POLITECHNIKA ŚLASKA
POLITECHNIKA ŚLASKA
WYDZIAA
INśYNIERII MATERIAA
OWEJ I METALURGII
WYDZIAA
INśYNIERII MATERIAA
OWEJ I METALURGII
KATEDRA MODELOWANIA PROCESÓW I INZYNIERII MEDYCZNEJ
KATEDRA MODELOWANIA PROCESÓW I INZYNIERII MEDYCZNEJ
Zaawansowane technologie metali
Zaawansowane technologie metali
NOWOCZESNE BLACHY
NOWOCZESNE BLACHY
STALOWE NA ELEMENTY
STALOWE NA ELEMENTY
KAROSERII W ŚWIETLE
KAROSERII W ŚWIETLE
PROJEKTU ULSAB-AVC
PROJEKTU ULSAB-AVC
Marcin Kopiec
IM 40-MM
Wprowadzenie
Wprowadzenie
Metale oraz ich stopy, a w szczególności stal, są najbardziej
Metale oraz ich stopy, a w szczególności stal, są najbardziej
ekologicznym i przyszłościowym tworzywem konstrukcyjnym.
ekologicznym i przyszłościowym tworzywem konstrukcyjnym.
Obszarem o szczególnie du\
ym zapotrzebowaniu na wyroby ze stali
Obszarem o szczególnie du\
ym zapotrzebowaniu na wyroby ze stali
jest przemysł samochodowy. W przemyśle tym udział elementów
jest przemysł samochodowy. W przemyśle tym udział elementów
stalowych utrzymuje się, w okresie ponad 20 lat, praktycznie na tym
stalowych utrzymuje się, w okresie ponad 20 lat, praktycznie na tym
samym poziomie. W 1979 roku 55% masy typowego samochodu
samym poziomie. W 1979 roku 55% masy typowego samochodu
stanowiły elementy ze stali. W typowym modelu samochodu z roku
stanowiły elementy ze stali. W typowym modelu samochodu z roku
2000 elementy stalowe stanowią 54% masy całkowitej.
2000 elementy stalowe stanowią 54% masy całkowitej.
Aktualnie realizowany jest program ULSAB-AVC (Advanced Vehicle
Aktualnie realizowany jest program ULSAB-AVC (Advanced Vehicle
Concepts), który stanowi ofertę światowego przemysłu stalowego i
Concepts), który stanowi ofertę światowego przemysłu stalowego i
wezwanie dla projektantów i producentów do zwiększenia sprawności
wezwanie dla projektantów i producentów do zwiększenia sprawności
samochodów przez zmniejszenie zu\
ycia paliwa (do 3 litrów na 100
samochodów przez zmniejszenie zu\
ycia paliwa (do 3 litrów na 100
km), poprawę bezpieczeństwa i niezawodności samochodów.
km), poprawę bezpieczeństwa i niezawodności samochodów.
Program ten ma pomóc w doborze stali bardziej efektywnych i
Program ten ma pomóc w doborze stali bardziej efektywnych i
stworzyć podstawy do uzyskania:
stworzyć podstawy do uzyskania:
-przewidywanych do osiągnięcia w 2004 roku wymagań testów
-przewidywanych do osiągnięcia w 2004 roku wymagań testów
bezpieczeństwa na zderzenia,
bezpieczeństwa na zderzenia,
-znaczące obni\
enie zu\
ycia paliwa,
-znaczące obni\
enie zu\
ycia paliwa,
-minimalizację oddziaływania na środowisko poprzez redukcję emisji
-minimalizację oddziaływania na środowisko poprzez redukcję emisji
spalin, zu\
ycia materiałów i energii w procesie produkcji samochodu
spalin, zu\
ycia materiałów i energii w procesie produkcji samochodu
oraz poprawę recyklingu stosowanych materiałów,
oraz poprawę recyklingu stosowanych materiałów,
-du\
ą wydajność produkcji przy minimalnych kosztach.
-du\
ą wydajność produkcji przy minimalnych kosztach.
Klasyfikacja stali na blachy dla
Klasyfikacja stali na blachy dla
motoryzacji
motoryzacji
nowoczesne stale o wysokiej
nowoczesne stale o wysokiej
Stale konwencjonalne:
Stale konwencjonalne:
wytrzymałości (AHSS 
wytrzymałości (AHSS 
Advanced High Strength Steel):
Advanced High Strength Steel):
" Stale miękkie (Mild steel)
" Stale miękkie (Mild steel)
" Stale tłoczne bez atomów
" Stale tłoczne bez atomów
" stale ferrytyczno-
" stale ferrytyczno-
międzywęzłowych (IF 
międzywęzłowych (IF 
martenzytyczne (DP  Dual
martenzytyczne (DP  Dual
Interstitial Free)
Interstitial Free)
Phase)
Phase)
" Stale tłoczne izotropowe (IS 
" Stale tłoczne izotropowe (IS 
" stale typu CP (CP  Complex
" stale typu CP (CP  Complex
Isotropic)
Isotropic)
Phase)
Phase)
" Stale typu BH umacniane
" Stale typu BH umacniane
wydzieleniowo (BH-Bake
wydzieleniowo (BH-Bake
" stale typu TRIP (TRIP 
" stale typu TRIP (TRIP 
Hardenable)
Hardenable)
Transformation Induced
Transformation Induced
" Stale CMn (węglowo-
" Stale CMn (węglowo-
Plasticity)
Plasticity)
manganowe)
manganowe)
" stale martenzytyczne (Mart 
" Stale wysokowytrzymałe " stale martenzytyczne (Mart 
" Stale wysokowytrzymałe
niskostopowe (HSLA-High
niskostopowe (HSLA-High
Martensitic)
Martensitic)
Strenght Low Alloy).
Strenght Low Alloy).
Zasadnicza ró\
nica pomiędzy konwencjonalnym stalami HSS i
Zasadnicza ró\
nica pomiędzy konwencjonalnym stalami HSS i
nowoczesnymi stalami AHSS polega na sposobie
nowoczesnymi stalami AHSS polega na sposobie
ukształtowania mikrostruktury.
ukształtowania mikrostruktury.
AHSS są stalami wielofazowymi, które zawierają martenzyt,
AHSS są stalami wielofazowymi, które zawierają martenzyt,
bainit lub austenit szczątkowy, względnie bainit i austenit
bainit lub austenit szczątkowy, względnie bainit i austenit
szczątkowy.
szczątkowy.
W porównaniu do zwykłych stali mikrostopowych nowoczesne
W porównaniu do zwykłych stali mikrostopowych nowoczesne
stale AHSS wykazują wyjątkowe połączenie wysokiej
stale AHSS wykazują wyjątkowe połączenie wysokiej
wytrzymałości z dobrą odkształcalnością.
wytrzymałości z dobrą odkształcalnością.
Dla zwykłych stali, obni\
ona plastyczność jest konsekwencją
Dla zwykłych stali, obni\
ona plastyczność jest konsekwencją
wysokiej wytrzymałości.
wysokiej wytrzymałości.
Rys.1. Zale\
ność
pomiędzy wydłu\
eniem
i granicą plastyczności
dla stali na blachy
tłoczne [1]
Charakterystyka nowoczesnych
Charakterystyka nowoczesnych
stali o wysokiej wytrzymałości
stali o wysokiej wytrzymałości
Stale dwufazowe DP
Stale dwufazowe DP
Mikrostruktura stali dwufazowych (rys.2) składa się z miękkiej fazy
Mikrostruktura stali dwufazowych (rys.2) składa się z miękkiej fazy
ferrytycznej, w której znajduje się 15 do 70 % (objętościowo) twardej
ferrytycznej, w której znajduje się 15 do 70 % (objętościowo) twardej
fazy martenzytycznej (mo\
liwy jest równie\
znaczący udział fazy
fazy martenzytycznej (mo\
liwy jest równie\
znaczący udział fazy
bainitycznej)
bainitycznej)
W trakcie kształtowania plastycznego odkształcenie lokalizuje się w
W trakcie kształtowania plastycznego odkształcenie lokalizuje się w
miękkiej fazie ferrytycznej powodując szczególnie intensywne
miękkiej fazie ferrytycznej powodując szczególnie intensywne
umacnianie, które wyró\
nia tę stal od zwykłych stali u\
ywanych na
umacnianie, które wyró\
nia tę stal od zwykłych stali u\
ywanych na
blachy tłoczne
blachy tłoczne
Stale DP mają znacznie wy\
szą wytrzymałość od stali
Stale DP mają znacznie wy\
szą wytrzymałość od stali
konwencjonalnych, o podobnej granicy plastyczności
konwencjonalnych, o podobnej granicy plastyczności
Stale DP mogą uzyskać po umocnieniu starzeniowym wytrzymałość
Stale DP mogą uzyskać po umocnieniu starzeniowym wytrzymałość
dochodzącą do 1000 MPa
dochodzącą do 1000 MPa
W stalach DP zawartość węgla decyduje o mo\
liwości otrzymania
W stalach DP zawartość węgla decyduje o mo\
liwości otrzymania
martenzytu dla osiąganych w praktyce przemysłowej prędkości
martenzytu dla osiąganych w praktyce przemysłowej prędkości
chłodzenia
chłodzenia
Dodawane indywidualnie lub w kombinacji dodatki Mg, Cr, Mo, V, i Ni
Dodawane indywidualnie lub w kombinacji dodatki Mg, Cr, Mo, V, i Ni
podwy\
szają hartowność
podwy\
szają hartowność
Charakterystyka nowoczesnych
Charakterystyka nowoczesnych
stali o wysokiej wytrzymałości
stali o wysokiej wytrzymałości
Stale typu TRIP
Stale typu TRIP
Mikrostruktura stali TRIP (rys.2) ma ciągłą osnowę ferrytyczną
Mikrostruktura stali TRIP (rys.2) ma ciągłą osnowę ferrytyczną
wewnątrz której znajdują się wydzielenia faz twardych martenzytu i
wewnątrz której znajdują się wydzielenia faz twardych martenzytu i
bainitu. Stale te zawierają równie\
austenit szczątkowy w ilości
bainitu. Stale te zawierają równie\
austenit szczątkowy w ilości
większej ni\
5 % zawartości objętościowej.
większej ni\
5 % zawartości objętościowej.
Stale typu TRIP mają większą zawartość węgla oraz krzemu i
Stale typu TRIP mają większą zawartość węgla oraz krzemu i
aluminium lub oby dwu tych składników ni\
stale DP. Pierwiastki te
aluminium lub oby dwu tych składników ni\
stale DP. Pierwiastki te
powodują obni\
enie temperatury przemiany martenzytycznej.
powodują obni\
enie temperatury przemiany martenzytycznej.
Wartość odkształcenia przy którym austenit szczątkowy rozpoczyna
Wartość odkształcenia przy którym austenit szczątkowy rozpoczyna
przemianę w martenzyt mo\
e być ustalona przez regulację zawartości
przemianę w martenzyt mo\
e być ustalona przez regulację zawartości
węgla.
węgla.
Porównanie struktur stali DP oraz
Porównanie struktur stali DP oraz
stali TRIP
stali TRIP
Rys.2.
Mikrostruktura stali
DP i TRIP[1].
Rys.3.Mikrostruktura stali TRIP[2].
Rys.4.Mikrostruktura stali DP [2].
Charakterystyka nowoczesnych
Charakterystyka nowoczesnych
stali o wysokiej wytrzymałości cd.
stali o wysokiej wytrzymałości cd.
Stale typu CP
Stale typu CP
Stale CP nale\
ą do grupy stali o stosunkowo dobrej odkształcalności
Stale CP nale\
ą do grupy stali o stosunkowo dobrej odkształcalności
przy du\
ej wytrzymałości na rozciąganie.
przy du\
ej wytrzymałości na rozciąganie.
Mikrostruktura tej stali składa się z bardzo drobnoziarnistego ferrytu z
Mikrostruktura tej stali składa się z bardzo drobnoziarnistego ferrytu z
du\
ą zawartością frakcji faz twardych, które powodują umacnianie
du\
ą zawartością frakcji faz twardych, które powodują umacnianie
wydzieleniowe.
wydzieleniowe.
Zawierają one wiele takich samych dodatków stopowych jakie
Zawierają one wiele takich samych dodatków stopowych jakie
znajdują się w stalach DP i TRIP oraz dodatkowo zawierają nieznaczne
znajdują się w stalach DP i TRIP oraz dodatkowo zawierają nieznaczne
ilości niobu oraz tytanu i wanadu
ilości niobu oraz tytanu i wanadu
Stale CP osiągają wytrzymałość na rozciąganie dochodzące do 800
Stale CP osiągają wytrzymałość na rozciąganie dochodzące do 800
MPa.
MPa.
W warunkach odkształceń i prędkości odkształceń typowych dla
W warunkach odkształceń i prędkości odkształceń typowych dla
zniszczenia, w warunkach zderzenia, stale te pochłaniają najwięcej
zniszczenia, w warunkach zderzenia, stale te pochłaniają najwięcej
energii. Najbardziej wskazanym jest zastosowaniem tych stali na takie
energii. Najbardziej wskazanym jest zastosowaniem tych stali na takie
elementy, które wymagają pochłaniania du\
ej ilości energii w zakresie
elementy, które wymagają pochłaniania du\
ej ilości energii w zakresie
odkształceń sprę\
ysto-plastycznych.
odkształceń sprę\
ysto-plastycznych.
Charakterystyka nowoczesnych
Charakterystyka nowoczesnych
stali o wysokiej wytrzymałości
stali o wysokiej wytrzymałości
Stale martenzytyczne
Stale martenzytyczne
W stalach martenzytycznych
W stalach martenzytycznych
austenit występujący w czasie
austenit występujący w czasie
walcowania na gorąco lub
walcowania na gorąco lub
wy\
arzania, ulega w czasie
wy\
arzania, ulega w czasie
szybkiego chłodzenia prawie
szybkiego chłodzenia prawie
całkowitej przemianie w
całkowitej przemianie w
martenzyt
martenzyt
Mikrostruktura stali
Mikrostruktura stali
martenzytycznej zawiera
martenzytycznej zawiera
głównie martenzyt listwowy.
głównie martenzyt listwowy.
Stal martenzytyczna wykazuje
Stal martenzytyczna wykazuje
maksymalną wytrzymałość 1500
maksymalną wytrzymałość 1500
MPa.
MPa.
W tej stali magnez, krzem,
W tej stali magnez, krzem,
chrom, molibden, bor, wanad,
chrom, molibden, bor, wanad,
nikiel są u\
ywane w ró\
nej
nikiel są u\
ywane w ró\
nej
kombinacji dla zwiększenia
kombinacji dla zwiększenia
Rys.5.Mikrostruktura stali martenzytycznej [2].
hartowności.
hartowności.
Technologia wytwarzania
Technologia wytwarzania
nowoczesnych stali o wysokiej
nowoczesnych stali o wysokiej
wytrzymałości
wytrzymałości
Nowoczesne stale AHSS są wytwarzane w procesach
Nowoczesne stale AHSS są wytwarzane w procesach
o kontrolowanych przebiegach chłodzenia z zakresu występowania
o kontrolowanych przebiegach chłodzenia z zakresu występowania
fazy austenitycznej, austenityczno-ferrytycznej lub ferrytycznej
fazy austenitycznej, austenityczno-ferrytycznej lub ferrytycznej
Schemat przebiegu chłodzenia i uzyskiwane struktury są pokazane
Schemat przebiegu chłodzenia i uzyskiwane struktury są pokazane
(rys.6) na tle wykresu CTPc
(rys.6) na tle wykresu CTPc
Rys.6. Mikrostruktury nowoczesnych stali AHSS w zale\
ności od sposobu
chłodzenia [1].
Dobór stali na elementy karoserii
Dobór stali na elementy karoserii
Procedura doboru materiałów, zastosowana przy ustalaniu materiałów
Procedura doboru materiałów, zastosowana przy ustalaniu materiałów
w projekcie ULSAB-AVC, jest całkowicie odmienna od tej jaką
w projekcie ULSAB-AVC, jest całkowicie odmienna od tej jaką
zastosowano w poprzednich projektach. Dotąd bazowano na
zastosowano w poprzednich projektach. Dotąd bazowano na
charakterystykach wyznaczanych w statycznych badaniach własności
charakterystykach wyznaczanych w statycznych badaniach własności
mechanicznych i doborze powszechnie dostępnych materiałów
mechanicznych i doborze powszechnie dostępnych materiałów
Stale wykazują zale\
ność własności mechanicznych od prędkości
Stale wykazują zale\
ność własności mechanicznych od prędkości
odkształcenia. Wiadomo, \
e przy większej prędkości odkształcenia,
odkształcenia. Wiadomo, \
e przy większej prędkości odkształcenia,
która jest typowa dla zderzenia samochodu, stal posiada większą
która jest typowa dla zderzenia samochodu, stal posiada większą
wytrzymałość i w konsekwencji większą zdolność zaabsorbowanej
wytrzymałość i w konsekwencji większą zdolność zaabsorbowanej
energii
energii
W końcowej koncepcji projektu dokonano doboru typów stali, z
W końcowej koncepcji projektu dokonano doboru typów stali, z
uwzględnieniem tej zdolności oraz połączenia najlepszych
uwzględnieniem tej zdolności oraz połączenia najlepszych
właściwości mechanicznych z wymaganiami struktury geometrycznej
właściwości mechanicznych z wymaganiami struktury geometrycznej
wytłoczek
wytłoczek
Modelowe wersje samochodów
Modelowe wersje samochodów
Rys.7.Modele samochodu klasy C i samochodu klasy PNGV [3].
Elementy karoserii samochodowej
Elementy karoserii samochodowej
samochodu klasy C
samochodu klasy C
Rys.8.Elementy karoserii samochodowej klasy C[3].
Elementy karoserii samochodowej
Elementy karoserii samochodowej
samochodu klasy PNGV
samochodu klasy PNGV
Rys.9.Elementy karoserii samochodu klasy PNGV [3].
Podsumowanie
Podsumowanie
Projekty badawcze ULSAB i ULSAB-AVC wniosły znaczący postęp
Projekty badawcze ULSAB i ULSAB-AVC wniosły znaczący postęp
w rozwój zastosowań nowych gatunków stali na blachy tłoczne dla
w rozwój zastosowań nowych gatunków stali na blachy tłoczne dla
motoryzacji oraz metodyki wprowadzania postępu technicznego do
motoryzacji oraz metodyki wprowadzania postępu technicznego do
nowych masowych zastosowań przemysłowych.
nowych masowych zastosowań przemysłowych.
Osiągnięte rezultaty realizacji projektów ULSA i ULSAB-AVC
Osiągnięte rezultaty realizacji projektów ULSA i ULSAB-AVC
potwierdzają słuszność przyjętej strategii i mo\
liwość osiągnięcia
potwierdzają słuszność przyjętej strategii i mo\
liwość osiągnięcia
zało\
onych celów, w tym istotne obni\
enie masy samochodów
zało\
onych celów, w tym istotne obni\
enie masy samochodów
przez zmniejszenie grubości stosowanych blach tłocznych.
przez zmniejszenie grubości stosowanych blach tłocznych.
Warunkiem opanowania produkcji blach karoseryjnych z
Warunkiem opanowania produkcji blach karoseryjnych z
nowoczesnych stali AHSS jest posiadanie linii technologicznych
nowoczesnych stali AHSS jest posiadanie linii technologicznych
zapewniających precyzyjne regulowanie temperatury
zapewniających precyzyjne regulowanie temperatury
i rozkładu odkształceń na poszczególnych etapach procesu
i rozkładu odkształceń na poszczególnych etapach procesu
wytwarzania, tzn. z pełnym komputerowym systemem sterowania.
wytwarzania, tzn. z pełnym komputerowym systemem sterowania.
Stosowane w polskim hutnictwie technologie wytwarzania blach
Stosowane w polskim hutnictwie technologie wytwarzania blach
karoseryjnych odpowiadają technologiom stosowanym w
karoseryjnych odpowiadają technologiom stosowanym w
rozwiniętych krajach na początku lat 60-tych. Podjęcie działań w
rozwiniętych krajach na początku lat 60-tych. Podjęcie działań w
zakresie restrukturyzacji techniczno technologicznej,
zakresie restrukturyzacji techniczno technologicznej,
pozwalających na opanowanie produkcji blach karoseryjnych z
pozwalających na opanowanie produkcji blach karoseryjnych z
nowych gatunków materiałów, musi uwzględniać potrzeby
nowych gatunków materiałów, musi uwzględniać potrzeby
przemysłu samochodowego po roku 2004 [1]
przemysłu samochodowego po roku 2004 [1]
Literatura
Literatura
1. http://www.polsl.katowice.pl/%7Eplast/
1. http://www.polsl.katowice.pl/%7Eplast/
2. http://www.steel.org/autosteel/ulsab_avc/
2. http://www.steel.org/autosteel/ulsab_avc/
3. http://www.worldautosteel.org/ulsab-avc/imagelib/
3. http://www.worldautosteel.org/ulsab-avc/imagelib/
4. http://www.lam.mw.tu-muenchen.de/forsch/Abstract.html
4. http://www.lam.mw.tu-muenchen.de/forsch/Abstract.html