Muovattavuustestit, joiden avulla voidaan hyödyntää entistä lujempia autoteollisuuden käyttämiä teräksiä

Vetolujuuskokeen ongelma

Ultraluja teräs on vakiintunut materiaali autoteollisuudessa, ja sitä käytetään yleisesti tietyissä korin rakenteellisissa vahvikkeissa, puskurivahvikkeissa, ovien törmäyspalkeissa sekä istuimien rungoissa ja mekanismeissa.

Ultraluja teräs auttaa saavuttamaan viiden tähden törmäysluokituksen ja vähentämään osien painoa jopa 40 prosenttia. Sen avulla OEM-valmistajat voivat myös pienentää kustannuksia ja tehostaa tuotantoaan samalla, kun he kehittävät entistä innovatiivisempia ja kilpailukykyisempiä osia.

Eduista huolimatta monet OEM-valmistajat valitsevat edelleen pehmeämpiä teräslaatuja. Näin he menettävät kilpailuetunsa. Syynä tähän on se, että muovattavuutta ajatellessaan ne luottavat yksinomaan vetokokeiden venymätuloksiin.

”Vetokoe on kaikkein useimmin käytetty testi”, kertoo SSAB:n Senior Forming Specialist Lars Troive. ”Ideana on vetää näytettä kahteen suuntaan murtumiseen asti. Sen jälkeen mitataan, kuinka paljon se on pidentynyt. Näin arvioidaan venymä. Jos koekappaleen alkuperäinen pituus on esimerkiksi 80 mm ja vedossa siitä tulee 88 millimetriä ennen murtumista, venymä on 10 prosenttia.”

Hän jatkaa: ”Vaikka vetokoe on ollut pitkään yleisin tapa arvioida teräksen muovattavuutta, nykyaikaiset, vahvemmat teräslaadut eivät näyttäydy oikeassa valossa tällä menetelmällä. Tämä johtuu siitä, että lujemmat teräkset käyttäytyvät eri tavalla. Niiden paikallinen plastinen muodonmuutos on suurempi kuin perinteisillä pehmeämmillä teräksillä.”

Tarkempi tapa ennustaa ultralujien terästen käyttäytymistä on laatia muovausrajakaavio (forming limit diagram, FLD). Muovausrajakaavio on graafinen kuvaus useista tehtyistä materiaalin hajoamistesteistä, eli "punched dome" testeistä, joissa käytetään erilaisia näytegeometrioita. Kullakin näytteellä (eli teräslevyllä) on yksilöllinen leveys-pituus-suhde, jolloin muodonmuutostavat ennen hajoamista ovat erilaisia. Ne muokkaantuvat eri tavoin, ja niillä on oma venymäpolkunsa.

Ennen muovausrajakaaviotestin suorittamista jokainen näyte maalataan ensin valkoiseksi. Sitten se ruiskumaalataan mustalla, jotta saadaan aikaiseksi kuvio satunnaisia mustia pisteitä. Pohjaväri on valkoinen, jotta mustan kuvion kontrasti olisi hyvä.

Testeissä pistekuviota kuvataan kahdella puristimeen asennetulla kameralla. Kamerat tallentavat jokaisen pisteen liikkeet muovauksen aikana, mikä mahdollistaa venymäpolun arvioinnin murtumiseen asti. Kun teet rei'itettyä kuputestiä kullekin eri geometrialle, saat kaksi arvoa kustakin tutkimuksesta: pääjännityksen ja pienemmät jännitykset. Tämän jälkeen muovausrajakaavio piirretään X- ja Y-kaavioon siten, että linja yhdistää kaikki saavutetut jännitysarvot. Käyrä kuvaa muovausrajaa, jolla teräs on vaarassa halkeilla (säröillä).

Kuva 1: sattumanvarainen pistekuvio (vasen kuva) ja muovausrajakaavioon piirretyt suuret ja pienet jännitykset (muovausrajakaavio; oikea kuva).

Muovattavuustesti siis määrittää sen, kuinka pitkälle terästä voi muovata, ennen kuin se murtuu riippuen muodonmuutostilanteesta ja materiaalin muodonmuutoksesta.

Jos haluat todisteita siitä, että erittäin lujaa terästä voidaan muovata paljon pidemmälle kuin mitä venymäarvot kertovat, katso kuvan 2 vedettyjä kuppeja.

Kuva 2: Vedetyt kupit, joita valmistetaan lähtien erittäin pehmeästä kuin erikoislujasta teräksestä, esim. 1400M:n murtolujuus on 1400 MPa.

Tarkemmat UHSS-muovaustestitulokset

Muovausrajakaaviotestin ohut näyte näyttää muokkaantuvan lähes samalla tavalla kuin vetokoenäyte”, Troive kertoo. ”Se kapenee keskeltä vedettäessä, samoin kuin vetokokeen koekappale. Tätä kutsutaan yksiaksiaaliseksi muodonmuutokseksi. Miksi sitten kokeen venymätulos eroaa muovausrajakaaviotestin tuloksesta?”

”Teemme yksinkertaisen testin käyttäen neliönmuotoista 2 x 2 mm:n mittaista ristikkokuviota vetokoesauvassa, joka mitataan murtumisen jälkeen”, Troive jatkaa. ”Se mitä tapahtuu 2 millimetrin matkalla, on prosentteina paljon enemmän kuin mitä 80 millimetrin pituudella tapahtuu — vetokokeissa käytetään mittaa, jossa kokonaisvenymää millimetrinä on jaettu 80 millimetrillä, mikä tarkoittaa keskimääräistä venymää tällä matkalla.”

Kuva 3: Esimerkiksi 20 prosentin paikallinen jännitys 2 millimetrin alueella (ruudukko) on paljon suurempi prosenttilukuina kuin mitä saadaan, kun sama UHSS-teräs on testattu 80 millimetrin laajuudelta, kuten yleensä tehdään vetokokeissa.

Tämä selittää sen, miksi näiden kahden testin (vetolujuus ja muovausrajakaavio) tuloksissa on niin suuri ero, joka johtaa hyvin erilaisiin johtopäätöksiin siitä, kuinka paljon UHSS-terästä voidaan muovata.

Muovausrajakaavion tulkinta

Koska muovausrajakaavio antaa tarkimmat tiedot siitä, miten tiettyä ultralujaa terästä voidaan muovata, tulosten tulkitseminen on ensiarvoisen tärkeää.

Nykyisin autoteollisuudessa käytetään hyvin yleisesti muovausprosessin elementtisimulaatioita (FE). Tämän perusteella muovausrajakaavio on erittäin tärkeä työkalu, sillä se näyttää, ovatko lasketut jännitykset turvallisella muovausalueella vai lähestytäänkö murtumispistettä.

Muovausrajakaavio voidaan jakaa kolmeen osaan:

• Ekvibiaksiaalinen (venytys) oikealle.
• Tasojännitys keskellä.
• Puhdas leikkaus (veto) vasemmalle.

Troive selittää: ”Muovausrajakaaviossa pyritään antamaan graafinen kuvaus useista materiaalin murtumistesteistä erilaisilla venymäpoluilla. Muovausrajakäyrän alapuolella olevaa aluetta pidetään periaatteessa turvallisena muovauksen kannalta. Käyrää on tavallisesti laskettava hieman, jotta saataisiin turvamarginaalia mahdollista hajontaa vastaan prässäysprosessin tai materiaalin ominaisuuksien pienten vaihteluiden vuoksi. Muovausrajakaaviota käytetään laajalti murtumiskriteereinä muovaussimulaatioissa ja venymämittauksissa.”

”Joissakin tapauksissa muovausrajakaavio ei kuitenkaan pysty ennustamaan murtumista. Yksi niistä koskee leikattuja reunoja. Leikattujen reunojen muovattavuus riippuu paljon siitä, miten levyaihio on leikattu. Käytettiinkö esimerkiksi asianmukaista leikkausvälystä? Olivatko työkalut teräviä? Ja niin edelleen. Tällaisissa tapauksissa tulee turvautua käytännön testiin ja vertailla tuloksia reunan venymätason kanssa”, Troive kertoo. (Lisätietoja saat Docol^®-verkkoseminaarista ”Ratkaisuja AHSS-terästen reunojen muovattavuuteen liittyviin ongelmiin”.)

Erilaiset muodot ja muovaus pakottavat materiaalin muodonmuutokseen eri tavoin. Pahin skenaario on tavallisesti se, että osa muovataan puhtaassa tasojännitystilassa. Yksinkertainen taivutus on esimerkki muovaustyypistä, joka johtaa lyhintä venymäpolkua murtumiseen. Toisinaan venymäpolkua on mahdollista muuttaa. Ratkaisu voi olla niinkin yksinkertainen kuin levyaihion geometrian optimointi. Sen avulla voidaan estää materiaalin juuttuminen, jolloin materiaalia vedetään eikä venytetä.

Vetolujuuskokeiden ja muovausrajakaaviokokeiden tulosten vertailu

Perinteisesti autonvalmistajat ovat työstäneet paljon pehmeämpää terästä, jolloin vetokokeiden ja muovausrajakaaviokokeiden tulokset olivat varsin samanlaisia. Vetokoe oli vakiintunut ja siksi laajemmalle levinnyt käytäntö. Pelkän vetokokeen käytön riski on se, että lujemman teräksen käyttömahdollisuudet menetetään. Lars Troive kertoo:

”Jos tuijotat vain vetolujuuskokeen tietoja, saatat ajatella, ettei mikään tule onnistumaan. Jos sen sijaan tarkastellaan muovattavuutta, voidaan huomata lähes 100 prosentin lisäys, esimerkiksi 10:stä 20:een todelliseen muovausprosessiin tarkoitetulla alueella. Autoteollisuuden käyttökohteissa muovausrajakaavion tarkastelu pelkän venymän sijaan tuo mukanaan monenlaisia mahdollisuuksia.”

Kuva 4: A₈₀-vetolujuuskoe (valkoiset neliöt) ja FLD-koe, 2 mm (harmaat neliöt) (tulokset prosentteina).

Kun piirretään sekä venymätulokset vetokokeesta että tulokset muovauskokeesta, ero on helposti havaittavissa teräksen lujuuden kasvaessa.

Aitoja todisteita UHSS-teräksen muovattavuudesta

Monet autonvalmistajat luottavat jo nyt muovausrajakaavion tietoihin valitessaan materiaaleja. Siksi meillä on jo olemassa todisteita siitä, että autoteollisuudessa voidaan käyttää ultralujia teräksiä, joilla on erittäin suuri murtolujuus.

Esimerkiksi Shape Corp. on kehittänyt kevyempiä, lujempia ja tilaa säästävämpiä kattoputkia ja A-pilareita 3D-rullamuovatusta martensiittisesta Docol^® 1700 MPa -teräksestä. Nämä kompaktimmat osat kasvattavat sisätiloja, parantavat näkyvyyttä ja optimoivat turvatyynyjen sijoittelun Ford 2020 Explorer- ja 2020 Escape -malleissa.

Erikoislujien terästen lisäedut

Erinomaisen törmäysturvallisuuden ja keveyden lisäksi ultralujan teräksen optimoitu valikoima tarjoaa autonvalmistajille muitakin arvokkaita etuja:

1. Vähemmän tarvittavia materiaaleja: Ultralujien terästen ainutkertainen lujuus ja tekniset ominaisuudet antavat OEM-valmistajille mahdollisuuden vähentää tietyn komponentin valmistuksessa tarvittavan materiaalin määrää, sillä osien seinistä voidaan tehdä ohuemmat.
2. Edullisemmat materiaalit: Ultralujat teräkset voivat olla muita lujia ja kevyitä materiaaleja kustannustehokkaampia sekä materiaalikustannusten että muovauskustannusten suhteen.
3. Edullisempi muovaustapa: Vaikka saatat joutua investoimaan vahvempiin työkaluosiin kuin pehmeämpien terästen käsittelyssä, UHSS-teräkset valmistetaan tavallisesti perinteisillä tuotantolaitteilla, jolloin voit hyödyntää jo omistamiasi koneita.
4. Nopeampi muovaus vähemmällä energialla: Kuumamuovattu booriteräs on ehkä mahdollista korvata kylmämuovatulla AHSS-teräksellä. Säästät rahaa, kun et tarvitse monimutkaisia kuumaprässäysmuotteja (joiden lämmitys ja jäähdytys vaatii myös paljon energiaa) ja nopeutat samalla tuotantoaikaa.
5. Hitsattavuus: Monia ultralujia teräksiä voidaan hitsata tavanomaisilla hitsausmenetelmillä niiden vähäisen kemiallisen koostumuksen ansiosta.

Optimoi autoteollisuuden osien suunnittelumahdollisuudet

Kun auton osiin valitaan ultraluja teräs, innovaatiomahdollisuudet ovat erinomaiset. Vetokokeista saatujen venymätietojen perusteella saatetaan kuitenkin valita pehmeämpi teräs ja jättää parannusmahdollisuudet käyttämättä. Tarkastele sen sijaan muovausrajakaaviota ja varmista, että saat kaiken hyödyn irti valitsemastasi ultralujasta teräksestä.

Haluaisitko hyödyntää SSAB:n asiantuntemusta sen selvittämiseen, onko tietty UHSS-teräs riittävän helposti muovattavissa autoteollisuuden käyttökohteeseesi? Ota yhteyttä paikalliseen Docol^®-edustajaan .