Dezvoltarea unui oțel turnat austenitic, legat de cupru, care poate fi format la rece, cu proprietăți TRIP/TWIP marchează un punct de cotitură în știința materialelor și deschide perspective complet noi pentru aplicații critice pentru siguranță. Noul aliaj oferă o combinație fără precedent de rezistență și ductilitate: este foarte rezistent și se poate deforma plastic.
Secretul efectului TRIP/TWIP
Nucleul acestei inovații constă în așa-numitul efect TRIP/TWIP, care conferă noului oțel turnat proprietăți extraordinare. TRIP înseamnă „Plasticitate indusă prin transformare” și TWIP înseamnă „Plasticitate indusă prin twin”. Aceste mecanisme determină modificarea microstructurii materialului sub sarcină, ceea ce duce la o creștere semnificativă a rezistenței și ductilității.
Efectul TRIP: Sub solicitare mecanică, o parte din austenit, o fază de structură moale și ductilă, se transformă în martensit, adică într-o fază dură și solidă. Această transformare duce la o întărire locală a materialului și crește rezistența sa la fisuri.
Efectul TWIP: Aici, în austenit se formează așa-numitele twin-uri de deformare, care contribuie de asemenea la întărirea și creșterea tenacității materialului.
Ambele efecte cresc rezistența la tracțiune a materialului, respectiv capacitatea sa de a absorbi energie mecanică:
„Prin combinarea acestor două efecte, rezistența materialului este semnificativ crescută și eșecul componentelor sub sarcină dinamică este întârziat. În plus, capacitatea de formare și capacitatea de absorbție a energiei în cazul unei coliziuni se îmbunătățesc considerabil”, explică Nadine Lehnert, care a preluat conducerea proiectului la Fraunhofer IWU în cadrul cercetării finanțate de DFG „Formarea la rece a oțelului turnat”.
Și iată cum funcționează: Forma inițială din aliajul de oțel turnat analizat este transformată prin formarea la rece a masivului într-un produs cu o structură austenitică de granulație fină, reîntoarsă. Ruta de fabricație începe cu o structură austenitică de granulație grosieră. Partea de lucru este mai întâi redusă în diametru într-o matriță de presare. Această solicitare mecanică duce, prin efectul TRIP/TWIP, la o structură parțial martensitică. Tratamentul termic ulterior în cuptor determină o reducere a dimensiunii granulelor (granulație fină) în componentă, datorită reîntoarcerii martensitului în austenit.
Sub sarcini mari, în componentă, în special în structura austenitică, poate apărea o fisură inițială, care însă nu duce la eșec, ci este oprită printr-o transformare martensitică a structurii. Prin reîntărirea (martensit) capacitatea de încărcare a materialului este chiar crescută.
Domenii de aplicare cu un potențial ridicat de siguranță
Proprietățile unice ale noului oțel turnat îl predestinează pentru utilizarea în aplicații critice pentru siguranță, în care se impun cerințe ridicate de rezistență, tenacitate și fiabilitate.
- Industria auto: Șuruburile, componentele de suspensie, amortizoarele de coliziune și structurile caroseriei beneficiază de capacitatea mare de absorbție a energiei și de siguranța la coliziune a materialului.
- Aero și spațiu: Componentele structurale și elementele de fixare pot fi proiectate mai ușor și mai rezistente datorită noului oțel turnat.
- Tehnologia medicală: Implanturile și instrumentele chirurgicale pot fi optimizate datorită biocompatibilității ridicate și a rezistenței materialului.
Construcții și infrastructură: Ancorele montane și elementele de fixare pentru poduri și tuneluri pot fi făcute mai sigure datorită rezistenței ridicate la fisuri a materialului. Deoarece aliajul își valorifică avantajele acolo unde durabilitatea materialului este esențială, chiar și sub sarcini extreme.
Formarea la rece eficientă din punct de vedere energetic ca tehnologie cheie
Un alt avantaj decisiv al noului oțel turnat este adecvarea sa pentru formarea la rece a masivului. Acest proces permite fabricarea componentelor la temperatura camerei, eliminând astfel procesele energetice intensive, cum ar fi laminarea la cald. „Lanțul de procese al formării la rece este semnificativ mai scurt și mai eficient. Începem cu o piesă turnată, care este apoi direct formată. Astfel, se elimină numeroase etape consumatoare de energie, cum ar fi încălzirea, laminarea și decaparea, care sunt necesare în formarea la cald”, explică Lehnert.
Sustenabilitate și rentabilitate în centrul atenției
Pe lângă avantajele tehnice, dezvoltarea noului oțel turnat contribuie și la sustenabilitate și rentabilitate.
Conservarea resurselor, aspecte de sănătate: Înlocuirea parțială a nichelului cu cupru reduce utilizarea resurselor scumpe și rare, precum și riscurile pentru sănătate în timpul procesării.
Economisirea energiei: Formarea la rece consumă semnificativ mai puțină energie decât formarea la cald, ceea ce duce la o reducere a emisiilor de CO2.
Eficiență economică: Lanțul de procese simplificat, utilizarea redusă a materialului și consumul mai mic de gaz (formare la rece a masivului) reduc costurile de producție.
O privire în viitor
Rezultatele cercetării echipei constituie baza pentru o utilizare țintită a efectului TRIP/TWIP pentru aplicații critice pentru siguranță. Lucrările de cercetare viitoare la Fraunhofer IWU se vor concentra pe optimizarea procesului de formare și ajustarea țintită a proprietăților materialului. „Scopul nostru este să valorificăm pe deplin potențialele efectului TRIP/TWIP și să permitem fabricarea economică a componentelor de înaltă performanță pentru o varietate de aplicații”, spune Lehnert.
Înscriere:
