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Dissertação de Mestrado
DOI
https://doi.org/10.11606/D.85.2021.tde-18112021-112034
Documento
Autor
Nome completo
André Rossi
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2021
Orientador
Banca examinadora
Mucsi, Cristiano Stefano (Presidente)
Jesus, Edilson Rosa Barbosa de
Passos, Carlos Augusto Cardoso
Título em português
Caracterização mecânica da solda a ponto em chapa de aço 22MnB5 utilizando ensaio de tração e análises de correlação de imagem digital 
Palavras-chave em português
soldagem por resistência
aço 22MnB5
CID - Correlação de Imagens Digitais
ensaio de tração
metalurgia da solda
PHS
solda a ponto
Resumo em português
Este trabalho teve como objetivo avaliar as propriedades mecânicas da solda a ponto, em um aço 22MnB5 em sua condição de fabricação e pós obtenção de estrutura martensítica por meio de tratamento térmico. Esta avaliação foi efetuada por meio de ensaio mecânico de tração em corpos de prova normalizados pela norma JIS (Japonese industrial Standard), através de extensometria aliada ao método de correlação de imagens digitais, através do software Gom Correlate. A soldagem a ponto é um processo com muita aplicação na união de chapas na indústria automobilística. Com a crescente necessidade do mercado automobilístico, com foco na redução de peso dos veículos, no aumento dos níveis de segurança dos passageiros e da necessidade de cumprimento de exigências normativas quanto a impactos laterais no Brasil em 2018, foi necessário o estudo de uniões destes aços através deste tipo de solda, que é o mais utilizado no segmento automotivo, em virtude de sua alta produtividade, relativa facilidade de execução e qualidade adequada das regiões de união. Conforme literatura, a microestrutura inicial desse aço, na condição de recozido, é formada basicamente por ferrita e perlita. Seu limite de resistência nessa condição fica em torno de 600 MPa. Após o processo de tratamento térmico, esse material apresenta microestrutura completamente martensítica e resistência à tração próxima a 1500 MPa. Para o estudo destes corpos de prova, foram produzidos corpos de prova soldados em material lâmina em sua condição de fabricação e após tratamento térmico, sendo este ultimo a condição de uso na Indústria automobilística. Para se efetuar a correlação de imagens digitais através do software, os corpos de prova foram pintados obtendo-se manchas (ou pontos) de forma aleatória. Os corpos de prova foram então, submetidos a ensaio mecânico de tração até a deformação e ruptura. Os ensaios foram digitalmente filmados e os fotogramas sequenciados foram analisados utilizando-se o método chamado de correlação de imagens digitais (CID). Utilizando- se o CID, foi possível efetuar a caracterização das deformações bidimensionais das superfícies das amostras em aço 22MnB5 soldadas a ponto, durante o ensaio mecânico de tração. Foram geradas imagens com coloração característica para cada zona deformada, possibilitando a análise dos resultados obtidos pelo software e ter entendimento parcial do que acontece na região da soldagem. Os resultados experimentais indicam o critério de fratura dos corpos de prova. Com o tratamento térmico utilizado foi obtida a dureza requerida, o que indica a formação de microestrututa totalmente martensitica. Para os corpos de prova com tratamento térmico, a tendência de ruptura na zona afetada pelo calor (ZAC ou HAZ) foi confirmada nestes aços de alta resistência, devido à formação de material recozido em torno da pepita soldada. Também foi caracterizada a presença de defeitos formados durante o processo de soldagem. Para os materiais base, sem tratamento térmico, foi caracterizado que o rompimento ocorre fora da área soldada, justificado pela formação de microestruras mais resistentes, resultando no aumento de características mecânicas na região soldada, em virtude de que após a soldagem houve endurecimento na região do botão de solda e a ruptura se desenvolveu na região mais externa ao botão de solda e com menor dureza. Foi caracterizado pequena alteração nos dados de rompimento dos corpos de prova que foram soldados com a utilização de espaçadores, o que sugere que afastamentos entre os materiais a serem soldados, interferem no resultado da solda. Todos os métodos utilizados para se efetuar a geração das manchas aleatórias, foram satisfatórios, mas cada uma com certas características de qualidade e restrições. Quanto a qualidade de leitura pelo software os melhores resultados são os que promovem maior contraste entre o fundo e os pontos aleatórios. Quanto ao tempo de análise das imagens pelo software, durante o período do teste de tração, os melhores resultados foram obtidos pelos métodos que promovem geração dos pontos aleatórios diretamente sobre a superfície do corpo de prova.
Título em inglês
Mechanical characterization of spot weld on 22MnB5 steel plate using tensile test and digital image correlation analysis
Palavras-chave em inglês
22MnB5 steel
DIC (Digital Image Correlation)
PHS (Press Hardening Steel)
resistance welding
spot weld
tensile test
weld metallurgy
Resumo em inglês
This work aimed to evaluate the mechanical properties of spot welded specimens, in 22MnB5 steel both in their manufacturing condition and post-test of martensitic structure obtained by means of heat treatment. This evaluation was carried out by tensile testing specimens normalized by the JIS standard (Japanese industrial standard) and using extensometry combined to the digital image correlation method, using the Gom Correlate software. Spot welding is a process with wide application in the joining of sheets in the automotive industry. There is a growing need of the automotive industry to reduce vehicle weight, mantaining passenger safety levels and the need to comply with the 2018 Brasilian normative safety standards regarding lower side impacts. The microstructure of this steel, in the annealed condition, is ferrite and pearlite. Its limit in this ultimate strain in annealed condition is around 600 MPa. After the heat treatment process, this material has shows a completely martensitic microstructure and an ultimate strain close to 1500 Mpa. For the study, backing plates were welded to the specimens both in the annealed condition and after heat treatment, the latter being the condition of use in the automotive industry. In order to perform the digital image correlation of the tensile tests, the specimens surfaces were painted obtaining points in a random pattern. The specimens were then subjected to tensile testing until their rupture. The tensile tests were digitally recorded and the sequenced frames were analyzed using a method called digital image correlation (DIC). Using the DIC, it was possible to characterize the twodimensional deformation on the surfaces of the spot-welded samples during the tensile test. Images with characteristic coloring were generated for each deformed zone, allowing the analysis of the results obtained by the software and having a partial understanding of the behavior the welded region. The experimental results indicate the fracture behavior of the specimens. With the heat treatment used, quench, the expected hardness was obtained, which indicates the formation of a fully martensitic microstructure. The tendency of rupture in the heat-affected zone (HAZ) was confirmed in these heat-treated high-strength steels, due to the formation of annealed material around the spot weld nugget. The presence of defects formed during the welding process was also characterized. It was observed that the base materials, without thermal treatment, confirmed rupture outside the welded region, justified by the increases in mechanical characteristics and hardness in the welded region, resulting from the welding process. It was observed a slight difference between the ultimate stress of the specimens welded with the use of spacers between the main body of the specimen and the backing plate, which suggests that gaps between the sheets to be welded in the industrial process interfere with the ultimate stress. All the methods used to carry out the generation of random spots pattern on the specimens surface were satisfactory, but each one with certain characteristics of quality and restrictions. As for the quality of reading by the software, the best results are those that promote greater contrast between the background and random points. As for the time of image analysis by the software, during the tensile test period, the best results were obtained by methods that promote the generation of random points directly on the surface of the specimen.
 
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Data de Publicação
2021-11-29
 
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