Test di formabilità che consentono di sfruttare pienamente gli acciai per l'industria automobilistica più resistenti

Il problema delle prove di trazione

L'acciaio ultra altoresistenziale è un materiale consolidato nell'industria automobilistica ed è comunemente impiegato in determinati rinforzi strutturali, rinforzi dei paraurti, barre antiurto per portiere, nonché telai e meccanismi dei sedili.

L'acciaio ultra altoresistenziale ha il compito di contribuire a raggiungere valutazioni di collisione a 5 stelle e di ridurre fino al 40% il peso dei componenti. Consente inoltre agli OEM di ridurre i costi e di incrementare l'efficienza di produzione, progettando al contempo componenti più innovativi e più competitivi sul mercato.

Nonostante i vantaggi, molti OEM optano ancora per qualità di acciaio più morbide perdendo vantaggi competitivi. Il motivo è che si affidano esclusivamente ai risultati di allungamento delle prove di trazione in merito alla formabilità.

"La prova di trazione è quella più usata", spiega il Dott. Lars Troive, Specialista di formatura senior presso SSAB. "L'idea è quella di separare il campione fino alla frattura. Quindi si misura di quanto si è allungato. Questo è considerato il suo allungamento. Ad esempio, se il campione misura 80 millimetri e poi diventa 88 millimetri prima di rompersi, rappresenta un allungamento del 10%."

E poi prosegue: "Anche se la prova di trazione è da tempo la pratica più comune per valutare la formabilità dell'acciaio, le moderne qualità di acciaio più resistenti non sono rappresentate correttamente con questo metodo. Questo perché tali acciai più resistenti si comportano in modo diverso, con una maggiore deformazione plastica locale rispetto alle qualità convenzionali più morbide."

Un modo più accurato di prevedere il comportamento dell'acciaio ultra altoresistenziale è creare un diagramma dei limiti di formatura (FLD), noto anche come curva dei limiti di formatura. Un singolo FLD fornisce una descrizione grafica di diverse prove eseguite sui difetti dei materiali, ad esempio prove a cupola forata, utilizzando diverse geometrie di campioni. Ogni campione (ad es. pezzo grezzo di acciaio) ha un rapporto larghezza-lunghezza unico che comporta diverse modalità di deformazione fino alla rottura. Si deformeranno in modo diverso, con un proprio percorso di deformazione.

Prima di eseguire un test FLD, ogni campione viene prima verniciato in bianco e poi coperto da punti neri distribuiti casualmente mediante verniciatura a spruzzo in un "modello a macchie". Il colore bianco della base viene applicato per ottenere un buon contrasto con il motivo nero.

Durante le prove, il modello a macchie viene fotografato da due telecamere integrate nella pressa. Le telecamere catturano i movimenti di ogni punto durante l'intera operazione di formatura, consentendo così di stimare il percorso di deformazione fino alla rottura. Quando si esegue il test della cupola forata su ciascuna delle diverse geometrie (di pezzi grezzi), si otterranno due valori per ogni prova: la deformazione principale e quella minore. L'FLD viene quindi tracciato in uno schema X e Y, con una linea che collega tutte le valvole di deformazione ottenute. Questa curva rappresenta il limite di formatura in cui l'acciaio è ad alto rischio di rottura (cricche).

Figura 1: schema a punti casuali (immagine a sinistra) e deformazione maggiore e minore tracciati su un diagramma dei limiti di formatura (FLD; immagine a destra).

In altre parole, la prova di formabilità determina quanto si può andare avanti durante la formatura prima che l'acciaio si rompa, a seconda dello stato di deformazione e del modo in cui il materiale viene deformato.

Per vedere la prova che l'acciaio ultra altoresistenziale può essere formato ben oltre quanto indicato dai valori di allungamento, basta guardare le coppe disegnate nella Figura 2.

Figura 2: tazze disegnate in una gamma di acciai da molto morbidi a ultra altoresistenziali, ad esempio 1400M con un carico di rottura di 1400 Mpa.

Risultati delle prove di formatura UHSS più accurati

"Visivamente, un campione sottile delle prove di FLD si forma quasi allo stesso modo del campione della prova di trazione," afferma Troive. "Si restringe al centro quando viene tirato, proprio come il campione sottoposto a prova di trazione; questo fenomeno è definito 'deformazione monoassiale'. Quindi perché il risultato della prova di allungamento differisce dal risultato della prova FLD?"

"Facciamo un semplice test, applicando un modello a quadri a griglia, di 2 mm per 2 mm, su un campione sottoposto a prova di trazione, misurato dopo la rottura," continua Troive. "Ciò che accade su una distanza di 2 millimetri, in termini percentuali, è molto più grande rispetto a ciò che si verifica su una lunghezza di 80 millimetri: la misura utilizzata nelle prove di trazione, dove l'estensione totale in millimetri è divisa per 80 millimetri, il che significa un allungamento medio su questa lunghezza."

Figura 3: ad esempio, una deformazione locale del 20% superiore a 2 millimetri (la griglia) è molto maggiore in percentuale rispetto a quanto indicato dal test dello stesso acciaio UHSS su un'estensione di 80 millimetri, come comunemente eseguito nella prova di trazione (tiro).

Questo spiega perché i due test (di trazione e FLD) differiscono così tanto nei risultati, portando a conclusioni molto diverse su quanto si possa formare un acciaio UHSS.

Interpretazione di un FLD

Poiché un FLD fornisce i dati più precisi su come può essere formata una qualità specifica di acciaio ultra altoresistenziale, è fondamentale comprendere come interpretare i risultati.

Oggi, le simulazioni degli elementi finiti (FE) del processo di formatura sono molto utilizzate dall'industria automobilistica. Sulla base di ciò, l'FLD è uno strumento molto importante, in quanto è in grado di mostrare se le tensioni calcolate rientrano nella zona di formatura sicura o se sussiste il rischio di rottura.

L'FLD può essere suddiviso in tre parti:

• Equibiassiale (allungamento) a destra.
• Deformazione piana al centro.
• Tranciatura pura (estrazione) a sinistra.

Troive spiega: "Il diagramma FLD cerca di fornire una descrizione grafica di una serie di prove di rottura dei materiali con diversi percorsi di deformazione. Fondamentalmente, l'area al di sotto della curva limite di formatura è considerata sicura per le operazioni di formatura. È normale abbassare leggermente la curva per avere un margine di possibile dispersione, a causa di piccole variazioni nel processo di stampaggio o nelle proprietà dei materiali. Gli FLD sono ampiamente utilizzati come criteri di frattura per simulazioni di formatura o misure di deformazione."

"Tuttavia, in alcuni casi l'FLD non è in grado di prevedere le rotture. Uno di essi è costituito dai bordi rifilati. La duttilità dei bordi rifilati dipende molto dal modo in cui il pezzo grezzo è stato tagliato. Ad esempio, è stata utilizzata la distanza di taglio corretta? Gli utensili erano affilati? E così via. In questo caso, ci affidiamo invece a una prova pratica e confrontiamo i risultati con il livello di deformazione sul bordo," spiega Troive. (Per maggiori informazioni, guarda il webinar on demand su Docol^® "Approcci per risolvere i problemi legati alla duttilità di bordo".)

Diversi tipi di forme e formature costringeranno il materiale a deformarsi in modi diversi. In generale, lo scenario peggiore è quando una parte è formata in condizioni di pura deformazione piana. La semplice piegatura è un esempio di questo tipo di operazione di formatura, che si traduce nel percorso di deformazione più breve per la rottura. A volte è possibile modificare un percorso di deformazione. Un modo può essere quello di ottimizzare la geometria del pezzo grezzo, così da evitare che il materiale si blocchi, in modo da essere estratto anziché allungato.

Confronto dei risultati delle prove di trazione e FLD

Storicamente, le case automobilistiche lavorano da molto con l'acciaio più morbido e i risultati tra le prove di trazione e FLD sono sempre stati abbastanza simili. Detto questo, la prova di trazione è storicamente più consolidata e quindi più diffusa. Il rischio derivante solo dall'utilizzo della prova di trazione è che si perdono le opportunità di utilizzare l'acciaio più resistente. Lars Troive spiega:

"Se si osservano solo i dati relativi alla prova di trazione, si potrebbe pensare che tutto è impossibile. Se invece si considera la formabilità, stiamo parlando di un aumento pari a quasi il 100%, ad esempio da 10 a 20 sull'area effettiva destinata a un processo di formatura. Per un'applicazione automobilistica, si presentano diverse possibilità guardando il diagramma dei limiti di formatura anziché solo l'allungamento."

Figura 4: una prova di trazione₈₀ (quadrati bianchi) e una prova FLD 2 mm (quadrati grigi) (risultati in %).

Quando si tracciano sia i risultati dell'allungamento derivanti da una prova del carico di rottura e i risultati di una prova di formatura, la differenza può essere facilmente osservata all'aumentare della resistenza dell'acciaio.

Prova reale della formabilità di UHSS

Molti OEM del settore automobilistico si affidano già ai dati FLD per la scelta dei materiali. Pertanto, abbiamo già la prova che l'acciaio ultra altoresistenziale con un carico di rottura estremamente elevato può essere formato nelle applicazioni automobilistiche.

Ad esempio, Shape Corp. ha creato tubi per supporti del tetto e montanti A più leggeri, più resistenti e più efficienti in termini di spazio grazie alla profilatura in 3D dell'acciaio martensitico Docol^® da 1700 MPa. Queste progettazioni più compatte aumentano lo spazio interno e la visibilità del conducente, ottimizzando al contempo la collocazione degli airbag nella Ford 2020 Explorer e nella 2020 Escape.

Ulteriori vantaggi derivanti dall'utilizzo di acciai di resistenza superiore

Oltre a consentire prestazioni di crash superiori e una riduzione del peso, la scelta ottimizzata dell'acciaio ultra altoresistenziale può fornire alle case automobilistiche altri preziosi vantaggi:

1. Meno materiali utilizzati: l'esclusiva resistenza e le proprietà tecniche dell'acciaio ultra altoresistenziale possono consentire agli OEM di ridurre la quantità di materiale necessario per la produzione di un componente automobilistico utilizzando pareti più sottili.
2. Materiali meno costosi: gli acciai ultra altoresistenziali possono essere molto più convenienti rispetto ad altri materiali leggeri ad alta resistenza, sia in termini di costi del materiale che di costi di formatura.
3. Meno costosi da formare: anche se potrebbe essere necessario investire in componenti per utensili più resistenti rispetto agli acciai più morbidi, gli acciai UHSS si formano tipicamente utilizzando attrezzature di produzione convenzionali, consentendo così di sfruttare i macchinari che già si possiedono.
4. Formatura più rapida, con meno dispendio di energia: potresti essere in grado di sostituire l'acciaio al boro stampato a caldo con acciai AHSS formati a freddo. Risparmi denaro evitando complesse matrici per stampaggio a caldo (che richiedono anche molta energia per il riscaldamento e il raffreddamento) accelerando contemporaneamente i tempi di produzione.
5. Saldabilità: molti acciai ultra altoresistenziali possono essere saldati utilizzando processi di saldatura standard grazie alla loro composizione chimica snella.

Massimizza il potenziale di progettazione dei tuoi componenti automobilistici

Quando si sceglie l'acciaio ultra altoresistenziale per componenti automobilistici, le possibilità di innovazione sono enormi. Tuttavia, affidandosi solo ai dati di allungamento delle prove di trazione per valutare la formabilità, si otterrà un acciaio più morbido e si perderanno le opportunità di miglioramento. Consulta invece il diagramma dei limiti di formatura per assicurarti di ottenere il massimo dall'acciaio ultra altoresistenziale scelto.

Ti piacerebbe approfittare delle competenze di SSAB per determinare se un acciaio UHSS specifico è sufficientemente formabile per la tua applicazione automobilistica? Contatta il tuo rappresentante Docol^® di zona.