Transformation Induced Plasticity (TRIP) stål, är en typ av stållegering som uppvisar utmärkt hållfasthet och duktilitet. Transformationsinducerad plasticitet avser omvandlingen av kvarhållen austenit W till martensit W under plastisk deformation. Denna egenskap gör att TRIP-stål har en hög formbarhet, samtidigt som de bibehåller utmärkt hållfasthet. Vid bearbetning av metaller finns det i allmänhet en kompromiss som måste göras mellan styrka och duktilitet. [1] Detta visas av grafen i figur 1, som visar kompromissen mellan styrka och duktilitet under kallt arbete. Fördelen med TRIP-stål är att de har mycket högre duktilitet än andra stål med liknande hållfasthet. [2] Duktiliteten och styrkan hos TRIP-stål gör dem till en utmärkt kandidat för fordonstillämpningar. Strukturella komponenter kan faktiskt göras tunnare eftersom TRIP-stål har den formbarhet som krävs för att motstå höga deformationsprocesser såsom stansning, såväl som hållfastheten och energiabsorptionsegenskaperna för att uppfylla säkerhetsföreskrifter.
Innehåll
Underliggande materialvetenskapliga principer
TRIP Stålkomposition
Trip steels är hypoeutektoida järnkollegeringar som vanligtvis innehåller 0,1 – 0,4 viktprocent kol. TRIP-stål innehåller också legeringselement som förhindrar utfällning av den kolhaltiga cementit- W -fasen som finns i typiska stål vid rumstemperatur. Detta höjer kolkoncentrationen i austenitfasen, som blir stabil vid rumstemperatur. Kisel och aluminium är de två vanligaste grundämnena som används för att stabilisera austenitfasen vid rumstemperatur. [4] Andra legeringsämnen som titan, niob, vanadin...ect. kan också läggas till för att förbättra legeringens styrka.
Bearbetningsmetod
För att få fram ett starkt och formbart TRIP-stål används en interkritisk glödgningsprocess för att få rätt fasfördelning. [5] Under interkritisk glödgning bringas stålet till en temperatur över eutektoiden W , där materialet är sammansatt av en fast austenitfas och en fast ferritfas. Austenitfasen är en fast fas med hög temperatur som endast existerar i jämvikt vid temperaturer över 727 grader Celsius. [6] Materialet kyls sedan isotermiskt till en temperatur på cirka 400 grader Celsius, [4] för att tillåta austeniten att bilda en banitisk ferritfas. Under den eutektoida omvandlingen produceras överskott av kol genom bildandet av ferritfasen med låg kolhalt. I en typisk stållegering skulle överskottet kol bilda en cementitfas med hög kolhalt. Kislet och aluminiumet förhindrar dock bildningen av cementit. Följaktligen diffunderar överskottet av kol till den återstående austenitfasen. För att erhålla den korrekta mikrostrukturen är det viktigt att den isotermiska omvandlingen slutförs vid en temperatur där bildningen av bainitisk ferrit är tillräckligt långsam för att tillåta kolet att diffundera till austeniten. Den kolberikade austenitfasen når så småningom en tillräckligt hög kolhalt för att den är stabil vid rumstemperatur. [7] Resultatet av den interkritiska glödgningsprocessen är ett material som huvudsakligen består av ferrit och bainit W som bildas från austenitfasen under interkritisk glödgning, såväl som dispergerade kvarhållna austenit- och martensitfaser. Kornmikrostrukturen kan ses i figur 2 som visar ett schema över faserna och figur 3 som visar ett mikrofotografi taget med ett svepelektronmikroskop W . Figur 4 visar den interkritiska glödgningsprocessen på järnfasdiagrammet. Figur 5 visar kolkoncentrationen i ferrit- och austenitfaserna under den interkritiska glödgningsprocessen.
"TRIP"-effekten
Det transformationsinducerade plasticitetsfenomenet inträffar när den kvarhållna austeniten omvandlas till martensit under plastisk deformation. [1] Omvandlingen av kvarhållen austenit ger en martensitfas med hög kolhalt som är mycket spröd. Den kvarhållna austeniten är emellertid mycket fint dispergerad i ferritfasen. Denna fina spridning gör att TRIP-stål behåller sin styrka. Omvandlingen av austenit till martesit är nästan omedelbar och helt diffusionsfri. [8] I TRIP-stål bildar plastisk deformation matensitkärnbildningsställen i mikroskopiska områden med stora deformationer. [9] Dessa kärnbildningsställen utlöser bildandet av martensitfasen. Kärnbildningsområdena är kända som skjuvband, där kristallografiska defekter W som tvillingar eller staplingsförkastningsbuntar finns.
Materialegenskaper hos TRIP Steels
En typisk teknisk spännings-töjningskurva för TRIP-stål visas i figur 6. Som kan ses har TRIP-stål en stor mängd arbetshärdning. Den höga arbetshärdningen kan tillskrivas TRIP-effekten, samt att TRIP-stålen i första hand består av mjuk ferrit och hård bainit. Denna "dubbelfasiga" natur tillåter lokal deformation av ferritfasen samtidigt som en hög draghållfasthet bibehålls. I själva verket är deras draghållfasthet W typiskt två gånger värdet av deras sträckgräns W . [2] Detta innebär att TRIP-stål också uppvisar mycket stabil arbetshärdning, där insnörning sker vid relativt höga töjningsvärden (över 25%). Detta gör TRIP-stål idealiska för formningsoperationer som stansning eller bockning. Formningsoperationer begränsas ofta av förlust av hållfasthet hos komponenten på grund av väggförtunning, eller bristning på grund av att materialet nått sin formningsgräns. TRIP-stål är idealiska för sådana operationer eftersom de har en hög formbarhetsgräns och har stabil sträckgränsförlängning vilket ökar den strukturella integriteten hos formade komponenter.
Förbättring av prestanda hos TRIP-stål
Förbättring av den galvaniserade ytfinishen hos TRIP-stål
Varmförzinkning W är en mycket använd ytbehandling för stål. Under processen binder smält zink till järnet och bildar ett lager som skyddar mot korrosion. Original TRIP-stål innehöll endast kisel som legeringselement som användes för att undertrycka bildningen av cementitfasen. Halten av kisel i dessa legeringar var cirka 1,5 viktprocent. Denna relativt höga kiselhalt bildade kiseloxid vid stålets yta före galvaniseringsprocessen. [10] Denna oxid försämrade kraftigt egenskaperna hos den galvaniserade ytbeläggningen. [4] Nyare TRIP-stål har delvis eller helt ersatt kisel med aluminium som legeringskomponent. Aluminiumet spelar samma roll som kislet, men har inga negativa effekter på ytfinishen vid galvanisering. Därför kan kiselhalten minskas samtidigt som stålets TRIP-egenskaper bibehålls.
Höghållfast mikrolegering av TRIP-stål
Basic TRIP-stål har en draghållfasthet på cirka 600 MPa. Men genom att variera legeringsinnehållet kan TRIP-stål ha en draghållfasthet över 800 MPa. Detta åstadkoms först genom att höja kolhalten i legeringen till ungefär 0,4 viktprocent. [1] Denna höga kolhalt leder dock till dålig svetsbarhet. Dessutom blir den kvarhållna austeniten mer stabil på grund av den ökade kolhalten, vilket minskar formbarheten hos TRIP-stålet. Istället för att öka kolhalten kan legeringselement som titan, niob och vanadin användas för att ge TRIP-stål extra draghållfasthet. [1] Dessa legeringselement ökar stålets hållfasthet genom utfällningshärdning W , samtidigt som de har en minimal effekt på svetsbarhet och formbarhet.
Förbättra bränsleeffektiviteten hos bilar
TRIP-stål är ett idealiskt val för konstruktionsmaterial i bilar. De har den duktilitet och stabila arbetshärdning som krävs för att motstå höga deformationsprocesser såsom stansning. Dessutom gör deras höga draghållfasthet dem idealiska för mycket belastade komponenter. Slutligen har de utmärkta energiabsorberande egenskaper på grund av sin duktilitet och styrka, vilket kan förbättra fordonssäkerheten under en krock. På grund av dessa fördelaktiga egenskaper kan TRIP-stål användas i mindre kvantiteter för att ersätta nuvarande stålkomponenter. Detta är känt som "down-gauging", där tunnare stålplåtar används för att forma komponenter.
Uppskattning av viktminskning
Ungefär 55 procent av vikten av en genomsnittlig personbil är gjord av stål. [11] Det har visat sig att volymen av en formad plåt av mjukt stål kan minskas med 20 procent genom att använda TRIP-stål, samtidigt som samma styvhet bibehålls. [12] Därför kan det antas att användningen av TRIP-stål skulle kunna minska stålmassan på ett fordon med 20 procent och den totala fordonsmassan med 11 procent.
Effekten av viktminskning på bränsleeffektiviteten
Andelen förbrukat bränsle som går direkt till att återvinna tröghetsförluster från bromsning är 5,8 procent. [13] Viktbesparingarna genom att använda TRIP-stål skulle minska mängden tröghetsförluster med 11 procent, eftersom kinetisk energi är direkt proportionell mot massan. Det betyder att användning av TRIP-stål kan leda till en minskning av den totala bränsleförbrukningen med 0,64 procent.
Observera att detta är ett extremt konservativt antagande eftersom rullmotståndet W också är beroende av massan och inte ingick i detta exempel.
Effektens storlek på global skala
Om vi antar att ett genomsnittligt passagerarfordon förbrukar 10L/100 km (23,5 mpg), och att en genomsnittlig bil åker 20 000 km (12500 miles) på ett år, översätts viktbesparingarna till en årlig minskning av bränsleförbrukningen med 12,8 liter (3,33 gallons). ). 2007 fanns det 136 miljarder personbilar i USA. [14] Detta betyder att användning av TRIP-stål vid fordonstillverkning har potential att minska bränsleförbrukningen med 1,74 miljarder liter (460 miljoner gallon). Detta motsvarar en minskning av koldioxidutsläppen på 4,18 miljarder kg (1,9 miljarder lbs), vilket är en minskning med 0,07 % av USA:s totala koldioxidutsläpp. [15]
Ekonomin för TRIP-stål
Steel is commonly used because of its strength, formability and low cost relative to other metals. Metals such as titanium, magnesium, and aluminum have a higher strength to weight ratio and could offer significant weight savings in automobile components. However, they are much more expensive due to their lower abundance, higher production costs, and higher machining costs. As well, worldwide supply of these metals is fairly limited. These factors prevent these metals from being commonly used in low end production cars, which the majority of the population drives. TRIP steels do not face any of these difficulties, because they are a low alloy steel. Implementing the intercritical annealing step in steel processing should not prove to be difficult. This means that TRIP steels could be produced for the same price as other high strength steels. The most important barrier TRIP steels have faced in their market integration is the poor galvanizing surface finish. The galvanizing process is used on a large number of automotive components, because it is easy, inexpensive, and effective. With the recent discovery of aluminium as a replacement for silicon, TRIP steels no longer face past difficulties with galvanizing. TRIP steels can now be effectively protected from corrosion in an economically viable way, which means we may be seeing commercial production of TRIP steel products in the near future.
References
- ↑ Jump up to: 1.0 1.1 1.2 1.3 M. Zhang & Al., "Continuous cooling transformation diagrams and properties of micro-alloyed TRIP steels", Materials Science and Engineering A 438-440, 2006.
- ↑ Jump up to: 2.0 2.1 U.S. Steel TRIP Steels (2009) Available: http://web.archive.org/web/20111007042208/http://xnet3.uss.com/auto/tech/grades/TRIP_main.htm
- ↑ A. Mark, "Microstructural Effects on the Stability of Retained Austenite in Transformation Induced Plasticity Steels", Ph.D. Thesis, Queen's University, 2007.
- ↑ Jump up to: 4.0 4.1 4.2 S. Chatterjee & Al., "Delta TRIP steel", Materials Science and Technology, Vol 23 No 7,819-827, 2007.
- ↑ E. Emadoddin & Al. "Effect of cold rolling reduction and intercriticalannealing temperature on the bulk texture oftwo TRIP-aided steel sheets", Journal of Materials Processing Technology 203, 293-300, 2008.
- ↑ William D. Callister, "Materials Science and Engineering An Introduction", 7th edition, Wiley, 2007. p.292
- ↑ Qiang Liu & Al., "Research and development of 780 MPa cold rolling TRIP-aided steel", International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials, Vol 16, Num 4, 399-406, 2009.
- ↑ William D. Callister, "Materials Science and Engineering An Introduction", 7th edition, Wiley, 2007. p.331
- ↑ GB Olson, Morris Cohen, "Kinetics of Strain-Induced Martensitic Nucleation", Metallurgical Transactions A, Vol 6A, 971, 1975.
- ↑ Wolfgang Bleck, "Att använda TRIP-effekten – gryningen av en lovande grupp av kallformbara stål", Internationell konferens om TRIP-stödda höghållfasta järnlegeringar
- ↑ "Hur mycket stål finns det i den genomsnittliga bilen?", Driving Today, 15 september (1999), tillgängligt: http://www.drivingtoday.com:80/wcco/news_this_week/1999-09-15-306-driving /index.html
- ↑ W. Li & Al., "Application of TRIP Steel to Replace Mild Steel in Automotive Parts", Internationell konferens om avancerade höghållfasta stålplåtar för fordonstillämpningar, 31-36 juni 2004
- ↑ "Advanced Technologies and Fuel Efficiency", tillgängligt: http://www.fueleconomy.gov/FEG/atv.shtml
- ↑ "Number of US Aircraft, Vehicles, Vessels, and Other Conveyances", Bureau of Transportation Statistics, tillgängligt: http://web.archive.org/web/20170717020755/https://www.bts.gov/publications/national_transportation_statistics /html/table_01_11.html
- ↑ "CO2 Emissions per Capita United States", Google Public Data, Tillgänglig: http://www.google.com/publicdata?ds=wb-wdi&met=en_atm_co2e_pc&idim=country:USA&q=us+carbon+dioxide+emissions