A conformabilidade dos materiais metálicos é a sua capacidade de sofrer deformações plásticas sem apresentar defeitos como fratura, enrugamento ou afinamento excessivo, os quais limitam a qualidade e a viabilidade dos produtos estampados. Para avaliar essa característica, a Curva Limite de Conformação (CLC) é amplamente usada, representando por pares de deformações principais os limites de conformação sob diferentes estados de tensão. Essa metodologia evoluiu com melhorias nas técnicas de medição e nos equipamentos usados para simular condições reais de estampagem ^(1,2,3,4). O método de Keeler, baseado no estiramento com punções esféricos, explora principalmente o lado direito da CLC (tração-tração), enquanto Goodwin ampliou a análise para o lado esquerdo da curva (tração-compressão), representando condições típicas de embutimento. Nakazima aperfeiçoou o procedimento ao usar corpos de prova retangulares com diferentes larguras e punção hemisférico, cobrindo todo o domínio de deformações. Já Hasek, introduziu entalhes laterais nos corpos de prova para evitar o enrugamento indesejado, concentrando as deformações na região central das amostras, o que tornou os ensaios mais representativos e confiáveis ^(1,5,6). 

 

Curva Limite de Conformação (CLC) 

 A Curva Limite de Conformação (CLC) é um critério de falha amplamente usado para prever o comportamento de chapas metálicas durante a estampagem, delimitando a fronteira entre deformações seguras e aquelas que levam à estricção ou ruptura do material. Representada por um diagrama que correlaciona as deformações principais máxima e mínima, a CLC permite identificar os limites de conformação para diferentes modos de deformação plástica, tais como estiramento, deformação plana, tração uniaxial, embutimento profundo e compressão uniaxial (figura 1) ^{(7, 8, 9)}. Deformações abaixo da curva indicam condições seguras, e acima representam risco de falha. 

 

Fig. 1 – Curva Limite de Conformação e os seus respectivos modos de deformação. Fonte: ⁽¹⁰⁾. 

 

O ensaio de Nakazima ⁽⁵⁾ é o mais usado para determinar os limites de deformação de chapas metálicas, abrangendo tanto estiramento quanto embutimento. Nele, amostras com larguras variadas são estiradas até a ruptura por um punção hemisférico de 100 mm, enquanto permanecem fixadas entre a matriz e o prensa-chapa. A construção da CLC se dá pela medição das deformações máximas e mínimas próximas à estricção, com base na análise de marcas circulares ou quadradas impressas previamente na superfície do material^(11,12). 

Aprimoramentos no ensaio de Nakazima incluíram o uso de corpos de prova retangulares entalhados (figura 3), o que concentra a estricção na região central e intensifica a deformação na largura. A variação da largura útil da amostra altera o modo de deformação. Larguras menores promovem embutimento profundo, enquanto larguras maiores resultam em estiramento biaxial. Com o aumento gradual da largura, o modo de deformação transita por embutimento, tração uniaxial, deformação plana e estiramento até atingir o regime biaxial ⁽¹³⁾. 

 

Fig. 2 – Representação do ensaio Nakazima. Fonte: ⁽¹¹⁾

 

Fig. 3 – Formato e dimensões das amostras para o ensaio Nakazima modificado. Fonte: Netto (2004). 

 

Modos de deformação na estampagem 

A Curva Limite de Conformação (CLC) identifica os principais modos de deformação plástica em chapas metálicas, tais como estiramento biaxial, deformação plana, tração uniaxial, embutimento e compressão uniaxial. No estiramento biaxial (figura 4), ambas as tensões principais atuam em tração com igual intensidade, provocando a expansão dos círculos impressos na chapa. Esse modo ocorre, geralmente, próximo à cabeça do punção, e é associado ao afinamento da chapa e influenciado por fatores como a força do prensa chapa, o raio do punção e o raio de entrada da matriz ^(14,15,16). 

 

 

Fig. 4 – Modo de deformação biaxial. Fonte: ⁽¹⁵⁾. 

 

O estágio de deformação plana (figura 5) ocorre tipicamente nas paredes da peça durante a estampagem, sendo caracterizado por tensões trativas na direção radial e tensões nulas na direção circunferencial. Neste caso, os círculos impressos se transformam em elipses alongadas, mantendo inalterada a largura. Essa deformação resulta da restrição ao deslizamento do material, causada pelo atrito e pela força do prensa-chapa. Na CLC, esse modo apresenta o menor limite de estampabilidade entre os diferentes estados de deformação^(15,16,17).

 

Fig. 5 – Modo de deformação plana. Fonte: ⁽¹⁵⁾. 

 

O modo de deformação por tração uniaxial ocorre na transição entre a deformação plana e o embutimento, sendo típico em ensaios de tração. Caracteriza-se por tensões trativas atuando apenas na direção longitudinal, resultando na elongação do material e na redução de sua área transversal. Também pode ocorrer durante a expansão de furos, quando uma borda livre da chapa é esticada (figura 6). O embutimento, ou cisalhamento puro, é considerado o modo ideal de deformação plástica, caracterizado por tensões trativas na direção radial e compressivas na direção circunferencial. Ocorre principalmente na região do flange, onde a compensação entre as tensões mantém constante a espessura da chapa durante o deslizamento para o interior da matriz. Como não há deformações ao longo da espessura e as tensões principais são relativamente baixas (cerca de 58% da tensão de escoamento), o risco de ruptura nessa região é praticamente inexistente ^{(14,15,16,17)}. 

 

Fig. 6 – Modo de deformação por tração uniaxial. Fonte: ⁽¹⁵⁾.

A deformação por compressão uniaxial ocorre na borda externa do flange, onde tensões compressivas circunferenciais predominam sobre as tensões trativas radiais. Essa condição provoca o aumento pontual da espessura do material na extremidade do flange (figura 8), diminuindo o contato com o prensa chapa e favorecendo o surgimento de rugas. Nessa configuração severa, não há desenvolvimento de tensões principais máximas, enquanto as tensões mínimas atingem o valor da tensão de escoamento ^(15,16,17). 

 

Fig. 7 – Modo de deformação de embutimento profundo ou cisalhamento puro. Fonte: ⁽¹⁵⁾. 

Fig. 8 – Modo de deformação por compressão uniaxial. Fonte: ⁽¹⁵⁾. 

 

Fig. 9 – Ilustração do processo de gravação por corrosão eletroquímica. 

 

Materiais e métodos 

Construção da Curva Limite de Conformação (CLC) 

Para a construção das CLCs do aço inoxidável AISI 304, foi usado o ensaio de Nakazima modificado, com ferramentas e corpos de prova em conformidade com a norma ISO 12004:2008. Foram testadas oito amostras com espessura de 1 mm e larguras úteis variáveis, a fim de induzir diferentes modos de deformação plástica e determinar os respectivos limites de conformação do material. As superfícies das amostras foram marcadas com uma malha de círculos de 2,5 mm por corrosão eletroquímica, técnica conhecida como viscoplasticidade. O processo envolve uma fonte de 12V, cabeçote de carbono coberto com feltro embebido em eletrólito e uma tela de Nylon com o padrão da grade. A corrente elétrica, ao passar pela tela e pela chapa conectadas aos pólos da fonte, provoca a corrosão localizada no formato dos círculos, viabilizando a posterior medição das deformações. 

Após a gravação da malha de círculos, o ensaio de Nakazima modificado foi realizado na máquina EMIC do LdTM/UFRGS (figura 10), com as amostras fixadas entre matriz e prensa chapa sob alta força, impedindo seu deslizamento. O punção deslocou-se a 1,5 mm/s conforme a norma ISO 12004:2008, promovendo o estiramento do material. Três lubrificantes foram testados no contato entre chapa e ferramentas (Draw 58 GS, Neutron Super Corte 1123-21S e Flash Stamp 140), com três ensaios para cada combinação de amostra e lubrificante, totalizando 72 ensaios. As deformações principais são aferidas a partir da deformação plástica dos círculos gravados nas superfícies dos corpos de prova que, posteriormente ao ensaio de Nakazima, se tornam elipses (figura 11). Pela variação do seu diâmetro inicial (d0 ) é possível determinar as deformações principais máxima (φ1 ) e mínima (φ2 ) nos pontos lindeiros à zona de estricção (15). As deformações principais φ1 e o φ2 são calculadas pelas equações 1 e 2 (13). 

Fig. 10 – Representação do ensaio Nakazima modificado executado na EMIC. 

 

Fig. 11 – Medição das deformações principais através da técnica de visicoplasticidade. Fonte: ⁽¹⁵⁾ 

Os ensaios foram finalizados assim que foi observada uma estricção localizada nas amostras (figura 12). Devem ser medidas duas elipses para cada tipo de amostra, uma de cada lado da estricção. A elipse medida deve ser a mais próxima da estricção, desde que esteja completa, ou seja, que tenha mantido a integridade da sua linha de contorno. A medição das deformações foi realizada com uma régua flexível e transparente, graduada com deformações verdadeiras (φ) para a grade de 2,5 mm (figura 13). Sua flexibilidade permite o ajuste ao formato das amostras deformadas, possibilitando a leitura direta das deformações principais máxima e mínima, identificadas quando as linhas da régua coincidem com os eixos da elipse formada (13). 

 

 

Fig. 12 – Representação das amostras após o ensaio Nakazima modificado. 

 

Fig. 13 – Régua transparente e flexível utilizada para medir as deformações. Fonte: Netto (2004). 

 

Estampagem da coluna B 

O componente em estudo assemelha-se à coluna “B” de um automóvel em menor escala (figura 14). A geratriz apresenta, inicialmente, uma espessura de 1 mm. Os ensaios de estampagem da coluna B foram realizados em temperatura ambiente, usando uma prensa hidráulica de duplo efeito (Dan Presse) com velocidade de 19,5 mm/s, capacidade de 178 kN no cilindro principal e 53 kN no inferior, no LdTM/UFRGS (figura 15). As ferramentas, feitas em aço H13, passaram por usinagem, polimento e têmpera para endurecimento superficial. O embutimento do componente em aço inoxidável AISI 304 foi conduzido em três condições distintas, variando os tipos de lubrificantes, com pressão constante do prensa-chapa de 50 bar (5 MPa) em todos os ensaios (figura 15). Nos processos de embutimento, a chapa metálica está sujeita a diferentes modos de deformação plástica. As deformações principais podem ser mensuradas pela deformação das elipses impressas na superfície externa da peça final, com o intuito de avaliar, graficamente, o comportamento das deformações principais φ1 , φ2 e φ3 nos pontos identificados (figura 16). 

 

Fig. 14 – Protótipo da coluna B, em escala reduzida. 

Fig. 15 – Desenho esquemático do processo de estampagem analisado.

Fig. 16 – Locais onde foram medidas as deformações principais φ1 , φ2 . 

 

 

Simulação numérica da coluna B 

O software usado no estudo foi o QFORM, comercializado no Brasil pela SIXPRO. As simulações numéricas dos processos de estampagem foram conduzidas pelo Método de Análise por Elementos Finitos (FEM) e, devido à geometria da peça, foram realizadas em 3D (figura 17). As propriedades mecânicas informadas ao software estão na Para inserir os dados relativos às CLCs plotadas para os três lubrificantes usados nas operações de embutimento (Draw 58 GS, Neutron Super Corte 1123-21S e Flash Stamp 140), foi necessário inserir cada ponto obtido de cada curva no software QFORM.

 

Fig. 17 – Modelo numérico do processo de estampagem.

 

Resultados e discussões

Construção da Curva Limite de Conformação (CLC) 

Na figura 18 podem ser observadas as CLCs do aço inoxidável AISI 304 para cada lubrificante usado durante o ensaio de Nakazima modificado, as quais correspondem às linhas de tendência dos pares de deformações principais máximas (φ1) e mínimas (φ2) aferidos e, posteriormente, plotados no software MS Excel. 

 

Fig. 18 – Curvas CLC’s do aço inoxidável AISI 304 para cada tipo de lubrificante. Fonte: (20). 

 

Ensaios experimentais do embutimento e simulação computacional 

Os pares de deformações principais máximas (φ1 ) e mínimas (φ2 ), medidos em diferentes pontos da peça, foram inseridos nas CLCs de cada lubrificante, sendo esses gráficos gerados no software MS Excel (figuras 19, 20 e 21). A comparação entre as CLCs obtidas experimentalmente e os resultados da simulação no software QFORM revela forte concordância quanto ao comportamento do aço inoxidável AISI 304 durante a estampagem da coluna B. Conforme foi evidenciado, em ambas as abordagens observou-se que em determinadas regiões da peça os pares de deformações principais ultrapassaram os limites seguros definidos pelas curvas CLC, mesmo com a variação dos lubrificantes usados (figura 23). O QFORM, além de plotar as deformações principais em pontos específicos da superfície externa, previu com precisão as zonas de falha identificadas nos ensaios experimentais, validando a fidelidade do modelo numérico e das propriedades mecânicas inseridas no software para descrever o comportamento plástico do material. 

 

Fig. 19 – Resultado da CLC com as deformações φ1 e φ2 medidas após os ensaios experimentais de estampagem com o lubrificante Draw 58 GS. 

Fig. 20 – Resultado da CLC com as deformações φ1 e φ2 medidas após os ensaios experimentais de estampagem com o lubrificante Neutron Super Corte 1123-21S. 

Fig. 21 – Resultado da CLC com as deformações φ1 e φ2 medidas após os ensaios experimentais de estampagem com o lubrificante Flash Stamp 140. 

Fig. 22 – Componente final estampado experimental (esquerda) e simulação computacional componentes (direita). 

 

Conclusão 

As Curvas Limite de Conformação (CLC) são fundamentais para prever os limites de deformação que os materiais podem suportar sem falhar, servindo como referência no projeto de peças estampadas. Embora softwares comerciais consigam estimar essas curvas com base em propriedades mecânicas do material, eles ainda apresentam limitações quanto à influência do atrito e dos lubrificantes, frequentemente tratados como variáveis constantes. Entretanto, os resultados experimentais indicam que a variação do lubrificante impacta significativamente a estampabilidade, com o Draw 58 GS proporcionando as melhores condições, elevando a CLC em até 30% em relação aos demais. A análise demonstrou que deformações acima da CLC levaram à ruptura do aço inoxidável AISI 304, o que foi validado por simulações computacionais. O estudo confirma a importância da simulação numérica na previsão do comportamento mecânico das chapas durante o embutimento, desde que calibrada com ensaios experimentais precisos. Essa abordagem permite às indústrias otimizar os parâmetros do processo e reduzir falhas, minimizando desperdícios e abandonando práticas baseadas em tentativa e erro. 

 

Agradecimentos 

Os autores agradecem à Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS) pela disponibilização de sua infraestrutura para a realização dos ensaios experimentais, bem como ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) pela concessão de bolsas que fomentam o desenvolvimento de pesquisas científicas nacionais, através dos Processos 309188/2021-0 e 446930/2023-7. 

 

Referências 

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8) Uthaisangsuk, V. et al. Experimental and numerical failure criterion for formability prediction in sheet metal forming. Computational Materials Science, v. 43, p. 43-50, 2008.  

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