Ensayos de capacidad de conformado que permiten aprovechar al máximo los aceros más resistentes para la industria automotriz

A medida que el acero de ultra alta resistencia (UHSS) se vaya generalizando aún más en aplicaciones automovilísticas, seguirá aumentando la seguridad en caso de colisión, el peso de los componentes se reducirá aún más y muchos OEM aprovecharan sus ventajas. Otros no lo harán. Algunos fabricantes no están sacando el máximo partido al acero de ultra alta resistencia por una sencilla razón: unos resultados de elongación poco satisfactorios en ensayos de tensión de rotura. Se trata de una error común. Existen maneras más precisas de medir la capacidad de conformado del acero de ultra alta resistencia que demuestran que es posible conformarlo de manera fiable en formas complejas.

El problema de los ensayos de tracción

El acero de ultra alta resistencia es un material consolidado en la industria automotriz que se utiliza habitualmente en determinados refuerzos estructurales de la carrocería, refuerzos de parachoques, vigas contra impactos en puertas, así como en las estructura y mecanismos del asiento.

El acero de ultra alta resistencia es responsable de ayudar a alcanzar una puntuación de 5 estrellas en las pruebas de colisión y de reducir el peso de los componentes hasta en un 40%. También permite a los fabricantes de equipos originales reducir costes y aumentar la eficacia de su producción, así como a desarrollar diseños de componentes más innovadores que son más competitivos en el mercado.

A pesar de las ventajas, numerosos OEM siguen eligiendo calidades de acero más blandas perdiendo una ventaja competitiva. El motivo es que, al pensar en la conformabilidad, se basan únicamente en los resultados de elongación de los ensayos de tracción.

"El ensayo de tracción es el más frecuente", explica el Dr. Lars Troive, especialista senior en conformado de SSAB. "La idea es estirar la muestra hasta que se rompe. A continuación, se mida cuánto se ha extendido en longitud. Esto se considera su elongación. Por ejemplo, si la muestra mide 80 milímetros y luego alcanza 88 milímetros antes de agrietarse, representa un 10% de elongación”.

Y continúa explicando: "Aunque el ensayo de tracción ha sido durante mucho tiempo la práctica más común para juzgar la capacidad de conformado del acero, este método no representa correctamente las calidades de acero más resistentes y modernas. Esto se debe a que estos aceros más resistentes se comportan de forma distinta, sufriendo una mayor deformación plástica local en comparación con las calidades más blandas convencionales”.

Una manera más precisa de predecir el comportamiento del acero de ultra alta resistencia es mediante la creación de un diagrama límite de conformado o FLD, también conocido como curva límite de conformado. Un solo FLD proporciona una descripción gráfica de varios ensayos de fallo de materiales realizados, es decir, ensayos de copa perforada, utilizando muestras de distintas geometrías. Cada muestra (es decir, la pieza en bruto de acero) posee una relación anchura-longitud única que resulta en distintos modos de deformación hasta que falla. Se deformarán de manera distinta, con su propia trayectoria de deformación.

Antes de realizar un ensayo FLD, cada muestra se pinta primero de color blanco y, a continuación, se cubre de puntos negros distribuidos aleatoriamente mediante pintura en aerosol formando un ‘patrón de moteado’. El color blanco de referencia se aplica para obtener un buen contraste con el patrón negro.

Durante los ensayos, el patrón de moteado se fotografía con dos cámaras integradas en la prensa. Las cámaras capturan los movimientos de cada punto durante toda la operación de conformado, lo que permite estimar la trayectoria de tensión hasta el fallo. A medida que se realiza el ensayo de copa perforada en cada una de las distintas geometrías (piezas en bruto), se obtienen dos valores para cada ensayo: las tensiones principales y menores. A continuación, se traza el FLD en un diagrama X e Y con una línea que conecta todos los valores de tensión obtenidos. Esta curva representa el límite de conformado en el que el acero tiene un alto riesgo de romperse (formación de grietas).

patrón de puntos aleatorios
tensiones mayores y menores representadas en un diagrama de límites de conformado

Figura 1: patrón de puntos aleatorios (imagen de la izquierda) y tensiones mayores y menores representadas en un diagrama límite de conformado (FLD por sus siglas en inglés; imagen de la derecha).

En otras palabras, la capacidad de conformado determina hasta dónde puede llegar en el proceso de conformado antes de que el acero se agriete, dependiendo del estado de tensión y de la forma en que se deforma el material.

Para ver las pruebas de que el acero de ultra alta resistencia se puede conformar mucho más allá de lo que indican los valores de elongación, vea los casquillos de la Figura 2.

casquillos fabricados en una gama de aceros de ultra alta resistencia muy blandos

Figura 2: casquillos fabricados en una gama de aceros que van de muy blandos a aceros de ultra alta resistencia, por ejemplo, 1400M con una tensión de rotura de 1400 MPa.

Resultados de ensayos de conformado de acero UHSS más precisos

"Visualmente, una muestra fina del ensayo de FLD se conforma casi de la misma manera que la muestra del ensayo de tracción", explica Troive. "Se estrecha en el centro cuando se tira, al igual que la muestra del ensayo de tracción. Esto se conoce como ‘deformación uniaxial’. Entonces, ¿por qué difiere el resultado del ensayo de elongación del resultado del ensayo de FLD?"

"Realizamos un sencillo ensayo. Aplicamos un patrón de cuadrícula cuadrada de 2 x 2 mm de tamaño sobre una muestra para ensayos de tracción y lo medimos después del fallo", continúa Troive. "Lo que sucede en una distancia de 2 milímetros, en términos porcentuales, es mucho mayor en comparación con lo que sucede en una longitud de 80 milímetros, que es la medida utilizada en los ensayos de tracción, donde la extensión total en milímetros se divide por 80 milímetros dando como resultado la elongación media en esta longitud".

Tensión local en 2 milímetros

Figura 3: por ejemplo, una tensión local superior a 2 milímetros (la cuadrícula) es mucho mayor en términos porcentuales que lo que se indica al someter a ensayo el mismo acero UHSS en una expansión de 80 milímetros, como se hace comúnmente en los ensayos de tracción.

Esto explica por qué los dos ensayos (tracción y diagrama límite de conformado) ofrecen unos resultados muy distintos, lo que conduce a su vez a conclusiones muy distintas sobre cuánto se puede conformar un acero UHSS.

 

Interpretación de un diagrama límite de conformado (FLD, por sus siglas en inglés)

Como un FLD ofrece los datos más precisos sobre cómo se puede conformar una calidad específica de acero de ultra alta resistencia, resulta esencial comprender cómo interpretar los resultados.

En la actualidad, la industria automotriz utiliza normalmente las simulaciones de elementos finitos (FE, por sus siglas en inglés) del proceso de conformado. En base a esto, el FLD es una herramienta muy importante, ya que es capaz mostrar si las tensiones calculadas se encuentran dentro de la región de conformado seguro o si están próximas al fallo.

El FLD se puede dividir en tres partes:

  • Equibiaxial (estiramiento) a la derecha.
  • Tensión plana en el centro.
  • Cizallamiento puro (tracción) a la izquierda.

Troive explica que: "El FLD intenta ofrecer una descripción gráfica de una serie de ensayos de fallo del material con distintas trayectorias de tensión. Básicamente, la zona por debajo de la curva límite de conformado se considera segura para las operaciones de conformado. Es habitual reducir algo la curva para disponer de un margen de posible dispersión debida a variaciones menores en el proceso de estampado o a las propiedades del material. Los FLD se utilizan ampliamente como criterios de fractura para simulaciones de conformado o mediciones de tensión".

"Sin embargo, hay algunos casos en los que el FLD no puede predecir el fallo. Uno de ellos son los bordes cortados. La ductilidad de los bordes cortados depende mucho de cómo se cortó la pieza en bruto. Por ejemplo, ¿se ha utilizado la distancia de corte correcta? ¿Las herramientas estaban afiladas? Y así, sucesivamente. En este caso, en su lugar confiamos en un ensayo práctico y comparamos los resultados con el nivel de tensión en el borde", explica Troive. (Para obtener más información, consulte el seminario web bajo demanda sobre Docol® "Estrategias para la solución de problemas de ductilidad de bordes del acero AHSS")

Los distintos tipos de formas y conformado forzarán al material a deformarse de diferentes maneras. En general, el peor escenario es cuando una pieza se conforma en una condición de tensión plana pura. Un sencillo plegado es un ejemplo de este tipo de operación de conformado, que resulta en la trayectoria de tensión más corta hasta el fallo. A veces es posible cambiar una trayectoria de tensión. Una forma puede ser algo tan sencillo como optimizar la geometría de la pieza en bruto para evitar que el material se atasque, de modo que se ejerce tracción en el material en lugar de estirarlo.

 

Comparación de los resultados de los ensayos de tracción y diagrama límite de conformado

Históricamente, los fabricantes de automóviles han trabajado mucho con acero más blando y los resultados entre los ensayos de tracción y los del diagrama límite de conformado fueron bastante similares. Dicho esto, el ensayo de tracción fue, históricamente, el más utilizado y, por lo tanto, el más extendido. El riesgo de utilizar solo el ensayo de tracción es que se pierdan oportunidades para utilizar un acero más resistente. Lars Troive lo explica:

"Si solo se miran los datos del ensayo de tracción, se podría pensar que todo es imposible. En cambio, si analizamos la capacidad de conformado, estamos hablando de un aumento de casi el 100%, por ejemplo, del 10 a 20% del área actual destinada a un proceso de conformado. Para una aplicación de la industria automotriz, surgen diversas posibilidades al observar el diagrama límite de conformado en lugar de mirar solo la elongación".


Ensayo de tensión de rotura A80 (cuadros blancos) y ensayo de FLD de 2 mm (cuadros grises) (resultados en %).

Figura 4: Ensayo de tensión de rotura A80 (cuadros blancos) y ensayo de FLD de 2 mm (cuadros grises) (resultados en %).

Al trazar los resultados de elongación de un ensayo de tensión de rotura y los de un ensayo de conformado, la diferencia se puede ver fácilmente a medida que aumenta la resistencia del acero.

 

Prueba real de la capacidad de conformado del acero UHSS

Muchos OEM de la industria automotriz ya confían en los datos del FLD a la hora de elegir los materiales. Por lo tanto, ya existen pruebas de que el acero de ultra alta resistencia con una tensión de rotura extremadamente alta puede conformarse en las aplicaciones que ya se utilizan en la industria automotriz.

Por ejemplo, Shape Corp. ha creado tubos de rieles de techo y pilares A más ligeros, resistentes y que aprovechan mejor el espacio mediante laminado 3D del acero martensítico Docol® de 1700 MPa. Estos diseños más compactos aumentan el espacio interior y la visibilidad del conductor a la vez que optimizan la ubicación de los airbags en el Ford Explorer 2020 y el Escape 2020.

Ventajas adicionales de aprovechar las ventajas que ofrecen los aceros de mayor resistencia

Además de ofrecer un mayor rendimiento en colisiones y una reducción de peso, la opción optimizada que ofrece el acero de ultra alta resistencia puede proporcionar a los fabricantes de automóviles otras ventajas valiosas:

  1. Menos materiales utilizados: Las propiedades únicas técnicas y de resistencia del acero de ultra alta resistencia también pueden permitir a los OEM reducir la cantidad de material necesario para fabricar un componente del automóvil reduciendo el espesor de sus paredes.
  2. Materiales que cuestan menos: Los aceros de ultra alta resistencia pueden ser mucho más rentables que otros materiales ligeros de alta resistencia, tanto sobre la base de los costes de material como de conformado.
  3. Conformado más económico: Aunque es posible que tenga que invertir en herramientas más resistentes que las necesarias para aceros más blandos, los aceros UHSS se suelen conformar con equipos de producción convencionales, lo que le permite aprovechar la maquinaria que ya posee.
  4. Conformado más rápido con menos energía: Es posible que pueda sustituir el acero al boro estampado en caliente por aceros AHSS conformados en frío. Ahorrará dinero al no necesitar complejas matrices de estampado en caliente (que también requieren mucha energía para calentarlas y enfriarlas) y acelerará el tiempo de producción.
  5. Soldabilidad: Numerosos aceros de ultra alta resistencia se pueden soldar utilizando procesos de soldadura estándar gracias a su sencilla composición química.

 

Maximice el potencial de diseño de sus piezas para la industria automotriz

Elegir acero de ultra alta resistencia para componentes de la industria automotriz ofrece grandes posibilidades de innovación. Sin embargo, confiar únicamente en los datos de elongación de los ensayos de tracción para juzgar la capacidad de conformado resultará en la elección de un acero más blando y en la pérdida de oportunidades de mejora. En su lugar, analice el diagrama límite de conformado para asegurarse de que saca el máximo partido a su elección de acero de ultra alta resistencia.

¿Le gustaría aprovechar de la experiencia de SSAB para ayudarle a determinar si un acero UHSS específico ofrece la capacidad de conformado necesaria para su aplicación de la industria automotriz? Entonces, póngase en contacto con el representante local de Docol® .

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