Simulation of Hot Press Forming with Advanced Thermo-Mechanical-Metallurgical Finite Element Modeling

Abstract

In order to predict residual stress development and the final part strength distribution in hot press forming, an advanced constitutive model for the mechanical and thermal behaviors of 22MnB5 boron steel and HSLA steel was presented. The diffusional and non-diffusional phase transformations of the steels were involved in the model. In particular, the effect of prior austenite deformation at elevated temperatures on the diffusional phase transformation was newly considered to account for an acceleration of transformation kinetics. For this attempt, a dislocation-density based effective austenite grain size was evolved in connection with a semi-empirical diffusional transformation model. Besides, the non-diffusional martensite transformation model was modified to follow a sigmoidal transformation behavior in the boron steel. Concerning the constitutive modeling, thermal and metallurgical strains such as volumetric and transformation plasticity strains were incorporated into the conventional von Mises plasticity frame to appropriately express the development of thermal stress in a part. The proposed material models were constructed in relevant user-subroutines of ABAQUS/Standard and Explicit finite element codes such as UMAT, VUMAT, UMATHT and HETVAL to update the stress components, phase volume fractions and to model thermal behaviors including latent heat generation and microstructure-temperature dependent thermal properties.Then, a fully coupled thermo-mechanical-metallurgical FE simulation of a hot press forming process using a U-channel type part was carried out considering the austenite deformation effect with the effective austenite grain size evolution. As results, martensite volume fraction was drastically decreased due to strain-induced-diffusional transformations in severely deformed areas of the part, specifically, in the vicinity of wall regions. Correspondingly, the Vickers hardness as a strength measure was reduced in the same regions. Also, stress development was greatly influenced in conjunction with the altered transformation kinetics.Additionally, another U-channel HPF process with a tailor-welded blank consisting of the boron and HSLA steel sheets was simulated to understand the springback mechanism by analyzing the residual stress distribution in the TWB part.It was found that a tension-compression-tension cyclic stress was developed in the die corner region of the boron steel side, whereas a monotonic tensile thermal stress was arisen in that of the HSLA steel side, attributing mainly to dissimilar phase transformation kinetics of these steels. The compression in the boron steel side was led by a substantial martensite transformation rate, accompanying an abrupt volume expansion during a geometrically constrained cooling by the surrounding tools. In contrast, such a large compression was not occurred in the HSLA steel side. This was due to an early transformation in air cooling (blank transferring), in which the part was not constrained by the tools, therefore, free expansion and contraction were allowed. Meanwhile, the tensions in both sides were resulted purely from the thermal contraction with the geometrical constraint. In this, transformation plasticity simply mitigated the severities of the tension or compression.In the course of cooling with these effects, residual stresses were more uniformly redistributed in the part as compared to that just after forming. Therefore, springback was strongly suppressed in both sides, although a small amount of reverse springback was arisen in the HSLA side as observed in the experiment due to the difference in residual stress development histories.Consequently, the final part strength and residual stress distributions, governing springback behavior, in the hot-press formed parts were effectively predicted by the coupled thermo-mechaincal-metallurgical FE simulations with the developed thermo-mechanical-metallurgical constitutive model.

2000년대 이후, 자동차 차체 제조에 있어서 충돌안전성과 경량화를 동시에 만족시키는 인장강도 1.5 GPa 급 초고강도 차체부품의 적용이 빠르게 증가하고 있는 추세이다. 이러한 초고강도 부품은 주로 열간프레스성형 (Hot Press Forming, HPF) 공법에 의해 생산이 이루어지고 있다. 열간프레스성형은 알루미늄-규소 또는 아연 도금된 냉연 붕소강(Boron steel, DIN22MnB5급) 강판을 약 900 °C까지 가열하여 오스테나이트 조직을 형성시킨 후 약간의 공랭을 거쳐 고온에서 프레스성형하는 공법이다. 이때 금형은 냉각 시스템에 의해서 저온으로 유지되고 있으므로 성형과 동시에 금속 간 표면접촉에 의한 급격한 열전달이 개시된다. 이후, 성형된 부품은 금형 내에서 추가로 일정시간 머물면서 상온 부근까지 급속냉각, 즉 금형퀜칭(Die-quenching)을 거치게 된다. 붕소강은 경화능(Hardenability)이 뛰어나므로 금형퀜칭 구간에서 대부분의 오스테나이트는 고경도 조직인 마르텐사이트로 상변태하여 목표한 초고강도의 부품이 얻어지게 된다. 이러한 기술의 대두에 발맞추어 기존의 상용 박판성형해석 프로그램들에서도 본 공정을 전산모사하기 위한 열전달 및 상변태 해석기능을 새로이 추가하거나 강화한 바 있다. 그러나 이후 각 부품이 요구하는 최적의 재질을 만족시키기 위해 다양한 변종의 열간프레스성형 기술이 개발되어 실용화되고 있으므로 보다 정밀한 해석 툴의 개발이 요구되고 있다. 실례로써, 열간프레스성형 후 초고강도를 낼 수 있는 붕소강과 약 600 MPa 정도의 중간강도를 확보할 수 있는 고강도저합금강(High Strength Low Alloy Steel, HSLA Steel)으로 제조된 Tailor-Welded Blank (TWB)를 사용한 TWB-HPF공법, 또는 금형의 냉각능력을 부분적으로 저하시켜 부품의 일정 영역에 마르텐사이트 상변태를 억제하는 부분퀜칭법(Partial quenching-HPF, PQ-HPF) 등을 들 수 있다. 본 연구에서는 이러한 요구에 응하여 다양한 열간프레스성형공정에 적용 가능한 재료모델을 제안하였다. 특히, 오스테나이트에 누적된 소성변형이 확산상변태를 가속시키는 효과를 유효오스테나이트입경(Effective Austenite Grain Size, EAGS) 미세화 개념을 통해 상변태모델에 표현하였다. 아울러 기존의 Koistinen-Marburger모델이 표현할 수 없었던 S형으로 증가하는 마르텐사이트 변태거동을 추가하였다. 성형 및 열 부하에 따른 기계적 거동을 정밀하게 표현하기 위해 열팽창, 변태팽창 및 변태소성이 고려된 구성식을 개발하여 상변태 모델과 연계 시켰다. 상변태에 따른 잠열(Latent heat) 또한 열전달 계산에 포함되도록 하였다. 이를 위해 내연적 유한요소해석 툴 ABAQUS/Standard용 사용자부프로그램인 UMAT, UMATHT 및 HETVAL이 작성되었다. 한편 내연적 툴에서 계산 수렴성이 저하하는 성형구간 시뮬레이션에 대한 대책으로써, 동적외연적 툴인 ABAQUS/Explicit용 사용자부프로그램 VUMAT을 추가로 작성하여 시뮬레이션에 활용하였다. 이를 바탕으로 하여 일반적인 차체 구조부재를 대표할 수 있는 U자형 부품 열간프레스성형의 열-성형-야금학적 연계시뮬레이션을 수행하였으며, 그 결과 문헌에 보고된 심가공부 강도저하 현상을 유효오스테나이트입경 모델을 통해 효과적으로 재현할 수 있었다. 또한 TWB-HPF공정 시뮬레이션을 통해 붕소강과 HSLA강 양측에서 서로 다르게 관찰된 뒤틀림 거동, 즉 스프링백 억제 및 역방향 스프링백 현상을 정밀하게 모사할 수 있었으며, 부품 내 잔류응력분포 및 형성과정을 자세히 분석하여 이러한 뒤틀림 거동의 발생기구를 체계적으로 설명할 수 있었다.