RESUMO

Os aços de dupla fase (DP) são aços avançados de alta resistência (AHSS) caracterizados por uma microestrutura de ilhas duras de martensita dispersas em uma matriz macia de ferrita. Essa combinação única oferece uma baixa relação de escoamento à resistência à tração (~0,6) e uma alta taxa inicial de encruamento (valor n), tornando-os ideais para estampagens automotivas complexas que exigem tanto conformabilidade quanto resistência em colisões. No entanto, a estampagem bem-sucedida exige o controle de significativos riscos de retorno elástico (springback) e fissuração nas bordas. Os engenheiros geralmente precisam aumentar as folgas do punção para 12–14% e utilizar ferramentas mais rígidas com revestimentos avançados como TiC ou CrN para suportar as tonelagens elevadas e taxas de desgaste.

Microestrutura e Propriedades Mecânicas

O valor de engenharia do aço bifásico reside na sua microestrutura distinta, composta por duas fases. Diferentemente dos aços de alta resistência e baixa liga (HSLA), que dependem do endurecimento por precipitação, os aços DP derivam suas propriedades de uma estrutura composta: uma matriz contínua de ferrita macia que proporciona ductilidade, e ilhas dispersas de martensita dura que conferem resistência. Ao ser deformado, a deformação concentra-se na fase mais macia de ferrita ao redor da martensita, resultando em uma elevada taxa inicial de encruamento (valor-n).

Essa microestrutura cria um perfil de comportamento mecânico especificamente otimizado para conformação a frio. Enquanto as classes HSLA normalmente apresentam uma relação entre limite de escoamento e resistência à tração (LE/RT) de cerca de 0,8, os aços DP mantêm uma relação muito menor, aproximadamente 0,6. Esse ponto de escoamento mais baixo permite que a deformação plástica comece mais cedo, facilitando a formação de formas complexas antes que o material atinja seu limite de resistência à tração. Observações do Fabricante que esse alto valor de n é particularmente acentuado em intervalos menores de deformação (4–6%), o que ajuda a distribuir uniformemente a deformação por toda a peça e evita estricção localizada no início do curso da prensa.

Grades comerciais comuns—como DP590, DP780 e DP980—são definidas por suas resistências mínimas à tração (em MPa). À medida que a fração volumétrica de martensita aumenta, a resistência à tração aumenta, mas a ductilidade diminui naturalmente. Os engenheiros precisam equilibrar esses fatores, optando frequentemente por frações mais baixas de martensita para peças embutidas profundamente e frações mais altas para trilhos estruturais onde o desempenho contra intrusão é primordial.

Desafios na Estampagem: Retorno Elástico e Fissuração nas Bordas

A característica que torna o aço DP desejável—sua alta taxa de encruamento—introduz o seu principal defeito de fabricação: retorno elástico (springback). Como o material se endurece rapidamente durante a deformação, a tensão de recuperação elástica armazenada na peça é significativamente maior do que nos aços suaves. Isso se manifesta como empenamento das bordas laterais e alteração angular após a remoção da peça da matriz, complicando a precisão dimensional para montagem.

Para mitigar o retorno elástico, engenheiros de processo empregam várias estratégias no projeto da matriz. Sobre-curvar as superfícies da matriz permite que o material se relaxe na geometria correta. Além disso, projetar rebarbas nas paredes ou reforços pode fixar a geometria no lugar. Uma técnica mais avançada envolve impor alta deformação no final do curso da prensa para reduzir as tensões compressivas residuais, efetivamente "fixando" a forma.

A fissuração nas bordas é outro modo crítico de falha, particularmente durante operações de rebarbamento a estiramento. A diferença de dureza entre a ferrita macia e a martensita dura cria concentrações de tensão nas bordas cortadas, levando à formação de microcavidades que podem se coalescer em trincas. A SSAB sugere utilizar graus especializados "Dual Phase High Formability" (DH) para geometrias que exigem embutimento profundo ou bordas esticadas. Esses graus AHSS de 3ª geração utilizam microestruturas assistidas por TRIP (com austenita retida) para manter a conformabilidade em níveis mais altos de deformação, oferecendo resistência superior à fissuração nas bordas em comparação com os graus DP padrão.

Diretrizes de Projeto de Ferramentas e Matrizes

A estampagem de aço Dual Phase exige uma reavaliação fundamental dos parâmetros padrão de ferramentas usados para aços suaves ou HSLA. O ajuste mais crítico é a folga da punção. Folgas padrão de aproximadamente 9% da espessura do metal frequentemente levam a sérias fissuras nas bordas em aços DP devido à alta resistência ao cisalhamento do material.

Dados de Tata Steel demonstra que aumentar a folga do punção para 12–14%melhora significativamente a qualidade da borda. Em um estudo de caso, o aumento da folga de 9% para 12% reduziu as taxas de fissuração das peças de 22% para quase zero. Essa folga maior altera o estado de tensão na borda de corte, reduzindo a tendência de propagação de microfissuras para a aba.

O desgaste da ferramenta também é acelerado. As altas pressões de contato necessárias para conformar aço DP—frequentemente superiores a 600 toneladas para componentes estruturais—podem causar galling e degradação rápida da matriz. Os aços-ferramenta devem ser revestidos com tratamentos superficiais duros e de baixo atrito, como Carbeto de Titânio (TiC) ou Nitreto de Cromo (CrN), para prolongar os intervalos de manutenção. Além disso, a própria prensa deve ter rigidez suficiente para evitar deflexão sob essas altas cargas, o que comprometeria as tolerâncias das peças.

Para fabricantes que enfrentam essas demandas elevadas de equipamentos, associar-se a um fornecedor especializado em fabricação é muitas vezes o caminho mais eficiente. Shaoyi Metal Technology oferece soluções completas de estampagem que preenchem a lacuna entre prototipagem e produção em massa. Com capacidades de prensagem de até 600 toneladas e certificação IATF 16949, estão equipados para atender aos rigorosos requisitos de tonelagem e precisão dos aços avançados de alta resistência, como os graus DP e DH, para componentes críticos, tais como braços de controle e subestruturas.

Endurecimento por Estampagem e Desempenho Final

Uma das vantagens ocultas do aço bifásico é o seu efeito de "Endurecimento por Estampagem" (BH). Esse fenômeno ocorre durante o ciclo de cura da pintura automotiva, tipicamente em torno de 170°C por 20 minutos. Durante esse processo térmico, átomos livres de carbono na microestrutura do aço se difundem e fixam as discordâncias geradas durante a estampagem.

Este mecanismo resulta em um aumento substancial da resistência à tração — normalmente entre 50 e 100 MPa — sem afetar as dimensões da peça. Esse ganho de resistência estático permite que engenheiros automotivos "reduzam a espessura" (utilizem material mais fino) para diminuir o peso do veículo, ao mesmo tempo que garantem que a peça final atenda aos requisitos de segurança em colisões. A combinação do encruamento proveniente da prensaria e do envelhecimento por pintura proveniente da pintura confere ao componente final uma capacidade excepcional de absorção de energia, tornando o aço DP a escolha padrão para componentes da estrutura de segurança, como pilares B, trilhos de teto e travessas.

Conclusão: Otimizando para a produção de AHSS

O aço bifásico representa um ponto crítico de equilíbrio na engenharia automotiva moderna, oferecendo a resistência necessária para o cumprimento das normas de segurança e a ductilidade exigida para viabilidade na fabricação. Embora o material apresente desafios específicos — particularmente no que diz respeito ao controle do retorno elástico (springback) e ao desgaste das ferramentas — estes podem ser eficazmente superados por meio de um projeto de matriz baseado em dados e uma seleção adequada de prensas. Ao respeitar a física única da microestrutura ferrita-martensita e ajustar parâmetros como a folga da punçãoona faixa recomendada de 12–14%, os fabricantes podem aproveitar plenamente o potencial deste material versátil em termos de redução de peso e desempenho.

Perguntas Frequentes

1. Como o aço bifásico difere do aço HSLA?

Enquanto os aços de alta resistência e baixa liga (HSLA) dependem de elementos de micro-ligas para endurecimento por precipitação, os aços bifásicos (DP) baseiam-se em uma microestrutura de duas fases de ferrita e martensita. Isso confere aos aços DP uma relação limite de escoamento sobre resistência à tração mais baixa (~0,6 contra 0,8 para HSLA) e uma taxa inicial de encruamento mais elevada, permitindo melhor conformabilidade em resistências à tração equivalentes.

2. Qual é a folga recomendada na punção para estampagem de aço DP?

As folgas padrão na punção utilizadas para aço mole (cerca de 9%) normalmente são muito justas para o aço DP e podem causar fissuração nas bordas. As melhores práticas da indústria sugerem aumentar a folga da punção para 12–14%da espessura do material para melhorar a qualidade da borda e a vida útil da ferramenta.

3. O que causa a retomada elástica (springback) no aço bifásico?

O retorno elástico é causado pela alta recuperação elástica do material após a conformação. A elevada taxa de encruamento do aço DP significa que ele armazena uma quantidade significativa de energia elástica durante a deformação. Quando a matriz se abre, essa energia é liberada, fazendo com que a peça retorne ou enrole. Isso deve ser compensado por meio de sobre-curvatura ou repique no projeto da matriz.

4. O aço de dupla fase pode ser soldado?

Sim, os aços DP geralmente possuem boa soldabilidade, mas deve-se considerar o equivalente de carbono específico. Embora as classes de menor resistência (DP590) possam ser facilmente soldadas por pontos, as classes de maior resistência (DP980 e superiores) podem exigir ajustes nos parâmetros de soldagem, como aumento da força do eletrodo ou programas de pulso específicos, para evitar fraturas frágeis na zona termicamente afetada pela solda.