Razvoj hladno oblikovane, bakrovane austenitne jeklene litine s TRIP/TWIP lastnostmi predstavlja mejnik v materialni znanosti in odpira povsem nove perspektive za varnostno kritične aplikacije. Nova zlitina ponuja doslej neprimerljivo kombinacijo trdnosti in duktilnosti: visoko je obremenjena in se kljub temu lahko plastično deformira.
Skrivnost TRIP/TWIP učinka
Jedro te inovacije leži v tako imenovanem TRIP/TWIP učinku, ki novi jekleni litini daje njene izjemne lastnosti. TRIP pomeni 'transformacijsko inducirana plastičnost' in TWIP 'twin-inducirana plastičnost'. Ti mehanizmi povzročajo spremembo mikrostrukture materiala pod obremenitvijo, kar vodi do znatnega povečanja trdnosti in duktilnosti.
TRIP učinek: Pod mehansko obremenitvijo se del austenita, mehke in žilave faze, pretvori v martensit, torej v trdo in trdno fazo. Ta pretvorba vodi do lokalnega strjevanja materiala in povečuje njegovo odpornost proti razpokam.
TWIP učinek: Pri tem se v austenitu oblikujejo tako imenovani deformacijski twin-i, ki prav tako prispevajo k strjevanju in povečanju žilavosti materiala.
Oba učinka povečujeta natezno trdnost materiala oziroma njegovo sposobnost, da sprejme mehansko energijo:
»Z združevanjem teh dveh učinkov se trdnost materiala znatno poveča in odpoved komponent pod dinamično obremenitvijo se zamakne. Poleg tega se znatno izboljšata sposobnost oblikovanja in sposobnost sprejemanja energije v primeru trčenja«, pojasnjuje Nadine Lehnert, ki je prevzela vodenje projekta na Fraunhofer IWU v okviru DFG financiranega raziskovalnega projekta 'Hladno oblikovanje jeklene litine'.
In tako deluje: Začetna oblika iz obravnavane jeklene litine se s hladnim masivnim oblikovanjem preoblikuje v izdelek z drobnozrnato, nazaj preoblikovano austenitno strukturo. Proizvodna pot se začne z grobozrnato austenitno strukturo. Delo se najprej zmanjša v matriki za stiskanje glede na premer. Ta mehanska obremenitev vodi skozi TRIP-/TWIP učinek do delno martensitne strukture. Slednja toplotna obdelava v peči povzroči zmanjšanje velikosti zrn (drobnozrnata) v komponenti, zahvaljujoč nazaj preoblikovanju martensita v austenit.
Pri visoki obremenitvi lahko pride do razpoke v komponenti, natančneje v austenitni strukturi, ki pa ne vodi do odpovedi, temveč se ustavi s martensitno preoblikovanjem strukture. Znova strjevanje (martensit) celo povečuje obremenitveno sposobnost materiala.
Področja uporabe z visokim varnostnim potencialom
Edinstvene lastnosti nove jeklene litine jo predpostavljajo za uporabo v varnostno kritičnih aplikacijah, kjer so postavljene najvišje zahteve glede trdnosti, žilavosti in zanesljivosti.
- Avtomobilska industrija: Vijaki, deli podvozja, absorbirniki trkov in karoserijske strukture imajo koristi od visoke sposobnosti sprejemanja energije in varnosti pri trku materiala.
- Letalstvo in vesoljska industrija: Strukturni deli in pritrdilni elementi lahko postanejo lažji in bolj odporni z novo jekleno litino.
- Medicinska tehnologija: Implantati in kirurška orodja lahko optimiziramo zaradi visoke biokompatibilnosti in trdnosti materiala.
Gradbeništvo in infrastruktura: Gorska sidra in pritrdilni elementi za mostove in predore lahko postanejo varnejši zaradi visoke odpornosti proti razpokam materiala. Zlitina izkorišča svoje prednosti, kjer je pomembna trajnost materiala tudi pod ekstremnimi obremenitvami.
Energijsko učinkovito hladno oblikovanje kot ključna tehnologija
Še ena odločilna prednost nove jeklene litine je primerna za hladno masivno oblikovanje. Ta postopek omogoča proizvodnjo komponent pri sobni temperaturi, kar odpravlja energetsko intenzivne procese, kot je vroče valjanje. »Procesni tok hladnega oblikovanja je bistveno krajši in učinkovitejši. Začnemo z vnaprej ulito komponento, ki se nato neposredno preoblikuje. S tem se izločijo številni energetsko potratni koraki, kot so segrevanje, valjanje in odstranjevanje rje, ki so potrebni pri vročem oblikovanju«, pojasnjuje Lehnert.
Trajnost in ekonomičnost v ospredju
Poleg tehničnih prednosti razvoj nove jeklene litine prispeva tudi k trajnosti in ekonomičnosti.
Varčevanje z viri, zdravstveni vidiki: Delna zamenjava niklja z bakrom zmanjšuje uporabo dragih in redkih virov ter zdravstvene nevarnosti pri predelavi.
Varčevanje z energijo: Hladno oblikovanje porabi bistveno manj energije kot vroče oblikovanje, kar vodi do zmanjšanja emisij CO2.
Ekonomičnost: Poenostavljen procesni tok, manjša poraba materiala in nižja poraba plina (hladno masivno oblikovanje) znižujejo proizvodne stroške.
Pogled v prihodnost
Raziskovalni rezultati ekipe predstavljajo osnovo za ciljno uporabo TRIP/TWIP učinka za varnostno kritične aplikacije. Prihodnje raziskave na Fraunhofer IWU se bodo osredotočile na optimizacijo postopka oblikovanja in ciljno prilagajanje materialnih lastnosti. »Naš cilj je izkoristiti potenciale TRIP/TWIP učinka v celoti in omogočiti ekonomično proizvodnjo visoko zmogljivih komponent za različne aplikacije«, pravi Lehnert.
Prijavite se:
