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
TRENDY VE VÝVOJI PLECHŦ PRO AUTOMOBILOVÝ PRŦMYSL
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)
MATERIÁLY POUŢÍVANÉ NA VÝROBU KAROSÉRIE Počátek dvojčatění Oproti CP má DP nižší Rp0,2 Vysoký exponent deformačního zpevnění n
HLUBOKOTAŢNÉ PLECHY Z OCELÍ UKLIDNĚNÝCH HLINÍKEM SKUPINA Rp 0,2 [MPa] A 80 [%] r [-] n [-] R m /Rp 0,2 [-] KUT [-] CQ 240-260 26-30 1,0-1,2 0,14-0,16 1,2-1,3 30-40 DQ 220-240 30-36 1,2-1,4 0,16-0,18 1,3-1,4 40-50 DDQ 200-220 36-38 1,4-1,6 0,18-0,20 1,4-1,5 50-57 EDDQ 180-200 38-40 1,6-1,8 0,20-0,22 1,5-1,67 57-67 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, (210 550) vysokopevné IF, BH, TRIP, DP, 550 ultravysokopevné TRIP, CP, MS
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 =120 290 MPa KONTINUÁLNÍ ŢÍHACÍ LINKA IF/Al ocel: C=0,016%, R p0,2 =165 MPa, A 80 =47%, r=1,9
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 ~ 30 80 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
PLECHY Z DP OCELÍ (Dual Phase Steels - dvoufázové ocele) Nízkouhlíkové ocele, feritická matrice 70-90 % + oblasti martenzitu 10-35 % (+zbytkový austenit) Vysoká pevnost FERIT Dobrá tvařitelnost Citlivé na teplotu MARTENSIT DP-W Rm=200 600 MPa / t = 1,5 5 mm DP-K Materiál Rp 0,2 [MPa] R m [MPa] A 80 [%] n [-] C max [%] DP-K 270-350 >500 >25 0,16 0,14 DP-K 380-460 >600 >18 0,12 0,14 Si+Al max [%] DP-W 600 330-450 580 24 0,15 0,015 2,0
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= 600 800 MPa BAINIT METASTABILNÍ. AUSTENIT MARTENSIT FERIT Materiál Rp 0,2 [MPa] R m [MPa] A 80 [%] n [-] C max [%] Si+Al max [%] RA-K 38/60 380 600 26 0,20 0,22 2,2 RA-K 42/80 420 800 22 0,18 0,22 2,2
PLECHY Z TWIP OCELÍ (Twinning Induced Plasticity) austenitická matrice,s obsahem (15 aţ 20) % Mn + dolegováno Al, Si. Extrémní hodnoty taţnosti (řádově aţ 80 100% Velmi vysoká pevnost ( Rm> 800 MPa) Typická TWIP ocel maximální deformace dosahováno při určitých technologických podmínkách Nejvýraznější vliv rychlosti deformace Mechanismus plastické deformace dvojčatění
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. 700 880-1050 min.10 0,20 0,18 0,8 MSW1200 min. 900 1200-1450 min 5 0,18 1,0
ZJIŠŤOVÁNÍ MEZNÍCH DEFORMACÍ - PŘETVOŘENÍ
CRASH TESTY TRIP OCELI - T 800 CRASH test při 58km/h CRASH test při 30 km/h
stŧl (beran) lisu DIAGRAMY MEZNÍCH PŘETVOŘENÍ metoda vypínání tvarových přístřihů polokulovým tažníkem Zařízení pro elektrochemické leptání kovů Dílenský mikroskop Vzorky po zkoušce
DIAGRAM MEZNÍCH PŘETVOŘENÍ
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 1 3 2 L 2 poškrábaný povrch velikost mezních deformací j L1,2 1k,2k ln L 0 1... elementy zasažené lokálním ztenčením i trhlinou 2 a 4.. element zasažený lokálním ztenčením 3...nezasažený element reálný lom + deformační síť
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 [-]
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)
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
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
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
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
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 150 200 m lepidla???
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
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
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
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
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
VÝHODY LEPENÝCH SPOJŦ Sníţení hlučnosti karoserie použití protihlukových izolací Díly s protihlukovou izolací Akustické testování vozu v tunelu Aero-akustický zkušební tunel
NEVÝHODY LEPENÝCH SPOJŦ Nízká odolnost proti namáhání v odlupování Malá odolnost proti zvýšení teploty Přechodové teploty
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
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
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
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.
ZKOUŠKY LEPENÝCH SPOJŦ Zkouška pevnosti v odlupu ISO 11 339 Zkouška smykové pevnosti v tahu VW PV 12.35 Dynamická zkouška štípáním rázem ISO 11343