Moderne höchstfeste Stahlwerkstoffe für die Automobilindustriefiles.messe.de/abstracts/47644_16_00_hoechstfeste_stahlblechwerkstoffe_.pdf · TRIP / TWIP Stähle konventionelle Stähle

© Dr.-Ing. habil. M. Schaper 04/2012

Moderne höchstfeste

Stahlwerkstoffe

für die Automobilindustrie

Dr.-Ing. habil. M. Schaper

Leibniz Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde

Prof. Dr.-Ing. habil. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. Fr.-W. Bach

Verformungs- und Verfestigungsmechanismen moderner Stahlwerkstoffe © Dr.-Ing. habil. M. .Schaper



Seite 2

ideale Umformeigenschaften

das ideale Blech: • Beginn der plastischen Verformung bei kleiner Streckgrenze

• keine Streckgrenzenerscheinungen

• gleichmäßige und starke Verfestigung

• hohe Gleichmaßdehnung

• keine Rückfederung

• Verfestigung nach der Verformung

• Verformungsreserven für den Crash

• leicht

Dehnung in MPa

Span

nung

in M

Pa

Zugfestigkeit

Streckgrenze Gleichmaßdehnung

Coilinspektion




Seite 3

Produktportfolio

100

90

80

70

60

50

40

30

20

200

0

Bru

ch

deh

nu

ng

in

%

300 400 500 600 700 800 900 1000 1100

Zugfestigkeit in MPa

10

Fe-Mn-Al-C-Stahl

Fe-Mn-Al-Si-

TWIP-Stahl

Fe-Mn-Al-Si-

Trip-Stahl konv. Trip-Stahl

DP-Stahl

CP-Stahl

DC06

MS-Stahl

IF(HS)

DC01-05

ZStE

BH-Stahl

austenitischer rostfreier Stahl

22MnB5* lufthärtender-Stahl*

* gilt für das Endprodukt




Seite 4

Dualphasen-Stahl

Komplexphasen-Stahl

Bake-Hardening-Stahl

vergütbare

Stähle

TRIP / TWIP

Stähle

konventionelle

Stähle

Übersicht

TRIP-Stahl

hoch manganhaltige Güten

- TRIP-Effekt

- TWIP-Effekt

- andere

22MnB5

Lufthärtender Stahl

gute Verformbarkeit mit

starker Verfestigung

sehr gute Verformbarkeit auf

hohem Festigkeitsniveau

beste Verformbarkeit auf

höchstem Festigkeitsniveau




Seite 5

Dualphasen-Stahl

Komplexphasen-Stahl


vergütbare

Stähle

konventionelle

Stähle

Übersicht

22MnB5






TRIP / TWIP

Stähle

TRIP-Stahl


- TRIP-Effekt

- TWIP-Effekt

- andere






Seite 6

Dualphasenstahl

Anforderung:

starke Verfestigung während der Umformung

Gefüge: ferritisch mit 5 % bis 10% Martensit

Festigkeit: Re~ 300 - 600 MPa

Rm~ 500 - 800 MPa

BH2 ~ 40 MPa

Bruchdehnung: bis 20%

Legierung:

C<0,2%; Mn<2,5%; Si<0,8%; Al<1,5% Cr+Mo<1%

Gefüge eines DP 600

Vorteile:

kostengünstig

starke Verfestigung

Forschungsbedarf:

höhere Endfestigkeiten

50µm 50µm50µm50µm 50µm50µm

Gefüge

(schematisch)

zweiphasiges Gefüge durch

Abschrecken aus dem Austenit/Ferrit-

Gebiet

Umformgrad

Flie

ßsp

an

nu

ng

kf i

n M

Pa

50 µm




Seite 7

Bake-Hardening-Stähle

Anforderung: starke Verfestigung (nach der Verformung)

Vorteile:

Festigkeitszunahme nach der

Umformung

Forschungsbedarf:

Auswirkung bei neuen

Stahlgüten

Gefüge: ferritisch mit gelöstem C

Festigkeit: Re~ 180 - 360 MPa

Rm~ 300 - 480 MPa

BH2 ca. 40 MPa

Bruchdehnung: 26 – 34%

Legierung:

C<0,1%; Mn<0,8%; Si<0,5%; P<0,12%

R

Work-Hardening R p

R p2,0

R eL

eH

Dehnung in %

Einbrand

170°C

20 min.

T T

T

T

T T

T

T

Bake-Hardening

T

C und/oder N

in fester Lösung

Zunahme der

Versetzungen

Blockade der

Versetzungen

Einbrand

170°C

20 min.

Spannung

in M

Pa




Seite 8

Komplexphasen-Stahl

Anforderung:

höhere Festigkeit, starke Verfestigung

Gefüge: ferritisch-bainitische Matrix mit Martensit

Festigkeit: Re bis 900 MPa; Rm bis 1200 MPa


BH2: 70 MPa

Legierung: C <0,17%; Mn 2,2%; Si 0,8%; Al 1,2%; Nb+Ti<0,2%; V<0,2%

reales Gefüge CP-Stahl

Verformungsmechanismus:

Versetzungsgleiten

Verfestigung durch:

verstärke Kaltverfestigung


schematisches

Gefüge CP-Stahl

Festigkeit durch:

Kornfeinung

Rekristallisation

Ausscheidung d. Mikroleg.-Elemente

Mischkristallbildung

Ausscheidungshärtung

B-Säule aus CP-Stahl




Seite 9

Komplexphasen-Stahl

Anforderung:

höhere Festigkeit, starke Verfestigung

Gefüge: ferritisch-bainitische Matrix mit Martensit



BH2: 70 MPa

Legierung: C <0,17%; Mn 2,2%; Si 0,8%; Al 1,2%; Nb+Ti<0,2%; V<0,2%

DP-Stahl


schematisches

Gefüge CP-Stahl

B-Säule aus CP-Stahl CP-Stahl

Vorteile:

höhere Festigkeiten als

bei DP-stahl

50 µm

Festigkeit durch:

Kornfeinung

Rekristallisation

Ausscheidung d. Mikroleg.-Elemente

Mischkristallbildung

Ausscheidungshärtung




Seite 10

Dualphasen-Stahl

Komplexphasen-Stahl


vergütbare

Stähle

konventionelle

Stähle

Übersicht

22MnB5






TRIP / TWIP

Stähle

TRIP-Stahl


- TRIP-Effekt

- TWIP-Effekt

- andere






Seite 11

TRIP-Stahl

Anforderung: hohe Festigkeit, starke Verfestigung, hohe Energieaufnahme

Fe

rrit

Ba

init

Re

sta

uste

nit

Ma

rten

sit

Fe

rrit

Ba

init

Re

sta

uste

nit

Ma

rten

sit

Gefüge:

50 % - 60 % Ferrit

25 % - 35 % Bainit

5 % - 10 % Restaustenit

< 5 % Martensit

Festigkeit:

Re bis 550 MPa; Rm ca. 900 MPa

Bruchdehnung: < 60%

Legierung:

C<0,3%; Mn 1,5-2%; Al+Si<2%

RA ( )

Ferrit ( )

Martensit ( ´)

Bainit

Zeit

Te

mp

era

tur

Ferrit

Bainit

Ms

Perlit

Zeit

Te

mp

era

tur

Ferrit

Bainit

Ms

Perlit

Vorteile:

starke Verfestigung

hohe Energieaufnahme beim Crash

Forschungsbedarf:

Versprödung schematisches Gefüge

ZTU-Diagramm

Te

mp

era

tur

Zeit

Spannung in

MP

a

Dehnung in %

Vergleich der - -Diagramme

TRIP-Stahl

1200

1000

800

600

400

200

0 0 20 40 60 80 100


Versetzungsgleiten

Restaustenitumwandlung




Seite 12

HSD-Stahl (TWIP)

Gefüge: austenitisch (stabilisiert)



Legierung: Mn 24-30%; Al 3%; Si 3%


Zwillingsbildung

SFE: zwischen 20 und 25 mJ/m²

Verfestigung durch:

Kaltverfestigung und Zwillingsbildung

Anforderung:

sehr gute Verformbarkeit bei hoher Festigkeit

Te

mpe

ratu

r

Kohlenstoffgehalt

-Fe

-Fe

-Fe

Te

mpe

ratu

r

Kohlenstoffgehalt

-Fe

-

-

-Fe-

Fe

Fe-C-Diagramm mit

stabilisiertem -Gebiet

TWIP-Stahl im TEM

Zwillinge




Seite 13

tordierte Proben aus TWIP-Stahl

Anforderung:

sehr gute Verformbarkeit bei hoher Festigkeit


Gefüge: austenitisch (stabilisiert)



Legierung: Mn 24-30%; Al 3%; Si 3%

Vorteile:

sehr gute Verformbarkeit

Forschungsbedarf:

Versprödung

Sp

an

nu

ng

in

MP

a

Dehnung in %

Vergleich der - -Diagramme

TWIP-Stahl

TRIP-Stahl

1200

1000

800

600

400

200

0 0 20 40 60 80 100

HSD-Stahl (TWIP)




Seite 14

Dualphasen-Stahl

Komplexphasen-Stahl


vergütbare

Stähle

konventionelle

Stähle

Übersicht

22MnB5






TRIP / TWIP

Stähle

TRIP-Stahl


- TRIP-Effekt

- TWIP-Effekt

- andere






Seite 15

Lufthärtbare Stähle (LH800)

Gefüge: ferritisch/perlitisch; martensitisch

Festigkeit: Re 800 MPa; Rm bis 1100 MPa

Bruchdehnung: ~25%

Legierung: C 0,07-0,15%; Mn 2,1%; Si 0,8%; Cr 0,5-1%

weichgeglühtes Gefüge LH800

Vorteile:

hohe Festigkeit durch Wärmebehandlung

auch nach dem Schweißen

Forschungsbedarf:

Verzug

Anwendungsstudien

10 µm 10 µm

Anforderung: höchste Festigkeit, gute Schweißbarkeit

martensitisches Gefüge LH800

10 µm

10 µm




Seite 16

Bru

ch

de

hn

ung

[%

]

Streckgrenze [MPa]

22MnB5

Umformen

und

Härten

Übergabe

dT/dtLuftAustenitisieren

T> AC3

dTmin ~ 30K/sT

Bru

ch

de

hn

ung

[%

]

Streckgrenze [MPa]

22MnB5

Umformen

und

Härten

Übergabe

dT/dtLuftAustenitisieren

T> AC3

dTmin ~ 30K/sT

Presshärtbare Stähle (22MnB5)

Vorteile:

kein Rückfedern

sehr gute

Umformbarkeit

höchste Festigkeiten

Nachteile:

Anlagenkosten

Verzinken nicht

möglich

Forschungsbedarf:

Beschichtungen

höhere Festigkeiten

Festigkeitsverlauf

Anforderung:

höchste Festigkeit (Rm über 1600 MPa), keine Rückfederung

vor dem Aufheizen:

ferritisch-perlitisch

während Umformung:

austenitisch

Bauteil:

martensitisch

in MPa

in %

Documents

Moderne höchstfeste Stahlwerkstoffe für die Automobilindustriefiles.messe.de/abstracts/47644_16_00_hoechstfeste_stahlblechwerkstoffe_.pdf · TRIP / TWIP Stähle konventionelle Stähle