6. Stale stosowane w budowie nadwozi samochodowych
Głównym celem ćwiczenia jest poznanie struktury i właściwości nowoczesnych stali
stosowanych w budowie nadwozi pojazdów samochodowych.
Dynamiczny rozwój przemysłu samochodowego oraz rosnąca konkurencja na rynku
producentów blach karoseryjnych zmusza do wprowadzania nowych technologii.
Podstawowym celem rozwoju stali na karoserie jest maksymalne zmniejszenia masy pojazdu
związane z obniżeniem zużycia paliwa i zwiększenie bezpieczeństwa biernego pasażerów.
Niezbędne stało się opracowanie nowych gatunków stali oraz metod ich spajania i
przetwarzania. Nadwozie współczesnego samochodu osobowego składa się z detali
tłoczonych z cienkich blach. Liczba głównych wytłoczek waha się w granicach od 170 (dla
małych, lekkich nadwozi) do około 400 dla dużych samochodów. Typowe nadwozie
samochodu powstaje w wyniku łączenia poszczególnych wytłoczek w komplety spawalnicze,
które są następnie składane w większe nadwozia.
Podstawowym sposobem łączenia blach stalowych jest obecnie elektryczne oporowe
zgrzewanie punktowe. Liczba punktów zgrzewanych w nowoczesnych nadwoziach mieści się
w granicach od 2500 do 7000, jako operacje uzupełniające stosuje się spawanie elektryczne w
osłonie gazowej, lutowanie, laserowe lutowanie, laserowe zgrzewanie, klejenie oraz inne
nowoczesne metody łączenie.
Nadwozie samochodu jest specyficznym wyrobem przemysłowym, charakteryzującym się
zróżnicowaną technologia produkcji. Charakterystyczne dla nadwozi jest tłoczenie blach
cienkich, zgrzewanie punktowe oraz procesy zabezpieczenia antykorozyjnego i lakierowanie.
Realizacja pełnego cyklu rozwojowego , od fazy koncepcji do uruchomienia produkcji
seryjnej nie przekracza 36 miesięcy. Nową definicję nadwozia opracował w 1983 roku dr inż.
Janusz Pawłowski i brzmi ona:  Nadwozie jest użytkowa formą do przemieszczania ludzi,
ładunków lub usług w sposób odpowiedni do techniki budowy samochodu i technologii
transportu oraz przepisów drogowych
Dolna granica plastyczności, [MPa]
Rys. 6.1. Gatunki stali stosowanych w budowie nadwozi pojazdów samochodowych.
Stale typu IF (Interstitial Free). Stale typu IF charakteryzują się brakiem pierwiastków
międzywęzłowych w roztworze stałym tj. węgla i azotu. Należą one do grupy stali
ultraniskowęglowych o zawartości: C < 0,005 (zazwyczaj poniżej 0,0035), N < 0,005
(zazwyczaj poniżej 0,0020), S < 0,005 (zazwyczaj poniżej tej wartości)
Resztkowe zawartości węgla i azotu zostają związane w węgliki i węglikosiarczki za
pomocą dodatków Ti,Nb lub Zr.
Wydłużenie, [%]
 Dzięki opanowaniu procesu głębokiego odwęglania kąpieli stalowej i sposobów jej
ciągłego odlewania pozwoliło na masową produkcję stali o zawartości węgla zbliżonej do
jego granicznej rozpuszczalności w ferrycie
(ok. 0,002 przy temperaturze Ac1). Stale te zapewniają uzyskanie blach niestarzejących
się, w gatunkach o najwyższej tłoczności. Swoje pierwsze zastosowanie znalazły właśnie
w przemyśle samochodowym
Uzyskanie bardzo małych zawartości C i N w procesie wytapiania i obróbki pozapiecowej
jest głównym warunkiem uzyskania blach o
odpowiednio dobrych parametrach. Azot w
nadmiarze pogarsza plastyczność co wiąże
się z niekorzystnym przesunięciem granicy
plastyczności. Przyjmuje się, że azot zawarty
w stali, zostaje związany w fazie ciekłej w
postaci azotku tytanu (TiN) krystalizującego
z cieczy. Ilość tytanu, który zostanie dodany
powinna wystarczyć do związania siarki w
wydzielający się, przy temperaturach
przekraczających 900oC, złożony węgliko-
siarczek (Ti4C2S2)  rys 6.2.
Rys. 6.2. Wpływ zawartości azotu na
wartość wytrzymałości i współczynnik
anizotropii normalnej
Stale typu BH (Bake Hardening lub Bake Hardenable). Stale BH umocnione
wydzielinowo należą, podobnie jak stale typu IF, do grupy gatunków stali
ultraniskwęglowych i charakteryzują się podobnym lub nieco wyższym poziomem
zawartości C i N. Jednak w odróżnieniu od stali IF, stale BH mają mniejszą ilość
pierwiastków wiążących węgiel i azot (tj: Ti, Nb lub Zr), aby pozostawić w roztworze
stałym, niewielką, kontrolowaną ilość atomów węgla w granicach 15-20 ppm, która
podczas operacji termicznego utwardzania lakieru, nałożonego na nadwozie, powoduje
dodatkowe umocnienie stali. Istotą procesu umacniania jest wzrost gęstości dyslokacji po
procesie głębokiego tłoczenia oraz koncentracji atomów węgla wokół dyslokacji po
procesie wypalania lakieru. Przyrost granicy plastyczności, w blachach ze stali typu BH,
następuje od poziomu 200 MPa  w stanie surowym do 250 MPa  po odkształceniu
plastycznym  i do 300 MPa  po wypalaniu lakieru
Stale BH charakteryzują się odpornością na starzenie w temperaturze pokojowej oraz
wzrostem granicy plastyczności dopiero po przeprowadzeniu procesu wypalania lakieru
na gotowej karoserii, a więc bez specjalnego zabiegu obróbki cieplnej. Stanowią zatem
kombinacje korzystnych własności przetwórczych konwencjonalnych stali
głębokotłocznych z własnościami stali o podwyższonej wytrzymałości, które pojawiają
się jednak dopiero w gotowym elemencie. Drugą zaletą stali BH jest to, że efekt BH jest
tym większy, im mniejsze jest odkształcenie blachy. Wskutek tego następuje wyrównanie
lokalnego zróżnicowania wytrzymałości wytloczki, będącego skutkiem różnych stopni
odkształcenia podczas jej wykonania
Rys. 6.3. Sposoby wyznaczania efektu BH w statycznej próbie rozciągania.
Stale ferrytyczno-martenzytyczne (DP). Jest to grupa stali niskowęglowych,
mikrostopowych, zawierających w swojej strukturze miękką osnowę ferrytyczną oraz w
zależności od wytrzymałości 20-70% martenzytu. W czasie trwania odkształcenia
plastycznego następuje umocnienie ferrytu, dzięki czemu stale typu DP wykazują wyższe
początkowe umocnienie, a tym samym lepsze własności mechaniczne od stali HSLA.
Własności stali ferrytyczno-martenzytycznych zależą od proporcji ferrytu i martenzytu.
Przy stosowaniu optymalnej obróbki cieplno-mechanicznej można uzyskać
drobnoziarnistą strukturę o wytrzymałości nawet 1000 MPa,
Blachy ze stali typu DP uzyskane w zbyt wysokiej temperaturze końca walcowania i
małej szybkości chłodzenia zawierają pewną ilość perlitu, co powoduje spadek ich
wytrzymałości do około 520 MPa. W celu poprawy hartowności należy unikać
powstawania grubych wydzieleń cementytu oraz stosować pierwiastki stopowe tj.
mangan, krzem, molibden, i wanad. Stale ferrytyczno-martenzytyczne są używane na
elementy kół, wsporników oraz kształtowników zderzakowych.
Stale Complex Phase (CP). Zbliżony kierunek rozwoju do stali ferrytyczno-
martenzytycznych stanowią stale CP. Dzięki zawartości w swojej mikrostrukturze
drobnoziarnistego ferrytu i międzywęzłowego bainitu, a także dzięki utwardzeniu
dyspersyjnemu wydzieleniu węglików i/lub azotków stale te wykazują wytrzymałość na
rozciąganie do około 800 MPa, a nawet więcej. W celu uzyskania drobnoziarnistych
wydzieleń stosuje się dodatki niobu, tytanu i/lub wanadu. Stale CP charakteryzują się
dobrą odkształcalnością i wysoką zdolnością pochłaniania energii w trakcie zderzenia.
Dzięki tym własnością stale CP są z powodzeniem stosowane na elementy konstrukcyjne,
ochraniające przed uderzeniami bocznymi, umieszczonymi w drzwiach samochodu.
Dalszy przewidywany zakres stosowania stali w budowie pojazdu stanowić mogą ramy
dachowe, belki wzdłużne, amortyzatory i elementy wzmacniające karoserię
Stale TRIP. Są to nisko i średniowęglowe stale o wysokiej wytrzymałości.
(Transformation Induced Plasticity) Mikrostruktura tych stali składa się z osnowy
ferrytycznej zawierającej cząstki fary twardej  martenzytu i/lub bainitu. Stale te
posiadają również w swojej strukturze niestabilny austenit szczątkowy o ułamku
objętościowym większym niż 5%. W trakcie trwania odkształcenia plastycznego na
zimno, austenit szczątkowy przekształca się w obszarze koncentracji odkształceń. Stale
TRIP wykazują lepszą calkowitą zdolność do umocnienia w porównaniu ze stalami typu
DP oraz stalami HSLA. Stosuje się w nich wyższą zawartość węgla, krzemu i/lub
aluminium niż w przypadku stali DP w celu obniżenia temperatury końca przemiany
martenzytycznej. Własności mechaniczne stali TRIP zależą głównie od udziału
niestabilnego austenitu szczątkowego. Jeżeli przemiana austenitu szczątkowego w
martenzyt następuje stopniowo, wówczas uzyskuje się blachy stalowe o bardzo dobrych
własnościach wytrzymałościowych i dobrej tłoczności.
Stale TWIP (Twinning Induced Plasticity). Są to stale z dodatkiem 15-30% manganu.
Stale te cechuje niski ciężar właściwy (p=7,73 g/cm3), uzyskane poprzez zastosowanie
dodatków krzemu i aluminium. Dzięki odpowiedniemu zaprojektowaniu składu
chemicznego oraz dzięki mechanizmowi odkształcenia plastycznego przez
bliz
niakowanie, stale te wykazują wysoką granicę plastyczności, rzędu 600-1100 MPa i
bardzo duże wydłużenie, równe 60-95%. Powstanie w mikrostrukturze faz
martenzytycznych zależy głównie od energii błędu ułożenia, temperatury i stopnia
odkształcenia przetwarzanej stali
Stale martenzytyczne. Jest to grupa stali o najwyższej wytrzymałości sięgającej 1500
MPa. W trakcie wysokotemperaturowej obróbki cieplno-mechanicznej austenit prawie w
całości zmienia się w martenzyt. Stale martenzytyczne w większości zawierają w swojej
strukturze martenzyt płytkowy. W celu poprawy własności plastycznych zazwyczaj są one
poddawane operacji odpuszczania. Dodatek krzemu, chromu, molibdenu, boru, wanadu i
niklu oraz zwiększenie zawartości węgla, powoduje wzrost hartowności stali.
Rys. 6.4. Przykłady zróżnicowania gatunków stali w zależności od elementu nadwozia.