Desarrollo de la modelización multiescala en agregados policristalinos HCP bajo solicitación mecánica inducida en curso de procesos de conformado : validación experimental en chapas de zinc texturado

Abstract

Las chapas de zinc se caracterizan por tener muy buena maleabilidad y flexibilidad en combinación con una gran terminación superficial, lo que las hace ser ampliamente utilizadas en la industria arquitectónica en partes como techos, revestimientos, canaletas, entre otras, y además son aptas para sitios con climas adversos. Estas propiedades se logran debido a que el zinc es naturalmente resistente a la corrosión, muy duradero y requiere bajo mantenimiento. Es la adición de cobre y titanio como aleantes lo que conduce a un material con óptimas características mecánicas y físicas, principalmente en cuanto a resistencia mecánica y creep, cualidades muy apreciadas para aplicaciones en la construcción. Las chapas son producidas por colada continua seguida por laminado desde unas dimensiones iniciales de 1 m de ancho y 10 a 20 mm de espesor hasta las dimensiones finales deseadas. La presente tesis doctoral aborda el estudio numérico y experimental de la formabilidad de chapas de zinc texturado. El diagrama límite de conformado del material se determina experimentalmente mediante ensayos de laboratorio y sus resultados son predichos mediante un modelado en dos escalas. El comportamiento anisótropo del material, producto de la textura cristalográfica y la microestructura se obtiene a través de un modelo viscoplástico autoconsistente de plasticidad policristalino de base micromecánica. En conjunción con un criterio de inestabilidad plástica de Marciniak-Kuczynski, fundado en la presencia de una imperfección inicial en el material, se modeliza el comportamiento límite de zinc bajo solicitaciones de tipo tracción-compresión, deformación plana y expansión biaxial en el plano de la chapa. El carácter altamente anisótropo de la formabilidad del material es cualitativamente predicho por la modelización. Se extiende el análisis mediante el diagrama límite de conformado, el cual abarca caminos de deformación lineales, basado en expansión biaxial equilibrada seguido de una tracción uniaxial, encontrando un incremento significante de la deformación límite del material, y una menor sensibilidad a la desorientación inicial de los ejes de anisotropía y los ejes principales de la solicitación. Un énfasis especial adquiere la anisotropía exhibida por el material, producto de la textura cristalográfica y la microestructura. Se investiga la textura inducida mediante diversos procesos típicos de conformado mediante técnicas experimentales, contrastando los resultados con la predicción del modelo policristalino. El buen acuerdo cualitativo entre los experimentos y las predicciones del modelo indica que la base física del modelo es acorde para este material. Se estudia el desarrollo de la localización en ensayos de tracción uniaxial mediante el seguimiento in-situ del campo de deformaciones sobre el plano de la chapa, y a través de cartografías mediante difracción de electrones retrodifundidos de muestras deformadas. El desarrollo de un campo heterogéneo de deformaciones se hace evidente desde etapas tempranas de los ensayos, y generalmente antes del máximo en las curvas de carga. La localización de la deformación se caracteriza por el desarrollo de múltiples bandas, y una estricción final única.

Zinc sheets are characterized by their good malleability and flexibility combined with an excellent surface aspect. They are greatly used in the building industry as part of facades, roofing, rainwater systems and accessories, independently of the weather conditions. They are widely chosen for this type of uses because it is a naturally corrosion resistant, durable and low cost maintenance material. When alloyed with copper and titanium, mechanical and physical properties as mechanical strength and creep resistance are optimal for their use in the building industry. Sheets are produced by continuous casting followed by rolling from slabs 1 m wide and 10 to 20 mm thick to the required dimensions of the sheet. This thesis addresses the numerical and experimental study of the formability of textured zinc sheets. The forming limit diagram of the material is experimentally determined by means of laboratory tests and their results are predicted by a two scale model. On one side, the anisotropic behavior of the material, as a consequence of crystallographic texture and microstructure, is reproduced with a micromechanically based polycrystalline model, called viscoplastic self-consistent. On the other side, the limit strains of the zinc sheets are predicted for tension-compression, plane strain and biaxial expansion deformation conditions, with the help of the Marciniak-Kuczynski plastic instability criterion, which assumes the pre-existence of an initial materials’ imperfection that leads to localized necking. The high anisotropy exhibited by the material is qualitatively predicted by the model. The forming limit diagram analysis, which involves linear strain paths, is extended for a strain path involving equibiaxial expansion followed by uniaxial tension, finding a significant increase in the limit strains of the material and less sensibility to the initial angle between anisotropy and principal strains axes. A notorious emphasis is set on the anisotropy shown by the material, especially in terms of crystallographic texture and microstructure evolution. The texture induced by different typical forming operations is investigated through experimental techniques, and their results are compared to those predicted by the polycrystal model. The good qualitative agreement between experimental and theoretical results is an indicator that the physical basis of the polycrystal model is well suited for this material. The development of strain localization on uniaxial tension tests is studied by means of an in-situ following of the strain fields in the plane of the sheet, aided by electron backscatter diffraction measurements of deformed samples. The development of a heterogeneous field of strain distribution is evident from early stages of the tests, and is generally observed before the maximum of the true stress-true strain curve is reached. Strain localization is characterized by the development of multiple bands of localized strain, with one of them finally necking.