3 evaluación de la conformabilidad de la chapa h240la...

Estudio experimental de la conformabilidad de la chapa de acero de alta resistencia H240LA

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3 Evaluación de la conformabilidad de la chapa H240LA. Influencia de la flexión.

El conformado de chapas es un proceso en el cual se convierte una chapa plana en una pieza

con la forma deseada sin que ocurra la fractura o un adelgazamiento localizado del espesor y

excesivo (estricción). Para llevar a cabo esta tarea se hace necesario el estudio de los

mecanismos de fallo que se originan durante las diferentes operaciones de conformado, para

ayudarnos con esta labor se han desarrollado numerosas herramientas y metodologías que por

medio de pocos ensayos nos permiten evaluar la conformabilidad de una chapa y predecir su

comportamiento en diferentes operaciones de conformado. Una de estas herramientas es el

llamado diagrama limite de conformado (FLD, Formit Limit Diagram), el cual se origina a

partir de los datos obtenidos en una serie de ensayos de estirado.

En las siguientes secciones haremos una breve descripción de los ensayos de estirado más

usados los cuales nos ayudarán a caracterizar la chapa metálica de acero H240LA. Estos son los

ensayos de estirado tipo Nakajima y los ensayos de estirado con flexión. Antes de esto se

explicara brevemente, la mecánica que hay en los procesos de conformado de chapa y en que

consisten los diagramas limite de conformado (FLD). Posteriormente se analizara la

metodología seguida a la hora de realizar los ensayos. Por último se evaluarán los resultados

obtenidos y se compararán con aquellos encontrados en la literatura.


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3.1 El diagrama límite de conformado (FLD)

Una característica en muchos procesos de conformado de chapa es que la tensión perpendicular

a la superficie de la chapa es pequeña comparada con el esfuerzo en el plano de la chapa

(condición de tensión plana). Si se asume que el esfuerzo normal es cero se puede hacer un

estudio de los procesos de deformación en la chapa mucho más simple. Para analizar lo que

ocurre en la chapa podemos seleccionar un pequeño elemento en ella, como el que se muestra

en la figura 3.1. En ella se observan el estado de deformación y tensión que tiene la chapa, así

como dos variables α y β, las cuales se conocen como relación de tensiones y deformaciones

respectivamente, las cuales relacionan los esfuerzos y las deformaciones en las direcciones

principales en el plano de la chapa.

Figura 3.1. Elemento diferencial en la chapa

Usualmente se suele considerar que tanto β como α son constantes durante el proceso de

conformado (proceso proporcional). Los valores de estas dos constante son las que nos van a

definir el camino de deformación. En la figura 3.2 se muestra como al considerar diferentes

valores de β obtenemos caminos diferentes ó modos de deformación diferentes durante el

proceso.

Figura 3.2. Diferentes estados de deformaciones

Si fijamos � � 1, obtenemos un proceso biaxial o bien si hacemos � � 0, obtenemos un

proceso en deformación plana. Así podemos obtener cualquier estado que nos interese.


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Cada vez que tomamos un camino estamos fijando los estados de deformación. Al realizar

ensayos en estados diferentes de deformaciones se hace evidente de que el fallo de la chapa

ocurre siempre a niveles de deformaciones diferentes, creándose una curva de fallo como la

mostrada en la figura 3.3. En ella podemos ver que algunos caminos llegan antes a una curva

llamada curva de estricción (Necking). Lo que ocurre en el fallo por estricción es que existe un

adelgazamiento localizado en el espesor de la chapa. sin embargo al tomar otros caminos

podemos llegar a otra curva llamada de fractura dúctil (fracture), el que acontezca uno u otro

mecanismo de fallo dependerá del material en estudio y del camino de deformaciones al que

esté sometido el mismo.

Figura 3.3. Curva representativa de los diferentes mecanismos de falló en una cgapa

El diagrama anterior es lo que se conoce con el nombre de Diagramas Límites de Conformado

(FLD), desarrollados por Keeler (1964) y Goodwin (1968). Son herramientas muy útiles para la

evaluación de la capacidad de conformado de las chapas metálicas en la práctica. Se utilizan en

todas las fases de la producción de un producto de chapa, por ejemplo, en la simulación con

elementos finitos durante el diseño de un producto y para diseñar el proceso de conformado, en

las pruebas con las herramientas conformadoras y en el control de la calidad durante el proceso

de producción. El FLD consiste en una gráfica que representa la deformación principal mayor (

1ε ) frente a la menor (2ε ) y que muestra una línea denominada Curva Límite de Conformado

(CLC), ver figura 3.4, la cual divide los estados de deformación entre aquellos que permiten el

correcto conformado de la chapa y los que producen el fallo. La CLC proporciona una medida

simple de la severidad del conformado. En la práctica convencional se modifica el diseño de la

matriz o punzón o el proceso de conformado hasta que las deformaciones en todos los puntos

de la chapa estén dentro del margen de seguridad que proporciona la CLC.


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Dependiendo del tipo de fallo se puede distinguir entre la CLC en el inicio de la estricción

localizada (CLCE) y la CLC al principio de la fractura dúctil (CLCF). La figura 3.4, muestra la

evolución típica de las CLCE y CLCF que se observan en los experimentos. Como puede

apreciarse, la CLCE normalmente presenta una curva en forma de V, decreciente en el lado de

la izquierda ( 0/ 12 <= εεβ dd ) y creciente en el lado de la derecha ( 0≥β o región de

estirado biaxial). Las tendencias de la CLCF dependen otra vez de la ductilidad del material.

Así, para chapas con una ductilidad relativamente alta, la CLCF tiende a tener una forma lineal,

como se ve en la figura 3.4-(a). En cambio, los materiales con relativa baja ductilidad exhiben

una CLCF mucho mas compleja, ver figura 3.4-(b). En estos casos, la CLCF también muestra

una forma parecida a una curva en V, ligeramente creciente en la región de estirado y

acercándose a la CLCE cuando se acerca a las trayectorias de deformación biaxial ( 1=β ).

(a) (b)

Figura. 3.4. Esquemas del FLD experimental con las curvas de fallo típicas

En la actualidad, tanto la evaluación numérica del proceso de conformado de chapa como una

estimación numérica del FLD son tareas importantes en la industria de conformado de chapa.

Entre otras cosas, estas tareas necesitan la utilización de un criterio adecuado de fallo que tenga

en cuenta el material que se está conformando y el proceso de conformado que se está

utilizando. Existe una amplia variedad de criterios de fractura dúctil en la literatura científica.

Algunos estudios han demostrado que los criterios de fractura continua (criterios integrales)

predicen satisfactoriamente la CLCF lineal. No obstante, estos criterios no son capaces de

reproducir la CLCF observada para las chapas de metales de baja ductilidad, con una curva,

bien en forma de V o bien en forma compleja, en la región de estirado. En estos casos, los

criterios de fallo basados en la tensión tangencial, como el de Tresca o el Bressan y Williams

(1983), se ha comprobado que proporcionan una buena aproximación a la CLCF experimental

en un rango amplio de relaciones de deformación.


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3.2 Ensayos de estirado y estirado con flexión.

Existen dos tipos básicos de ensayos para determinar la conformabilidad, los intrínsecos o

generales y los simulativos o específicos. Los generales miden las propiedades básicas de los

materiales, las cuales están íntimamente ligadas a la conformabilidad. En los específicos el

objetivo es someter al material a un estado de deformación lo más cercano posible a aquel que

el material va a tener en algunos procesos de conformado real. Los ensayos generales han

probado generar una información que es independiente del espesor de la chapa utilizada y del

estado de la superficie de esta. Entre los más importantes y mas usados se encuentran el ensayo

de tracción, el cual ya fue presentado en el capítulo anterior. Otros ensayos muy usuales son el

ensayo de tracción en deformación plana, el ensayo de estirado de Marciniak, etc. Por otro lado

los específicos proveen información limitada y específica que usualmente es sensible a

parámetros del ensayo, como suelen ser el espesor, las condiciones de la superficie de la

probeta, la lubricación durante el ensayo y la geometría del punzón y de la probeta. Entre estos

tipos de ensayos tenemos los ensayos de estirado, el ensayo de Nakajima y los ensayos de

estirado con flexión, etc.

Históricamente los ensayos “ball punch”, tales como el Olsen y el Erichsen han sido usados

para determinar las propiedades de chapas metálicas sometidas a procesos de estirado. En estos

ensayos un punzón de acero endurecido con forma hemisférica en el extremo es empujado

sobre una probeta, como se muestra en la figura 3.5 y luego la altura de la copa o domo

producida durante el ensayo es medida.

Figura 3.5. Esquema de un ensayo de Olsen.

Por otro lado, otros ensayos que emplean punzones hemisféricos de mayor diámetro también

han sido desarrollados. Estos usan probetas de diferentes anchos para controlar las relaciones de

deformaciones o caminos de deformación (β).


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3.2.1 Ensayo de estirado tipo Nakajima.

Este ensayo consiste en tomar una probeta previamente preparada y colocarla en el prensa

chapas. Luego colocar la matriz encima y sujetar todo el sistema (prensa chapas-matriz). Con el

sistema ya cerrado se hace subir un punzón hemisférico de Φ100mm, el cual debe lubricarse

antes de empezar el ensayo. Se sube a una velocidad determinada y se deforma la probeta hasta

el fallo. En la figura 3.6 se puede observar un montaje de este tipo, donde se ve adicionalmente

un cordón de estirado (draw-bead ) en el prensa chapa lo cual hace impide el deslizamiento de

la chapa.

Figura 3.6. Esquema de un ensayo tipo Nakajima.

Este es el ensayo de estirado mas ampliamente utilizado. De hecho se toma como referente en

la norma ISO12004-2, la cual estandariza la obtención de las curvas limites de conformado

(CLC) en laboratorios, tanto en los parámetros del ensayo como en la metodología para detectar

el inicio de la estricción localizada.

3.2.2 Ensayos de estirado con flexión

En este tipo de ensayos como en el anterior se prepara la probeta adecuadamente y se coloca

entre la matriz y el prensa chapa. Se cierra el sistema y luego se efectúa el ensayo a una cierta

velocidad y en unas condiciones especificas de lubricación. La diferencia radica, como se puede

ver en la figura 3.7, en que el punzón en esta clase de ensayos posee un radio pequeño en

comparación con el ensayo anterior. Los punzones utilizados pueden ser tanto hemisféricos,

cilíndricos, ó con otras geometrías (toroidales, elípticos, etc.)

Cordón de estirado


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Figura 3.7. Esquema de un ensayo de estirado con flexión.

El tamaño del punzón provoca que en la zona central de la probeta exista un mayor nivel de

flexión que en el anterior tipo de ensayo. Este reproduce un aspecto muy importante que

estapresente en la mayoría de los procesos de conformado de chapa, induciendo un gradiente de

deformaciones y tensiones mas severo a través del espesor de la probeta.

Independientemente de la clase de ensayos que se quiera realizar se debe contar con las

herramientas indicadas para poder llevar a cabo los mismos (máquinas, software, etc.). A

continuación se hace una breve descripción de estos equipos y se particulariza a los utilizados

por nosotros durante los ensayos.

En primer lugar debemos contar con una maquina que nos proporcione la fuerza necesaria para

realizar los ensayos. En muchos casos se utiliza una prensa común y se acondicionan matrices

para poder realizar los ensayos. En nuestro caso contamos con una maquina de embutición

universal la cual podemos ver en la figura 3.8, y cuyas características principales aparecen en la

tabla 3.1.

Figura 3.8. Maquina de ensayos de embutición universal.

La máquina cuenta con tres canales de medición analógicos los cuales nos permiten tener los

datos de fuerza en el punzón durante el ensayo, desplazamiento del punzón y fuerza de sujeción

Cordón de estirado

Prensa chapas

Punzón


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del prensa chapa durante el ensayo. A demás podemos tomar estas señales y sincronizarlas con

las fotografías tomadas por el equipo de correlación de imágenes digitales (Aramis), para poder

relacionar estas medidas con las deformaciones de cada fotografía.

Maquina De Embutición

Marca Erichsen

Modelo 142-20

Rango de Velocidad para los ensayos 0 - 850 mm/min

Fuerza máxima del punzón 210 KN

Desplazamiento máximo del punzón 80 mm

Fuerza máxima de sujeción del prensa chapas 100 KN

No. De canales de medición analógicos 3

Tabla 3.1. Características de la maquina de ensayos de embutición.

Por otro lado, se debe contar con un equipo de filtrado de señal para obtener datos sin ruido. En

nuestro caso contamos con un filtro, el cual podemos ver en la figura 3.9.y cuyas características

técnicas se muestran en la tabla 3.2

Figura 3.9. Filtro utilizado en los ensayos.

Filtro De Paso Bajo

Marca microtest

Modelo MT 97

Tensión ±12 - ±15 V

Entrada y Salida ±10 V

Frecuencia 0 - 100 kHz

Canales de medición analógicos 3

Tabla 3.2. Características del filtro.

En la parte de abajo de la figura 3.10-(b), podemos observar una probeta colocada sobre el

punzón y sobre el prensa-chapas en la máquina de embutición. En la misma figura arriba

podemos ver la matriz, donde se puede apreciar en detalle el cordón de estirado que esta posee,

y una vista del prensa-chapas y el punzón hemisférico de Φ100mm. En la parte figura 3.10-(a)

podemos observar una vista un poco mas amplia del sistema, donde se aprecia la compuerta que

mantiene el sistema cerrado durante la realización de los ensayos.


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(a) (b)

Figura 3.10. Detalle del sistema matriz-prensa chapas de la maquina.

Como se mencionó antes se van a realizar dos clases de ensayos, los de estirado tipo Nakajima

y los de estirado con flexión. En los primeros se utilizará un punzón hemisférico de 100mm de

diámetro y en los segundos se utilizaran punzones cilíndricos de varios diámetros (1, 3, 5, 10,

12, 20 mm), para obtener varios niveles de flexión durante el ensayo. Estos punzones se pueden

observar en la figura 3.11.

Figura 3.11. Punzones utilizados en los ensayos de estirado.

Estos punzones deberán ser impregnados con algún tipo de lubricante para obtener una

situación de contacto sin fricción o lo más baja posible. Después de muchos ensayos de pruebas

por parte de algunas personas en el grupo de investigación al cual pertenezco, se han obtenido

buenos resultados empleando una combinación de vaselina + teflón (PTFE) + vaselina, los

cuales se muestran en la figura 3.12-(a).


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(a) (b)

Figura 3.12. Materiales empleados para la lubricación y montaje de un punzón lubricado.

En la figura 3.12-(b) se muestra un punzón cilíndrico montado en la máquina, al cual se le ha

aplicado vaselina y teflón.

Una parte importante de los ensayos son las probetas para ensayar, las cuales deben ser

diseñadas para obtener los caminos de deformación de interés. Para el ensayo de estirado tipo

Nakajima se utilizaron 4 tipos de probetas diferentes, como se aprecia en la figura 3.13. Se

presentan los esquemas y cotas de estas probetas (en milímetros).

Figura 3.13. Planos de las probetas utilizadas en los ensayos de estirado.


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La probeta A es una probeta que induce un camino de deformación con un � ≌ ��

� o sea en un

estado de tracción uniaxial. La probeta B es una probeta que induce un camino de deformación

con un � ≌ �0.1, o sea próximo a deformación plana, la probeta C induce un estado o modo de

deformación entre la deformación plana y un estado biaxial puro (0 � 1), y por último la

probeta D induce un camino de deformación biaxial ó muy próximo a este (� ≌ 1).

En los ensayos de estirado con flexión solo se utilizó la probeta B (próxima a deformación

plana), ya que lo que queríamos es poner de manifiesto la dependencia de las deformaciones

limite (estricción y fractura) con el grado de flexión que existe en la chapa, que se mide con la

relación (��

) y aplicar una metodología temporal propuesta por nuestro grupo, para evaluar las

deformaciones en estos casos.

3.3 Medición experimental de las deformaciones y el Sistema Aramis®.

Al realizar los ensayos anteriormente descritos, lo que se quiere es obtener de ellos información

de las deformaciones que ocurren en la chapa durante el ensayo. Esta información, luego será

procesada mediante algunos criterios (Metodologías) para identificar el mecanismo de fallo

originado en la chapa bajo las condiciones del ensayo y tratar de predecir el momento preciso

del fallo, sea por estricción o por fractura o por cualquier otro que aparezca. Lo mas usual es

que el fallo en materiales altamente conformables, como los aceros HSLA, ocurra por el

mecanismo de estricción y no por fractura.

Hasta hace poco, la determinación de deformaciones se realizaba usando un patrón,

habitualmente de círculos, dibujados sobre la superficie de la probeta indeformada mediante

procesos electroquímicos, láser, impresión, etc. Tras ensayar el espécimen, y haciendo uso de

dispositivos ópticos (lupas, microscopios, etc.) se determinaba el nivel de deformación en la

chapa, lo cual se hacía de forma manual. Las marcas circulares iniciales de dimensiones

conocidas, tras sufrir la deformación, se convertían en elipses. Las deformaciones principales se

podían estimar midiendo las longitudes de los dos ejes de la elipse y relacionándolos con las

dimensiones iniciales del círculo ver la figura 3.14.


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Figura 3.14. Patrón circular y determinación manual de deformaciones.

Sin embargo, estos métodos tienen como fundamental inconveniente el tiempo de procesado de

la información, la poca precisión de la medida, la disponibilidad de información sólo en el

instante final del ensayo y la baja resolución de información, debido al tamaño de los círculos

marcados, que habitualmente rondan de 2 a 5mm de diámetro.

Posteriormente, han aparecido en el mercado sistemas de medición óptica, capaces de evaluar

automáticamente las deformaciones a través de la medición automatizada del patrón de círculos

una vez la probeta ha sido deformada. Estas técnicas conducen a una reducción sustancial del

tiempo de evaluación e incluso a una mejora en la precisión o fiabilidad de las medidas. Sin

embargo, la baja resolución de la información sigue, debido al tamaño finito de los patrones

empleados.

A fin de mejorar la evaluación de las deformaciones se han desarrollado otros sistemas basados

en las técnicas de correlación de imágenes digitales (DIC). Estos sistemas son capaces de

reducir el tiempo de procesado y entregar gran precisión en la evaluación de la información.

Dichos sistemas emplean un patrón estocástico continuo sobre la probeta, como ya se explicó

anteriormente, ver sección 2.3.

En nuestro caso el sistema utilizado para medir las deformaciones es el software comercial

GOM-ARAMIS®, basado en la técnica de correlación de imágenes. Este software posee ambos

módulos (el de adquisición y procesamiento de imágenes) integrado, a diferencia del Vic-2D.

El sistema de cálculo de deformaciones basado en la técnica de correlación de imágenes

digitales ARAMIS consta de dos partes. Una unidad de procesamiento de datos, la cual

podemos observar en la figura 3.15-(a) y el sistema óptico de cámaras y luces que se muestra en

la figura 3.15-(b), el cual está colocado encima de la máquina de embutición.


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(a) (b)

Figura 3.15. Sistema de adquisición de imágenes Aramis.

Como se puede observar este sistema se compone de dos cámaras, las cuales reciben las

imágenes de la cara exterior de la probeta ensayada y la envían a la unidad de procesamiento de

imágenes digitales donde mediante un software se efectúa la correlación de imágenes y los

cálculos de los desplazamientos y deformaciones.

A continuación se describirá de manera general los pasos básicos para la adquisición de las

fotos durante los ensayos.

Figura 3.16. Icono de ingreso al entorno de ARAMIS.

Para entrar al programa damos doble clic en el icono del programa, el cual aparece en la figura

3.16. Luego nos presenta un entorno como se muestra en la figura 3.17, en el cual nos

encontramos una barra de herramientas como la que se aprecia en esta misma figura.

Figura 3.17. Entorno de ARAMIS y barra de herramientas.


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Allí debemos seleccionar la opción FILE y crear un nuevo proyecto. Nos mostrará las opciones

que vemos en la figura 3.18 y allí podemos colocarle un nombre al proyecto y seleccionar el

tamaño de las facetas o elementos además de seleccionar el solapamiento de éstas. Esto es

importante sobre todo en los ensayos de estirado con flexión, ya que dependiendo del tamaño

de la faceta podrán apreciarse mejor los gradientes de deformaciones.

Figura 318. Como crear un proyecto y fijar algunos parámetros.

Figura 3.19. Entorno de un proyecto nuevo en ARAMIS.

Una vez terminamos de seleccionar estos y algunos otros parámetros el programa nos presenta

el entorno que aparece en la figura 3.19, donde podemos elegir el icono de la cámara parte

izquierda de la figura, lo cual nos llevara a un entorno de video en vivo donde se puede realizar

la calibración del sistema antes de realizar cualquier ensayo. Además una vez ya calibrado

podemos ajustar parámetros puntuales de cada ensayo. Este entorno se muestra en la figura3.20.


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Figura3.20. Modo en vivo del programa y lista de durante el ensayo.

En la parte izquierda de la figura podemos ver varias opciones que son muy importantes,

MODE allí podemos seleccionar si queremos tomar fotos manualmente (SINGLE WITH AD) o

automáticamente (FAST MEASUREMENT). Luego esta la opción FRAME RATE donde

podemos elegir la cantidad de fotos por segundo que queremos tomar en modo automático, la

opción SHUTTER TIME se refiere al tiempo que el obturador esta abierto y dependiendo de

esto puede entrar más o menos luz durante la apertura del obturador, AD-0 y AD-1, se refiere a

entradas de señales analógicas que se estén tomando. Lo que hace el programa es que toda esta

información se agrega a cada foto.

Estando todavía en el entorno anterior podemos fijar la intensidad de luz que queremos sobre el

ensayo. Esto se hace operando sobre el potenciómetro (C) que se muestra en la figura 3.21-(b),

girándolo a favor de las manecillas del reloj se aumenta la intensidad de luz hasta que

aparezcan zonas en rojo en el video, como se muestra en la figura 3.21-(a).

(a) (b)

Figura 3.21. Sobre exposicion de luz en el ensayo y controles de la unidad de procesado.


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Luego se disminuye la intensidad hasta que apenas se puedan visualizar estos puntos,

seguidamente se gira el potenciómetro un cuarto de vuelta y ya estará el nivel de luz en valores

aceptables.

Figura 3.22. Toma manual de fotografías.

Las primeras fotografías se tomarán de manera manual (ver sección 3.4).para ello hay que

colocar el programa en Mode→Simple with AD, como se muestra en la figura 3.22 y cuando

se desee tomar una fotografía presionar el icono de cámara. Luego cuando deseemos tomar

fotos de manera prolongada durante todo el ensayo debemos cambiar a Mode→Fast

Measurement (PC RAM) y presionar el icono de la cámara para comenzar a tomar las fotos.

ç

(a) (b)

Figura 3.23. Captura automática de fotos y almacenamiento de fotos.


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Nos aparecerá un entorno como el mostrado en la figura 3.23-(a), donde veremos el numero de

imágenes y aparece la opción ABORT la cual presionaremos una vez la probeta se rompa, y nos

aparecerá un submenú en el cual le diremos que queremos usar todas las fotos tomada USE

ALL, como se ve en la figura 3.23.-(b).

Con esto termina la adquisición de datos durante un ensayo. La manera de evaluarlo será

explicada en la sección 3.5. Ahora explicaremos la manera de calibrar el sistema justo antes de

empezar a medir.

La calibración se realiza tomando una serie de imágenes, simultáneamente con ambas cámaras,

de una placa con marcadores (calibration target) la cual se muestra en la figura 3.24. La

geometría de la placa y de los marcadores es conocida. De esta forma el sistema localiza los

centros y orientaciones de la placa. Durante la calibración, dichos marcadores se detectan

automáticamente por el sistema a la vez que la placa se sitúa en una serie de orientaciones

espaciales definidas previamente.

Figura 3.24 Placa de calibración para el sistema ARAMIS®

El algoritmo de evaluación calcula los parámetros intrínsecos de las dos cámaras, los

parámetros extrínsecos (vector de traslación y matriz de rotación) al igual que las

incertidumbres de los parámetros de calibración resultantes de las desviaciones de los

marcadores detectados en comparación con el modelo de proyección/posición. Típicamente un

número de 8 o 10 imágenes es suficiente para la obtención de todos los parámetros de

calibración con precisión.

Una vez se ha realizado la calibración, el sistema nos presenta un resumen de los parámetros, es

decir, ángulo entre las cámaras, volumen de medición calibrado, desviación en la calibración,

etc, como se puede ver en la figura 3.25.


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Figura 3.25. Resultado de la calibración

Una vez el sistema ha sido calibrado, puede empezar a usarse para efectuar una batería de

ensayos.

3.4 Metodología experimental.

Las chapas de acero H240LA se recibieron en láminas de 500x1200x1.2, (cotas en milímetros).

A partir de estas se fabricaron, 7 probetas totalmente circulares para un estado de

deformaciones cercano al biaxiales ( ), 7 probetas circulares con muesca ( ), 35

probetas para un estado cercano a deformación plana ( ) y 7 probetas para un estado

de tracción uniaxial ( ). En la figura 3.26 podemos observar algunas de estas probetas.


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(a) (b) (c)

Figura 3.26. Tipos de probetas utilizadas durante los ensayos

En la figura también podemos observar el cambio sufrido por las probetas durante el proceso de

preparación. En la figura 3.26-(b) se muestra una probeta recién fabricada, la cual se ha

limpiado su superficie con disolvente y quita grasa. En la figura 3.26-(c) podemos observar el

siguiente paso que es pintar la probeta con pintura blanca y dejarla secar durante

aproximadamente 1 hora. En la figura 3.26-(a) podemos observar el patrón estocástico después

de aplicar la pintura negra y dejar secar la probeta durante 15 minutos aproximadamente. Dicho

patrón estocástico es necesario para la evaluación de deformaciones usando la anteriormente

explicada técnica de correlación de imágenes digitales.

Para pintar estas probetas se utilizó una pintura blanca para imprimación, multiuso y satinada,

la cual le confiere una elasticidad formidable a la pintura, este aspecto se hace necesario por los

niveles de deformación alcanzados, pero se debe dejar secar al menos durante una hora y

depositar cantidades muy pequeñas en la probeta para no tener problemas de sobre exposición

de luz en la probeta (brillos). En la figura 3.27 podemos observar las pinturas utilizadas.

Figura 3.27. Pintura blanca y negra utilizada durante los ensayos.


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La pintura negra utilizada debe ser mate para evitar la sobre exposición de la luz durante el

ensayo. Cabe resaltar que el único requisito adicional para la pintura negra es que la boquilla

del bote debe difuminar la pintura de una manera muy fina, ya que lo que queremos es obtener

puntos los suficientemente pequeños para obtener una mejor discretización a la hora de realizar

las correlaciones de imágenes.

Una vez las probetas están preparadas y la máquina se encuentra calibrada y ajustada (ver

sección 3.3), podemos comenzar los ensayos. En la tabla 3.3 se muestran los parámetros

básicos que se usaron durante los ensayos, los cuales cumplen con las recomendaciones de la

ISO 12004-2:2008.

Parámetros Valor

Velocidad del punzón 1 mm/s

Temperatura durante el ensayo 20-25 ◦C

Fuerza en el prensa chapas 60 KN

Precisión en la medida de fuerza 0,01 KN

Precisión en la medida de posición 0,1 mm

precisión en la medida de velocidad 0,2 mm/s

Tabla 3.3. Parámetros básicos durante el ensayo.

Luego, iniciamos el ensayo montando el punzón que se va a utilizar en la máquina, el cual se

debe limpiar y lubricar (vaselina + teflón + vaselina). Con el punzón en el punto más bajo de

todo el recorrido se debe colocar la probeta sobre el prensa chapas, se coloca la matriz, se cierra

y se asegura la compuerta. Una vez llegados a este punto se enciende la maquina con el

interruptor “F” (ver figura 3.28).

Figura 3.28. Mandos de la maquina de embutición universal.

Una vez encendida se presiona el botón arriba (C), el cual hace que la parte mas alta del punzón

suba y llegue a la altura de la chapa, pero sin hacer presión. En esta posición se abre el

programa ARAMIS, se crea un nuevo proyecto, se ajustan todos los parámetros y se ajustan los


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niveles de luz en la zona del ensayo (ver sección 3.3). Se toma la foto de referencia y se

procede mediante la válvula de presión del prensa chapas (A) a presionar el prensa chapas

contra la matriz hasta un nivel de fuerza deseado. Se toman fotos durante este proceso cada vez

que la fuerza en el prensa chapas aumenta en 5 KN y una vez llegado al valor deseado se pasa

la toma de fotos de manual a automática y se comienzan a tomar fotos automáticamente (12 x

segundo). Se acciona inmediatamente la válvula del control de velocidad (B) la cual se

posiciona en 1 mm/s, lo cual indica que el ensayo se realizará a esta velocidad. El ensayo

continuará en este estado hasta que la probeta alcance el fallo. Una vez esto ocurre se presiona

el botón de parada general (D), con lo cual el punzón se detiene. Vamos al sistema de captura

de fotos y paramos la adquisición de fotos y guardamos las fotos tomadas durante el ensayo.

Luego se presiona el botón abajo (E) en la maquina de ensayos, con lo cual el punzón se baja

(donde estaba al inicio), liberamos la presión de la fuerza del prensa chapas con la válvula (A) y

procedemos a abrir la compuerta, sacar la matriz, sacar la probeta con cuidado de no dañar la

pintura y volvemos a limpiar el punzón y a lubricar y quedando listo para el próximo ensayo.

De idéntica forma se procede para toda la batería completa de ensayos. En la figura 3.29 se

puede observar una probeta para cada camino de deformación realizado con el punzón de 100

mm de diámetro (ensayos tipo Nakajima).

Figura 3.29. Probetas ensayadas en el ensayo de estirado tipo Nakajima.

En la figura 3.29 podemos ver, de abajo a arriba y de izquierda a derechas, las probetas

ensayadas para un camino de deformaciones cercano a biaxial, intermedios entre biaxial y

deformación plana, cercano a deformación plana y tracción uniaxial, respectivamente.


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De idéntica forma se realizaron los ensayos de estirado con flexión, pero recordemos que estos

solo se hicieron en condiciones cercanas a deformación plana, como podemos observar en la

figura 3.30.

Figura 3.30. Probetas ensayadas en los ensayos de estirado con flexión.

Aquí vemos, de arriba abajo y de derecha a izquierda, las probetas ensayadas con los punzones

cilíndricos de 20, 12, 10, 5, 3, 1mm de diámetro, respectivamente.

3.5 Evaluación y comparación de resultados

Recordemos que el objetivo al realizar los ensayos es obtener un mapa de deformaciones en la

cara exterior de la chapa, durante cada instante del ensayo. En otras palabras, obtener una

distribución espacial y temporal de la deformación durante todo el ensayo. Una vez tengamos

esto debemos someter esta información a un procesamiento que dependerá de la metodología de

evaluación elegida y así obtener una estimación de las deformaciones al comienzo de la

estricción, al igual que una estimación de las deformaciones cuando ocurre la fractura.

A continuación se explicará brevemente la forma de calcular las deformaciones, mediante el

programa ARAMIS y después se explicara en que consiste la metodología temporal elegida

para evaluar las deformaciones.

Una vez terminados los ensayos debemos procesar la información. Primero ingresamos al

programa ARAMIS, debemos ir a la opción FILE y abrir proyecto. Allí cargamos el proyecto

que deseamos evaluar y luego debemos elegir el modo PROJECT MODE


69

Figura 3.31. Entorno del programa AMARIS en Project Mode.

Dentro de este efectuaremos la correlación de imágenes digitales y al mismo tiempo se

calcularán los desplazamientos y deformaciones, como se observa en la parte derecha de la

figura 3.31, donde se muestran las fotografías tomadas durante el ensayo.

Al cambiar a PROJECT MODE se nos activa una barra de herramienta parecida a la que se

muestra en la figura 3.32, posicionándonos en la fotografía de referencia STAGE 0. Debemos

elegir la zona de nuestro interés, lo cual haremos con el icono azul de la barra de herramientas

antes mencionada, (ver figura 3.32). En nuestro caso hemos seleccionado un rectángulo que

rodea la zona de fractura de la probeta. Luego hay que crear puntos de referencia en la foto, los

cuales se ven en color rojo en la figura 3.32. Estos se agregan con la opción ADD START

POINT, cuyo icono en la barra de herramienta es el que contiene el puntero del ratón.

Figura 3.32. Entorno para realizar los cálculos y ajustar parámetros de cálculo.


70

Una vez creados todos los puntos de inicio que necesitemos, al menos uno en cada lado de la

probeta al fracturarse, presionamos al icono del reloj de arena el cual efectúa el calculo del

proyecto. Recordamos que la forma de calcular es, primero correlaciona las imágenes y luego

calcula el campo de desplazamiento y deformaciones.

Una vez el programa termina de efectuar el calculo automáticamente se cambia al modo

EVALUATION MODE, donde podremos extraer toda la información referente a las

deformaciones. En la figura 3.33 vemos una vista de cómo se ve el programa en este caso para

un ensayo de estirado con flexión de 20mm de diámetro.

Figura 3.33. Forma de un mapa de deformaciones en ARAMIS.

Llegados a este punto y con los campos de deformaciones calculados durante todo el ensayo, se

hace necesario explicar la metodología que vamos a emplear. Esta metodología fue propuesta

por Martínez-Donaire et al. (2009).

La metodología se basa en el análisis temporal de la distribución de deformación principal

máxima (ε�) y su primera derivada respecto al tiempo (ε��), en una serie de puntos alineados en

una sección perpendicular a la zona de fractura. En primer lugar hay que obtener el ancho de la

zona de estricción; esto se consigue identificando los dos últimos puntos, uno a cada lado de la

grieta, que dejan de deformarse y cumplen la condición ε�� 0, justo antes de la aparición de la

fractura, como se muestra en la figura 3.34. La región entre dichos puntos define el área donde

se ha desarrollado la inestabilidad plástica. Una vez comience la estricción, la deformación de

los puntos de dicha región aumenta más y más hasta la fractura. Por otro lado la ε�� de los

puntos fuera de esa zona se reduce gradualmente, llegando a mantener un nivel de deformación

constante o incluso experimentando cierta descarga elástica antes de la fractura de la chapa.


71

Figura 3.34. Evolución de �� y �� en la zona cercana al falló.

En la zona de estricción aparecen dos gradientes superpuestos, por un lado el impuesto por la

curvatura del punzón a lo largo de la chapa y por otro el inherente al desarrollo de la

inestabilidad. Por ello, dentro de la zona de estricción, habrá puntos que aumenten su velocidad

hasta la rotura (ver figura 3.34, Punto B), otros que empiecen a reducirla pero no consigan

llegar a cero en la fractura y por último aquellos que alcanzan velocidad nula justo un instante

antes de la fractura, los cuales definen el ancho de estricción.

Una vez identificado el ancho de la zona de estricción se debe detectar el inicio de la estricción.

El objetivo fundamental del método consiste en detectar cuando los puntos de la zona de

estricción comienzan a deformarse de forma inestable. De acuerdo a la evidencia experimental,

se establece que el proceso de estricción se inicia cuando ε�� en la frontera (punto A) que define

el área de la inestabilidad (ver figura 3.34), alcanza un máximo (ε��,��). Como se muestra en la

evolución de ε�� en la figura antes mencionada. Dicho máximo revela que la deformación ha

empezado a localizarse en el interior de la zona de estricción entre los puntos A y B en la figura

3.34. Por tanto, la reducción progresiva en ε�� en dichos puntos frontera es consecuencia de que

los puntos interiores a la zona de estricción han comenzado a deformarse inestablemente por el

desarrollo de la estricción. Este hecho define claramente el instante de tiempo en que comienza

la inestabilidad plástica (t��).

Por último se debe identificar el punto de fractura, el cual se corresponde con el punto más

solicitado dentro de la zona de estricción (punto B). Éste es claramente identificable

localizando la curva de deformación que está por encima del resto durante el proceso (ver

evolución de ε�� en la figura 3.34). Una vez identificado se debe determinar la ε�,��, la cual se

define como el nivel de deformación ε� del punto más solicitado de la zona de estricción (punto


72

B) en el instante del comienzo de la estricción, o sea la ε� en t��. Por último, la

deformación principal mínima límite (ε�,��). Análogamente, se obtiene como el valor de ε�

existente en el punto B en el instante t��.

Como se puede apreciar para aplicar la metodología falta extraer la información de las

deformaciones cercanas al área de fractura y así poder aplicar la metodología y obtener las

deformaciones limites con las cuales vamos a construir el FLD. Esto se hace de manera muy

sencilla con el software ARAMIS.

Figura 3.35. Creación de las secciones y puntos cercanos a la fractura.

Sólo se debe seleccionar la opción SECTIONS y en el submenú que aparece elegir CREATE

SECTION y decirle a qué distancia queremos crear las filas de puntos y cuantas filas de puntos

queremos (ver figura 3.35). La normativa ISO 12004-2 nos orienta en cuanto a las magnitudes

de estas variables. En ella se dice que las filas deben estar espaciadas alrededor de 2 mm y

deben ser 3 ó 5 secciones, en cada zona de inspección. Estas secciones deben medir al menos

15mm a cada lado de la fractura.

Luego la información es exportada a un archivo plano y procesada mediante una herramienta

informática creada en nuestro grupo SEENECK. En dicha herramienta se encuentran

implementadas las metodologías ISO 14004-2 y la temporal descrita previamente.

3.5.1 Resultados de los ensayos de estirado de la chapa de acero H240LA

A continuación se describirán algunos aspectos importantes de estos ensayos. Para el ensayo

con punzón de 100mm de diámetro y camino de deformación β ≌ ��

�, cuyas probetas

ensayadas se muestran en la figura 3.36, se observó que la concentración de las deformaciones,


73

tanto ε�, ε�, como ε� siempre ocurrió en el centro de la probeta y por ende tanto la estricción

como la fractura ocurrieron en la zona central, como se puede observar en las diferentes

probetas.

Figura 3.36. Probetas de tracción uniaxial ensayadas en un ensayo tipo Nakajima y distribución

De la deformación ��.en la chapa.

En la figura 3.36, también se pueden observar tres fotogramas que representan básicamente las

tres fases del proceso de deformación que ocurre durante el ensayo. En ella podemos ver la

variación de la distribución de ε� con el tiempo. Primero toda la zona de la chapa, que esta en

contacto con el punzón, experimenta una deformación mayor que las partes que no lo están.

Dicha deformación es bastante uniforme a lo largo de toda esta zona, la cual ocupa casi todo el

ancho de la probeta. Esto es así durante casi todo el ensayo, luego las deformaciones máximas

se limitan a una zona en la parte central de la probeta sin llegar a ocupar todo el ancho, y justo

antes del fallo de la chapa esta zona se localiza a un más en el centro de la probeta (estricción).

En la tabla 3.4, tenemos los valores obtenidos en cada ensayo realizado para este camino de

deformación. Como observamos el β calculado como el cociente entre deformaciones

principales en el plano de la chapa, cuando ocurre la estricción es menor que el de fractura.

ɸ 100mm, tracción uniaxial

Deformación de Fractura

Deformación de

Estricción

ε1(%) ε2(%) β ε1(%) ε2(%) β

Prueba 1 100,00 -35,63 -0,36 62,86 -30,22 -0,48

Prueba 2 99,90 -30,80 -0,31 61,24 -29,95 -0,49

Prueba 3 101,00 -31,70 -0,31 61,77 -29,76 -0,48

Prueba 4 100,00 -30,60 -0,31 62,85 -30,5 -0,48

Prueba 5 101,00 -34,80 -0,34 61,82 -29,13 -0,47

Prueba 6 99,00 -35,70 -0,36 60,31 -29,5 -0,49

Promedio 100,15 -33,21 -0,33 61,81 -29,84 -0,48

Desviación 0,76 2,43 0,03 0,98 0,48 0,01

Tabla 3.4. Valores obtenidos en los ensayos tipo Nakajima en tracción uniaxial.


74

En ella podemos observar los valores de las dos deformaciones principales en el plano de la

chapa, tanto de fractura como de estricción, así como el valor de la relación de deformaciones

β.

A continuación en la figura 3.37, se muestra la evolución de las deformaciones principales en

varios puntos suficientemente cerca de la zona de fallo para uno de los ensayos anteriores.

Como se aprecia en color rojo, al inicio ocurre un proceso casi vertical (estado de deformación

plana), luego sigue el camino deseado de β ≌ ��

�, y cuando comienza la inestabilidad plástica

este camino deja de ser lineal y comienza a irse a un estado de deformación plana justo antes de

la fractura como se puede observar en dicha figura.

Figura 3.37. Evolución de deformaciones en un punto cercano a la zona de fallo para � ≌ �

�

�.

Para el ensayo con punzón de 100mm de diámetro y camino de deformación β ≌ �0.10, cuyas

probetas ensayadas se muestran en la figura 3.38, se observó que la concentración de las

deformaciones, tanto ε�, ε�, como ε� siempre ocurrió en el centro de la probeta y por ende tanto

la estricción como la fractura ocurrieron en la zona central de esta, como se puede observar en

las diferentes probetas que aparecen en la figura siguiente.

En la figura 3.38, también se pueden observar tres fotogramas que representan básicamente las

tres fases del proceso de deformación que ocurre durante el ensayo. En ella podemos ver la

variación de la distribución espacial de ε� con el tiempo.


75

Figura 3.38. Probetas cercanas a deformación plana ensayadas en un ensayo tipo Nakajima y

Distribución de la deformación ��.en la chapa.

En primera instancia hay una zona circular que va creciendo que se origina por el contacto

entre la chapa y el punzón, la cual es bastante amplia. Donde la deformación es uniforme.

Luego se origina una zona de aspecto rectangular, donde se concentran las deformaciones mas

grandes. Esta zona es bastante amplia y se ubica en el centro de la probeta, luego cuando se

acerca el fallo de la chapa esta zona se localiza y toma una forma alargada justo en el centro de

la chapa.

En la tabla 3.5, se presentan los valores de deformaciones en el plano de la chapa obtenidos en

cada ensayo realizado para este camino de deformación, como observamos el β cuando ocurre

la estricción es menor que el de fractura.

ɸ 100mm, cercana a deformación plana

Deformación de

Fractura

Deformación de

Estricción

ε1(%) ε2(%) β ε1(%) ε2(%) β

Prueba 1 81,05 -8,60 -0,11 45,70 -7,62 -0,17

Prueba 4 77,00 -10,50 -0,14 50,23 -9,27 -0,18

Prueba 5 73,00 -8,60 -0,12 46,00 -7,70 -0,17

Prueba 6 76,33 -9,30 -0,12 47,16 -8,28 -0,18

Promedio 76,85 -9,25 -0,12 47,27 -8,22 -0,17

Desviación 3,30 0,90 0,01 2,07 0,76 0,01

Tabla 3.5. Valores obtenidos en los ensayos tipo Nakajima cercanos a deformación plana.

A continuación en la figura 3.39, se muestra la evolución de las deformaciones principales en

varios puntos suficientemente cerca de la zona de fallo para uno de los ensayos realizado.

Como se aprecia en color rojo, al inicio ocurre un proceso de crecimiento de ambas

deformaciones por igual (estado de deformación equibiaxial), y luego sigue un camino


76

prácticamente lineal y tendiendo a condiciones de deformación plana. Cuando comienza la

inestabilidad plástica este camino deja de ser lineal y comienza a irse a un estado mas aun de

deformación plana justo antes de la fractura como se puede observar en dicha figura.

Figura 3.39. Evolución de deformaciones en un punto cercano a la zona de fallo para � ≌ �0.1.

Para el ensayo con punzón de 100mm de diámetro y camino de deformación β ≌ 1, cuyas

probetas ensayadas se muestran en la figura 3.40, se observó que la concentración de la

deformación, tanto ε�, ε�, como ε� siempre ocurrió alrededor del centro de la probeta y por

ende tanto la estricción como la fractura ocurrieron en una zona cercana a la zona central, como

se puede observar en las diferentes probetas que se muestran en la figura.

En la figura 3.40, también se puede observar tres fotogramas que representan básicamente las

tres fases del proceso de deformación que ocurre durante el ensayo. en ella podemos ver la

variación de la distribución de ε� con el tiempo.

Primero hay una zona circular de máxima deformación que se debe básicamente al efecto de la

curvatura del punzón, esto es así durante casi todo el ensayo, luego existe una concentración

delas deformación ε� en una zona de forma de aro debido a que en esta zona hay un poco mas

de contacto entre el punzón y la chapa lo cual se debe en parte a la forma tan profunda que

adopta la probeta y a la aparición de fricción extra en esa zona y luego aparece una zona de

concentración de deformaciones mucho mas localizada de forma alargada y muy pequeña,

ocurre justo antes del inicio de la estriccion y posterior la fractura de la probeta.


77

Figura 3.40. Probetas cercanas a deformación bi-axial ensayadas en un ensayo tipo Nakajima y

Distribución de la deformación ��.en la chapa.

Cabe reseñar que la norma ISO 12004-2:2008, define una zona en la cual es admisible que

aparezca la estricción y por ende la fractura. La prueba se puede considerar valida si una grieta

aparece a 15 mm o menos desde el centro del domo a la posición de la grieta.

En la tabla 3.6, tenemos los valores obtenidos en cada ensayo realizado para este camino de

deformación. Como observamos el β cuando ocurre la estricción es mayor que el de fractura. Si

nos fijamos bien, el valor promedio esta muy lejos de 1 y esto se debe a que el contacto entre el

punzón y la chapa origina efectos que desfavorecen la obtención de un camino totalmente

biaxial. Para obtener βexperimentales alrededor de 1 se debe hacer un ensayo donde la presión

sobre la chapa la origina un fluido, el cual es conocido como “bulge test”.

ɸ 100mm, biaxial

Deformación de

Fractura

Deformación de

Estricción

ε1(%) ε2(%) β ε1(%) ε2(%) β

Prueba 1 61,30 35,50 0,58 49,58 34,77 0,70

Prueba 2 66,30 40,00 0,60 55,66 39,70 0,71

Prueba 4 66,50 38,20 0,57 57,03 37,59 0,66

Prueba 5 59,00 37,50 0,64 54,12 37,32 0,69

Promedio 63,28 37,80 0,60 54,10 37,35 0,69

Desviación 3,73 1,86 0,03 3,24 2,02 0,02

Tabla 3.6. Valores obtenidos en los ensayos tipo Nakajima cercanos a deformación bi-axial.


78

En la tabla anterior podemos observar valores tanto de fractura como de estricción de las dos

deformaciones principales en el plano de la chapa, así como un valor de la relación de

deformaciones β.

En la figura 3.41 se muestra la evolución de deformaciones principales en varios puntos

suficientemente cerca de la zona de fallo para uno de los ensayos. Como se aprecia en color

rojo, al inicio la evolución sigue el camino de tracción uniaxial durante pocos segundos y

bruscamente hace un giro muy pronunciado y sigue por el camino biaxial. Luego

paulatinamente va cambiando hacia deformación plana al inicio de la estricción, donde se

acelera de manera violenta y casi inmediatamente ocurre la fractura.

.

Figura 3.41. Evolución de deformaciones en un punto cercano a la zona de fallo para � � 1

Todos los ensayos anteriores dieron origen al siguiente FLD en deformaciones para la chapa de

acero de alta resistencia y baja aleación H240LA (figura 3.42). Podemos observar en azul la

línea de fractura (CLCF), la cual como es común en estos aceros es una línea recta y en color

negro observamos la línea de fallo por estricción (CLCE), la cual tiene forma de V.

La parte cercana a la zona equibiaxial se dibuja punteada tanto para la curva CLCE, como para

la curva CLCF, debido a que con los ensayos realizados no es posible determinar qué

mecanismo de fallo se antepone en esa región. Esta es una de las características más


79

importantes de este material. Para los ensayos realizados cercanos al estado equibiaxial las

curvas CLCE y CLCF se juntan mucho. De hecho, en los ensayos realizados con las probetas

totalmente circulares se observó que la estricción apenas se desarrollaba y la fractura ocurría

muy seguida a ésta.

Figura 3.42. Diagrama FLD para la chapa de acero H240LA.

3.5.2 Resultados de los ensayos de estirado con flexión de la chapa de acero

H240LA.

A continuación se describirán aspectos importantes de los ensayos de estirado con flexión

realizados. Se recuerda que los punzones son cilíndricos y que se evaluaron todos en estados

próximos a deformación plana (β ≌ �0.10).

Para el ensayo con punzón cilíndrico de 20mm de diámetro y camino de deformación β ≌

�0.10, aproximadamente, cuyas probetas ensayadas se muestran en la figura 3.43, se observó

que la concentración de las deformaciones, tanto ε�, ε�, como ε� siempre ocurrió a lo largo de

toda la zona de contacto entre el punzón y la probeta, induciendo claramente en esa zona de la

probeta a un gradiente de deformaciones y tensiones a lo largo de la chapa y a través de su

espesor.


80

Figura 3.43. Probetas cercanas a deformación plana ensayadas en un ensayo de estirado con

Flexión y distribución de la deformación ��.en la chapa, con un punzón de ɸ20mm.

En la figura 3.43, también se pueden observar fotogramas que representan básicamente las fases

del proceso de deformación que ocurre durante el ensayo. En ella podemos ver la variación del

campo de deformaciones ε� que hay en la probeta con respecto al tiempo.

Primero la deformación se concentra en una zona alargada y estrecha, mas delgada que el

punzón y sin llegar a los extremos de la probeta, luego la zona se ensancha no tanto como el

diámetro del punzón, pero cubre todo el ancho de la probeta, luego sigue creciendo hasta

obtener el mismo ancho del punzón y comienza a concentrarse en los bordes de la probeta,

despues repentinamente se contrae en una zona del mismo ancho del punzón, pero sin llegar a

los extremos de la probeta y luego muy rápidamente se contrae en lo que va a ser la zona de

falló en el centro de la probeta.

En la tabla 3.7, se presentan los valores de deformaciones en el plano de la chapa obtenidos en

todos los ensayos realizados con este punzón, Como se puede observar los valores obtenidos de

β son menores al comienzo de la estricción que en la fractura

ɸ 20mm

Deformación de

Fractura

Deformación de

Estricción

ε1(%) ε2(%) β ε1(%) ε2(%) β

Prueba 1 82,50 -6,80 -0,08 50,47 -6,96 -0,14

Prueba 2 83,19 -7,30 -0,09 49,88 -7,16 -0,14

Prueba 3 83,00 -8,25 -0,10 54,69 -7,89 -0,14

Promedio 82,90 -7,45 -0,09 51,68 -7,34 -0,14

Desviación 0,36 0,74 0,01 2,62 0,49 0,00

Tabla 3.7. Valores obtenidos en los ensayos de estirado con flexión con un punzón de ɸ20mm.


81

Los resultados de los ensayos de estirado con flexión de los punzones cilíndricos de 12mm y

10mm de diámetro son muy parecidos y se presentaran juntos. Para estos se muestran en la

figura 3.44, se observo que la concentración de las deformaciones, tanto ε�, ε�, como ε�

siempre ocurrió a lo largo de toda la zona de contacto entre el punzón y la probeta, induciendo

claramente a una zona de la probeta a un gradiente de deformaciones y tensiones en el plano de

la chapa y a través de su espesor.


Flexión y mapa de la deformación ��.en la chapa, con un punzón de ɸ12, 10mm.


del proceso de deformación que ocurre durante los ensayos con los punzones cilíndricos de 12 y

10mm de diámetro. En ellas podemos ver la variación del campo de deformaciones ε� que hay

en la probeta con respecto al tiempo, las evoluciones son idénticas a las anteriores.

En la tabla 3.8, se presentan los valores obtenidos en todos los ensayos realizado con estos dos

punzones. Como se pueden observar, los valores obtenidos de β son menores en ambos casos al

comienzo de la estricción que en la fractura.

ɸ 10mm ɸ 12mm

Deformación de Fractura

Deformación de

Estricción Deformación de Fractura

Deformación de

Estricción

ε1(%) ε2(%) β ε1(%) ε2(%) β ε1(%) ε2(%) β ε1(%) ε2(%) β

Prueba 1 81,00 -4,42 -0,05 50,43 -4,73 -0,09 74,79 -6,20 -0,08 49,99 -5,74 -0,11

Prueba 2 83,75 -5,40 -0,06 56,10 -5,83 -0,10 73,63 -4,60 -0,06 51,41 -4,70 -0,09

Prueba 3 78,92 -4,00 -0,05 53,79 -4,01 -0,07 74,00 -5,14 -0,07 51,43 -5,15 -0,10

Prueba 4 79,08 -3,90 -0,05 52,59 -3,9 -0,07 77,66 -4,46 -0,06 48,73 -4,58 -0,09

Prueba 5 82,84 -4,13 -0,05 55,59 -3,97 -0,07 79,39 -4,60 -0,06 50,54 -4,86 -0,10

Promedio 81,12 -4,37 -0,05 53,70 -4,48 -0,08 75,89 -5,00 -0,07 50,42 -5,01 -0,10

Desviación 2,17 0,61 0,01 2,31 0,83 0,01 2,51 0,72 0,01 1,12 0,46 0,01

Tabla 3.8. Valores obtenidos en los ensayos de estirado con flexión con los punzones de

ɸ 12, 10mm.


82

En la tabla anterior podemos observar valores tanto de fractura como de estricción de las dos


deformaciones β.

Para el ensayo con punzón cilíndrico de 5mm de diámetro y camino de deformación β ≌

�0.10, cuyas probetas ensayadas se muestran en la figura 3.45, se observó que la concentración

de las deformaciones, tanto ε�, ε�, como ε� siempre ocurrió a lo largo de toda la zona de

contacto entre el punzón y la probeta, induciendo claramente a una zona de la probeta a un

gradiente de deformaciones y tensiones en el plano de la chapa y a través de su espesor.


Flexión y mapa de la deformación ��.en la chapa, con un punzón de ɸ5mm.


del proceso de deformación que ocurre durante el ensayo. En ella podemos ver la variación del


En la tabla 3.9, se presentan los valores tanto de fractura como de estricción de las dos


deformaciones β, como se puede observar los valores obtenidos de β son menores al comienzo

de la estricción que en la fractura, cabe reseñar que los β en fractura son muy cercanos a los que

se querían alcanzar con esta probeta β ≌ �0.10.


83

ɸ 5mm

Deformación de

Fractura

Deformación de

Estricción

ε1(%) ε2(%) β ε1(%) ε2(%) β

Prueba 1 86,30 -8,40 -0,10 54,54 -8,27 -0,15

Prueba 2 80,00 -5,40 -0,07 51,53 -6,50 -0,13

Prueba 3 87,20 -6,20 -0,07 58,01 -8,08 -0,14

Prueba 4 82,76 -8,10 -0,10 58,28 -7,69 -0,13

Prueba 5 79,00 -9,00 -0,11 55,15 -5,50 -0,10

Promedio 83,05 -7,42 -0,09 55,50 -7,21 -0,13

Desviación 3,66 1,54 0,02 2,78 1,18 0,02

Tabla 3.9. Valores obtenidos en los ensayos de estirado con flexión con el punzón de ɸ 5mm.

Los resultados de los ensayos de estirado con flexión de los punzones cilíndricos de 3mm y

1mm de diámetro son muy parecidos y se presentaran juntos, para los ensayos con punzón

cilíndrico de 3 y 1mm de diámetro y camino de deformación β ≌ �0.10, cuyas probetas

ensayadas se muestran en la figura 3.46, se observó que la concentración de las deformaciones,

tanto ε�, ε�, como ε� siempre ocurrió a lo largo de toda la zona de contacto entre el punzón y la

probeta, induciendo claramente a una zona de la probeta a un gradiente de deformaciones y

tensiones en el plano dela chapa y a través de su espesor.


Flexión y mapa de la deformación ��.en la chapa, con punzones de ɸ 3, 1mm.


84

En la figura 3.46, también se puede observar fotogramas que representan básicamente las faces

del proceso de deformación que ocurre durante el ensayo, en ella podemos ver la variación del


En la tabla 3.10, se presentan los valores tanto de fractura como de estricción de las dos


deformaciones β. Se puede observar los valores obtenidos de β son menores en ambos casos al

comienzo de la estricción que en la fractura.

ɸ 3mm ɸ 1mm

Deformación de

Fractura

Deformación de

Estricción

Deformación de

Fractura

Deformación de

Estricción

ε1(%) ε2(%) β ε1(%) ε2(%) β ε1(%) ε2(%) β ε1(%) ε2(%) β

Prueba 1 82,04 -3,80 -0,05 56,12 -7,63 -0,14 57,40 -3,60 -0,06 44,82 -5,14 -0,11

Prueba 2 82,16 -5,00 -0,06 54,55 -5,24 -0,10 58,50 -3,25 -0,06 50,4 -5,52 -0,11

Prueba 3 85,00 -5,00 -0,06 56,37 -5,80 -0,10 60,00 -3,45 -0,06 46,97 -5,53 -0,12

Prueba 4 80,00 -4,25 -0,05 57,54 -4,5 -0,08

Prueba 5 80,00 -3,90 -0,05 53,77 -3,90 -0,07

Promedio 81,84 -4,39 -0,05 55,67 -5,42 -0,10 58,63 -3,43 -0,06 47,41 -5,40 -0,11

Desviación 2,06 0,58 0,01 1,50 1,43 0,02 1,31 0,18 0,00 2,84 0,22 0,00

Tabla 3.10. Valores obtenidos en los ensayos de estirado con flexión con los punzones de

ɸ 3, 1mm.

En los ensayos de estirado con flexión, como se comentó anteriormente, se realizaron sólo

ensayos para un camino de deformación pero para varios niveles de flexión. El parámetro que

mide el nivel de flexión en la chapa es !"

#. Como se esperaba, los resultados mostraron que a

medida que el radio del punzón se hace más pequeño obtenemos un incremento de las

deformaciones límite en la chapa, lo cual es equivalente a decir que el material en presencia de

mas nivel de flexión, o lo que es lo mismo, un gradiente de tensiones/ deformaciones mas

acusado, (!"

# mas grande) es mas conformable. En la figura 3.47 podemos observar esto.

Podemos ver de azul la línea de fractura estimada, la cual crece a medida que el radio del

punzón disminuye. La misma tendencia pero mas pronunciada. Se observa en la curva de

estricción. El incremento en la deformación límite por estricción es de alrededor de un 10% de

deformación extra al disminuir el diámetro del punzón desde 100mm a 5mm de diámetro. Los

puntos rojos representan los valores promedios de los resultados del ensayo de estirado tipo

Nakajima. Los puntos negros representan los valores promedios en los ensayos de estirado con

flexión.


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En la figura 3.48 podemos ver el FLD en deformaciones originado de los ensayos Nakajima, y

los puntos negros representan el valor promedio obtenido en cada camino de deformación

ensayado. Donde a manera de comparación se han superpuesto los promedios de los valores

obtenidos en los ensayos de estirado con flexión (en colores), para cada punzón. En esta

perspectiva se ve aun mejor el incremento en la conformabilidad de la chapa de acero H240LA.

Figura 3.47. Influencia de la flexión en las deformaciones limites.


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Figura 3.48. Diagrama limite de conformado incluyendo los promedios de los resultados de los

Ensayos de estirado y estirado con flexión para el acero H240LA.

Por último, cabe reseñar que en el punzón de 1 mm debido al poco radio del punzón y a las

propiedades de dureza de la chapa ha ocurrido un fenómeno de indentancion, lo cual hace que

aunque puedan desarrollarse los mismos mecanismos de falló, el estado general del proceso sea

diferente y mucho mas complejo. A través del espesor de la chapa.

3 evaluación de la conformabilidad de la chapa h240la...

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