Study of hardening models in automotive steels using the finite element method and the backscattered electron diffraction technique

Authors

DOI:

https://doi.org/10.33448/rsd-v9i1.1535

Keywords:

springback; AHSS; sheet metal forming; finite element analysis; high strength steels; EBSD

Abstract

In this work, the objective was to correlate anisotropy with the mechanical and microstructural behavior of two high strength steels used in vehicle production in order to obtain variables to alter future manufacturing processes in order to obtain steels with a lower elastic return, known as springback effect, which means geometric changes suffered by the part at the end of the plastic deformation process, after the release of the forces applied by the stamping tool and this causes dimensional failures that compromise the production. In this research, biphasic steel and one low carbon steel were evaluated, being Docol_DL800 and LC200 their trade names, respectively. Tensile tests and three-point bending in air were performed to determine the mechanical properties and behaviors and these results were compared with those obtained by computational simulation using the finite element method and were also correlated with microstructural data from the backscattered electron technique. The results indicate that biphasic steel has a higher hardening allowing a greater springback effect due to its microstructure with ferrite and martensite, high grain refinement, greater amount of elastic residual energy and a lower degree of disorientation after mechanical conformation, creating the effect Bauschinger. Already the steel LC200 presented a smaller degree of springback thanks to the more isotropic hardening due to the increase in the degree of grain disorientation after the conformation. Thus, it was concluded that the manufacturing processes of these steels should seek to combine high mechanical strength with a more isotropic behavior.

Author Biographies

Erika Aparecida da Silva, Universidade Estadual Paulista

Doutora em Engenharia Mecânica pela Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho - Campus de Guaratinguetá - FEG/UNESP (2016), tendo participado do Programa de Doutorado Sanduíche no Exterior fomentado pela instituição CAPES. O estágio doutoral foi realizado de 2014 à 2015 na Ecole Nationale dIngénieurs de Tarbes pertencente à Université de Toulouse - (ENIT/INP - França), na subárea de Engenharia de Materiais e Metalúrgica. É mestre em Engenharia Mecânica (2012) pela FEG/UNESP na subárea de Engenharia de Materiais e Metalúrgica, no campo da metalurgia física. Possui graduação em engenharia agronômica pela Universidade de São Paulo - ESALQ/USP (2003), com formação complementar em biotecnologia, tendo experiência especificamente em genética e melhoramento. No campo da engenharia mecânica, tem experiência em aços para a indústria automobilística envolvendo caracterização microestrutural e fractográfica de materiais metálicos, propriedades mecânicas, conformação de metais, EBSD, análises estatísticas e também tem experiência com simulações computacionais pelo método de elementos finitos para o estudo da deformação plástica em cristais e efeito springback em aços avançados de alta resistência.

José Wilson de Jesus Silva, Centro Universitário Teresa D'Ávila

Pós-Doutorado em Engenharia de Materiais pela Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho, Campus de Guaratinguetá - UNESP-FEG (2015), Doutorado em Engenharia Mecânica pela Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho, UNESP-FEG (2011), Mestrado em Engenharia Mecânica pela Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho UNESP-FEG (2003) e Graduação em Engenharia Civil pela Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho, UNESP-FEG (2000). Atualmente é Professor Titular I e Coordenador do Laboratório de Design de Joias do Centro Universitário Teresa DÁvila - UNIFATEA, membro do Instituto Superior de Pesquisa e Iniciação Científica - ISPIC/UNIFATEA, membro do Comitê de Ética em Pesquisa do UNIFATEA, Professor do Programa de Pós-Graduação Stricto Sensu, UNIFATEA - Mestrado Profissional em Design, Tecnologia e Inovação, Professor do curso de Arquitetura e Urbanismo - UNIFATEA, Professor na Associação Educacional Dom Bosco, AEDB, para o curso de Engenharia Civil e Professor colaborador no departamento de química da UNESP, Campus de Guaratinguetá. Possui experiência em ensino, pesquisa e extensão nas áreas de Desenho Industrial, Design de Joias de Nióbio, Línguas Estrangeiras, Engenharia Civil, Mecânica e Produção, com ênfase em Novos Materiais, Planejamento de Experimentos, Corrosão, Caracterização Microestrutural e Gerenciamento da Cadeia de Suprimentos.

Nilo Antonio de Souza Sampaio, Universidade do Estado do Rio de Janeiro

Doutor em Engenharia Mecânica pela Universidade Estadual Paulista (UNESP-FEG), Mestre em Engenharia Mecânica pela Universidade de Taubaté (UNITAU), Engenheiro Químico pela Universidade de São Paulo (EEL/USP). É Professor Adjunto da Universidade do Estado do Rio de Janeiro lecionando na graduação dos cursos de Engenharia de Produção, Engenharia Mecânica e Engenharia Química. Trabalha com Matemática e Estatística, com ênfase em Aplicações da Estatística e da Matemática em Ciências, Planejamento de Experimentos e Monitoramento de Processos. Possui vários artigos publicados em periódicos e anais de eventos científicos nacionais e internacionais.https://orcid.org/0000-0002-6168-785X https://publons.com/researcher/1768265/nilo-as-sampaio/

Antonio Jorge Abdalla, Instituto de Estudos Avançados

Possui mestrado e doutorado em Engenharia Mecânica pela Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho - UNESP e pós-doutorado pelo Instituto de Tecnologia Aeroespacial - ITA. Atualmente é professor credenciado pelas pós-graduações da Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho (UNESP) e do Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA), pesquisador na área de materiais do Instituto de Estudos Avançados - IEAv, do Departamento de Ciência e Tecnologia Aeroespacial - DCTA. Tem experiência na área de Engenharia Aeroespacial, com ênfase em Materiais e Processos para Engenharia Aeronáutica e Aeroespacial, atuando principalmente nos seguintes temas: propriedades mecânicas (tração, fadiga, dureza, fluência, desgaste), aços aeronáuticos e aços multifásicos, caracterização microestrutural, tratamentos térmicos, tratamentos termoquímicos de superfície e processos de soldagem. Possui bolsa de produtividade em pesquisa.

References

Chongthairungruang B., Uthaisangsuk V., Suranuntchai S., Jirathearanat S. (2013), “Springback prediction in sheet metal forming of high strength steels” Materials and Design v. 50, p. 253-266.

Gan W., Babu S. S., Kapustka N., Wagoner, R. H. (2006), “Microstructural Effects on the Springback of Advanced High Strength Steel”, Metallurgical and Materials Transactions A, Columbus, v.37A, p.3221-3231.

Ghaei A., Green D. E.; Aryanpour A. (2015), “Springback simulation of advanced high strength steels considering nonlinear elastic unloading-reloading behavior” Materials and Design v. 88, p. 461-470.

Gorni A. A. (2011), “A metalurgia por trás dos aços avançados de alta resistência”, Industrial Heating. Julho a Setembro.

Hassan H. U., Traphöner A. G., Tekkaya A. (2016), “Accurate springback prediction in deep drawing using pre-strain based multiple cyclic stress–strain curves in finite element simulation” International Journal of Mechanical Sciences v. 110, p. 229-241, 2016.

Li H., Chen J., Yang J. (2012), “Experimental and numerical investigation of laminated steel sheet in V-bending process considering nonlinear visco-elasticity of polymer layer” Journal of Materials Processing Technology 212, p. 36-45.

Ma Z., Tong G. Q., Chen F., Wang Q., Wang S. (2015), “Grain size effect on springback behavior in bending of Ti-2.5Al-1.5Mn foils” Journal of Materials Processing Technology 224, p. 11-17.

Numisheet 2002. (2002), “Proceedings of the 5th International Conference on Numerical Simulations of 3-D sheet Metal Forming Processes”, D-Y. Yang et al. (eds.), Jeju Island, Korea. Available in: < www.numsiheet2002.org>.

Oxford Instruments HKL. (2007), “Manual EBSD, 2007”, Available in: .

Placidi F.; Vadori R.; Cimolin F.; Campana F. (2008), “An efficient approach to springback compensation for ultra high strength steel structural components for the automotive field” New Developments.

Qudeiri, J.A., Khadra, F.A., Al-Ahmari, A., Umar, U. (2013), “Effect of Material and Geometrical Parameters on the Springback of Metallic Sheets”, Life Science Journal, v.10(2), p.1531-1537.

Silva E. A., “Estudo da correlação entre os modelos de encruamento e as características cristalográficas em aços avançados de alta resistência submetidos ao efeito springback”, Tese de doutorado - Unesp. 206p. 2016.

Silva E. A., Pereira, M. S., Faye J. P., Ribeiro R. B., Sampaio N. A. S., Silva J. W. J, “Identification of elastic-plastic behavior in AHSS using the isotropic hardening model by the finite element method and EBSD”, International Journal of Advanced Engineerging Research and Science (IJAERS), v.6, issue 5, p. 649-658, May 2019.

Sun L., Wagoner R. H. (2011), “Complex unloading behavior: nature of the deformation and its consistent constitutive representation” Int. J. Plast. v. 27, p. 1126–1144.

Uemori T., Yoshida F. (2002), “A model of large-strain cyclic plasticity describing the bauschinger effect and work hardening stagnation”, Int J Plast, 18:661–86.

Yamano T., Iwaya J. (2005), “Study of counter measure of side wall curl usingoverrun-inducing punch”, J of the Japan Society for Technology of Plasticity. Vol. 46, Issue 534, Pages 630-635.

Yang X., Choi C., Sever N. K., Altan T. (2016), “Prediction of springback in air-bending of Advanced High Strength Steel (DP780) considering Young’s modulus variation and with a piecewise hardening function” International Journal of Mechanical Sciences 105, p. 266-272.

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Published

01/01/2020

How to Cite

SILVA, E. A. da; SILVA, J. W. de J.; SAMPAIO, N. A. de S.; FAYE, J. P.; ALEXIS, J.; ABDALLA, A. J. Study of hardening models in automotive steels using the finite element method and the backscattered electron diffraction technique. Research, Society and Development, [S. l.], v. 9, n. 1, p. e44911535, 2020. DOI: 10.33448/rsd-v9i1.1535. Disponível em: https://www.rsdjournal.org/index.php/rsd/article/view/1535. Acesso em: 16 apr. 2024.

Issue

Vol. 9 No. 1

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Engineerings

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