Vysokopevnostní AHSS oceli

2.2.3.1 DP oceli (Dual Phase Steels)

Dvoufázové feriticko-martenzitické nízkouhlíkové oceli tvoří velkou skupinu ocelí pro tváření za studena. Byly vyvinuté speciálně pro automobilový průmysl jako vysokopevnostní oceli s dobrou tvařitelností a svařitelností. Jsou to nízkouhlíkové materiály na bázi Mn-Si, případně obsahující další prvky zajišťující zvyšování tvrdosti a pevnosti (Mo, Cr, V, Ni).

Obr. 2.6: Schematická struktura DP oceli [12]

Pavel Hrdý 20 Teoretická část Mikrostruktura dvojfázových ocelí je tvořena jemnozrnnou feritickou matricí a tvrdou martenzitickou fází, viz obrázek 2.6. Měkký ferit zajišťuje nízkou mez kluzu a tažnost, tvrdý martenzit (10–30 %) určuje pevnostní vlastnosti. Při optimálním poměru oblastí tvrdého martenzitu k měkké feritické matrici dosahují plechy z DP oceli velmi vysoké pevnosti (600–1200 MPa), přitom si zachovávají vysokou tažnost, vysoký poměr Rm/Re, nemají výraznou mez kluzu a vyznačují se izotropními vlastnostmi.

Porovnání pevností a znázornění základní struktury typů vysokopevnostních ocelí je na obrázku 2.7. Vysokého zpevnění lze dosáhnout také pomocí BH efektu. [8, 9, 11, 15]

Obr. 2.7: Porovnání mikrostruktury vysokopevných ocelí [17]

DP oceli se vyrábějí řízeným zchlazováním z austenitické fáze nebo z dvoufázové feritické a austenitické fáze, kdy se část austenitu přeměňuje na ferit a při náhlém zchlazení se zbytkový austenit přeměňuje na martenzit, viz obr. 2.9. [11]

DP oceli se používají zejména v automobilovém průmyslu u dílů lisovaných za studena a s ohledem na jejich další zpracování a použití při výrobě automobilových karoserií jsou na ně kladeny zvláštní požadavky týkající se vlastností, které by měly DP oceli vykazovat. Jedná se zejména o plynulou závislost napětí-deformace bez výrazné meze kluzu, vysokou hodnotu koeficientu deformačního zpevnění, odolnost proti stárnutí při pokojových teplotách a maximální zvýšení meze kluzu účinkem zpevnění při vypalování laků (BH efekt). [8, 11]

Dalšími vlastnostmi DP ocelí jsou dobrá tvařitelnost za studena, vysoká kapacita pohlcení nárazové energie, dobrý poměr plasticity a pevnosti a výborná odolnost vůči

Pavel Hrdý 21 Teoretická část šíření únavových lomů. Proto jsou tyto ocele vhodné pro výrobu bočních rámů karoserií, výztuhy střech, sloupků, podlahy nebo jako výztuhy nárazníků. [8, 9, 11]

2.2.3.2 TRIP oceli

Označení TRIP (oceli s transformačně indukovanou plasticitou) se používá u ocelí, u kterých se vyskytuje tzv. TRIP efekt, tj. u vysoce legovaných austenitických ocelí a u nízkolegovaných vícefázových ocelí s metastabilním austenitem. Typická struktura TRIP ocelí se skládá z polygonálního feritu (50–60 %), bainitu (30–40 %) a zbytkového austenitu (10–15 %), viz obr. 2.8. [11, 13]

Obr. 2.8: Schematické znázornění struktury TRIP oceli [10]

Množství zbytkového austenitu v materiálu ovlivňuje vyšší obsah křemíku a uhlíku. Křemík se používá pro potlačení tvorby karbidů v oblasti bainitu a zároveň urychluje přeměnu feritu na bainit. Množství obsaženého uhlíku má vliv na přetvoření austenitu, při nižším obsahu C je austenit přetvořen na martenzit již během tváření, což má za následek vysoké zpevnění oceli v průběhu lisování. Při vyšším obsahu uhlíku zůstane austenit stabilní i po vylisování a začne se přeměňovat až při vnesení deformační energie (napětí). Nárůst obsahu uhlíku ve zbytkovém austenitu lze docílit i přidáním hliníku, který (stejně jako křemík) podporuje tvorbu feritu a zvyšuje rychlost bainitické přeměny, viz obr. 2.9. [9, 11, 13]

Pro vznik TRIP efektu je nutný minimálně 5% podíl zbytkového austenitu ve struktuře. Při plastické deformaci dochází k přeměně austenitu na deformačně indukovaný martenzit, který přispívá ke zpevňování materiálu. Deformačně indukovaná transformace je závislá na orientaci krystalové mřížky a dochází k transformaci postupně v celém objemu součásti. Austenit by však měl být během plastické deformace

Pavel Hrdý 22 Teoretická část mechanicky stabilní, aby došlo k TRIP efektu až v závěrečné fázi tváření. Jinak se přemění na martenzit již v raných fázích deformace a bude mít nepříznivý vliv na tažnost. [9, 11, 13]

Mez kluzu TRIP ocelí se pohybuje v rozmezí 400–800 MPa, mez pevnosti do hodnoty 1200 MPa, tažnost se pohybuje kolem 25 %. Tyto oceli se vyznačují velkým deformačním zpevněním, dobrou odolností vůči únavě materiálu a vysokou schopností absorpce energie při nárazu vozidla. Užitečná kombinace vysoké pevnosti a dobré tažnosti je předurčují k použití v konstrukci nosných a bezpečnostních prvků karoserie jako jsou podélné nosníky, výztuhy B-sloupků, prahy dveří nebo výztuhy nárazníků. [9, 11, 13]

Obr. 2.9: Princip řízeného ochlazování pro získání struktury DP a TRIP ocelí [17]

2.2.3.3 TWIP oceli

Vysoce manganové TWIP ocele (Twinning-Induced Plasticity Steels, plasticita indukovaná dvočatěním) jsou austenitické ocele vykazující výjimečné vlastnosti díky zpevňovacímu mechanismu dvojčatění, viz obr. 2.11. TWIP oceli obsahují 15–30 % manganu, mají vysokou pevnost v tahu (600–1400 MPa) a zároveň dosahují extrémní hodnoty tažnosti (60–100 %). Z hlediska tažnosti je TWIP ocel na úrovni hlubokotažných materiálů, avšak při 2-5 krát vyšší pevnosti, viz obr. 2.10. [8, 9, 11]

Pavel Hrdý 23 Teoretická část Obr. 2.10: Ukázka možnosti deformace TWIP oceli [10]

TWIP oceli mají vysokou schopnost absorpce nárazové energie, která je více než dvojnásobná v porovnání s konvenčními vysokopevnostními ocelemi. V případě srážky se TWIP oceli deformují, ale zachovávají si svoji tvárnost. Každá část se nejdříve prodlouží, zpevní a následně předá zbytek deformační energie okolním částem, které se také zdeformují. Deformace dvojčatěním je příznivý mechanizmus, který vede ke vzniku výhodného deformačního zpevnění. Velmi jemné lamely dvojčat lze považovat za další překážky, které brání pohybu dislokací. [8, 9, 11]

Oproti TRIP ocelím nedochází při zátěži k deformaci austenitu, ale jen ke změně jeho krystalografické orientace v důsledku tvorby dvojčat. K TWIP efektu dochází při obsahu manganu nad 15 %, pod touto hranicí dochází u oceli pouze k TRIP efektu. [11]

TWIP oceli přispívají k redukci hmotnosti automobilu, jsou vhodným materiálem pro lisování tvarově složitých dílů karoserie za studena, např. B-sloupky, boční výztuhy a nosné části karoserie. [8, 9, 10]

Obr. 2.11: Princip mechanismu dvojčatění [16]

Pavel Hrdý 24 Teoretická část