Aplicación de criterios de conformabilidad en productos planos de aceros de alta resistencia

Abstract

La conformabilidad de chapas metálicas suele evaluarse mediante los diagramas FLD (Forming Limit Diagrams), que informan sobre el límite de conformado de un material representado por la curva FLC (Forming Limit Curve). Estos diagramas y curvas han sido empleados durante años para estudiar la conformabilidad de un material y como criterio de fallo en la simulación por elementos finitos del conformado de componentes estructurales. La aparición de nuevos aceros con mayores prestaciones, como son los aceros AHSS (Advanced High Strength Steels), ha evidenciado las carencias de dichas curvas, debido principalmente a que son dependientes de los caminos de deformación. Por tanto, en los procesos de conformado donde existen procesos multietapas, dichas curvas no definen correctamente la conformabilidad del mismo. Para afrontar este problema, surgieron los diagramas basados en las tensiones principales FLSD (Forming Limit Stress Diagrams) y su respectiva curva límite FLSC (Forming Limit Stress Curve) que son menos sensibles a los caminos de deformación. El objetivo de la tesis es estudiar y proponer diferentes criterios de conformabilidad en productos planos (chapa metálica) de aceros de alta de resistencia que permita ser utilizado con criterio de fallo en las simulaciones por elementos finitos. Para alcanzar dicho objetivo la tesis se divide en tres bloques principales, un primer bloque dedicado a la caracterización mecánica (utilización de ensayos de tracción y compresión) y microestructural (determinación cualitativa y cuantitativa de las fases presentes). Un segundo bloque dedicado al estudio de las curvas FLC obtenidas de los ensayos de estirado Nakajima y Marciniak, donde se reflejan las diferencias de los caminos de deformación en los aceros AHSS y la diferencia según el método de cálculo para determinar el inicio de la estricción localizada. De aquí que se determinen las curvas FLC con criterio a rotura FLCF (Forming Limit Curve at Fracture) donde no se utiliza ninguna aproximación matemática para su cálculo. A partir de las curvas FLC experimentales, las leyes de endurecimiento obtenidas de los ensayos de tracción o compresión y la simulación por elementos finitos, se han determinado las curvas FLSC de los diferentes aceros estudiados. En el tercer bloque se han validado los diferentes criterios de conformabilidad mediante diferentes ensayos de conformado y la simulación por elementos finitos. Se ha utilizado el ensayo de embutición profunda para calcular el LDR (Limiting Drawing Ratio) y se ha conformado una pieza tipo montante abierto. A partir de los datos experimentales y los resultados de la simulación por elementos finitos aplicando los diferentes criterios de fallo estudiados se han verificado los criterios de conformabilidad. Para concluir, se ha estudiado la capacidad de los AHSS al ensanchamiento de orificios o abocardabilidad, definido en inglés como flangeability o stretch-flangeability. A diferencia de los aceros convencionales, se ha constatado que en un cierto rango de resistencia mecánica (800-1200 MPa), los aceros AHSS con mayor resistencia poseen una mejor abocardabilidad. Esto ha generado algunas dudas entre diferentes autores, debido a que la abocardabilidad estaba relacionada con la ductilidad y conformabilidad del material, es decir, mejores propiedades de abocardabilidad se obtenían con materiales más dúctiles y de menor resistencia. En esta sección, para explicar esta divergencia se ha utilizado el trabajo esencial de fractura (Essential Work of Fracture, EWF) que da información de la tenacidad a fractura de las chapas y de la energía necesaria para propagar una grieta. Se ha constatado que en aceros AHSS, a mayor resistencia mecánica, la energía para propagar una grieta aumenta, es decir, su valor de EWF, y que también se obtiene una mejor abocardabilidad.

The formability of sheet metals is widely described using the FLD (Forming Limit Diagram) and FLCs (Forming Limit Curves). These diagrams and curves have been used, during recent years, to study the formability of sheet metals and as a failure criterion for finite element simulations of some forming processes of structural components. The emergence of higher performance steels, such as AHSS (Advanced High Strength Steels), has demonstrated the shortcomings of these curves, mainly because they are path dependent. Therefore, in multistep forming processes, such curves do not properly define the formability of sheet metals. To address this problem, the diagrams based on the principal stresses FLSD (Forming Limit Stress Diagrams) and the corresponding limit curve FLSC (Forming Limit Stress Curve) are used, because they are less sensitive to changes in strain paths. The aim of this thesis is to study and propose different formability criteria for flat products (sheet metal) of high strength steel that allow their use as a failure criterion in finite element simulations. To achieve this objective, the thesis is divided into three main blocks; a first section isdevoted to the mechanical characterization (using tensile and compression tests) and microstructural characterization (qualitative and quantitative determination of the current phases). The second section is dedicated to the study of FLC obtained by Nakajima and Marciniak stretch-forming tests, which reflect the differences in the strain paths for AHSS and also, the differences according to the mathematical method used to determine the onset of localized necking. Here, the forming limit has been calculated at fracture FLCF (Forming Limit Curve at Fracture) where there is no mathematical approach for their determination. For the stress criteria, FLSC of different steels have been determined using the FLC experimental curves, the hardening laws were obtained from tensile or compression tests and finite element simulations. In the third part the different formability criteria were validated using different forming process and finite element simulations. The deep drawing test and their LDR (Limiting Drawing Ratio) value and a specific workpiece were used to validate the different formability criteria. To conclude, the flangeability of AHSS has been studied. Unlike conventional steels, better flangeability can be achieved in AHSS at a certain stress range (800-1200 MPa), which also increases its mechanical properties. This has led to a disscussion among different authors, because the flangeability had been associated to the ductility and formability of the material. The belief was that a better flangeability was reached with more ductile materials and lower mechanical strength. In this third section, the Essential Work of Fracture (EWF) has been used to explain the apparent contradiction. The EWF can be considered a measure of the crack propagation resistance and is a methodology to evaluate fracture toughness in sheet metals. In AHSS, the higher mechanical properties, the better was the ability to produce a flange, and the higher was the resistance to propagate a crack, thus a connection between EWF and flangeability is presented.