Razvoj hladno oblikovanog, legiranog austenitnog lijevanog čelika s TRIP/TWIP svojstvima označava prekretnicu u materijalnoj znanosti i otvara potpuno nove perspektive za sigurnosno kritične primjene. Nova legura nudi dosad neviđenu kombinaciju čvrstoće i duktilnosti: visoko je opterećena i može se ipak plastično deformirati.
Tajna TRIP/TWIP efekta
Srž ove inovacije leži u takozvanom TRIP/TWIP efektu, koji novom lijevanom čeliku daje izvanredna svojstva. TRIP označava 'transformacijom induciranu plastiku', a TWIP 'twin-induciranu plastiku'. Ovi mehanizmi uzrokuju promjenu mikrostrukture materijala pod opterećenjem, što dovodi do značajnog povećanja čvrstoće i duktilnosti.
TRIP efekt: Pod mehaničkim opterećenjem, dio austenita, meke i žilave faze, pretvara se u martenzit, tj. u tvrdu i čvrstu fazu. Ova transformacija dovodi do lokalnog učvršćivanja materijala i povećava njegovu otpornost na pukotine.
TWIP efekt: Ovdje se u austenitu formiraju takozvani deformacijski twinningi, koji također doprinose učvršćivanju i povećanju žilavosti materijala.
Oba efekta povećavaju vlačnu čvrstoću materijala, odnosno njegovu sposobnost apsorpcije mehaničke energije:
„Kombinacijom ova dva efekta značajno se povećava čvrstoća materijala i odgađa neuspjeh komponente pod dinamičkim opterećenjem. Osim toga, značajno se poboljšavaju sposobnost oblikovanja i sposobnost apsorpcije energije u slučaju udarca“, objašnjava Nadine Lehnert, koja je preuzela vođenje projekta u DFG-om financiranom istraživačkom projektu „Hladno oblikovanje lijevanog čelika“ na Fraunhofer IWU.
I to funkcionira ovako: Početni oblik iz razmatrane legure lijevanog čelika oblikuje se hladnim oblikovanjem u proizvod s finom, povratno transformiranom austenitnom mikrostrukturom. Proizvodni put počinje s grubom austenitnom strukturom. Radni komad se prvo smanjuje u promjeru u matrici za prešanje. Ovo mehaničko opterećenje dovodi do djelomične martenzitne mikrostrukture putem TRIP/TWIP efekta. Naknadna toplinska obrada u peći dovodi do smanjenja veličine zrna (finog zrna) u komponenti, zahvaljujući povratnoj transformaciji martenzita u austenit.
Pod visokim opterećenjem može doći do početnog pucanja u komponenti, konkretno u austenitnoj strukturi, koje ipak ne dovodi do kvara, već se zaustavlja martenzitnom transformacijom strukture. Ponovnim učvršćivanjem (martenzit) povećava se nosivost materijala.
Područja primjene s visokim sigurnosnim potencijalom
Jedinstvena svojstva novog lijevanog čelika predodređuju ga za upotrebu u sigurnosno kritičnim aplikacijama, gdje se postavljaju najviši zahtjevi za čvrstoću, žilavost i pouzdanost.
- Automobilska industrija: Vijke, dijelovi ovjesa, apsorberi sudara i strukture karoserije imaju koristi od visoke apsorpcije energije i sigurnosti pri sudaru materijala.
- Zrakoplovstvo i svemir: Strukturni dijelovi i pričvrsni elementi mogu se lakše i otpornije oblikovati pomoću novog lijevanog čelika.
- Medicinska tehnologija: Implantati i kirurški instrumenti mogu se optimizirati visokom biokompatibilnošću i čvrstoćom materijala.
Građevinarstvo i infrastruktura: Planinska sidra i pričvrsni elementi za mostove i tunele mogu se učiniti sigurnijima visokom otpornošću materijala na pukotine. Jer legura pokazuje svoje prednosti gdje je trajnost materijala važna čak i pod ekstremnim opterećenjima.
Energetski učinkovito hladno oblikovanje kao ključna tehnologija
Još jedna ključna prednost novog lijevanog čelika je pogodnost za hladno oblikovanje. Ovaj postupak omogućava proizvodnju komponenti na sobnoj temperaturi, čime se eliminiraju energetski intenzivni procesi poput toplog valjanja. „Procesni lanac hladnog oblikovanja je znatno kraći i učinkovitiji. Počinjemo s unaprijed lijevanim radnim komadom koji se zatim izravno oblikuje. Time se eliminiraju brojni energetski zahtjevni koraci poput zagrijavanja, valjanja i uklanjanja hrđe koji su potrebni za toplo oblikovanje“, objašnjava Lehnert.
Održivost i ekonomičnost u fokusu
Osim tehničkih prednosti, razvoj novog lijevanog čelika također doprinosi održivosti i ekonomičnosti.
Štednja resursa, zdravstveni aspekti: Djelomična zamjena nikla bakrom smanjuje upotrebu skupih i rijetkih resursa, kao i zdravstvene opasnosti pri obradi.
Ušteda energije: Hladno oblikovanje troši znatno manje energije od toplog oblikovanja, što dovodi do smanjenja emisije CO2.
Troškovna učinkovitost: P pojednostavljeni procesni lanac, manja potrošnja materijala i niža potrošnja plina (hladno oblikovanje) smanjuju troškove proizvodnje.
Pogled u budućnost
Istraživački rezultati tima čine osnovu za ciljanju korištenje TRIP/TWIP efekta za sigurnosno kritične primjene. Buduća istraživanja na Fraunhofer IWU usredotočit će se na optimizaciju procesa oblikovanja i ciljanje podešavanja svojstava materijala. „Naš cilj je u potpunosti iskoristiti potencijale TRIP/TWIP efekta i omogućiti ekonomsku proizvodnju visokoučinkovitih komponenti za razne primjene“, kaže Lehnert.
Prijavite se:
