Daha güçlü otomotiv çeliklerinden tam olarak yararlanmanızı sağlayan şekillenebilirlik testleri

Ultra yüksek dayanımlı çelik (UHSS) otomotiv uygulamalarında daha da yaygınlaştıkça, çarpma güvenliği artmaya devam edecek, parça ağırlıkları daha da düşecek ve bundan birçok OEM faydalanacaktır. Diğerleri ise faydalanamayacak. Bazı üreticiler, tek bir basit faktörden dolayı ultra yüksek dayanımlı çeliğin potansiyelinden tam olarak yararlanmamaktadır: çekme testindeki yetersiz uzama sonuçları. Bu, yaygın bir kanı olmasına rağmen yanlıştır. Ultra yüksek dayanımlı çeliğin şekillenebilirliğini ölçmenin daha doğru yolları vardır ve çeliklerin karmaşık şekillere güvenilir bir şekilde getirilebileceğini kanıtlarlar.

Çekme testiyle ilgili sorun

Ultra yüksek dayanımlı çelik, otomotiv sektöründe yerleşmiş bir malzemedir ve sıklıkla belirli yapısal gövde takviyelerinde, tampon takviyelerinde, kapı darbe kirişlerinde ve koltuk çerçeveleri ve mekanizmalarında kullanılır.

Ultra yüksek dayanımlı çelik, 5 yıldızlı çarpışma derecelerine ulaşılmasına ve parça ağırlığının yüzde 40'a varan oranlarda azaltılmasına yardımcı olur. Aynı zamanda OEM'lerin maliyetten tasarruf etmesini ve üretim verimliliğini artırmasını sağlarken, pazarda rekabet gücü daha yüksek olan daha yenilikçi parça tasarımları geliştirmesine olanak tanıyor.

Avantajlarına rağmen, pek çok OEM halen daha yumuşak çelik sınıflarını tercih ediyor ve rekabet avantajını kaçırıyor. Bunun nedeni, şekillenebilirlik konusunda düşünürken sadece çekme testlerinin germe sonuçlarına güvenmeleridir.

"Çekme testi en sık kullanılan testtir," diye açıklıyor SSAB Kıdemli Şekillendirme Uzmanı Dr. Lars Troive. "Burada amaç, numuneyi kopuncaya kadar çekmektir. Daha sonra uzunluğunun ne kadar arttığını ölçersiniz. Bu durum, uzama olarak kabul edilir. Örneğin, test parçası ölçümde 80 milimetre ise ve çatlamadan önce 88 milimetre olursa, bu yüzde 10 uzamayı temsil eder."

Devam ediyor: "Çekme testi çeliklerin şekillenebilirliğini değerlendirmek için uzun zamandır en yaygın uygulama olsa da, modern, daha güçlü çelik sınıfları bu yöntemle doğru şekilde temsil edilemez. Bunun nedeni, bu daha güçlü çeliklerin farklı davranması ve geleneksel yumuşak çelik sınıflarına kıyasla daha fazla lokal plastik deformasyon oluşturmasıdır."

Ultra yüksek dayanımlı çeliğin davranışını tahmin etmenin daha doğru bir yolu, şekillendirme sınır eğrisi olarak da bilinen bir şekillendirme sınırı şemasının (FLD) oluşturulmasıdır. Tek bir FLD, farklı numune geometrileri kullanılarak gerçekleştirilen çeşitli malzeme kırılma testlerinin (delikli kubbe testleri) grafik açıklamasını sağlar. Her numune (örn. özel yapım çelik) benzersiz bir genişlik-uzunluk oranına sahiptir ve bu da kırılmaya kadar farklı deformasyon modlarıyla sonuçlanır. Kendi gerinim yollarına sahip olduklarından, farklı şekilde deforme olacaklardır .

Bir FLD testi yapılmadan önce, her numune önce beyaza boyanır, ardından "benekli desen" şeklinde spreylenerek rastgele dağıtılan siyah noktalarla kaplanır. Siyah desenle iyi bir kontrast elde etmek için beyaz baz rengi uygulanır.

Testler sırasında, benek deseni presin içine yerleştirilmiş olan iki kamera tarafından fotoğraflanır. Kameralar, tüm şekillendirme işlemi süresince her noktanın hareketlerini yakalar ve böylece kırılmaya kadar giden gerinim yolunun tahmin edilmesine olanak tanır. Farklı (boş) geometrilerin her birinde delikli kubbe testi yaparken, her test için iki değer elde edersiniz: ana gerinimler ve küçük gerinimler. FLD daha sonra elde edilen tüm gerinim değerlerini bağlayan bir çizgi ile X-Y şeması olarak çizilir. Bu eğri, çeliğin ayrılma (çatlama) açısından yüksek risk altında olduğu şekillendirme sınırını gösteriyor.

rastgele noktalı benek deseni
şekillendirme sınır şeması üzerine çizilen büyük ve küçük gerinimler

Şekil 1: Rastgele nokta benek deseni (sol resim) ve şekillendirme sınırı şeması (FLD; sağ resim) üzerine çizilen büyük ve küçük gerinimler.

Diğer bir deyişle şekillenebilirlik testi, gerinim durumuna ve malzemenin deformasyonuna bağlı olarak, çeliği çatlatmaksızın ne kadar ileri gidebileceğinizi belirler.

Ultra yüksek dayanımlı çeliğin, uzama değerlerinin size söylediği değerin çok ötesinde şekillendirilebileceğine dair kanıt görmek için, Şekil 2'deki çekme kaplara bakın.

çok yumuşak ila ultra yüksek dayanımlı çeliklerden oluşan bir aralıktan yapılmış, çekme kaplar

Şekil 2: Çok yumuşak ila ultra yüksek dayanımlı çeliklerden, örn. 1400Mpa dayanıma sahip 1400M ile yapılmış çekme kaplar.

Daha doğru UHSS şekillendirme testi sonuçları

Troive, "Görsel olarak, FLD testinden elde edilen ince bir numune, çekme testi numunesiyle neredeyse aynı biçimde şekilleniyor," diyor. "Çekildiğinde ortadan daralır, tıpkı çekme testi numunesi gibi; buna "tek eksenli deformasyon" denir. Peki o zaman germe testi sonucu FLD test sonucundan neden farklı?"

Troive, "Kırılma sonrasında ölçülen bir çekme testi numunesine 2mm x 2mm boyutunda kare şeklinde bir ızgara paterni uygulayarak basit bir test gerçekleştiriyoruz," diye devam ediyor. "2 milimetrelik bir mesafede oluşan şey, yüzde olarak bakarsak, çekme testlerinde kullanılan ölçü olan 80 milimetrelik bir uzunluk üzerinde oluşan duruma kıyasla çok daha büyüktür. Testlerde toplam uzama milimetre cinsinden 80 milimetreye bölünür, yani bu uzunluk üzerinden ortalama bir uzama hesaplanır."

2 milimetrelik bölgesel gerilme

Şekil 3: Örneğin 2 milimetrenin (ızgara) üzerinde %20 yerel gerinim, genellikle çekme testlerinde yapıldığı gibi, aynı UHSS çeliğinin 80 milimetrelik bir genişlikte test edilmesiyle görülenden yüzde olarak çok daha fazladır.

Bu, iki testin (çekme ve FLD) test sonuçlarında neden bu kadar büyük bir fark yarattığını ve bir UHSS çeliğinin ne kadar şekillendirilebileceğine ilişkin çok farklı sonuçlar doğurduğunu açıklar.

 

FLD'nin yorumlanması

FLD ultra yüksek dayanımlı çeliklerde belirli bir sınıfın nasıl şekillendirilebileceğine ilişkin en doğru verileri sağladığından, sonuçların nasıl yorumlanacağını anlamak şarttır.

Günümüzde, şekillendirme sürecinin sonlu eleman (FE) simülasyonları otomotiv sektöründe yaygın olarak kullanılmaktadır. Buna bağlı olarak, hesaplanan gerinimlerin güvenli şekillendirme bölgesinde olup olmadığını veya kırılmaya yakın olup olmadığını gösterebildiğinden FLD çok önemli bir araçtır.

FLD üç bölüme ayrılabilir:

  • Sağda eş çift eksenli (gerilme).
  • Ortada düzlem gerilmesi.
  • Solda yalın kesme (çizim).

Troive açıklıyor: "FLD diyagramı, farklı gerinim yolları ile bir dizi malzeme kırılma testinin grafik bir açıklamasını sağlamaya çalışır. Temel olarak, şekillendirme sınırı eğrisinin altında kalan alanın şekillendirme işlemleri için güvenli olduğu düşünülür. Stampalama sürecinde veya malzeme özelliklerindeki küçük farklılıklardan dolayı, olası bir dağılım marjı bırakmak için eğriyi biraz düşürmek yaygındır. FLD'ler; gerinim ölçümlerinde veya şekillendirme simülasyonlarında kırılma kriteri olarak yaygın biçimde kulanılıyor."

"Ancak FLD'nin kırılmayı öngöremediği birkaç durum vardır. Bunlardan biri kesilmiş kenarlardır. Kesme kenarlarının sünekliği, işlenmemiş parçanın nasıl kesildiğine büyük ölçüde bağlıdır. Örneğin, doğru kesme açıklığı kullanıldı mı? Aletler keskin miydi? Bunun gibi şeyler. Böyle bir durumda, bunun yerine pratik bir teste güveniyoruz ve sonuçları kenar üzerindeki gerinim düzeyiyle karşılaştırıyoruz," diyor Troive. (Daha fazla bilgi için, Docol®'un isteğe bağlı web semineri "AHSS kenar sünekliği için sorun çözme yaklaşımları"nı izleyin.)

Farklı şekil ve biçimlendirme türleri, malzemeyi farklı şekillerde deforme olmaya zorlar. Genel olarak en kötü senaryo, bir parçanın yalın düzlem gerinim koşulunda şekillendiği durumdur. Basit eğilme bu tür şekillendirme işlemine bir örnektir ve kırılmaya giden en kısa gerinim yolu ile sonuçlanır. Bazen bir gerinim yolu değiştirilebilir. Bunun yollarından biri, malzemenin sıkışmasını önlemek için işlenmemiş parçanın geometrisini optimize etmek gibi basit bir yöntem olabilir, böylece malzeme gerilmek yerine çekilir.

 

Çekme ve FLD testlerinin sonuçlarını karşılaştırma

Tarihsel olarak bakıldığında, otomotiv üreticileri daha yumuşak çeliklerle çok çalıştı ve çekme ve FLD testleri arasındaki sonuçlar oldukça benzerdi. Bununla birlikte, çekme testi - tarihsel olarak - daha gelişmiş ve dolayısıyla daha yaygındır. Sadece çekme testi kullanmanın riski, daha güçlü çelikler kullanma fırsatlarının kaçırılmasıdır. Lars Troive şöyle açıklıyor:

"Sadece çekme testi verilerine bakarsanız, her şeyin imkansız olduğunu düşünebilirsiniz. Bunun yerine şekillenebilirliğe bakarsanız, şekillendirme süreci için hedeflenen gerçek alanda, 10'dan 20'ye artış gibi neredeyse yüzde 100'lük bir artıştan bahsediyoruz. Bir otomotiv uygulaması için, sadece uzamaya bakmak yerine şekillendirme sınırı diyagramına bakıldığında pek çok farklı olasılık ortaya çıkmaktadır."


80 çekme testi (beyaz kareler) ve FLD testi 2 mm (gri kareler) (sonuçlar % olarak verilmiştir).

Şekil 4: 80 çekme testi (beyaz kareler) ve FLD testi 2mm (gri kareler) (sonuçlar % olarak verilmiştir).

Hem çekme dayanımı testi hem şekillendirme testinden elde edilen uzama sonuçları çizildiğinde, çeliğin dayanımı arttıkça fark kolayca görülebilir.

 

UHSS'nin şekillenebilirliğinin gerçek dünyada kanıtlanması

Birçok otomotiv OEM şirketi malzeme seçiminde FLD verilerine güvenmektedir. Bu nedenle, ekstrem yüksek çekme dayanımına sahip ultra yüksek dayanımlı çeliğin otomotiv uygulamalarında şekillendirilebileceğine dair kanıt zaten mevcuttur.

Örneğin Shape Corp., 3D haddeli şekillendirmeli Docol® 1700MPa martensitik çelikle daha hafif, daha güçlü ve daha az yer kaplayan tavan rayları ve A sütunları yarattı. Bu daha kompakt tasarımlar, Ford 2020 Explorer ve 2020 Escape hava yastıklarının yerleşimini optimize ederken iç mekan ve sürücü görünürlüğünü artırır.

Daha yüksek dayanımlı çeliklerden yararlanmanın ek avantajları

Optimize edilmiş ultra yüksek dayanımlı çelik seçimi, daha yüksek çarpışma performansına ve ağırlığın azaltılmasına olanak tanır ve otomotiv üreticilerine başka değerli avantajlar da sağlayabilir:

  1. Daha az malzeme kullanılır: Ultra yüksek dayanımlı çeliğin eşsiz dayanımı ve teknik özellikleri, OEM'lerin bir araba parçası üretmek için gereken malzeme miktarını, daha ince parça duvarları sayesinde azaltmasına olanak tanır.
  2. Daha düşük maliyetli malzemeler kullanılır: Ultra yüksek dayanımlı çelikler, hem malzeme maliyetine hem de şekillendirme maliyetleri açısından diğer yüksek dayanımlı hafif malzemelere göre çok daha uygun maliyetli olabilir.
  3. Şekillendirmesi daha düşük maliyetlidir: Daha yumuşak çeliklere kıyasla daha güçlü takım parçalarına yatırım yapmanız gerekse de, UHSS çelikler normalde geleneksel üretim ekipmanlarıyla şekillendirilerek, zaten sahip olduğunuz makinelerden yararlanmanıza olanak tanır.
  4. Daha az enerji kullanarak daha hızlı şekillendirme: Sıcak haddelenmiş boron çeliğin yerine, soğuk şekillendirilmiş AHSS çelikler kullanabilirsiniz. Bir yandan üretim süresini kısaltırken, diğer yandan karmaşık sıcak stampalama kalıplarına (ısıtma ve soğutma için de fazla enerji gerektiren) ihtiyaç duymayarak paradan tasarruf edersiniz.
  5. Kaynaklanabilirlik: Birçok ultra yüksek dayanımlı çelik, yalın kimyasal bileşimleri nedeniyle standart kaynak prosesleri kullanılarak kaynaklanabilir.

 

Otomotiv parçaları tasarım potansiyelinizi en üst düzeye çıkarın

Otomotiv parçaları için ultra yüksek dayanımlı çelik seçtiğinizde, muhteşem inovasyon olanakları elde edersiniz. Ancak, şekillenebilirliği değerlendirmek için sadece çekme testlerinden elde edilen uzama verilerine güvenilmesi, daha yumuşak bir çeliğin seçilmesine ve iyileştirme fırsatlarının kaçırılmasına yol açacaktır. Bunun yerine, ultra yüksek dayanımlı çelik seçiminizden en iyi şekilde yararlanmak için şekillendirme sınırı diyagramına bakın.

Belirli bir UHSS çeliğin, otomotiv uygulamanız için yeterince şekillendirilebilir olup olmadığını belirlemede SSAB uzmanlığından yararlanak ister misiniz? Öyleyse lütfen yerel Docol® temsilcinizle görüşün.

180