edited by: M.M. Tedesco, D. F. Gutiérrez.................................................................................................... pag

Toughness properties influence on the automotive stamped components

edited by: M.M. Tedesco, D.F. Gutiérrez

The CO2 emissions of passengers cars and commercial vehicles are becoming more and more important year by year because they have a direct effect on climate change. For this reason, the main OEMs are increasing the usage of Advance High Strength Steel (AHSS) to replace the common low carbon steels (mild steel) in order to reduce the vehicle weight and so in parallel reduce the CO2 emissions in compliance with the international requirements that are becoming more restrictive than the past. AHSSs forming operations are complicated due to their lower formability (global and local). , Therefore, it is crucial to be able to predict and select the best material for the components based on their shape and mechanical properties. This is the reason why CRF and Eurecat are working on several projects together, such as ToughSteel, to implement new fracture criteria for edge cracking sensitivity prediction in order to prevent and/or solve potential problems during forming. In this paper, case study in which the Essential Work of Fracture (EWF) measurement was essential to define failure’sroot cause during the forming operation will be presented.

KEYWORDS:FRACTURE, TOUGHNESS THIN SHEETS, EDGE CRACKING, HIGH STRENGTH SHEET METAL FORMING, TOUGHSTEEL;

INTRODUCTION Global climate change issues leading to catastrophic natural disasters in recent times have transformed consumer awareness and their priorities. Transport represents almost a quarter of Europe’s CO2 gas emission and is the main cause of air pollution in cities. The transport sector has not seen the same gradual decline in emissions as other sectors. The EU aims to achieve a 90% reduction in greenhouse gas emissions from transport by 2050, compared with 1990. This is part of its efforts to reduce CO2 emissions and achieve climate neutrality by 2050 under the European Green Deal roadmap. CO2 emissions from passenger transport vary significantly depending on the transport mode. Passenger cars are a major polluter, accounting for 61% of total CO2 emissions from EU road transport. At the moment, the average occupancy rate was only 1.6 people per car in Europe in 2018. Increasing it by car sharing or shifting to public transport, cycling and walking, could help to reduce emissions [1]. Michele Maria Tedesco

Stellantis (CRF), Italy

David Frómeta Gutiérrez

Eurecat, Spain

Fig.1 - CO2 emission trend in different sectors (left); transportation emissions in Europe (right)

Nowadays, the well-informed customers of automobiles place fuel efficiency and environmental friendliness design among their top four priorities, as reported by a recent comprehensive assessment of the global automotive industry by KPMG International [2]. By the year 2020, the automotive market is expected to grow to 100 million new vehicles per year. “Lightweighting” in the transport industry has become a major theme of research in recent years; the main motives being anticipated fuel savings and meeting stricter environmental legislations in various jurisdictions such as Europe, North America, and Asia. In order to meet the CO2 emission targets set for Europe in 2020, i.e., 95 g CO2/km, a 200 - 300 kg weight reduction of the vehicle is required. Innovative steel designs must achieve significant increases in strength while offering thinner gauges to reduce vehicle mass. During the next ten years, applications of Advanced High-Strength Steels (AHSS) in OEM and supplier plants will increase, and users of AHSS will need to rapidly accumulate application knowledge. AHSSs are characterized by their complex multiphase microstructures containing a mix of different microstructural constituents, such as martensite, bainite, tempered martensite, and retained austenite, which provide them with unique mechanical properties in terms of tensile strength, fatigue, forming and crashworthiness. Formability is highly impacted by microstructure. This is especially critical in multiphase AHSS and has made it necessary to divide this important material characteristic into two: global and local formability. Global formability refers to forming modes where deformation occurs in the plane of the sheet over relatively large regions of material. Local formability failure modes are an entirely different failure condition, where fractures occur out of the plane of the sheet in response to concentrated deformation created when forming localized features like stretch flanges, extruded holes, or bends around a radius too small for the selected steel grade. These failures typically occur without any observable thinning or necking [3]. Therefore, they cannot be predicted through conventional global ductility approaches based on necking instability, like elongation values from uniaxial tensile tests or Forming Limit Curves (FLCs).

Over the last years, several research studies have demonstrated that fracture toughness, measured through the Essential Work of Fracture (EWF) methodology, is a well-suited property to predict this kind of fracture related to the material’s local formability, such as edge fractures or crack formation during crash tests [4-6].The present work aims to show how the the EWF methodology was used as a tool to identify the problem’s root cause during the failure analysis of a Stellantis’ automotive component.

COMPONENT & MATERIAL The component under investigation was the under-seat beam, highlighted in red in Figure 2. This is a fundamental component because it has the goal to absorb energy during the lateral crash and limit the intrusion to safeguard the vehicle occupants.

Fig.2 - Under-seats beam position on the vehicle

Generally, these components are done in a Dual Phase (DP) steel, DP800 or DP1000. DP steels have a ferritic matrix with embedded islands of martensite to increase the tensile strength while time ensuring good formability. To reduce the weight and so save CO2 emission for the vehicle, the higher grade of dual phase (DP1000) was chosen to manufacture the component analysed in this study. In the table below, the comparison between the mechanical properties of the two materials (DP800 and DP1000):

Tab.1 -Mechanical properties comparison between DP800 and DP1000.

FAILURE ANALYSIS During forming simulation, the component resulted feasible without the presents of any cracks or wrinkles. The most common material cards used for the formability study take care about: elasto-plastic curve, anisotropy, biaxial plane deformation and the forming limit diagram. During the component physical forming operation, sometimes, cracks occurred. To investigate the reason for this failure, different investigations were performed to check if the material was compliant with the standard: tensile tests, chemical and micrographic analysis. The results are reported below.

Yield Strength [MPa] Tensile Strength [MPa] Elongation [A80]

DUAL PHASE STEELS COMPARISON

DP800

420 – 550

Min. 780

Min. 14% DP1000

700 – 800

Min. 980

Min. 7%

Fig.4 - Mechanical properties, chemical composition and microstructure of DP1000

As observed, all the material characteristics are in compliance with DP1000 specifications. To solve the problem, the DP1000 was substituted by a CP1000, a complex phase steel (bainite, martensite, and retained martensite) that has higher fracture toughness than DP1000. Using the EWF methodology, together with Eurecat, it was possible to quantify this difference in fracture toughness and understand the reason behind the higher cracking sensitivity of the DP1000. The EWF for the CP1000 is 4 times more than the DP1000, this means that its crack propagation resistance is much higher than the one of DP1000. The CP1000 has slightly lower global formability compared to the DP1000, as can be observed from the elongation during the tensile test, but higher local formability as shown by the EWF measurement.

CONCLUSION In this case study, the EWF methodology was fundamental to selecting the appropriate material for the under-seat beam. This method is able to quantify the fracture toughness of thin sheet materials and predict their edge cracking sensitivity without using the Hole Expansion Test which has a higher scatter, and the results depend strongly on the operator. According to this, the EWF is a basic test for material selection in components in which edge stretching and bending are applied and it is a key parameter for the safe implementation of high strength sheet metal products. The next step is to work on implementing the fracture toughness values obtained by this methodology on conventional virtual forming software to be able to anticipate edge cracking problems during the development phases.

REFERENCES

[1] https://www.europarl.europa.eu/news/en/headlines/society/20190313STO31218/co2-emissions-from-cars-facts-and-figuresinfographics

[2] KPMG International: Global Automotive Executive Survey, 2017

[3] WORLDAUTOSTEEL_https://ahssinsights.org/forming/formability/global-vs-local-formability/

[4] D. Casellas, A. Lara, D. Frómeta, D. Gutiérrez, S. Molas, Ll. López, J. Rehrl, C. Suppan, Fracture Toughness to Understand StretchFlangeability and Edge Cracking Resistance in AHSS, Metallurgical and Materials Transactions A, 48 (2017) 86-94.

[5] D. Frómeta, A. Lara, S. Molas, D. Casellas, J. Rehrl, C. Suppan, P. Larour, J. Calvo, On the correlation between fracture toughness and crash resistance of advanced high strength steels, Eng. Frac. Mech. 205 (2019) 319-332

[6] D. Frómeta, A. Lara, L. Grifé, T. Dieudonné, P. Dietsch, J. Rehrl, C. Suppan, D. Casellas, J. Calvo. Fracture resistance of advanced high strength steel sheets for automotive applications. Metall Mater Trans A 52 (2021) 840–856.

TORNA ALL'INDICE >

Ricordo della Professoressa Enrica Stagno

Maria Rosa Pinasco, Danilo Petta

Con grandissimo piacere ricordiamo sulla nostra rivista, ripercorrendo una carriera molto prestigiosa nel campo della metallurgia, chi tanto ha contribuito alla ricerca in campo metallurgico e siderurgico lasciando un’impronta indelebile nello sviluppo del settore.

Un personale ricordo, prima di ripercorrere le tappe fondamentali di una carriera unica, anche delle capacità didattiche non comuni della Prof.ssa Stagno che si potrebbero riassumere in un equilibrio di autorevole competenza miscelato con capacità di comunicazione non comuni dedicate ai propri studenti. Questo e altro hanno caratterizzato una Sua Scuola basata su indimenticabile passione per la metallurgia.

Giornate passate a “leggere” dentro l’acciaio immergendosi negli oculari del microscopio che disegnavano un mondo totalmente nuovo per gli occhi di uno studente e che veniva raccontato con una passione coinvolgente.

La professoressa Enrica Stagno ha iniziato la carriera universitaria all‘Università di Genova nel 1953 appena laureata in Chimica all'età di 23 anni col massimo dei voti e ne ha attraversato tutti gli stadi da:

• Assistente volontario e poi Assistente di Ruolo alla Cattedra di Siderurgia e Metallurgia, • Professore Associato di Metallurgia • fino alla qualifica, nel 1986, di Professore Ordinario di Metallurgia

Nel 1968 ha conseguito la Libera Docenza in Metallografia

Nell'anno 2003 fu insignita del premio internazionale Henry Clifton Sorby Award dall‘International Metallographic Society dell’ASM INTERNATIONAL Premio di eccellenza mondiale nel campo della Metallografia

Dal 1969 e stata socia dell'AlM, con la quale ha collaborato attlvamente essendo membro intelligente e stimolante di numerosi Comitati tecnici che si occupano di problematiche nel settore dai Trattamenti Termici, alla Metallografia, alla Metallurgia antica.

La collaborazione con l'Associazione Italiana di Metallurgia è continuata fino al 2005, anche utilizzando le sue competenze per lezioni a corsi organizzati per ingegneri, chimici e tecnici del settore

Dall'anno accademico 1965/66 sino al 2004/2005 ha svolto, presso la Facoltà di Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali dell’Università di Genova numerosi Corsi di Metallurgia afferenti ai Corsi di Laurea in Chimica, Chimica Industriale, Scienza dei Materiali nonché alle Scuole di Specializzazione e di Dottorato.

Il pensionamento, per limiti di età, alla fine del 2002 non ha Interrotto l'attività scientifica né quella didattica e la Prof. ssa Stagno è stata presente nel Dipartimento di Chimica e Chimica Industriale fino ai primi mesi del 2006, anno della sua morte

Durante la sua lunga carriera accademica ha seguito come relatore le tesi sperimentali scientifiche di più di cento laure-

andi in Chimica, Chimica Industriale, Scienza dei Materiali e di dottorandi in Chimica, Scienza dei Materiali e Ingegneria.

Come didatta ha goduto della stima di colleghi e studenti per la sua capacità di collegare chiaramente aspetti teorici e pratici e di rendere semplici argomenti ostici ai più.

Ad esempio di tale capacità, propria di chi ha conoscenze profonde della materia e insieme grandi doti di comunicazione, si cita il fatto che, attraverso I 'insegnamento della prof. Stagno, anche semplici operai di industrie metallurgiche sono riusciti ad apprendere i concetti base della metallurgia e ad applicarli nel loro usuale lavoro.

L’attività scientifica della Prof.ssa Stagno inizia nei lontani anni cinquanta quando con il Professor Antonio Scortecci, Direttore ILVA e titolare alla Facoltà di Ingegneria dell’Università di Genova di una delle tre prime cattedre nazionali in Siderurgia, costruisce una struttura universitaria attiva in campo metallurgico denominata Laboratorio di Metallurgia e Metallografia, all'interno dell'lstituto di Chimica Generale ed Inorganica e successivamente provvede con passione e capacità al suo sviluppo e ampliamento.

Antesignana della necessità di un supporto della ricerca universitaria di base alla produzione industriale organizzò e svolse la ricerca in stretta collaborazione con industrie nazionali ed internazionali e affrontò le problematiche relative insieme ai rappresentanti della comunità scientifica del settore.

Il mondo industriale manifestò da subito grande interesse per la ricerca e la formazione svolta dalla Prof.ssa Stagno.

I progetti di ricerca che impegnarono la Prof.ssa Stagno sono stati supportati finanziariamente dal Ministero dell’Università e della Ricerca Scientifica, dal CNR, da Enti Locali, da Centri di ricerca industriale e da PMI.

Andando avanti nella stesura ci si accorge che è impossibile sintetizzare una così ampia attività, tuttavia ci piace ricordare come i primi studi della prof. Stagno risalgono agli anni in cui SEM e microanalisi erano appannaggio di pochissimi centri di ricerca e, nonostante ciò, attraverso tecnologie di minor costo ed, in particolare, utilizzando la metallografia ottica in sinergia con tecniche scelte di volta in volta fra quelle disponibili e idonee al problema, mise in evidenza importanti fenomeni metallurgici.

Di importanza rilevante fu la messa a punto insieme al Prof. Scortecci di una particolare METALLOGRAFIA A COLORI, basata sull'ossidazione a caldo e capace di rivelare eterogeneità, fenomeni di ereditarietà e orientazione di grani e stati tensionali non visibili o meno evidenti con la metallografia tradizionale. Nell’articolo di seguito un esempio di tale attività,

Con infinita stima e affetto Prof.ssa Maria Rosa Pinasco Dott. Danilo Petta