Desarrollo experimental y modelado computacional multiescala de la curva límite de formabilidad : aplicación a un acero dual-phase de alta resistencia

Abstract

El interés industrial por la formabilidad de chapas de aceros de doble fase (DP) se ha incrementado en las últimas décadas, impulsado principalmente por la reciente popularidad de los aceros avanzados de alta resistencia (AHSS) para reducir el peso de partes automotrices. Esto resulta en una fuerte necesidad de determinar la respuesta límite del material frente a solicitaciones típicas de operaciones de conformado y el estudio de los factores que la influencian. La presente Tesis Doctoral aborda el estudio numérico de los factores microestructurales que influyen en el diagrama límite de conformado (FLD) de chapas de acero DP-780. El comportamiento límite del material se modela mediante la técnica de Marciniak-Kuczynski (MK), la cual asume la presencia de una imperfección inicial precursora del proceso de localización; mientras que la descripción constitutiva del material se realiza en el marco de la plasticidad cristalina. El comportamiento anisótropo, la presencia de una distribución preferencial de orientaciones y el efecto de las fases constituyentes – ferrita/martensita – se obtiene mediante una homogeneización autoconsistente de la respuesta viscoplástica a nivel del cristal simple (VPSC). El acople de ambas técnicas (MK-VPSC) permite modelar exitosamente la respuesta límite de las chapas de acero DP-780. Se investiga numéricamente el efecto de parámetros microestructurales típicos de aceros DP, la influencia de la anisotropía y su evolución, así como el efecto del comportamiento del endurecimiento post-estricción en las deformaciones límite. Tanto la fracción en volumen como la plasticidad de la martensita presentan una influencia significativa en la predicción del diagrama FLD, mientras que la evolución de la textura cristalográfica sólo afecta las deformaciones límite bajo solicitaciones biaxiales. El mejor acuerdo con los datos experimentales se encuentra cuando se utiliza una ley de endurecimiento de saturación y cuando la deformación de la martensita es impedida o es retardada hasta el punto de estricción. Un análisis de la actividad de los sistemas de deslizamiento sugiere que, dentro del marco de trabajo del modelo MK-VPSC, la localización ocurre mucho más rápido en la ferrita que en la martensita. Se presenta una extensión del modelo MK-VPSC que permite evitar problemas de convergencia y reducir el costo computacional. Esto se alcanza aplicando directamente las condiciones en velocidad de deformación y tensión, resultantes de las restricciones de equilibrio y compatibilidad, en la banda de inestabilidad del modelo MK. Además, los estados mecánicos dentro y fuera de ésta se resuelven en el marco de referencia de la muestra, evitando rotar las orientaciones cristalográficas y las variables internas a la orientación de la banda para cada incremento, mejorando la eficiencia computacional. Las condiciones de borde generalizadas incorporadas al modelo permiten calcular diagramas FLD basados en trayectorias de carga en deformación (FLDρ) como en tensión (FLDα).

Triggered by the recent popularity of advanced high strength steels (AHSS) for weight-reduction in automotive components, industrial interest in the formability of dual-phase (DP) steel sheets has increased in the last decades. Thus, there is a strong need in the determination of the material’s limit behavior for typical loading conditions in sheet forming operations, as well as the analysis of the influencing factors. This thesis addresses the numerical study of microstructural factors influencing the forming limit diagram (FLD) of DP-780 steel sheets. The material’s limit behavior is modeled by the Marciniak-Kuczynski (MK) model, which assumes an initial imperfection, precursor of the localization process; whereas the material’s constitutive description is performed within the crystal plasticity framework. The anisotropic behavior, the presence of preferred orientation distributions and the effect of the constituent phases – ferrite/martensite – is obtained by a self-consistent homogenization of the single crystal viscoplastic response (VPSC). The coupled techniques (MK-VPSC) can successfully model the limit response of the DP-780 steel sheet. The effect of typical microstructural parameters of DP steels, the influence of anisotropy and its evolution with deformation, as well as the extrapolated post-necking hardening behavior, on the forming limits is numerically investigated. Both the martensitic volume fraction and plasticity have a significant influence on the FLD prediction, while the evolution of crystallographic texture only affects the limit strains under biaxial deformation. The best agreement with experimentation is found when using the saturation hardening law and when the martensite deformation is either not allowed or retarded to occur after the point of necking. An analysis of the slip systems activity suggests that, within the MK-VPSC framework, localization occurs much faster in the ferritic than in the martensitic phase. An extension to the MK-VPSC model is presented in this thesis in order to avoid convergence problems and reduce the computational cost. This is achieved by directly applying the stress and strain-rate boundary conditions, resulting from the equilibrium and compatibility restrictions, at the MK instability band. Moreover, the mechanical states outside and inside the groove are solved in the sample reference frame. This avoids rotating the crystallographic orientations and the internal variables to the current groove orientation for each increment, improving the computational performance. The generalized boundary conditions in the polycrystal model allow calculating either strain ratio (FLDρ) or stress ratio (FLDα) based FLDs.