PEVNOSTNÍ MATERIÁLY V KAROSÉRII

Transkript

1 METODY TVÁŘENÍ KOVŦ A PLASTŦ PEVNOSTNÍ MATERIÁLY V KAROSÉRII Důvody použití pevnostních materiálů: v současné době je snaha výrobců automobilů o zvýšení pasivní bezpečnosti (zvýšení tuhosti karoserie) snížení hmotnosti (úspora pohonných hmot). Dosáhnout těchto protichůdných požadavků je možné pouze ve zvyšování podílu vysokopevnostních materiálů v konstrukci karoserie. Octavia 1997 Octavia 2004

2 TRENDY VE VÝVOJI PLECHŦ PRO AUTOMOBILOVÝ PRŦMYSL

3 VÝVOJ PEVNOSTNÍCH MATERIÁLŦ PLECHY POUŢÍVANÉ V AUTOMOBILOVÉM PRŦMYSLU Hlubokotaţné plechy z ocelí uklidněných hliníkem CQ - plechy běžné kvality (Comercial Quality), DQ - tažné plechy (drawing Quality), DDQ - hlubokotažné plechy (Deep Drawing Quality), EDDQ - zvlášť hlubokotažné plechy (Extra Deep Drawing Quality), EDDQ S - super hlubokotažné (Extra Deep Drawing Quality Super). Refosforizované (P) a mikrolegované ocele (Si, Mn,Ti, V) Plechy z IF ocelí bez intersticií (Interstitials Free Steels) Plechy z IF ocelí s BH efektem (Bake Hardening ) Plechy z vysokopevnostních ocelí Plechy z DP ocelí (DualPhase Steels dvoufázové ocele) Plechy s transformačně indukovanou plasticitou (TRIP - ocele) Plechy z TWIP ocelí (Twinning Induced Plasticity) Plechy z CP ocelí (Complex Phase Steels vícefázové ocele)

4 MATERIÁLY POUŢÍVANÉ NA VÝROBU KAROSÉRIE Počátek dvojčatění Oproti CP má DP nižší Rp0,2 Vysoký exponent deformačního zpevnění n

5 HLUBOKOTAŢNÉ PLECHY Z OCELÍ UKLIDNĚNÝCH HLINÍKEM SKUPINA Rp 0,2 [MPa] A 80 [%] r [-] n [-] R m /Rp 0,2 [-] KUT [-] CQ ,0-1,2 0,14-0,16 1,2-1, DQ ,2-1,4 0,16-0,18 1,3-1, DDQ ,4-1,6 0,18-0,20 1,4-1, EDDQ ,6-1,8 0,20-0,22 1,5-1, EDDQ-S <180 > 40 >1,8 >0,22 >1,67 >67 KLASIFIKACE MATERIÁLŦ DLE PEVNOSTI MEZ KLUZU [MPa] SKUPINA ZASTOUPENÍ 210 Hlubokotaţné DDQ, EDDQ, EDDQ S, ( ) vysokopevné IF, BH, TRIP, DP, 550 ultravysokopevné TRIP, CP, MS

6 PLECHY Z IF OCELÍ BEZ INTERSTICIÍ (Interstitials Free Steels) Feritická matrice Mikrolegování: Ti, resp. Nb, karbidy legur TiCN, NbCN Zvýšená pevnost, dobrá tvařitelnost. Velmi malé obsahy volného C a N - řádově desítky ppm. Výborná tvařitelost, nízká pevnost. Odolné stárnutí (i po ţárovém zinkování) Tvarově sloţité díly: blatníky, kryty dveří apod. Rm = MPa KONTINUÁLNÍ ŢÍHACÍ LINKA IF/Al ocel: C=0,016%, R p0,2 =165 MPa, A 80 =47%, r=1,9

7 PLECHY Z IF OCELÍ S BH EFEKTEM BH efekt: Zvýšení R p0,2 při teplotě vypalování laku. 20 min. T = 170 C BH Efekt deformační zpevnění ~ MPa DC05+BH6 Uhlík dislokace 2 % j Se zvýšeným obsahem Uhlíku C Niţší obsahy Ti a N zbytek volného C niţší vypalovací teploty Se zvýšeným obsahem Titanu Ti, resp. Niobu Nb vyšší teploty k BH efektu rozpuštění karbonitrických precipitátŧ potřebný C BH/HSZ/DP-K

8 PLECHY Z DP OCELÍ (Dual Phase Steels - dvoufázové ocele) Nízkouhlíkové ocele, feritická matrice % + oblasti martenzitu % (+zbytkový austenit) Vysoká pevnost FERIT Dobrá tvařitelnost Citlivé na teplotu MARTENSIT DP-W Rm= MPa / t = 1,5 5 mm DP-K Materiál Rp 0,2 [MPa] R m [MPa] A 80 [%] n [-] C max [%] DP-K >500 >25 0,16 0,14 DP-K >600 >18 0,12 0,14 Si+Al max [%] DP-W ,15 0,015 2,0

9 PLECHY Z OCELÍ S TRANSFORMAČNĚ INDUKOVANOU PLASTICITOU Transformation Induced Plasticity (TRIP ocele) Nízkouhlíkové ocele, feriticko-bainitická matrice +zbytkový austenit 6-10 % Transformace na MARTENZIT při deformaci Dobrá tvařitelnost Vysoká pevnost RA-K Rm= MPa BAINIT METASTABILNÍ. AUSTENIT MARTENSIT FERIT Materiál Rp 0,2 [MPa] R m [MPa] A 80 [%] n [-] C max [%] Si+Al max [%] RA-K 38/ ,20 0,22 2,2 RA-K 42/ ,18 0,22 2,2

10 PLECHY Z TWIP OCELÍ (Twinning Induced Plasticity) austenitická matrice,s obsahem (15 aţ 20) % Mn + dolegováno Al, Si. Extrémní hodnoty taţnosti (řádově aţ % Velmi vysoká pevnost ( Rm> 800 MPa) Typická TWIP ocel maximální deformace dosahováno při určitých technologických podmínkách Nejvýraznější vliv rychlosti deformace Mechanismus plastické deformace dvojčatění

11 PLECHY Z CP OCELÍ (Complex Phase Steels - vícefázové ocele) Nízkouhlíkové ocele, základní feritická matrice + strukturní sloţky: Bainit, Martenzit, rŧzná tvrdost a disperzita. Vysoká pevnost, vysoké deformační zpevnění a absorbce energie Rm 800 MPa /t = 1,5 3,5 mm FERIT PLECHY Z MS OCELÍ (Martensitic steels martenzitické ocele) BAINIT MARTENSIT Čistě martenzitzická struktura Rm 1000 MPa / t = 1,5 5 mm MARTENSIT CP-W, MS-W Materiál Rp 0,2 [MPa] R m [MPa] A 80 [%] n [-] C max [%] Si [%] CPW 900 min min.10 0,20 0,18 0,8 MSW1200 min min 5 0,18 1,0

12 ZJIŠŤOVÁNÍ MEZNÍCH DEFORMACÍ - PŘETVOŘENÍ

13 CRASH TESTY TRIP OCELI - T 800 CRASH test při 58km/h CRASH test při 30 km/h

14 stŧl (beran) lisu DIAGRAMY MEZNÍCH PŘETVOŘENÍ metoda vypínání tvarových přístřihů polokulovým tažníkem Zařízení pro elektrochemické leptání kovů Dílenský mikroskop Vzorky po zkoušce

15 DIAGRAM MEZNÍCH PŘETVOŘENÍ

16 DIAGRAM MEZNÍCH PŘETVOŘENÍ experiment x výpočet Základem je určit mezní deformaci materiálu při různém m m 2 j j j1 j definice mezního stavu 1 4 lom lokální ztenčení L L 2 poškrábaný povrch velikost mezních deformací j L1,2 1k,2k ln L elementy zasažené lokálním ztenčením i trhlinou 2 a 4.. element zasažený lokálním ztenčením 3...nezasažený element reálný lom + deformační síť

17 DIAGRAM MEZNÍCH PŘETVOŘENÍ Experimentálně získaná křivka- hlubokotažná ocel DC 05 Rm=290 MPa, A 80 = 44% 0,9 0,8 0,7 0,6 j 1 [-] 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0-0,6-0,5-0,4-0,3-0,2-0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 j 2 [-]

18 ZJIŠŤOVÁNÍ MEZNÍCH DEFORMACÍ metoda optickým měřícím systémem ARAMIS 4M Dvojice snímacích kamer (2M) Osvětlovací zařízení (2000 W) PC pro snímání dat a vyhodnocování zkoušek T-box (Trigger)

19 Určení rozloţení deformace v okolí trhliny u ocelí pouţívaných v automobilovém prŧmyslu RAK řez podélný Maximální změřená deformace Rozložení deformace v podélném směru všech materiálů

20 NEKONVENČNÍ MATERIÁLY PRO AUTOMOBILOVÝ PRŦMYSL Materiály s proměnnou tloušťkou výhody: plynulý přechod tloušťky materiálu úspora hmotnosti nevýhody: nelze kombinovat různé materiály náročná technologie výroby pouze pro polotovary s omezenou velikostí

21 NEKONVENČNÍ MATERIÁLY PRO AUTOMOBILOVÝ PRŦMYSL Sendvičové materiály, hliníkové výplňové pěny výhody: nízká hmotnost tepelná a vibro-akustická izolace nevýhody: špatná svařitelnost nelze lakovat spolu s karoserií vysoká cena

22 NEKONVENČNÍ MATERIÁLY PRO AUTOMOBILOVÝ PRŦMYSL Svařované přístřihy (tailored blanks - přístřihy šité na míru) výhody: umožňuje kombinovat materiály s různými mechanickými vlastnostmi a tloušťkou úspora hmotnosti nevýhody: ovlivněná oblast svaru snížené plastické schopnosti pouze pro nepohledové díly karoserie

23 TECHNOLOGIE LEPENÍ V AUTOMOBILOVÉM PRŦMYSLU V celosvětovém měřítku spojování: lepení více jak 10% Nárůst aplikací vlivem vývoje nových lepidel ČR do r.1990 ČR dnes Budoucnost cca 5 10 m lepidla cca m lepidla???

24 OBECNÉ VÝHODY LEPENÝCH SPOJŦ Možnost spojovat různé typy materiálů a jejich kombinace (např. ocel ocel, pryž pryž, sklo- sklo, nebo ocel pryž, ocel sklo) brzdová obložení, autoskla, zrcadla, omítky a tmely ve stavebnictví ad. Možnost spojovat materiály bez ohledu na jejich tloušťku (velmi tenké materiály) polepování fóliemi apod. Možnost miniaturizace - elektrotechnika Možnost výroby spoje s dobrou elektrickou, tepelnou izolací nebo spoje s dobrou elektrickou vodivostí. Možnost spojení za nízké teploty bez ovlivnění spojovaného materiálu a bez zásahu do základního materiálu Možnost spojování velkých ploch folie, překližky ad. Možnost spojovat obtížně svařitelné materiály lepení Al slitin Odpadají operace začisťování- povrch spojovaných míst je hladký Útlum vibrací, rázů, zamezení nežádoucího hluku pružná lepidla

25 VÝHODY LEPENÝCH SPOJŦ Úspora hmotnosti - snížením tloušťky plechu v důsledku využití spojů s vyšší stykovou plochou (vyšší tuhost konstrukce) Výrazné sníţení hlučnosti konstrukce - mezi spojovanými plechy nedochází k hlučnému klepání a skřípání x mechanický spoj Těsnost spojŧ - není třeba dodatečně utěsňovat (např. palivové nádrže) Možnost vytvoření souvislého neporézního filmu

26 Ochrana proti korozi VÝHODY LEPENÝCH SPOJŦ Povrch spojovaných míst je hladký odpadají nákladné operace začišťování Vysoká kvalita vzhledu povrchu spojovaných dílŧ v místě spoje Místa bodových svarů

27 VÝHODY LEPENÝCH SPOJŦ Nedochází k ovlivnění struktury základního materiálu změna struktury v okolí svaru oblasti svaru ovlivněné teplem Ţádné poškození ochranné vrstvy pozinkovaných plechŧ Zachování korozní odolnosti Zvýšení pevnosti 1 slepený profil - crashové (pevnostní) lepidlo 2 zbodovaný profil 3 slepený profil - semicrashové (standardní) lepidlo

28 VÝHODY LEPENÝCH SPOJŦ Těsnosti spojŧ - zvýšení korozní odolnosti karoserie riziko vzniku koroze pozinkovaný plech s oboustrannou organickou vrstvou pozinkovaný plech s jednostrannou organickou vrstvou vrchní lak jemné dotěsnění pozinkovaný plech KTL lepidlo

29 VÝHODY LEPENÝCH SPOJŦ Sníţení hlučnosti karoserie použití protihlukových izolací Díly s protihlukovou izolací Akustické testování vozu v tunelu Aero-akustický zkušební tunel

30 NEVÝHODY LEPENÝCH SPOJŦ Nízká odolnost proti namáhání v odlupování Malá odolnost proti zvýšení teploty Přechodové teploty

31 NEVÝHODY LEPENÝCH SPOJŦ Úprava povrchu - u adherendů s nedostatečnými adhezivními vlastnostmi (plasty) jsou nutné speciální úpravy povrchů před lepením (např. použitím aktivátorů) zvýšení povrchové energie materiálu změna polarity oxidace Nutnost úprav ploch před vlastním lepením (důležitá je čistota a rovinnost povrchu lepených ploch) Vytvrzovací doba - spoj nelze okamžitě zatížit (maximální pevnosti je dosaženo až po určité době) Zásadní vliv typu lepidla ani vteřinová lepidla nemají okamžitou 100% pevnost

32 LEPENÍ V AUTOMOBILOVÉM PRŦMYSLU Karosérie plechové výlisky Interiér plastové díly, kovy, textil Skla- okna, zrcátka Hlavní cíl : KONSTRUKČNÍ LEPENÍ Příklady pouţití lepidel v automobilu: Upevnění okrasných lišt, dílů, dekoračních fólií Ochrana částí karosérie Izolace elektrických rozvodů a součástí Bezpečnostní prvky na vozidle Tlumení rázů, vibrací, hluku Těsnění, tmelení dílů karosérie

33 TEORIE ADHEZE A KOHEZE Adheze - přilnavost Přilnavost kapek rosy na pavučině dva materiály k sobě přilnou mezimolekulárními silami Koheze - soudržnost vnitřní adheze Voda tvoří kapky povrchové napětí způsobuje, že je kapka kulovitého tvaru a adheze drží kapky na místě Povrchové napětí je efekt, při kterém se povrch kapalin chová jako elastická fólie a snaží se dosáhnout co možná nejhladšího stavu s minimální plochou. To znamená, že se povrch tekutiny snaží dosáhnout stavu s nejmenší energií. Čím větší je povrchové napětí, tím kulatější je kapička této kapaliny. Špatně smáčivý povrch Dobře smáčivý povrch

34 Význam Adheze a Koheze mají zásadní význam pro dosažení maximální vazebné síly při lepení. v lepené soustavě vždy nejvíce rozhodující o pevnosti tzv. nejslabší článek. soudržné síly jsou dány výrobcem lepidla uživatel se musí snažit dosáhnout těchto maximálních hodnot danými postupy. správnými, nelze je oddělovat samostatně ani jedna vlastnost nesmí být špatná podle vzájemného poměru adheze a koheze poté vzniká ve spoji lom.

35 ZKOUŠKY LEPENÝCH SPOJŦ Zkouška pevnosti v odlupu ISO Zkouška smykové pevnosti v tahu VW PV Dynamická zkouška štípáním rázem ISO 11343