Własności mechaniczne

wysokowytrzymałych

stali wielofazowych dla motoryzacji

dr hab. inż. Adam Grajcar, prof. Pol. Śl., Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Politechnika Śląska. Członek Rady Naukowej czasopisma „STAL Metale & Nowe Technologie”

Rosnący udział elementów karoserii współczesnych samochodów kształtowanych z wysokowytrzymałych stali wielofazowych (FB, DP, TRIP, CP) wynika z korzystnego połączenia własności mechanicznych i technologicznych produkowanych taśm stalowych. Dodat­kowo w przypadku stali AHSS wzrostowi wytrzymałości nie zawsze musi towarzyszyć spadek własności plastycznych taśmy lub jest on w dużym stopniu ograniczony. Korzystne połączenie wysokiej wytrzymałości i plastyczności związane jest z dużą zdolnością taśm stalowych z grupy AHSS do umocnienia podczas kształtowania technologicznego elementów, wynikającego z umocnienia przemia­nami fazowymi oraz oddziaływania pomiędzy miękkimi i twardymi składnikami strukturalnymi.

Konstrukcja nadwozia i podwo­zia samochodu wymaga stosowa­nia wielu gatunków stali o bar­dzo zróżnicowanym poziomie własności mechanicznych i technolo­gicznych. Generalnie istnieje tendencja do zmniejszania grubości taśm stalo­wych, co można uzyskać, stosując sta­le o wysokiej wytrzymałości w miejsce konwencjonalnych stali miękkich. Pro­jektowanie i konstruowanie materiało­we nowoczesnych pojazdów oprócz kryterium wytrzymałości musi jednak uwzględniać dodatkowo rygorystyczne

Mechanical properties of high-strength multiphase steels for automotive industry

Słowa kluczowe: własności mechaniczne, stal wysoko­wytrzymała, blachy dla motoryzacji, stal wielofazowa, wykładnik umocnienia

Keywords: mechanical properties, high-strength steel, automotive sheets, multiphase steel, work hardening exponent

The growing amount of body elements of modern cars formed of high-strength multiphase steels (FB, DP, TRIP, CP) is caused by a superior combination of mechanical and technological properties of steel sheets being pro­duced. Moreover, in the case of AHSS (Advanced High Strength Steel) steels, the increase in strength is not always accompanied by a drop of ductility or it is limited to a high degree. The beneficial balance between high strength and plasticity is due to the high ability of AHSS steel sheets for strengthening during technological forming of elements. This feature is caused by phase transforma­tion strengthening and interactions between soft and hard structural constituents.

wymagania odnośnie do własności pla­stycznych i odkształcalności technolo­gicznej, umożliwiającej uzyskanie ele­mentów o skomplikowanym kształcie przy minimalnej liczbie operacji tech­nologicznych. Z tego względu, oprócz wysokiej granicy plastyczności, wytrzy­małości na rozciąganie i wydłużenia całkowitego, jako miary własności me­chanicznych nowoczesnych, wysoko­wytrzymałych taśm dla motoryzacji przyjmuje się wykładnik umocnienia odkształceniowego, iloraz R_p02/R_m i wy­dłużenie równomierne. Ponadto taśmy stalowe nie powinny wykazywać wyraź­nej granicy plastyczności oraz charakte­ryzować się wysokimi współczynnikami przyjmowanymi jako miary podatno­ści na kształtowanie technologiczne na zimno [1-3].

W artykule zidentyfikowano najważ­niejsze własności mechaniczne charak­teryzujące nowoczesne, wysokowytrzy­małe stale wielofazowe ze szczególnym uwzględnieniem roli wykładnika umoc­nienia odkształceniowego, szybkości umocnienia odkształceniowego, prze­miany martenzytycznej indukowanej odkształceniem oraz wielkości ziarna stali.

Wskaźniki własności mechanicznych stali AHSS

Podstawową próbą wytrzymałościową stosowaną do wyznaczania własności

mechanicznych taśm stalowych sto­sowanych w motoryzacji jest statycz­na próba rozciągania. Standardowo najważniejszymi miarami własności wytrzymałościowych są granica pla­styczności R_e (umowna granica pla­styczności - R₀₂) oraz wytrzymałość na rozciąganie R_m. Własności plastycz­ne definiowane są przez wydłużenie całkowite A (A₅₀ lub A₈₀) i wydłużenie równomierne A . Wskaźnikami szcze-

g

gólnie istotnymi dla określenia podat­ności blach na kształtowanie techno­logiczne są wydłużenie równomierne oraz współczynnik anizotropii nor­malnej r_s. Wartościowym współczyn­nikiem definiującym podatność taśm stalowych na umocnienie odkształ­ceniowe jest wykładnik umocnienia odkształceniowego n. Duża wartość tego współczynnika jest równoważ­na z dużą szybkością umocnienia odkształceniowego stali, opóźniającą tworzenie się szyjki w próbce i pro­wadzącą do jednoczesnego wzrostu R i A [1-4].

m g

W przypadku stali konwencjonal­nych (np. HSLA) wartość wykładni­ka umocnienia odkształceniowego jest zbliżona do wartości stałej, natomiast w przypadku stali wielofazowych zmie­nia się ona wraz ze wzrostem odkształ­cenia. Dlatego bardzo istotne jest po­danie, w jakim zakresie odkształcenia równomiernego lub dla jakiej warto- >

> ści odkształcenia wykładnik umocnienia jest wyznaczany. Najczęściej wyznacza się wskaźniki: n , n_6-8, n_Ag, n₅ [3, 6].

W tab. 1 podano przykładowe własności mechaniczne wybra­nych gatunków stali AHSS wraz z wykładnikiem umocnienia wyznaczonym w zakresie odkształcenia od 10% do wydłuże­nia równomiernego n_10- . W przypadku stali o granicy pla­styczności powyżej około 700 MPa wykładnika nie wyzna­cza się ze względu na relatywnie niskie wartości A_g. Należy także wziąć pod uwagę, że podane wartości własności me­chanicznych są orientacyjne, ponieważ zależą one od wielu innych czynników (taśma gorącowalcowana lub zimnowal­cowana, taśma niepokryta lub cynkowana ogniowo/elektro- litycznie, grubość taśmy, itp.).

Charakterystyki naprężenie - odkształcenie

Typowe charakterystyki naprężenie - odkształcenie pocho­dzące z próby rozciągania dla przykładowych stali HSLA, DP i TRIP o podobnej granicy plastyczności przedsta­wia rys. 1. Stal HSLA wykazuje wyraźną granicę plastycz­ności, podczas gdy stale typu DP i TRIP wykazują ciągły przebieg krzywej, co jest korzystne w przypadku taśm sta­lowych przeznaczonych do tłoczenia. Ponadto charakte­rystyczny jest niski przyrost naprężenia dla stali HSLA po przekroczeniu R_e i znacznie większy dla stali wielo­fazowych. Wynika to z dużej szybkości umocnienia od­kształceniowego stali DP i TRIP, szczególnie intensywnej w przypadku przemiany austenitu w martenzyt indukowa­nej odkształceniem.

Wykładnik umocnienia n oraz zmianę szybkości umocnie­nia odkształceniowego stali należy wyznaczyć po przekształ­ceniu krzywych naprężenie s - odkształcenie e do postaci naprężenie rzeczywiste ct - odkształcenie rzeczywiste s, zgod­nie z prostymi równaniami:

ct = s (1 + e) (1)

s = ln (1 + e) (2)

Przykładowe krzywe ct-s dla stali DP o różnym pozio­mie granicy plastyczności przedstawia rys. 2. Własności mechaniczne tych stali można kształtować w szerokim za­kresie poprzez zmianę udziału twardego składnika struktu­ralnego. Wraz ze wzrostem udziału martenzytu następuje wzrost własności wytrzymałościowych i spadek wydłuże­nia równomiernego. Ponadto można zaobserwować zmia­nę pochylenia krzywej ct-s, czemu odpowiada zmiana war­tości wykładnika n.

Wykładnik umocnienia odkształceniowego

Wykładnik umocnienia odkształceniowego n występu­je w równaniu Ludwika-Hollomona jako wykładnik po­tęgowy odkształcenia rzeczywistego. W przypadku stali C-Mn o strukturze ferrytycznej, ferrytyczno-perlitycznej lub martenzytu odpuszczonego wartość n jest zbliżona do war­tości stałej. W przypadku stali wielofazowych wartość wy­kładnika umocnienia odkształceniowego zmienia się wraz z odkształceniem, co jest wynikiem zmiany stanu struktu­ralnego, a w przypadku stali typu TRIP - także składu fa-

zowego stopu [8, 9]. Z tego względu najczęściej używa się określenia chwi­lowy wykładnik umocnienia oraz ozna­czenia n*:

ct = ksⁿ* (3)

gdzie: k - współczynnik umocnienia.

Chwilowy wykładnik umocnienia wyraża się zależnością (3):

d (ln ct)

— (4)

d (ln e) ⁽⁴⁾

Wartość wykładnika umocnienia od­kształceniowego dla konwencjonal­nych stali głębokotłocznych oraz sta­li HSLA maleje wraz ze wzrostem granicy plastyczności stali (rys. 3), co niekiedy ogranicza ich zastosowa­nie na elementy kształtowane na zim­no. W taśmach ze stali wielofazowych DP i TRIP efekt ten jest minimalizo­wany dzięki procesom strukturalnym zachodzącym podczas kształtowania technologicznego blach. Obecność umacniających wysepek martenzytu w stalach typu DP decyduje o du­
żej wartości chwilowego wykładni­ka umocnienia w początkowej fazie odkształcenia (rys. 4). Po osiągnię­ciu maksimum jego wartość stopnio­wo maleje. W przypadku stali TRIP stopniowa przemiana austenitu szcząt­kowego w martenzyt zapobiega lo­kalizacji odkształcenia, dzięki cze­mu chwilowy wykładnik umocnienia przyjmuje początkowo małe warto­ści, a w miarę postępu odkształcenia

wartości te stopniowo rosną, a następ­nie utrzymują się na stałym poziomie (rys. 4). Zjawisko to sprzyja formowa­niu wytłoczek i innych elementów ka­roserii o skomplikowanym kształcie.

Szybkość umocnienia odkształceniowego

Źródłem zarówno bardzo dobrych wła­sności plastycznych, jak i wytrzyma­łościowych w wielofazowych stalach »

TYP STALI	Re [MPa]	Rm [MPa]	A [%]	^ni0-Ag
HSLA 350/450	350	450	23-27	0,15
DP 350/600	350	600	24-30	0,16
DP 700/1000	700	1000	12-17	-
FB 450/600	450	600	18-26	0,16
TRIP 450/800	450	800	26-32	0,18
CP 800/1000	800	1000	8-13	-
MS 950/1200	950	1200	5-7	-
TWIP 450/1000	450	1000	50-54	0,40

Tab. 1. Własności mechaniczne wybranych gatunków stali wielofazowych - na podstawie [3] i [5]

> z efektem TRIP jest przemiana marten- zytyczna austenitu szczątkowego indu­kowana odkształceniem. Schematyczne przedstawienie tego mechanizmu ob­razuje rys. 5a. Wraz ze wzrostem od­kształcenia plastycznego w miejscach o dużej koncentracji odkształcenia do­chodzi do przemiany dyspersyjnie roz­mieszczonych cząstek austenitu szcząt­kowego w wysokowęglowy martenzyt o dużej wytrzymałości.

Duża twardość martenzytu, a także związane z przemianą zwiększenie ob­jętości przeciwdziałają plastycznej nie­stabilności próbki wskutek zwiększenia szybkości umocnienia odkształcenio­wego da/ds. Powtarzająca się sytuacja w kolejnych miejscach próbki prowa­dzi do opóźnienia zapoczątkowania tworzenia się szyjki w próbce, co skut­kuje zwiększeniem wydłużenia równo­miernego, a także całkowitego [2, 8, 9].

Ogólnie przyjmuje się, że zapocząt­kowanie tworzenia się szyjki w próbce odpowiada momentowi, gdy przyrost naprężenia uplastyczniającego wyno­si 0. Odpowiada to warunkowi Con­sidere definiującemu, że pojawienie się przewężenia, równoznaczne z lokaliza­cją odkształcenia, wystąpi, gdy wzrost naprężenia spowodowany zmniejsze­niem przekroju poprzecznego próbki będzie większy od przyrostu napręże­nia spowodowanego umocnieniem od­kształceniowym. W momencie wystą­pienia przewężenia spełnione jest więc następujące równanie [4, 10]:

d o d s

Szybkość umocnienia odkształcenio­wego da/ds związana jest z wykładni­kiem umocnienia odkształceniowego następującą zależnością [4]:

d o d s

Podstawiając równanie (5) opisujące kryterium niestateczności do równa­nia (6), otrzymuje się zależność, po­zwalającą na wyznaczenie maksymalnej wartości rzeczywistego odkształcenia równomiernego, tzn. odkształcenia, przy którym następuje utrata statecz­ności podczas rozciągania [3, 4]:

s_r = n* (7)

gdzie: s_r - odkształcenie równomierne, n* - wykładnik umocnienia odkształ­ceniowego.

Schematyczne przedstawienie zmian szybkości umocnienia odkształceniowe­go z wykorzystaniem warunku Con­sidere, do wyznaczenia odkształce­nia równomiernego w stalach typu DP oraz TRIP, przedstawia rys. 5b. Dzięki obecności twardych wysepek martenzytu lub bainitu szybkość umoc­nienia odkształceniowego w począt­kowej fazie odkształcenia jest duża - znacznie większa niż dla typowych stali głębokotłocznych (rys. 6). Podobnie jak w przypadku stali konwencjonalnych, szybkość umocnienia odkształceniowe­go da/ds maleje wraz ze wzrostem od­kształcenia. W przypadku stali DP spa­dek ten jest relatywnie gwałtowny i dla umiarkowanej wartości odkształcenia spełnione jest równanie (5). Stopnio­wa przemiana martenzytyczna austeni­tu szczątkowego w stalach TRIP powo­duje z kolei, że szybkość umocnienia odkształceniowego maleje wolniej, cze­go skutkiem jest duże odkształcenie równomierne.

Rola wielkości ziarna

Podstawowym sposobem zwiększenia własności wytrzymałościowych sta­li jest wytworzenie struktury drob­noziarnistej. Niestety wraz ze wzro­stem stopnia rozdrobnienia następuje spadek plastyczności stali, wyraża­jący się zmniejszeniem wydłużenia równomiernego i całkowitego. Jest to ściśle związane ze zmianą szybko­ści umocnienia odkształceniowego. Wprawdzie w materiałach drobnoziar­nistych da/ds jest duże w początko­wej fazie odkształcenia, lecz szybko maleje wraz ze wzrostem stopnia od­kształcenia [2-4]. W przypadku mate­riałów o większym rozmiarze ziarna początkowe wartości da/ds są zazwy­czaj mniejsze, lecz spadek szybkości umocnienia odkształceniowego jest wolniejszy, co sprzyja uzyskaniu więk­szego wydłużenia.

Przykładowy spadek wartości wy­kładnika umocnienia odkształcenio­wego n wraz z rozdrobnieniem mi­krostruktury dla różnych gatunków stali głębokotłocznych przedstawia rys. 7. Wykładnik umocnienia (n) moż­na także z pewnym przybliżeniem po­
wiązać z wielkością ziarna (d) następu­jącą zależnością [3, 4]:

5

ⁿ = TT (8)

10 + d ²

W przypadku stali wielofazowych dąży się do wytworzenia mikrostruktur o du­żym stopniu rozdrobnienia, natomiast towarzyszącą temu tendencję do gwał­townego spadku szybkości umocnie­nia odkształceniowego ogranicza się przez różne procesy strukturalne, np. indukowaną odkształceniem przemia­nę martenzytyczną. □

Piśmiennictwo

1. Blicharski M.: Inżynieria materiałowa. Stal. Wyd. WNT, Warszawa 2004.

2. Grajcar A.: Struktura stali C-Mn-Si-Al kształtowana z udziałem przemiany marten- zytycznej indukowanej odkształceniem plastycz­nym. Wyd. Politechniki Śląskiej, Gliwice 2009.

3. De Cooman B.C., Speer J.G.: Fundamentals of steel product physical metallurgy. Associa­tion for Iron and Steel, Pittsburgh 2011.

4. Majta J.: Odkształcanie i własności. Stale mikrostopowe. Wybrane zagadnienia. Uczel­niane Wyd. Naukowo-Dydaktyczne, Kraków 2009.

5. International Iron & Steel Institute, Ad­vanced High Strength Steel (AHSS) Ap­plication Guidelines. 2009, www.worldau- tosteel.org.

6. Bleck W.: Using the TRIP effect - the dawn of a promising group of cold formable steels. Proc. of Int. Conf. on TRIP-aided High Strength Ferrous Alloys, Ghent 2002, s. 13.

7. Konieczny A.: Advanced high strength steels -formability. Proc. of the Seminar on Gre­at Designs in Steel, AISI, Livonia, 2003, s. 1, www.autosteel.org.

8. Grajcar A.: Nowoczesne stale wysokowytrzy­małe dla motoryzacji I generacji. „STAL Me­tale & Nowe Technologie”, nr 5-6/2013, s. 150.

9. De Cooman B.C.: Structure-properties relationship in TRIP steels containing carbi­de-free bainite. „Current Opinion in Solid State & Materials Science”, nr 8/2004, s. 285.

10. Gromada M., Miszuris G.: Wyznaczanie krzywej umocnienia odkształceniowego w pró­bie rozciągania z uwzględnieniem rozkładu na­prężeń w szyjce. Oficyna Wyd. Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów 2010.

11. Kajzer S., Wusatowski R., Kozik R.: Wy­brane zagadnienia z procesów przeróbki pla­stycznej metali. Wyd. Politechniki Śląskiej, Gliwice 1997.