Teräksen ominaisuudet määräytyvät sen mikrorakenteen eli faasien mukaan – käytännössä siitä, miten raudan ja hiilen atomit asettuvat hilamalliin. Alle 725 °C:n lämpötilassa teräksessä esiintyy pehmeää ja sitkeää ferriittiä, johon mahtuu vain hyvin vähän hiiltä. Korkeammissa lämpötiloissa syntyy austeniittia, johon hiiltä liukenee enemmän. Jäähtyessään austeniitti muuttuu ferriitiksi ja perliitiksi, joka antaa teräkselle kohtalaisen lujuuden ja muovattavuuden.
Lujempaa rakennetta seosaineilla
Puhdas ferriitti on pehmeää ja vähälujuuksista, joten rakenteellista vahvuutta haetaan lisäämällä seosaineita. Hiili-mangaaniteräkset tarjoavat edullisen tavan kasvattaa lujuutta, mutta niiden muovattavuus on rajallinen, minkä vuoksi niitä käytetään lähinnä rakenteellisissa osissa. 1980-luvulla kehitetyt mikroseostetut HSLA-teräkset (High Strength Low Alloy) lisäsivät ferriitin lujuutta pienten titaani-, niobium- ja vanadiummäärien avulla ilman suurta venymän menetystä.
Myöhemmin teräksenvalmistajat ottivat käyttöön nopean jäähdytyksen eli karkaisun, joka mahdollisti erittäin kovan martensiitin muodostamisen. Tämä johti 2000-luvun alussa ensimmäisen sukupolven Advanced High-Strength Steel (AHSS) -laatujen kehitykseen.
Ensimmäisestä sukupolvesta eteenpäin
Yleisimpiä AHSS-laatuja ovat kaksifaasiteräkset (DP), joissa pehmeä ferriitti ja kova martensiitti muodostavat tasapainoisen yhdistelmän. Martensiitin osuus voi vaihdella 10–40 prosenttiin, ja sen määrä määrittää teräksen lujuuden. Koska suurin osa rakenteesta on ferriittiä, DP-teräkset ovat hyvin venyviä lujuuteensa nähden.
TRIP-teräkset (Transformation Induced Plasticity) menevät vielä pidemmälle. Niiden erityispiirre on säilynyt austeniitti, joka muodonmuutoksen aikana muuttuu martensiitiksi. Tämä muutos lisää teräksen plastisuutta ja mahdollistaa samanaikaisesti korkean lujuuden ja erinomaisen muovattavuuden.
Kun tarvitaan parempaa leikattujen reunojen venymistä, käytetään ferriitti-bainiitti- ja kompleksifaasiteräksiä (CP). Bainiitti on martensiittia sitkeämpi, ja CP-teräksissä sitä yhdistetään saostuslujitettuun ferriittiin sekä pieniin määriin martensiittia ja austeniittia. Näin saadaan materiaaleja, joilla on hyvä reunasitkeys ja korkea myötölujuus.
Kolmannen sukupolven teräkset: älykkäästi yhdistetyt faasit
Toisen sukupolven TWIP-teräkset (Twinning Induced Plasticity) muodostuvat pelkästä austeniitista. Ne ovat samanaikaisesti erittäin lujia ja venyviä, mutta vaativat runsaasti seosaineita, mikä tekee niiden valmistuksesta ja hitsauksesta haastavaa ja kallista.
Uusimmat, niin sanotut kolmannen sukupolven AHSS-teräkset, yhdistävät eri faaseja hallitusti: ferriittiä, bainiittia, martensiittia ja austeniittia. Säilynyt austeniitti antaa niille TRIP-vaikutuksen ansiosta erinomaisen yhdistelmän lujuutta ja muovattavuutta. Nykyaikaiset hehkutuslinjat mahdollistavat mikrorakenteen tarkan räätälöinnin kunkin auton osan tarpeiden mukaan.
Nykyisin maailmalla on käytössä jo lähes 70 erilaista kehittynyttä korkean lujuuden teräslajia. Teräs ei enää ole pelkkä raaka-aine, vaan tarkkaan suunniteltu insinöörimateriaali, jonka mikrorakenne ratkaisee sen suorituskyvyn – ja joka pysyy keskeisessä roolissa autoteollisuuden kehittyessä kohti yhä kevyempiä ja vahvempia rakenteita.
Danny Schaeffler on WorldAutoSteelin julkaisemien AHSS Applications Guidelines -ohjeiden metallurgian ja muovauksen tekninen toimittaja. Hän on Engineering Quality Solutions (EQS) -yrityksen perustaja ja toimitusjohtaja. Danny on kirjoittanut Science of Forming- ja Metal Matters -kolumneja Metalforming Magazineen sekä pitänyt levymetallin muovattavuuteen liittyviä seminaareja Auto/Steel Partnershipin ja Precision Metalforming Associationin tilaisuuksissa. Hän on myös kirjoittanut Stamping Journal- ja The Fabricator -lehtiin sekä luennoinut FabTech-messuilla. Danny on intohimoinen kouluttamaan sekä uusia että kokeneita teollisuusalan työntekijöitä siitä, miten levymetallien ominaisuudet vaikuttavat muovausprosessien onnistumiseen.
Käännös ja tiivistäminen: Toimitus
Kuvat: Pexels
Lähde: World Steel Association AISBL
