Formability of Automotive H240LA Steel Sheets in Stretch-Bending

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1 Formability of Automotive H240LA Steel Sheets in Stretch-Bending L. H. Martínez-Palmeth (1), A. J. Martínez-Donaire, C. Vallellano, G. Centeno, F. J. García-Lomas. (1) Departamento de Ingeniería Mecánica y de los Materiales, Escuela Técnica Superior de Ingeniería, Universidad de Sevilla, Camino de los descubrimientos, Sevilla (España), (1) lmartinez9@us.es RESUMEN En este artículo se realiza un estudio experimental del efecto del radio del punzón en la conformabilidad de chapas de acero H240LA (HSLA) de 1.2mm de espesor, cuyo uso es extensivo en la industria de la automoción. Para ello, se han realizado ensayos de tracción, estirado y estirado con flexión empleando punzones cilíndricos de diferentes radios. El objetivo principal consiste en caracterizar la conformabilidad de la chapa y analizar la influencia del gradiente de deformación en el fallo de la misma. Se han evaluado las deformaciones límite al comienzo de la estricción mediante una metodología propia dependiente del tiempo, la cual es aplicable a ensayos de estirado y estirado con flexión. Los resultados indican que a medida que se aumenta la flexión en el proceso de estirado, es decir, cuando el cociente t 0 /R decrece, las deformaciones límite alcanzadas al inicio de la estricción son mayores. Por otro lado, también se han obtenido las deformaciones límite de fractura del material en todos los casos ensayados, empleando tanto un sistema de medición óptico de deformaciones como midiendo los espesores de las probetas tras la fractura. Palabras clave: Sheet metal forming; H240LA; Stretch-Bending; Necking; Ductile Fracture. ABSTRACT The present work discusses the effect of the punch radius on the formability of H240LA steel sheets of 1.2mm thickness. A series of hemispherical punch tests (Nakazima tests) and stretch-bending tests with cylindrical punches of different diameters have been carried out in order to characterize the influence of the strain gradient in the sheet failure. The limit strains at necking have been obtained using a recently proposed time-dependent methodology, which is applicable not only in conventional Marciniak and Nakazima tests, but also in situations with a severe strain gradient through the sheet thickness. The results show that formability of H240LA steel sheets increases as the t 0 /R ratio decreases. On the other hand, the limit strains at fracture have been also evaluated in both series of tests, using both an optical deformation measurement system and measuring the thicknesses of the fracture specimens. Keywords: Sheet metal forming; H240LA; Stretch-Bending; Necking; Ductile Fracture. 1. Introducción Desde la década de los 80 se han mejorado continuamente los materiales empleados en la fabricación de los automóviles. Este cambio ha sido notorio en la estructura o cuerpo del vehículo, donde se han sustituido las habituales chapas de acero al bajo carbono por aceros de alta resistencia (HSS) y más actualmente por los aceros avanzados de alta resistencia (AHSS), con el fin de reducir el peso total del vehículo e incrementar su seguridad. Esto ha generado la necesidad de predecir con precisión el comportamiento de estos nuevos aceros bajo diferentes procesos de conformado plástico. Históricamente para el análisis de los procesos de conformado plástico se ha utilizado el diagrama límite de conformado (Forming Limit Diagram, FLD), el cual cuantifica las deformaciones límite que han de alcanzarse en la chapa para que se produzca el fallo, por estricción o por fractura dúctil, bajo diferentes estados de deformaciones. La determinación experimental del FLD se realiza mediante ensayos

2 Marciniak ó Nakazima, en los cuales se emplean punzones planos ó con un radio de curvatura generoso, respectivamente. Sin embargo, los punzones de forma que se emplean normalmente en los procesos reales poseen radios pequeños que inducen flexión en el proceso de conformado y ocasionan un gradiente de deformaciones a través del espesor de la chapa. Dicho gradiente presenta un cierto efecto beneficioso en la conformabilidad de la chapa [1,2]. En el presente trabajo se realiza un estudio experimental sobre la conformabilidad de la chapa de acero H240LA de 1.2mm de espesor y la influencia que tiene la flexión sobre ésta. Para ello se obtienen las deformaciones límite de estricción y de fractura de la chapa bajo diferentes estados de deformaciones, y para distintos niveles de severidad del gradiente de deformaciones a través del espesor de la misma. Para obtener una caracterización mecánica completa del material también se han realizado ensayos de tracción uniaxial, en los cuales se han evaluado los coeficientes de anisotropía plástica (r x ) de la chapa. 2. Experimentación A continuación se describe la metodología experimental empleada en el presente trabajo. 2.1 Material El material a caracterizar es un acero de alta resistencia y baja aleación (HSLA) con denominación H240LA. Su composición química se muestra en la Tabla 1. El material se aprovisionó en chapas rectangulares de dimensiones 1200x525x1.20mm sin tratamiento térmico después de la laminación en frío. Tabla 1. Composición química de las chapas de acero H240LA. C (%) Mn (%) Si (%) P (%) S (%) Al (%) Nb (%) Ti (%) Ensayos de tracción uniaxial y anisotropía plástica Las chapas fueron mecanizadas con dos geometrías diferentes, una para realizar los ensayos de tracción y otra para la caracterización de la anisotropía plástica de la chapa [3,4]. Se utilizaron probetas con diferentes orientaciones, en la dirección de laminación (0º), perpendicular a ésta (90º) e inclinadas (45º), como se indica en la Figura 1(a). Las superficies de las probetas se prepararon para ser procesadas mediante la técnica de correlación de imágenes digitales (Digital Image Correlation, DIC), la cual se detallará posteriormente. La figura 1(b) muestra el patrón moteado de pintura blanca y negra generado sobre la probeta para tal fin. Transversales Inclinadas Longitudinal Dirección de Laminación Figura 1.Probetas: (a) orientación de corte y (b) geometría y preparación superficial En la Tabla 2 se muestran los valores medios de las principales propiedades mecánicas obtenidas en las tres direcciones descritas anteriormente. Para obtener dicho promedio se emplearon al menos 3 ensayos válidos en cada dirección. Dirección del Corte Tabla 2. Propiedades mecánicas a tracción de la chapa H240LA. Límite de Fluencia (MPa) Resistencia a la Tensión (MPa) Elongación a la Rotura (%, l o =50mm) Coeficientes de Anisotropía Plástica Longitudinal (0º) Inclinada (45º) Transversal (90º) Promedio

3 Se analizó la variación de los coeficientes de anisotropía plástica (r x ) con respecto al nivel de deformación ingenieril al que fueron evaluados. Se emplearon tres niveles de deformación ingenieril: uno mucho antes de la aparición de la estricción (14%), otro en torno al valor de inicio de la estricción localizada (18%) y otro un poco después de la misma (22%). Como se aprecia en la Figura 2, dichos coeficientes no varían sustancialmente con el nivel de deformación ingenieril al cual se evalúan. Esto justifica la asunción de que r x es constante a lo largo de un proceso de conformado plástico para algunos aceros [5], y en particular para las chapas de H240LA aquí analizadas. Figura 2.Dependencia de r x con respecto al nivel de deformación ingenieril 2.2 Ensayos de estirado y estirado con flexión Se efectuaron una serie de ensayos de estirado (tipo Nakazima) a fin de obtener el FLD del material. En la Figura 3(a) se muestra un esquema del montaje experimental empleado para ello. Para obtener el diagrama límite de conformado completo fue necesario evaluar cuatro caminos de deformación diferentes. Como se puede observar en la Figura 3(b), se varió la geometría de las probetas para conseguir caminos de deformación cercanos a un estado equi-biaxial ( β 1 ), biaxial ( β 0.3 ), de deformación plana ( β 0.1 ) y tracción uniaxial ( β 0.5 ) (respectivamente de izqda. a dcha. en la Figura 3(b)). El parámetro β se define como la relación entre la deformación principal máxima y mínima en el plano de la chapa ( β = ε2 / ε1) en procesos de carga proporcional. (a) Figura 3. (a)esquema del montaje experimental en ensayos Nakazima y (b) geometría de las probetas (b) En los ensayos de estirado con flexión se utilizaron punzones cilíndricos de diferentes diámetros (φ20mm, φ10mm, φ5mm, φ3mm, φ1mm) a fin de inducir distintos niveles de flexión en el material y un gradiente de deformaciones a través del espesor de la chapa. Dicho nivel de flexión se puede cuantificar

4 mediante la relación entre el espesor inicial de la chapa y el radio del punzón ( t 0 / R ) [6]. En la Figura 4 (a y b) se muestra el esquema del montaje experimental para este tipo de ensayos y los diferentes punzones cilíndricos utilizados. Cabe reseñar que en este tipo de ensayos se ha utilizado una única geometría de probeta, la cual genera un estado de deformaciones cercano a deformación plana ( β 0.1 ). (a) Figura 4. (a) Esquema del montaje experimental en ensayos de estirado con flexión y (b) punzones cilíndricos utilizados (b) Ambas series de experimentos se realizaron en una máquina de ensayos universal ERICHSEN , siguiendo las recomendaciones de la normativa ISO :2008 [7]. Se utilizó vaselina + PTFE + vaselina como sistema de lubricación entre el punzón y la chapa. La velocidad del punzón durante los ensayos fue de 1 mm/s y la fuerza de sujeción del prensa-chapas se fijó en 90KN para evitar que la chapa resbalase durante el ensayo. Como se puede observar en la Figura 5, las probetas fueron preparadas con un patrón estocástico realizado con pintura blanca y negra, el cual permitió usar las técnicas DIC para la obtención del campo de desplazamientos y deformaciones de la chapa. En particular se empleó el software comercial ARAMIS para evaluar la historia de deformaciones en la superficie exterior de la misma. A partir de dicha información se pudieron estimar las deformaciones límite de estricción y de fractura del material. La captura de imágenes durante el ensayo se realizó mediante dos cámaras CCD a razón de 12 fotogramas por segundo. Figura 5.Parámetros para aplicar la técnica DIC La aplicación de la técnica de DIC requiere la definición de dos parámetros importantes, el tamaño de faceta y el solapamiento de éstas (Figura 5). Se hizo un estudio de convergencia para elegir los valores óptimos de ambos parámetros, sobre todo para los ensayos de estirado con flexión en los que existe un fuerte gradiente a lo largo de la superficie de la chapa. Como era de esperar, a medida que el radio del punzón se hace más pequeño es necesario reducir el tamaño de faceta y aumentar el solapamiento.

5 3. Resultados y discusión A continuación se presentan los resultados obtenidos en los ensayos de estirado y estirado con flexión, los cuales permiten caracterizar la conformabilidad de la chapa de acero H240LA. 3.1 Ensayos de estirado En la Figura 6 se representa el diagrama límite de conformado del material analizado, el cual caracteriza la conformabilidad de éste bajo diferentes estados de deformaciones. Los resultados mostrados corresponden, por un lado, a las deformaciones límite de estricción (FLC, Forming Limit Curve) en la cara exterior (curva negra), estimadas según la metodología temporal propuesta por Martínez et al. [8,9]. Por otro lado, se muestran las deformaciones medidas alrededor de la zona de fallo, usando ARAMIS, en el último fotograma capturado (imagen) justo antes de la aparición de la grieta (curva azul). A dicha curva la denominaremos aquí como curva de fractura ingenieril (Engineering Fracture Limit, EFL). Por último, se representa la curva característica de fractura (FFL, Fracture Forming Limit) del material (curva roja), obtenida a partir de la medición de los espesores inicial y final de la chapa. La construcción de ésta requiere la medición del espesor en la zona fracturada a fin de evaluar la deformación en el espesor, ε 3. Una vez evaluada ésta, y asumiendo que la deformación principal mínima, ε 2, es aproximadamente igual a la que existía al inicio de la estricción localizada (la inestabilidad plástica evoluciona en condiciones cercanas a deformación plana, Δε 2 0), se puede estimar el valor de la deformación principal máxima, ε 1, aplicando la hipótesis de incompresibilidad durante un proceso de deformación plástica, es decir, ε 1 =-(ε 2 +ε 3 ). Figura 6.Diagrama límite de conformado para la chapa H240LA Como se puede observar, las formas de las curvas obtenidas son las habituales para materiales con alta conformabilidad. Una curva de estricción (FLC) en forma de V y una curva de fractura (FFL) aproximadamente lineal. Para todos los caminos de deformación considerados el mecanismo que controló el inicio del fallo fue la estricción localizada. Una característica importante de este material es que en la zona equi-biaxial (β 1), el desarrollo de la estricción localizada antes de la fractura dúctil apenas fue visible en las imágenes capturadas.

6 Un aspecto interesante a resaltar es que las deformaciones medidas en la cara exterior de la chapa en el fotograma antes del fallo (EFL) están lejos de representar la deformación de fractura (FFL) para este material. Dicha curva EFL está influenciada por las características del proceso (gradientes de deformación en la chapa y velocidades de deformación durante el desarrollo de la estricción) y las características del equipo de adquisición y procesamiento de imágenes (resolución, velocidad de captura, etc.). En la Figura 7 se muestran los perfiles de deformación principal máxima en el último fotograma antes de la fractura en una sección perpendicular a la dirección de aparición de la grieta, tanto para los ensayos Nakazima (φ100mm) como para los punzones cilíndricos de diferentes diámetros. Adicionalmente, están identificados tanto el EFL como el FFL correspondiente a cada caso. Se puede observar claramente cómo a medida que el tamaño del punzón disminuye la zona de localización de las deformaciones se hace menor. Así mismo, se pone de manifiesto la rapidez con que aumentan las deformaciones hasta alcanzarse los valores de fractura (FFL). Figura 7.Distribución de deformación principal máxima en una sección perpendicular a la fractura en ensayos con diferentes diámetros de punzón 3.2 Ensayos de estirado con flexión De igual forma que en los ensayos tipo Nakazima (φ100mm), en los ensayos de estirado con flexión se obtuvieron tanto las curvas límite de estricción (FLC) como las de fractura (EFL, FFL). Como se aprecia en la Figura 7, en estos ensayos se vuelve a poner de manifiesto una acusada concentración de las deformaciones en el material una vez que se inicia la estricción, lo que se deja patente por una pendiente de las deformaciones muy vertical. Esto hace que la determinación de la fractura por correlación de imágenes, es decir el EFL, pueda incurrir en diferencias muy notables respecto de los valores obtenidos por medida directa en el espesor (FFL). No obstante, es de destacar que la concentración de deformaciones se ajusta en todos los casos a una ley exponencial del mismo tipo, dando como resultado un coeficiente de ajuste o correlación por encima de 0.99 (R 2 > 0.99), para todos los casos. En referencia a los límites de estricción y fractura para estos ensayos, la Figura 8 representa los valores medios de la deformación principal máxima, ε 1, frente a la relación t 0 /R, para cada punzón cilíndrico utilizado. Como se observa, las deformaciones límite de estricción aumentan a medida que la relación t 0 /R aumenta. Esto es debido al gradiente de deformaciones inducido a través del espesor de la chapa con los punzones de menor radio, el cual obliga a que el material en la zona interior de la chapa esté menos deformado y se retrase el fallo de la misma [10]. La misma tendencia se aprecia para la curva EFL. En cambio, se observa cómo las deformaciones límite de fractura dúctil (FFL) permanecen prácticamente constantes para todos los niveles de flexión evaluados, siendo insensibles a la severidad del gradiente de deformación del proceso.

7 Figura 8. Influencia de la flexión en las deformaciones límites Por otro lado, es importante indicar que se observó experimentalmente que para el punzón de 1mm (t 0 /R =2.4) se produjo la indentación de éste en la cara interior de la chapa. Esto provoca que la cara externa (donde se miden las deformaciones) se deforme como si un punzón de mayor radio estuviera actuando sobre la chapa y en consecuencia los niveles de deformaciones límite de estricción y fractura medidos sean menores a los esperados. Al igual que en los casos anteriores la curva EFL discurre entre las dos anteriores. 4. Conclusiones Se ha realizado la caracterización mecánica de las chapas de acero H240LA de 1.2 mm de espesor. Se realizaron ensayos de estirado y estirado con flexión. Los primeros con el fin de caracterizar la conformabilidad del material y los últimos para analizar la influencia que tiene la flexión sobre dicha conformabilidad. En todos los casos el mecanismo de fallo por estricción localizada precedió a la fractura dúctil del material. Se encontró que las deformaciones límite alcanzadas al inicio de la estricción localizada aumentaron a medida que la relación t 0 /R aumentó, o lo que es equivalente, a medida que el radio del punzón disminuyó. Esto se debe al fuerte gradiente de deformaciones a través del espesor que inducen los punzones con radios pequeños. El aumento de conformabilidad en la deformación límite principal máxima, debido a la flexión, fue alrededor de un 15%. Además se observó que las deformaciones límite en la fractura (FFL) se mantuvieron constantes al variar el nivel de flexión en el proceso de conformado. Por último, es interesante resaltar la notable diferencia que existe entre las curvas de fractura medidas en el último fotograma antes del fallo, curva EFL, y la curva de fractura real, FFL, medida directamente sobre el espesor de la probeta. Dicha diferencia es consecuencia del sustancial incremento de deformación que se produce en el instante próximo a la fractura dúctil, especialmente en materiales tan dúctiles como el aquí caracterizado. Es de esperar que para materiales endurecidos, los cuales exhiben una ductilidad más baja, la diferencia entre las curvas EFL y FFL se acorte sustancialmente, incluso ambas se superpongan. El interés de la curva EFL es puramente práctico ya que ésta representa la máxima deformación superficial detectable antes de la fractura, lo cual tiene una especial importancia a la hora de la detección on-line en planta ó la calibración de modelos de predicción de fallos analíticos y/o numéricos.

8 5. Agradecimientos Los autores desean expresar su gratitud a DGICyT por la financiación de esta investigación a través del proyecto DPI Los autores también desean agradecer al Dr. A. Soto del Grupo Antolín por el soporte técnico prestado y el suministro de las chapas de acero H240LA. 6. Referencias [1] A.K Ghosh, S.S Hecker. Stretching Limits in Sheet Metals: In-Plane Versus Out-of-Plane Deformation. Metallurgical Transactions, Vol. 5 (1974), p [2] P.L. Charpentier. Influence of Punch Curvature on the Stretching Limits of Sheet Steel. Metallurgical Transactions, 6A (1975), pp [3] ASTM-E8M-09. Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials. ASTM Standard, 2009, pp [4] ASTM-E Standard Test Method For Plastic Strain Ratio r For Sheet Metal. ASTM Standard, 2004, pp [5] S. Aleksandrovic, M. Stefanovic, D. Adamovic, V. Lazic. Variation of Normal Anisotropy Ratio "r" during Plastic. Journal of mechanical engineering, 55, 6 (2009) pp [6] Alain, Col; Balan, Tudor. About The Neglected Influence of Gradients on Strain Localisation. AIP Conference Proceedings, Volume 908, pp (2007). [7] ISO :2008, Metallic Materials-Sheet and Strip-Determination of Forming Limit Curves in Laboratory, (2008). [8] A.J. Martínez, C. Vallellano, D. Morales, F.J. Garcia-Lomas. On the Experimental Detection of Necking in Stretch-Bending Tests. American Institute of Physics, 1181 (2009), pp [9] A.J. Martínez-Donaire, C. Vallellano, D. Morales, F.J. García-Lomas. Experimental Detection of Necking in Stretch-Bending Conditions: A Critical Review and New Methodology. Steel Research International, 81 (Sp. Edition Metal Forming) (2010), pp [10] Morales D, Vallellano C, Martínez-Donaire AJ, Garcia-Lomas FJ. Prediction of forming limit strains in metal sheets under stretch-bending conditions. Steel Research International, Special Edition Metal Forming, 81 (2010), pp