentemente, endureceram mais.

Figura 6
Perfil de dureza Vickers dos copos aço AISI 444 para os blanks de: (a) 55 mm e (b) 60 mm.

Figura 7
Gráfico de dispersão da dureza Vickers dos copos aço AISI 444 para os blanks de 55 mm e 60 mm.

Deste modo, é coerente relacionar a profundidade máxima alcançada pelos copos estampados com a quantidade de deformação plástica sofrida pelo aço AISI 444 e com o maior endurecimento devido ao encruamento, como exibido na Figura 8 que apresenta a profundidade máxima dos copos em função do diâmetro dos blanks. Por sua vez, a distribuição da deformação plástica está intrinsicamente relacionada com o estado de tensões vigente nas posições dos copos, como a presença de tensões compressivas circunferenciais e de tração radial na região do flange e de tração (estiramento) na lateral dos copos e adicionalmente, a relação de tais esforços mecânicos [²³].

Figura 8
Profundidade máxima dos copos estampados em função do diâmetro dos blanks do aço AISI 444.

A combinação de esforços mecânicos durante o processo de estampagem pode ser associada aos menores valores de dureza observados nas regiões do raio e do fundo dos copos. Adicionalmente, nessas regiões, é comum ocorrer afinamento da espessura da chapa e, consequentemente, a formação de fraturas, especialmente no raio próximo à base dos copos decorrente dessa redução da espessura do material.

A existência de um estado de tensões que alterna a combinação de tração com compressão como nas regiões do flange e do raio do copo estampado, como exposto na Figura 9, permite afirmar a possibilidade de ocorrência do Efeito Bauschinger que contribuiria para a variação da dureza em função da posição do copo. Contudo, neste trabalho não foi realizada a investigação com uso de técnicas como a microscopia eletrônica de transmissão para subsidiar tal afirmação, pois a vigência de tal fenômeno depende de diversos parâmetros, como o estado inicial do material, a quantidade de deformação plástica praticada em cada estado de tensões, dentre outras variáveis que não foram consideradas neste estudo [²⁴,²⁵,²⁶].

Figura 9
Figura esquemática de um copo com a identificação dos esforços de tração e de compressão.

3.4. Caracterização microestrutural após a estampagem

Com o objetivo de auxiliar na caracterização mecânica do aço AISI 444 após a estampagem fez a análise microestrutural deste material no copo que foi embutido com uso do blank de 60 mm de diâmetro, Figura 10, pelo fato de ter sido este o copo que apresentou a maior quantidade de deformação plástica, como indicado pelo valor de profundidade máxima exposto na Figura 8. Nota-se que não houve uma orientação acentuada dos grãos quando observados na seção transversal das posições investigadas neste trabalho, e como previsto pelo mapa de dureza Vickers, o fundo do copo, que apresentou o menor valor de dureza Vickers, devido à menor quantidade de deformação plástica, foi a região que exibiu grãos com tendência equiaxial.

Figura 10
Microestruturas do aço AISI 444 por MO após estampagem do copo com uso blank de 60 mm em diferentes posições: (a) flange, (b) lateral, (c) raio e (d) fundo do copo, mesma ampliação.

4. CONCLUSÕES

A análise do perfil de dureza do aço inoxidável ferrítico AISI 444 após uma operação de estampagem a frio revelou a relação direta entre o acréscimo da resistência mecânica desse material com o modo de solicitação mecânica, a quantidade de deformação plástica e a região de análise de um produto estampado.

Os resultados revelaram a presença de um gradiente de dureza Vickers entre o flange, a lateral, o raio e o fundo dos copos estampados, sendo tal variação associada à influência da quantidade de deformação plásticas com o consequente endurecimento decorrente do encruamento para cada uma das regiões analisadas neste trabalho. Destaca-se ainda que o estado de tensões vigente em cada uma das posições do copo, como o flange e o raio, devido à combinação dos esforços de tração e compressão influencia a ação do encruamento e assim, o valor de tensão nessas posições.

Por fim, a análise microestrutural executada nas mesmas regiões do copo estampado onde se fez o perfil de dureza Vickers não revelou diferenças relevantes, apenas a tendência de orientação dos grãos nas regiões do flange, lateral e raio dos copos estampados, sendo tal resultado coerente com os resultados da distribuição de dureza, sendo necessária a execução de um estudo mais detalhado com uso de difração por elétrons retroespalhados para avaliar se as condições adotadas na estampagem foram suficiente para a criação de uma orientação cristalográfica preferencial.

5. AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem à CAPES, à FAPEMIG e à FINEP pelo apoio financeiro.

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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  11 Jul 2025
• Data do Fascículo
  2025

Histórico

• Recebido
  25 Mar 2025
• Aceito
  10 Jun 2025