Jejich vývoj studeně tvarovatelné, měděné austenitické litiny s TRIP/TWIP vlastnostmi představuje milník v materiálových vědách a otevírá zcela nové perspektivy pro bezpečnostně kritické aplikace. Nová slitina nabízí dosud bezprecedentní kombinaci pevnosti a tažnosti: je vysoce zatížitelná a přesto se může plasticky deformovat.
Tajemství TRIP/TWIP efektu
Jádro této inovace spočívá v tzv. TRIP/TWIP efektu, který nové litině propůjčuje její výjimečné vlastnosti. TRIP znamená 'transformací indukovaná plasticita' a TWIP 'twin-induced plasticity'. Tyto mechanismy způsobují, že se mikrostruktura materiálu pod zatížením mění, což vede k výraznému zvýšení pevnosti a tažnosti.
TRIP efekt: Pod mechanickým zatížením se část austenitu, měkké a houževnaté fáze struktury, mění na martensit, tedy na tvrdou a pevnou fázi. Tato přeměna vede k místnímu zpevnění materiálu a zvyšuje jeho odolnost proti prasklinám.
TWIP efekt: Zde se v austenitu vytvářejí tzv. deformační dvojčata, která rovněž přispívají k zpevnění a zvýšení houževnatosti materiálu.
Oba efekty zvyšují tažnou pevnost materiálu, resp. jeho schopnost absorbovat mechanickou energii:
„Kombinací těchto dvou efektů se pevnost materiálu výrazně zvyšuje a selhání součásti pod dynamickým zatížením se oddaluje. Navíc se výrazně zlepšují tvářecí schopnosti a schopnost absorbovat energii v případě nárazu,“ vysvětluje Nadine Lehnert, která na Fraunhofer IWU převzala vedení projektu v DFG podporovaném výzkumném projektu „Studené tvarování litiny“. 
A takto to funguje: Počáteční forma z posuzované slitiny litiny je studeným masivním tvarováním převedena na produkt s jemnozrnnou, zpětně přeměněnou austenitickou strukturou. Výrobní cesta začíná s hrubozrnnou austenitickou strukturou. Prvně se díl zmenšuje v matrici pro lisování s ohledem na průměr. Toto mechanické zatížení vede díky TRIP-/TWIP efektu k částečně martensitní struktuře. Následné tepelné zpracování v peci způsobuje zmenšení velikosti zrn (jemnozrnná struktura) v dílu, díky zpětné přeměně martensitu na austenit.
Při vysokém zatížení může v dílu, konkrétně v austenitické struktuře, dojít k počátečnímu prasknutí, které však nevede k selhání, ale je zastaveno martensitní přeměnou struktury. Opětovným zpevněním (martensit) se dokonce zvyšuje zatížitelnost materiálu.
Oblasti použití s vysokým bezpečnostním potenciálem
Jedinečné vlastnosti nové litiny ji předurčují k použití v bezpečnostně kritických aplikacích, kde jsou kladeny nejvyšší požadavky na pevnost, houževnatost a spolehlivost.
- Automobilový průmysl: Šrouby, součásti podvozku, nárazníky a karosářské struktury těží z vysoké schopnosti absorbovat energii a bezpečnosti při nárazu materiálu.
- Letecký a kosmický průmysl: Strukturní součásti a upevňovací prvky mohou být díky nové litině navrženy lehčeji a odolněji.
- Zdravotnická technika: Implantáty a chirurgické nástroje mohou být optimalizovány díky vysoké biokompatibilitě a pevnosti materiálu.
Stavebnictví a infrastruktura: Horská kotva a upevňovací prvky pro mosty a tunely mohou být díky vysoké odolnosti proti prasklinám materiálu zajištěny bezpečněji. Protože slitina projevuje své výhody tam, kde záleží na trvanlivosti materiálu i při extrémních zatíženích.
Energeticky efektivní studené tvarování jako klíčová technologie
Další rozhodující výhodou nové litiny je vhodnost pro studené masivní tvarování. Tento proces umožňuje výrobu dílů při pokojové teplotě, čímž se eliminují energeticky náročné procesy, jako je tepelné válcování. „Procesní řetězec studeného tvarování je výrazně kratší a efektivnější. Začínáme s předlitým dílem, který je pak přímo tvarován. Tím se vynechává řada energeticky náročných kroků, jako je ohřev, válcování a odrezování, které jsou nezbytné při teplém tvarování,“ vysvětluje Lehnert.
Udržitelnost a hospodárnost v centru pozornosti
Kromě technických výhod přispívá vývoj nové litiny také k udržitelnosti a hospodárnosti.
Úspora zdrojů, zdravotní aspekty: Částečná náhrada niklu mědí snižuje použití drahých a vzácných zdrojů a zdravotní rizika při zpracování.
Úspora energie: Studené tvarování spotřebovává výrazně méně energie než teplé tvarování, což vede ke snížení emisí CO2.
Nákladová efektivita: Zjednodušený procesní řetězec, nižší spotřeba materiálu a nižší spotřeba plynu (studené masivní tvarování) snižují výrobní náklady.
Pohled do budoucnosti
Výzkumné výsledky týmu tvoří základ pro cílené využití TRIP/TWIP efektu pro bezpečnostně kritické aplikace. Budoucí výzkum na Fraunhofer IWU se zaměří na optimalizaci tvarovacího procesu a cílené nastavení materiálových vlastností. „Naším cílem je plně využít potenciál TRIP/TWIP efektu a umožnit ekonomickou výrobu vysoce výkonných dílů pro širokou škálu aplikací,“ říká Lehnert.
Přihlásit se:
