Journal of Physics: Conference Series

Lightweight designs and demanding safety requirements in automotive industry are increasingly promoting the use of Advanced High Strength Steel (AHSS) sheets. Such steels present higher strength (above 800 MPa) but lower ductility than conventional steels. Their great properties allow the reduction of the thickness of automobile structural components without compromising the safety, but also introduce new challenges to parts manufacturers. The fabrication of most cold formed components starts from shear cut blanks and, due to the lower ductility of AHSS, edge cracking problems can appear during forming operations, forcing the stop of the production and slowing down the industrial process. Forming Limit Diagrams (FLD) and FEM simulations are very useful tools to predict fracture problems in zones with high localized strain, but they are not able to predict edge cracking. It has been observed that the fracture toughness, measured through the Essential Work of Fracture (EWF) methodology, is a good indicator of the stretch flangeability in AHSS and can help to foresee this type of fractures. In this work, a serial production automotive component has been studied. The component showed cracks in some flanged edges when using a dual phase steel. It is shown that the conventional approach to explain formability, based on tensile tests and FLD, fails in the prediction of edge cracking. A new approach, based on fracture mechanics, help to solve the problem by selecting steel grades with higher fracture toughness, measured by means of EWF. Results confirmed that fracture toughness, in terms of EWF, can be readily used as a material parameter to rationalize cracking related problems and select AHSS with improved edge cracking resistance.Peer ReviewedPostprint (published version

Identification of fracture toughness parameters to understand the fracture resistance of advanced high strength sheet steels

The fracture toughness of four advanced high strength steel (AHSS) thin sheets is evaluated through different characterization methodologies, with the aim of identifying the most relevant toughness parameters to describe their fracture resistance. The investigated steels are: a Complex Phase steel, a Dual Phase steel, a Trip-Aided Bainitic Ferritic steel and a Quenching and Partitioning steel. Their crack initiation and propagation resistance is assessed by means of J-integral measurements, essential work of fracture tests and Kahn-type tear tests. The results obtained from the different methodologies are compared and discussed, and the influence of different parameters such as specimen geometry or notch radius is investigated. Crack initiation resistance parameters are shown to be independent of the specimen geometry and the testing method. However, significant differences are found in the crack propagation resistance values. The results show that, when there is a significant energetic contribution from necking during crack propagation, the specific essential work of fracture (we) better describes the overall fracture resistance of thin AHSS sheets than JC. In contrast, energy values obtained from tear tests overestimate the crack propagation resistance and provide a poor estimation of AHSS fracture performance. we is concluded to be the most suitable parameter to describe the global fracture behaviour of AHSS sheets and it is presented as a key property for new material design and optimization.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Design and development of complex phase steels with improved combination of strength and stretch-flangeability

This study presents the design and development of a hot-rolled bainitic steel, presenting a good combination of strength and stretch-flangeability, for automotive applications. Ti, Nb, and Mo were added in the steel composition in order to control austenite grain sizes, enhance precipitation hardening, and promote the formation of bainite. This study focuses on the effect of process parameters on final microstructures and mechanical properties. These parameters are the finishing rolling temperature, which conditions the austenite microstructure before its decomposition, and the coiling temperature, which conditions the nature and morphology of the ferritic phases transformed. A preliminary study allowed to determine the austenite grain growth behavior during reheating, the recrystallization kinetics, and the continuous cooling transformation curves of the studied steel. Then, a first set of parameters was tested at a semi-industrial scale, which confirmed that the best elongation properties were obtained for homogeneous bainitic lath/granular microstructures, that can be produced by choosing a coiling temperature of 500 °C . When choosing those parameters for the final industrial trial, the microstructure obtained consisted of a homogeneous lath/granular bainite mixture that presented a Ultimate Tensile Strength of 830 MPa and a Hole Expansion Ratio exceeding 70%.Peer ReviewedPostprint (published version

Increment de la resistència al desgast en acers Maraging mitjançant tècniques de modificació superficial

Durant els darreres anys s’ha potenciat la investigació d’acers d’alta resistència per tal de millorar la seguretat dels vehicles i reduir-ne el pes ja que al presentar majors resistències mecàniques permet disminuir l’espessor de paret. Un dels inconvenients associats a aquests acers és que al presentar unes resistències mecàniques tant elevades les eines que s'utilitzen per conformar-los sovint experimenten un desgast o fallida prematura. Una de les famílies d’acers que s’han estat contemplant com a alternativa als acers de treball en fred comunament utilitzats per conformar acers d’alta resistència són els ACERS MARAGING. Aquests acers es caracteritzen per presentar un elevat límit elàstic combinat amb una excel·lent tenacitat. Aquestes propietats són idònies per tal de fabricar eines amb una durabilitat superior a la mitjana però presenten un gran inconvenient, la seva resistència al desgast és molt baixa comparada amb els acers de treball en fred convencionals. Durant l’execució d’aquest projecte final de carrera s’ha avaluat la resistència al desgast dels acers maraging i possibles estratègies de modificació superficial a seguir per tal d’incrementarla. Les modificacions superficials que s’han seguit són la nitruració i la deposició de recobriments durs utilitzant dues tècniques diferents: el PVD (Physical Vapour Deposition) i el CVD (Chemical Vapour Deposition), també s’ha realitzat el tractament combinat de nitruració més PVD anomenat Dúplex . Els resultats obtinguts s’han comparat amb els obtinguts per l’acer de treball en fred més utilitzat, el 1.2379. S’ha portat a terme la caracterització dels sistemes acer-recobriment obtinguts amb les diferents tècniques de modificació superficial. S’ha avaluat la duresa, l’adherència, el gruix i la resistència al desgast dels diferents sistemes. Amb l’execució d’aquest projecte final de carrera s’ha aconseguit aplicar tècniques de modificació superficial a l’acer maraging per tal d’augmentar-ne considerablement la resistència al desgast contra acers d’alta resistència. La resistència al desgast obtinguda als acers maraging és comprable a la que presenta l’acer 1.2379

Increment de la resistència al desgast en acers Maraging mitjançant tècniques de modificació superficial

Durant els darreres anys s’ha potenciat la investigació d’acers d’alta resistència per tal de millorar la seguretat dels vehicles i reduir-ne el pes ja que al presentar majors resistències mecàniques permet disminuir l’espessor de paret. Un dels inconvenients associats a aquests acers és que al presentar unes resistències mecàniques tant elevades les eines que s'utilitzen per conformar-los sovint experimenten un desgast o fallida prematura. Una de les famílies d’acers que s’han estat contemplant com a alternativa als acers de treball en fred comunament utilitzats per conformar acers d’alta resistència són els ACERS MARAGING. Aquests acers es caracteritzen per presentar un elevat límit elàstic combinat amb una excel·lent tenacitat. Aquestes propietats són idònies per tal de fabricar eines amb una durabilitat superior a la mitjana però presenten un gran inconvenient, la seva resistència al desgast és molt baixa comparada amb els acers de treball en fred convencionals. Durant l’execució d’aquest projecte final de carrera s’ha avaluat la resistència al desgast dels acers maraging i possibles estratègies de modificació superficial a seguir per tal d’incrementarla. Les modificacions superficials que s’han seguit són la nitruració i la deposició de recobriments durs utilitzant dues tècniques diferents: el PVD (Physical Vapour Deposition) i el CVD (Chemical Vapour Deposition), també s’ha realitzat el tractament combinat de nitruració més PVD anomenat Dúplex . Els resultats obtinguts s’han comparat amb els obtinguts per l’acer de treball en fred més utilitzat, el 1.2379. S’ha portat a terme la caracterització dels sistemes acer-recobriment obtinguts amb les diferents tècniques de modificació superficial. S’ha avaluat la duresa, l’adherència, el gruix i la resistència al desgast dels diferents sistemes. Amb l’execució d’aquest projecte final de carrera s’ha aconseguit aplicar tècniques de modificació superficial a l’acer maraging per tal d’augmentar-ne considerablement la resistència al desgast contra acers d’alta resistència. La resistència al desgast obtinguda als acers maraging és comprable a la que presenta l’acer 1.2379

Preparació i caracterització de capes fines de materials moleculars orgànics derivats del tetratiafulvalè

[cat] El descobriment i desenvolupament de materials moleculars orgànics (MMO) conductors, superconductors i magnètics ha comportat el naixement d'una nova disciplina científica pluridisciplinar: l'enginyeria de cristalls moleculars. Les propietats físiques i químiques d'aquests materials es poden modular mitjançant modificacions en la estructura molecular per tal d'optimitzar les propietats. L'aplicabilitat d'aquests materials depèn de la possibilitat d'obtenir recobriments en forma de capa fina. En la majoria de sals de transferència de càrrega (CT) de MMO els donadors són derivats del TXF (X = S ó Se). Per aquest motiu, es va decidir realitzar un ampli estudi fonamental dels derivats neutres funcionalitzats d'aquesta molècula obtinguts en forma de capa fina mitjançant l'evaporació tèrmica en alt buit (posant dos equips d'evaporació a punt). L'any 2000, el Dr. J. H. Schön i col. van publicar treballs on mostraven que alguns MMO neutres presentaven conductivitat i superconductivitat sota efecte de camp (part d'aquests resultats s'ha demostrat que són falsos). Donada la nostra situació privilegiada ja que disposàvem de la instrumentació i experiència adequades, es va decidir aplicar els derivats neutres estudiats, en OFETs (Organic Field Effect Transistors). S'han preparat capes fines d'elevada qualitat cristal·linitat. Permetent, en el TTF-TCNQ (Cap. 3), realitzar mesures de resistivitat on s'ha observat clarament la transició de Peierls. Un augment moderat (aprox. 10-25K) de TS (temperatura de substrat) durant el dipòsit comporta, en general, un increment notable de Lm (longitud màxima mitjana dels microcristalls) i de l'orientació de les capes respecte al substrat. Aquest augment es deu a que les interaccions intermoleculars i substrat-molècula són febles. La Trec (temperatura de recuit) no afecta a Lm ni a l'orientació de les capes respecte al substrat, sí afecta però, a la cristal·linitat de les capes. És possible seleccionar l'orientació molecular, quan hi ha plans amb energies interfacials semblants, amb la naturalesa química dels substrats o bé tèrmicament. Això s'ha demostrat en les capes de TMTSF (Cap. 4). Al contrari del TMTSF, la seva molècula anàloga, el TMTTF (Cap. 5) presenta una estructura addicional a part de la monoclínica. No podem afirmar si es tracta d'una distorsió d'aquesta fase o d'un polimorf. El que sorprèn és que la única diferència entre les dues molècules és la presència de S ó Se. En el cas del BEDO-TTF (Cap. 7) s'ha observat una nova estructura cristal·logràfica que tampoc es pot afirmar si és una modificació de la fase ròmbica o bé un polimorf. En general, les capes fines de MMO s'orienten preferentment amb els plans moleculars més densos paral·lels a la superfície del substrat. Això és degut a que aquests plans són els que contenen les interaccions intermoleculars més fortes i les energies interfacials més baixes. Aquest fet s'il·lustra amb l'EDT-TTF (Cap. 6). Quan la interacció molècula-substrat és relativament forta les capes no s'orienten necessàriament amb els plans més energètics paral·lels al substrat. En el cas de l'EDT-TTF-COOH (Cap. 6) sobre substrats d'halurs alcalins resulta energèticament més favorable trencar els enllaços per pont d'hidrogen dels dímers a l'interfase mantenint en les monocapes posteriors l'estructura monoclínica. La tècnica d'evaporació en alt buit no és universal, no s'obtenen sempre capes cristal·lines altament orientades. L'experiència acumulada indica que no es pot dir a priori si un material formarà capes cristal·lines. Arguments com mida, asimetria, massa, funcionalització, etc. de les molècules no són bons indicadors. Els resultats relatius als OFET (Cap. 8) amb derivats neutres de TXF no són concloents. El sistema TMTTF / Al2O3 no presenta conducció per efecte camp. En el TMTSF / SiO2 s'ha observat, en una ocasió, increment de corrent entre la font i el drenador en funció del VG

A fracture mechanics approach to develop high crash resistant microstructures by press hardening

Crashworthiness is a relevant engineering property for car parts. However it is not easy to measure at laboratory scale and complex impact tests have to be carried out to determine it. Crash re-sistance for high strength steel is commonly evaluated in terms of cracking pattern and energy absorption in crashed specimens. Accordingly, the material resistance to crack propagation, i.e. the fracture toughness, could be used to rank crashworthiness. It has been proved in a previous work by the authors, so the measure of fracture toughness, in the frame of fracture mechanics in small laboratory specimens, would allow determining the best microstructure for crash resistance parts. Press hardening offers the possibility to obtain a wide range of microstructural configura-tions, with different mechanical properties. So the aim of this work is to evaluate the fracture toughness following the essential work of fracture methodology for ferrite-pearlite, bainite, ferrite-bainite, martensite and martensite-bainite microstructures. Results showed that bainitic micro-structures have high fracture toughness, similar to TWIP and CP steels, which allows pointing them as potential candidates for obtaining high crash resistance in parts manufactured by press hardening.Peer ReviewedPostprint (published version

On the correlation between fracture toughness and crash resistance of advanced high strength steels

Automotive industry players have devoted large efforts to identify the material parameters governing the crash resistance of Advanced High Strength Steels (AHSS). Such knowledge is essential to improve impact performance prediction and optimize new steel development. Nevertheless, there is still an open discussion about which are the most relevant properties on AHSS crashworthiness. In this work, the authors investigate the correlation between the fracture toughness of different AHSS and their crash failure behaviour. Fracture toughness is measured in the frame of fracture mechanics, through the essential work of fracture methodology. Two fracture resistance parameters are characterized: the fracture toughness at cracking initiation, wei, and the essential work of fracture, we. Toughness values are compared with the results of axial impact tests, which are evaluated according to the energy absorbed and the cracking behaviour observed in crash boxes. Results show that fracture toughness permits to describe different crash events in terms of crack initiation and crack propagation and allows ranking AHSS impact resistance; steels with higher we present better crash performance. Therefore, fracture toughness is proposed as a key material property to predict the crash resistance of AHSS and as a relevant design parameter for crash resistant parts.Peer ReviewedPostprint (published version

On the correlation between fracture toughness and crash resistance of advanced high strength steels

Automotive industry players have devoted large efforts to identify the material parameters governing the crash resistance of Advanced High Strength Steels (AHSS). Such knowledge is essential to improve impact performance prediction and optimize new steel development. Nevertheless, there is still an open discussion about which are the most relevant properties on AHSS crashworthiness. In this work, the authors investigate the correlation between the fracture toughness of different AHSS and their crash failure behaviour. Fracture toughness is measured in the frame of fracture mechanics, through the essential work of fracture methodology. Two fracture resistance parameters are characterized: the fracture toughness at cracking initiation, wei, and the essential work of fracture, we. Toughness values are compared with the results of axial impact tests, which are evaluated according to the energy absorbed and the cracking behaviour observed in crash boxes. Results show that fracture toughness permits to describe different crash events in terms of crack initiation and crack propagation and allows ranking AHSS impact resistance; steels with higher we present better crash performance. Therefore, fracture toughness is proposed as a key material property to predict the crash resistance of AHSS and as a relevant design parameter for crash resistant parts.Peer Reviewe

Fracture toughness to understand stretch-flangeability and edge cracking resistance in AHSS

This is a post-peer-review, pre-copyedit version of an article published in Metallurgical and materials transactions A-Physical metallurgy and material. The final authenticated version is available online at: http://dx.doi.org/10.1007/s11661-016-3815-x.The edge fracture is considered as a high risk for automotive parts, especially for parts made of advanced high strength steels (AHSS). The limited ductility of AHSS makes them more sensitive to the edge damage. The traditional approaches, such as those based on ductility measurements or forming limit diagrams, are unable to predict this type of fractures. Thus, stretch-flangeability has become an important formability parameter in addition to tensile and formability properties. The damage induced in sheared edges in AHSS parts affects stretch-flangeability, because the generated microcracks propagate from the edge. Accordingly, a fracture mechanics approach may be followed to characterize the crack propagation resistance. With this aim, this work addresses the applicability of fracture toughness as a tool to understand crack-related problems, as stretch-flangeability and edge cracking, in different AHSS grades. Fracture toughness was determined by following the essential work of fracture methodology and stretch-flangeability was characterized by means of hole expansions tests. Results show a good correlation between stretch-flangeability and fracture toughness. It allows postulating fracture toughness, measured by the essential work of fracture methodology, as a key material property to rationalize crack propagation phenomena in AHSS.This investigation has been partially funded by the Catalan government under grant TECCTA-13-1-0005 and by the European Commission, Research Fund for Coal and Steel, under grant agreement RFSR-CT-2014-00015 (Tough-Sheet).Peer ReviewedPostprint (author's final draft