Badania formowalności, które pozwalają w pełni wykorzystać mocniejsze stale motoryzacyjne

Problem z próbą rozciągania

Stal ultrawytrzymała jest uznanym materiałem w przemyśle motoryzacyjnym i jest powszechnie stosowana we wzmocnieniach konstrukcyjnych karoserii, wzmocnieniach zderzaków, belkach uderzeniowych drzwi oraz ramach i mechanizmach siedzeń.

Dzięki stali ultrawytrzymałej można osiągnąć 5 gwiazdek w testach zderzeniowych i ograniczyć masę komponentów nawet o 40 procent. Stal ultrawytrzymała pozwala również producentom OEM obniżyć koszty i zwiększyć wydajność produkcji, jednocześnie opracowując bardziej nowatorskie projekty komponentów, bardziej konkurencyjne na rynku.

Pomimo zalet stali ultrawytrzymałej, wielu producentów OEM wciąż wybiera bardziej miękkie gatunki stali, tracąc przewagę nad konkurencją. Dzieje się tak, ponieważ oceniając formowalność opierają się wyłącznie na wynikach prób rozciągania na wydłużenie.

– Próba rozciągania jest najczęściej stosowanym testem – wyjaśnia dr Lars Troive, starszy specjalista ds. formowania SSAB. – Próbka jest rozciągana do momentu pęknięcia. Następnie mierzy się przyrost jej długości. Na tym polega wydłużenie próbki. Na przykład jeśli próbka ma 80 milimetrów długości przed rozciągnięciem, a po próbie ma 88 milimetrów, oznacza to 10-procentowe wydłużenie.

Dalej mówi: – Chociaż próba rozciągania od dawna jest najczęstszą metodą oceny formowalności stali, nie odzwierciedla ona prawidłowo formowalności nowoczesnych, mocniejszych gatunków stali. Przyczyną jest fakt, że te mocniejsze stale zachowują się inaczej i mają bardziej lokalne odkształcenia plastyczne w porównaniu z konwencjonalnymi, bardziej miękkimi gatunkami.

Dokładniejszym sposobem przewidywania zachowania stali ultrawytrzymałej jest stworzenie wykresu granic formowania (FLD), znanego również jako krzywa graniczna formowania. Pojedynczy wykres FLD przedstawia w formie graficznej wyniki kilku przeprowadzonych prób zniszczeniowych materiału, tj. prób wysokości kopuły, przy użyciu różnych geometrii próbek. Każda próbka (tj. arkusz stalowy) ma unikalny stosunek szerokości do długości, co skutkuje różnymi trybami odkształcenia aż do zniszczenia. Odkształcają się inaczej, mając własną ścieżkę naprężenia.

Przed wykonaniem próby FLD każda próbka jest najpierw malowana na biało, a następnie pokrywana czarnymi kropkami losowo rozprowadzanymi przez malowanie natryskowe we „wzór punktowy”. Biały kolor bazowy jest stosowany w celu uzyskania dobrego kontrastu z czarnym wzorem.

Podczas prób wzór punktowy jest fotografowany przez dwa aparaty wbudowane w prasę. Aparaty rejestrują ruchy każdego punktu podczas całej operacji formowania, co pozwala na oszacowanie ścieżki naprężenia aż do zniszczenia. Wykonując próbę wysokości kopuły na każdej z różnych geometrii (arkusza), otrzymuje się dla każdej próby dwie wartości: odkształcenie główne i odkształcenie drugorzędne. Wykres FLD jest następnie rysowany na osiach X i Y, z linią łączącą wszystkie uzyskane wartości odkształcenia. Uzyskana krzywa reprezentuje granicę formowania, przy której stal jest narażona na duże ryzyko rozszczepienia (pęknięcia).

Rysunek 1: przykładowy wzór punktów (po lewej) oraz odkształcenia główne i drugorzędne naniesione na wykres granic formowania (FLD; po prawej).

Innymi słowy, test odkształcalności określa, jak daleko można się posunąć podczas formowania, zanim stal pęknie, w zależności od stanu odkształcenia i sposobu odkształcenia materiału.

Dowodem na to, że stal ultrawytrzymałą można formować dużo dalej, niż sugerują wartości wydłużenia są wytłoczone kubki widoczne na rysunku 2.

Rysunek 2: kubki ciągnione wykonane z szerokiej gamy stali, od bardzo miękkiej do ultrawytrzymałej, np. 1400M o wytrzymałości na rozciąganie 1400 MPa.

Dokładniejsze wyniki prób formowania UHSS

– Wizualnie, cienka próbka z próby FLD formuje się prawie w taki sam sposób, jak próbka z próby rozciągania – mówi Troive. – Ciągnięta zwęża się w środku, podobnie jak próbka w próbie rozciągania; nazywa się to „odkształceniem jednoosiowym”. Dlaczego więc wynik próby rozciągania różni się od wyniku próby FLD?

– Przeprowadzamy prosty test, nakładając wzór kwadratowej siatki o wymiarach 2 mm na 2 mm na próbkę poddawaną próbie rozciągania, mierzoną po zniszczeniu – kontynuuje Troive. – To, co dzieje się na odcinku 2 milimetrów, w ujęciu procentowym, jest znacznie większe w porównaniu z tym, co dzieje się na długości 80 milimetrów – miara stosowana w próbach rozciągania, gdzie całkowite rozciągnięcie w milimetrach jest podzielone przez 80 milimetrów, co oznacza średnie wydłużenie na tej długości.

Rysunek 3: na przykład, lokalne odkształcenie 20% na przestrzeni 2 milimetrów (siatka) jest znacznie większe w ujęciu procentowym niż wynika to z badania tej samej stali UHSS na przestrzeni 80 milimetrów, jak zwykle w próbach rozciągania.

To tłumaczy, dlaczego te dwie próby (rozciągania i FLD) mają tak dużą różnicę w wynikach, co prowadzi do bardzo różnych wniosków dotyczących tego, jak można formować stal UHSS.

Interpretowanie wykresu FLD

Ponieważ FLD dostarcza najdokładniejszych danych o tym, jak można formować określony gatunek stali ultrawytrzymałej, kluczowa jest umiejętność interpretowania tego wykresu.

Obecnie symulacje procesu formowania z wykorzystaniem elementów skończonych (FE) są bardzo powszechnie stosowane w przemyśle motoryzacyjnym. FLD jest bardzo ważnym narzędziem, ponieważ jest w stanie wykazać, czy obliczone odkształcenia znajdują się w bezpiecznym obszarze formowania – lub czy są bliskie zniszczenia.

FLD można podzielić na trzy części:

• Rozciąganie dwuosiowe po prawej stronie.
• Płaskie odkształcenie w środku.
• Czyste ścinanie (ciągnienie) po lewej stronie.

Troive wyjaśnia: – Wykres FLD stara się przedstawić w formie graficznej wyniki szeregu prób zniszczeniowych materiału z różnymi ścieżkami naprężenia. Zasadniczo obszar poniżej krzywej granicznej formowania jest uważany za bezpieczny dla operacji formowania. Często obniża się nieco krzywą, aby mieć margines na możliwe rozproszenie, ze względu na niewielkie różnice w procesie tłoczenia lub właściwościach materiału. Wykresy FLD są powszechnie stosowane do określenia kryteriów pękania podczas tworzenia symulacji lub pomiarów odkształceń.

– Jednak jest kilka przypadków, w których FLD nie jest w stanie przewidzieć zniszczenia. Jeden z nich to krawędzie. Plastyczność krawędzi w dużym stopniu zależy od tego, jak materiał był cięty. Na przykład, czy luz między stemplem a matrycą był prawidłowy? Czy narzędzia były ostre? I tak dalej. W takim przypadku zamiast tego polegamy na teście eksperymentalnym i porównujemy wyniki z poziomem odkształcenia na krawędzi – mówi Troive. (Więcej informacji można znaleźć w nagranym webinarium Docol^® „Rozwiązywanie problemów w zakresie plastyczności krawędzi AHSS”.)

Różne rodzaje kształtów i metody formowania wymuszają odkształcenie materiału na różne sposoby. Ogólnie rzecz biorąc, najgorszym scenariuszem jest formowanie części w stanie czystego odkształcenia płaskiego. Proste zginanie jest przykładem tego typu operacji formowania, mającej najkrótszą ścieżkę naprężenia do zniszczenia. Czasem można zmienić ścieżkę naprężenia. Prostym sposobem może być na przykład zoptymalizowanie geometrii tak, żeby materiał nie zaklinował się i był ciągniony, a nie rozciągany.

Porównywanie wyników prób rozciągania i FLD

W przeszłości producenci samochodów często pracowali z bardziej miękką stalą, a wyniki między próbami rozciągania i FLD były dość podobne. Próba rozciągania była jednak w przeszłości bardziej ugruntowana i bardziej rozpowszechniona. Ryzyko związane wyłącznie z użyciem próby rozciągania polega na tym, że nie wykorzystuje się okazji do zastosowania mocniejszej stali. Lars Troive wyjaśnia:

– Patrząc wyłącznie na dane z próby rozciągania można dojść do wniosku, że wszystko jest niemożliwe. Jeśli zamiast tego przyjrzeć się formowalności, mówimy o prawie 100 procentowym wzroście, na przykład z 10 do 20 w stosunku do rzeczywistej powierzchni przeznaczonej do procesu formowania. W przypadku zastosowań motoryzacyjnych, jeśli przyjrzeć się wykresowi granicy formowania, zamiast brać pod uwagę wyłącznie wydłużenie, pojawiają się różne możliwości.

Rysunek 4: Próba rozciągania A₈₀ (białe kwadraty) i próba FLD 2 mm (szare kwadraty) (wyniki w %).

Gdy wykreśla się zarówno wyniki wydłużenia z próby wytrzymałości na rozciąganie, jak i wyniki z próby formowania, różnicę można łatwo zauważyć wraz ze wzrostem wytrzymałości stali.

Rzeczywisty dowód na formowalność UHSS

Wielu producentów OEM z branży motoryzacyjnej korzysta już z danych FLD przy wyborze materiałów. W związku z tym istnieją już dowody na to, że stal ultrawytrzymała o niezwykle wysokiej wytrzymałości na rozciąganie może być formowana do zastosowań motoryzacyjnych.

Na przykład firma Shape Corp. stworzyła lżejsze, mocniejsze i bardziej kompaktowe rury relingów dachowych i słupki A z formowanej na rolkach 3D stali martenzytycznej Docol^® 1700 MPa. Te bardziej kompaktowe konstrukcje zwiększają przestrzeń wewnątrz pojazdu i poprawiają widoczność kierowcy, jednocześnie optymalizując rozmieszczenie poduszek powietrznych w Fordach 2020 Explorer i 2020 Escape.

Dodatkowe zalety stosowania stali o wyższej wytrzymałości

Wybór optymalnej stali ultrawytrzymałej, oprócz zwiększenia odporności na zderzenia i zmniejszenia masy, może zapewnić producentom samochodów inne cenne korzyści:

1. Mniejsze zużycie materiałów: Wyjątkowa wytrzymałość i właściwości techniczne stali ultrawytrzymałej mogą umożliwić producentom OEM zmniejszenie ilości materiału potrzebnego do wytworzenia części samochodowej poprzez zastosowanie cieńszych ścianek komponentów.
2. Niższy koszt materiałów: Stale ultrawytrzymałe mogą być znacznie bardziej opłacalne niż inne lekkie materiały o wysokiej wytrzymałości, zarówno w oparciu o koszty materiałów, jak i koszty formowania.
3. Niższy koszt formowania: Chociaż może być konieczne zainwestowanie w mocniejsze komponenty narzędziowe niż w przypadku bardziej miękkich stali, stale UHSS są zwykle formowane przy użyciu konwencjonalnego sprzętu produkcyjnego, co pozwala na wykorzystanie już posiadanych maszyn.
4. Szybsze formowanie przy niższym zużyciu energii: Być może tłoczona na gorąco stal borowa może zostać zastąpiona formowaną na zimno stalą AHSS. Oznacza to oszczędność pieniędzy, ponieważ niepotrzebne są skomplikowane matryce do tłoczenia na gorąco (wymagające również dużo energii do ogrzewania i chłodzenia), a zarazem skrócenie czasu produkcji.
5. Spawalność: Wiele stali ultrawytrzymałych można spawać przy użyciu standardowych procesów spawalniczych ze względu na ich prosty skład chemiczny.

Zmaksymalizuj swój potencjał projektowania części motoryzacyjnych

Wybór stali ultrawytrzymałych na komponenty motoryzacyjne daje ogromne możliwości w zakresie innowacji. Jednak poleganie wyłącznie na danych dotyczących wydłużenia z prób rozciągania w celu oceny formowalności doprowadzi do wyboru bardziej miękkiej stali i utraconych możliwości ulepszeń. Zamiast tego warto zapoznać się z wykresem granic formowania, aby upewnić się, że potencjał wybranej stali ultrawytrzymałej jest w pełni wykorzystywany.

Czy wiedza ekspertów SSAB pomogłaby Ci w określeniu, czy określona stal UHSS jest wystarczająco podatna na formowanie dla Twojego zastosowania motoryzacyjnego? Jeśli tak, to skontaktuj się z najbliższym przedstawicielem Docol^®.