Ich rozwój zimnoformowalnego, miedziowanego austenitycznego odlewu stalowego z właściwościami TRIP/TWIP stanowi kamień milowy w nauce o materiałach i otwiera zupełnie nowe perspektywy dla zastosowań krytycznych dla bezpieczeństwa. Nowa stopa oferuje dotąd niespotykaną kombinację wytrzymałości i plastyczności: jest wysoce obciążalna i jednocześnie może się plastycznie odkształcać.
Sekret efektu TRIP/TWIP
Rdzeń tej innowacji leży w tzw. efekcie TRIP/TWIP, który nadaje nowemu odlewowi stalowemu jego niezwykłe właściwości. TRIP oznacza 'plastyczność indukowaną transformacją', a TWIP 'plastyczność indukowaną bliźniakami'. Te mechanizmy powodują, że mikrostruktura materiału zmienia się pod obciążeniem, co prowadzi do znacznego wzrostu wytrzymałości i plastyczności.
Efekt TRIP: Pod wpływem obciążenia mechanicznego część austenitu, miękkiej i ciągliwej fazy strukturalnej, przekształca się w martenzyt, czyli w twardą i sztywną fazę. Ta przemiana prowadzi do lokalnego utwardzenia materiału i zwiększa jego odporność na pęknięcia.
Efekt TWIP: W austenicie powstają tzw. bliźniaki deformacyjne, które również przyczyniają się do utwardzenia i zwiększenia ciągliwości materiału.
Oba efekty zwiększają wytrzymałość na rozciąganie materiału, a także jego zdolność do pochłaniania energii mechanicznej:
„Dzięki połączeniu tych dwóch efektów wytrzymałość materiału jest znacząco zwiększona, a awaria elementu pod obciążeniem dynamicznym jest opóźniona. Ponadto znacznie poprawiają się zdolności do formowania i pochłaniania energii w przypadku uderzenia”, wyjaśnia Nadine Lehnert, która w Fraunhofer IWU przejęła kierownictwo projektu w badaniach finansowanych przez DFG „Zimnoformowanie odlewów stalowych”.
A to działa w ten sposób: Początkowa forma z rozważanej stopy odlewu stalowego jest przekształcana przez zimnoformowanie w produkt o drobnoziarnistej, przekształconej austenitycznej strukturze. Proces produkcji zaczyna się od gruboziarnej struktury austenitycznej. Element jest najpierw redukowany w matrycy ciśnieniowej pod względem średnicy. To obciążenie mechaniczne prowadzi przez efekt TRIP/TWIP do częściowo martenzytycznej struktury. Następna obróbka cieplna w piecu powoduje redukcję wielkości ziaren (drobnoziarnistość) w elemencie, dzięki przekształceniu martenzytu w austenit.
Pod dużym obciążeniem w elemencie, konkretnie w strukturze austenitu, może dojść do pęknięcia, które jednak nie prowadzi do awarii, lecz jest zatrzymywane przez martenzytowe przekształcenie struktury. Dzięki ponownemu utwardzeniu (martenzyt) wytrzymałość materiału jest nawet zwiększona.
Obszary zastosowań o wysokim potencjale bezpieczeństwa
Unikalne właściwości nowego odlewu stalowego predestynują go do zastosowania w krytycznych dla bezpieczeństwa aplikacjach, w których stawiane są najwyższe wymagania dotyczące wytrzymałości, ciągliwości i niezawodności.
- Budownictwo samochodowe: Śruby, elementy zawieszenia, absorbery uderzeń i struktury nadwozia korzystają z wysokiej zdolności do pochłaniania energii i bezpieczeństwa w przypadku wypadków materiału.
- Lotnictwo i kosmonautyka: Elementy strukturalne i elementy mocujące mogą być projektowane z nowego odlewu stalowego w sposób lżejszy i bardziej odporny.
- Technologia medyczna: Implanty i instrumenty chirurgiczne mogą być optymalizowane dzięki wysokiej biokompatybilności i wytrzymałości materiału.
Budownictwo i infrastruktura: Kotwy górskie i elementy mocujące do mostów i tuneli mogą być zabezpieczone dzięki wysokiej odporności materiału na pęknięcia. Bowiem stopa ujawnia swoje zalety tam, gdzie trwałość materiału ma znaczenie nawet pod ekstremalnymi obciążeniami.
Energooszczędne zimnoformowanie jako kluczowa technologia
Kolejną istotną zaletą nowego odlewu stalowego jest jego przydatność do zimnoformowania. Proces ten umożliwia produkcję elementów w temperaturze pokojowej, eliminując energochłonne procesy, takie jak walcowanie na gorąco. „Łańcuch procesowy zimnoformowania jest znacznie krótszy i bardziej efektywny. Zaczynamy od odlewu, który następnie jest bezpośrednio formowany. Dzięki temu eliminowane są liczne energochłonne kroki, takie jak podgrzewanie, walcowanie i odtlenianie, które są wymagane przy formowaniu na gorąco”, wyjaśnia Lehnert.
Zrównoważony rozwój i opłacalność w centrum uwagi
Oprócz zalet technicznych rozwój nowego odlewu stalowego przyczynia się również do zrównoważonego rozwoju i opłacalności.
Oszczędność zasobów, aspekty zdrowotne: Częściowe zastąpienie niklu miedzią zmniejsza wykorzystanie drogich i rzadkich zasobów oraz zagrożenia zdrowotne przy obróbce.
Oszczędność energii: Zimnoformowanie zużywa znacznie mniej energii niż formowanie na gorąco, co prowadzi do redukcji emisji CO2.
Opłacalność: Uproszczony łańcuch procesowy, mniejsze zużycie materiału i niższe zużycie gazu (zimnoformowanie) obniżają koszty produkcji.
Spojrzenie w przyszłość
Wyniki badań zespołu stanowią podstawę do ukierunkowanego wykorzystania efektu TRIP/TWIP w krytycznych dla bezpieczeństwa zastosowaniach. Przyszłe badania w Fraunhofer IWU skoncentrują się na optymalizacji procesu formowania i celowym dostosowywaniu właściwości materiałów. „Naszym celem jest w pełni wykorzystać potencjał efektu TRIP/TWIP i umożliwić ekonomiczną produkcję wysokowydajnych elementów do różnych zastosowań”, mówi Lehnert.
Zarejestruj się:
