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 DQ DDQ EDDQ EDDQ – S
- plechy běžné kvality (Comercial Quality), - tažné plechy (drawing Quality), - hlubokotažné plechy (Deep Drawing Quality), - zvlášť hlubokotažné plechy (Extra Deep Drawing Quality), - 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
Rp0,2 [MPa]
A80 [%]
r [-]
n [-]
Rm/Rp0,2 [-]
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
IF/Al ocel: C=0,016%, Rp0,2=165 MPa, A80=47%, r=1,9
KONTINUÁLNÍ ŢÍHACÍ LINKA
PLECHY Z IF OCELÍ S BH EFEKTEM BH efekt: Zvýšení Rp0,2 při teplotě vypalování laku. 20 min. T = 170 C
BH Efekt
deformační zpevnění ~ 30 – 80 MPa DC05+BH6
Uhlík
Se zvýšeným obsahem Uhlíku C Niţší obsahy Ti a N zbytek volného C
dislokace 2%
j
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 Dobrá tvařitelnost FERIT Citlivé na teplotu MARTENSIT
Rm=200 ÷ 600 MPa
DP-W
DP-K
/ t = 1,5 ÷ 5 mm
Materiál
Rp0,2 [MPa]
Rm [MPa]
A80 [%]
n [-]
Cmax [%]
DP-K
270-350
>500
>25
0,16
0,14
DP-K
380-460
>600
>18
0,12
0,14
DP-W 600
330-450
580
24
0,15
0,015
Si+Almax [%]
2,0
PLECHY Z OCELÍ S TRANSFORMAČNĚ INDUKOVANOU PLASTICITOU Transformation Induced Plasticity (TRIP ocele)
Nízkouhlíkové ocele, feriticko-bainitická matrice +zbytkový austenit 6-10 %
Dobrá tvařitelnost Transformace na MARTENZIT při deformaci
Vysoká pevnost
Rm= 600÷800 MPa
RA-K
BAINIT
METASTABILNÍ. AUSTENIT
MARTENSIT
FERIT
Materiál
Rp0,2 [MPa]
Rm [MPa]
A80 [%]
n [-]
Cmax [%]
Si+Almax [%]
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 BAINIT
PLECHY Z MS OCELÍ (Martensitic steels – martenzitické ocele)
Čistě martenzitzická struktura
Rm ≥ 1000 MPa / t = 1,5 ÷ 5 mm
MARTENSIT
MARTENSIT
CP-W, MS-W
Materiál
Rp0,2 [MPa]
Rm [MPa]
A80 [%]
n [-]
Cmax [%]
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
DIAGRAMY MEZNÍCH PŘETVOŘENÍ metoda vypínání tvarových přístřihů polokulovým tažníkem
stŧl (beran) lisu
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 mj
mj
j2 j1 definice mezního stavu 1 4 lokální ztenčení
lom
L1 3
L2
velikost mezních deformací
j1k , 2 k ln
L1, 2 L0
1 ... elementy zasažené lokálním ztenčením i trhlinou 2 a 4 .. element zasažený lokálním ztenčením
3 ...nezasažený element
poškrábaný povrch
reálný lom + deformační síť
2
DIAGRAM MEZNÍCH PŘETVOŘENÍ Experimentálně získaná křivka- hlubokotažná ocel DC 05 Rm=290 MPa, A80= 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
j 2 [-]
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
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
cca 5÷10 m lepidla
ČR dnes
cca 150÷200 m lepidla
Budoucnost
???
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
VÝHODY LEPENÝCH SPOJŦ Ochrana proti korozi
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
jemné dotěsnění vrchní lak pozinkovaný plech
lepidlo KTL
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. nelze je oddělovat – samostatně ani jedna vlastnost nesmí být špatná
podle vzájemného poměru adheze a koheze poté vzniká ve spoji lom.
správnými,
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
