Forming Advanced High Strength Steels
April 28, 2011April 28, 2011
P4171064b_webinar
BiggerBoat Solutions Ltd.
FEA, CAE/CAD & Die Engineering
905-707-5860
jayw@biggerboatsolutions.com
Jay Weiner, B.S., M.Sc.(Eng)
Jay Weiner, B.S., M.Sc.(Eng)
HSS Application Areas
D:\BBSL\temp\Altair_Webinar\ref_docs\images\109717_5mg.jpg
D:\BBSL\temp\Altair_Webinar\ref_docs\images\ahss6.jpg
BiggerBoat Solutions Ltd.
FEA, CAE/CAD & Die Engineering
905-707-5860
jayw@biggerboatsolutions.com
Reasons For Using AHSS
Advanced High Strength Steels (AHSS) have beendeveloped to meet new demands in the automotiveindustry.
Satisfy and Surpass Safety Standards
oBetter Crash Energy Absorption
oFatigue Resistance
Cost Savings
oReduced Weight
oBetter Fuel Economy
oReduced COEmissions
 
BiggerBoat Solutions Ltd.
FEA, CAE/CAD & Die Engineering
905-707-5860
jayw@biggerboatsolutions.com
High Strength Steel  (HSS)
Yield Strength = 210MPa - 550 MPa
High Strength Low Alloy (HSLA)
Interstitial Free
Bake Hardenable
Advance High Strength Steel  (AHSS)
Yield Strength => Overlap and Exceed HSS
Dual Phase (DP) & Complex Phase (CP)
Transformation Induced Plasticity (TRIP)
Martensitic (Mart)
Families of High Strength Steels
D:\BBSL\temp\Altair_Webinar\ref_docs\images\Mar05B_lg.jpg
prop_table2
BiggerBoat Solutions Ltd.
FEA, CAE/CAD & Die Engineering
905-707-5860
jayw@biggerboatsolutions.com
2 Phases – soft ferrite with islands of hard martensite
Higher percentage martensite => higher strength
Ferrite strains causing a high work hardening rate
n-value increases rapidly at low strain rates => drops to HSLA levels
Higher initial n-value restricts the onset of strain localization & largestrain gradients
Reducing strain gradients reduces localized thinning
YS to TS ratio of about 0.6
Lower YS at a given TS translates to better elongation and formability
No Yield Point Elongation (increase in strain without increase in stress)
Dual Phase (DP) Properties and Microstructure
BiggerBoat Solutions Ltd.
FEA, CAE/CAD & Die Engineering
905-707-5860
jayw@biggerboatsolutions.com
2 Phases – soft ferrite with islands of martensite, retained austenite
Ferrite strains causing a high work hardening rate
As strain increases retained austenite transformed in to martensite
Volume & shape change in microstructure
Strain is accommodated and ductility is increased
Work hardening rate increases as strain increases
Slower initial n-value increase compared to Dual Phase
Increase of n-value continues at higher levels of strain
Increasing n-value with increasing strain restricts the onset of strain localization & largestrain gradients
Reducing strain gradients reduces localized thinning
Significant stretch forming properties
YS to TS ratio of about 0.6
Lower YS at a given TS translates to better elongation and formability
No Yield Point Elongation (increase in strain without increase in stress)
Transformation Induced Plasticity (TRIP) Properties and Microstructure
BiggerBoat Solutions Ltd.
FEA, CAE/CAD & Die Engineering
905-707-5860
jayw@biggerboatsolutions.com
Martinsite matrix with small amounts of ferrite and/or bainite
Minimum Tensile Strengths of 900MPa to 1700 MPa
Limited elongation
Used for simple cross sections
More complex shapes can be created by hot forming
Martensitic (MS) Properties and Microstructure
BiggerBoat Solutions Ltd.
FEA, CAE/CAD & Die Engineering
905-707-5860
jayw@biggerboatsolutions.com
D:\BBSL\temp\Altair_Webinar\ref_docs\images\YPE.jpg
D:\BBSL\temp\Altair_Webinar\ref_docs\images\n-values_hsla_dp_trip.jpg
MS / HSLA
AHSS
BiggerBoat Solutions Ltd.
FEA, CAE/CAD & Die Engineering
905-707-5860
jayw@biggerboatsolutions.com
D:\BBSL\temp\Altair_Webinar\ref_docs\images\DP600.jpg
DP600
www.arcelormittal.com
D:\BBSL\temp\Altair_Webinar\ref_docs\images\TRIP.jpg
TRIP
MARTENSITIC
D:\BBSL\temp\Altair_Webinar\ref_docs\images\martensite2.jpg
BiggerBoat Solutions Ltd.
FEA, CAE/CAD & Die Engineering
905-707-5860
jayw@biggerboatsolutions.com
Simulation and Material Data
Mild and HSLA steels have well accepted material models
Use “Power Law” to create stress-strain curve for simulation software
Use measured values of YS, TS, n
Theoretical curves closely match empirical curves
AHSS steels can’t be force-fit to these predictive models
Variable n-value (work hardening exponent)
Variable Modulus of Elasticity
Plastic strain ratios r0, r45, r90 are not equal
Modeling of AHSS requires complete data
Stress - strain curve based on test data
Plastic strain ratios r0, r45, r90  directions from test data
AHSS – FEA Modeling
BiggerBoat Solutions Ltd.
FEA, CAE/CAD & Die Engineering
905-707-5860
jayw@biggerboatsolutions.com
D:\BBSL\temp\Altair_Webinar\ref_docs\images\HSLA440CURVE_vs_HSLA440PW.jpg
D:\BBSL\temp\Altair_Webinar\ref_docs\images\DP600CURVE_vs_DP600PW.jpg
D:\BBSL\temp\Altair_Webinar\ref_docs\images\DP980CURVE_vs_DP988PW.jpg
Green = Test Curve Data
Red = Power law
HSLA 440
DP 600
DP 980
BiggerBoat Solutions Ltd.
FEA, CAE/CAD & Die Engineering
905-707-5860
jayw@biggerboatsolutions.com
Caused by the elastic recovery of the part
AHSS does not obey common formability rules
Material curls easily and part twist is common
Springback for AHSS is  HSLA steels of same Yield Strength
Springback for AHSS is  HSLA steels of same Tensile Strength
AHSS – Springback
D:\BBSL\temp\Altair_Webinar\ref_docs\images\springback_vs_stress.jpg
D:\BBSL\temp\Altair_Webinar\ref_docs\images\springback-strain.jpg
BiggerBoat Solutions Ltd.
FEA, CAE/CAD & Die Engineering
905-707-5860
jayw@biggerboatsolutions.com
3 common modes of springback
Wall angular change
Caused by stress difference in the sheet thickness direction when a sheet metal bends
Residual stresses create a bending moment
Sidewall curl
Uneven stress distribution or stress gradient through the thickness of the sheet metal
Generated during the bending and unbending process.
Part twist
Unbalanced residual stresses cause torsion moments in the cross-section
Types of Springback
D:\BBSL\temp\Altair_Webinar\ref_docs\images\angular_change_and_curl.jpg
D:\BBSL\temp\Altair_Webinar\ref_docs\images\twist.jpg
BiggerBoat Solutions Ltd.
FEA, CAE/CAD & Die Engineering
905-707-5860
jayw@biggerboatsolutions.com
Most common method of correction is compensation by overbending
Works for AHSS materials as well as HSLA
Amount of compensation will generally be approximately 5% - 15% > for HSLA
Form as much finished shape as possible as early as possible
Immediately compensate for any springback modes encountered
Correct for springback in each station as you go
DO NOT rely on restrike to correct shape problems
Work hardened part will be very difficult to re-form
Use restrike to add darts, stiffening beads, etc.
Consider COUNTERMEASURES in addition to compensation
Replace draw operations with bending forms when possible
Keep a die clearance at approximately 1.3t to minimize sidewall curl
Sidewall curl reaches the maximum at 1t clearance
AHSS requires some counterintuitive thinking to control material flow
Stretch flanges to change stress gradients
Tensile/compressive elastic stress gradients become all tensile elastic stress gradients
Will minimize sidewall curl
Die radii should be  5t (for DP600)
Springback Correction
BiggerBoat Solutions Ltd.
FEA, CAE/CAD & Die Engineering
905-707-5860
jayw@biggerboatsolutions.com
Bracket formed in 3 forming stages
1.Crash form
2.Draw
3.Wipe
Evaluated Springback after 1st and 3rd stage
Evaluated 3 different materials including:
DP600,
HSLA340
HSLA550
image6
Springback Case Study
Springback Case Study
BiggerBoat Solutions Ltd.
FEA, CAE/CAD & Die Engineering
905-707-5860
jayw@biggerboatsolutions.com
D:\BBSL\temp\Altair_Webinar\ref_docs\images\DP600_HSLA340_HSLA550.jpg
DP600
YS =  410MPa
TS =  685 MPa
n = 0.13
r = 1.02
 HSLA340
YS = 403 MPa
TS =  480 Mpa
n = 0.12
r = 1.0
HSLA550
YS = 587 Mpa
TS = 697 MPa
n = 0.09
r = 0.83
Springback Case Study: Material Curves
Springback Case Study: Material Curves
DP600
HSLA340
HSLA550
BiggerBoat Solutions Ltd.
FEA, CAE/CAD & Die Engineering
905-707-5860
jayw@biggerboatsolutions.com
1st Form – Crash
form01_tool_kin
BiggerBoat Solutions Ltd.
FEA, CAE/CAD & Die Engineering
905-707-5860
jayw@biggerboatsolutions.com
2nd Form – Draw
form02_tool_kin
BiggerBoat Solutions Ltd.
FEA, CAE/CAD & Die Engineering
905-707-5860
jayw@biggerboatsolutions.com
3rd Form – Wipe
form03_tool_kin
BiggerBoat Solutions Ltd.
FEA, CAE/CAD & Die Engineering
905-707-5860
jayw@biggerboatsolutions.com
sprbk01b
1st Form – Springback1st Form – Springback
BiggerBoat Solutions Ltd.
FEA, CAE/CAD & Die Engineering
905-707-5860
jayw@biggerboatsolutions.com
springback_mat_comparison
Springback after 1st Form  - Material Comparison
Springback after 1st Form  - Material Comparison
BiggerBoat Solutions Ltd.
FEA, CAE/CAD & Die Engineering
905-707-5860
jayw@biggerboatsolutions.com
Springback (X,Z) after 3rd form
DP600 vs. HSLA340 vs. HSLA550
D:\BBSL\temp\Altair_Webinar\reports\SB_ DP600_HSLA340_HSLA550_after_3rd_form.jpg
BiggerBoat Solutions Ltd.
FEA, CAE/CAD & Die Engineering
905-707-5860
jayw@biggerboatsolutions.com
Springback  (X,Z) after 1st form  (no compensation)
DP600
D:\BBSL\temp\Altair_Webinar\ref_docs\images\SB_ DP600_nocomp_after_1st_form.jpg
BiggerBoat Solutions Ltd.
FEA, CAE/CAD & Die Engineering
905-707-5860
jayw@biggerboatsolutions.com
form01_10_and_10a_tool_compensation
1st Form – Compensation1st Form – Compensation
BiggerBoat Solutions Ltd.
FEA, CAE/CAD & Die Engineering
905-707-5860
jayw@biggerboatsolutions.com
springback results used to develop a compensated shape
tool shape is modified to help remove the twist from the part.
Deviation From Nominal - after 1st form with compensation
DP600
D:\BBSL\temp\Altair_Webinar\ref_docs\images\compensated_springback_after_1st_form.jpg
BiggerBoat Solutions Ltd.
FEA, CAE/CAD & Die Engineering
905-707-5860
jayw@biggerboatsolutions.com
sprbk04b
3rd Form – Springback3rd Form – Springback
BiggerBoat Solutions Ltd.
FEA, CAE/CAD & Die Engineering
905-707-5860
jayw@biggerboatsolutions.com
Springback after 3rd Form Springback Comparison
Springback after 3rd Form Springback Comparison
3rd_form_sprbk_compare
BiggerBoat Solutions Ltd.
FEA, CAE/CAD & Die Engineering
905-707-5860
jayw@biggerboatsolutions.com
 Amounts of springback for each is very simliar.
 Proper counter measures => springback of Dual Phase  canbe controlled as easily as HSLA
final_sprbak_compensation_comparison
Springback after 3rd Form: DP600 with 1st Form Compensation
Springback after 3rd Form: DP600 with 1st Form Compensation
BiggerBoat Solutions Ltd.
FEA, CAE/CAD & Die Engineering
905-707-5860
jayw@biggerboatsolutions.com
Springback  (X,Z) after 3rd form
DP600
D:\BBSL\temp\Altair_Webinar\ref_docs\images\SB_ DP600_nocomp_vs_comp_after_3rd_form-B.jpg
BiggerBoat Solutions Ltd.
FEA, CAE/CAD & Die Engineering
905-707-5860
jayw@biggerboatsolutions.com
Thank You.
BiggerBoat Solutions Ltd.
FEA, CAE/CAD & Die Engineering
Jay  Weiner B.S. M.Sc.(Eng)
905-707-5860
jayw@biggerboatsolutions.com