Conformabilidad de chapa de acero de alta resistencia a tracción-flexión

Abstract

En los procesos reales de conformado de chapas el fallo del material suele estar asociado a zonas donde las herramientas tienen radios pequeños (matrices, presachapas, punzones, etc.). Estos son inevitables por cuestiones de diseño, ya sea debido a la funcionalidad de la pieza o debido a que son deseables con el fin de reducir la recuperación elástica de la misma (Springback), sobre todo en aceros de alta resistencia (HSS) y aceros avanzados de alta resistencia (AHSS). En dichas zonas se induce estirado y flexión, provocando un significativo gradiente de deformaciones y tensiones a través del espesor de la chapa, que influye en el mecanismo de fallo del material. Por otro lado, un aspecto importante para el diseño de procesos de conformado de chapas metálicas es la predicción de las deformaciones límites que se pueden alcanzar antes de que la chapa falle. El uso cada vez mayor de los aceros HSS en los automóviles, con el objetivo de reducir el peso del vehículo, ha creado la necesidad de ser cada vez más precisos a la hora de fijar dichos límites de conformado en los proceso de fabricación. Además, el hecho de que los aceros HSS presenten una menor conformabilidad que los tradicionales aceros de bajo carbono, hace cada vez más importante predecir con mayor exactitud el instante de fallo, especialmente complejos de tracción y flexión en el proceso industrial de conformado de la chapa. Este trabajo tiene como objetivo principal contribuir a la mejora en la comprensión del efecto que tiene la combinación de tracción y flexión sobre el fallo de chapas metálicas en aceros de alta resistencia (HSS), usando para ello un enfoque experimental y teórico-numérico. Este objetivo se articula mediante varios hitos específicos: 1. La generación de resultados experimentales bajo condiciones controladas de tracción-flexión que permitan caracterizar el proceso de fallo y sirvan comosoporte para el desarrollo de un modelo de predicción de fallo adecuado. Para este estudio se ha seleccionado chapas de acero H240LA-O3 de 1.2mm de espesor. 2. La realización de un modelo 3D de elementos finitos que simule de forma realista los ensayos experimentales anteriores. Las evoluciones de las tensiones/deformaciones a través del espesor de la chapa obtenidas con dicho modelo numérico sirven como datos de entrada para la aplicación de un modelo de fallo que permita describir adecuadamente el inicio de la estricción en las chapas de H240LA-O3. 3. La utilización de un modelo de fallo analítico, ya existente, basado en el concepto de volumen crítico de material. Dicho modelo postulado inicialmente en tensiones. Será reformulado empleando como variable representativa la deformación plástica equivalente, mejorando así su capacidad predictiva y sensibilidad ante la presencia de gradientes de deformaciones en la chapa. El desarrollo de estos hitos estructura la tesis en cinco capítulos. En el Capítulo 1 se revisa el estado del arte de las principales curvas utilizadas para medir la conformabilidad de las chapas metálicas. De igual forma, se revisa de los trabajos experimentales y analíticos más destacados que han tratado de explicar los mecanismos de fallo de las chapas metálicas bajo condiciones de tracción-flexión. El Capítulo 2 presenta el estudio experimental llevado a cabo sobre las chapas de H240LA-O3 de 1.2mm de espesor, esto es, su caracterización mecánica, la obtención de la Curva Límite de Conformado (CLC) normalizada y la realización de una batería de ensayos bajo condiciones controladas de tracción-flexión. El Capítulo 3, aborda el desarrollo, calibración y validación de un modelo de elementos finitos que simula los ensayos experimentales anteriores y que permitirá predecir numéricamente el fallo en dichas situaciones. En el Capítulo 4 se analizan las evoluciones numéricas de las deformaciones y tensiones a través del espesor de la chapa, a fin de comprender el efecto del gradiente en el fallo de la chapa sometida a diferentes niveles de flexión. Finalmente se presentan las predicciones numéricas para el inicio de la estricción empleando el modelo de fallo propuesto, formulado en tensiones y deformación plástica equivalente, para los ensayos de estirado con flexión. Éstas se comparan satisfactoriamente con los resultados experimentales. Por último, en el Capítulo 5 se resumen las principales conclusiones de esta tesis y algunos de los posibles desarrollos futuros. En el presente trabajo se ha analizado la conformabilidad de chapas metálicas y la influencia que tiene la flexión sobre ésta. Para ello, se ha realizado un estudio tanto experimental como numérico sobre chapas de acero de alta resistencia H240LA-O3 de 1,2 mm de espesor, extensivamente empleada en la industria de la automoción. En la parte experimental del estudio, se han obtenido las propiedades mecánicas a tracción de la chapa H240LA-O3 y se ha caracterizado la anisotropía plástica de la misma a través de los coeficientes de Lankford a distintas orientaciones. Además se ha evaluado la conformabilidad a través del diagrama límite de conformado (DLC) normalizado mediante ensayos de estirado tipo Nakazima. De forma similar, se ha llevado a cabo una batería de ensayos de estirado con flexión, en caminos cercanos a deformación plana, empleando punzones cilíndricos con diferentes diámetros (D20, D10, D5, D3 y D1mm) a fin de generar gradientes de deformaciones en el espesor de la chapa con distinta severidad y analizar su efecto en la confomabilidad. En todos los casos se ha obtenido la curva de fractura característica del material (CLF). Las conclusiones más importantes del estudio experimental son las siguientes: Los coeficientes de anisotropía plástica resultaron ser prácticamente constantes en todo el proceso de deformación. El mecanismo de fallo fue estricción localizada previa a la fractura dúctil de la chapa en todos los ensayos, con y sin flexión. Los valores de deformación límite alcanzados aumentan a medida que el gradiente de deformación en el espesor se intensifica, o lo que es equivalente, a medida que la relación de flexión t0/R crece, al menos hasta el punzón de diámetro de D3mm. El máximo incremento de conformabilidad respecto a los ensayos Nakazima se cuantificó alrededor de un 15 %. La metodología t-d aplicada a las chapas de acero H240LA-O3 ha proporcionado buenas predicciones de las deformaciones límite de estricción en todos los casos. Se observa que para el punzón de D1mm ocurre un proceso de indentación en la cara interior de la chapa como consecuencia de las altas tensiones generadas en el contacto (D3), reduciendo los valores de deformación límite de estricción. Se ha introducido el concepto de la curva CLFI como herramienta útil a la hora de diseñar procesos de conformado mediante análisis de elementos finitos o a la hora de la detección en planta. Se debe tener en cuenta que dicha curva depende del equipo de medición empleado. Los límites de fractura dúctil (CLF) permanecieron prácticamente constantes para todos los niveles de flexión analizados, siendo insensibles a la severidad del gradiente de deformación durante el proceso. Paralelamente se ha desarrollado un modelo 3D de elementos finitos para simular los ensayos experimentales. Dicho modelo ha sido calibrado y validado a partir de los datos experimentales medidos en laboratorio. Este modelo permite tener acceso a la historia de deformaciones y tensiones en todo el espesor de la chapa durante los ensayos, y particularmente en la zona de fallo. Como resultado del estudio de dicho modelo se encontró que: El modelo de elementos finitos usando elementos sólidos ha sido capaz de reproducir los ensayos experimentales, incluyendo el aumento de conformabilidad a medida que el radio del punzón decrece (t0/R mayor). El análisis de las deformaciones en el modelo numérico muestra que en las zonas de contacto entre el punzón y la chapa existen inversiones de las deformaciones en las capas de material cercanas a la cara interior. Esto provoca que dicha zona evolucione por caminos claramente no proporcionales. Según lo anterior, se evidencia que es necesario utilizar un modelo de endurecimiento cinemático, ya que éste es capaz de capturar adecuadamente los efectos de las inversiones de la deformación presentes en los procesos de estirado con flexión. Se pone de manifiesto la poca influencia de la relación de flexión (t0/R) en los gradientes de tensiones para los modelos constitutivos utilizados. Se deja patente la necesidad de emplear métricas insensibles a los caminos no proporcionales de deformación, cuando se desea predecir el fallo en procesos de estirado con flexión. Para predecir el fallo en situaciones con gradientes de deformaciones a través del espesor, se propone el uso de un modelo de fallo recientemente desarrollado. Este modelo plantea que el fallo por estricción de la chapa se origina cuando el promedio de una cierta variable significativa (tensión, deformación plástica equivalente, etc.) alcanza un nivel crítico en un cierto volumen de material situados en la region interna de la chapa. Éste caracterizado mediante una distancia característica (dcrit), medida desde la superficie interna de la chapa, que en principio depende de la microestructura del material. La aplicación de dicho modelo de predicción conduce a las siguientes conclusiones: La utilización de las variables de tensiones y deformaciones plásticas equivalentes como variables características en el modelo de fallo conjuntamente con las curvas FLSC y epFLC polar, arrojan estimaciones de las deformaciones límite de estricción acordes a las experimentales. Esto corrobora la independencia de dichas variables ante los caminos de deformación no proporcionales como los existentes en los ensayos realizados. Se encontró que las predicciones realizadas mediante las deformaciones plásticas equivalentes son más sensibles al nivel de flexión en el proceso que aquellas obtenidas empleando una descripción directamente en tensiones. Los resultados muestran que la variante utilizando deformaciones plásticas equivalentes y la curva epFLC polar arroja mejores predicciones de las deformaciones límites de estricción. Éstas se encuentran en una banda de error de 10%, exceptuando el ensayo de D1mm. La distancia crítica que arrojó mejores predicciones se situó en torno a las 200 micras. Dicho valor está en concordancia con las estimaciones propuestas por otros autores, e. g. Morales-Palma et ál. (2013), que propone el uso de una distancia crítica entre 10 y 25 veces el tamaño característico de grano del material (dcrit=10D- 25D)