Aplicação do ensaio dos cinco punções na avaliação da conformabilidade do aço inoxidável AISI 304

Abstract

O presente trabalho teve como objetivo avaliar a conformabilidade do aço inoxidável austenítico AISI 304 através do Ensaio dos Cinco Punções, metodologia que permite caracterizar o material sob múltiplos estados de tensão e deformação. O material, fornecido na forma de chapas laminadas com 1,0 mm de espessura, foi submetido a caracterização química, microestrutural e mecânica. Os ensaios de tração uniaxial, realizados em três direções (0°, 45° e 90° em relação à direção de laminação), revelaram coeficiente de encruamento médio de 0,34 e coeficiente de resistência entre 1198 e 1318 MPa. O coeficiente de anisotropia normal médio (𝑟 = 0,84) indicou comportamento próximo da isotropia quanto à resistência ao afinamento, enquanto a anisotropia planar significativa (𝛥𝑟 = 0,42) evidenciou textura cristalográfica desenvolvida durante o processamento termomecânico. O Ensaio dos Cinco Punções foi conduzido utilizando cinco geometrias de punção (cilíndrico, elipse rasa, hemisférico, elipse profunda e elipse extra profunda) e três diâmetros de blanks (90, 100 e 110 mm), com variação sistemática da pressão do prensa chapas (1,25 a 7 MPa). Os resultados demonstraram clara dependência da razão limite de estampagem (β) em relação ao modo de deformação: β = 2,2 para o punção hemisférico, β = 2,0 para os punções cilíndrico, elipse rasa e profunda, e β = 1,8 para a elipse extra profunda. A investigação do efeito da pressão do prensa-chapas revelou comportamento diferenciado conforme o modo de deformação dominante. Pressões insuficientes causaram enrugamento em modos de embutimento, enquanto pressões excessivas precipitaram fratura prematura em modos de estiramento. A simulação numérica por elementos finitos, calibrada com os parâmetros constitutivos experimentalmente determinados, reproduziu satisfatoriamente os resultados experimentais, validando o modelo e permitindo análise detalhada dos campos de tensão e deformação. A metodologia mostrou-se eficaz para uma caracterização abrangente da conformabilidade, fornecendo informações valiosas para o projeto e a otimização de processos de estampagem.

This study aimed to evaluate the formability of AISI 304 austenitic stainless steel through the Five-Punch Test, a methodology that allows material characterization under multiple stress and strain states. The material, supplied as cold-rolled sheets with 1.0 mm thickness, was subjected to chemical, microstructural, and mechanical characterization. Uniaxial tensile tests, performed in three directions (0°, 45°, and 90° relative to the rolling direction), revealed an average strain hardening coefficient of 0.34 and strength coefficient ranging from 1198 to 1318 MPa. The average normal anisotropy coefficient (rm = 0.84) indicated near-isotropic behavior regarding thinning resistance, while the significant planar anisotropy (Δr = 0.42) evidenced crystallographic texture developed during thermomechanical processing. The Five-Punch Test was conducted using five punch geometries (cylindrical, shallow ellipse, hemispherical, deep ellipse, and extra-deep ellipse) and three blank diameters (90, 100, and 110 mm), with systematic variation of blank holder pressure (1.25 to 7 MPa). Results demonstrated clear dependence of the limiting drawing ratio (β) on the deformation mode: β = 2.2 for the hemispherical punch, β = 2.0 for cylindrical, shallow ellipse, and deep ellipse punches, and β = 1.8 for the extra-deep ellipse. Investigation of blank holder pressure effects revealed differentiated behavior according to the dominant deformation mode: insufficient pressures caused wrinkling in deep drawing modes, while excessive pressures precipitated premature fracture in stretching modes. Finite element numerical simulation, calibrated with experimentally determined constitutive parameters, satisfactorily reproduced experimental results, validating the model and enabling detailed analysis of stress and strain fields. The methodology proved effective for a comprehensive characterization of formability, providing valuable information for the design and optimization of stamping processes.