22 Prace IMŻ 1 (2010) Zbigniew GRONOSTAJSKI Politechnika Wrocławska Roman KUZIAK Instytut Metalurgii Żelaza im. St. Staszica METALURGICZNE, TECHNOLOGICZNE I FUNKCJONALNE PODSTAWY ZAAWANSOWANYCH WYSOKOWYTRZYMAŁYCH STALI DLA PRZEMYSŁU MOTORYZACYJNEGO W artykule przedstawiono najważniejsze zagadnienia metalurgiczne związane z wytwarzaniem stali AHSS oraz możliwości zastosowania tych stali na elementy konstrukcji samochodu absorbujące energię zderzeń z uwzględnieniem mikrostruktury i właściwości mechanicznych, a także nowoczesnych technologii wytwarzania blach. Przedstawiono również charakterystykę funkcjonalną tych stali i jej znaczenie dla bezpieczeństwo konstrukcji samochodu. Pokazano, że dla efektywniejszego zastosowania stali AHSS konieczna jest zmiana technologii ich kształtowania na zimno. Słowa kluczowe: Stale AHSS, absorbowanie energii podczas odkształcenia, technologie kształtowania na zimno METALLURGICAL, TECHNOLOGICAL AND FUNCTIONAL FUNDAMENTALS OF THE ADVANCED HIGH-STRENGTH STEELS FOR AUTOMOBILE INDUSTRY The paper presents the most important metallurgical aspects concerning the production process of AHSS steels and their capabilities to be used in production of constructional crash energy absorbing components of an automobile, taking into account the microstructure and mechanical properties. The advanced technologies of AHSS steel production also are presented. Functional characteristics of the said steels is analyzed, which leads to the conclusion that new shaping technologies must be applied in order to achieve their more effective use. Keywords: AHSS steels, energy absorption during deformation, shaping technologies 1. WSTĘP Do najważniejszych wymagań stawianych obecnie nowo produkowanym modelom samochodów zaliczyć należy podwyższone bezpieczeństwo konstrukcji. Badania dotyczące tej tematyki są prowadzone od kilkudziesięciu lat na całym świecie, a złożoność i mnogość problemów, zarówno w konstruowaniu elementów pochłaniających energię, jak i w technikach pomiarów, nie została jeszcze wyczerpana [1 3]. Jednym z najistotniejszych zagadnień rozwoju bardziej bezpiecznych konstrukcji są struktury energochłonne. Rozmieszczone są one w samochodzie w tzw. strefach zgniotu. Ich funkcją w trakcie zderzenia ma być progresywne pochłanianie energii oraz utrzymanie bezpiecznych wartości obciążeń działających na pasażerów. Projektowanie takich stref jest procesem bardzo złożonym, gdyż oprócz znajomości obciążeń działających podczas zderzenia, wymaga uwzględnienia warunków geometrycznych, wynikających z konstrukcji pojazdu oraz cech materiałowych [2, 3]. Duże nadzieje na postęp w tej dziedzinie pojawiły się po wprowadzeniu do produkcji zaawansowanych stali wysokowytrzymałych (AHSS), do których zalicza się stale DP, TRIP, TWIP, CP oraz stale martenzytyczne typu MART [4 7]. W konstrukcjach samochodów z dużym powodzeniem stosowane są także konwencjonalne stale mikroskopowe o podwyższonej wytrzymałości (HSLA) [4]. 2. STRUKTURA ENERGOCHŁONNA POJAZDU Najważniejszym elementem bezpieczeństwa biernego podczas zderzenia jest odpowiednia struktura nośna pojazdu, mianowicie, sztywna, nieodkształcalna klatka bezpieczeństwa i otaczające ją strefy energochłonne (rys. 1).
Prace IMŻ 1 (2010) Metalurgiczne, technologiczne i funkcjonalne podstawy... 23 Rys. 1. Struktura współczesnego nadwozia [5] Fig, 1. Structure of the modern motor-car body [5] Ze względu na bezpieczeństwo użytkownika pojazdu bardzo istotna jest nie tyle bezwzględna wartość siły działającej na organizm, ile wartość przyśpieszenia (opóźnienia) i czas jego działania. Przyspieszenie, jakiego doznaje człowiek podczas zderzenia nie powinno przekraczać 1000HIC przy 4 milisekundach, co odpowiada około 90 g [4]. Aby zapewnić bezpieczne przeciążenia, struktura energochłonna musi składać się ze stref o różnej sztywności, co może być uzyskane za pomocą odpowiednich rozwiązań geometrycznych i sposobów łączenia z uwzględnieniem właściwej selekcji materiału lub materiałów. Przykład złożonej, gradientowej struktury geometrycznej fragmentu podłużnicy przed i po zderzeniu pokazano na rysunku 2. Rys. 3. Obraz ilustrujący tworzenie się fałd oraz odpowiadający im przebieg siły podczas ściskania próbek cienkościennych osiowosymetrycznych [8] Fig. 3. Image depicting formation of folds and respective force pattern during compression of thin-walled axially symmetric samples [8] wili teoretyczną oraz eksperymentalną analizę quasistatycznego ściskania profili o przekroju pojedynczego oraz podwójnego kapelusza [9, 10]. Obecnie, standardem w badaniach staje się modelowanie matematyczne różnych procesów, w tym procesu zgniatania. Poprawny dobór modeli materiałowych, warunków brzegowych oraz warunków modelowania istotnie wpływa na dokładność wyników obliczeń numerycznych (rys. 4) [8, 12]. Rys. 2. Element absorbujący energię przez i po odkształceniu [6] Fig. 2. Energy- absorbing component, before and after deformation [6] Elementy pochłaniające energię muszą być kompatybilne ze założoną strukturą nadwozia. W samochodach, najczęściej stosowane są elementy wytłaczane, które następnie są łączone przez spawanie, zgrzewanie liniowe oraz zgrzewanie punktowe. Pierwszą znaczącą pracę dotyczącą zdolności pochłaniania energii zderzenia przez różne profile stosowane w kontrolowanych strefach zgniotu nadwozia opublikował Alexander, który wykazał, że przebiegi siły spęczania próbek rurowych w funkcji czasu mają oscylacyjny charakter [8]. Oscylacje te są ściśle powiązane z tworzeniem się kolejnych fałd, podczas spęczania. Sposób tworzenia się fałd oraz odpowiadający im przebieg siły został przedstawiony na rysunku 3. Duży postęp w zrozumieniu zjawisk zachodzących w strefie wpływu zgniotu przyniosły prace White a, Jonesa, Abramowicza i Wierzbickiego, którzy przedsta- Rys. 4. Wynik symulacji numerycznej odkształcenia konstrukcji cienkościennej wykonanej z blachy ze stali H320LA [12] Fig. 4. Result of numerical simulation of deformation of thin-walled structure made from H320LA steel plate 3. MATERIAŁY STOSOWANE W KONSTRUKCJI STRUKTUR ENERGOCHŁONNYCH Energochłonność konstrukcji zależy przede wszystkim od właściwości materiału zastosowanego do jej wykonania. Ze względu na konieczność ograniczenia masy pojazdu, powinny to być materiały o dużej wytrzymałości i dobrej plastyczności. Jednak dominującą rolę, zwłaszcza dla struktur nośnych, zdobywa nowa generacja stali wielofazowych, o wysokiej i bardzo wysokiej wytrzymałości (AHSS). Charakteryzują się one nie tylko bardzo wysoką wytrzymałością, ale równocześnie wysoką plastycznością (rys. 5). Należą do nich stale o strukturze ferrytyczno martenzytycznej typu DP (Dual Phase), ferrytyczno-bainitycznej z austenitem szczątkowym typu TRIP (Transformation Induced Plasticity), ulegające umocnieniu podczas kształtowania technologicznego w wyniku
24 Zbigniew Gronostajski, Roman Kuziak Prace IMŻ 1 (2010) Rys. 5. Właściwości mechaniczne blach z wybranych gatunków nowoczesnych stali dla przemysłu samochodowego [13] Fig.5. Mechanical properties of plates manufactured from selected advanced steel grades for automobile industry [13] przemiany martenzytycznej fazy, o złożonym udziale różnych faz typu CP (Complex Phase), a także o strukturze martenzytycznej typu MART (Martensitic Steel). Specyficzne i pożądane właściwości tych stali wynikają z rodzaju mikrostruktury, określonej składnikami fazowymi oraz ich ilością i morfologią. W porównaniu do zwykłych stali mikrostopowych nowoczesne stale AHSS wykazują wyjątkowe połączenie wysokiej wytrzymałości z dobrą odkształcalnością. To połączenie właściwości jest w pierwszym rzędzie efektem małej wartości stosunku granicy plastyczności do wytrzymałości na rozciąganie [4, 12, 13]. Na szczególną uwagę zasługują zwłaszcza stale DP, TRIP i TWIP. 3.1. STALE DP Struktura stali DP jest kompozytem składającym się z ciągliwego ferrytu i twardego martenzytu. Udział objętościowy martenzytu lub MA (Martenzyt z wysepkami austenitu szczątkowego) w większości wyrobów nie przekracza 25%. Taki skład fazowy i morfologia drugiej fazy powodują, że wyroby ze stali DP charakteryzują się wysoką wytrzymałością i ciągliwością. Zakres wytrzymałości na rozciąganie przemysłowych stali DP mieści się w przedziale 500 1200 MPa. Strukturę dwufazową blach DP można otrzymać poprzez wyżarzanie międzykrytyczne w przedziale temperatur Ac 1 i Ac 3 Rys. 6. Schemat chłodzenia blach ze stali DP [6] Fig. 6. DP steel plates cooling pattern [6] oraz bezpośrednio po procesie walcowania, kontrolując postęp przemiany ferrytycznej. W obu metodach konieczne jest zastosowanie przyspieszonego chłodzenia w końcowym etapie obróbki. Uzyskanie pożądanej mikrostruktury stali DP w procesie walcowania na gorąco wymaga stosowania złożonych schematów walcowania i kontrolowanego chłodzenia po walcowaniu (rys. 6). Bezpośrednio po zakończeniu walcowania, blacha jest intensywnie chłodzona do temperatury najmniejszej trwałości austenitu (~670ºC), a następnie wolno chłodzona w spokojnym powietrzu w czasie zapewniającym uzyskanie w strukturze około 75 80% ferrytu. Segregacja węgla do austenitu w trakcie przemiany ferrytycznej powoduje wzrost hartowności tego składnika struktury. Zapewnia to jego przemianę w martenzyt podczas intensywnego chłodzenia do temperatury zwijania. 3.2. STALE TRIP I TWIP Niekorzystną właściwością stali DP jest ich stosunkowo niska ciągliwość. Niskostopowe stale TRIP, których składnikami jest ferryt, austenit szczątkowy oraz bainit, a niekiedy również martenzyt, charakteryzujące się wysoką wytrzymałością i ciągliwością, mogą stanowić bardzo ekonomiczny substytut stali DP [14, 15]. Zasadniczym problemem produkcji blach ze stali TRIP jest takie sterownie postępem przemian fazowych, aby uzyskać w ich strukturze dużą zawartość (około15 20%) austenitu szczątkowego, który pod wpływem odkształcenia plastycznego podczas formowania przemienia się w martenzyt. Jako pierwszy, efekt przemiany fazowej austenitu wywołanej odkształceniem odkrył Zacky [16]. Schemat końcowego etapu procesu walcowania ilustrujący sposób chłodzenia zapewniający uzyskanie pożądanego składu fazowego blach ze stali TRIP przedstawiono na rysunku 6. Po ostatnim przepuście procesu walcowania, blacha wytrzymywana jest przez krótki okres czasu na samotoku. W tym czasie następuje zarodkowanie i wzrost ferrytu, któremu towarzyszy proces segregacji węgla do austenitu. Kolejnym etapem technologicznym jest przyspieszone chłodzenie blachy do temperatury w przedziale 350 400 C i wytrzymanie izotermiczne, w trakcie którego zachodzi przemiana bainityczna. Przemiana ta prowadzi do dalszego wzrostu zawartości węgla w austenicie do wartości około 1,2%. Austenit silnie wzbogacony w węgiel pozostaje jako faza stabilna w strukturze (lub częściowo przemienia się w martenzyt) podczas chłodzenia blachy do temperatury otoczenia. Mikrostrukturę oraz schemat mechanizmu powodującego wzrost ciągliwości stali TRIP przedstawiono na rysunku 7. Jeszcze większą intensywność umacniania, przy bardzo dużej plastyczności wykazują stale TWIP, w których dominującym mechanizmem odkształcenia jest bliźniakowanie (rys. 8). Wydaje się, że bezpośrednim następstwem wprowadzania stali AHSS do budowy nadwozi powinno być również stasowanie tych materiałów do wytwarzania elementów kontrolowanych stref zgniotu. Specyficzne właściwości stali TRIP i TWIP powinny zaowocować bardzo dobrymi rozwiązaniami elementów energochłonnych [18]. Jednak okazuje się, że pomimo tego nie są one jeszcze powszechnie stosowane do wytwarzania typowych elementów pochłaniających energię zderzenia.
Prace IMŻ 1 (2010) Metalurgiczne, technologiczne i funkcjonalne podstawy... 25 Rys. 7. Mikrostruktura stali TRIP (jasne pola austenit szczątkowy) [6] Fig. 7. Microstructure of TRIP steel (bright fields residual austenite) [6] a) b) Rys. 8. Mikrostruktura stali TWIP, Fe-25Mn-Si-3Al Mikrografia skaningowa próbek odkształconych: (a) Td = 400 C, odkształcenie 40%; (b) Td = 50 C, odkształcenie 68% [17] Fig. 8. Microstructure of TWIP, Fe-25Mn-Si-3Al steel Scanning electron micrograph of deformed samples: (a) Td = 400 C, deformation 40%; (b) Td = 50 C, deformation 68% [17] 3.3. SPOSOBY WYTWARZANIA PROFILI ENERGOCHŁONNYCH Obecnie większość elementów energochłonnych wykonywanych jest metodą gięcia lub płytkiego wytłaczania, podczas którego ulegają odkształceniu tylko strefy w otoczeniu linii gięcia lub naraża wytłoczek. Z obliczonego rozkładu odkształceń w takim profilu po zgniataniu wynika, że większość objętości materiału została poddana odkształceniom w przedziale 0.0-0.2 [19]. Wyniki te wskazują, że przy takiej technologii wytwarzania, potencjalne możliwości blach AHSS są niewykorzystane. Możliwości pełnego wykorzystania blach DP, TRIP i TWIP do produkcji elementów energochłonnych występują wtedy, gdy elementy takie wytwarzane są przez procesy głębokiego ciągnienia lub hydroformowania. W procesach tych występuje wstępne odkształcenie materiału tak, że podczas dynamicznej deformacji elementy te będące wstępnie umocnione mają większą zdolność do pochłaniania energii. Hydroformowanie (rys. 9) jest coraz częściej stosowane do produkcji elementów karoserii w tym także elementów pochłaniających energię. Pełny profil, bez konieczności łączenia kołnierzy ułatwia uzyskanie progresywnego zgniatania, zaś stosunkowo łatwe do uzyskania zróżnicowanie profilu wzdłuż jego długości Rys. 9. Schemat ilustrujący podstawowe zasady hydroformowania: a) narzędzia, b) początkowy wygląd rury, c) wyrób końcowy (złącze typu T) [20] Fig. 9. Diagram depicting fundamental principles of hydroforming: a) tools, b) initial appearance of the pipe, c) final product (T type coupling) [20] ułatwia nie tylko dopasowanie takiego elementu do karoserii, ale również umożliwia uzyskanie gradientowej struktury bez dodatkowego łączenia. Jak dotąd, na elementy takie dobiera się konwencjonalne stale do tłoczenia, o stosunkowo niskiej wytrzymałości. Niestety zaprojektowanie takiej struktury wykonanej ze stali typu DP, TRIP i TWIP będzie bar-
26 Zbigniew Gronostajski, Roman Kuziak Prace IMŻ 1 (2010) dziej pracochłonne, gdyż materiały te charakteryzują się większym sprężynowaniem, co utrudnia uzyskanie dokładnego końcowego kształtu [5]. 4. PODSUMOWANIE Projektowanie kontrolowanych stref zgniotu jest procesem bardzo złożonym, gdyż oprócz znajomości obciążeń działających podczas zderzenia, wymagane jest uwzględnienie warunków geometrycznych, wynikających z konstrukcji pojazdu oraz cech materiałowych. Olbrzymi postęp w wytwarzaniu nowych stali spowodował, że obecnie do budowy nadwozi samochodowych coraz częściej używa się, zwłaszcza dla struktur nośnych, nowej generacji stali wielofazowych, o wysokiej i bardzo wysokiej wytrzymałości (AHSS). Charakteryzują się one bardzo wysoką wytrzymałością przy jednoczesnej wysokiej plastyczności. Istotnym problemem zastosowania stali AHSS w produkcji elementów konstrukcyjnych stosowanych w kontrolowanych strefach zgniotu jest skomplikowana technologia wytwarzania półproduktów, wymagająca precyzyjnej kontroli parametrów walcowania oraz warunków chłodzenia po walcowaniu. Proces wytwarzania stali AHSS wymaga zaawansowanej wiedzy technicznej wyposażenia walcowni oraz linii do ciągłego wyżarzania taśm zimnowalcowanych. Wstępna analiza procesów dynamicznej deformacji profili cienkościennych za pomocą MES i na podstawie badań doświadczalnych, pokazuje, że pełna możliwość wykorzystania blach AHSS, które charakteryzują się większym umocnieniem od materiałów dotychczas stosowanych, do wytwarzania elementów energochłonnych pojawia się wtedy, gdy elementy takie wytwarzane są przez procesy głębokiego ciągnienia lub hydroformowania. LITERATURA 1. Wicher J.: Bezpieczeństwo samochodów i ruchu drogowego, Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa, 2004 2. Langseth M., Hopperstad O.S., Berstad T.: Crashworthiness of aluminium extrusions: validation of numerical simulation, effect of mass ratio and impact velocity, International Journal of Impact Engineering, 22, 829-854, (1999) 3. Marsolek J., Reimerdes H.G.: Energy absorption of metallic cylindrical shells with induced non-axisymmetric folding patterns, International Journal of Impact Engineering, 30, 1209 1223, (2004) 4. Patrick L.M., Kroell C.K., Mertz H.J.: Forces on the human body in simulated crashes, Proceedings of the 9 th Stapp Car Crash Conference, 237-260, (1965) 5. www.autosteel.org 6. Kuziak R., Kawalla R., Waengler S.: Advanced high strength steels for automotive industry, Archives of Civil and Mechanical Engineering, 2, 103 118, (2008) 7. Rusiński E.: Zasady projektowania konstrukcji nośnych pojazdów samochodowych; Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej; Wrocław; 2002 8. Alexander J.M.: An approximate analysis of the collapse of thin cylindrical shells under axial loading, Quart. J. Mech. Apply. Math, 13, 10-15, (1960) 9. Polak S.: Zastosowanie metod przetłaczania do łączenia profili cienkościennych absorbujących energię podczas zderzenia, PhD Thesis, Institute of Predication Engineering and Automation of Wrocław University of Technology, Wrocław 2008 10. White M.D., Jones N.: Experimental quasi-static axial crushing of top-hat and double-hat thin-walled sections, International Journal of Mechanical Sciences, 41, 179-208, (1999) 11. Wierzbicki T., Abramowicz W.: On the crushing mechanics of thin-walled structures, Journal of Applied Mechanics, 50, 727 733, (1983) 12. Gronostajski Z., Polak S.: Quasi-static and dynamic deformation of double-hat thin-walled element of vehicle controlled body crushing zones joined by clinching, Archives of Civil and Mechanical Engineering, 2, 57 66, (2008) 13. Kuziak R.: Modelowanie zmian struktury i przemian fazowych zachodzących w procesach obróbki cieplno-plastycznej stali, Gliwice 2005 14. Wilshynsky D.O., Krauss G., Matlock D.K.: Proc. Int. Symp. Interstitial-Free Steel Sheet: Processing, Fabrication, and Properties, ed. L.E. Collins, D.L. Baragar, August 18 21, 1991, Ottawa, Canada, 69 15. Simon R.W.: Steel Times Int., November, 1997, 44 16. Takahashi M.: Nippon Steel Techn. Rep., no. 88, July 2003, 2. 17. Zacky V.F., Parker E.R., Fahr D., Bush R.: Trans. Am. Soc. Met., vol. 60, 1967, 252 18. Grässel O., Krüger L., Frommeyer G., Meyer L.W.: High strength Fe Mn (Al, Si) TRIP/TWIP steels development properties application, International Journal of Plasticity, 16, 1391 1409, (2000) 19. Gronostajski Z., Niechajowicz A., Polak S.: Prospects for the use of new-generation steels of the AHSS type for collision energy absorbing components, Archives of Metallurgy and Materials (w druku) 20. Kocańda A., Sadłowska H.: Automotive component development by means of hydroforming, Archives of Civil and Mechanical Engineering, 3, 55 72, (2008) Recenzent: Prof. dr hab. inż. Maciej Pietrzyk