Mekaniska egenskapers påverkan av varmriktning

(1)

Daniel Eriksson

EXAMENSARBETE

Civilingenjörsprogrammet

Institutionen för Material- och produktionsteknik Avdelningen för Materialteknik

2001:336 • ISSN: 1402-1617 • ISRN: LTU-EX--01/336--SE

(2)

varmriktning

Daniel Eriksson

Institutionen för Material- och produktionsteknik Avdelningen för Materialteknik

(3)

-i-

ABSTRACT

The safety of modern cars has been raised during recent years through the use of extra and ultra high strength steels. Deformation zones using these materials are used to absorb energy. In a collision, deformation takes place in these deformation zones. Since the deformation zones are an integral part of the car body, their replacement is very expensive. It is therefore desirable to straighten the deformed parts, but this must be without affecting the mechanical properties of the material.

Experiments to investigate the effects of heating the beams during straigtening and heat treatment after straightening were carried out on three different high strength steels;

microalloyed, dual phase and rephos steel (YP350, DP600, RP270).

It was found that higher straightening temperature lowers the strength and raises the tensile strain. This behaviour being most obvious for the dual phase steel.

Under 3-point bending it could be see that beams straightened whilst hot required a greater bending force than the original beam. This trend was the same for all the steels tested, figure below.

Force:Displacement diagram for the three tested steels during bending.

FEM models showed the same geometrical and physical characteristics as the actual beams. The FEM model of the heat-treated model showed a lower bending force than the original, see figure below.

FEM analysis. Left dualphase, middle microalloyed, right rephos.

Heating high strength steels during straightening causes them to lose some strength. The amount depends on the maximum temperature experienced.

Deformation of high strength steels during straightening results in a decrease in their ductility.

Post straightening heat treatment can increase the ductility of the steels but at the price of decreasing their strength.

Practical testing of the beams shows no difference between the cold worked and original beam as far as mechanical properties. The beams straightened whilst hot straightening shows higher bending force than the original. The use of FEM analysis allows the effects of different

straightening techniques to be assesed using fewer practical tests.

Microalloy steel

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

0 20 40 60 80 100

mm

Force kN

Hot straightened Cold straightened Original

Refossteel

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

0 20 40 60 80 100

mm

Force kN

Hot straightened Cold straightened Original Dual phase

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

0 20 40 60 80 100

mm

Force kN

Hot straightened Cold straightened Original

X-axis [mm]; y-axis force [kN]

Hot bending Cold bending

(4)

-ii-

en krock så sker en deformation i de energiupptagande zonerna.

De energiupptagande delarna är integrerade i karossen så ett byte av dessa delar är mycket tidskrävande och dyrt. Därför är det önskvärt att kunna rikta den deformerade delen och bibehålla de mekaniska egenskaperna på detaljen.

För att reda ut riktningens påverkan på de mekaniska egenskaperna gjordes försök på tre olika kallvalsade ståltyper, ett mikrolegerat, ett tvåfas och ett refosstål (YP350, DP600, RP270).

Försöken utfördes genom värmning vid tre olika nivåer 400, 600 och 800°C efter tre olika grader av deformation 3, 6 och 9 % förlängning.

En förhöjd temperatur ger en sänkning av sträckgränsen och brottgränsen för alla tre material.

Sänkningen är störst för tvåfasstålet, där även den största ökningen i brottförlängningen sker.

Vid 3-punkts balkböjning erhölls tydliga resultat. För de balkar som blivit riktade med värme krävdes det större kraft för att knäcka dem. Vid ytterligare deformation så återgick kraften till samma storlek som för den opåverkade balken. För de balkar som blivit kallriktade så var ökningen i knäckkraft marginell jämfört med de opåverkade balkarna. Denna trend var lika för alla tre ståltyper, se nedan.

Kraft väg kurva vid 3-punkts balkböjning. Till vänster tvåfasstål, i mitten mikrolegerat stål, till höger refosstål.

De FEM-modellerade balkarna uppvisade samma geometriska deformation som de verkliga balkarna. När det gäller knäckkraften så uppvisade de värmepåverkade balkarna en minskning i knäckkraft jämfört med orginalbalkarna, se nedan.

Fem beräknade balkar. Till vänster tvåfasstål, i mitten mikrolegerat, till höger refosstål.

Vid värmning av höghållfast stål tappar stålet i hållfasthet. Graden av förluster beror på hur hög temperatur som använts. Vid deformation av materialet så minskas den kvarvarande

X-axel anger nedböjning [mm]; y-axel anger kraften [kN]

Varmriktad Kallriktad

Microlegerat stål

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

0 20 40 60 80 100

Nedböjning mm

Kraft kN

Varm riktade Kall riktade Original

Refosstål

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

0 20 40 60 80 100

Nedböjning mm

Kraft kN

Varm riktade Kall riktade Original Tvåfssstål

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

0 20 40 60 80 100

Nedböjning mm

Kraft kN

Varm riktade Kall riktade Original

(5)

-iii-

Den praktiska provningen av balkarna visar ingen betydande skillnad i egenskaper mellan orginalbalken och den som riktats kallt. Det är vad man vill uppnå efter en riktning, samma egenskaper före som efter.

FEM analyser är mycket bra hjälpmedel för att ge en första överblick av problemet.

(6)

-iv-

under sommaren och hösten år 2000.

Jag skulle vilja framföra ett stort tack till min examinator på LTU Esa Vuorinen samt min handledare på SSAB, Björn Carlsson för all hjälp under arbetets gång

Även ett tack till alla på SSAB tunnplåt som svarat på mina frågor och hjälpt mig med de problem som uppstått under arbetets gång.

Borlänge 2001-10-25

Daniel Eriksson

(7)

-v-

INNEHÅLLSFÖRTECKNING

INFLUENSE OF HOT STRAIGHTENING ON MECHANICAL PROPERTIES...I 1 FÖRORD... IV

2 INLEDNING ... 1

2.1 Syfte... 1

3 BAKGRUND OCH LITTERATURSTUDIE ... 1

3.1 Riktning av krockad bil... 1

3.1.1 Deformation vid krock ... 3

3.2 Energiupptagning ... 4

3.3 HSLA-stål ... 5

3.4 Refosstål... 5

3.5 Tvåfasstål... 6

3.6 Lüdersband ... 8

3.7 Bakehardening... 8

3.8 Deformation och varmhårdnande ... 10

3.9 Deformationshärdning... 11

3.10 Samband mellan mikrostruktur och mekaniska egenskaper ... 13

3.10.1 Tvåfasstål ... 13

3.10.2 Refosstål... 13

3.10.3 HSLA-stål... 13

3.11 Deformation vid bockprov... 13

3.12 FEM ... 15

3.12.1 Explicit... 15

3.12.2 Implicit ... 15

4 METODBESKRIVNING... 15

4.1 Deformation ... 16

4.1.1 Fördeformation... 16

4.1.2 Axiell deformation... 16

4.2 Bakning... 16

4.3 Böjprov... 16

4.4 Dragprov ... 18

4.4.1 Drag av bockade prover ... 18

4.5 Värmebehandling ... 19

4.6 3-punkts balkböjning... 19

4.7 FEM ... 20

4.7.1 Materialmodellen ... 20

5 RESULTAT ... 21

5.1 Böjprov... 21

5.2 Drag av deformerade prov... 21

5.2.1 Tvåfasstål... 21

(8)

-vi-

5.2.3 Refosstål ... 23

5.3 Fördeformation... 24

5.4 Jämförelse bockprov och dragprov... 26

5.5 Hårdhetsprovning... 26

5.6 3-punkts balkböjning... 27

5.6.1 Tvåfasstål... 27

5.6.2 HSLA-stål ... 27

5.6.3 Refosstål ... 27

5.7 FEM ... 27

5.7.1 Explicit ... 27

5.7.2 Implicit... 29

5.8 Struktur skillnader efter värmebehandling... 30

5.8.1 Tvåfasstål... 30

5.8.2 Mikro- och refosstål ... 30

5.8.3 Värmd zon i balken ... 30

6 DISKUSSION... 30

6.1 Värmebehandling av höghållfast stål... 30

6.2 Dragprov av deformerade och värmda prover... 30

6.3 Fördeformationens inverkan på de mekaniska egenskaperna... 31

6.4 Hårdhetsprovning... 31

6.5 Dragprovning av bockade och riktade prover ... 31

6.6 Böjning av riktade balkar ... 31

6.7 FEM analys av balkböjning ... 32

6.8 Övergripande diskussion... 32

6.9 Förslag till fortsatt forskning... 32

7 SLUTSATSER ... 33

8 REFERENSER... 34 Bilagor Antal sidor

1) Kompletterande bilder över praktisk riktning 3 2) Kod till FEM modellen 3 3) Bilder över riktning av balk 3 4) Försöksuppställning vid balkprov 2 5) Meshad FEM modell 1 6) Kraft-väg kurvor för FEM-modellering 2 7) Resultat tabell bockade prov 1 8) Kompletterande bilder över dragprovkurvor med 2 % fördeformation 6 9) Kompletterande bilder över dragprovkurvor med 9 % fördeformation 3 10) Hårdhets rapport 3 11) Kraft-väg kurvor vid balkböjning 1 12) Bilder på FEM-modellerad balk 2 13) Struktur bilder värmda provstavar 3

(9)

-vii-

14) Undersökning av struktur i riktade balkar 4 15) Bilder på deformerade balkar 2

(10)

-1-

2 Inledning

Höghållfasta stål används i allt större utsträckning i bilkarosser för att minska vikten och öka säkerheten. Höghållfasta stål erhåller sin höga hållfasthet genom olika metallurgiska

mekanismer som påverkas olika när de utsätts för stark värme.

Efter produktionen utsätts karossen endast för stark värme vid en eventuell reparation av en skadad detalj. I detta examensarbete har olika temperaturers inverkan på de mekaniska

egenskaperna efter deformation undersökts. Detta genom försök på dragprovstavar och försök på balkar utsatta för böjning som även simulerades med FEM (finita element metoden). Stål som används inom bilindustrin studerades genom en simulering av temperaturer som

förekommer vid reparation. Trots att försöken inte direkt kan relateras till verkligheten så ger de en viss uppfattning om verkliga förhållanden.

2.1 Syfte

Syftet med ett examensarbete på civilingenjörsutbildningen är att under 20 veckor lösa ett verkligt problem med de kunskaper som hon/han förvärvat under utbildningen.

Detta examensarbete har syftat till att undersöka tre materials lämplighet för kall- och

varmritning. Lämpligheten har bedömts genom de resulterande mekaniska egenskaperna. De mekaniska egenskaperna hos de värmda materialen har även bestämts så att de kan användas i FEM simuleringar, vilkas giltighet kontrollerats genom jämförelse med experimentella balktest.

3 Bakgrund och litteraturstudie

För ökad förståelse och kunskap sker en fördjupning inom de områden som berörs för att läsaren lättare skall förstå det som diskuteras senare samt att kunna dra egna slutsatser.

Först kommer en beskrivning om hur en bil riktas följt av teori bakom energiupptagning.

Kapitlet avslutas med en beskrivning av de tre olika ståltyperna som används i försöken.

3.1 Riktning av krockad bil

Idag finns det ett antal företag som levererar speciella system för riktning av krockade bilar. Ett av dem är Car-O-Liner i Kungsör som tillverkar en bänk där bilen spänns fast, varefter bilen sträcks ut i den deformerade zonen med hjälp av hydraulik. Under hela processen mäts fixa punkter med ett inbyggt mätsystem för att se när bilen får de rätta måtten.

De flesta bilar idag har en dropplist under sparklådan, denna används för att spänna fast bilen i riktbänken (Figur 1). Bilen mäts upp (Figur 2) för att se hur den är deformerad, detta görs med hjälp av att mäta och jämföra flera fixa punkter som finns angivna i manualer. Ett

(11)

-2-

datorprogram ritar upp en bild på bilen vilket gör det enklare att se den aktuella deformationen.

Figur 1 Bilen fastspänd innan uppmätning Figur 2 Uppmätning av fixa punkter

En krampa kopplas på ett lämpligt ställe så att drag kan anbringas för att dra ut det veck som skall riktas (Figur 3). Om inte den anbringade kraften är nog eller att deformation sker någon annanstans än i det önskade vecket hjälper man till med en hammare och ev. med mothåll från insidan (om det är möjligt) och ev. värme (om det är tillåtet). I det illustrerade exemplet

används värme som ges av en induktionsvärmare av märket Pro Spot PH 21(Figur 4) som värmer fort och inom ett begränsat område, för att rikta den skarpaste delen vecket.

Figur 3 Drag kopplat till balken som skall riktas Figur 4 Värmning lokalt i vecket med induktionsvärmare

När värme används ger de skarpa hörnen lätt med sig och man behöver inte använda hammaren. Delar i karossen som skall ta upp energi vid en krock har inpressade

initieringspunkter där man vill att deformationsveck skall börja. Detta syns på den riktade detaljen (Figur 5). Det är alltså små områden som riktas, men inom dessa områden förekommer ofta skarpa veck med stor lokal deformation.

(12)

-3-

Figur 5 Riktat veck

3.1.1 Deformation vid krock

Vid en krock framifrån så deformeras fronten olika mycket beroende på bl.a. hastighet och var träffen sker. De delar i karossen som skall ta upp kraften är uppdelade i tre delar, Figur 6.

• Lågfart Som namnet säger tar denna del upp små krafter som anbringas av kofångaren. Vid deformation veckar den ihop sig likt ett dragspel och riktning är ej tänkbart. Den byts ut genom att en ny bit svetsas på.

• Mellanfart Om inte lågfartsområdet tar upp all energi så får mellanfartsområdet hjälpa till. Detta område deformeras genom att det viker sig åt något håll, ofta mot mitten in mot motorn som pressas bakåt. Detta ger ett veck på balken som gärna riktas då ett byte är en relativt krävande procedur. Riktning är fullt möjlig när det endast är ett veck som skall riktas. Vid en kraftig deformation kan även denna del bytas med hjälp av svetsning.

• Högfart När denna del deformeras så har skadan blivit så omfattande att en reparation oftast inte är lönsam. Högfartsdelen är integrerad i resten av karossen vilket gör ett byte mycket arbetsamt (dyrt).

(13)

-4-

Figur 6 Schematisk bild över en krock och de deformationszoner som finns i fronten

3.2 Energiupptagning

Brotthållfastheten kan relateras till den energi som materialet kan ta upp, se figur Figur 7.

Material med högre brottgräns kan ta upp mera energi, dock till en viss gräns.

Figur 7 Energiupptagning som funktion av brotthållfastheten [1]

När brottgränsen närmar sig en kritisk gräns så deformeras materialet inte längre utan spricker sönder [1]. Den upptagna energin sjunker drastiskt om materialet spricker. I en applikation, som i detta fall vill alla ha en säker bil som vid en krock deformeras på rätt ställe, men inte spricker sönder. Höghållfast stål kan uppfylla detta krav samtidigt som tunnare gods kan användas vilket sänker vikten, med resultatet mindre bensinförbrukning.

(14)

-5-

3.3 HSLA-stål

HSLA (high strength low alloy) stål produceras av SSAB vid namn docol YP både som

varmvalsad och kallvalsad kvalitet. Denna typ av höghållfasta stål är vanligast och hållfastheten skapas genom mikrolegering. HSLA-stål finns inom minimisträckgränsintervallet 220-500 MPa.

Vid en jämförelse med de andra stålen i familjen höghållfasta stål så har HSLA-stålen den sämsta formbarheten. Används ofta där bockning eller enklare pressning förekommer. Kemiska sammansättningen gör att stålen är lämpliga att doppförzinkas. Stålsammansättning och

mekaniska egenskaper för kallvalsade HSLA-stål framgår av Tabell 1.

Mikrolegeringselementen är Nb eller Nb+V. Jämfört med Refos eller tvåfas stålen är

förlängnings- och r-värdena sämre för HSLA-stålen om en och samma hållfasthetsnivå jämförs.

Hög sträckgräns i kombination med någorlunda hög duktilitet har gjort att höga n- och r-värden har kommit i andra hand.

Mikrostrukturen består av finkornig ferrit med små inslag av perlit. Vid varmvalsning används processparametrar som ger en finkornig ferritisk struktur. Nb(C,N) ger en kraftig

utskiljningshärdningseffekt och för att behålla den så hålls en så låg temperatur som möjligt vid rekristallisationen (650-700 ºC).

3.4 Refosstål

Refosstål är en vanlig typ av höghållfast pressplåt, där namnet kommer från tillsatsen av fosfor, 0,05-1,0%. Fosfor höjer hållfastheten kraftigt genom lösningshärdning samtidigt som

pressbarheten försämras i liten omfattning. SSAB producerar denna sort under namnet Docol RP och docol BH. Docol BH har en avsevärd bakehardening effekt som ökar sträckgränsen.

Refosstål finns i hållfasthetsområdet 220-300 MPa och används ofta vid svåra pressningar av bilkarosser i de fall man vill gå upp i hållfasthet för att minska tjocklek och vikt. Högre

hållfasthet skulle kräva högre halter av fosfor men då försämras svetsbarheten drastiskt. Typiska stålsammansättningar och mekaniska egenskaper för två fosforlegerade stål visas i Tabell 1. Ur tabellen kan man se att pressbarheten för refosstålen är bäst av de tre olika typerna av

höghållfasta stål, vilket syns på n- och r-värdena.

Refosstål används ofta till ytterdetaljer i bilar, till stor del för den positiva "bakehardening"

effekten. En deformation av 2% samt bakehardening ger en hållfasthetsökning på ca 50 MPa för refosstålen, vilket är en stor ökning.

(15)

-6-

3.5 Tvåfasstål

Tvåfasstål eller DP-stål som de också ofta kallas är en i detta sammanhang ny typ av höghållfast pressplåt. Stålet består av som namnet säger två faser, ferrit och martensit. I förhållande till andra stål är inte dragpressbarheten högre men sträckpressbarheten är bra. En unik egenskap hos detta stål är ett påtagligt deformationshårdnande. Genom bra design av pressutrustningen kan denna egenskap användas till att producera höghållfasta produkter [2]. Tvåfasstål saknar skönhetsfelet lüdersband som uppstår vid flytområdet. Genom mängden martensit kan man styra hållfastheten hos stålet. Andelen martensit varierar mellan 10 % i docol 400 och 30-50 % i docol 800 [3]

Tvåfasstålet förekommer inom ett stort hållfasthetsintervall (400-1400 MPa)

I Tabell 1 visas stålsammansättningar och mekaniska egenskaper för några olika DP-stål.

Ur Tabell 1 framgår att det är kol som ger den ökande hållfastheten genom skapandet av martensit för de högre hållfastheterna. Även Mn och Nb förekommer som betydande legeringsämnen för att öka hållfastheten.

Denna typ av stål tillverkas i kontinuerliga glödgningslinjer för att man skall få den rätta mikrostrukturen. Svalningshastigheten i klockugnarna är alldeles för långsam för att bilda martensit. Plåten släcks från ett tvåfasområde bestående av ferrit och austenit så att ett tvåfasmaterial bestående av ferrit och martensit bildas [4].

(16)

-7-

Tabell 1 Kemisk sammansättning och mekaniska egenskaper för docol

(17)

-8-

3.6 Lüdersband

Lüdersband uppkommer genom att fria kol och kväveatomer anhopas kring dislokationer.

Dislokationerna bryts upp i band som ger ett karaktäristiskt hackigt mönster se Figur 8.

Figur 8 Typiskt lüders mönster på ytan [5]

Banden förekommer vid låga töjningar vilket gör att de alltid kommer att finnas vid en plastisk operation, pressning, dragning osv. Genom en lätt trimvalsning före pressning kan

lüdersbanden förhindras [5]. Genom tillsatser av t.ex. aluminium kan detta fenomen förhindras. Ytdefekter som detta gör det omöjligt att använda stål med detta beteende i applikationer där en fin yta är viktigt.

3.7 Bakehardening

Med bakehardening menas den hållfasthetsökning som erhålls i samband med torkning i ugn (170°C, ca 30 min) av en pressad och lackad detalj. Det är önskvärt att få en stor

hållfasthetsökning eftersom detaljen redan är färdigpressad. Vid pressningen så är stålet mjukt och pressbart för att efter "bakning" vara betydligt hållbarare, med en hållfasthetsökning av 30- 60 MPa. Detta ger mindre tillbakafjädring vid pressning samt att verktygen slits betydligt mindre. Tvåfasstål uppvisar större bakehardening effekt när mängden löst kol är större och hållfasthetsökning på 70-100 MPa kan erhållas [6].

Hållfasthetsökningen genom bakehardening är en åldringsprocess. Löst kol diffunderar till dislokationerna och låser dessa på precis samma sätt som vid vanlig deformationsåldring. Vid tillverkningen gäller det att styra mängden löst kol mot en lagom nivå, för hög halt ger en åldring redan innan plåten hinner pressas [4]. Kväve i lösning ger härdning redan i

(18)

-9-

kontrollera. Dagens stål är legerade med Al för att forma AlN.

Dislokationer skapas genom plastisk deformation vid kallvalsning och/eller pressning av komponenter. Kol diffunderar till dislokationerna och låser fast dem under

värmebehandlingen som sker vid målningen. De låsta dislokationerna medför att en större spänning än tidigare krävs för att deformera materialet. Den maximala härdningseffekten skapad av bakehardening är en kombination av tidigare deformation (andel dislokationer) och kolhalt. För att uppnå maximal låsning av dislokationer måste kolet vara jämt och fint fördelat i stålet. Ett sätt att åstadkomma detta är genom legering med fosfor. Fosfor utskiljs i

korngränserna där även karbider vill bildas. Om fosfor redan utskiljts i korngränserna bildas i stället flera men finare karbider jämnt fördelade i stålet, vilket underlättar en senare

bakehardening [7].

Figur 9 Schematisk bild över mekanismen i bakehardening [8]

Alla stål med tillräcklig mängd löst kol och/eller kväve efter deformationshårdnande kan klassificeras som bakehardening stål [7].

Mindre korn ger en kraftigare bakehardeningeffekt [6].

Bakehardeningeffekten mäts genom en fördeformation på 2 %, bakning av plåten i 20-30min vid 170°C och dragprovning till brott. Efter bakningen anger ökningen i sträckgräns över 2 % en fördeformation materialets bakehardeningeffekt. Japansk industristandard (JIS-G3135) definierar 2% som fördeformations nivå vid BH mätning och detta har tagits efter av andra länder.

En ökning av bakningstemperatur tenderar att höja varmhårdnandet, samtidigt som en ökning i tid kan ge ett visst bidrag. En ökning av fördeformationen i intervallet 0-8 % ger generellt en minskning i BH effekt men sammanlagt med deformationshärdningen så ökar totala

härdningseffekten [8].

Leveranstillstånd Efter deformation Efter Bakehardening

Löst kol Dislokation

(19)

-10-

Figur 10 Schematisk bild över deformationshårdnande och bakehardening [9].

3.8 Deformation och varmhårdnande

Både refosstålen och tvåfasstålen uppvisar ett påtagligt deformationshårdnande under

bearbetning vilket kan utnyttjas vid tillverkning av pressade detaljer. Först deformationshårdnar materialet varefter varmhårdnad sker vid t.ex. härdning av färgen. Detta kan schematiskt visas med Figur 10.

Vid varmhårdnandet har både tid och temperatur inverkan på det slutliga resultatet.

Varmhårdnandet ökar med tiden inom intervallet 0-40 min. Även andelen fördeformation har stor inverkan på hållfastheten, då vissa stål har ett stort deformationshårdnande, se Figur 11.

(20)

-11-

Figur 11 Fördeformationens inverkan på bakehardening [9].

3.9 Deformationshärdning

Deformationshärdning är fenomenet när ett duktilt material blir hårdare och starkare när det plastiskt deformeras. De flesta metaller deformationshärdas vid rumstemperatur. Priset för denna förhöjning i hårdhet och styrka är en minskning i duktilitet. Deformationens inverkan på spänning-töjnings kurvan visas i Figur 12.

(21)

-12-

Figur 12 Dragprovkurvans utseende beroende av deformation [10]

Deformationshärdningsfenomen förklaras med hjälp av dislokationsspänningsfält som påverkar varandra. Dislokationsdensiteten ökar med ökande grad av deformation. Detta gör att det genomsnittliga avståndet mellan två dislokationer minskar och den frånstötande kraften mellan dem ökar. Resultatet är att rörelsen för en dislokation hindras genom att kraften från

närliggande dislokationer är mera påtaglig än tidigare.

Deformationshärdning används ofta kommersiellt för att öka de mekaniska egenskaperna under produktionen. Effekten av deformationshärdning kan tas bort genom en

värmebehandling över rekristallisationstemperaturen. Deformationshärdningen kan även uttryckas matematiskt med tre olika formler [11]:

Holloman ekvationen σp = Kεⁿp 1

Lodowik ekvationen σ =σ0 +k'εⁿ_p^' 2

Modifierade Swift ekvationen εp =ε0 +cσ^m 3

Där parametern n kallas deformationshärdningskonstanten och anger materialets förmåga att deformationshärda, ju större n desto större deformationshärdning är möjligt för materialet. K är en materialkonstant som definieras som sanna spänningen vid en sann töjning på 1.0 [12]

σ0, ε0, k’, n’ c och m är konstanter. Holloman ekvationen ger inget tillförlitligt resultat vid stora spänningar, då passar Lodowik bättre.

(22)

-13-

Strukturen i stålet påverkar de mekaniska egenskaperna så som deformationshårdnande, brottgräns, sträckgräns, brottförlängning, osv.

3.10.1 Tvåfasstål

Brottgränsen beror främst på andelen hård fas, i detta fall martensit. Mera martensit ger ett hållfastare stål men lägre brottförlängning. Ferriten är mjuk och duktil. Slutliga resultatet är en kombination av dessa två faser. Brottgränsen kan beräknas [13] om man vet förhållandet mellan ferrit och martensit.

( ) ⁴²⁵

94 ,

12 +

= andelenmartensit

σb 4

Sträckgränsen är förhållandevis låg då den mjuka fasen ferrit flyter redan vid låga spänningar vilket ger ett speciellt utseende på spännings-töjnings kurvan. Ett kraftigt

deformationshårdnande ger istället en tillräcklig hållfasthet då flytgränsen ökar drastiskt redan vid låga deformationer. Detta utnyttjas vid pressning som kräver relativt liten kraft i början då deformationen är liten. Den färdigpressade detaljen har fått sin slutliga form och hållfasthet.

Deformationshårdnande beror på den ökade mängden dislokationer som låser materialet för vidare deformation.

Värmningen av denna ståltyp sänker hållfastheten genom att den hårda fasen martensit anlöps och bildar cirkulära cementitutskiljningar. Martensiten finns kvar upp till austenitområdet då den omvandlas till austenit som vid kylning bildar ferrit (långsam kylning).

3.10.2 Refosstål

En uppvärmning av denna ståltyp kan ge viss minskning i hållfasthet då en viss omfördelning av kol sker (som är ett av de hållfasthetshöjande elementen). Det dominerande legeringsämnet är fosfor som vid en eventuell uppvärmning kan klumpa ihop sig (segring) vilket kan ge lägre mekaniska egenskaper.

3.10.3 HSLA-stål

Teoretiskt sett så borde inte hållfastheten ändras i någon större utsträckning då det är

legeringsämnen som ger stålet dess egenskaper. Den utskiljningshärdning som finns kan dock gå förlorad vid en förhöjd temperatur. Legeringsämnerna finns alltid kvar men en

temperaturcykel kan ändra egenskaperna jämfört med ursprungsmaterialet. En förhöjd temperatur över 800ºC kan ge kornförstoring som ger ett mindre duktilt material

3.11 Deformation vid bockprov

Vid bockning i en kantbockmaskin dras plåten runt kanten så att neutrallagret hamnar i mitten och deformationen ökar för att nå ett maximum ute i ytterradien. Med dessa antaganden så kan man lätt räkna ut den deformation som ytterfibern har fått.

(23)

-14-

Figur 13 Geometri vid bockprov

Deformationsgraden sträcker sig då från noll i neutrallagret till max i ytterkant längs en rät linje. Deformationen blir skillnaden mellan neutral och ytterfiber. Vid små radier, mjukt material och tunna plåtar så påverkar inte verktyget radien utan deformationsvinkeln. Verktyget har dock större inflytande över radien ju mer hållfastheten ökar [14]. Neutrallagret ligger i mitten vid bockning av stora radier men vid innerfibern vid bockning av mycket små radier. I detta försök ligger neutrallagret någonstans mitt emellan ytter och innerradie. Förskjutningen av neutrallagret kan man räkna ut genom en koefficient (k) som anger hur stor förskjutningen är, k fås ur Figur 14 [14].

Figur 14 Korrektionsfaktorns beroende av förhållandet Ri/t

Den verkliga deformationen beräknas då enligt: e = (t-x)/(r+x) där t = 1,5 mm.

radie R R/t k Avstånd [x] ε

1,5 1 0,64 0,32t 0,52

2,5 1,7 0,77 0,39t 0,30

5 3,3 0,92 0,46t 0,14

6 4 0,95 0,48t 0,11

∞ ∞ 1,00 0,50t 0,00

Tabell 1 Neutrallagrets förskjutning och maximal töjning beroende på radie

(24)

-15-

3.12 FEM

Finita Element Metoden är idag ett mycket vanligt hjälpmedel som förkortar tiderna vid produktframtagning då olika typer av belastning kan provas i datormiljö, utan att lägga ned tid och resurser på att tillverka en mängd prototyper. Konstruktioner kan lätt optimeras för att minska spänningarna i känsliga områden, vilket kan sänka materialmängd och kostnad.

Vid FEM beräkningar blir beräkningarna så komplicerade och omfattande att datorhjälp är ett måste. Resultaten är approximativa vilket ger en viss avvikelse från verkligheten. Storleken på avvikelsen beror på de randvillkor som måste bestämmas. Bestämningen av randvillkoren kräver en del erfarenhet och eftertanke.

Finita element modellen omvandlar strukturen till ett rutnät som antingen kan vara 2- eller 3- dimensionellt. En komplicerad geometri kräver finare uppdelning än en enkel. Rutnätet består av flera element som kan vara av olika geometrier, trianglar, kuber, osv. I hörnen på varje element finns en nod som har ett antal frihetsgrader, som mest sex stycken, rörelse i x, y, z-led samt rotation kring dessa, vid total frihet. Noderna låser dock upp varandra om de delar en nod med något annat element.

3.12.1 Explicit

Denna typ av beräkning används ofta för att lösa ickelinjära problem. Lämpad för att lösa höghastighets problem. En annan applikation är buckling där styvheten ändras drastiskt.

Explicit metoden används när det sker snabba förändringar i geometrin. Förenklat kan man säga att denna metod strävar efter dynamisk jämvikt.

3.12.2 Implicit

Förenklat så kan man säga att implicit metoden räknar med statisk jämvikt. Jämfört med explicit så krävs mycket mera datorkraft annars så tar det mycket längre tid. Koden för denna metod ses i bilaga 2.

4 Metodbeskrivning

Materialets egenskaper ändras när det deformeras och/eller påverkas av värme. För att försöka förstå denna påverkan simuleras komponenttillverkningen, krocken och riktningen.

Tillverkningen av balken genom en fördeformation, krocken genom ytterligare deformation och slutligen riktningen genom värmebehandling vid olika temperaturer.

Dessa materialdata som fås fram används vid en FEM analys på en balk som sedan jämförs med en verklig balk som deformeras.

För samtliga försök har plåtarnas tjocklek varit konstant på 1.5 mm både för dragproven och för balkarna.

(25)

-16-

4.1 Deformation

Deformation och fördeformation utfördes i samma dragprovmaskin som vid dragprovning och även här användes hastigheten 0,2 mm/s. Deformationen registrerades för att sedan avbrytas vid ett förutbestämt värde. Förlängning registrerades med hjälp av en extensiometer

4.1.1 Fördeformation

Enligt praxis används en fördeformation på 2 % men vid mätning av tjockleken på vissa ställen på en pressad detalj så har en tjockleksreduktion av ca 10 % skett.

För att se eventuella skillnader beroende på fördeformation provades två olika nivåer på fördeformation, en nivå enligt vedertagen praxis 2 % och en högre nivå på 9 %.

4.1.2 Axiell deformation

Efter bakning gjordes en deformation på 3,6 eller 9 %. Vid 9 % fördeformation utfördes endast en deformation på 3 %.

4.2 Bakning

Bakningen utfördes i en laborations varmluftsugn vid en temperatur på 170°C under 30 minuter varefter provstavarna fick luftsvalna till rumstemperatur.

4.3 Böjprov

Provstavarna till detta försök förbehandlades likt de för dragprov, fördeformation 2 % och bakning 170ºC/30 min.

Provstavar bockades på mitten med hjälp av en kantbockmaskin till fyra olika radier, för att få olika radier bockades olika vinklar med olika mothåll. De olika radierna mättes efter

bockningen för att kontrollera vilken radie som erhållits.

Hälften av proven riktades med hjälp av värme och andra hälften riktades kallt. Värmen applicerades i vecket med hjälp av en induktionsvärmare av märket Pro Spot PH21 och effekten 1kW. Innan försöken utfördes så övades värmningen för att få se vilken färg som motsvarade rätt temperatur, som enligt teorin skall nå ett tak vid ca 750-800ºC. Den maximala

temperaturen kontrollerades med en oändlig plåt som fick uppnå jämvikt och temperaturen kontrollerades med ett inborrat termoelement av typ K, se Figur 15.

(26)

-17-

Figur 15 Mätning av temperatur vid oändlig plåt.

Vid små och tunna detaljer kan temperaturen stiga över den temperatur då materialet blir omagnetiskt, därav denna övning. Ett termoelement av typ K borrades in från sidan till mitten av provstaven för att se den aktuella temperaturen, se Figur 16.

Figur 16 Kontroll av temperatur vid värmning av provstav

Provstavarna riktades med hjälp av en rikthammare mot ett plant metallstycke, se Figur 17. Ca 4 slag behövdes för att få en rät provstav för de varma jämfört med ca 6 slag för de kallriktade.

(27)

-18-

Figur 17 Varmriktning av provstav

4.4 Dragprov

Dragrovning utfördes i en dragprovmaskin av märket Instron. Förlängning registrerades med hjälp av en extensiometer. Mekaniska egenskaper och dragprovkurvor har tagits fram genom behandling i Excel. Draghastigheten som användes var 0,2 mm/s och hölls konstant genom hela provningen. Provstavar tillverkades genom stansning av raka stavar för att sedan fräsa bort 1mm på var sida till ett slutligt mått på 20mm. Dragprovstavarnas dimensioner visas i Figur 18.

Alla försök utfördes i tre replikat och slumpmässig ordning.

Figur 18 Dragprovstavarnas dimensioner.

4.4.1 Drag av bockade prover

Riktade dragprovstavar drogs i en automatiserad dragprovmaskin med en hastighet anpassad för produktionsprovning vid SSAB tunnplåt i Borlänge. Alla prover utfördes i två replikat.

20 mm

130 mm

(28)

-19-

Värmebehandlingen av dragprovstavarna utfördes i två saltsmältor, en för de högre

temperaturerna 600°C, 800°C och en för 400°C. Saltet som användes var GS 540 för de högre temperaturerna och AS 140 för den lägre. GS 540 är ett bariumklorid salt och AS140 är ett natriumnitrit salt. Båda levererade av AB Pegol.

Stålet doppades i det smälta saltet under 30 sekunder för att sedan hängas upp för luftsvalning.

Efter svalning tvättades saltresterna bort.

För varje temperatur värmdes tre provstavar. All doppning skedde manuellt med en tång i ena änden av staven.

Värmningen i försök två vid riktningen skedde med en induktionsvärmare avsedd för riktning av tunnplåt. Effekten är 1kW. Ett termoelement typ K borrades in i provplåten från sidan till mitten. Detta för att se vilken färg som representerade en viss temperatur. Efter en tids övning kunde man bestämma vilken färg som motsvarade ca 750°C. Bockade provstavar värmdes i vecket med induktionsvärmaren för att sedan direkt riktas med hjälp av en rikthammare mot ett plant mothåll av stål. Efter riktning fick stavarna svalna i luft till rumstemperatur.

4.6 3-punkts balkböjning

Balkar med måtten 60x60 och med en längd på 500 mm tillverkades av samma plåt som provstavarna. Försöksuppställningen ses i Figur 19.

• Plåten försträcktes 2 % och bakades 170ºC/30min.

• Bockning med radien 5 mm till en U-balk med måtten 30x60x30 mm.

• Ihopsvetsning till ett fyrkantrör 60x60 mm med hjälp av MIG svetsning.

• Tillverkningen av en buckla genom nedtryckning 15 mm i en hydraulpress, se bilaga 3.

• Riktning av buckla, se bilaga 3.

• 3-punkts böjning med registrering av kraft/väg. Se bilaga 4.

(29)

-20-

Figur 19 Försöksuppställning vid 3-p balkböjning.

En buckla, se bilaga 3 skapades genom 3-p balkböj och riktades sedan med hydraulik och hantverkare. Hydrauliken är ett verktyg med hydrauliska cylindrar som förs in i balken och trycker ut bucklan. Man hjälper till med hammare, se bilaga 3. Till de värmeriktade balkarna användes en induktionsvärmare för att lokalt värma den buckla som skulle riktas. Allt utfördes av erfarna plåtslagare för att få så stor likhet med en verklig riktning av en balk som möjligt.

Slutligen böjdes alla balkar igen, både kallriktade, varmriktade och oböjda i 3-p balkböj för att få ut en kurva på kraft och väg. Erforderlig energi fås genom att integrera kurvan mellan startpunkten 0mm och total nedböjning på 105 mm.

4.7 FEM

För att rita modellen användes ett program vid namn Altair Hypermech 3D. För att hålla ned beräkningstiden så användes två symmetriplan vilket gjorde att endast en fjärdedel behövde ritas. Den ritade modellen kan ses i bilaga 5.

Vid de praktiska 3-p balkböjningen skedde deformationen relativt långsamt vilket gjorde att valet av lösningsmetod föll på implicit.

4.7.1 Materialmodellen

För att beskriva hur materialet beter sig vid olika töjningar beskriver man dragprovkurvan genom att ge koordinaterna för den. Den sanna kurvan för dessa material slutar vid ca 10 %

∅50

∅50 Kraft

60

500 440

(30)

-21-

detta extrapoleras dragprovkurvan vidare mot detta värde. Den beskrivna kurvan kan ses i bilaga 6 FEM analysen klarar inte heller av ett eventuella flytområde vilket gör att en utjämning av kurvan skett för att undvika flytområdet.

5 Resultat

Resultaten av försöken kommer att presenteras försöksmetod för försöksmetod. Mera detaljerade resultat och grafer finns i bilagorna.

5.1 Böjprov

Böjproven skall efterlikna verkligheten med ett deformationsveck som riktas. Två likadana veck riktas med två olika metoder, varmt och kallt. Dessa två olika metoder jämförs med varandra för att se ev. skillnader i mekaniska egenskaper.

I Figur 20 kan man se hur behandlingen påverkar hållfastheten.

Utförligare resultat presenteras i bilaga 7.

Figur 20 Diagram över hållfastheten för riktade provstavar.

Ur Figur 20 kan man se en tendens till minskning i sträckgräns och brottgräns för tvåfasstålet som utsatts för värme. För de två andra materialen så kan man inte se någon märkbar skillnad.

5.2 Drag av deformerade prov

För samtliga stål så innebär en ökad fördeformation en minskning i kvarstående förlängning.

Ökning i temperatur vid värmningen ger en ökning i återhämtning i förlängning till ett pris av minskad sträckgräns.

Utförligare resultat och grafer presenteras i bilaga 8.

5.2.1 Tvåfasstål

DP 600 har i obehandlat tillstånd en brottgräns på minst 600 MPa. Vid en fördeformation på 2

% och bakning vid 170 °C höjs sträckgränsen något, från 480 MPa till 520 MPa.

Bockprov

300 350 400 450 500 550

varma kalla varma kalla varma kalla Tvåfasstålet Microlegerat Refosstålet

Rp0,2 [MPa]

90° r=1 90° r=10 60° r=1 60° r=10 30° r=1 30° r=10

Bockprov

350 400 450 500 550 600 650 700 750

varma kalla varma kalla varma kalla Tvåfasstålet Microlegerat Refosstålet

Rm [MPa]

90° r=1 90° r=10 60° r=1 60° r=10 30° r=1 30° r=10

(31)

-22-

Värmning måttligt till 400 °C ger ingen märkbar skillnad i mekaniska egenskaper jämfört med ursprunget. Ytterligare värmning till 600 °C och 800 °C ger en sänkning i sträckgräns med ca 120MPa för varje 200 °C steg, se Figur 21. Denna trend är lika oavsett hur mycket deformation som skett tidigare, 3, 6 eller 9 %.

Figur 21 DP600 utsatt för olika deformationer och temperaturer

Sänkningen i hållfasthet ger däremot en ökning av brottförlängningen med upp till 25 % för 800 °C. Värmning till 600 °C ger inte så stor ökning i brottförlängning men klart märkbar med ca 10 %. Man kan ana ett visst språng mellan 800 °C och 600 °C när det gäller brottförlängning.

Efter värmning uppvisar tvåfasstålet ett flytområde som inte finns annars.

5.2.2 Mikrolegerat stål

YP 350 har i obehandlat tillstånd en sträckgräns på ca 370 MPa, och en brottgräns på ca 450 MPa. Vid en fördeformation på 2 % och bakning vid 170°C i 30 min så ökar sträckgränsen från ca 410 MPa till ca 440 MPa. En snabb värmning till 400°C ger en måttlig ökning i hållfasthet samtidigt som de två andra temperaturerna ger en måttlig sänkning se Figur 22.

800°C ger störst sänkning i hållfasthet med ca 50 MPa samtidigt som 600°C ger en sänkning på ca 25 MPa. Denna sänkning kompenseras med en ökning i brottförlängning på maximalt 15

% för 800°C jämfört med original.

Tvåfasstål utsatt för fördeformation och värme

0 100 200 300 400 500 600 700 800

0 10 20 30 40 50

Töjning %

Spänning MPa

rumstemperatur 400 ºC 600 ºC 800 ºC

Tvåfasstål utsatt för fördeformation, 3%

deformation och värme

0 100 200 300 400 500 600 700 800

0 10 20 30 40 50

Töjning %

Spänning MPa

0 100 200 300 400 500 600 700 800

0 10 20 30 40 50

Töjning %

Spänning MPa

0 100 200 300 400 500 600 700 800

0 10 20 30 40 50

Töjning %

Spänning MPa

(32)

-23-

Figur 22 YP350 utsatt för olika deformationer och temperaturer.

Efter deformation och värmning till 600 °C uppvisades mycket starka flytområden. Lüdersband uppträdde och på många prov så kraftiga att den plastiska deformationen skedde endast lokalt i denna zon varefter även brott skedde i denna zon.

Inget språng mellan de olika temperaturerna kan ses ur kurvorna i Figur 22.

5.2.3 Refosstål

Refosstålet uppvisar samma trend som de övriga stålen med en sänkning i hållfasthet och en ökning i brottförlängning vid en ökande glödgningstemperatur.

RP270 har en sträckgräns på ca 280 MPa och en brottgräns på ca 420 MPa. Vid en

fördeformation på 2 % och bakning vid 170 °C i 30 min ökas sträckgränsen till ca 370 MPa.

Värmning till 400°C ger en lätt ökning i hållfasthet samtidigt som 600°C och 800°C ger en sänkning. 600°C sänker inte sträckgränsen mer än ca 20 MPa samtidigt som 800°C sänker sträckgränsen mellan 70 och 130 MPa. Mera deformation ger en större sänkning. 9 % deformation sänker sträckgränsen 130 MPa och kan jämföras med 70 MPa sänkning vid en deformation på 3 %, se Figur 23.

0 100 200 300 400 500

0 10 20 30 40 50

Töjning %

Spänning MPa

rumstemperatur 400 grader 600 grader 800 grader

0 100 200 300 400

0 10 20 30 40 50

Töjning %

Spänning MPa

Microlegerat stål utsatt för fördeformation, 6% deformation och värme

0 100 200 300 400 500 600

0 10 20 30 40 50

Töjning %

Spänning MPa

Microlegerat stål utsatt för fördeformation, 9% deformation och värme

0 100 200 300 400 500 600

0 10 20 30 40 50

Töjning %

Spänning MPa

(33)

-24-

Figur 23 RP270 utsatt för olika deformationer och temperaturer.

Vid en temperatur på 800°C så ökar brottförlängningen ca 15 %. Proven vid 400°C ger inte någon skillnad i brottförlängning jämfört med orginalproven. Proven vid 600°C har en ökning i brottförlängning mellan 400°C nivån och 800°C.

5.3 Fördeformation

För att kunna se skillnader i mekaniska egenskaper med avseende på fördeformation studeras dragprovkurvor från prov med olika fördeformation. De tre olika stålsorterna

deformationshårdnar och en ökning i fördeformation ger ett hårdare material. Brottgränsen ökar dock inte märkbart samtidigt som bakehardening ger en ökning i sträckgräns.

Sträckgräns och brottförlängning ligger på samma nivå oavsett om det sker någon efterföljande deformation (i detta fall 3 %). För kompletterande dragprovkurvor se bilaga 9.

Refosstål utsatt för fördeformation och värme

0 100 200 300 400 500

0 10 20 30 40 50 60

Töjning %

Spänning MPa

Refosstål utsatt för fördeformation, 3%

0 100 200 300 400 500

0 10 20 30 40 50 60

Töjning %

Spänning MPa

0 100 200 300 400 500

0 10 20 30 40 50 60

Töjning %

Spänning Mpa

0 100 200 300 400 500

0 10 20 30 40 50 60

Töjning %

Spänning Mpa

(34)

-25-

Figur 24 DP600 utsatt för en fördeformation på 9 %

En minskning i bakehardening effekt sker vid ökande deformationsgrad. Från 40 till 30 MPa ökning i sträckgräns

Figur 25YP350 utsatt för en fördeformation på 9 %

Även mikrolegerat stål tappar i bakehardening effekt efter en ökning i deformationsgrad. Från 40 till 30 MPa ökning i sträckgräns

Figur 26 RP270 utsatt för en fördeformation på 9 %

Refosstål har den största minskningen i bakehardening effekt vid en ökad fördeformation.

Minskningen sker från 70 till 40 MPa.

0 100 200 300 400 500 600 700 800

0 10 20 30 40 50

Töjning %

Spänning Mpa

0 100 200 300 400 500 600 700 800

0 10 20 30 40 50

Töjning %

Spänning MPa

Refosstål utsatt för fördeformation och värme

0 100 200 300 400 500

0 10 20 30 40 50

Töjning %

Spänning MPa

Refosstål utsatt för fördeformation, deformation och värme

0 100 200 300 400 500

0 10 20 30 40 50

Töjning %

Spänning MPa

rumstemperatur 400 ºC 600 ºC 800 ºC Microlegerat stål utsatt för fördeformation

och värme

0 100 200 300 400 500 600

0 10 20 30 40 50

Töjning %

Spänning MPa

Microlegerat stål utsatt för fördeformation, deformation och värme

0 100 200 300 400 500 600

0 10 20 30 40 50

Töjning %

Spänning MPa

(35)

-26-

5.4 Jämförelse bockprov och dragprov

Vid dragprovningen utsätts hela staven för likformig deformation och sedan värms hela staven vilket ger en homogen deformation vid efterföljande dragprov. Deformationen är lätt att kontrollera så att man uppnår önskad deformation och att den sker likformigt genom hela materialet. Detta gör det lättare att utvärdera resultat vad gäller mekaniska egenskapers påverkan av deformation och värme.

Vid bockning sker deformationen lokalt och ej jämt fördelat genom materialet. Värmning sker sedan lokalt vid riktning. Denna metod liknar verkligheten mera än dragprov då en

deformation vid krock komprimerar materialet till deformation och inte axiell utdragning. Vid bockprovning kan verkligheten simuleras endast till den grad att två olika metoder kan

jämföras med varandra.

5.5 Hårdhetsprovning

Medelvärden av hårdheten från provning visas i Figur 27. Hårdheten anges i HV.

Figur 27 Hårdhet som funktion av temperatur för tre olika material

Noteras kan att hårdheten är störst för originalmaterialet, näst högst för temperaturen 800ºC och lägst för 600ºC. Detta gäller för all tre ståltyper. Mätdata presenteras i bilaga 10.

Hårdhet

120 130 140 150 160 170 180 190 200

20 400 600 800

Värmebehandlingstemperatur

HV

DP600 YP350 RP270