Caracterización de la tenacidad de fractura de aceros avanzados de alta resistencia y aceros estampados en caliente

Como respuesta a la necesidad de disponer de métodos de ensayo rápidos y económicos para la clasificación de materiales en términos de tenacidad de fractura, en este artículo se describe un procedimiento innovador para el ensayo rápido de tenacidad de fractura de chapas metálicas. El procedimiento consiste en introducir entallas afiladas como grietas en probetas rectangulares con geometría tipo DENT, mediante una nueva herramienta. Este procedimiento de entallado permite obtener probetas listas para el ensayo en pocos minutos y evita la necesidad de costosos procedimientos de prefisuración por fatiga. Las probetas se utilizan para obtener la tenacidad de fractura de distintos PHS mediante el método del trabajo esencial de fractura. Los resultados muestran que el nuevo procedimiento es fiable para evaluar la tenacidad de fractura en PHS en un tiempo muy corto. El tiempo de preparación de las probetas se reduce drásticamente de aproximadamente 20 horas a 10 minutos. Esto supone un gran ahorro de tiempo y permitirá promover el uso de las mediciones de tenacidad de fractura como ensayo rutinario de control de calidad de las propiedades a impacto de aceros tipo PHS.

Con el objetivo de cumplir con los nuevos requisitos de sostenibilidad, ligereza y seguridad de la actual legislación de automoción, se están desarrollando nuevos aceros avanzados de alta resistencia (AHSS del inglés Advanced High Strength Steels). Estos materiales, en forma de chapas de hasta 2 mm de grosor, se caracterizan por una alta resistencia mecánica y una moderada/limitada ductilidad, lo que los hace sensibles a los procesos de conformado en frío, donde puede aparecer agrietamiento de los bordes. Por lo tanto, las industrias del sector de conformado se enfrentan a importantes retos y pérdidas de producción debido a la difícil conformabilidad de algunas familias de AHSS, especialmente las de mayor resistencia que son, justamente, las más interesantes para reducir peso en el vehículo. Como consecuencia de estos problemas relacionados con la aparición de grietas, se están desarrollando metodologías avanzadas de caracterización para evaluar el inicio de la fractura y el comportamiento de la propagación de grietas.

El proceso de estampación en caliente de aceros al B está plenamente implementado en automoción para construir estructuras anti-intrusión, tales como los pilares A, B y C, barras de puertas, etc. La estampación en caliente permite obtener piezas de geometría compleja y con elevada resistencia superior a los 1500 MPa, lo que los convierte en una excelente opción de material para el ahorro de peso mediante la reducción del espesor de los componentes. Los aceros usados en este proceso se denominan aceros estampados en caliente (PHS del inglés Press Hardened Steels). Sin embargo, su elevada resistencia los hace más propensos a presentar grietas durante el choque, lo que reduce la absorción de energía en las pruebas de choque por impacto axial o por flexión. Para optimizar el comportamiento a fractura y la gestión de la energía de impacto de los componentes fabricados con PHS, pueden aplicarse diferentes estrategias de enfriamiento y tratamientos térmicos posteriores al temple. En este contexto, Eurecat está desarrollando procedimientos basados en la mecánica de la fractura, que han demostrado ser la mejor opción para optimizar la selección de materiales y asistir al diseño de nuevas microestructuras que den lugar a una mayor conformabilidad y mejor resistencia al choque y durabilidad en diferentes aplicaciones de ingeniería [1-5].

La metodología del trabajo esencial de fractura (TEF) ha demostrado ser aplicable para obtener la resistencia al agrietamiento de una amplia gama de materiales, incluyendo AHSS, PHS, aceros inoxidables y aleaciones de aluminio [2-6]. Sin embargo, este método conlleva un proceso de preparación de muestras complejo, que implica introducir grietas en las muestras por fatiga, lo que requiere un equipo de fatiga especializado, personal capacitado y mucho tiempo. En la referencia [7] se presentó una nueva herramienta de entallado por cizallamiento para simplificar el procedimiento de prefisuración y reducir el tiempo de preparación de las probetas. Este dispositivo consiste en un punzón biselado que puede introducir entallas afiladas en las probetas DENT, semejantes a las grietas obtenidas con un proceso de fatiga. El ensayo de las muestras entalladas es sencillo y solo requiere una máquina de ensayos universal.

En el presente trabajo se aplica este procedimiento innovador para evaluar la tenacidad de fractura de diferentes chapas finas de aceros estampados en caliente, con el fin de evaluar el diferente comportamiento al impacto de las microestructuras estudiadas.

2.1. Materiales

Este trabajo presenta los resultados para 4 tipos de PHS, siendo dos de ellos posprocesados con un tratamiento térmico posterior al temple en matriz que caracteriza el proceso industrial de estampación en caliente. En concreto se estudian dos grados acero: PHS1800 y PHS1500. Este último también se investiga tras ser sometido a dos tratamientos láser diferentes: HT700FL y HT550FL. Los aceros PHS1800 y PHS1500 investigados presentan una microestructura totalmente martensítica que resulta en martensita revenida para el HT700FL y martensita revenida-ferrita para el HT550FL tras el tratamiento por láser. Las propiedades mecánicas obtenidas para estos materiales se resumen en la tabla 1.

Tabla 1. Propiedades mecánicas de los aceros PHS estudiados en dirección transversal. t₀: espesor, σ_YS: límite elástico, σ_UTS: Resistencia a la tracción, TE: Elongación total.

2.2. Metodología TEF

La metodología del TEF se ha desarrollado para medir la tenacidad de fractura de láminas metálicas delgadas dúctiles en el marco de la mecánica de la fractura [8]. La teoría sugiere que el trabajo total de fractura dúctil de chapas metálicas finas puede dividirse en dos términos: la contribución del trabajo esencial de fractura para generar dos nuevas superficies de fractura durante el proceso de desgarro, w_e; y el trabajo plástico, w_p, que tiene lugar en los alrededores de la zona de fractura (Figura 1). Como se muestra en la figura 1, ensayando probetas DENT con diferentes longitudes de ligamento en modo de tracción hasta la fractura, se obtienen las curvas de carga-desplazamiento y la integración de las mismas corresponde al trabajo total de fractura, W_f. Dividiendo W_f por la sección transversal y graficándolo en función de la longitud del ligamento, se obtienen los parámetros w_e y l β_wp mediante un ajuste lineal simple. El trabajo esencial de fractura, w_e, corresponde a la ordenada en el origen y el trabajo plástico, w_p, multiplicado por el factor de forma, β, representa la pendiente de la regresión lineal, según:

donde l₀ se define como la longitud inicial del ligamento (la distancia entre las entallas), t₀ como el espesor inicial de la chapa y β como un factor de forma que depende de la forma de la zona de fractura.

Figura 1. Izquierda: probeta DENT utilizada en la metodología del TEF. Derecha: determinación experimental de la metodología del TEF. El intercepto se indica como el w_e, y la pendiente muestra el β_wp.

2.3. Preparación de las muestras

El radio de la entalla en la metodología TEF es fundamental para obtener resultados fiables [6, 7]. Por lo tanto, para obtener valores fiables de tenacidad independientes del proceso de entallado es necesario utilizar probetas prefisuradas por fatiga, tal y como recomiendan los procedimientos estándar. La prefisuración por fatiga lleva mucho tiempo y requiere equipos especializados y personal capacitado. La innovadora herramienta descrita en [10] puede crear dos entallas afiladas simétricas a las probetas DENT en unos pocos segundos y puede ajustarse a una máquina de ensayos universal. Las entallas obtenidas en el proceso de cizallamiento tienen un radio de entalla de ρ ≈ 2 µm, parecido a una grieta de fatiga.

La herramienta de generación de entallas consta de una placa superior móvil que sostiene un punzón biselado y una placa inferior que incluye una matriz y un aplanador de probetas (figura 2). Se coloca una muestra rectangular sin entallas en la matriz utilizando dos pasadores para centrarla y asegurar la misma posición de las entallas para todas las probetas. Se coloca otra muestra del mismo grosor en el aplanador de muestras para igualar la altura de la placa inferior. Haciendo descender la placa superior, el punzón crea dos entallas afiladas en la probeta DENT mediante un proceso de cizallamiento. La muestra troquelada se aplana en la zona de aplanado durante el siguiente proceso de troquelado. La calibración de la longitud del ligamento puede realizarse troquelando una misma probeta a diferentes profundidades y relacionando el ligamento medido en la superficie con el desplazamiento de la placa superior. Cuanto mayor sea el desplazamiento, menor será la longitud del ligamento.

En el presente estudio, se ensayaron de 7 a 9 probetas DENT de 200 x 55 mm para cada material. Se crearon entallas cizalladas para obtener longitudes de ligamento que iban de 6 a 16 mm.

2.4. Ensayos TEF

Una vez preparadas las probetas DENT, se mide el espesor de la chapa y las longitudes iniciales de los ligamentos. El protocolo seguido para el ensayo se describe en el CEN Workshop Agreement (CWA) para el ensayo TEF de chapas metálicas delgadas dúctiles [9]. El ensayo consiste en ensayar a tracción las probetas entalladas hasta la fractura a una velocidad de deformación de 1 mm/min. La carga se registra mediante una célula de carga durante el ensayo y el desplazamiento instantáneo se obtiene mediante un video extensómetro con una longitud inicial calibrada de 50 mm. Para una mayor precisión, la longitud del ligamento puede medirse después del ensayo en la superficie de la fractura por medios ópticos.

3.1. Resultados del TEF

La figura 3 muestra las curvas de carga en función del desplazamiento para los cuatro materiales estudiados con probetas DENT cizalladas. El PHS1800 y el PHS1500 muestran los desplazamientos a fractura más bajos, con una caída repentina de la carga poco después del pico máximo de carga. El HT550FL presenta el mayor desplazamiento a fractura. El PHS1500 muestra la mayor carga máxima. La carga máxima más baja la muestra el HT550FL.

Integrando numéricamente las curvas de carga-desplazamiento, se obtiene el trabajo de fractura, w_f, y se representa gráficamente frente a la longitud del ligamento como se muestra en la Figura 4a. El ajuste lineal también se muestra en la figura 4a. Los valores calculados para el trabajo esencial de fractura, w_e, el trabajo plástico, β_wp, y el coeficiente de correlación del ajuste lineal, R², se resumen en la tabla 2. Los mayores valores de w_e se obtienen de los dos materiales con temple láser, HT700FL y HT550FL (w_e = 247 ± 35 kJ/m² y w_e =247 ± 38 kJ/m², respectivamente). Por otro lado, el PHS1800 muestra el valor más bajo de TEF (w_e = 92 ± 15 kJ/m²). En general, se obtiene un buen ajuste lineal (R² = 0,80 - 0,93).

El uso del innovador procedimiento de entallado es un método muy rápido y rentable para evaluar la resistencia a la propagación de grietas de chapas metálicas finas de alta resistencia. Sin embargo, para validar la precisión y fiabilidad de los valores medidos del trabajo esencial de fractura es importante tener en cuenta la influencia del método de preparación de las entallas. La metodología ya fue validada en [10] para diferentes grados de AHSS, donde se compararon probetas entalladas y prefisuradas por fatiga. Los resultados mostraron que los valores de tenacidad obtenidos a partir de probetas con entallas troqueladas preparadas con la nueva herramienta eran equivalentes a los obtenidos a partir de probetas prefisuradas por fatiga. En este trabajo también se ensayaron las probetas prefisuradas por fatiga para el PHS1800 para confirmar su correspondencia con las probetas con entallas troqueladas. Los resultados se muestran en la figura 4b. Como se observa, los valores de w_e obtenidos con los dos métodos de preparación de las probetas son prácticamente idénticos. La figura 4b muestra también los valores de w_e obtenidos con probetas prefisuradas por fatiga para un acero PHS1500 previamente caracterizado [4] y un acero martensítico [11] con propiedades mecánicas similares al PHS1500 estudiado en este trabajo. Se puede observar que están dentro del mismo rango de valores obtenidos en este trabajo. Esto demuestra que los valores de tenacidad obtenidos en este estudio son consistentes con los resultados mostrados en la literatura para PHS de similares características. Esto confirma de nuevo la fiabilidad de este innovador procedimiento de entallado para evaluar con precisión la tenacidad de fractura de chapas finas de AHSS y PHS.

Es interesante observar que, a pesar de que los valores de alargamiento son similares para la mayoría de los grados de PHS estudiados, los valores de resistencia a la fractura muestran un comportamiento diferente para describir la propagación de la fractura. Como se observa en la tabla 1, el alargamiento total es similar para los dos PHS y el HT700FL, sin embargo, las mediciones de la tenacidad de fractura muestran una mayor resistencia a la propagación de grietas en el HT700FL. Por esta razón, es importante caracterizar la tenacidad de fractura desde el enfoque de la mecánica de la fractura. Y la metodología TEF ha demostrado ser adecuada para evaluar la propagación de la fractura de las chapas de acero endurecidas por presión.

Figura 4. a) Valores w_f representados en función de la longitud del ligamento, l0, para PHS1800, PHS1500, HT700FL, HT550FL. b) Barras negras: valores w_e obtenidos de probetas con entallas troqueladas para los materiales estudiados. Barras grises: valores obtenidos a partir de probetas prefisuradas por fatiga para PHS1800, un acero martensítico (Martensite) y PHS1500 de estudios anteriores.

3.2. Superficie de fractura

La figura 5 muestra la superficie de fractura de las probetas DENT de los 4 aceros PHS estudiados con una longitud de ligamento de aproximadamente 12 mm. La longitud del ligamento puede distinguirse fácilmente entre las dos puntas de las entallas. El aspecto de la fractura del PHS1800 y el PHS1500 es similar, presentando frentes de grieta redondeados y cóncavos. Por otro lado, los materiales con templado láser muestran puntas de grieta puntiagudas y más estricción o reducción de espesor a lo largo de la fractura. Este aumento de la estricción ha demostrado estar relacionado con un aumento de la tenacidad de fractura [6]. Comprobando los resultados obtenidos en el presente estudio, se puede comprobar esta relación para los materiales actuales estudiados.

En el presente trabajo se ha utilizado una innovadora herramienta rápida para introducir entallas afiladas en probetas DENT de chapa metálica para el ensayo del TEF. El nuevo método para evaluar la tenacidad de fractura de láminas metálicas delgadas ha demostrado ser adecuado para comparar el comportamiento de fractura de diferentes grados de acero endurecidos por presión. Además, permite discernir el diferente comportamiento a fractura de varias microestructuras endurecidas a presión sometidas a diferentes tratamientos térmicos. En particular, HT550FL y HT700FL han mostrado los valores más altos de trabajo esencial de fractura. Esta mejora en la tenacidad de fractura no puede predecirse mediante propiedades mecánicas convencionales como el alargamiento total o el límite elástico, ya que no se correlacionan con las mediciones de resistencia a la fractura obtenidas.

El uso de este procedimiento de entallado rápido puede conducir a una rutina más rápida para evaluar y optimizar la calidad de los materiales de chapa de alta resistencia con una mayor resistencia a la fisuración. Puede considerarse un método útil y rápido para la medición de la tenacidad de fractura que puede contribuir a la selección y/o al desarrollo de aceros endurecidos por prensado con un mejor comportamiento a la fractura y resistencia al impacto.

Agradecimientos

La investigación que ha conducido a estos resultados ha recibido financiación del programa del Fondo de Investigación del Carbón y del Acero de la Unión Europea, en virtud del acuerdo de subvención nº 101034036 - proyecto Tough-Steel.

Referencias

[1] Yoon, J. I. y otros: Correlation between fracture toughness and stretch-flangeability of advanced high strength steels Matter.Lett. 180 (2016) 322-326.

[2] Casellas, D. et al.:Fracture Toughness to Understand Stretch-Flangeability and Edge Cracking Resistance in AHSS. Metall. and Mat. Trans. A 48 (2017) 86-94.

[3] Frómeta, D. et al: Evaluation of Edge Formability in High Strength Sheets Through a Fracture Mechanics Ap-proach. AIP Conference Proceedings 2113, 160007 (2019).

[4] Frómeta, D. et al.On the correlation between fracture toughness and crash resistance of advanced high strength steels. Eng. Frac. Mech. 205 (2019) 319-332.

[5] Frómeta, D. et al: Fracture toughness measurements to understand local ductility of advanced high strength steels. IOP Conf. Ser: Mater. Sci. Eng. (2019) 651 012071

[6] Muñoz, R. et al: Fracture toughness characterization of advanced high strength steels. Int. Deep Drawing Re-search Group (IDDRG) Conference 2011 (Bilbao, España, 5-8 de junio de 2011).

[7] Frómeta, D. et al. Identification of fracture toughness parameters to understand the fracture resistance of advanced high strength sheet steels. Eng. Frac. Mech. 229 (2020) 106949.

[8] Cotterell B y Reddel JK. The essential work of plane stress ductile fracture. Int. J. Fract. (1977) 267-277.

[9] CWA 17793:2021: Test method for determination of the essential work of fracture of thin ductile metallic sheets. cwa17793_2021.pdf (cencenelec.eu)

[10] Frómeta, D y otros: New tool to evaluate the fracture resistance of thin high strength metal sheets. IOP Conf. Ser: Mater. Sci. Eng. 967 (2020) 012088.

[11] Golling, S. y otros: Influence of microstructure on the fracture toughness of hot stamped boron steel. Mat. Sci. and Eng. A 743 (2019) 529-539.