На протяжении десятилетий в сталелитейной промышленности мира постоянно идет работа над новым классом материалов, которые на 50 % прочнее своих предшественников. В основе этой инновации лежит семейство постоянно совершенствуемых высокопрочных сталей — AHSS (Advanced High Strength Steels). Ни один другой материал, используемый в автомобилестроении, не сравнится по многовариантности прочностных характеристик с данной сталью. Это означает, что стальной лист можно сделать тоньше, но при этом деталь из него сохранит необходимые для конструкции автомобиля безопасность и прочность.
Уменьшение толщины листового проката, предназначенного для производства автомобильных компонентов, позволяет экономить сталь и, следовательно, облегчать компоненты, что способствует снижению веса автомобиля в целом и сокращению выбросов в окружающую среду.
Эти свойства сталей марок AHSS являются результатом их уникального сочетания прочности и пластичности. AHSS — это сложные сплавы с тщательно подобранным химическим составом и многофазной микроструктурой, полученные в результате точно контролируемых процессов нагрева и охлаждения.
Различные методы упрочнения используются для достижения необходимого и достаточного диапазона прочности, пластичности, ударной вязкости и усталостных свойств.
Семейство AHSS включает в себя двухфазные стали (DP), многофазные стали (CP), феррито-бейнитные стали (FB), мартенситные стали (MS), стали с пластичностью, наведенной превращением (TRIP), горячештамповочные и закаленные стали (HF), а также стали повышенной пластичности, инициируемые двойникованием (TWIP).
AHSS — стали с пределом прочности от 500 до 2000 МПа, которые предназначены для замены стандартных сталей и в основном используются для изготовления конструкционных элементов автомобиля. Это позволяет производителям выдерживать международные нормы по безопасности автомобиля при существенном снижении его веса — как для снижения энергопотребления, так и для уменьшения количества выбросов, загрязняющих окружающую среду.
В настоящее время идет работа над сплавами 3‑го поколения AHSS. Это стали со специальными условиями легирования и термомеханической обработки, у которых улучшено соотношение прочностных и пластических свойств по сравнению с уже известными сплавами. Кроме того, использование этих сталей в автомобилестроении позволяет снизить стоимость изготавливаемых из них деталей транспортных средств.
Например, стали DP и TRIP, благодаря их способности поглощать энергию, отлично подходят для производства элементов, которые могут деформироваться при столкновении автомобиля.
Для конструктивных элементов салона используются особо высокопрочные стали, такие как мартенситная и борсодержащая упрочненная сталь (PHS), которая обеспечивает повышенные показатели безопасности.
В США программа, спонсируемая Министерством энергетики, способствовала разработке марок стали с пределом прочности 1200 МПа и трехкратным повышением пластичности. Широкий спектр свойств инновационных сталей лучше всего иллюстрирует знаменитая диаграмма прочности и пластичности стали, представленная на рис. 1.
Illustration: http://worldautosteel.org
Ожидается, что данные марки сталей позволят создавать еще более легкие, но, в то же время, более прочные конструкции, тем самым еще больше снижая углеродный след автомобиля. Высокая прочность, пригодность для вторичного использования и гибкость дают преимущества стали как материалу, наиболее подходящему для следующего поколения автомобилей. К числу таких преимуществ относится соответствие требованиям к массе автомобиля, к безопасности эксплуатации и к улучшению экологической ситуации в мире. И всё это при небольших дополнительных затратах или даже без них. Разработчики конструкции автомобиля должны учитывать многочисленные и сложные условия нагрузки, жизненно важные для управляемости автомобиля, а также экстремальные требования к прочности. Есть множество примеров, когда автопроизводители использовали AHSS для достижения более высокой прочности и надежности автомобилей. Вот краткое описание некоторых из них.
В Jeep Compass 2017 года было реализовано инженерное решение «каркас безопасности», который более чем на 65 % состоял из высокопрочной стали (AHSS).
В 2016 году автомобиль Шевроле Malibu был представлен с более прочным, но при этом более легким кузовом, что повысило его эффективность и динамику вождения. Более широкое использование высокопрочных сталей позволило инженерам разработать конструкцию кузова, в котором некоторые элементы были выполнены из более тонкой стали, что, тем не менее, обеспечило сопоставимые с более тяжелыми моделями свойства. Например, такие как поглощение энергии при столкновении.
В конструкции Kia Forte 2019 года после редизайна 54 % компонентов выполнено из усовершенствованной высокопрочной стали (AHSS), повышающей безопасность и жесткость на кручение на 16 %.
Honda Accord 2018 года, победившая в номинации «Автомобиль года 2018», имеет более легкую и жесткую конструкцию кузова, которая на 29 % состоит из сверхвысокопрочной стали, что является наиболее широким применением этого материала для снижения веса в любом серийном автомобиле Honda. В целом в новом Accord используется 54,2 % высокопрочной стали (выше 440 МПа).
Внедорожник Volvo XC40–2018 установил новый стандарт безопасности. Его каркас разработан для максимальной защиты пассажиров во всех типах аварийных ситуаций. 20 % конструкции от общей массы автомобиля изготовлено из горячеформованной борсодержащей стали (AHSS).
Illustration: http://worldautosteel.org
Сталелитейная промышленность продолжает идти в ногу с задачами, которые ставит перед нею автомобилестроители, инвестируя в исследования и разработки значительные силы и средства, чтобы использовать на благо человечества удивительные свойства стали.
