Estrategias para la solución de problemas de ductilidad de bordes del acero AHSS

Los bordes cortados conformados de los aceros avanzados de alta resistencia (AHSS) requieren una ductilidad determinada, ya que de lo contrario pueden fallar agrietándose a lo largo de agujeros o bridas.

En este artículo se trata el modo en que pueden aparecer grietas en los bordes del acero AHSS tanto en los procesos de corte como en los de conformado, y las mejores prácticas para corte, herramientas y ensayos de materiales para reducir los fallos en los bordes. En el artículo se tratan además aspectos destacados de un reciente seminario web sobre ductilidad de bordes de Docol® con Vili Kesti, especialista senior en conformado de SSAB.

¿Dónde se necesita ductilidad de bordes?

En general, la ductilidad de bordes es necesaria siempre que se conforman bordes cortados. Por ejemplo, en aplicaciones de chasis para la industria automotriz, las piezas se cizallan o punzonan mecánicamente en un proceso de producción en serie. Después del corte, se producen muchas situaciones diferentes de tensión en los bordes: por ejemplo, en el ensanchamiento de agujeros, el estiramiento en forma de collar, el estiramiento de bridas, etc.

A medida que los diseños de piezas para automóviles en acero AHSS se vuelven más complejos, el conformado de bordes cortados sin que se produzcan grietas puede convertirse en un proceso cada vez más difícil, especialmente para los aceros AHSS laminados en caliente. Y las propiedades de resistencia a la fatiga de una pieza también pueden verse afectadas negativamente si las zonas del borde presentan defectos iniciales tales como grietas.

Ejemplos de problemas de ductilidad de bordes del acero AHSS

Ejemplos de problemas de ductilidad de bordes del acero AHSS

Este es un problema típico: se ha producido una grieta en el borde del agujero durante el proceso de ensanchamiento de agujeros. La grieta comenzó en una sección de la circunferencia del agujero que presentaba una superficie áspera cizallada.

Otro ejemplo de problemas de ductilidad de bordes del acero AHSS

Otro ejemplo: este es un primer plano de una grieta de brida típica en una zona sometida a grandes tensiones de tracción durante el conformado.

El software de simulación puede ser muy eficaz para detectar zonas críticas (es decir, tensiones altas) que inicialmente pueden no ser candidatas obvias para el agrietamiento.

Los procesos de corte mecánico, como el punzonado de agujeros, introducen un intenso endurecimiento mecánico así como posibles vacíos iniciales y formación de rebabas a lo largo de los bordes cortados, y todo en conjunto crea una ‘zona afectada por cizallamiento’ (SAZ por sus siglas en inglés).

SSAB ha tomado las mediciones de microdureza y ha determinado que cuanto más cerca del borde cortado nos encontremos, más altos son los valores de endurecimiento mecánico. Esto reduce la capacidad de deformación del borde incluso antes de cualquier proceso de conformado.

Es posible crear vacíos de la zona afecta por cizallamiento o SAZ cerca de inclusiones, carburos, límites de fase, etc., dependiendo de la microestructura del acero AHSS.

herramientas, distancias de corte y ductilidad de bordes

La primera mejor práctica durante el conformado es conocer (y trazar) la tasa de desgaste de la herramienta. Normalmente se obtiene una tasa de desgaste inicial, luego una meseta y después una tasa acelerada. Para la formación de rebabas se suele producir un patrón similar: consulte la tabla. En ambos casos, se deben mantener las herramientas antes de que comience la aceleración prevista. Las herramientas desgastadas pueden reducir enormemente los coeficientes de ensanchamiento de agujeros (HER, por sus siglas en inglés) para algunas calidades de acero AHSS.

Si es posible, colocar la rebaba en el interior de un borde. Las rebabas en el exterior de un borde tienden a crear defectos durante las posteriores operaciones de plegado.

El uso de la distancia de corte óptima para una calidad específica de AHSS, que en algunos casos es superior al HER estándar del 12% establecido en la norma ISO 16630, puede aumentar los valores de HER. Consulte con su fabricante de aceros AHSS las distancias de corte para una calidad y aplicación específicas.

El mantenimiento las herramientas y el uso de unas distancias de corte homogéneas, están interrelacionados. El desgaste de la herramienta se ve afectado tanto por la distancia de corte como por la calidad del acero AHSS que se está cortando. La rigidez de la herramienta también es importante: la rigidez ayuda a ofrecer distancias de corte uniformes alrededor de los agujeros y a lo largo de bridas más largas.

La zona afectada por el cizallamiento se puede eliminar cambiando el método de corte a taladrado, mecanizado o corte con alambre (mecanizado por electroerosión o EDM por sus siglas en inglés). Desafortunadamente, la perforación, el mecanizado y el EDM son muy laborioso y no son viables para grandes ciclos de producción. Los métodos de corte térmico, como el láser o el plasma, pueden mejorar la ductilidad de bordes, pero pueden crear gradientes de dureza por causa del calor.

Diagrama de herramientas, distancias de corte y ductilidad de bordes

La pre-perforación puede mejorar enormemente los coeficientes de ensanchamiento de agujeros (HER, por sus siglas en inglés)/capacidad de conformado de bordes

En numerosos documentos técnicos se proporcionan evidencias de que la pre-perforación, también conocida como corte con cizalla de dos etapas, puede mejorar significativamente los coeficientes de ensanchamiento de agujeros del acero AHSS y, por lo tanto, la capacidad de conformado de bordes.

Con la pre-perforación, se utiliza un solo punzón de dos tiempos o dos operaciones de punzonado separadas, para crear un agujero inicial seguido de una acción de recorte. Para obtener unos resultados óptimos, debe elegirse cuidadosamente el espesor del anillo recortado o perforado resultante. La pre-perforación puede mejorar enormemente el HER, pero la magnitud de la mejora varía de una calidad a otra, tal y como se muestra en este gráfico.

La pre-perforación puede mejorar enormemente los coeficientes de ensanchamiento de agujeros (HER, por sus siglas en inglés)/capacidad de conformado de bordes

Aceros AHSS con el mismo nombre pero con distintas ductilidades de bordes

La ductilidad de bordes puede diferir significativamente entre las calidades de acero, incluso cuando estas presentan niveles de resistencia similares. También advertirá diferencias entre los distintos productores de acero que suministran nominalmente la misma calidad con el ‘mismo nombre’.

Además, no existe una correlación clara entre el HER y el límite elástico, la tensión de rotura o la elongación tradicionales. (Dicho esto, en publicaciones recientes se indica una posible correlación entre las verdaderas tensiones de fractura de espesor y el HER: si cualquier estudio adicional confirma esta correlación, esperamos escribir sobre ella en un artículo futuro de INSIGHTS).

Aquí, por ejemplo, tenemos cuatro calidades de acero diferentes, todas ellas con una tensión de rotura mínima de 800 MPa. Obviamente, al elegir la calidad de acero correcta, puede obtener mejoras significativas en las propiedades de conformado de bordes.

Otra consideración a la hora de seleccionar aceros AHSS: en condiciones de taller reales, puede ser difícil mantener unas distancias de corte constantes. En este gráfico se muestra cómo la calidad Docol® HE (High Edge) ofrece una calidad de bordes y capacidad de conformado mejores en una gama de distancias de corte cuando se compara con las calidades de acero AHSS tradicionales.

Gráfica de cajas de resultado HER
Gráfica de cajas de HER de S355MC frente a Docol 355 HE, diferentes distancias [%]

Ir más allá de la norma ISO 16630: Diagramas límite de conformado 3D

El estándar mundial actual para los ensayos de expansión de agujeros es la norma ISO 16630, que ha sido muy criticada por ofrecer resultados muy inciertos y excesivas variaciones.

La norma ISO 16630 solo cubre un estado de tensión/deformación específico. Pero en la producción real a menudo se producen distintos casos de carga de bordes. Incluso en la misma pieza del automóvil, pueden producirse distintos estados de tensión/deformación para los bordes.

Podemos utilizar distintos ensayos para cubrir una gama más amplia de casos de carga de tensión/deformación, incluidas las mediciones de deformación mediante correlación de imágenes digitales (DIC, por sus siglas en inglés). Los investigadores de SSAB utilizan:

  • Ensayo Nakajima HE
  • Ensayo KWi HE
  • Ensayo Diabolo
  • Ensayo de plegado doble
  • Ensayo de tracción de agujeros

Los investigadores de SSAB trabajan ahora en un nuevo concepto para describir la ‘capacidad general de conformado de bordes’. En este enfoque se utilizan todos los ensayos indicados anteriormente para probar una muestra de acero AHSS en tres direcciones diferentes (ε1, ε2, y ε3) para crear un diagrama de límite de conformado (FLD) de bordes tridimensional, trazando los límites de tensión justo antes del agrietamiento.

Los diagramas límite de conformado de bordes 3D constituyen una buena manera de comparar visualmente distintos materiales y su ductilidad de bordes general. También existe la posibilidad de que se pudieran utilizar de forma eficaz en simulaciones y si es así, informaremos sobre ello.

Superficie trazada

¿Le gustaría saber más sobre los diagramas límite de conformado 3D de nuestros aceros?

¿Desea formular alguna pregunta sobre cómo determinar la ductilidad de bordes para una calidad de acero AHSS o aplicación específica de piezas para automóvil?

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