Z důvodu zvýšení pasivní bezpečnosti (zvýšení tuhosti karoserie) je nutné zvyšovat podíl vysokopevnostních materiálů v konstrukci karoserie. Dalším důvodem je snižování hmotnosti karoserie s čím je spojena i úspora pohonných hmot. [6] Na obr. 10 jsou zobrazeny trendy ve vývoji plechů pro automobilový průmysl.
Obr.10: Trendy ve vývoji plechů pro automobilový průmysl [6]
V následující tabulce (tab. 1) je rozdělení ocelí podle pevnostních vlastností v tahu, konkrétně podle meze kluzu v tahu a meze pevnosti v tahu.
Tab. 1: Rozdělení ocelí podle pevnostních vlastností v tahu [7]
Pevnostní třída Mez kluzu v tahu [MPa]
Mez pevnosti v tahu [MPa]
Oceli s nízkou pevností < 210 < 340
Vysokopevnostní oceli (HSS) 210 ÷ 550 270 ÷ 700 Pokrořilé vysokopevnostní
oceli (AHSS) > 550 590 ÷ 980
Ultra vysokopevnostní oceli
(UHSS) > 550 > 980
Tažnost A80 [%]
Mez kluzu Rp0,2 [MPa]
- 17 -
Hlubokotažné plechy
CQ (Comercial Quality) – plechy běžné kvality.
DQ (Drawing Quality) – tažné plechy.
Nízkouhlíkové oceli, obsahující (0,02–0,08) % C. Díky nízkému obsahu uhlíku jsou dobře svařitelné. Mez kluzu se pohybuje v intervalu (140 ÷ 360) MPa, mez pevnosti (290 ÷ 440) MPa a tažnost (34 až 44) %. V automobilovém průmyslu jsou určeny na lisované výrobky, jako jsou boční plechy, plechy střech, podběhy, kapoty apod. [7]
DDQ (Deep Drawing Quality) – hlubokotažné plechy.
Jsou odolné vůči stárnutí, dobře tvářitelné za studena, mají dostatečnou svařitelnost. Mez kluzu se pohybuje v intervalu (100 ÷ 340) MPa, mez pevnosti (250 ÷ 500) MPa a tažnost (23 až 32) %. Mají male únavové vlastnosti, proto jsou vhodné na vnitřní plechy dveří, složité výlisky podlah, vnitřní podběhy a blatníky nebo střešní plechy. [7]
EDDQ (Extra Deep Drawing Quality) – zvlášť hlubokotažné plechy.
EDDQ-S (Extra Deep Drawing Quality–Super) – superhlubokotažné plechy.
Plechy z IF ocelí bez intersticií (Interstitial Free Steels).
Oceli bez, respektive s minimálním obsahem intersticií. Jsou určené hlavně pro hluboké tažení. Velký nárůst plasticity je dosažen snížením obsahu uhlíku na menší jak 0,005 % a mikrolegovanáním Ti, Nb. Struktura oceli je tvořena čistě feritem a vlastnosti oceli jsou dány velikostí feritického zrna. Z důvodu, že neobsahují intersticie mají nízkou mez kluzu (100 ÷ 310) MPa a vysokou tažnost (30 ÷ 55) %, mez pevnosti se pohybuje v intervalu (140 ÷ 450) MPa. Jsou odolné vůči stárnutí a vhodné na velké, složitě tvarované výlisky, jako jsou plechy dveří, blatníky apod. [7]
Plechy z IF ocelí s BH efektem (Bake Hardening efekt)
Hodnoty meze kluzu se u IF ocelí dají zvýšit vypalováním laku na teplotách do 200 °C. IF–BH oceli jsou vhodné na extrémně hluboké tažení. Tyto oceli se používají na nejvíce exponované částí karoserie jako jsou nárazníky, dveře, kapota a střecha. [7]
- 18 -
Plechy z vysokopevnostních ocelí
Plechy z DP ocelí (Dual Phase Steels – dvoufázové oceli)
DP oceli byly vyvinuty speciálně pro automobilový průmysl jako vysoce pevné oceli s dobrou tvářitelností a svařitelností. Mají feritickou matrici (70–90) % s dispergovanými martenzitickými útvary (10–30) %. K přednostem DP ocelí patří plynulá mez kluzu, větší exponent deformačního zpevnění, dobrý poměr plasticity a pevnosti, snadná svařitelnost a vynikající odolnost vůči iniciaci a šíření únavových lomů. Mez kluzu DP ocelí se pohybuje v intervalu (300 ÷ 780) MPa, mez pevnosti (400 ÷ 1120) MPa a tažnost (5 ÷ 60) %. Pevnost těchto ocelí se dá ještě zvýšit BH efektem nebo deformačním stárnutím. Obzvlášť vhodné jsou na výrobu A, B, C sloupků, prahů dveří, výstuh střech, celých bočních rámů karoserií, předních a nárazníkových konstrukcí, výstuh podlah. [7]
Plechy z TRIP ocelí (s transformačně indukovanou plasticitou)
Nízkouhlíkové oceli s feriticko–bainitickou matricí a zbytkovým austenitem (6–10) %. Během deformace probíhá transformace zbytkového austenitu na martenzit s deskovou morfologií, čím se zvýší celková pevnost eceli. Mezi výhody TRIP oceli patří vysoká tažnost (20 ÷ 80) %, vysoká mez kluzu (390 ÷ 800) MPa a mez pevnosti pohybující se v intervalu (500 ÷ 1050) MPa. Pro jejich výborné únavové vlastnosti a vysokou schopnost absorbovat deformační energii, se jich používá na místa jako jsou příčné a podelné nosníky karoserie, výstuhy B slouků nebo prahy dveří. [7]
Plechy z TWIP ocelí (Twinning Induced Plasticity)
Oceli TWIP patří mezi novější a perspektivní druh ocelí. Jedná se o ultra pevné oceli vysoce legované manganem (15–20) %. Schopnost tváření je na úrovni hlubokotažných plechů, ale při dvou až pětkách vyšší pevnosti. Oproti TRIP ocelím nedochází při zátěži k deformaci austenitu, ale ke změně jeho krystalografické orientace v důsledku tvorby dvojčat. TWIP oceli se vyznačují vysokou mezí kluzu pohybující se v intervalu (280 ÷ 1350) MPa, vysokou mezí pevnosti (580 ÷ 1470) MPa a extrémní tažností (80 ÷ 100)%. Na průběh TWIP efektu se spotřebuje velké množství deformační energie. Plechy z těchto ocelí poskytují vyšší míru bezpečnosti oproti jiným ocelím a přispívají k redukci hmotnosti automobilu. Pro svoje vlastnosti jsou vhodné na výrobu B–sloupků a bočních výstužných kostrukcí karoserie. [7]
- 19 -
Plechy z CP ocelí (Complex Phase Steels – vícefázové oceli)
Jsou to nízkouhlíkové oceli, jejichž základem je feriticko–bainitická matrice s malým podílem perliteu, martenzitu a zbytkového austenitu. CP oceli se vyznačují vysokou pevností, tvrdostí a vysokým koeficientem deformačního zpevnění.
Mez kluzu těchto ocelí se pohybuje v intervalu (600 ÷ 920) MPa, mez pevnosti (780 ÷ 1130) MPa. Pro jejich vysokou schopnost absorpce deformační energie se používají k výrobě B–sloupků, výstuh dveří a nárazníků. [7]
Hliníkové slitiny
Hlavním významem používání hliníkových slitin je jejich malá hmotnost, korozní odolnost a dobrá dostupnost. Nevýhodou je jejich nižší pevnost než u ocelí a konstrukční prvky musí být masivnější. V současnosti jsou nejpoužívanější slitiny třídy 5xxx (Al–Mg slitiny) nebo slitiny s vyšší mezí kluzu (až 600 MPa) a to třídy 6xxx (Al–Si slitiny). [7]
Hořčíkové slitiny
V porovnání se slitinami hliníku je jejich hmotnost o 30 % nižší. Jsou vhodné pro odlévání tenkostěnných odlitků, pro tuto aplikaci jsou legovány manganem a zinkem.
Mechanické vlastnosti hořčíkových slitin jsou relativně malé, mez kluzu se pohybuje v intervalu (120 ÷ 160) MPa, mez pevnosti (210 ÷ 240) MPa a tažnost (3 ÷ 10) %.
Další mechanickou nevýhodou je vysoká náchylnost na vruby, proto se horčíkových slitin používá na méně namáhané součásti jakou jsou různé kryty apod. [7]
Na následujícím obrázku (obr. 11) je příklad použití materiálů o různých mechanických vlastnostech na karaserii automobilu (Volvo XC60 z roku 2008).
Vysvětlení zkratek (HSS, AHSS, UHSS) je v tab. 1.
Obr. 11: Materiály karoserie (Volvo XC60, 2008) [7]
HSS
Al slitina AHSS Mg slitina
UHSS
- 20 - 2.2.2 Vrstvené materiály
Vrstvené materiály (sendviče) jsou progresivní konstrukce s vysokou ohybovou pevností a tuhostí při nízké hmotnosti. Konstrukce vrstvených materiálů je tvořena různými jednoduchými materiály odlišného charakteru navzájem pevně spojenými.
Tyto materiály se skládají ze dvou tuhých a pevných vnějších vrstev (potahů) a jádrem o relativně nízké hustotě. [4] Na obr. 12 je schéma vrstvené konstrukce, kde jádrem je voština.
Obr. 12: Schéma vrstvené konstrukce [3]
Efektivní vrstvená struktura je taková, která je tvořena dvěma tuhými a pevnými potahy zatěžovanými tahovými a tlakovými silami a jádrem přenášejícím smykové síly mezi potahy. Ohybová tuhost této konstrukce je přímo úměrná druhé mocnině její tloušťky. Při zvětšování tloušťky vrstveného materiálu dochází k malému nárůstu hmotnosti, protože se zvětšuje pouze tloušťka lehkého jádra. Pevnost v ohybu také roste se vzdáleností potahů, avšak při dimenzování je zároveň nutné posuzovat smykovou pevnost jádra. Pevnost sendviče v tlaku ve směru jehou tloušťky je dána především pevností v tlaku jádra, ale i tloušťkou a tuhostí potahů. [4]
Mezi hlavní výhody vrstvených konstrukcí patří: vysoká ohybová pevnost a tuhost při nízké hmotnosti, únavová odolnost, odolnost proti šíření trhlin, odolnost proti rázům, tepelná odolnost a odolnost proti ohni, tlumení, tepelná a akustická izolace.
Tyto vlastnosti jsou dány převážně materiálem jádra. Díky těmto přednostem se využívají hlavně v letecké a dopravní technice, ale najdou uplatnění i v ostatních průmyslových odvětvích. [4]
jádro výsledná vrstvená konstrukce
- 21 -
Vnější vrstvy vrstvených struktur (potahy) Kovové materiály jako potahy
Kovy jako materiály vnější struktury (potahů) se uplatňují převážně v letecké a dopravní technice. Vyznačují se malou tloušťkou, dobrou tepelnou vodivostí, vysokou pevností a tuhostí. Rozdělení plechů je v kapitole 2.2.1.
Nejpoužívanější materiály kovových potahů jsou:
- oceli,
- slitiny hliníku, - měď a její slitiny, - titanové slitiny.
Vláknové kompozity jako potahy
Kompozitní materiály jsou tvořeny kombinací dvou a více chemicky a fyzikálně odlišných složek složených do jednoho výsledného celku. Spojením vznikne materiál s unikátními vlastnostmi, kterých nelze dosáhnout kteroukoli složkou samostatně.
Kompozity jsou tvořeny výstuží, která je nespojitá a pevná, dále matricí, ta zastává funkci pojiva výstuže. [18]
Mezi hlavní výhody kompozitních materiálů patří: odolnost proti korozi, nízká teplotní dilatace, vysoká odolnost proti vybracím, dobrá rázová pevnost, nížší nároky na údržbu, nízká hustota. Další výhodou je samotná výroba, která je oproti kovovým materiálům méně náročná. [18]
Materiály vláken:
Prepregy – jsou polotovary k výrobě vláknových kompozitů, jejíž hlavní složkou je výstuž předimpregnovaná částečně vytvrzenými pryskyřicemi. Prepregy jsou z hlavní části tvořeny vláknovou výstuží, která může být uhlíková, skelná, aramidová nebo hybridní. Hlavní využití nachází při výrobě kompozitních dílů pro letectví, kosmonautiku a automobilový průmysl. [9] Na obr. 13 je příklad prepregu s uhlíkovými vlákny.
- 22 -
Obr. 13: Prepreg s uhlíkovými vlákny [13]
Whiskery – jsou monokrystalická vlákna s vysokým poměrem tloušťky k délce.
Mají vysokou pevnost, jsou ale velmi křehké. Základním material bývá nejčasteji grafit a karbid křemíku. [10]
Jádra vrstvených struktur
Hliníková pěna – pěnový hliník je vysoce porézní materiál, kde póry tvoří 60 % jeho objemu. Protože pěnový systém představuje nelineární stochastické rozložení materiálu, není možné snadno definovat jeho chování při různém namáhání. Hliníková pěna se vyznačuje vysokou tuhostí, houževnatostí a vynikající korozní odolností.
Využití najde zejména tam, kde díly využijí všechny jeho přednosti, mezi které patří nízká hustota, schopnost absorpce nárazové energie, tlumení hluku a vibrací. Díky těmto vlastnostem lze pěnový hliník uplatnit např. jako deformační zóny vozidel, lehké a tuhé konstrukce dopravníků, strojní díly tlumící hluk apod. [8] Na obr. 14 je příklad panelů s hliníkovou pěnou používaných na výrobu kabin vysokorychlostních vlaků.
Obr. 14: Panelely s hliníkovou pěnou pro kabiny vysokorychlostních vlaků [12]
- 23 - Polymerní pěny
- PVC pěna (polyvinylchlorid) – jeden z nejpoužívanějších polymerních materiíálů.
Má dobrou odolnost proti absorpci vody a odolnost proti chemikáliím. [17]
- PS pěna (polystyren) – používá se pro nenáročné konstrukce z důvodu nízkých mechanických vlastností. Neodolává organickým rozpouštědlům a má velmi nízkou odolnost vůči teplotě. [17]
- PMI pěna (polymethacrylimid) – má výborné mechanické vlastnosti, vysokou tuhost. Kvůli vysoké ceně se používá převážně pro letectví a kosmonautiku, na výrobu listů rotorů vrtulníků (viz obr. 15) a klapek letadel. [17]
Obr. 15: PMI pěna společnosti Rohacell [16]
Voštiny (honeycomb)
Nejčastější tvar buněk voštiny je hexagonální, který je podobný buňkám včelých pláství. Celohliníkové voštiny se uplatňují v nejnáročnějších aplikacích, např. při konstrukci dopravních letadel, částí karosérií kolejových a automobilových karoserií.
Díky velké schopnosti pohltit deformační energii se využívají i jako absorbéry kinetické energie. [11] Hlavní výhody voštin jsou vysoká pevnost, vysoká tuhost, velmi nízká váha. Na obr. 16 jsou příklady hliníkové a kompozitní voštiny od české společnosti 5M.
Obr. 16: Hliníková (vlevo) a kompozitní (vpravo) voština 5M [14], [15]
- 24 -
3 EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST
V experimentu byla prováděna statická zkouška tahem na vzorcích vrstveného materiálu ve formě plochých zkušebních tyčí. Zkouška probíhala za tří odlišných teplot (-34 °C, 24 °C a 80 °C), kde za každé teploty bylo testováno pět stejných vzorků.
Výsledkem tohoto experimentu bylo porovnání horní meze kluzu v tahu Reh, meze pevnosti v tahu Rm, homogenní tažnosti Ag a celkové tažnosti A80mm těchto vzorků při zkoušce tahem za různých teplot. Měření se provádělo na trhacím zařízení TIRA test 2300 za pomocí pracovního softwaru LabControl v laboratořích Katedry strojírenské technologie.