On the measurement of fracture toughness to understand the cracking resistance of advanced high strength steel sheets
Authors:   , Frómeta Gutiérrez David 
Published: November 2024

Automotive designers are constantly facing new challenges to meet the more and more stringent safety and CO2 emission legislations. Concerning the latter, vehicle lightweighting has become one of the main goals of the automotive industry, not only to reduce fuel consumption in fuel-powered cars but also to enhance the battery range in electric vehicles. At the same time, weight reduction cannot be attained at the expense of passenger’s safety in case of a crash. Hence, it is important to select the best-suited strategies to find the optimum balance between weight reduction and crashworthiness. In this sense, Advanced High Strength Steels (AHSS) have been positioned as one of the most effective solutions to this demand. AHSS present very high strength and high crash performance, which allows reducing vehicle mass while maintaining the safety of the occupants. These outstanding mechanical properties have promoted their widespread implementation for structural and crash-relevant automobile components. However, the application of AHSS have introduced new challenges related to their limited ductility and cracking resistance. Premature cracking during edge forming operations (edge cracking) or the occurrence and propagation of cracks under impact loading are some of the common cracking related issues in processing and implementation of AHSS.
To face these problems, the development of new approaches to properly characterize the cracking resistance of AHSS has become unavoidable since conventional failure criteria based on uniaxial tensile properties and forming limit curves fail to describe cracking related phenomena. In this thesis, a fracture mechanics-based approach is proposed to rationalize and understand the crack initiation and propagation resistance of AHSS. Results have been correlated with edge cracking resistance and crash behaviour of a broad range of advanced high strength sheet steels.
Fracture toughness is evaluated in the frame of fracture mechanics through different testing methods, such as the essential work of fracture, the J-integral and the Kahn-type tear tests. The relationship between the obtained fracture toughness parameters as well as the limitations of the different methods have been discussed. High-resolution video extensometry and Digital Image Correlation (DIC) techniques were used to investigate the fracture behaviour of the different steels. Edge cracking resistance is characterized by standard hole expansion tests and DIC-assisted hole tension tests. Crashworthiness is assessed through laboratory impact resistance tests. The influence of microstructural constituents on the crack propagation resistance of AHSS is also assessed.
The results show that fracture toughness, in particular the specific essential work of fracture (we), is a suitable material property to understand the cracking behaviour of AHSS and rank the material’s resistance to different crack-related failures, such as edge fracture or crack propagation during a crash event. These conclusions are based on the good correlation established between we and the results from edge cracking and impact resistance tests. On the other hand, the experimental observations show that we can be used to discern the role of microstructural constituents on the fracture behaviour of AHSS.
It is pointed out that proper microstructural design cannot be only focused on tensile properties since they do not inform about cracking resistance.
According to all the experimental findings, the fracture toughness is considered as a relevant material property for AHSS design and performance classification. In line with this, a new classification system, considering global ductility and fracture toughness, is proposed for a more comprehensive description of the overall formability and fracture behaviour of AHSS.
Los diseñadores de automóviles se enfrentan constantemente a nuevos desafíos para cumplir con las cada vez más estrictas legislaciones de seguridad y emisiones de CO2. Con respecto a esto último, el aligeramiento de los vehículos se ha convertido en uno de los principales objetivos de la industria automotriz, no solo para reducir el consumo en los automóviles de combustión interna, sino también para mejorar la autonomía de los vehículos eléctricos. Al mismo tiempo, la reducción de peso no se puede lograr a expensas de la seguridad del pasajero en caso de accidente. Por lo tanto, es importante seleccionar las estrategias más adecuadas para encontrar el equilibrio óptimo entre reducción de peso y resistencia al impacto. En este sentido, los aceros avanzados de alta resistencia (AHSS) se han posicionado como una de las soluciones más efectivas. Los AHSS presentan una elevada resistencia y un buen comportamiento en caso de impacto, lo que permite reducir el peso del vehículo manteniendo la seguridad de los ocupantes. Estas excepcionales propiedades mecánicas han contribuido a su extensa implementación en componentes estructurales y de seguridad en el automóvil. Sin embargo, estos aceros también han introducido nuevos problemas relacionados con su limitada ductilidad y resistencia la fisuración, como la aparición prematura de fisuras durante el conformado (edge cracking) o la generación de fisuras durante el impacto. Para hacer frente a estos problemas, se ha hecho inevitable el desarrollo de nuevos enfoques para caracterizar la resistencia a la fisuración de los AHSS, ya que los criterios convencionales basados en ensayos de tracción y curvas límite de conformabilidad no son adecuados. En esta tesis doctoral se propone un enfoque basado en la mecánica de la fractura para explicar este tipo de fracturas relacionadas con la resistencia a la iniciación y propagación de grietas en el material. Con este fin, se investiga la correlación entre las mediciones de tenacidad de fractura y la resistencia al edge cracking y el comportamiento en caso de impacto en una amplia gama de chapas de acero avanzado de alta resistencia. La tenacidad de fractura se evalúa en el marco de la mecánica de la fractura mediante distintos métodos como el trabajo esencial de fractura, la integral J o los ensayos tipo Kahn y se discute la relación entre los parámetros obtenidos, así como las limitaciones de los diferentes métodos. Se utilizan técnicas de video de alta resolución y correlación de imágenes digitales para investigar el comportamiento de fractura de los diferentes aceros. La resistencia edge cracking se caracteriza mediante ensayos de expansión de orificios (hole expansion tests). La resistencia al impacto se evalúa mediante ensayos de impacto de laboratorio. Finalmente, se analiza brevemente la influencia de la microestructura en la resistencia a la propagación de grietas de los AHSS. Los resultados muestran que la tenacidad de fractura, en concreto el trabajo esencial de fractura (we) es una herramienta útil para comprender fenómenos de fisuración en los AHSS. Estas conclusiones se basan en la buena correlación establecida entre we y los resultados de las pruebas de resistencia al impacto y al edge cracking. Por otro lado, las observaciones experimentales muestran el gran potencial del parámetro we para discernir el efecto de la microestructura en la resistencia a la fractura de los AHSS. Se destaca que el diseño microestructural no debe centrarse sólo en las propiedades de tracción, ya que éstas no aportan información sobre la resistencia a la propagación de fisuras. De acuerdo con esto, la tenacidad de fractura se considera una propiedad del material relevante para el diseño y clasificación de los AHSS y se propone un nuevo método de clasificación para una descripción más completa de la conformabilidad y la resistencia a la fractura de los aceros AHSS.