Mechanical behaviour of tools for shearing Ultra High-Strength Steels: influence of the microstructure on fracture and fatigue micro-mechanisms of tool steels and evaluation of micro-mechanical damage in tools
Authors:   , Picas Anfruns Ingrid 
Published: October 2023

On account of environmental and safety related requirements, the majority of the most popular automotive manufacturers convey to introduce Ultra High Strength Steels (UHSS) and Press Hardened Steels (PHS) in the vehicle body-in-white. Nevertheless, the real success of UHSS and PHS parts implementation into the upcoming automobiles is being so far restricted by their harsh cold forming and post forming operations, e.g. shearing. Their high yield stress leads to accelerated damage and premature fracture of forming and cutting tools and this stands as great handicap of their manufacturing process. Tool materials require the maximum hardness ¿ toughness relationship so as to face up to such severe mechanical solicitations. The performance of tool steels during cold forming and shearing applications depends on the mechanical properties resulting from the complex interaction between their main microstructural constituents; i.e. primary alloy carbides and tempered martensite matrix (which consists in a fine distribution of nanometer-sized alloy carbides, the so-called secondary hardening carbides, precipitated in a martensite matrix).In this regard, the present Thesis has analysed the microstructure, macro- and micro-mechanical properties, crack nucleation and growth under monotonic loads, R-curve behaviour and fatigue crack nucleation and propagation mechanisms of four different cold work tool steels: 1.2379, UNIVERSAL, K360 and HWS. The mechanical and tribological behaviour of industrial and laboratory tools made of these steels have been studied, as well as the effects of shearing process parameters on their performance and quality of sheet sheared edges. The suitability of Linear Elastic Fracture Mechanics (LEFM) based models to estimate the performance of tools has been evaluated in order to predict their service lives. Rationalisation of damage on tool steels from a micro-mechanical point of view in laboratory samples as well as in real tools has permitted to identify the aspects that a model should consider in order to successfully predict tool lives. In addition, it has permitted to propose a new approach to estimate tool performances based on the reduction of tool steels mechanical properties with the increase of the number of strokes. 1.2379, UNIVERSAL and K360 are produced following conventional ingot metallurgy routes while HWS is obtained by Powder Metallurgy (PM). As follows from their different chemical compositions and manufacturing routes, these steels show different primary alloy carbide features and distributions in the microstructure. Nucleation of cracks in tool steels is due to the failure of primary carbides by cleavage (and inclusion particles in case of PM steels). Small cracks nucleated from primary carbides in ingot cast steels are initially very shallow, but they tend to grow to semi-circular shapes as they propagate through the matrix bands. Ingot cast tool steels present R-curve behaviour, i.e. small cracks nucleated in the microstructure have lower toughness values than those determined for long cracks in standard measurement tests. The main failure mechanism of tools for punching and slitting UHSS is chipping at the cutting edge. Plastic deformation and nucleation of cracks at the surface of tools occurs as a result of the high frictional forces during sliding against the sheet. Due to the high contact pressures at the surface, carbides within a narrow range of depth beneath the surface are broken and cracks are also nucleated from surface asperities. Chipping is then explained by the nucleation and coalescence of these cracks. In presence of marked grinding grooves, failure of tools is significantly accelerated. Models based on LEFM have proved to predict with rather poor accuracy the life of tools. A new approach to predict tool performances is proposed which holds the idea that the micro-mechanical properties of the metallic matrix in tool steels decrease due to the application of repetitive load
Per tal de satisfer les creixents demandes de seguretat i medi ambient, la major part d’empreses del sector de l’automoció han convingut en la introducció d’acers d’ultra alta resistència mecànica (UHSS) i acers d’estampació en calent (PHS) per la fabricació de peces estructurals en vehicles . Tanmateix, l’èxit de la implementació d’aquestes peces es veu afectat per les dificultats que deriven de les seves operacions de conformació i tall. L’elevat límit elàstic dels acers UHSS i PHS condueix al dany accelerat i fractura prematura de les eines, el que esdevé un impediment important a l’hora de dur a terme aquestes operacions a escala industrial.Els acers d’eina han de presentar alts valors de duresa i tenacitat per tal de resistir les elevades sol•licitacions mecàniques que reben. El seu rendiment ve determinat per les propietats micro-mecàniques que deriven de la complexa interacció entre els principals constituents microestructurals, és a dir els carburs primaris i la matriu de martensita revinguda.En aquesta Tesi s’han analitzat la microestructura, propietats macro- i micro-mecàniques, nucleació i creixement d’esquerdes a nivell monotònic, comportament de corba-R i mecanismes de nucleació i propagació d’esquerdes a fatiga en quatre acers d’eina diferents: 1.2379, UNIVERSAL, K360 i HWS. S’ha estudiat el comportament mecànic i tribològic d’eines fabricades a partir d’aquests acers treballant a escala industrial i de laboratori, així com els efectes dels paràmetres de tall en el rendiment de les eines i la qualitat dels marges tallats. La idoneïtat dels models basats en la Mecànica de la Fractura Elàstica Lineal (LEFM) a l’hora de estimar el rendiment de les eines ha estat avaluada per tal de predir la vida d’aquestes. La racionalització del dany en acers d’eina des d’un punt de vista micro-mecànic, en provetes de laboratori així com en eines reals, ha permès identificar els aspectes que un model hauria de considerar per predir de forma satisfactòria la vida d’eines. A més, també ha permès proposar una nova aproximació en aquest sentit, basada en la reducció de les propietats mecàniques de la matriu metàl•lica com a conseqüència de l’aplicació de càrregues repetitives. Els acers 1.2379, UNIVERSAL i K360 es fabriquen seguint processos de fosa i forja convencionals mentre que l’HWS s’obté per pulvimetal•lúrgia. Les diferents composicions químiques i processos de fabricació d’aquests acers expliquen que presentin microestructures amb carburs primaris de diferents característiques i distribucions. La nucleació d’esquerdes es deu a la fractura de carburs primaris per clivatge (i d’inclusions no metàl•liques en l’HWS). Les esquerdes petites nucleades a partir de carburs primaris en els acers fosos i forjats són inicialment molt poc profundes, però tendeixen a adquirir formes semi-circulars al créixer a través de la matriu metàl•lica. Els acers fosos i forjats presenten comportament de corba-R, és a dir que les esquerdes petites nucleades a la microestructura tenen una tenacitat inferior al valor determinat per esquerdes grans en els assajos estàndard. El principal mecanisme de dany observat en eines de tall d’acers UHSS és la fractura per fatiga a baix nombre de cicles. La deformació plàstica i nucleació d’esquerdes a la superfície de les eines s’explica per les elevades forces de fricció que es desenvolupen pel lliscament de la xapa. A més, les altes pressions de contacte a la superfície provoquen que els carburs primaris trenquin lleugerament per sota d’aquesta, i que d’altres esquerdes s’iniciïn a partir d’aspreses superficials. Les fractures es poden entendre doncs, per la nucleació i coalescència de les esquerdes esmentades. La presència de línies de mecanitzat afecta negativament la vida de les eines ja que accelera de forma molt significativa els processos de fractura. Els models basats en LEFM no s’han mostrat prou adients per predir la vida de les eines de tall i per això, una nova aproximació ha estat proposada.