Formbarhetstester som gör att du kan dra full nytta av starkare fordonsstål

I takt med att ultrahöghållfast stål (UHSS) blir allt vanligare i fordonstillämpningar kommer krocksäkerheten att förbättras, komponenternas vikt att sjunka och många fordonstillverkare att dra nytta av det. Andra kommer inte att göra det. Vissa tillverkare utnyttjar inte den fulla potentialen hos ultrahöghållfast stål av en specifik orsak: dåliga förlängningsvärden vid dragprovning. Detta är en vanlig missuppfattning. Det finns mer exakta sätt att mäta formbarheten hos ultrahöghållfasta stål och de visar att det är möjligt att forma stålet till komplexa former på ett tillförlitligt sätt.

Problemet med dragprovning

Ultrahöghållfast stål är ett etablerat material inom fordonsindustrin och används ofta i utvalda förstärkningar av karosskonstruktioner, stötfångarförstärkningar, dörrkrockbalkar samt sätesramar och mekanismer.

Ultrahöghållfast stål bidrar till att bilar uppnår femstjärniga krockbetyg och minskar komponenternas vikt med upp till 40 procent. Det gör också att biltillverkare kan minska kostnaderna och effektivisera produktionen, samtidigt som de utvecklar mer innovativa komponentkonstruktioner som är mer konkurrenskraftiga på marknaden.

Trots fördelarna väljer många biltillverkare fortfarande mjukare stålsorter och går därmed miste om en konkurrensfördel. Anledningen är att de enbart förlitar sig på förlängningsresultaten från dragprov när de studerar formbarheten.

”Dragprovet är det vanligaste testet”, förklarar dr Lars Troive, SSAB Senior Forming Specialist. ”Tanken är att dra isär provstycket tills det går sönder. Sedan mäter man hur mycket det har ökat i längd. Detta betraktas som dess förlängning. Om provstycket till exempel mäter 80 millimeter och sedan blir 88 millimeter innan det brister, motsvarar detta en förlängning på 10 procent.”

Han fortsätter: ”Även om dragprovet länge har varit den vanliga metoden att bedöma formbarhet hos stål, avspeglas inte egenskaperna hos moderna, starkare stålsorter korrekt med denna metod. Det beror på att dessa starkare stål beter sig annorlunda och har mer lokal plastisk deformation jämfört med konventionella, mjukare stålsorter.”

Ett mer exakt sätt att förutsäga beteendet hos ultrahöghållfast stål är att skapa en formgränskurva (FGK), även kallad formgränsdiagram. En enda FGK ger en grafisk beskrivning av flera olika materialprov som utförts, dvs. prov med halvsfärisk stämpel med olika provkroppsgeometrier. Varje provstycke (dvs. stålämne) har ett unikt bredd-längdförhållande som resulterar i olika deformationslägen tills brott inträffar. De deformeras på olika sätt, med olika töjningsriktningar.

Innan ett FGK-prov utförs vitmålas varje prov först och täcks sedan av svarta punkter som slumpmässigt fördelas genom sprutmålning i ett ”speckelmönster”. Den vita basfärgen appliceras för att få en bra kontrast till det svarta mönstret.

Under testerna fotograferas specklemönstret av två kameror som är inbyggda i pressen. Kamerorna registrerar rörelserna i varje punkt under hela formningsprocessen, vilket gör att töjningsvägen kan uppskattas tills brott uppstår. När du utför testet med halvsfärisk stämpel på var och en av de olika ämnenas geometrier får du två värden för varje test: minsta och största huvudtöjningen. FGK ritas sedan upp i ett X/Y-diagram, med en linje som ansluter alla de uppmätta töjningsvärdena. Kurvan representerar den formningsgräns vid vilken stålet löper hög risk för sprickbildning.

random dot speckle pattern
major and minor strains plotted onto a forming limit diagram

Bild 1: det slumpmässiga punktmönstret/specklemönstret (vänster bild) och de större och mindre töjningarna inprickade i ett formgränsdiagram (FGK; höger bild).

Med andra ord avgör formbarhetstestet hur långt man kan gå vid formningen innan stålet spricker, beroende på töjningstillståndet och åt vilket håll materialet deformeras.

De dragpressade kopparna i bild 2 är ett bevis på att ultrahöghållfast stål kan formas långt utöver vad förlängningsvärdena säger.

drawn cups made from a range of very soft to ultra-high strength steels

Bild 2: dragpressade koppar„ av olika stålsorter, från mycket mjuka till ultrahöghållfasta, t.ex. 1400M med en brottgräns på 1400 MPa.

Mer exakta provresultat vid UHSS-formning

”Visuellt formas ett tunt provstycke vid FGK-provning nästan på samma sätt som ett provstycke vid dragprovning”, säger Lars Troive. "Det blir smalare i mitten när det dras ut, precis som provstycket vid dragprovning. Detta kallas ”enaxlig deformation”. Så varför skiljer sig resultatet av förlängningsprovet från resultatet av FGK-provet?”

”Vi kan göra ett enkelt test där vi applicerar ett 2 x 2 mm rutmönster på ett dragprovstycke, som mäts efter brott”, fortsätter Lars Troive. ”Det som sker på en sträcka av 2 millimeter är procentuellt mycket större än det som sker på en sträcka av 80 millimeter – måttet som används vid dragprov, där den totala förlängningen i millimeter divideras med 80 millimeter, vilket ger den genomsnittliga förlängningen längs denna sträcka.”

Local strain over 2 millimeters

Bild 3: en lokal töjning på exempelvis 20 % över 2 millimeter (rutnätet) är mycket större i procenttermer än vad som blir fallet om samma UHSS testas över en bredd på 80 millimeter, vilket är det normala vid dragprov.

Detta förklarar varför de två testerna (dragprov och FGK-prov) ger så stor skillnad i provresultatet, vilket leder till väldigt olika slutsatser om hur mycket man kan forma UHSS.

 

Tolkning av FGK

Eftersom en FGK ger de mest exakta uppgifterna om hur ett visst sorts ultrahöghållfast stål kan formas är det avgörande att förstå hur resultaten ska tolkas.

Idag används ofta finita element-simuleringar (FE) av formningsprocessen inom fordonsindustrin. Baserat på detta är FGK ett mycket viktigt verktyg eftersom det kan visa om beräknade töjningar ligger inom det säkra formningsområdet – eller ligger nära sprickbildning.

FGK kan delas in i tre delar:

  • Likformig töjning (sträckpressning) till höger.
  • Plan töjning i mitten.
  • Ren skjuvning (dragpressning) till vänster.

Lars Troive förklarar: "FGK-diagrammet försöker ge en grafisk beskrivning av ett antal materialtester med olika töjningsvägar. I princip anses området under formgränskurvan vara säker för formningsoperationer. Det är normalt att sänka kurvan något för att få en marginal för eventuell spridning på grund av små variationer i pressprocessen eller materialegenskaperna. FGKer används ofta som brottvillkor för formningssimuleringar eller töjningsmätningar.”

”Det finns dock några fall där FGK inte kan förutsäga brott. Ett av dem är skurna kanter. Skurna kanters duktilitet beror till stor del på hur ämnet skurits. Användes till exempel rätt klippspalt? Var verktygen vassa? Och så vidare. I det fallet förlitar vi oss istället på ett praktiskt test och jämför resultaten med töjningsnivån på kanten”, säger Troive. (Mer information finns i Docol® webbinariet ”Problemlösningsmetoder för AHSS-kantduktilitet.”)

Olika typer av former och formning tvingar materialet att deformeras på olika sätt. I allmänhet är det värsta scenariot när en del formas vid helt plant töjningstillstånd. Enkel bockning är ett exempel på denna typ av formning, som resulterar i den kortaste töjningsvägen till brott. Ibland är det möjligt att ändra en töjningsväg. Ett sätt kan vara så enkelt som att optimera ämnets geometri för att förhindra att materialet fastnar, så att materialet dras istället för att sträckas.

 

Jämförelse av resultat från dragprovning och FGK-provning

Historiskt har biltillverkarna arbetat mycket med mjukare stål och resultaten av dragprov och FGK-prov var då ganska likartade. Men dragprovet var – historiskt sett – mer etablerat och därmed mer utbrett. Risken med att bara använda dragprovning är att man går miste om möjligheter att utnyttja starkare stål. Lars Troive förklarar:

”Om man bara tittar på dragprovsdata kan man uppleva att allt är omöjligt. Tittar man istället på formbarheten talar vi om en nästan 100-procentig ökning, till exempel från 10 till 20 över det faktiska område som är involverat i formningsprocessen. För en fordonstillämpning uppstår en mängd möjligheter genom att titta på formgränskurvan istället för enbart förlängningen.”


A80 tensile pull test (white squares) and FLD test 2 mm (gray squares) (results in %).

Bild 4: 80 dragprov (vita kvadrater) och FGK-prov 2 mm (grå kvadrater) (resultat i %).

Vid plottning av både förlängningsvärden från ett draghållfasthetsprov och resultat från ett formningsprov är skillnaden uppenbar när stålets hållfasthet ökar.

 

Verkliga bevis på UHSS formbarhet

Många biltillverkare förlitar sig redan på FGK-data när de väljer material. Därför finns det redan bevis för att ultrahöghållfast stål med extremt hög brottgräns kan formas till fordonstillämpningar.

Exempelvis har Shape Corp. skapat lättare, starkare och mer utrymmeseffektiva takrelingar och A-stolpar med 3D-rullformat 1700 MPa martensitiskt Docol® stål. Dessa kompaktare konstruktioner ökar kupéutrymmet och förbättrar förarens sikt samtidigt som krockkuddarnas placering optimeras i Ford Explorer och Escape 2020.

Ytterligare fördelar med att använda stål med högre hållfasthet

Utöver högre krockprestanda och viktminskning kan ett optimerat val av ultrahöghållfast stål ge biltillverkarna andra värdefulla fördelar:

  1. Mindre materialåtgång: Den unika hållfastheten och de tekniska egenskaperna hos ultrahöghållfast stål gör att biltillverkare kan minska mängden material som behövs för att tillverka en viss komponent genom att använda komponenter med tunnare väggar.
  2. Mindre kostsamma material: Ultrahöghållfasta stål kan vara mycket mer kostnadseffektiva än andra höghållfasta lättviktsmaterial, baserat på både materialkostnader och formningskostnader.
  3. Mindre kostsamt att forma: Även om du kan behöva investera i starkare verktygskomponenter än för mjukare stål formas UHSS oftast med hjälp av konventionell produktionsutrustning, vilket gör att du kan utnyttja maskiner som du redan äger.
  4. Snabbare formning, lägre energiförbrukning: Du kan eventuellt ersätta varmpressat borstål med kallformat AHSS. Du sparar pengar genom att inte behöva komplicerade pressverktyg (som också kräver mycket energi för uppvärmning och kylning), samtidigt som du minskar produktionstiden.
  5. Svetsbarhet: Många ultrahöghållfasta stål kan svetsas med vanliga svetsprocesser tack vare sin låglegerade kemiska sammansättning.

 

Maximera designmöjligheterna för dina fordonsdelar

När man väljer ultrahöghållfast stål för fordonskomponenter är innovationsmöjligheterna stora. Men att enbart förlita sig på förlängningsdata från dragprov för bedömning av formbarheten leder till att man väljer mjukare stål och går miste om möjligheter till förbättringar. Titta istället på formgränskurvan för att säkerställa att du får ut det mesta möjliga av ditt val av ultrahöghållfast stål.

Vill du att SSABs experter hjälper dig att avgöra om ett specifikt UHSS-stål är tillräckligt formbart för din fordonstillämpning? Kontakta din lokala Docol® representant.

5