Gewicht reduzieren und Stabilität gewinnen

In schnellem Takt werden immer neue Güten an innovativen Hochleistungsstählen entwickelt. Diese Stähle sind nicht nur fester und zeigen im Vergleich zu Baustahl bei einigen Anwendungen eine verbesserte Leistung bei der Sicherheit, sondern sie tragen auch zu leichteren Konstruktionen bei, mit denen der Kraftstoffverbrauch gesenkt und ein Beitrag zu einer saubereren Welt geleistet wird.

Extra- und ultrahochfester Stahl (AHSS und UHSS) ermöglicht vor allem in der Automobilindustrie bahnbrechende Verbesserungen, und Docol® Stahl hat einen wesentlichen Anteil daran. In modernen Autos von praktisch allen großen Herstellern der Welt ist dieser Stahl in einer zunehmenden Anzahl von Komponenten zu finden – von Sitzrahmen über Seitenaufprallschutz und Überrollkäfige bis hin zu Stoßfängern.

Die Stärken von Docol® extra- und ultrahochfestem Stahl

Die Festigkeit des extra- und ultrahochfesten Docol® Stahls ermöglicht Konstrukteuren die Anwendung von weniger Material, ohne Einbußen bei der konstruktiven Leistung zu machen. Dualphasenstähle und martensitische Stähle sind in sehr hohen anfänglichen Streckgrenzen erhältlich. Sie weisen auch eine beträchtliche Kaltverfestigung bei der Umformung und ein Bake-Hardening aus dem Lackieren auf.

Die Kaltverfestigung bei der Umformung beträgt rund 150 MPa bei 2 % Dehnung und das entsprechende Bake-Hardening weitere 50 MPA bei normalem Lackieren.

Zusätzlich zu diesen Effekten zeigen extra- und ultrahochfeste Stähle eine Dehnratenverfestigung. Dadurch halten sie höheren Beanspruchungen bei einer höheren Verformungsgeschwindigkeit stand. Diese Wirkung entspricht einer Zunahme von rund 100 MPa bei den hohen Dehnraten, die lokal bei einem Autounfall auftreten.

Potenzial bei Gewichtsreduzierungen

Die hohe Festigkeit von extra- und ultrahochfestem Stahl ist günstig für die Gewichtsreduzierung in Rohkarosserie, Stoßfängern, Seitenaufprallschutz, Sitzrahmen und weiteren Applikationen. Um das Potenzial deutlicher hervorzuheben, stellen die Abbildungen unten zwei theoretische Beispiele dar. Wenn im Blech ein reiner Membranspannungszustand (Abb. 1a) herrscht, ist die Spannung linear proportional zu 1 mit der Dicke. Wenn im Blech ein reiner Biegespannungszustand herrscht, ist die Spannung proportional zu 1 mit dem Quadrat der Dicke (Abb. 1b).

Abb. 1: Blech- und Oberflächenwirkung

Durch die Einführung des Materials, das größeren Beanspruchungen standhält, kann die Dicke verringert werden, ohne dass die Leistung abnimmt. Abb. 2 zeigt das Potenzial bei der Gewichtsreduzierung für die beiden theoretischen Fälle.

Bei sicherheitsrelevanten Komponenten liegt die mögliche Gewichtsreduzierung in vielen Fällen zwischen diesen beiden Extremwerten. Der Biegefall ist jedoch kein konservativer unterer Grenzwert, weil in schmalen Konstruktionen eine lokale Knickung auftreten kann.

Wie Abb. 2 zeigt, wird bei extra- und ultrahochfestem Stahl ein stärkerer Fokus auf Abmessungen gelegt, um ein lokales Verbiegen zu vermeiden und das Potenzial des Materials voll auszuschöpfen. Zur Vermeidung eines reinen Biegespannungszustands müssen entsprechende Maßnahmen getroffen werden. Ein globales Biegemoment wird am besten durch Verwendung von Trägern übertragen. Rollumgeformte Profile oder Rohre bieten ausgezeichnete Möglichkeiten für die Konstruktion und Herstellung einer optimalen Geometrie, die Biegemomenten standhält.

Abb. 2: Gewichtsreduzierung bei Anwendung von extra- und ultrahochfestem Stahl für Membran- und Biegespannungszustände. Die Streckgrenze der angezeigten Stahlgüten entspicht der Streckgrenze bei 2 % Kaltverfestigung und nach dem Lackieren.