Hình thành thép cường độ cao – Thuộc tính và ứng dụng

Do các tiêu chuẩn an toàn cao hơn, ngành công nghiệp ô tô cần các bộ phận nhẹ, độ bền cao và hấp thụ năng lượng cao. Những yêu cầu này dẫn đến sự phát triển của thép cường độ cao (HSS), thép cường độ cao tiên tiến (AHSS) và thép siêu bền (UHSS).

Theo Hiệp hội các khái niệm xe nâng cao (AVC) – UltraLight Steel Auto Body 2001, thép cường độ cao được phân loại là:

1. chống nấm mốc

• Nướng cứng
• Không thể nướng được

2. Giải pháp cường độ cao được tăng cường

3. Độ bền cao, hợp kim thấp (HSLA)

4. Độ bền cao, ủ phục hồi

5. AHSS

• Thép cường độ thấp
• UHSS
• Hợp kim pha hoàn chỉnh (CP)
• Thép Martensitic
• Thép cường độ cao siêu định hình
• Hợp kim hai pha (DP)
• Thép dẻo do biến đổi gây ra (TRIP)
• Thép tăng cường sau định dạng AHSS được chỉ định theo mác thép của nó, chẳng hạn như DP hoặc CP, theo sau là tỷ lệ năng suất trên độ bền kéo (YS / TS). Ví dụ: DP 500/800 biểu thị hợp kim DP có độ bền chảy 500 MPa và độ bền kéo cuối cùng là 800 MPa. Hình 1 so sánh các HSS được khuyến nghị sử dụng trong các cấu trúc cơ thể bởi ULSAB-AVC Consortium.

• 

  Hình 1 so sánh các vật liệu cho cấu trúc thân xe do Hiệp hội các khái niệm xe nâng cao về thân xe bằng thép siêu nhẹ đề xuất năm 2001.

Độ bền cao của HSS có được bằng cách thay đổi thành phần hóa học của nó; hợp kim hóa; hoặc các kỹ thuật xử lý cơ nhiệt đặc biệt như cán nguội, kiểm soát nhiệt độ trong quá trình cán nóng và kiểm soát thời gian / nhiệt độ trong quá trình ủ. Tuy nhiên, các cấp HSS thể hiện khả năng định hình thấp hơn (xem Hình 2 ) so với các cấp thép thông thường, vì vậy cần phải đặc biệt chú ý khi thiết kế các bộ phận và dụng cụ cho chúng.

Đặc điểm AHSS

Hình 3 Các loại thép cường độ cao có cường độ năng suất cao – cao hơn 690 MPa / 100KSI – và độ giãn dài thấp.2

Các cấp HSS phổ biến nhất được sử dụng trong cơ thể ô tô là AHSS, cụ thể là DP và TRIP. Các loại AHSS này thể hiện độ bền năng suất cao — cao hơn 690 MPa / 100 KSI — và độ giãn dài thấp (xem Hình 3 ).

AHSS có thể được phân loại thêm dựa trên khả năng định dạng:

• Thép cường độ thấp

• UHSS

• Thép cường độ cao siêu định hình

• Thép tăng cường sau định dạng

Đặc tính định dạng Thép cường độ cao. Các loại thép này có độ định hình cao hơn so với các HSS tiêu chuẩn. Các loại thép thường được sử dụng thuộc loại này bao gồm hợp kim DP và thép TRIP.

Thép DP. Các cấp này có hệ số làm cứng ban đầu cao (giá trị n), phân phối biến dạng dẻo và cải thiện độ giãn dài đồng đều (xem Hình 3). Hệ số làm cứng này tạo ra độ bền kéo cuối cùng cao hơn so với các loại thép cường độ cao thông thường có cùng cường độ năng suất ban đầu.

Thép DP cũng thể hiện độ đồng đều và độ giãn dài toàn phần cao hơn và tỷ lệ năng suất trên độ bền kéo thấp hơn khi so sánh với HSS. Những đặc điểm này cải thiện khả năng định hình và hiệu suất cấu trúc trong các bộ phận ô tô. Thép DP có hai loại: sản phẩm có tỷ lệ năng suất cao được chỉ định bởi cấp DH và sản phẩm có tỷ lệ năng suất thấp được chỉ định bởi cấp DL.

Thép TRIP . Không giống như thép hợp kim DP, giá trị n ban đầu trong thép TRIP thấp hơn và nó tăng lên và tự duy trì trong khoảng biến dạng cao hơn (xem Hình 3). Điều này mang lại lợi thế cho vật liệu trong các ứng dụng căng máy chủ. Thép TRIP thể hiện khả năng hút sâu tuyệt vời và các thành phần ô tô không thể sản xuất từ ​​thép DP thường được làm từ thép TRIP.

Thép tăng cường sau định dạng. Các HSS này yêu cầu các hoạt động tăng cường sau khi tạo hình, chẳng hạn như gia nhiệt cảm ứng, dập nóng hoặc bằng cách tăng cường khuếch tán, chẳng hạn như thấm cacbon hoặc thấm nitơ bằng cách ngâm muối hoặc xử lý khí.

Hiệu suất kết cấu

Khả năng định hình của AHHS so với HSS thông thường ‘với sức mạnh năng suất tương tự mang lại sự linh hoạt hơn để tối ưu hóa hình dạng bộ phận, giảm trọng lượng và cải thiện sức mạnh. Trong số các tiêu chí hiệu suất thành phần khác ảnh hưởng đến hiệu suất của xe là độ cứng, sức mạnh, độ bền và quản lý năng lượng va chạm.

Độ cứng của thành phần được kiểm soát bởi môđun đàn hồi (E) và hình học của thành phần (bao gồm cả độ dày) của vật liệu. Khả năng định dạng nâng cao của AHSS mang lại sự linh hoạt trong thiết kế được cải thiện, dẫn đến độ cứng của linh kiện cao hơn mà không làm tăng khối lượng hoặc giảm sức mạnh.

Độ bền thành phần là một chức năng của hình dạng và năng suất hoặc độ bền kéo của nó. Sự kết hợp giữa gia công cứng và nung cứng nâng cao sức mạnh của các thành phần AHSS.

Độ mỏi thành phần kết cấu liên quan đến các mối quan hệ phức tạp giữa một số yếu tố, chẳng hạn như hình học, độ dày, tải trọng tác dụng và giới hạn độ bền của vật liệu. Sự kết hợp giữa công việc – và nung cứng làm tăng đáng kể độ bền được sản xuất của các thành phần AHSS, dẫn đến hiệu suất chống mỏi tốt hơn.

Thép có độ nhạy cao với biến dạng trong các điều kiện tải động như va chạm. Khả năng hấp thụ năng lượng cao hơn được cho là do tốc độ gia công cứng cao và ứng suất dòng chảy giúp phân bổ sức căng đồng đều hơn trong khi va chạm. Quá trình làm cứng và nung cứng cải thiện khả năng hấp thụ năng lượng vì thành phần được tạo hình và nung có ứng suất chảy cao hơn so với vật liệu được cán mà từ đó thành phần được sản xuất.