WYBRANE WŁACIWOCI BLACHY KAROSERYJNEJ H180B. J. KŁAPUT 1, K. ZARBSKI 2, S. WOLISKI 3 Instytut Inynierii Materiałowej Politechnika Krakowska

Transkrypt

1 39/21 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 21(1/2) ARCHIVES OF FOUNDARY Year 2006, Volume 6, Nº 21 (1/2) PAN Katowice PL ISSN WYBRANE WŁACIWOCI BLACHY KAROSERYJNEJ H180B J. KŁAPUT 1, K. ZARBSKI 2, S. WOLISKI 3 Instytut Inynierii Materiałowej Politechnika Krakowska STRESZCZENIE Przedstawiono wyniki bada wybranych właciwoci stali głbokotłocznej z gatunku H180B. Analizowano mikrostruktur i badano właciwoci wytrzymałociowe tej stali. Podano wartoci współczynników BH 0 i BH 2. Okrelono zaleno dolnej granicy plastycznoci oraz wielkoci umocnienia plastycznego od temperatury wygrzewania. Key words: steel H180B, tensile strength, BH 0 coefficient, BH 2 coefficient, pressformability 1. WSTP Pomimo znacznego rozwoju nowoczesnych tworzyw niemetalicznych stal okazuje si materiałem, który dziki swym właciwociom trudno wyprze z konstrukcji samochodu. Prace przemysłu stalowego koncentruj si na osigniciu dla blach karoseryjnych jak najwikszej wytrzymałoci na rozciganie, przy zachowaniu ich własnoci plastycznych, niezbdnych do dalszego przerobu na zimno, a w szczególnoci do tłoczenia. Efektem tych stara jest zmniejszenie gruboci elementów karoserii przy jednoczesnym podniesieniu tak zwanego biernego bezpieczestwa pojazdu. Obnienie masy auta prowadzi do zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych. Szacuje si, e 10% ograniczenie masy da oszczdno paliwa rzdu 3% do 7 % w zalenoci od konstrukcji samochodu i warunków jazdy. [1, 2]. Na wiecie powstało kilka projektów badawczych majcych na celu opracowanie lejszych konstrukcji karoserii przy uwzgldnieniu coraz wyszych wymogów 1 dr in., klaput@mech.pk.edu.pl 2 mgr in., kazar@mech.pk.edu.pl 3 mgr in., stefan.wolinski@interia.pl

2 bezpieczestwa [3, 4]. W nowoczesnych konstrukcjach samochodów na wybrane elementy karoserii wykorzystuje si m.in. stale typu bake hardening. Nazw stale Bake-Hardening stosuje si do gatunków, które nie ulegaj starzeniu przy temperaturze otoczenia, natomiast obserwuje si u nich wzrost granicy plastycznoci spowodowany wygrzewaniem przy temperaturach odpowiadajcych suszeniu lakieru po malowaniu karoserii. Charakteryzuj si one wystpowaniem tak zwanego efektu BH. Definicj efektu BH i okrelajcych go współczynników precyzuje niemiecka norma Stahl-Eisen-Werkstoffblat 094 (SEW 094) z lipca 1987 roku. Opisano w niej sposób wyznaczania dwóch parametrów BH 0 oraz BH MATERIAŁ DO BADA Przedmiotem bada była płaska blacha o gruboci 0,67 mm przeznaczona do tłoczenia na zimno, elementów karoserii samochodowych, oznaczona symbolem H180B. Wykonana analiza potwierdził, e jej składu chemicznego jest zgodny z normami polsk i niemieck. Skład chemiczny blachy zamieszczono w tabeli 1. Tabela 1. Wyniki analizy chemicznej stali H180B - porównanie z normami Table 1. Chemical analysis of steel H180B comparison with standards Analiza chemicz. H180B Norma PN-EN Norma SEW 094 C Mn Si P S Cr Ni Cu Al* N 0,018 0,16 <0,005 0,016 0,008 0,020 0,024 0,037 0,040 0,024 0,04 0,04 0,70 0,70 - zawarto aluminium met. 0,50 0,50 0,06 0,06 0,025 0, min 0,020 min 0, Badania mikrostruktury ujawniły równoosiow struktur ferrytyczn o redniej wielkoci ziaren około 15 m. Obserwacje prowadzono w trzech wzajemnie ortogonalnych kierunkach, to jest wzdłunym i poprzecznym do kierunku walcowania, oraz na płaskiej powierzchni blachy. Nie ujawniły one rónic w budowie ziaren. Rys. 1. Mikrostruktura stali H180B Fig. 1. Microstructure steel H180B 354

3 3. WYZNACZANIE WSPÓŁCZYNNIKÓW BH 0 I BH 2 Blachy H180B charakteryzuj współczynniki BH 0 i BH 2 okrelane na podstawie statycznej próby rozcigania. Norma SEW 094 zaleca wyznaczanie wartoci BH 0 i BH 2 tylko dla kierunku poprzecznego. W prezentowanej pracy współczynniki te badano dla trzech kierunków, to jest wzdłunego, skonego (pod ktem 45 0 do kierunku walcowania) i poprzecznego. Materiał w stanie dostawy nie posiadał wyranej granicy plastycznoci. Nie wykazywał równie istotnych rónic właciwoci wytrzymałociowych w trzech badanych kierunkach. Granica plastycznoci była nie mniejsza ni 220 MPa, a wytrzymało na rozciganie pomidzy 328MPa i 341MPa, tabela Wyznaczanie współczynnika BH 0 Współczynnik BH 0 okrela wzrost wartoci granicy plastycznoci pomidzy blach w stanie dostawy a materiałem poddanym wygrzewaniu przy temperaturze C przez 20 minut. Rozciganie przeprowadza si dla dwóch próbek w stanie dostawy i po wygrzewaniu. Wygrzewanie powoduje pojawienie si wyraniej granicy plastycznoci w badanym materiale. Dla próbki w stanie dostawy wyznacza si umown granic plastycznoci R 0,2, a dla próbki po wygrzewaniu doln granic plastycznoci Re L. Rónica powyszych wartoci jest współczynnikiem BH 0. W badanym materiale po wygrzewaniu obserwuje si wzrost granicy plastycznoci o 35MPa dla próbki poprzecznej i 42MPa dla próbki skonej. Wytrzymało na rozciganie pozostaje na niezmienionym poziomie. Sposób wyliczania wartoci BH 0 podano w tablicy 2 a jego wizualizacj na rysunku 2. Tabela 2. Własnoci mechaniczne blach H180B w stanie dostawy i po wygrzewaniu C/20min. - wyznaczanie współczynnika BH 0 Table 2. Mechanical properties of H180B metal sheet as initial state and after annealing at C/20min. determination of BH 0 coefficient Znak stali Kierunek pobrania próbki R 0,2 Materiał w stanie dostawy R m Re L Materiał po wygrzewaniu C/20min R m Współczynnik BH 0 (Re L - R 0,2 ) H180B wzdłuna skona poprzeczna

4 Rys. 2. Schemat wyznaczania wartoci współczynnika BH 0 na przykładzie próbki poprzecznej Fig. 2. Procedure of estimating BH 0 coefficient for tensile strength transverse specimen Z przeprowadzonego badania próbek wygrzewanych w 170 o C przez 20 minut wynika, e wartoci wytrzymałoci na rozciganie i wydłuenia przy zerwaniu odniesione do próbek w stanie dostawy w zasadzie nie zmieniły si. Wzrosła natomiast granica plastycznoci. Próbki z wszystkich kierunków pobrania wykazuj wyran granic plastycznoci. Dla stali H180B współczynniki BH 0 s na bardzo zblionym poziomie, dziki czemu granica plastycznoci dla wszystkich trzech kierunków przyjmuje podobne wartoci Wyznaczanie współczynnika BH 2 Współczynnik BH 2 okrela wzrost granicy plastycznoci po 2% odkształceniu na zimno i wygrzewaniu. Badanie przeprowadza si na jednej próbce. Rozciga si j zadajc 2% wydłuenia wzgldnego, rejestruje naprenie maksymalne i odcia. Nastpnie próbk wygrzewa si temperaturze 170 o C ± 5 o C przez 20 minut. Wygrzewanie powoduje pojawienie si wyraniej granicy plastycznoci w badanym materiale. Kocowym etapem badania jest ponowne rozciganie próbki i wyznaczenie dolnej granicy plastycznoci. Jej rónica z maksymalnym napreniem z pierwszej czci badania jest równa współczynnikowi BH 2. Sposób wyznaczania BH 2 przedstawiono na rysunku

5 Tabela 3. Własnoci mechaniczne blach H180B po zadaniu 2% odkształcenia i po wygrzewaniu C/20min. - wyznaczanie współczynnika BH 2 Table 3. Mechanical properties of H180B metal sheet after 2% work-hardening and annealing at C/20min. determination of BH 2 coefficient Znak stali Kierunek pobrania próbki Materiał w stanie dostawy po odkształceniu 2% R 0,2 R 2,0 Materiał po odkształceniu 2% i wygrzewaniu C/20min Re L R m Współczynnik BH 2 (Re L - R 2,0 ) H180B wzdłuna skona poprzeczna Na całkowity przyrost granicy plastycznoci składaj si: umocnienie spowodowane odkształceniem plastycznym na zimno (WH) i wzrost o warto współczynnika BH 2 spowodowanym kotwiczeniem dyslokacji, wskutek wygrzewania próbki wytrzymałociowej przy temperaturze C przez 20 minut. Rys. 3. Schemat wyznaczania wartoci współczynnika BH 2 na przykładzie próbki poprzecznej Fig. 3. Procedure of estimating BH 2 coefficient for tensile strength transverse specimen 357

6 4. WPŁYW WYGRZEWANIA NA WARTO GRANICY PLASTYCZNOCI Zgodnie z norm SEW 094 przy okrelaniu wartoci BH 0 zalecan temperatur wygrzewania jest C. Poniej przedstawiono wpływ wygrzewania w szerszym zakresie temperatur na warto granicy plastycznoci. Próbki wygrzewano przez 20 minut w zakresie od 130 o C do 230 o C, to jest: 130 o C, 150 o C, 170 o C, 190 o C, 210 o C i 230 o C a nastpnie poddano je rozciganiu. W próbkach po wygrzewaniu obserwowano umown granic plastycznoci. Wyniki bada zamieszczono w tablicy 4. Na rysunku 4 przedstawiono wykres zalenoci wartoci granicy plastycznoci od temperatury wygrzewania. Tablica 4. Zaleno wartoci dolnej granicy plastycznoci od temperatury wygrzewania Table 4. Lower yield stress vs. annealing temperature Temperatura wygrzewania Stan dostawy C C C C C C Re L * - umowna granica plastycznoci 218* Ze wzrostem temperatury wygrzewania próbek ronie ich granica plastycznoci. Najwiksz dynamik wzrostu mona zaobserwowa w zakresie temperatur od 150 o C do 190 o C. Wykresy rozcigania próbek z rónych temperatur pokrywały, si poza momentem pojawienia si granicy plastycznoci Granica plastycznoci stan dostawy Temperatura wygrzewania ['C] Rys. 4. Granica plastycznoci funkcji temperatury wygrzewania Fig. 4. Lower yield stress vs. annealing temperature 358

7 5. WPŁYW ODKSZTAŁCENIA PLASTYCZNEGO NA ZIMNO NA WARTO GRANICY PLASTYCZNOCI Celem badania było znalezienie zalenoci pomidzy wzrostem granicy plastycznoci a wartoci wstpnego zgniotu. Badania przeprowadzono na próbkach poprzecznych odkształconych od 0,5% do 3,5% a nastpnie wygrzewanych przy temperaturze 170 o C i rozciganych do zerwania. Wyniki zestawiono w tablicy 5 i graficznie ujto na rysunku 5. Tabela 5. Własnoci mechaniczne materiału w zalenoci od zgniotu wstpnego Table 5. Mechanical properties vs. work hardening Własnoci przy odkształcaniu wstpnym Własnoci po odkształcaniu wstpnym i wygrzewaniu przy 170 o C przez 20 minut Odkształcenie wstpne Re/ 0,2 R 0,5-3,5 Re H Re L R m BH 0,5-3,5 Re L - R 0,5-3,5 0, BH 0,5 = 22 1, BH 1,0 = 32 1, BH 1,5 = 25 2, BH 2,0 = 37 2, BH 2,6 = 31 2, BH 2,8 = 14 3, BH 3,5 = 6 We wszystkich próbkach obserwuje si efekt BH. Wzrost granicy plastycznoci spowodowany jest umocnieniem przez zgniot i kotwiczeniem dyslokacji w czasie wygrzewania blach. Naley zauway, e o ile składowa umocnienia, w badanym zakresie od 0,5% do 3,5%, jest wprost proporcjonalna do zadawanego zgniotu to efekt zwizany z kotwiczeniem dyslokacji wykazuje tendencje odwrotne, rysunek

8 Wzrost granicy plastycznoci wskutek efektu BH Odkształcenie przez zgniot (WH) Granica plastycznoci w stanie dostawy Naprenie ,5 1 1,5 2 2,6 2,8 3,5 Odkształcenie wstpne Rys. 5. Wzrost granicy plastycznoci funkcji odkształcenia wstpnego Fig. 5. Yield stress vs. work hardening LITERATURA [1] J.Z. Zhao: Formation of the Cottrell atmosphere during strain aging of Bake- Hardening steels. Metallurgical and Materials Transaction vol.32a (2001). [2] F. Grosman: Postp w technologii i produkcji blach dla motoryzacji. Hutnik nr 5 (2002). [3] W. Pawłowski: Stale Bake-Hardening jedna z moliwoci zmniejszenia masy karoserii. Mittal Steel materiały niepublikowane. [4] SUMMARY MECHANICAL PROPERTIES OF AUTOBODY SHEET H180B In the present work the results of investigation deep drawing autobody sheet H180B was presented. The microstructure and some of mechanical properties were analysed. The values of BH 0 and BH 2 coefficients were defined and the relationship between lower yield stress likewise values of work hardening versus annealing temperature. Recenzował: prof. Edward Fra. 360