STUDY ON THERMAL AND RHEOLOGICAL PARAMETERS OF HIGH STRENGTH STEELS IN HOT FORMING CONDITIONS

Hot stamping of high strength steels is one of the technological processes, in the field of sheet stamping, that is achieving a major increase in popularity among manufacturers due to the capability of obtaining higher quality products while reducing costs. Its adoption is particularly intense in the automotive industry, where it has enabled to increase the strength-to-weight ratio of several components, thus enabling to reduce vehicles emissions, improving environmental friendliness, and enhance their performance and crash safety, reducing meanwhile the needed material quantities. In this process, the sheet is heated over austenitization temperature and maintained at that temperature until a fully austenitic microstructure is achieved. Then it is transferred from the furnace to the press and there formed and quenched at the same time using cooled dies. Forming at elevated temperature enables to improve formability and reduce springback while obtaining a final shape with particularly elevated mechanical performances. The relatively late increase in popularity of this process has however limited the number of experimental studies performed about it. More than this, the use of elevated temperatures adds a layer of complexity to the process analysis, which therefore requires the design of specific tests. The aim of this work is to analyze and improve the knowledge about two main issues regarding a stamping operation performed at elevated temperatures: the assessment of material formability and the study of the thermal evolution of the sheet under the dies. The analysis of formability is one of the most pressing issues since its proper evaluation is vital for the correct design of a process. Methods using continuum damage mechanics are still too complex for a useful employment in an industrial environment and the more advanced experimental methodologies for formability assessment, such as Nakajima and Marciniak tests, doesn’t take into account sheet temperature and its influence on material properties. In this work an experimental equipment has been specifically developed to perform Nakajima tests at elevated temperatures, recreating on the specimen conditions similar to those achieved during hot stamping. Then an experimental campaign has been performed using such equipment in order to assess the formability of a commonly used ultra high strength steel. Another major issue relative to the analysis of an hot stamping process is the evaluation of the thermal evolution of the sheet inside the dies. The vast majority of studies performed as of today on that purpose were aimed at assessing the process parameters that enabled to reach a fully martensitic microstructure at the end of the stamping operation. This work is aimed at improving such knowledge extending the analyses to the whole spectrum of cooling rates achievable. The possibility of exploiting such knowledge to obtain functionally graded sheets, locally lowering the cooling rates to a point where martensitic transformation is inhibited, has also been investigated, theorizing the use of ceramic die inserts in order to locally reduce the heat transfer coefficient. Two analytical models have been developed on that purpose to individuate the most influencing factors, whose effects were then studied through experimental testing. Finally, the results of the experimental tests were used to validate the numerical results and assess the feasibility of such technique, underlining its limits and its field of application.

Lo stampaggio a caldo di acciai alto resistenziali rappresenta uno dei processi tecnologici, nel campo dello stampaggio di lamiere, che sta riscontrando un sempre maggiore interesse tra i produttori grazie alla capacità di ottenere, attraverso il suo impiego, prodotti di qualità superiore, riducendo nel contempo i costi. La sua adozione è particolarmente significativa nel campo dell’industria automobilistica, dove ha di fatti permesso di aumentare il rapporto resistenza-peso di molti componenti, consentendo quindi di ridurre le emissioni prodotte dai veicoli, riducendone l’impatto ambientale, e di migliorarne performance e sicurezza in caso di impatto, riducendo contemporaneamente le quantità di materiale richiesto. In questo tipo di processo il materiale è riscaldato oltre temperatura di austenizzazione e mantenuto in tali condizioni fino a che una microstruttura completamente austenitica si sia sviluppata nel pezzo. Questo viene quindi trasferito dalla fornace alla pressa e lì formato e temprato contemporaneamente attraverso l’uso di stampi raffreddati. Lo stampaggio a tali temperature permette di migliorare la formabilità e ridurre i fenomeni di ritorno elastico ottenendo a fine stampaggio un pezzo dalle elevate caratteristiche meccaniche. Il relativamente tardo aumento di interesse per questo processo ha limitato tuttavia il numero di studi sperimentali condotti al proposito. Oltre a ciò, l’utilizzo di temperature elevate introduce una serie di complessità relativamente alle analisi sperimentali necessarie per una adeguata comprensione del processo, per la quale è quindi necessario progettare test specifici. L’obiettivo del presente lavoro è l’analisi e il miglioramento delle conoscenze riguardo due problematiche fondamentali relative ad un’operazione di stampaggio effettuata ad elevate temperature: lo studio della formabilità del materiale e dell’evoluzione termica del pezzo all’interno degli stampi. L’analisi della formabilità costituisce uno dei problemi di maggior rilievo in quanto la sua corretta valutazione è un elemento fondamentale per la corretta progettazione del processo. I metodi basati sulla meccanica di danneggiamento del continuo sono ancora troppo complessi per un loro uso proficuo in campo industriale e i più avanzati test per l’analisi della formabilità, come i test Nakajima e Marciniak, non considerano la temperatura della lamiera ne tanto meno la sua influenza sulle proprietà del materiale. In questo lavoro è stato specificatamente sviluppato un apparato sperimentale per l’esecuzione di test Nakajima ad elevate temperature, in modo da ricreare sul provino condizioni simili a quelle reali di processo. Tale apparato è stato quindi utilizzato per condurre una campagna di test al fine di verificare la formabilità di un acciaio alto resistenziale in condizioni di stampaggio a caldo. L’altra problematica considerata è relativa all’analisi dell’evoluzione termica della lamiera all’interno degli stampi. La pressoché totalità degli studi eseguiti ad oggi al proposito ha mirato a valutare i parametri di processo che consentano di ottenere una microstruttura totalmente martensitica a fine processo. Questo lavoro si propone di migliorare la conoscenza degli effetti dei parametri di processo sui profili di raffreddamento ottenibili, proponendo di utilizzarla al fine di ottenere lamiere a gradiente di proprietà meccaniche, andando a ridurre localmente la velocità di raffreddamento e quindi inibendo la formazione di fase martensitica. A tal fine si è valutata l’opportunità di utilizzare inserti ceramici negli stampi in modo da ridurre il coefficiente di scambio termico all’interfaccia. Due modelli numerici sono stati sviluppati in modo da analizzare i fattori più influenti, che sono poi stati studiati attraverso una serie di campagne sperimentali. Infine, i dati ottenuti sono stai comparati con quelli predetti dai modelli numerici e si è valutata la fattibilità di tale tecnica, valutandone i limiti per l’applicazione in campo industriale.