Superare la forza

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 15411 (2022) Citare questo articolo

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Gli acciai altoresistenziali stanno diventando più importanti che mai per le applicazioni automobilistiche per ridurre il peso delle automobili e garantire la sicurezza dei passeggeri. Poiché una maggiore resistenza solitamente comporta una degradazione della formabilità, tuttavia, la formatura a freddo degli acciai ad alta resistenza nelle forme finali rimane una sfida sia per i produttori che per i fornitori automobilistici. Qui riportiamo nuovi concetti di progettazione di leghe e processi che possono conferire elevata resistenza agli acciai formabili a freddo, discostandosi dall'approccio tradizionale volto a migliorare la formabilità degli acciai ad alta resistenza. Tale acciaio progettato, sottoposto a un percorso di lavorazione progettato, mostra un'eccellente combinazione di formabilità e resistenza, nonché di resistenza agli urti, che è fondamentale per la sicurezza dei passeggeri nelle automobili. I concetti di progettazione della lega e della lavorazione utilizzati nel presente studio si basano sull'utilizzo della trasformazione da austenite a martensite indotta termicamente, che conferisce elevata resistenza all'austenite formabile a freddo mediante trattamento criogenico.

Gli acciai avanzati ad alta resistenza (AHSS) svolgono un ruolo importante nella produzione automobilistica poiché possono soddisfare i requisiti sempre più rigorosi delle industrie automobilistiche in termini di sicurezza e leggerezza dei veicoli1,2. Sebbene esistano diverse varianti di materiali leggeri come le leghe di Al e Mg che possono essere utilizzate per componenti strutturali nelle automobili, le caratteristiche degli AHSS, come l'elevata resistenza e il basso costo di produzione, li rendono materiali preferiti rispetto ad altri materiali3,4,5. Tra i diversi gradi di AHSS, gli acciai per formatura a caldo (HPF), chiamati anche acciai da tempra, hanno ricevuto molta attenzione poiché offrono proprietà di trazione superiori insieme a una buona precisione dimensionale grazie al loro percorso di lavorazione unico che consiste nella formatura ad alta temperatura all'interno regione dell'austenite seguita dal raffreddamento in uno stampo per formare fasi dure a bassa temperatura come martensite o bainite6,7,8. Tuttavia, tale percorso di lavorazione ha una scarsa efficienza produttiva e inoltre questi acciai HPF generalmente soffrono di infragilimento del metallo liquido (LME) o microcracking a causa dell'interazione tra rivestimento e substrato durante la formatura ad alta temperatura9,10,11,12,13,14. Pertanto, è necessario un nuovo tipo di acciai ad alta resistenza, che possano essere formati in una forma finale a basse temperature e che non soffrano di LME o microcracking associati alla formatura ad alta temperatura.

Soddisfare il requisito di una combinazione di elevata resistenza ed elevata formabilità è un compito impegnativo poiché gli approcci convenzionali che migliorano la formabilità hanno effetti negativi sulla resistenza o viceversa. A questo proposito, l’uso dell’austenite metastabile come fase costituente principale sarebbe un approccio praticabile poiché l’austenite, essendo una fase cubica a facce centrate (fcc), può fornire una buona formabilità a temperatura ambiente e può anche fornire un’elevata resistenza durante la trasformazione di l'austenite in martensite viene forzata raffreddando al di sotto della temperatura iniziale della martensite (Ms)15,16,17,18,19 dopo la formazione. La stabilizzazione dell'austenite a temperatura ambiente è stata tradizionalmente ottenuta aggiungendo una quantità abbastanza elevata di elementi stabilizzanti dell'austenite come nel caso degli acciai classici a plasticità indotta da trasformazione (TRIP)20 e degli acciai ad alto contenuto di Mn15,16,21, che sono solitamente sottoposti ad austenitizzazione seguito dal quenching in acqua (WQ). Considerando che la stabilità dell'austenite negli acciai ipoeutettoidi aumenterebbe quando ricotto nella regione intercritica (ferrite + austenite) rispetto al trattamento di austenitizzazione, una quantità abbastanza grande di austenite può essere trattenuta negli acciai con composizioni di leghe più magre dopo aver seguito la ricottura intercritica (IA) mediante tempra in acqua, che è il concetto base di progettazione della lega per gli acciai TRIP medi al Mn22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33. Questi acciai TRIP medi al Mn contengono solitamente il 30–70% in volume di austenite a seconda della composizione della lega e mostrano una buona formabilità; tuttavia, il loro limite di snervamento è molto inferiore a quello degli acciai HPF. Il limite di snervamento degli acciai a medio Mn, come accennato in precedenza, può essere significativamente aumentato quando la trasformazione da austenite a martensite viene favorita mediante raffreddamento a bassa temperatura, ovvero mediante trattamento criogenico. In questo caso, il problema critico è che mentre la trasformazione da austenite a martensite dovrebbe avvenire mediante trattamento criogenico per ottenere un’elevata resistenza, una quantità sostanziale di austenite dovrebbe essere trattenuta anche dopo il trattamento criogenico per garantire la resistenza alla collisione dei componenti finali.