Effect of bending parameters on bending forces and surface strains in air bending of ultra-high strength steels

Abstract

The aim of this thesis is to investigate the effects of different parameters on bending forces and strains on the outer surface, and to study the bendability of ultra-high strength steels as well as their behaviour in bending. The aim is to provide a basis for further research by testing the effect of a wide variety of parameters such as punch radius, rolling direction and punch velocity on bendability. The bendability is investigated experimentally with bending tests, utilising Digital Image Correlation (DIC) for optical strain measurement of the outer surface of the specimen.

Punch radius was found to have the greatest effect on the distribution of strain on the outer surface. Smaller punches resulted in significantly higher and more localised deformation. Using punches with smaller radii than the recommended minimum for the material was found to result in shear banding and cracking on the specimen surface. The three studied steel grades, S700MC, S900MC and S1100, were found to distribute strain very differently. The S700 grade was found to distribute strain most evenly, while the S900 had the most localised strain distributions. The S1100 grade was found to be the most susceptible to fracturing, even if the strain distributions were generally wider and the maximum strains on the surface lower than in the S900. The rolling direction was found to have varying effects on each grade. For the S700 and S900, bendability was better in transversal direction. For the S1100, the bendability was either equal or slightly better in the longitudinal direction. Multi-breakage was found to affect both the bending force and strains significantly. After the sheet was observed to separate from the punch, indicating a shift from 3- to 4-point bending, the bending forces were found to start increasing and the maximum strains to start stagnating as the distribution started to grow more from the sides. Punch velocity was not found to have any measurable effect on either strain or force.

Although some trends could be seen from the results, it was conceded that the sample sizes of the individual parameter combinations were small. The presented results and the measurement data are considered useful for improving bending simulation and numerical models, and as a basis for further research, through which some of the findings may be generalised and used for improving workshop instructions.

Tässä työssä tutkitaan eri työkalujen, särmäysparametrien sekä särmättävän materiaalin vaikutuksia ultralujien terästen särmäysvoimiin ja venymiin särmän ulkopinnalla. Työn tavoitteena on kartoittaa laajalla alalla eri parametrien, kuten painimen koon, valssaussuunnan ja särmäysnopeuden vaikutuksia ultralujien terästen särmäykseen, tutkia ultralujien terästen särmättävyyttä ja niille tyypillistä käyttäytymistä särmäyksessä sekä toimia pohjana jatkotutkimukselle. Työssä pyritään selvittämään näitä vaikutuksia ja syyseuraussuhteita kokeellisesti särmäyskokeiden avulla, hyödyntäen digitaalista kuvakorrelaatiota (DIC) särmän ulkopinnan venymien optiseen mittaukseen.

Painimen koon todettiin vaikuttavan venymäjakaumiin eniten. Pienemmillä painimilla venymät keskittyivät pienemmille alueille, mikä johti merkittävästi suurempiin paikallisiin venymiin. Suositeltuja minimisärmäyssäteitä pienempien painimien käytön havaittiin johtavan kuroumajuovien ja säröilyn syntyyn materiaalin pinnalla. Venymän jakautumisessa pinnalla havaittiin suuri ero tarkasteltavien terästlaatujen, S700MC, S900MC ja S1100, välillä. Tasaisimmat jakaumat havaittiin S700-laadulla ja suurimmat paikalliset venymät S900-laadulla. S1100-laadun todettiin murtuvan herkimmin, vaikkakin venymäjakamat olivat sillä S900-laatua tasaisemmat. Valssaussuunnan vaikutus vaihteli tarkasteltavien materiaalien välillä. S700- ja S900-laaduilla särmättävyys oli parempi poikittaisessa suunnassa valssaussuuntaan nähden, kun taas S1100-laadulla särmättävyys oli pitkittäin yhtä hyvä tai hiukan parempi kuin poikittain. Levyn irtoamisen painimesta (ns. multi-breakage) todettiin vaikuttavan merkittävästi sekä voimiin että venymiin ultralujien terästen särmäyksessä. Levyn irrottua särmäysvoimien havaittiin nousevan ja venymäjakaumien alkavan kasvaa sivuilta. Särmäysnopeudella ei havaittu olevan vaikutusta mitattuihin voimiin tai venymiin.

Tuloksista voitiin havaita tiettyjä taipumuksia ja pääsuuntia eri tekijöiden vaikutuksista, mutta kunkin parametriyhdistelmien otoskoot myönnettiin pieniksi. Tuloksia ja kerättyä mittausdataa voidaan hyödyntää särmäyssimulaatioiden ja numeeristen mallien kehityksessä, sekä jatkotutkimuksen pohjana. Jatkotutkimuksen kautta tuloksia voidaan pyrkiä yleistämään ja edelleen hyödyntämään ohjeistusten kehittämisessä.