Ultra vysokopevnostní oceli - UHSS (Ultra high - strength steels)

oceli, které mají mez kluzu vyšší než 550 MPa a pevnost v tahu 700 MPa a více. Struktura je tvořena minimálně dvěma fázemi. Základní měkká fáze je

tvořena feritickou matricí a druhá martenzitem, bainitem a případně i perlitem. Ultra vysokopevnostní plechy se používají pro výrobu

bezpečnostních prvků (výztuhy apod.) a dělí se do těchto skupin [4]:

ƒ DP oceli

ƒ Trip oceli

ƒ Twip oceli

ƒ CP oceli

ƒ Martenzitické oceli

ƒ Mangan - borové oceli

3.3.1. DP oceli – dvojfázové oceli (Dual Phase)

Dvojfázové oceli se skládají z feritové matrice, ve které je obsažen martenzit ve formě ostrůvků (obr. 3.3.1.2.). Tato struktura zaručuje pevnost 500 - 1000 MPa a velmi dobrou tvářitelnost za studena. V některých případech může struktura obsahovat i bainit, který odolává vzniku trhlin na okrajích otvoru při rozšiřování. [4]

První fáze ve formě feritu je zpravidla souvislá, čímž je dána dobrá tažnost. Při působení deformační síly se napětí koncentruje v měkké fázi (ferit), kterou obklopují ostrůvky martenzitu, a tím dochází ke zpevnění oceli, při kterém vzroste mez kluzu maximálně na 70 % meze pevnosti.

Oproti mikrolegovaným ocelím (HSLA), kde mez kluzu může vzrůst až na 90 % je to podstatně méně (obr. 3.3.1.1.). Z tohoto důvodu mají plechy z DP oceli vysoký koeficient deformačního zpevnění, čímž se značně ulehčuje tvářecí proces.

Tyto materiály umožňují využít také BH efektu. [5]

Obr. 3.3.1.1. Porovnání mechanických vlastností HSLA, DP a Trip oceli [4]

V DP oceli je ponecháno větší množství uhlíku, které umožňuje formování martenzitu během ochlazování, čímž se dosáhne dobré prokalitelnosti. Přidáním jednotlivých prvků jako je mangan, chrom, molybden, vanad a nikl, lze dosáhnout lepších hodnot prokalitelnosti. Uhlík podporuje tvorbu martenzitu a zpevňuje ferit ve formě tuhého roztoku, stejně jako křemík a fosfor. Tyto prvky udržují výborné mechanické vlastnosti materiálu [4]. Použití DP ocelí se hodí pro disky kol.

Obr. 3.3.1.2. Mikrostruktura DP oceli [15]

3.3.2. TRIP oceli (Transformation - Induced Plasticity)

Mikrostruktura TRIP ocelí je tvořena zbytkovým austenitem (min. 5 %),

který je obsažen v primární fázi feritu [4]. Navíc je zde obsažen bainit a martenzit v proměnném množství (obr. 3.3.2.1.). Během tváření, tedy se

stoupající deformací, se austenit přeměňuje v martenzit, čímž dojde ke zvýšení koeficientu deformačního zpevnění. TRIP oceli mají narozdíl od DP ocelí vyšší obsah uhlíku, který snižuje teplotu Mf (martenzit finish)

pod teplotu okolí, při níž se vyloučí zbytkový austenit. Při nižším obsahu uhlíku se austenit přemění na martenzit již během tváření, čímž dojde k vysokému zpevnění oceli. Při vyšším obsahu uhlíku je tomu naopak.

Austenit zůstává stabilní a k jeho přeměně na tvrdou fázi (martenzit) dojde až při další deformaci, kterou může být např. náraz. Pevnost až 1050MPa a dobrá tažnost předurčují tyto oceli k výrobě nejnáročnějších součástí v automobilovém průmyslu [5]. TRIP oceli poskytují vynikající tvářitelnost a výborně pohlcují deformační energii, která vzniká při nárazu. Nejčastějším použitím TRIP ocelí jsou výztuhy dveří a střech.

Obr. 3.3.2.1. Mikrostruktura TRIP ocel [15]

3.3.3. TWIP oceli (Twinning - Induced Plasticity)

Tyto velmi moderní materiály patří do skupiny austenitických ocelí, které mají vynikající mechanické vlastnosti. Obsahují 15 – 20 % manganu a další prvky jako je hliník a křemík. Mez pevnosti v tahu může dosahovat až 1200 MPa při 50 % tažnosti, dokonce i při velmi nízkých teplotách a velkých rychlostech deformace [16]. Při pevnosti TWIP oceli 620 MPa může tažnost dosahovat až neuvěřitelných 88 % [7]. Tyto oceli využívají ke zpevnění TWIP efektu neboli dvojčatění austenitických zrn. Tento materiál je velice

perspektivní, protože díky své vysoké tažnosti (obr. 3.3.3.1.) se může deformovat i po tváření.

TWIP oceli jsou stále ve vývoji, ale je zřejmé, že budou využívány pro výrobu nosných dílů karoserie, které jsou podrobeny vysokému zatížení (např. nosná hřídel apod.).

Obr. 3.3.3.1. Zkroucená zkušební tyčka z TWIP oceli [17]

3.3.4. CP oceli – komplexní fáze (Complex Phase)

Jsou to oceli s velmi jemnou mikrostrukturou skládající se z feritu a většího množství tvrdých fází jako je bainit či martenzit (obr. 3.3.4.1.).

Obsahují stejné legující prvky jako DP a TRIP oceli. CP oceli často obsahují také malé množství prvků jako je niob, titan a vanad, které podporují tvorbu jemného precipitátu, a proto mohou být vedle strukturního zpevnění zpevňovány také pomocí precipitace [4]. CP oceli mají vysokou mez pevnosti dosahující hodnot 800 - 1100 MPa s tažností minimálně 10 %. Schopnost absorpce deformační energie, která vzniká při nárazu, předurčuje tyto oceli k výrobě bezpečnostních prvků karoserie (např. výztuhy nárazníků, sloupků apod.).

Obr. 3.3.4.1. Mikrostruktura CP oceli [15]

3.3.5. Martenzitické oceli

V těchto ocelích je téměř všechen austenit, který vzniká během válcování za tepla nebo během žíhání, transformován v martenzit (obr. 3.3.5.1.) během ochlazování na válcovací trati nebo ochlazováním z žíhacích teplot. Tato struktura může vzniknout také ochlazením po tváření za tepla [4].

Obr. 3.3.5.1. Mikrostruktura martenzitické oceli [15]

Martenzitické oceli poskytují nejvyšší hodnoty meze pevnosti v tahu, které mohou dosahovat až 1500 MPa. Tyto oceli bývají často popuštěny z důvodu zlepšení tvárnosti při extrémně

velkých silách. Pro zvýšení tvrdosti se přidává uhlík (obr. 3.3.5.2.) a další prvky jako jsou chrom, molybden, vanad, bór, křemík, mangan a nikl. Tyto prvky zlepšují prokalitelnost [4].

Obr.3.3.5.2. Vliv obsahu uhlíku na mez pevnosti [4]

3.3.6. Mangan - bórové oceli

Mangan - bórové oceli jsou novým, velmi perspektivním materiálem. Řadí se do kategorie ocelí vhodných ke kalení. Tento typ ocelí je legován především manganem a bórem. Proto jsou nazvané mangan - bórové oceli, které mají obvykle feriticko - perlitickou strukturu a vyznačují se svojí menší pevností (RM = 450 - 550 MPa) a dobrou tvárností (A80 = min 20 %) před

tepelným zpracováním. Při tepelném zpracování je ocel zahřáta na austenitickou teplotu a při řízeném ochlazování se vyloučí struktura

ve formě martenzitu, který dává oceli vysokou pevnost (až 1650MPa). [18]

Tato ocel byla vyvinuta především kvůli snížení celkové váhy vyráběných dílů, které musí odolávat nárazu. Používá se na prvky, které zajišťují bezpečnost celé karoserie (boční výztuhy, sloupky, prahy, středové tunely atd.). (obr. 3.3.6.1.)

Obr. 3.3.6.1.

Středový tunel [18]

3.4. Mechanismy zpevnění ocelí