CONCEPTE MODERNE PRIVIND OȚELURILE PENTRU STRUCTURA … · 2021. 5. 25. · Concepte moderne...

TEZ DE DOCTORAT REZUMAT
CONCEPTE MODERNE PRIVIND OELURILE
AUTOVEHICULELOR RUTIERE
Coductori de doctorat:
Universitatea Politehnica din Bucureti
Universitatea Tehnic ,,Gh. Asachi” din Iai
Refereni tiinifici Prof. dr. ing. Petric VIZUREANU
Universitatea Tehnic ,,Gh. Asachi” din Iai
Prof. dr. ing. Aurel CRIAN
Universitatea TRANSILVANIA din Braov
2
Cuprins
List de Tabele ............................................................................................................................. 9
List de Figuri ............................................................................................................................. 10
Cap 1. STADIUL ACTUAL AL CUNOATERII ÎN DOMENIUL OELURILOR UTILIZATE LA CONSTRUCIA
STRUCTURII DE REZISTEN A AUTOMOBILELOR ......................................................................... 13
1.1. Oeluri utilizate la structura de rezisten a autovehiculelor .................................................. 13
1.2. Clasificarea oelurilor utilizate la fabricarea autovehiculelor ................................................. 16
1.2.1. Oeluri cu deformabilitate ridicat ....................................................................................... 16
1.2.2. Oeluri IF de înalt rezisten ............................................................................................... 16
1.2.3. Oeluri avansate de înalt rezisten – AHSS ........................................................................ 18
1.2.4. Oeluri martensitice .............................................................................................................. 20
2.1. Aspecte generale ale transformrii martensitice.......................................................................... 24
2.3. Performana mecanic a oelurilor TRIP ..................................................................................... 27
2.3.1. Rezistena la impact .................................................................................................................. 28
2.3.2. Rezistena la oboseal ......................................................................................................... 29
2.4. Proprieti speciale...................................................................................................................... 29
2.4.3. Factorii care afecteaz performana .................................................................................... 30
2.5. Tratamente termice de formare a oelurilor TRIP ....................................................................... 32
2.6. Teste mecanice pentru caracterizarea oelurilor TRIP .................................................................... 34
2.7. Rezultate ale testelor mecanice documentate în literatura de specialitate ................................... 39
2.7.1 Exemplul 1 (CMnAl-TRIP) ...................................................................................................... 39
2.7.2 Exemplul 2 (oel Fe-Mn – Al – C laminat la cald) .................................................................. 43
2.7.3 Exemplul 3 (Oeluri de mare rezisten Fe - Mn - (Al, Si) TRIP / TWIP) ................................. 45
2.8 Concluzii ...................................................................................................................................... 46
Cap. 3. METODOLOGIA CERCETRILOR I TEHNICI DE ANALIZ FOLOSITE PENTRU REALIZAREA
OBIECTIVELOR ............................................................................................................................ 47
3.2. Metodologia cercetrilor ............................................................................................................. 47
3.3. Cercetrile experimentale ........................................................................................................... 49
4
3.5. Elaborarea oelurilor TRIP pentru cercetarile experimentale ...................................................... 50
3.6. Tehnici de analiz utilizate pentru realizarea obiectivelor .......................................................... 50
3.6.1. Analiza compoziiei chimice ................................................................................................. 50
3.6.2. . Analiza metalografic prin microscopie optic .................................................................. 51
3.6.3. . Analiza duritii .................................................................................................................. 51
3.6.4. Analiza prin microscopie electronic de baleiaj (SEM) i spectroscopie de raze X prin
dispersie de energie (EDX) ............................................................................................................. 52
3.6.5. Analiza structural prin difracie de raze X (XRD) ................................................................ 52
3.6.6. Maina de testare la impact ................................................................................................ 52
Cap. 4. ELABORAREA OELURILOR TRIP ÎN CUPTORUL CU INDUCIE ÎN VID I ATMOSFER
CONTROLAT ............................................................................................................................. 53
4.2. Alegerea compoziiilor aliajelor i a materiilor prime utilizate la elaborare ............................... 56
4.3. Elaborarea oelurilor TRIP ............................................................................................................... 57
4.4. Analiza metalografic prin microscopie optic dup turnare a oelurilor elaborate .................... 60
4.5. Incercari de duritate dupa turnarea oelurilor TRIP .................................................................... 65
4.6. Laminarea i normalizarea oelurilor TRIP elaborate ................................................................ 66
4.7. Analiza metalografic prin microscopie optic a probelor laminate i normalizate .................... 70
4.8. Încercri la duritate pe oelurile TRIP laminate i normalizate ................................................... 75
4.9. Concluzii..................................................................................................................................... 77
Cap. 5. CERCETRI PRIVIND TRATAMENTUL TERMIC AL OELURILOR TRIP REALIZATE ÎN VEDEREA
FORMRII AUSTENITEI REZIDUALE NECESARE REALIZRII EFECTULUI TRIP .................................... 78
5.1. Tratamentul termic al oelurilor TRIP realizate .......................................................................... 78
5.2. Investigarea structurii prin micoscopie optic dup tratamentul termic neconvenional ............. 80
5.3. Investigarea structurii prin Microscopie Electronic de Baleiaj (SEM) dup tratamentul termic
neconvenional ................................................................................................................................... 86
5.5. Determinarea coninutului de austenit reziduala prin metoda difraciei de raze X .................... 91
5.6. Concluzii..................................................................................................................................... 96
Cap. 6. CERCETRI ASUPRA COMPORTRII LA IMPACT A OELURILOR TRIP EXPERIMENTATE ........ 97
6.1. Consideraii teoretice .................................................................................................................. 97
6.3 Metodic experimental ............................................................................................................... 98
6.3.2 Analiza cantitativ a austenitei reziduale ............................................................................. 99
6.3.3 Analiza structural prin microscopie electronic ..............................................................101
Concepte moderne privind oelurile pentru structura de rezisten a autovehiculelor rutiere
5
6.4.2 Mecanismul efectului TRIP ................................................................................................106
6.5 Evaluarea efectului TRIP .........................................................................................................114
7.1 Concluzii Generale ...................................................................................................................119
7.2 Contribuii originale .................................................................................................................125
Bibliografie ............................................................................................................................. 128 ANEXE 140
6
Cuvânt înainte
Autorul dorete s mulumeasc pe aceasta cale tuturor acelora care au contribuit în mod
deosebit la finalizarea tezei de doctorat.
Profund recunotin i mulumiri domnilor profesori universitari Cristian Predescu i
Constantin Baciu, conductorii tiinifici, pentru îndrumarea pe parcursul derulrii cercetrilor,
fiind permanent alturi cu propuneri i indicaii în fundamentarea teoretic i experimental a
tezei precum i la elaborarea final a acesteia.
În mod deosebit a dori s adresez mulumiri referenilor oficiali: domnului Prof. dr. ing.
Petric Vizureanu, domnului Prof. dr. ing. Aurel Crian, domnului Conf. dr. ing. Sorin Ciuc
pentru onoarea de a accepta s evalueze prezenta tez de doctorat i domnului Prof. dr. ing.
Iulian Vasile Antoniac pentru onoarea c a acceptat calitatea de preedinte al comisiei de
evaluare.
Mulumiri deosebite pentru sfaturile primite i pentru încrederea i sprijinul acordat în
finalizarea i susinerea tezei de doctorat, domnului confereniar universitar Sorin Ciuc.
Mulumiri domnului conf. Ctlin Ducu de la Centrul Regional de Cercetare-Dezvoltare pentru
Materiale, Produse i Procese Inovatoare destinate Industriei de Automobile din cadrul
Universitii din Piteti.
Mirela Sohaciu, profesor Ecaterina Matei, conf. Andra Predescu, ef lucrri Andrei Berbecaru,
ef lucrri George Coman, asistent Claudia Tarcea, ACS Ctlin Grdinaru i tuturor celorlali
colegi de al cror ajutor m-am bucurat pe parcursul realizrii tezei de doctorat.
Mulumiri tuturor cadrelor didactice din Departamentul PMME, întregului personal
tehnic de la Centrul ECOMET, colegilor doctoranzi, prietenilor care m-au încurajat i susinut.
Nu în ultimul rând, calde mulumiri familiei care a fost alturi de mine pe toat perioada
elaborrii lucrrii.
7
INTRODUCERE
de doi factori majori: eficiena consumului de combustibil i sporirea siguranei habitaclului în
caz de accident.
Eficiena consumului de combustibilului este dependent în principal de greutatea
pieselor de oel, care, la rândul lor, sunt dictate de ecartament i de design.
Sigurana este determinat de capacitatea de absorbie a energiei în elementele de oel
din structura de rezistenta a autovehiculului, elemente care se deformeaz în timpul impactului
la accident.
convenionale utilizate pentru fabricarea pieselor auto. Oelurile uor deformabile sunt, în
general, oeluri cu coninut sczut de carbon, complet sau parial stabilizate prin elemente de
aliere cum ar fi Ti sau Nb.
Cerinele stricte stabilite de industria auto pentru sigurana pasiv, reducerea greutii
i economisirea de energie, au dus la dezvoltarea unui nou grup de oeluri cu proprieti
îmbuntite. Recent, au fost dezvoltate diferite tipuri de oeluri de înalt rezisten menite s
satisfac aceste cerine ale industriei automobilelor. Principala problem a acestor oeluri deriv
din defectele multiple asociate cu deformabilitatea lor inferioar, astfel încât întrirea
rezistenei fr deteriorarea caracteristicilor de deformabilitate rmâne una dintre cele mai
importante obiective ale dezvoltrii materialelor destinate industriei automotive.
AHSS este un termen general folosit pentru a descrie diferite familii de oeluri. Cel mai
comun AHSS este oelul duplex cu microstructur ferit-martensit.
O clas importanta de AHSS este oelul multifazat care are o microstructur complex
constând din diferii constitueni de faz i un randament ridicat al raportului de rezisten la
traciune. Oelurile cu plasticitate indus de transformare (TRIP) reprezint cea mai recent
clas de oeluri AHSS care prezint un interes crescut pentru productorii de automobile.
Aceste oeluri constau dintr-o microstructur ferit-bainit cu o cantitate semnificativ de faz
austenitic reziduala i se remarc prin cea mai buna combinaie de rezisten i alungire dintre
oelurile AHSS în uz. Pentru anumite pri componente ale caroseriei autovehiculelor se
8
folosesc, de asemenea, oeluri martensitice cu rezistene mecanice foarte mari.
Utilizarea acestor oeluri este clasificat în dou categorii majore: panouri de caroserie
exterioar i elemente de structur de rezisten cuplate la caroserie.
În cazul panourilor de caroserie exterioar, eforturile de diminuare continu a
consumului de combustibil s-au concretizat în reducerea greutii acestor elemente.
Suplimentar fa de rezistena la încovoiere, o alt cerin pentru panourile de caroserie
exterioar este rigiditatea i, ca urmare, chiar în cazul oelurilor cu o rezisten sporit grosimea
nu poate fi redus sub un anumit minim care îndeplinete cerina de rigiditate.
Pentru elementele de structur de rezisten cuplate la caroserie, obiectivul major este
reducerea greutii, cu un accent sporit asupra performanelor de siguran.
Oelurile multifazice TRIP (Transformation Induced Plasticity) sunt o nou generaie
de oeluri aliate, caracterizate de o combinaie îmbuntit de rezisten i ductilitate care
satisface cerinele industriei auto. Fabricarea oelurilor utilizeaz fenomenul TRIP, care const
în transformarea austenitei reziduale în martensit odat cu deformarea plastic, aceasta fiind
responsabil pentru proprietile rezultante remarcabile. Aceste oeluri au rezistent mecanic
ridicat i prezint o alungire uniform considerabil înainte de rupere.
Prin urmare, în plus fa de rezisten, sigurana automobilelor necesit ca aliajele s
prezinte o ductilitate considerabil. Deformabilitatea este necesar pentru a permite formele
complexe ale pieselor auto, alegerea materialelor trebuind s fie potrivit pentru condiiile de
încrcare i pentru mediul de exploatare al acestora.
Trei elemente asigur controlul asupra proprietilor mecanice ale oelului: compoziia
sa chimic, prelucrarea i tratamentul termic, toate conducând la setarea microstructurii finale
a acestuia.
Transformarea martensitic indus de stresul local are ca efect ameliorarea
concentraiilor de stres, creterea vitezei de durificare prin prelucrare i promovarea deformrii
omogene, cu îmbuntiri ulterioare ale rezistenei, ductilitii i duritii oelurilor.
Teza de doctorat îi propune elaborarea, prelucrarea, tratarea i testarea unui nou oel
TRIP, cu proprieti superioare comparativ cu alte trei oeluri existente de acelai tip, cu o
microstructur care s conduc la o cretere a rezistenei mecanice fr deteriorarea
ductilitii, oferind combinaii foarte atractive de rezisten i ductilitate, datorate coexistenei
9
fazelor.
Lucrarea cuprinde 6 capitole, conine 160 pagini, un capitol de concluzii i contribuii
originale precum i bibliografia.
Capitolul 1 prezint stadiul actual al cunoaterii în domeniu pe plan internaional,
raportat la cele mai recente referine din literatura de specialitate.
În capitolul 2 sunt prezentate condiiile de tratament termic prezente în literatur precum
i influena fiecrui element de aliere utilizat în compoziiile oelurilor TRIP ce vor fi elaborate
i studiate în teza de doctorat. Capitolul 2 are în structura sa i rezultate din literatura de
specialitate ale efectelor testelor de impact atât asupra structurii oelurilor TRIP cât i asupra
compoziiei fazelor acestora.
Metodologia cercetrilor i tehnicile de analiz utilizate pentru realizarea obiectivelor
sunt prezentate în capitolul 3. În acest capitol sunt prezentate ideile generale care au dus la
studiul experimental al oelului TRIP nou, precum i datele legate de materiile prime utilizate
pentru elaborarea oelurilor. De asemenea, sunt evideniate analizele care s-au efectuat pentru
determinarea structurii aliajelor, pentru demonstrarea prezenei efectului TRIP la deformare
precum i echipamentele utilizate pentru aceste încercri i caracterizri.
Capitolul 4 prezinta cercetrile experimentale privind elaborarea celor 4 oeluri TRIP în
cuptorul cu inducie în vid i atmosfer controlat. Au fost elaborate, în vid i atmosfera
controlat, trei oeluri TRIP cunoscute i oelul TRIP de concepie proprie. Acest capitol ofer
informaii legate de modul în care s-a ajuns la determinarea compoziiei noi a oelului TRIP
elaborat, o detaliere a influenei elementelor de aliere introduse în compoziia oelurilor, analize
de microscopie optic i de duritate efectuate dup elaborare, dup deformare plastic i
normalizare a structurii, fiind detaliat fiecare etap de procesare.
În capitolul 5 sunt prezentate cercetrile experimentale privind tratamentul termic al
oelurilor realizate în vederea obinerii efectului TRIP. Acest capitol se concentreaz pe
evidenierea parametrilor tratamentului termic neconvenional aplicat pentru obinerea
austenitei reziduale în compoziia fazic a oelurilor precum i analize de microscopie optic,
microscopie electronic de baleiaj, duritate i difracie de raze X efectuate pentru evidenierea
structurii aliajelor elaborate.
Capitolul 6 prezint cercetrile experimentale privind comportarea la impact a oelurilor
TRIP. Sunt prezentate atât modul de lucru pentru efectuarea testelor de impact precum i
echipamentul utilizat. Rezultatele experimentale în urma testelor arat existena unei deformri
care permite imediat dup oc o absorbie ridicat de energie în urma impactului, urmat de o
10
importante din austenita rezidual în martensit. Analizele efectuate asupra oelurilor
evideniaz existena transformrii în urma ocului mecanic a austenitei în martensit.
În capitolul 7 sunt prezentate concluziile finale, contribuiile originale i noile direcii de
cercetare.
11
OELURILOR UTILIZATE LA CONSTRUCIA STRUCTURII DE
REZISTEN A AUTOMOBILELOR
Pentru a satisface într-un procent cât mai mare exigenele manifestate fa de calitatea,
performanele, sigurana i costul autovehiculelor, preocuprile specialitilor converg în
direcia valorificrii în practic a celor mai noi tehnologii din domeniul metalurgiei,
automatizrii i robotizrii proceselor de fabricaie i montaj.
Un rol important în construcia autovehiculelor îl au materialele. Pentru modelele de
viitor, firmele productoare de autoturisme au extins nomenclatorul reperelor ce urmeaz a fi
realizate din materiale neconvenionale. Astfel, se urmrete utilizarea în numr cât mai mare
a reperelor realizate din materiale cu greutate specific mic, sau de dimensiuni reduse, dar cu
rezisten mecanic ridicat.
Oelul reprezint în continuare un material de baz pentru construcia autovehiculelor.
Alegerea oelului pentru zonele critice de siguran urmeaz dou direcii generale. Aceste
direcii se bazeaz pe principiul c, într-o decelerare brusc ca urmare a unui accident, energia
trebuie s fie disipat într-o manier controlat, astfel încât decelerarea ocupanilor s nu
depeasc anumite limite, maximizând supravieuirea i minimizând riscurile de vtmare
[1].
În figura 1.1 sunt prezentate oelurile utilizate în industria automotive.
Fig. 1. 1. Oeluri cu aplicaii în industria automotive [2]
Cealalt direcie pentru proiectarea unei structuri sigure a vehiculelor este aa-numita
12
"celul de siguran" care impune ca habitaclul s reziste la impact i s-i menin integritatea,
protejând astfel pasagerii. Acest lucru permite inginerilor s proiecteze interiorul mainii
asigurând o poziiei sigur a pasagerilor în timpul eventualelor evenimente datorate
accidentelor [3]. În figura 1.2 este prezentat designul unei caroserii cu amplasarea elementelor
de oel din structura de rezisten a unui automobil.
F
Fig. 1. 2 Amplasarea i ponderea fiecrui tip de oel în elementele constructoare ale unui
automobil - [4]
Oeluri cu deformabilitate ridicat
o Oeluri IF de înalt rezisten - HSIF
o B) Oeluri IF de înalt rezisten cu tratament de durificare - HSIF-BH
Oeluri avansate de înalt rezisten – AHSS
o Oeluri duplex laminate la rece
o Oel duplex galvanizat i normalizat
o Oeluri duplex galvanizate
Dintre diferitele oeluri aparinând familiei AHSS, oelurile asistate TRIP posed cele
mai bune proprieti mecanice în ceea ce privete o combinaie de înalt rezisten/ alungire i
valoarea exponentului de durificare a tensiunii [5]. Acest lucru genereaz o deformabilitate
excelent în producie i face ca oelurile asistate TRIP s fie utilizate la fabricarea
componentelor structurale pentru automobile [6]. În plus, o siguran sporit a pasagerilor este
asigurat de îmbuntirea calitii acestor oeluri [7].
13
Acronimul TRIP pentru plasticitatea indus de transformare a fost iniial dat de Zackay
et al. [8] pentru a clasifica toate aliajele cu o combinaie unic de înalt rezisten i
deformabilitate îmbuntit ca urmare a transformrii induse de deformare a austenitei în
martensit, rezultând în creterea vitezei de durificare, ceea ce duce la o întârziere a debutului
rsturnrii (efectul TRIP).
În figura 2.1 este prezentat o ilustraie a microstructurilor tipice ale diferitelor tipuri de
oeluri AHSS.
Fig. 2. 1 Ilustraie a microstructurilor tipice ale diferitelor AHSS. (DP: oel cu dubl faz, TRIP:
oel asistat TRIP, CP: oel cu faz complex, MART: oel martensitic) [9].
În tabelele 2.1 sunt prezentate dimensiunile tipice ale diferitelor faze în tipurile de
oeluri AHSS ilustrate în figura 3, iar în tabelul 2.2 sunt prezentate proprietile mecanice ale
oelurile TRIP.
Oel Ferita (%) Martensita
14
Produs Tsmîn (MPa) YS (MPa) Temîn (%)
590 TRIP (laminat) 590 350-495 31
780 TRIP (laminat) 780 410-500 21
590 TRIP (galvanizat i calit) 590 360-510 26
590 TRIP (galvanizat) 590 380-480 27
780 TRIP (galvanizat i calit 780 410-560 19
780 TRIP (galvanizat) 780 440-500 21
2.1.2. Elemente de aliere în oelurile TRIP
Carbonul îmbuntete austenita prin întrirea soluiei solide interstiiale i crete
stabilitatea acesteia, difuzeaz i se poate îmbogi în austenit în timpul transformrii bainitice.
Stresul sau nivelul de tensiune la care austenita rezidual începe s se transforme în martensit
poate fi controlat prin ajustarea coninutului de carbon.
Austenita poate fi stabilizat de carbon numai dac acesta nu este consumat prin
formarea de cementit. Siliciul este adugat pentru a inhiba formarea cementitei în timpul
transformrii bainitice. Nivelul minim de siliciu necesar pentru a suprima în mod eficient
formarea cementitei este ~ 0,8%. Aluminiul are o influen mai sczut decât siliciul pentru
întârzierea formrii cementitei, la aceeai concentraie în greutate. Prezena aluminiului în oel
contribuie la un efect TRIP remarcabil în timpul încercrilor de traciune datorit cantitii mari
de austenit rezidual.
Manganul din oelul TRIP este necesar pentru a obine o duritate ridicat i nu are efecte
adverse asupra umectrii reactive în timpul acoperirii. Niobiu în soluie solid scade
temperatura de pornire a martensitei i întârzie precipitarea carburilor în timpul transformrii
bainitei, mrind astfel cantitatea de austenit rezidual [11-12].
Molibdenul este un agent de întrire a soluiei solide de ferit i întârzie puternic
formarea de perlit, sczând atât rata de nucleere cât i rata de cretere. Aceste fenomene sunt
cele mai eficiente elemente de suprimare a formrii perlitului i, prin urmare, Molibdenul este
deosebit de bun în reducerea ratei critice de rcire pentru formarea bainitelor [13].
Cuprul, fiind un stabilizator austenitic, ajut la meninerea austenitei. Pe lâng
consolidarea soluiei solide, precipitaiile fine de cupru din ferit pot crete puterea general.
Astfel, se poate avea în vedere înlocuirea siliciului cu cuprul atât în rolurile de reinere a
austenitei, cât i în creterea rezistenei feritei.[14]
15
Tabel 2. 3 Compoziiile chimice tipice (% în greutate) ale oelurilor asistate de TRIP [11, 15-
16]
C Si Mn Al P Nb Mo Cu Cr Ni
0.38 1.53 0.83 0.007
0.14 0.53 1.57 0.204
0.20 1.48 1.44 0.04 0.004 0.109
0.20 1.47 1.51 0.028 0.004 0.047 0.2
0.20 1.6 1.6 0.028 0.041 0.3
0.21 1.49 1.49 0.028 0.005 0.017 0.1
0.14 1.49 1.51 0.04 0.0012 0.51
0.15 1.52 1.51 0.51 0.39
0.15 1.55 1.50 0.51 0.41
2.2. Etape de procesare a oelurilor TRIP
Microstructura oelurilor TRIP în prezent const în mod obinuit dintr-o matrice de
ferit continu, cu bainit i o fracie de volum de austenit rezidual metastabil ca alte faze.
În general, se utilizeaz un tratament termic în dou etape. Prima etap a tratamentului
termic se efectueaz în regiunea de ferit (α) austenit (γ) în dou faze i se numete tratarea
prin intercalare (IA). În timpul acestui tratament se recristalizeaz structura laminat la rece,
are loc dizolvarea particulelor de perlit i carbur i formarea austenitei.
Dezvoltarea microstructural în diferite stadii ale tratamentului termic a fost elucidat
de ctre Chen et al.[17]. Diversele transformri de faz care au loc în timpul diferitelor etape
de prelucrare sunt clar evideniate. Oelurile TRIP, aa cum s-a descris mai sus, pot fi produse
fie prin laminare la rece (CR), fie prin laminare la cald (HR), dar majoritatea oelurilor moderne
TRIP sunt produse prin laminare la rece.
2.5. Tratamente termice de formare a oelurilor TRIP
Microstructura oelurilor asistate TRIP se obine prin efectuarea unui tratament termic
în dou etape dup laminarea la rece dup cum se poate observa în figura 2.6.
16
Fig. 2. 2 Reprezentarea schematic a ciclului termic utilizat pentru a obine
microstructura tipic TRIP.[18]
Prima etap a tratamentului termic se efectueaz la o temperatur uor mai ridicat în
regiunea bidirecional α + γ, conducând la o microstructur de aproximativ 50% austenit i
50% ferit. O vitez rapid de rcire dup recoacere este utilizat pentru a evita orice formare
major a feritei, iar transformarea final se efectueaz izoterm în regiunea bainitei (tratamentul
termic în a doua etap). În timpul formrii bainitei, carbonul difuzeaz în insulele austenitice.
Îmbogirea austenitei cu carbon mrete stabilitatea termic i, în consecin, austenita poate
fi meninut la rcirea la temperatura camerei.
2.6. Teste mecanice pentru caracterizarea oelurilor TRIP
Majoritatea datelor publicate se refer la fiabilitatea unui oel care prezint absorbie de
energie în timpul unui test dinamic; în mod obinuit, teste la traciune [2, 4, 19] sau teste de
compresiune [20]. Unele documente [2, 4, 20] au un punct de vedere mecanic, prezentând
rezultate interesante ale testelor dinamice, care includ adesea metoda de finisare puternic
(FEM) pentru a simula rezultatele. Cu toate acestea, aceste studii nu efectueaz niciodat
analize metalografice ale oelurilor testate, cu excepia unui scurt comentariu asupra
microconstituiilor prezente, adnotate prin „laminare la cald” sau „laminare la rece”.
În cazul oelurilor TRIP acestea trebuie analizate extensiv înaintea testrilor pentru a
determina posibilitatea utilizrii acestora în domeniul construciilor de autovehicule.
17
În ceea ce privete oelurile TRIP complet austenitice, rspunsul mecanic al oelurilor
multifazate ajutate de TRIP depinde foarte mult de tensiunea hidrostatic datorat componentei
de dilatare a tensiunii de transformare [21].
Oelurile multifazate de tip TRIP i oelurile TRIP complet austenitice difer, de
asemenea, în ceea ce privete cantitile de elemente de aliere, care influeneaz puternic
energia defectelor de reea a austenitei i, prin urmare, modul în care se transform austenita.
18
FOLOSITE PENTRU REALIZAREA OBIECTIVELOR
Scopul i obiectivul principal al cercetrilor îl reprezint proiectarea i realizarea unui
oel TRIP cu compoziie chimic nou cu caracteristici superioare, care s fie utilizat la
structura de rezisten a caroseriei automobilelor. În acest sens, direcia de cercetare parcurge
urmtorii pai:
- evaluarea datelor din literatura de specialitate referitoare la oelurile TRIP utilizate la
construcia autovehiculelor;
- elaborarea a trei tipuri de oeluri TRIP existente în tehnologiile actuale i elaborarea
unui nou oel TRIP;
- efectuarea tratamentelor termice ale oelurilor elaborate;
- determinarea comportamentului la oc al oelurilor TRIP realizate; pentru experiment s-
a ales o viteza de 60 km/h ca cea utilizata la testele Euro NCAP;
- caracterizarea fizico-mecanic a oelului nou comparativ cu cele trei oeluri existente,
în toate fazele: elaborare, laminare, tratament termic, oc;
- stabilirea cantitii de austenit rezidual transformat în martensit dup impact;
- diseminarea rezultatelor cercetrii în vederea asigurrii valorificrii practice a oelurilor
concepute.
3.2. Metodologia cercetrilor
Metodologia de cercetare a avut ca baza de pornire stadiul actual al cercetrilor în
domeniu, constatat în urma studierii literaturii de specialitate. Astfel, influena impactului
asupra transformrii austenitei reziduale în martensit la oelurile TRIP i creterea rezistenei
mecanice a acestora nu este înc pe deplin fundamentat tiinific. Necesitatea continurii
cercetrilor deriv din efectul de diminuare a impactului accidentelor de circulaie asupra
integritii oamenilor. Pentru atingerea acestui deziderat sunt necesare soluii i intervenii
imediate privind calitatea materialelor metalice utilizate la structura de rezisten a
autovehiculelor i a tehnologiei de realizare a acestora, în vederea prelurii energiei de impact
urmat de creterea rezistenei mecanice.
În baza celor prezentate, a fost întocmit planul de cercetare având în vedere urmtoarele
aspecte:
19
1) Justificarea necesitii abordrii temei de cercetare, ca subiect major al tiinei
materialelor, cu accent pe comportarea la impact a oelurilor TRIP din componena structurii
de rezisten a autovehiculelor;
2) Contribuiile la dezvoltarea i perfecionarea tehnologiilor de elaborare i
prelucrare a oelurilor TRIP utilizate la fabricarea autovehiculelor.
Prin acest obiectiv se fundamenteza tiinific posibilitile de definire, elaborare i
prelucrare mecanic a unor oeluri TRIP utilizate la structura de rezisten a autovehiculelor în
scopul îmbuntirii calitii acestora. Astfel, vor fi abordate subiecte precum:
a) Stadiul actual al cunoaterii în domeniul oelurilor TRIP pe plan internaional,
raportat la referinele din literatura de specialitate;
b) Mecanismul procesului de formare a austenitei reziduale în oelurile TRIP;
c) Realizarea unui oel TRIP nou cu compoziie precizat i cu proprieti
îmbuntite;
d) Analiza critic comparativ a rezultatelor cercetarilor.
3) Contribuii la dezvoltarea tehnologiilor i tehnicilor de obinere a unor elemente
din structura de rezisten a autovehiculelor, vizând urmtoarele aspecte concrete:
a) Cercetari experimentale privind imbunatatirea calitii oelurilor utilizate la la
structura de rezisten a autovehiculelor;
b) Cercetari experimentale privind comportarea la impact a oelurilor TRIP.
În figura 3.1. este prezentata schematic structura planului de cercetare al tezei de doctorat.
Fig. 3. 1 Schema procesului de elaborare i testare a oelurilor TRIP cercetate
Cap. 4. ELABORAREA OELURILOR TRIP ÎN CUPTORUL CU
INDUCIE ÎN VID I ATMOSFER CONTROLAT
20
Pentru realizarea cercetrilor experimentale s-au realizat 4 tipuri de oeluri TRIP, oeluri
care au fost supuse proceselor de prelucrare, tratamente termice, oc i caracterizare fizico-
structural.
4.1. Selecia compoziiei chimice optime pentru oelurile TRIP
Elementele de aliere prezente în compoziia chimic a celor 4 oeluri propuse pentru
experimentri – Mn, Si, Al au fost alese cu mult raionament. Pe de-o parte ele trebuie s asigure
caracteristicile tehnologice clasice pentru care au fost elaborate i, pe de alt parte, s
completeze într-o manier modern caracteristicile de exploatare.
În categoria caracteristicilor tehnologice, Mn, Si i Al nu trebuie s afecteze negativ
deformabilitatea plastic (mai cu seam la rece) la care sunt supuse tablele din care se
confecioneaz prile constitutive ale unei caroserii auto.
4.3. Elaborarea oelurilor TRIP
Elaborarea oelurilor a fost realizat într-un cuptor cu inducie, vid i atmosfer
controlat tip Five CELES(model ALU 600), prezentat în fig.4.1. Utilizarea acestui tip de
cuptor de elaborare permite eliminarea posibilelor contaminri i oxidri a topiturii metalice i,
de asemenea, asigur turnarea în condiii de omogenitate structural i compoziional a arjei.
Fig. 4. 1 Cuptor de elaborare cu inducie, cu creuzet rece, vid i atmosfer de argon
Au fost elaborate 4 aliaje TRIP, 3 dintre acestea având compoziii chimice studiate în
literatura de specialitate, dar elaborate utilizând alte tipuri de cuptoare, i un oel TRIP de
compoziie nou. Compoziiile acestor oeluri sunt prezentate în tabelul 4.1.
21
Material C
(%)
TRIP 1 Referinta1 0,2 1,6 0,3 N/A N/A N/A 1,8 N/A N/A N/A N/A N/A
Elaborat 0,199 1,58 0,281 0,035 0,023 0,020 1,77 0,003 0,002 0,016 0,024 0,014
TRIP 2 Referina2 0,25 1,8 0,3 N/A 0.021 N/A 1,3 N/A N/A N/A N/A N/A
Elaborat 0,251 1,81 0,307 0,029 0,024 0,033 1,29 0,003 0,005 0,028 0,030 0,080
TRIP 3 Referina3 0,1 5.18 0,2 0.008 0.015 0.03 0.026 N/A- 0.02 0.04 0.03 N/A
Elaborat 0,105 5,20 0,213 0,007 0,019 0,016 0,002 0,002 0,001 0,012 0,020 0,008
TRIP 4 Calculat 0,1 6,1 0,3 0,6
Elaborat 0,097 6,11 0,324 0,028 0,022 0,016 0,616 0,002 0,001 0,012 0,018 0,009
Referina1: Kruijver, Zhao et al. 2003
Referina2: Srivastava, Jha et al. 2006 Referina3: Merwîn 2007
Analiza metalografic prin microscopie optic dup turnare a oelurilor
elaborate
În urma elaborrii oelurilor, acestea au fost pregatite pentru examinarea metalografic
i pentru efectuarea testelor de duritate.
Pentru pregtirea celor 4 probe experimentale, TRIP 1, TRIP 2, TRIP 3 i TRIP 4 s-a
utilizat o linie completa de pregatire Struers (debitare, înglobare, lefuire) din dotarea Centrului
ECOMET. Din fiecare oel a fost debitat o parte cilindric de aproximativ 4 mm. Acestea au
fost ulterior înglobate în rin i lefuite pân la nivel de luciu metalic. În scopul analizei
metalografice probele au fost atacate cu NITAL 2% pentru evidenierea grunilor i a
structurii, apoi au fost examinate utilizând un microscop metalografic tip Olympus (BX 51 M),
echipat cu posibilitate de investigaii în câmp luminos sau întunecat i un domeniu de mrire
de pân la 1000x.
Global, structura probei TRIP 4 este destul de asemntoare cu cea a probei TRIP 3.
Aceeai tendin de supraînclzire asociat cu creterea clibilitii este determinat tot de
prezena în structur a Mn; i valoarea duritii medii de 366HV se apropie de cea a probei
TRIP 3. Particularitatea poate fi sesizat prin studii la puteri de mrire mai mari (M=500x).
Alturi de bainita superioar i cea inferioar, preponderente structural, se pot evidenia regiuni
luminoase în cantitate mai mare, în care se observ prezena feritei. Cantitatea crescut de ferit
este datorat prezenei în structur a Al (0.6%), cunoscut ca element alfagen.
Studiile la puteri de mriri maxime (M=1000x) permit evidenierea unui alt detaliu de
structur, reprezentat de existena unor micro-regiuni poliedrice, luminoase, care sunt atribuite
22
austenitei reziduale. Existena acestor formaiuni este legat tot de prezena în cantitate
semnificativ a Mn, cunoscut ca factor care determin reinerea în structur a austenitei
netransformate, denumit i atstenit rezidual.
Fig. 4. 2 Imagini de microscopie optic a probei TRIP 4, atac NITAL 2%, a)M=100x;
b)M=500x; c)M=1000x
Incercari de duritate dupa turnarea oelurilor TRIP
Testele de duritate pot s ofere informaii utile legate de structura metalografic a
materialului analizat. În cazul materialelor metalice duritatea poate indica prezena într-o
proporie mai mare a unei faze fa de celelalte. Ordinea descrescatoare a duritii fazelor unui
oel este urmatoarea: Martensit Bainit Ferit Austenit.
Încercrile de duritate au fost efectuate pe durimetrul tip Innovatest Falcon 500, cu
sistem inteligent de aplicare a sarcinilor, sarcin variat între 1g i 31 kgf i posibilitatea de
efectuare a duritilor Vickers, Brinell i Knoop. Oelurile au fost testate la o sarcina de 5kgf,
rezultatele fiind prezentate în tabelul 4.2 unde se afl valorile pentru fiecare testare în parte
23
precum i valoarea medie a duritii dup 3 msurtori.
Fig. 4. 3 Reprezentare grafic a duritilor medii înregistrate la analiza aliajelor TRIP dup
turnare
Pentru formarea unei structuri omogene, cu compactitate ridicat, fr tensiuni interne
i cu constituenii necesari realizrii proprietilor mecanice impuse, probele au fost laminate.
Procedeul ofer avantajul unei prelucrri eficiente a materialului metalic în întregul volum al
acestuia, în condiiile asigurrii unei bune precizii dimensionale i a unei suprafee de bun
calitate.
În cadrul experimentului, s-a utilizat aceeai temperatura de înclzire pentru toate
oelurile elaborate (1150°C). Utilizând un cuptor Caloris 1206 (cuptor electric cu rezisten) i
fr atmosfer controlat, figura 4.12. Timpul de meninere pentru fiecare prob a fost de 10
minute.
Fig. 4. 4 Înclzirea probelor în cuptor la temperatura de 1150°C
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Duritate (HV) 117 226 361 366
D u
ri ta
24
Tabel 4. 2 Modificarea grosimii probelor în timpul procesului de laminare
Trecere 0 1 2 3 4 5 6 7 8
Grosime
[mm] 18 15 13 11 9 7,6 6,9 5,9 5
În urma procesului de laminare probele au fost tratate termic prin recoacere de
normalizare. Recoacerea este un tratament termic care modific proprietile fizice i uneori
chimice ale unui material pentru a-i crete ductilitatea i a-i reduce duritatea, fcându-l mai
viabil. Recoacerea implic înclzirea unui material peste temperatura de recristalizare,
meninerea unei temperaturi adecvate pentru o perioad corespunztoare de timp, iar apoi
rcirea în aer. Aceast recoacere a fost realizat într-un cuptor de incalzire Caloris, la o
temperatura de 1200°C în vid, figura 4.11.
Fig. 4. 5 Introducerea oelurilor laminate în cuptorul de incalzire în vid
4.7. Analiza metalografic prin microscopie optic a probelor laminate i
normalizate
În toate cazurile analizate, solidificarea dup turnare a condus la structuri de supra-
înclzire, incorecte din punct de vedere al tuturor caracteristicilor tehologice (comportament în
timpul prelucrrii) i de exploatare. De aceea, ulterior s-a aplicat un tratament termic de tip
recoacere de regenerare. Aceasta a fost de fapt o normalizare, la care aa cum s-a amintit în
planul de lucru al tezei, temperatura a fost fixat la 925°C, tment = 0.5h, iar rcirea în aer. Se
precizeaz c parametrii termici i temporali, acoperitori pentru toate probele (TRIP 1, TRIP 2,
TRIP 3 i TRIP 4) au fost stabilii conform principiilor tratamentelor termice:
Temperatura s aib o valoare uor superioar temperaturii de austenitizare;
Duratele de meninere (corelate cu dimensiunea probelor) s fie
corespunztoare;
25
Rcirea s se realizeze liber, în aer, conform definiiei normalizrii.
Microscopia optic a probei TRIP 4 (0.1% C, 6.1% Mn, 0.6% Al, 0.3% Si, rest Fe)
Analiza micrografiilor corespunztoare probei TRIP 4 încheie seria de structuri crora
li s-a aplicat recoacerea dup elaborare – turnare, pentru regenerarea structurii.
Finisarea masiv a granulaiei este evident i în acest caz, fr a se constata modificri
importante ale constituenilor prin comparaie cu cei identificai dup turnare. Totui, gradul lor
de finee mai ridicat faciliteaza ordonarea mai clar.
Astfel, structura majoritar este bainitic (bainit superioar i urme de de bainit
inferioar), similar cu cea a probei TRIP 3, ceea ce permite generalizarea observaiei c Mn în
cantitate important crete clibilitatea. Caracterul su gamagen a putut fi evideniat la puteri
de marire maxime (M = 1000x) când, particular pentru aceast prob, au putut fi observate mici
regiuni cu austenit rezidual.
Fig. 4. 6 Imagini de microscopie optic a probei TRIP 4 – normalizat. Atac Nital 2% (M =
100x (a); 500X (b); 1000x (c)
Analiza micrografiilor corespunztoare probei TRIP 4 încheie seria de structuri crora
li s-a aplicat recoacerea dup elaborare – turnare, pentru regenerarea structurii.
Finisarea masiv a granulaiei este evident i în acest caz, fr a se constata modificri
importante ale constituenilor prin comparaie cu cei identificai dup turnare. Totui, gradul lor
26
de finee mai ridicat faciliteaza ordonarea mai clar.
Astfel, structura majoritar este bainitic (bainit superioar i urme de de bainit
inferioar), similar cu cea a probei TRIP 3, ceea ce permite generalizarea observaiei c Mn în
cantitate important crete clibilitatea. Caracterul su gamagen a putut fi evideniat la puteri
de marire maxime (M = 1000x) când, particular pentru aceast prob, au putut fi observate mici
regiuni cu austenit rezidual.
Fig. 4. 7 Reprezentare grafic a duritilor medii înregistrate la analiza oelurilor TRIP dup
normalizare
0
50
100
150
200
250
300
350
Duritate (HV) 160 208 311 345
D u
ri ta
27
REZIDUALE NECESARE REALIZRII EFECTULUI TRIP
5.1. Tratamentul termic al oelurilor TRIP realizate
Tratamentele termice utilizate implic o înclzire rapid la o temperatur în domeniul
bidirecional α + γ, conducând la o microstructur de aproximativ 50% austenit i 50% ferit,
cu meninere la aceast temperatur, urmat de o rcire rapid în domeniul de formare a
bainitei, care duce la o difuziune a carbonului în insule austenitice pentru formarea austenitei
reziduale, finalizat de o rcire în aer.
În scopul obinerii acestui traseu termic s-a utilizat o baie de sare de Clorur de Bariu
(BaCl2). Principiul tratamentului termic implic inclzirea aliajului pân la o temperatur
apropiat de cea critic superioar A3, urmat de o rcire apropiat de temperatura de formare
a bainitei. Aceste temperaturi variaz în funcie de compoziia aliajului i implic un calcul
matematic de determinare a temperaturilor critice A1 i A3 utilizând formulele:
1 = 727 − 14[% + %] + 22[% + % + %] (5.1)
3 = 855 − 180[%] − 14[%] − 18[%] + 45[%] + 1.7[% + %] (5.2)
În urma determinrii valorilor TA1 i TA3 se poate calcula temperatura tratamentului
termic ce trebuie aplicat fiecarui oel în parte utilizând formula:
= 1+3
2 (5.3)
Înainte de începerea procesului de tratare termic a oelurilor acestea au fost secionate
longitudinal în vederea utilizrii pentru procesul termic.
Utilizând aceste formule în funcie de compoziia fiecrui aliaj TRIP s-a putut determina
temperatura necesar pentru obinerea cantitii optime de austenit rezidual pentru fiecare
oel elaborat.
Calculele compoziionale au dus la determinarea unui regim unic de tratare termic
pentru fiecare aliaj în parte. Aceste regimuri de incalzire pot fi observate în figura 5.1.
Tabel 5. 1 Valori TA1, TA3 i de tratament termic (TT) pentru oelurile elaborate
Prob TA1 (°C) TA3(°C) TT(°C)
28
Fig. 5. 1. Regimuri de tratament termic aplicate oelurilor TRIP
5.2. Investigarea structurii prin micoscopie optic dup tratamentul termic
neconvenional
Conform cercetrilor efectuate de H. Bhadeshia [22], promotorul oelurilor TRIP, o
structur controlat, capabil s rspund cerinelor speciale atribuite acestor oeluri nu se poate
realiza decât aplicând un tratament termic neconvenional.
Oelul standard brevetat de autorul menionat mai sus are compoziia chimic 0.15% C,
1.5% Si, 1.5% Mn, rest. Fe, iar structura propus este urmtoarea:
ferit, pentru asigurarea unei prelucrabiliti corespunztoare;
bainit (superioar) care prin tenacitatea sa, dar i prelucrabilitate
avantajoas asigur caracteristici mecanice speciale;
austenit rezidual în cantitai mici, rezultat prin specificul
trransformrii bainitice i care, în condiii de oc, se transform în
martensit, asigurând o rezistena mecanic crescut la impact.
29
Microscopia optic a probei TRIP 4
Fig. 5. 2 Imagini de microscopie optic a probei TRIP 4 clit bainitic cu austenitizare –
Atac Nital 2% (a-M=100X, b-M=500x, c-M=1000x).
Microstructura probei TRIP 4 prezint o structur combinat fa de structurile
investigate anterior.
Principial, se aseamn cu structura obinut în cazul TRIP 3, dar prezena în compoziia
chimic a unei cantiti mici de Al, element alfa-gen aduce unele variti de structur.
Astfel, structura predominant format din bainit superioar este însoit de zone mai
largi de ferit proeutectoid. Dei coninutul de carbon este acelai ca în cazul probei TRIP 3,
uoara majorare de Mn induce meninerea în structur a unei cantiti mai mari de austenit
rezidual, vizibil destul de uor chiar de la puteri de mriri de M=500x.
Valorile medii de duritate (316HV) sunt în deplin concordan cu structura.
30
Fig. 5. 3 Reprezentare grafic a duritilor medii înregistrate la analiza aliajelor TRIP dup
tratamentul termic
Microscopia electronic a probei TRIP 4
Fig. 5. 4 Micrografii SEM ale oelului TRIP 4 la mriri de 2500x i 10000x
Combinaia compoziional a probei TRIP 4 aduce în prim plan structurile cele mai
variate. Astfel, ferita proeutectoid se unete cu ferita bainitic formând un tot unitar, structura
majoritar fiind bainita superioar, cu o distribuie foarte clar în baghete.
În cadranul III al imaginii de compoziie este surprins momentul de precipitare a
carburilor în interiorul plachetei de ferit, aspect morfologic specific bainitei superioare.
Un detaliu de structur mai vizibil în cadrul acestei probe este legat de zonele în care se
identific austenita rezidual. Fiind mai întinse, se observ clar distribuia lor insular între
plachetele de ferit bainitic. Aceast distribuie explic cu claritate mecanismul existenei
0
50
100
150
200
250
300
350
Duritate (HV) 200 221 341 316
D u
ri ta
31
5.5. Determinarea coninutului de austenit reziduala prin metoda difraciei
de raze X
Determinarea coninutului de austenit rezidual pe probe din oel TRIP s-a efectuat
utilizând tehnica difraciei radiaiilor X, conform standardului ASTM E 975 - 03, Standard
Practice for X-Ray Determination of Retained Austenite în Steel with Near Random
Crystallographic Orientation.
Echipamentul folosit a fost un difractometru Rigaku AUTOMATE II, utilizat în
urmtoarea configuraie:
- parametrii fasciculului de radiaii X: 40kV, 40mA, = 1,15 1,15 2;
- detector: D/teX Ultra 2000 silicon strip;
- suport de prob cu deplasare automat XYZ, microscop optic cu camer CCD i funcie zoom
pentru alegerea zonei iradiate cu precizie;
- relaia de calcul a volumului de austenit rezidual conform ASTM E 975-03:
= [
Iγ = intensitatea integrate corespunztoare liniei de difracie γ (220);
Rγ = corecie corespunztoare liniei de difracie γ (200).
- linii de difracie utilizate în analiz:
faza α, structura cvc, constanta de reea o = 2,8664Å, () = (211), 2 = 156,40°, =
190,8; faza γ, structura cfc, constanta de reea o = 3,60Å, () = (220), 2 = 128,30°,
= 47,88.
Probele au fost prelucrate metalografic pentru analiza în seciune, cu suprafaa adus la
luciu metalic. Pentru analiza cantitativ au fost achiziionate liniile de difracie (211) (2 =
156,40°, = 100) i (200) (2 = 128,40°, = 300) în trei puncte pe suprafaa de analiz,
situate la aproximativ 2mm distan unul de altul. Pentru probele supuse la testele de impact,
analiza s-a efectuat în seciune, în mijlocul zonei deformate plastic i la + 2 mm stânga/ dreapta
de punctul central. S-au determinat pentru fiecare linie de difracie intensitile integrale, cu
coreciile conform ASTM E 975-03. Volumul de austenit rezidual a fost determinat cu
32
ajutorul relaiei (1), utilizând valoarea medie a intensitii integrale.
Fig. 5. 5 Difractometru Rigaku AUTOMATE II cu tub de Cr pentru determinarea austenitei
reziduale
Fig. 5. 6 Peak de difracie msurat în trei puncte pe proba TRIP 4, corespunztor fazei
Fig. 5. 7 Peak de difracie msurat în trei puncte pe proba TRIP 4, corespunztor fazei
Valorile calculate ale coninutului de austenit rezidual, din prelucrarea datelor
Meas. data:Trip4_TT_mapp001
2-theta (deg)
In te
33
experimentale, sunt prezentate în tabelul 5.3.
Tabel 5. 2 Valori calculate ale nivelului de austenit rezidual în urma tratamentului termic
Nr.crt. Cod proba*
1 TRIP 1 9,29
2 TRIP 2 7,40
3 TRIP 3 4,63
4 TRIP 4 10,63
34
OELURILOR TRIP EXPERIMENTATE
Cercetrile experimentale efectuate asupra comportrii la impact a oelurilor TRIP
studiate au avut ca scop caracterizarea procesului de durificare a acestor materiale supuse
aciunii forei de impact. Pentru aceasta obiectivele încercrilor realizate au urmrit:
- evidenierea existenei forei de rspuns (Fr) a materialului i a modului de variaie a acesteia
pe durata impactului (tr);
- analiza transformrilor structurale produse în material sub aciunea forei de impact (Fi);
- evaluarea efectului TRIP specific oelurilor investigate.
6.3.1 Încercrile la impact
Incercrile experimentale la impact au fost realizate pe un echipament INSTRON Ceast
9340, fig. 6.1, prevzut cu modul pentru achiziii de date i soft-ware specializate
VisualIMPACT V.6 i CeastVIEW.
Fig. 6. 1 Ansamblul experimental destinat încercrilor dinamice la impact: 1 – echipament
INSTRON Ceast 9340 (SUA); 2 – unitate PC prevzut cu sistem de achiziii de date;
Deformarea plastic a avut caracter dinamic, impactul prin ocuri mecanice fiind
realizat cu o vitez de aprox. 60 km/h i aplicarea unei mase de lovire de 3,219 kg ce va genera
o energie de impact de 18J. Probele plate supuse încercrilor au fost realizate din oelurile
investigate, aflate în stare tratat termic i cu suprafeele exterioare curate de pelicula de sare
format în timpul clirii bainitice în bi de sruri. Poziionarea epruvetelor în raport cu direcia
de aplicare a forei de impact (F) corespunde metodei celor trei puncte de contact, fig. 6.2.
35
Fig. 6. 2 Modul de efectuare a încercrilor dinamice la impact
Investigaiile efectuate asupra transformrilor structurale produse sub aciunea
solicitrii la impact au fcut referire la:
- evaluarea cantitii de austenit rezidual prezent în structura iniial a oelurilor TRIP,
- evidenierea transformrilor structurale produse.
Tabel 6. 1 Condiii impuse solicitrilor la impact i valorile rezilienelor pentru oelurile
TRIP
TRIP 2 478,21
TRIP 3 480,07
TRIP 4 499,36
Comportarea la impact a celor patru tipuri de oeluri TRIP studiate a urmrit modul de variaie
a forei de rspuns (Fr) a fiecrui material, pe durata considerat a solicitrii mecanice produs.
Pe baza valorilor înregistrate de modulul de achiziii de date, au fost trasate curbele de variaie
Fr = f (tr), pentru fiecare aliaj investigat, fig. 6.3.
36
-0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
-2000
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
T R
IP 1
Timp (ms)
-0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8
0
2000
4000
6000
8000
10000
-2000
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
T R
IP 3
Timp (ms)
-0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8
-2000
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
T R
IP 4
Timp (ms)
Fig. 6. 3 Curbele de variaie Fr = f (tr) specifice oelurilor TRIP învestigate: a – oelul TRIP
1; b – oelul TRIP 2; c – oelul TRIP 3; d – oelul TRIP 4.
Efectuarea analizei comparative evideniaz urmtoarele:
- oelurile TRIP slab aliate (TRIP 1 i TRIP 2) au cele mai mici valori ale forelor de rspuns i
duratele cele mai lungi pentru timpul de rspuns. Probabil, cantitatea redus de elemente de
aliere a condus la un grad de ecruisare mic, fapt care a permis materialului metalic s opun o
rezisten limitat aciunii forei de deformare;
- cantitatea mic de elemente de aliere a diminuat considerabil posibilitatea formrii fazelor
structurale de tipul particulelor de precipitate, care ar fi reprezentat bariere în calea deplasrii
defectelor liniare (dislocaiilor), limitând astfel procesul de deformare plastic sub aciunea
forei de impact. Durificarea superficial a materialelor (ecruisare), realizat prin blocarea
dislocaiilor ar fi reprezentat o modalitate de cretere a capacitii de rspuns a materialului;
- oelurile TRIP mediu aliate (TRIP 3 i TRIP 4) au prezentat cele mai mari capaciti de rspuns.
Creterea cantitii de compui chimici formai, în prezena elementelor de aliere a contribuit la
durificarea structural a celor dou oeluri
6.4.2 Mecanismul efectului TRIP
indus prin plasticitate. Oelurilor învestigate le este specific transformarea Arez → M ca
modalitate de evaluare a efectului TRIP.
În cazul elementelor din construcia structurii de rezisten a autovehiculelor sunt
37
al ocului mecanic produs prin impact;
- modificarea structural care caracterizeaz efectul TRIP al acestor oeluri face referire la
posibilitatea transformrii austenitei reziduale în martensit pe baza energiei absorbite în urma
producerii impactului mecanic.
- prin difracie de raze X;
- prin analize microstructurale.
6.4.2.1 Evidenierea efectului TRIP prin difracie de raze X
Prin difracia de raze X efectuat pe difractometrul Rigaku AUTOMATE II, au fost
determinate volumele/ cantitile de austenit rezidual existente în structura oelurilor TRIP
investigate, înaintea deformrii plastice i dup producerea ocului mecanic.
Fig. 6. 4 Peak-urile de difracie ale Arez msurate în trei puncte de pe suprafaa probei TRIP
4, înaintea impactului mecanic
Fig. 6. 5 Peak-urile de difracie ale Arez msurate în trei puncte de pe suprafaaprobei TRIP
4, dup producerea impactului mecanic
2-theta (deg)
In te
38
Tabel 6. 2 Valorile cantitii de austenit rezidual transformat prin efectul TRIP
Nr.
1 TRIP 1
3 TRIP 2
4 dup impact - 5,23
7 TRIP 4
8 dup impact - 8,55
Analiza valorilor prezentate în tabel arat urmtoarele:
- dintre cele dou oeluri slab aliate, oelul TRIP 1 prezint cele mai mari valori ale austenitei
reziduale, atât înainte cât i dup producerea ocului mecanic;
- dintre cele dou oeluri mediu aliate, oelul TRIP 4 prezint cele mai mari valori ale austenitei
reziduale atât înainte cât i dup producerea ocului mecanic;
- cele mai mari cantiti de austenit transformat în martensit prin efectul TRIP le prezint oelurile
TRIP 2 i TRIP 4;
- oelurile TRIP slab aliate prezint valori mai apropiate pentru cantitile de austenit rezidual
transformat în martensit prin deformare plastic;
- oelurile mediu aliate TRIP 3 i TRIP 4 prezint valori puternic difereniate pentru variaia cantitii
de Arez. Este posibil s fie necesar majorarea forei de impact pentru a obine intensificarea
transformrii Arez → M mai ales în cazul acestor oeluri cu un coninut mare de mangan.
39
6.4.2.2 Evidenierea efectului TRIP prin microscopie electronic
Aspecte microstructurale specifice oelului TRIP 1 sunt prezentate în fig. 6.14.
Fig. 6. 6 Imagini SEM ale oelului TRIP 1
a– putere de mrire 2500:1; b – putere de mrire 10 000:1
Dup tratament termic i deformare plastic prin oc mecanic, microstructura acestui
oel este format din:
- soluii solide reprezentate prin ferita α iniial (Fα) i austenita rezidual (Arez);
- amestec mecanic de tip perlitic reprezentat prin bainita (B);
- soluie solid suprasaturat, în afar de de echilibru, reprezentat prin martensita (M)
rezultat prin solicitarea la impact.
Fazele feritice cu duriti mici prezint o dispunere orientat pe direcia de deformare
plastic favorizând astfel producerea durificrii structurale a oelului. Martensita acicular
format prin transformarea Fα→ M este dispus la interiorul insulelor de austenit.
40
Analiza SEM a oelului TRIP 2
a – putere de mrire 2500:1; b – putere de mrire 10 000:1
Compoziia chimic asemntoare oelului TRIP 1 i meninerea acelorai transformri
structurale pe parcursul prelucrrilor termice i mecanice au condus la identificarea unor
microstructuri similare i pentru oelul TRIP 2.
În compoziia chimic a oelurilor TRIP 3 i TRIP 4 a fost majorat în mod considerabil
cantitatea de mangan, fapt pentru care ele au devenit mediu aliate. Prin efectul de stabilizare a
austenitei, manganul influeneaza atât microstructura iniial a oelurilor, cât i transformrile
structurale produse prin tratament termic, respectiv prin deformare plastic ulterioar (impact
mecanic).
41
Microstructura este format din aceeai constituieni, diferenierile fcând referire la:
- accentuarea dispunerii orientate a fazei Fα, mai ales a celei din constituia bainitei;
- tendina de dispunere ordonat a acelor de martensit în interiorul insulelor austenitice.
Fig. 6. 9 Micrografii SEM ale oelului TRIP 4
Deoarece în compoziia chimic se regsete cel mai mare coninut de mangan rezult
c pentru acest oel va fi caracteristic cea mai mare cantitate de austenit rezidual prezent în
finalul transformrii plastice indus.
Dispunerea cu caracter orientat al fazei feritice (Fα) poate determina o tendin de
durificare structural. Rolul cel mai important revine existenei fazei martensitice. La nivelul
formaiunilor de martensit este observat prezena acelor de diferite dimensiuni: ace lungi i
groase (8 – 9 μm) formate la începutul transformrii prin impact i ace scurte i subiri (1- 2
μm) formate la finalul transformrii structurale. Modul de orientare a acestor ace permite
aprecierea direciei de deformare plastic produs prin oc mecanic.
42
Fig. 6. 10 Reprezentare grafic a valorilor medii ale duritii Vickers, pentru oelurile TRIP,
dup solicitarea la impact
Tabel 6. 3 Transformarea indus prin plasticitate i creterea duritii Vickers
Oel TRIP Volumul de Arez
transformat în M
Duritate (HV) 228 240 347 362
D u
ri ta
43
VIITOARE DE CERCETARE
7.1 Concluzii Generale
Oelurile TRIP prezint cea mai bun combinaie între rezistena mecanic – plasticitate
– ecruisare (durificare sub tensiune).
Efectul TRIP specific acestor oeluri const în producerea unei transformri
martensitice indus prin plasticitate (sub aciunea energiei de impact).
Austenita rezidual reprezint faza iniial care se va transforma în martensit mecanic
ca urmare a înmagazinrii energiei de impact.
Din punct de vedere a compoziiei chimice pentru formarea unei cantiti mai mari de
austenit rezidual este necesar ca oelul s prezinte:
- un coninut mai mare de carbon i s fie slab aliat cu elemente γ- gene (Mn);
- un coninut redus de carbon i s fie mediu aliat cu elemente γ- gene (Mn);
Pentru oelurile studiate, transformarea structural este de tipul Arez → Mmecanic, sub aciunea
energiei furnizate aliajelor printr-o solicitare la impact/oc.
Cercetrile efectuate au urmrit comportarea la impact a patru oeluri, pentru a
caracteriza intensitatea efectului TRIP indus prin plasticitate.
Metodologia dezvoltrii cercetrilor personale a necesitat:
- cunoaterea stadiului actual al cercetrilor efectuate, pe plan naional i internaional;
- stabilirea Planului de dezvoltare a cercetrilor personale specifice direciei de cercetare
propus.
Tema de cercetare a avut ca scop implementarea unor concepte moderne privind
oelurile TRIP destinate construciei elementelor din structura de rezisten a autovehiculelor.
Obiectivul temei a fost reprezentat prin studiul complex i comparativ asupra efectului
TRIP pentru un oel mediu aliat, cu o compoziie chimic original.
Complexitatea studiilor a fost determinat de multitudinea de cercetri experimentale
efectuate:
- elaborarea i turnarea a patru oeluri TRIP, dintre care un oel cu compoziie chimic
original.
- caracterizarea microstructural i de proprieti a fiecrui oel aflat în stare turnat;
- deformarea plastic la cald, urmat de tratamentul termic de normalizare aplicabile
oelurilor investigate;
- formarea austenitei reziduale prin practicarea clirii bainitice în baie de sruri a oelurilor;
44
bainitic;
- evaluarea intensitii de producere a efectului TRIP prin analiza transformrii structurale
Arez → M, indus prin impact mecanic (plasticitate);
- caracterizarea microstructural, compoziional i de proprieti a oelurilor, dup
încercarea la oc mecanic;
- analiza modului de variaie a forei de rspuns a materialelor considerate, pe durata de
investigare a impactului mecanic.
Microscopia electronica SEM a evideniat:
a. pentru oelurile TRIP slab aliate: caracterul alotriomof al feritei α proeutectoide,
morfologii similare pentru Fα proeutectoid i Fα bainitic, forma alungit (baghet) a grunilor
de bainit;
b. pentru oelurile TRIP mediu aliate, au fost obinute valori extreme pentru Arez
(4,63% pentru TRIP 3 i 10,63% pentru TRIP 4), situaie care poate fi explicat prin cantitatea
mare de mangan (element chimic γ – gen) i prin adaosul de Al (element chimic α-gen) în cazul
oelului TRIP 4,
Simularea comportrii la impact a fost efectuat pe un echipament INSTRON 9340, prevzut
cu modul de achiziii de date i software specializate IMPACT V.6 i Ceats VIEW;
Deformarea plastic prin impact a fost realizat în condiii similare pentru cele patru oeluri
studiate: masa de lovire 3,219 kg, viteza de lovire de aprox. 60 km/h (limita maxim de vitez
admis la deplasarea prin localiti), energia de impact W=18J. Probele plate supuse încercrilor
se aflau în starea rezultat dup tratament termic;
La aciunea forei de impact (Fi) oelurile TRIP utilizate în construcia elementelor de caroserie
reacioneaz cu o for de rspuns (Fr), a crei variaie a fost studiat pe durata unui timp de
rspuns tr = 1,8 ms;
Variaia cantitii de austenit rezidual a fost evideniat prin difracie de raze X, pe un
echipament Rigaku AUTOMATE II, respectând prevederile standardului american ASTM E
975 – 03;
Prin microscopie electronic SEM a fost investigat constituia microstructural a oelurilor
TRIP, dup solicitarea la impact. A fost identificat prezena martensitei sub aciunea energiei
de imapct. Constituienii structurali cu duriti mici de tipul feritelor (ferit liber i ferit din
bainit) încep s dobândeasc un caracter orientat pe direcia forei de deformare plastic,
Durificarea oelurilor rezultat ca o consecin a efectului TRIP a reprezentat o modalitate de
evaluare a intensitii de manifestare a acestuia;
45
Pe parcursul dezvoltrii cercetrilor experimentale personale au fost aduse i contribuii
originale în domeniul tiinific abordat:
Au fost elaborate i turnate un oel TRIP mediu aliat (TRIP4) cu o compoziie chimic
original, în care prezena unei cantiti de 6,10% Mn asigur posibilitatea de cretere a
cantitii de austenit necesar transformrii martensitice specific efectului TRIP.
Elaborarea i turnarea a trei tipuri de oeluri TRIP (dou mrci de oeluri slab aliate
TRIP 1 i TRIP 2 i o marc de oel mediu aliat TRIP 3) cu compoziii chimice preluate din
literatura de specialitate. Aceste oeluri au fost necesare pentru realizarea studiilor comparative
cu noua marc de oel (TRIP 4).
Conceperea unei tehnologii personale de prelucrare a oelurilor TRIP studiate care
include aplicarea tratamentului termic de normalizare dup deformarea plastic la cald i
asimilarea încercrii la impact cu operaia de deformare plastic la rece.
Înregistrarea video a modului de desfurare a solicitrii la oc pentru a observa etapele
care se succed în procesul de deformare plastic prin impact a elementelor din construcia
structurii caroseriei autovehiculelor.
microscopie electronic SEM au fost efectuate investigaii microstructurale, la diferite puteri
de rezoluie, asupra transformrii Fγ(A) → B + Arez (clirea bainitic) i Arez → M + Arez
(clirea martensitic).
Prin difracie de raze X au fost determinate:
- cantitatea de austenit ce se transform în bainit, la clire în baie de sruri;
- cantitatea de austenit rezidual care se transform- în martensit, la rcirea cu vitez
mare în aer.
Efectuarea cercetrilor experimentale privind comportarea la impact prin adoptarea
unor condiii similare cu cele reale, de exemplu viteza de impact corespunde unei deplasri a
autovehiculului cu 60 km/h.
Evidenierea capacitii de rspuns a fiecrui tip de oel solicitat mecanic la impact prin
determinarea modului de variaie a forei de rspuns (Fr) specific.
Aprecierea intensitii efectului TRIP pentru fiecare tip de oel studiat prin studiul
evoluiei cantitative a transformrilor structurale induse prin impact, dar i a procesului de
durificare a oelurilor.
46
Evaluarea modului de variaie a duritii oelurilor msurat dup fiecare operaie de
prelucrare tehnologic.
Direciile viitoare ale cercetrilor experimentale vor face referire la posibilitile de
îmbuntire a celor dou cerine impuse oelurilor TRIP:
- creterea capacitii de absorbie i disipare a energiei de impact;
- durificarea structural a aliajelor pentru asigurarea forei sale de rspuns în cazul
solicitrii la oc mecanic.
Pentru îndeplinirea acestor condiii sunt formulate unele teme de studiu pentru
continuarea cercetrilor personale:
Elaborarea i turnarea a cel puin patru noi oeluri, dintre care:
- dou oeluri s prezinte un coninut mai mare de carbon, meninându-le calitatea de
oeluri slab aliate cu mangan;
- dou oeluri s prezinte un coninut diversificat de elemente de aliere γ- gene, având
calitatea de mediu aliate i cu un coninut redus de carbon.
În acest mod vor putea fi realizate studii comparative asupra posibilitii de cretere a
cantitii de austenit rezidual necesar transformrii martensitice din finalul prelucrrilor
tehnologice.
Realizarea analizei transformrii structurale Arez → M indus prin plasticitate, în
condiiile specifice oelurilor TRIP slab aliate (TRIP1 i TRIP2) respectiv a oelurilor TRIP
mediu aliate (TRIP3 i TRIP4);
Stabilirea dependenei dintre valorile forei de impact (Fi) i a forei de rspuns (Fr),
pentru fiecare oel TRIP studiat. În acest mod va fi posibil determinarea valorii forei (Fr)
pentru care efectul TRIP s aib cea mai mare intensitate;
Analiza microscopic calitativ i cantitativ asupra tipurilor de constitueni structurali
formai în prezena diferitelor elemente de aliere prezente în compoziia chimic, sau a
tratamentelor termice aplicate;
Studiul asupra componenilor structurali care pot favoriza creterea duritii oelurilor,
dup solicitarea la impact, prin: durificarea mecanic i durificarea structural;
Optimizarea condiiilor de solicitare mecanic la impact pentru a obine cele mai
favorabile valori ale efectului TRIP;
47
Evaluarea procesului de deformare plastic la impact a oelurilor realizate, prin analize
bazate pe teoria dislocaiilor: determinarea evoluiei densitii de dislocaii i stabilirea
proceselor de micare, respectiv de blocare, a acestor defecte liniare;
Înlocuirea unor tratamente termice prezente în tehnologiile actuale cu alte variante de
prelucrare termic (de ex. aplicarea unei cliri de punere în soluie în locul normalizrii de dup
deformarea plastic);
Realizarea, prin deformarea plastic la rece a semifabricatelor obinute prin deformare
plastic la cald, a unor elemente din structura de rezisten a caroseriei autovehiculelor. În acest
mod se va trece la componenta implementrii funcionale a rezultatelor cercetrilor personale.
48
Bibliografie
1. Urbina, P.; Orta, P.; Ahuett-Garza, H., (2014), "Crashworthiness design based on a
simplified deceleration pulse", International Journal of Automotive Technology, 15 (6): 909-
917.
2. Kang, W.; Cho, S.; Huh, H.; Chung, D. Identification of dynamic behavior of sheet
metals for an auto-body with tension split Hopkinson bar; 0148-7191; SAE Technical Paper:
1998.
3. Rana, R.; Singh, S. B., 2016, Automotive Steels: Design, Metallurgy, Processing and
Applications. Woodhead Publishing.
4. Nakanishi, E.; Tateno, H.; Hishida, Y.; Shibata, K. New materials technology for
achieving both crashworthiness and weight reduction using energy-absorbing steel with higher
strain-rate sensitivity; 0148-7191; SAE Technical Paper: 1998.
5. Mintz, B., (2001), "Hot dip galvanising of transformation induced plasticity and other
intercritically annealed steels", International materials reviews, 46 (4): 169-197.
6. Sugimoto, K.-I.; Kobayashi, M.; Hashimoto, S.-I., (1992), "Ductility and strain-induced
transformation in a high-strength transformation-induced plasticity-aided dual-phase steel",
Metallurgical Transactions A, 23 (11): 3085-3091.
7. Krizan, D.; ANTONISSEN, J.; De Cooman, B. In Retained austenite stability in the
cold rolled CMnAlSiP micro-alloyed TRIP steels, 2004.
8. Zackay, V. F.; Parker, E. R.; Fahr, D.; Busch, R., (1967), "The enhancement of ductility
in high-strength steels", ASM Trans Quart, 60 (2): 252-259.
9. Heller, T.; Nuss, A., (2005), "Effect of alloying elements on microstructure and
mechanical properties of hot rolled multiphase steels", Ironmaking & steelmaking, 32 (4): 303-
308.
10. Heller, T.; Nuss, A. In Mechanical Properties and Behaviour of Hot-Rolled Retained-
Austenite (TRIP)-and Dual-Phase Steels, International Symposium on Transformation and
Deformation Mechanisms in AHSS. Proceedings. CIM, Vancouver, 2003; pp 7-20.
11. Hanzaki, A. Z.; PD, H.; Yue, S., (1995), "Hot deformation characteristics of Si-Mn
TRIP steels with and without Nb microalloy additions", ISIJ international, 35 (3): 324-331.
12. Pereloma, E. V.; Timokhina, I. B.; Hodgson, P. D., (1999), "Transformation behaviour
in thermomechanically processed C–Mn–Si TRIP steels with and without Nb", Materials
Science and Engineering: A, 273-275 448-452.
13. Coldren, A. P.; Eldis, G. T., (1980), "Using CCT Diagrams to Optimize the Composition
of an As-Rolled Dual-Phase Steel", JOM, 32 (3): 41-48.
14. Sung-Joon, K. I. M.; Gil, L. E. E. C.; Tae-Ho, L. E. E.; Chang-Seok, O. H., (2002),
"Effects of Copper Addition on Mechanical Properties of 0.15C-1.5Mn-1.5Si TRIP-aided
Multiphase Cold-rolled Steel Sheets", ISIJ International, 42 (12): 1452-1456.
15. Sugimoto, K.-I.; Muramatsu, T.; Hashimoto, S.-I.; Mukai, Y., (2006), "Formability of
Nb bearing ultra high-strength TRIP-aided sheet steels", Journal of Materials Processing
Technology, 177 (1): 390-395.
16. Sugimoto, K.-i.; Murata, M.; Muramatsu, T.; Mukai, Y., (2007), "Formability of
C–Si–Mn–Al–Nb–Mo Ultra High-strength TRIP-aided
Sheet Steels", ISIJ International, 47 (9): 1357-1362.
17. Chen, H. C.; Era, H.; Shimizu, M., (1989), "Effect of phosphorus on the formation of
retained austenite and mechanical properties in Si-containing low-carbon steel sheet",
Metallurgical Transactions A, 20 (3): 437-445.
18. Srivastava, A. K.; Jha, G.; Gope, N.; Singh, S., (2006), "Effect of heat treatment on
microstructure and mechanical properties of cold rolled C–Mn–Si TRIP-aided steel", Materials
Characterization, 57 (2): 127-135.
49
19. Bleck, W.; Schael, I., (2000), "Determination of crashrelevant material parameters by
dynamic tensile tests", Steel research, 71 (5): 173-178.
20. Mizui, N.; Fukui, K.; Kojima, N.; Yamamoto, M.; Kawaguchi, Y.; Okamoto, A.;
Nakazawa, Y., (1997), "Fundamental study on improvement in frontal crashworthiness by
application of high-strength sheet steels", SAE transactions, 205-210.
21. Salzbrenner, R.; Cohen, M., (1979), "On the thermodynamics of thermoelastic
martensitic transformations", Acta Metallurgica, 27 (5): 739-748.

Date post:	25-Aug-2021
Category:	Documents
Upload:	others
View:	6 times
Download:	0 times

CONCEPTE MODERNE PRIVIND OȚELURILE PENTRU STRUCTURA … · 2021. 5. 25. · Concepte moderne...

Documents