Modelling the Influence of Phase Transformation Kinetics in 22MnB5 Hot Stamping

Sheet metal forming has gained, over the last years, more and more importance since the automotive industry is demanding very specific characteristic for the new generation of components of the car body-in-white. The requirements of more lightness for enhancing the fuel saving is becoming a key factor for the design of new components, but the lightness must be coupled with a high mechanical resistance to grant the passengers’ safety. One of the most effective ways to meet these requirements has been the use of new generations of High Strength Steels (HSS), whose mechanical properties can be enhanced by thermal treatments. Direct hot stamping has represented an effective solution to do that, due to the possibility to shorten the process chain of many sheet metal parts typical of the car body-in-white. Thinner sheets have been used for the manufacturing of many automotive parts, granting the desired lightness and high resistance, to obtain the crashworthiness necessary to protect the passengers of the vehicle. Hot stamping is, nowadays, widely applied in the automotive industry, but the research in this field is still of high interest between the academic environment. This is because the process involves a large series of parameters that have to be accurately understood to enhance the performances and the complexity of the stamped parts. Since the initial heating to the last quenching step, the material undergoes a series of microstructural and mechanical transformations, whose optimization and right timing govern the final characteristic of the final component. In parallel to the industrial development work, a large branch of academic and scientific research is focused on the numerical modelling of the process which reveals of fundamental importance for the process design and optimization. The present work stands in the framework of the researches in the field of the hot stamping process. The material investigated in this work is the AluSi® pre-coated quenchable steel 22MnB5, well known with the commercial name of Usibor 1500P®. The complete characterization of this material aims to fill the lack in literature about testing in hot condition the material flow stress of all the microstructural phases, proposing a fitting model capable to describe the mechanical behaviour in the FE models. The formability in hot conditions is studied as well, analysing the effect of the temperature and microstructure on the resultant Forming Limit Curve (FLC). The phase transformation kinetics was studied, confirming the literature and giving the motivation for this work. Finally, the damage criterion Generalized Incremental Stress-State dependent damage MOdel (GISSMO) was calibrated. The whole experimental activity was coupled with numerical simulations, for the necessary data analysis and calibration. The work presented in this thesis has been carried out at the DII laboratories of the University of Padova, from October 2016 to September 2019 under the supervision of Prof. Andrea Ghiotti. This work was carried out within the framework of the University Research Project “Advanced CAE method to predict failure and material properties in hot forming” ref. 2014-4050 URP Award developed in cooperation with Ford Motor Company GMBH.La deformazione di lamiere sta guadagnando, negli ultimi anni, sempre più importanza dal momento che l’industria automobilistica sta richiedendo caratteristiche molto specifiche per la nuova generazione di componenti per la scocca. Le richieste di leggerezza per aumentare il risparmio di carburante sta diventando un fattore chiave per il design di nuovi componenti, ma la leggerezza deve necessariamente essere accoppiata con l’alta resistenza meccanica per garantire la sicurezza dei passeggeri. Uno dei metodi più efficaci per incontrare tali richieste è stato l’utilizzo della nuova generazione di acciai alto resistenziali (HSS), le cui proprietà meccaniche possono essere migliorate grazie ai trattamenti termici. Lo stampaggio a caldo diretto rappresenta una soluzione efficace per questo scopo, grazie alla possibilità di accorciare la catena di processo di molti componenti metallici della scocca dell’auto. Lamiere più sottili vengono impiegate per la produzione di molte parti dell’auto, garantendo le desiderate leggerezza e alta resistenza, per ottenere la resistenza agli urti necessaria a proteggere i passeggeri del veicolo. Lo stampaggio a caldo è, oggigiorno, ampiamente applicato nell’industria automobilistica, ma la ricerca in questo campo è ancora di alto interesse nell’ambiente accademico. Questo è dovuto al fatto che lo stampaggio a caldo coinvolge un’ampia serie di parametri che devono essere accuratamente compresi per migliorare il potenziale del processo e la complessità delle parti stampate. A partire dal primo stage di riscaldamento all’ultima fase di tempra, il materiale subisce una serie di trasformazioni microstrutturali e meccaniche, la cui ottimizzazione e il loro corretto timing controlla le caratteristiche finali del componente. Parallelamente al lavoro di ricerca sperimentale, una grande branca della ricerca è volta allo studio delle simulazioni numeriche che sono di fondamentale importanza per simulare il processo e ottimizzarne ogni step. Il presente lavoro si inquadra nella ricerca nell’ambito dello stampaggio a caldo. Il materiale studiato in questo lavoro è l’acciaio temprabile 22MnB5 rivestito da AluSi®, conosciuto commercialmente con il nome di Usibor 1500 P®. La completa caratterizzazione del materiale ha come scopo di coprire le mancanze nella letteratura nell’ambito dei test ad alta temperatura sulla reologia di tutte le microstrutture, proponendo un modello di fitting per rappresentare i dati nei modelli FE. La formabilità ad alta temperatura è altresì soggetto di studio, analizzando gli effetti della temperatura e della microstruttura nella risultante curva limite di formabilità (FLC). La cinetica di trasformazione di fase è stata oggetto di studio, confermando i dati presentati in letteratura e fornendo le basi per questo lavoro. Infine, il nuovo modello di danneggiamento Generalized Incremental Stress-State dependent damage MOdel (GISSMO) è stato calibrato. L’intera attività sperimentale è stata affiancata alle simulazioni numeriche, per la necessità dell’analisi e calibrazione dei dati. Il lavoro presentato in questa tesi è stato portato avanti nei laboratori del Dipartimento di Ingegneria Industriale, DII, dell’università di Padova, da ottobre 2016 a settembre 2019 sotto la supervisione del prof. Andrea Ghiotti. Questo lavoro è parte del progetto di ricerca dell’Università chiamato “Advanced CAE method to predict failure and material properties in hot forming” ref. 2014-4050 URP Award, sviluppato in collaborazione con Ford Motor Company GMBH