Struktura i własności stali wysokomanganowych MnSiAlNbTi25-1-3 o zwiększonym zapasie energii odkształcenia plastycznego na zimno; Structure and properties of high manganese MnSiAlNbTi-25-1-3 steels increased store of cold plastic deformation energy - Digi

I

I

I

I

I I

Prof. Leszek A. Dobrzański - Poland

Editorial Board

Prof. Gilmar Batalha - Brazil Prof. Emin Bayraktar - France Prof. Rudolf Kawalla - Germany prof. Klaudiusz Lenik - Poland Prof. Petr Louda - Czech Republic Prof. Cemal Meran - Turkey Prof. Stanisław Mitura - Poland Prof. Piotr Niedzielski - Poland Prof. Jerzy Nowacki - Poland Prof. Ryszard Nowosielski - Poland Prof. Jerzy Pacyna - Poland

Patronage

Prof. Peter Palcek - Slovak Republic Prof. Zbigniew Rdzawski - Poland Prof. Maria Richert - Poland prof. Maria Helena Robert - Brazil Prof. Mario Rosso - Italy

Prof. Stanislav Rusz - Czech Republic Prof. Yuriy I. Shalapko - Ukraine Prof. Bozo Smoljan - Croatia Prof. Mirko Soković - Slovenia Prof. Zinoviy Stotsko - Ukraine Prof. Leszek Wojnar - Poland

; ^{. :::.}

Association of Computational Materials Science and Surface Engineering

Institute of Engineering Materials and Biomaterials ofthe Silesian University ofTechnology, Gliwice, Poland

Abstracting services

Journal is cited by Abstracting Services such as:

OOAJ

The Directory of Open Access Journals

Reading Direct

This journal is a part of Reading Direct, the free of charge alerting service which sends tables of contents by e-mail for this journal and in the promotion period also the fuli texts of monographs. You can register to Reading Direct at

www.openaccesslibrary.com

Journal Registration

The Journal is registered by the Civil Department of the District Court in Gliwice, Poland

Publisher

~

1-13013-)

WOILD PRESS

International OCSCO World Press

Gliwice ^44~1 00, Poland, ul. S. Konarskiego 18a/366 e-mail: info@openaccesslibrary.com

Bank account: Stowarzyszenie Komputerowej Nauki o Materiałach i Inżynierii Powierzchni Bank name: ING Bank $Iąski

Bank addres: ul. Zwycięstwa 28,44-100 Gliwice Poland

Account number/ IBAN CODE: PL 761 05012981 000002300809767 Swift code: INGBPLPW

<iliwi~e

Struktura i własności

stali wysokomanganowych

MnSiAINbTi25-1-3 o zwiększonym zapasie energii

odkształcenia plastycznego

na zimno •

I

I

I

MnSiAINbTi25- 1 -3 o

zapasie energii

odkształcenia

plastycznego na zimno

OPINIODAWCY:

Prof. zw. dr hab.

Jerzy Pacyna (Akademia

- Kraków) Prof. zw. dr hab.

Zbigniew Rdzawski

(Instytut Metali Nieżelaznych - Gliwice)

REDAKCJA TECHNICZNA:

Dr

Eugeniusz Hajduczek (politechnika

Gliwice)

ŹRÓDŁO

FINANSOWANIA:

Koszty druku książki pokryto w ramach Rektorskiego Grantu Habilitacyjnego RGH-20/RMT1/2013 wykonanego w Instytucie Materiałów Inżynierskich

i Biomedycznych Politechniki Śląskiej.

Badania wykonano w związku z realizacją projektów KBN nr 2879/B/T02/2009/36

i NCN

z wykorzystaniem

badawczych

i technologicznych pozyskanych w ramach projektów:

MERMFLEG w RegionQlnym ProgrQmie OperQcyjnym WOjewództwQ

ISSN 2083-5191

ISBN 978-83-63553-22-7

Streszczenie ... 5

Abstraet ... 7

1. Od Autora ... 9

2. Analiza stanu zagadnienia ';"'111""""1111"11""""""""""""""""""'"11"""""""""""'" 12 2.1. Znaczenie inżynierii materiałowej w realizacji działań na rzecz bezpieczeństwa ruchu drogowego oraz środków transportu ... 12

2.2. Ogólna charakterystyka stali stosowanych w przemyśle samochodowym na blachy i taśmy ... 24

2.3. Ogólna charakterystyka stali wysokomanganowych stosowanych w przemyśle samochodowym """",,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, 34 3. Teza i cel pracy ... 47

3.1. Cel pracy ... 47

3.2. Teza pracy ... 48

4. Materiał i metodyka badań ... 50

4.1. Materiał do badań ... 50

4.2. Próby technologiczne walcowania stali na gorąco ... 52

4.3. Symulacja odkształcenia plastycznego badanych stali na gorąco ... 57

4.4. Ogólna charakterystyka programu prac studialnych i badań ... 61

4.5. Metodyka badań metalograficznych metodami mikroskopii świetlnej i elektronowej skaningowej ... 63

4.6. Metodyka badań cienkich folii w transmisyjnym mikroskopie elektronowym ... 64

4.7. Metodyka rentgenowskiej analizy fazowej jakościowej ... 65

4.8. Metodyka badań własności mechanicznych ... 66

5. Wyniki badań oraz ich omówienie ... 71

5.1. Wyniki badań piasto metrycznych ... 71

5.2. Wyniki rentgenowskiej analizy fazowej badanych stali ... 78

5.3. Wyniki badań struktury stali w stanie wyjściowym ... 82

5.4. Wyniki badań struktury stali walcowanych na gorąco ... 86

5.5. Wyniki badań struktury stali po symulacjach plastometrycznych ... 87

5.6. Wyniki badań struktury stali odkształcanych na zimno ... 94

5.7. Wyniki badań własności mechanicznych w warunkach statycznych ... 111

5.8. Wyniki badań własności mechanicznych w warunkach dynamicznych ... 119

6. Podsumowanie ... 122

MnSiAINbTi25-1-3 o

zapasie energii

odkształcenia

plastycznego na zimno

Struktura i własności stali wysokomanganowych MnSiAINbTi25-1-3 o zwiększonym zapasie energii

odkształcenia plastycznego na zimno

Janusz Mazurkiewicz

Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych, Politechnika Śląska, ul. Konarskiego 18a, 44-100 Gliwice, Polska

Adres korespondencyjny e-mail: janusz.mazurkiewicz@polsl.pl

Streszczenie

Cel: Celem niniejszej rozpra14y

badania austenitycznych stali X8MnSiA1NbTi25-1-3

X73MnSiAINbTi25-1-3,

ok.

Mn, ok.

ok.

Al i mikrododatki Nb i

odpowiednio 0,08

0.73%

celu ustalenia i opisu mecha- nizmów strukturalnych,

zapasu energii

plastycznego na zimno tych stali,

czyni je przydatnymi do zastosowania

samochodo14ym na blachy

elemen(v konstrukcyjne samochodów,

odpowiednio wzmocnienia

strejj;

kontrolowanego

plastycznego,

w kontrolowany

góry zapro- gramowany sposób,

trakcie dynamicznego

plastycznego na zimno,

cego m.in. podczas lvypadku samochodowego.

Pro.iekt/metodologia/pode.iście:

Wykonano

Vl:vtopy

dwóch nowo opracowanych stali HysokomanganoHych X8MnSzAINbTi25-1-3 i X73MnSiAINbTi25-1-3, zaprojektowano

Hykonano ich

na

linii walcowniczej

trzema wariantami

oraz symulacje

czteroetapowej obróbki cieplno-mechanicznej

wykorzystaniem symulatora metalurgicznego Gleeble. Wykonano

analizę wpływu

podanych wariantów obróbki na

badanych stali

mechanizmy strukturalne

ich

Wykorzystano

tym celu specjalistyczne

narzędzia

badawcze takie jak skaningowa mikroskopia elektronowa

tym badania EBSD), konwencjonalna i v.ysokorozdzielcza transmisyjna mikroskopia elektronowa wraz

badaniami d)jrakcyjnymi,

badania stereologiczne i metalograficzne.

W'ykonano

badania

opracowanych wariantów obróbki cieplno-mechanicznej

walcowaniem na

na

mechaniczne nowo opracowanych stali zarówno

temperaturze pokojowej. jak i

temperaturze

i

w warunkach statycznych

dynamicznych.

Osiągnięcia:

Udowodniono

pracy,

synergiczne

manganu i

odpmviednio dobranych wzajemnych proporcjach,

decydu-

jących

o przemianach fazoHych

podczas

plastycznego, dodatków aluminium

krzemu,

na umocnienie roztvvorowe, mikrododatków niobu

tytanu oraz warunków

plastycznego na

zastosowa- nia obróbki cieplno-mechanicznej. zapewnia odpowiednio 14ysokie

ściowe i

znaczne

stali typu

o

0,08

0,73%

przez rozdrobnienie struktury austenitu oraz

mechanicznego w austenicie,

efekt TWJP

ang.: TWinning Jnduced Plasticity), a przez to

zapasu energii

plastycznego stali na zimno. Ustalono,

wzrostu zapasu energii

plastycznego na zimno badanych stali w warunkach dynamicznych jest uaktywnianie

mechanicznego w

systemach. które w przypadku

badanych stali nawet przy niewielkim

0,05 lub 0,10 powoduje uaktywnienie

i

wzajemnie

pasm

oraz

w ziarnach

austenitu i

)1,raz ze

do 0,2-0,3

do zerwania,

podstaw014Y mechanizm TWIP. Zastosowanie obróbki cieplno-mechanicznej badanych stali,

na

plastycznym na

i regulowanym

stwarza

zapewnienia zapasu

odpowiednio

500 i do 300 MJ/m

w vvyniku dynamicznego i statycznego

plastycznego na zimno,

o

l-O,

wyniku zastosowania tahej obróbki.

przypadku pmvszechnie stosowanej dla stali tego typu

obróbki cieplnej,

oddzielonej od zastosowanej obróblc-i plastycznej.

Ograniczenia badań/zastosowań: W

monografii przedstawiono uyniki

strukturalnych

oraz

nowo opracowanych

stali

Wykonanie

wytopów

i gotowych elementów konstrukcyjnych przewidziano w

etapach pracy.

Praktyczne zastosowania: Osiągnięcie

celu niniejszej pracy daje podstawy do zastosowania nmm opracowanych stali v.,ysokomanganowych w

samochodowym na blachy i elementy konstrukcyjne samochodóv.,;

odpowiednio wzmocnienia i strefY kontro- lowanego

plastycznego samochodów,

w kontrolowany i z gÓl)!

zaprogramowany sposób, w trakcie dynamicznego

plastycznego na zimno,

łlYstępującego

m.in. podczas wypadku samochodowego. Praca przedstawia

wskazówki technologiczne do zastosowania obróbki cieplno-mechanicznej tych stali w celu uzyskania odpowiednio zoptymalizowanego zestawu

dla podanych

Oryginalność/wartość:

Zweryfikml'ano pozytywnie

koncepcji zapobiegania

elementów konstrukcyjnych i nadwozia samochodu w czasie

lub kolizji drogowej.

poprzez

sporego zapasu energii wówczas wyzwalanej, na

zmian strukturalnych i przemian fazoVlych,

warunkach dynamicznego

cenia plastycznego krytycznych elementów samochodu Hykonanych

tych stali,

rela- tywnie

zapas

daje

energii i

przedwczesnemu

uszkadzanych elementów samochodu, ze

na intensywne

blżźniakowanie

mechaniczne

systemach,

zapasu energii,

w warunkach dynamicznego

plastycznego stali na zimno.

Słowa kluczowe:

Stale Hysokomanganowe,

mechaniczne; Zapas plastycz-

ności,

Obróbka cieplno-mechaniczna, Udarowe

Symulator metalurgiczny Cytowania tej monografii powinny

podane w

sposób:

J.

Mazurkiewicz, Struktura

stali wysokomanganowych MnSiAINbTi25-1-3 o

szonym zapasie energii

plastycznego na zimno, Open Access Library, Volume 7

(25) (2013) 1-139.

Strueture and properties oC high manganese

MnSiAINbTi25-1-3 steeIs with inereased store of eoId plastic deformation energy

Janusz Mazurkiewicz

lnstitute of Engineering Materials and Biomaterials, Silesian University of Technology,

ul.

Email addressforcorrespondence:janusz.mazurkiewicz@polsl.pl

Abstract

Purpose:

The purpose oj this study are the investigations oj austenitie X8MnSiAINbTi25-1-3 andX73MnSiAINbTi25-1-3 steels eontainingapprox. 25%olMn, approx. 1% ol Si, approx. ol 3% Al and Nb and Ti mieroadditions, with a diverse eoneentration of, respeetively, 0.08 and 0.73%

in order to determine and deseribe struetural meehanisms deeisivejor inereasing the store oj eold plastie dejormation energy oj sueh steels, whieh makes them suitable jor use in the automotive industry for sheets and structural components of cars for, respectively!

reinforeement and controlled dejormation zon es, behaving in a controlled and pre- programmed mann er, during dynamic cold plastic dejormation occurring, in particular, during

cars accidents.

Projectlmethodology/approach:

Experimental vacuum melts ol

newly developed high manganese X8MnSiAINbTi25-1-3 and X73MnSiAINbTi25-1-3 steels were earried out, their thermomechanical treatment on a semi-industrial rolling line was designed and peiformed with three variants oj cooling and simulations oj thermomechanical treatment consisting oj eight and four stages using a Gleeble metallurgical simulator. The influence of the given treatment variants on the structure oj the investigated steels and on structural mechanisms decisive jor their properties was analysed. Specialist research instrumentation was employed jor this purpw;e such as scanning electron microscopy (SEM) (including EBSD examinations),

conventional (TEAI) and high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM) together with d(ffraction tests, X-ray phase analysis, stereological and metallographic tests. The influence ol the established variants or thermomeehanieal treatment with a semi-industrial hot rolling on the

oj the newly developed steels at room temperature and at elevated and lowered temperature in statie and dynamie eonditions was also examined.

Achievements: A thesis claimed in the work was proved by demonstrating thal the synergie

interactlon or manganese and carbon with appropriately selected mutual proportions, which are

conditioning the phase transitions taking place in plastic dejormation, oj aluminium and

additions injluencing solution hardening, oj niobium and titanium microadditions and hot plastic dejormation conditions, together with a possibility oj app(ving thermomechanical treatment, ensures the appropriate, high strength properties and significant e!ongation ar MnSiAUv1JTi25-1-3 stee! with a diverse cOl1centratio/t ol 0.08 and 0.73% Dr

carbon by refining the austenite strueture and by intensifying mechanical twinning in austenite

represeniing the

(Twinning Induced PIasticit}) ejlecf, and hence is increasing the store oj cold plastic deJormation energy oj steel. It was Jound out lhat the primary cause oj the higher store of cold plastic deforntation energy of the tested steels in dynamie conditions is the activation oj mechanical twinning in the intersecting systems which, in the case oj the both tested steels, even with smali deJormation oj 0.05 or 0.10, is causing the activation oj twil111ing and presence oj the intersecting slip bands and oj deJormation twins in the grains oj austenite and annealing Mins, which are densifj;ing as deformation is increasing to 0.2-0.3 and unti!

rupture, >",hich confirms the basic mechanism oj TWIP. The store oj pIasticity oj, respectiveIy.

over 500 and to 300 M]/m

ean be ensured by employing thermomeehanieal treatment ofthe

investigated steels consisting oj hot plastic dejormation and adjustable cooling as a result oj dynamie and static cold plastie deformation, higher by O, 1-0,2 due to applying such treatment than in the case oj this commonly used jor this type oj steel, completely separated Ji'om plastic treatment applied.

Research limitations/implications:

The monograph presents the results oj structural inve- stigations and the properties oj newZy developed experimentaZ high manganese steels. Jt is expected that industria l melts and ready struetural parts will be made in the next stages oj the assignment.

Practical implications: B.v

achieving the aim oj this work, a basis is set Jor applying the newly developed high manganese steels in the automotive industry' Jor sheets and structural

eomponents oj ears for, respeetive(v, reinJoreement and eontrolled plastie deformation zones oj

cars, behaving in a controlled and pre-programmed manner, during dynamie cold plastic deforntation occurring, in particular, in a car aceident. The v,,'ork also presents technological hints jor the use oj thermomechanical treatment oj such steels in order to achieve the appropriately optimised set oj properties jor the given applications.

Originality/value:

Assumptions have been verified positively oj a concept oj preventing jractures in structuraZ parts and bodywork oj a car during an accident or road collision by absorbing a large store oj the then produeed energy, used jor inducing structuraZ changes and phase transjormatiol1s, occurring in the conditions oj dynamic plastic dejormation oj critical parts oj the car made oj such steels as a relatively large store oj plasticity gives a possibility to

absarb energy and counteract the premature fracture of the car parts being damaged, due to intensive mechanical twinning in the intersecting systems, ensuring an inereased store oj energy, especially in the conditions o/dynamie eold plastie steel dejormation.

Key words:

High manganese steels, Mechanical twinning: Store oj plastieity, Thermomecha- nieal treatment, lmpaet tension, Metallurgical simulator

Reference to this monograph should be given in the following way:

J. l'lfazurkiewicz,

Strueture and properties oj high manganese MnSiAINbTi25-l-3 steels with

increased store of coJd plastic deformation, Open Access Libra!}', Volume 7 (25) (2013) 1 -1 39

(in Polish).

1. Od Autora

"They didn 't know it was impossible, so they did it"

"Nie wiedzieli.

to

to zrobili"

Mark Twain (Samuel Langhorne Clemens)

(1835 -1910)

amerykański pisarz pochodzenia szkockiego

Wprowadzenie. Wiem,

to

i zarazem najtrudniejsza

pracy,

zwłaszcza

tak

jak praca habilitacyjna, która ma

o dalszej karierze naukowej.

ich wiele, w tym

napisanych przez mych bliskich Kolegów, a nawet

Studentów, którzy to zadanie wykonali

Zawsze

mnie powaga tych tekstów,

skupienie na obranej tematyce, a nawet swoisty patos.

Myślałem

wówczas,

ja

to inaczej, prosto, nawet tak, by

to

przeczytać

moje Dzieci, którym

a

Jestem Obywatelem

Kraju. Jako przedstawiciel Pokolenia

wiem,

ta

niepodległość

sporo nas

Jej utrzymanie kosztuje nas bodaj jeszcze

To

wiem, bo przez ok. 20 lat, codziennie staram

w tym akt)""TIie

Kocham

i

Jej, a

mnie

poprawa

z

o zapewnienie jak najlepszej opieki zdrowotnej, która niestety jest nam szczególnie potrzebna, zapewnienie odpowiedniego poziomu i

codziennego

korzystania z wszelkich dóbr

codziennego, najlepiej

codzienne potrzeby, ochrona

naturalnego, w którym

co jest szczególnie

części pozyskuję

z alternatywnych

jako aktywny przedstawiciel ruchu prosumenckiego,

możliwość kształcenia się

i uczestnictwa w swobodnym pozyskiwaniu i

informacji za

Internetu,

w

z

i wykonywaniem pracy, ale

w

korzystaniem z zasobów kultury i wiedzy, oraz dysponowanie bezpiecznymi

środkami

transportu do przemieszczania

do pracy i podczas wakacyjnych wyjazdów rodzinnych. Wydaje

to normalne oczekiwania

normalnej polskiej rodziny. Te

hasła

odpowiednio opracowane

rozbudowane

jednak

sens wielo-

letnich

wielonarodowych programów, w tym strategii Unii Europejskiej na okres do roku

2020 w zakresie kreowania gospodarki opartej na wiedzy i innowacji. Innowacje rozumiane jako cenne, nowatorskie

bowiem

rozwoju gospodarczego

produkcji) dystrybucji i

wiedzy)

produktem i

przyczynek do

rozwoju,

[1-4].

Kocham

i

w moim rankingu

na miejscu drugim, to ona

właśnie pochłania

mi

czasu i energii

do Rodziny. Takie

niestety

współczesne

wyzwania. Ale

w miejscu

Mam

tworzenia nowej wiedzy oraz

warunków do jej

Od lat aktywnie

w wielu Europejskich Programach Strategicznych, w wyniku których

w jednych z najlepiej

w Polsce laboratoriów

i

najnowo-

cześniejszych

technologii procesów

i nanotechnologii, które w

mierze sam

mi to

czynnego poznania bardzo wielu super nowo- czesnych metod badawczych i

je

praktycznie w stopniu

wielu problemów naukowych i

co

mój

w licznych projektach naukowo-badawczych.

i

do

wielu spraw, i

z tym

mi przy tym udokumentowanie przez publikacje wielu z tych

Trudno

który z aspektów poznawczych, którymi

się zajmowałem,

powinien

zaprezentowany w rozprawie habilitacyjnej.

O wyborze konkretnej tematyki tej pracy

w

kilka czynników. Po pierwsze

mi

encyklopedysty francuskiego D. Diderota (1713-1784),

"dzięki

obserwacji gromadzimy fakty, refleksja je

a eksperyment weryfikuje rezultaty

łączenia

faktów. Nasza obserwacja musi

sumienna, refleksja

a eksperyment precyzyjny." To

o klasycznym

niniejszej rozprawy, gdyZ zawiera ona

obszerną analizę

stanu zagadnienia, z refleksyjnymi elementami oceny tego stanu i praktycznej aplikacji zreferowanej wiedzy teoretycznej oraz wyniki szeroko zakrojonych

eksperymentalnych z wykorzystaniem wielu nowoczesnych metod,

opatrzonych wni-

Społeczeństwa,

tak aby wybrane zagadnienie

w

od

lat przez Prof. L.A.

z któryITI

produktów

ludziom, jest

i

to

projekty

uruchomianej i wykonywanej produkcji, a

techniczne odgrywa w tym

procesie

i

[5-7]. Wyniki

w ramach Foresightu technologicznego Europy w 5. i 6. Programach Ramowych Wspólnoty Europejskiej wykonanych w ramach projektów

Mam~facturing Visions The Futures Project (ManVis) [9] wymagają

w ramach nowej meto- dologii projektowania

dostarczania

o odpowiednio

strukturze

wymagany

fizykochemicznych, a przez to ich odpowiednie charakterystyki funkcjonalne U . ang.:

wypełnienie

funkcji

wykonanych z nich produktów [7,10], co stanowi obecnie priorytet nowych technologii

"Inżynierii Materiałowej",

wypracowanego w

ponad 50-lecia historii tej dyscypliny naukowej,

uprawiam. I wreszcie aspekt trzeci inspirowany przez

Jana

II,

"Przyszłość

zaczyna

dzisiaj, nie jutro."

po sobie

warto-

ściowego,

co

pomóc innym.

opracowanie i badania nad nowymi, awan- gardowymi

które po zastosowaniu w samochodzie,

do uratowania

jednego ludzkiego

warte

i

czasu i energii.

Sam

w wypadku drogowym, w którym nie

dotkliwych

obrażeń,

najpewniej m.in. dlatego,

przed laty

konstruktor

przez

który

skutecznie zabez-

pieczył

mnie w krytycznej sytuacji przed

Skoro wiem,

stan wiedzy w tym zakresie

w

takie badania

i

ich wyniki, do szerokiego wykorzystania

Stąd

celem niniejszej rozprawy jest ustalenie mechanizmów strukturalnych, które

o

dwóch wybranych stali

ok. 25% Mn, ok. 1% Si, ok. 3% Al i mikrododatki ok. 0,4% Nb i ok. 0,02% Ti, o

odpowiednio 0,08 i 0,73% C, oznaczonych odpowiednio jako X8MnSiAlNbTi25-l-3 i X73J\.1nSiAlNbTi25-1-3, do zastosowania na blachy w

samochodowym,

do

w

z przebiegiem tych mechanizmów w trakcie dynamicznego

odkształcenia

plastycznego na zimno, np. podczas wypadku samochodowego.

Janusz Mazurkiewicz

2. Analiza stanu zagadnienia

2.1. Znaczenie

w realizacji

na rzecz

bezpieczeństwa

ruchu drogowego oraz

transportu

Zagadnienia

do szczególnie istotnych w dobie masowych

z codziennymi dojazdami do pracy i to na znaczne

odległości

oraz bardzo powszechnymi

z aktywnym

wolnego czasu, w tym z

oraz wczasami i

Ogromne znaczenie ma

również

logistyka

masowe

surowców i gotowych produktów, w

z upowszechnianiem

konsumpcJjnego modelu

oraz z

ogólnych warunków ekonomicznych, na co stosunkowo niewielki

wywiera odczuwalny obecnie

kryzys gospodarczy. Wymusza to

popyt na

transportu, w tym

samochody osobowe. W autorskiej tablicy 2.1 zestawiono dane statystyczne

pro- dukcji

transportu w latach 2000-2010. Okazuje

nadal przekracza ona 58 mln szt. samochodów osobowych oraz

niemal 20 mln szt. samochodów

auto- busów i

Tablica 2.1. Dane statystyczne dotyczące światowej produkcji środków transportu w latach 2000-2010

Produkcja środków transportu w latach 2000 2010

Produkcja samochodów osobowych, w

sztuk 41215,7 58478,8 Produkcja samochodów

autobusów i

17158,5 19378,9 drogowych, w

sztuk

Dane

Rocznika Statystyki

GUS, Warszawa 2012 [11]

Zagadnieniami

transportu

z natury rzeczy zainteresowani wszyscy odbiorcy i

pojazdów, a

z tym szczególnymi zagadnieniami produkcyjnymi, przede wszystkim

gracze na rynkach motoryzacyjnych. Okazuje

się, że

zarówno

wytwórców pojazdów samochodowych, przyczep i naczep, jak

i

transportowego (w tym

transportu kolejowego, lotniczego

i wodnego) Unia Europejska zajmuje pod

w

produkcji co

najmniej drugie miejsce, niewiele

odpowiednio Japonii

Stanom Zjednoczonym

Ameryki,

w obu przypadkach Chiny, których

produkcyjny stale

równiez i w tych obszarach. T o stawia szczególne wymagania europejskim producentom samochodów osobowych i pozostałych pojazdów. W opracowaniu autorskim, w tablicy 2.2 zestawiono pozycje rankingowe oraz udziały w produkcji światowej w % w każdym przypadku 10 dominujących krajów, odpowiednio w produkcji pojazdów samochodowych, przyczep

i naczep oraz

transportowego.

Tablica 2.2. Dane statystyczne dotyczące udziału po 10 przodujących krajów w śvviatowej

produkcji środków transportu w 2009 r.

Pozycja Rodzaj produkcji środków transportu / U dział w produkcji

rankingowa Kraj światowej, %

Produkcja pojazdów samochodowych, przyczep i naczep

1. Japonia 26,2

2. Chiny 16,6

3. Niemcy 14,9

4. Stany Zjednoczone Ameryki 11,1

5. Republika Korei 3,3

6.

2,9

7. Meksyk 2,8

8.

"'

2,0

9. Indie 1,9

10. Hiszpania 1,8

Produkcja pozostałego sprzętu transportowego

1. Stany Zjednoczone Ameryki 21,6

2. Chiny 15,3

3. Brazylia 13,6

4. Japonia

6

8

5. Republika Korei 5,5

6. Wielka Brytania 5,4

7. Francja 5,0

8. Indie 3,8

9. Niemcy 3,7

10.

3,0

Dane według Rocznika Statystyki Międzynarodowej GeS, Warszawa 2012 [11]

Ważnym aspektem zWIązanym z produkcją samochodów jest systematyczne dążenie do

obniżenia ich masy, głównie w celu ograniczenia zużycia paliwa i zmniejszenia niekorzystnego

oddziaływania

spalin na

co ma

z wprowadzaniem nowych, bardziej

wytrzymałych materiałów inżynierskich na elementy konstrukcyjne i nadwozia samochodów.

Powodzeniem

projekty

od uruchomionego w 1994 roku projektu ULSAB

ang.: Ultra Light Steel Auto Body),

zmniejszenia masy elementów konstrukcyjnych nadwozia o ok. 25% oraz poprawy

i kom- fortu eksploatacji samochodu [12], poprzez program LTLSAC

ang.: U/tra Light Steel Auto

elementów nadwozia (np. drzwi, klap) [13] oraz ULSAS

(j.

ang.: Ultra Light Steel Auto Suspension)

zawieszenia [14], do zrealizowanego ostatnio projektu ULSAB-AVC

ang.: Ultra Light Steel Auto Body - Advanced Vehicle

do 3 l paliwa na 100 km i

ograniczone

CO

do atmosfery [15,16]. Ze

na

metalowych, a

stali do produkcji samochodów, w

tych

uczestniczyło

wiele

firm metalurgicznych, co bez

na

wielu

o wysokiej

zastosowanie nowoczesnych metod ich

towania oraz nowoczesnych technologii

elementów nadwozi i innych

samochodu

Należy zauważyć, że współcześnie

stawiane

znacznie

wymagania

pojazdów samochodowych i innych

transportu,

to

miejsce jeszcze nawet kilka lat temu. Dotyczy to nie tylko komfortu, estetyki, ale

i eksploatacji wszelkich pojazdów samochodowych i ogólnie

trans- portu. Kwestia

jest

traktowana przez producentów samochodów, o czym

m.in. znaczenie

przez producentów i klientów do pozycji w rankingach

np. Euro NCAP

ang.: European New Car Assessment Pro-

gramme)

Niestety bardzo wysoka produkcja samochodów i

transportu w skali

i

zasobów pojazdów

po drogach sprzyja

liczby kolizji i wypadków drogowych. Liczba wypadków drogowych i innych wypadków komunikacyjnych stale utrzymuje

na

\vysokim poziomie, pomimo licznych

podejmowanych w

dla ograniczania skali tych niekorzystnych zjawisk.

Zmusza to m.in.

ale

wiele innych krajów na

do ustana- wiania i

odpowiednich programów, które

tej wysoce niekorzy- stnej sytuacji.

Unijny program

na rzecz

ruchu drogowego na

2011-2020 [18]. Celem tego programu jest zmniejszenie liczby ofiar

wypadków drogowych w Europie o

w

tego

Rok 2012

przełomowym

w tym zakresie, gdyi najnizsza w historii

liczba ofiar

wy- padków drogowych, a odnotowany spadek

9% w stosunku do roku

co oznacza,

w ten sposób uratowano

ok. 3 000 osób w Europie. Problem nie dotyczy jednak

ofiar

statystycznie na

z nich przypada 10 osób

ciężko

rannych i

takimi jak uszkodzenia

i mózgu oraz

rdzenia

i nóg oraz ponadto 40 osób lekko rannych. Corocznie w Unii Europejskiej w wypadkach drogowych

rannych zostaje ok. 250000 osób, gdy np. w 2012 roku ok. 28000

wypadkom drogowym [19]. Liczba ofiar

śmiertelnych

wypadków drogowych w

ostatniego

o ok.

43%, natomiast liczba osób

rannych

tylko o ok. 36%. Wypracowana jest stra- tegia

do

liczby osób rannych w wypadkach drogo\\rych w Unii Euro-

pęjskięj, zwłaszcza ciężko

[18], natomiast w Kraju opracowano Narodowy Program

czeństwa

Ruchu Drogowego 2013-2020 [20]. Kolej jest jednym z bezpieczniejszych

a w

do transportu samochodowego wypadki

rzadko,

zwykle

każdy

z nich

z

osób poszkodowanych. W tablicy 2.3,

autorskim opracowaniem, zestawiono dane statystyczne dla poszczególnych pmlstw

Unii Europejskiej

liczby

ofiar wypadków drogowych oraz kolejowych w 2011 roku, opracowane na podstawie danych Komisji Europejskiej i Eurostatu [19,21-24].

Niestety, zarówno w przypadku 'wypadków drogowych, jak i kolejowych Polska jest krajem, w którym rocznie poszkodowanych jest

osób (zaznaczono kolorem czerwonym w tablicy 2.3). Prognozowane tendencje

spadkowe,

danych Prognostic.pl, dalej liczba osób poszkodowanych

na

wysokim poziomie.

Bezpieczeństwo

ruchu drogowego

od bardzo wielu czynników, w tym od

prawnych, infrastruktury komunikacyjnej, kompetencji i zachowania

dróg, warunków drogowych i atmosferycznych oraz czynników

ruchu drogowego,

z

projektowymi pojazdów i zawar- tych w nich systemów

W literaturze zawodowej i naukowej [26-29], ale

również

powszechnie w prasie i doniesieniach publicystycznych, zagadnienie

pojazdów\ w tym

samochodów\ w tym

osobowych, sprowadza

do dwóch wzajemnie komplementarnych zakresów systemów

• czynnego

• biernego.

Tablica

2.3.

dotyczące liczby śmiertelnych ofiar V\I)padków drogo1Ą,ych oraz kolejo1Ą,ych w 2011 r. Sredniroczny

Liczba ofiar

Liczba ofiar

spadek liczby

śmiertelnych Państwo wypadków drogowych na milion ofiar śmiertel-

członkowskie mieszkańców nych wypadków wypadków

drogowych

kolejowych

1965 2011 2000-2010 2011

Austria 252 62 -6% 86

Belgia 147 78 -6% 50

Bułgaria 91 89 -3% 118

Cypr 162 85 -5% nd

Czechy 150 74 -5% 103

Dania 212 40 ·6% bd

Estonia 178 75 -10% 16

Finlandia 230 54 -5% 15

Francja 249 61 -8% 141

Grecja 89 101 -4% 28

Hiszpania 114 45 -9% 43

Holandia 202 33 -7% 17

Irlandia 124 41 -7% O

Litwa 250 97 -9%

41

Luksemburg 250 64 -8% O

Łotwa

290 86 -10% 34

Malta 36 51 -1% nd

Niemcy 234 49 -7% bd

Polska 79

109

543

Portugalia 117 84 -6 24

Rumunia 98 94 0% 251

Słowacja 128 60 -5% bd

Słowenia 327 69 -7% bd

Szwecja 170 34 -8% 40

Węgry 86 64 -6% 160

Wielka Brytania 146 31 -7% 63

Włochy

186 64 -6% lm

bd - brak danych; nd - nie dotyczy

Dane liczbowe dOlyczące ofiar wypadków drogowych za 2011 r. zoslały opublikowane w Komunikacie Prasowym w dniu 19 marca 2013 r. przez Komisję Europejską. Dane liczbowe

z 1965

z tego samego Komunikatu, lecz

na danych przekazanych

Dla niektórych krajów pierwsze dostępne dane pochodzą odpowiednio z następujących lat:

Słowacja, Republika Czeska i Słowenia - 1970; Estonia Łotwa i Litwa - 1980. Dane liczbowe

dotyczące ofiar wypadków kolejowych za 2011 r. pochodzą z danych Eurostatu.

o

czynnym

wszystkie czynniki,

na celu zmniejszenie

prawdopodobieństwa wystąpienia

kolizji lub wypadku, poprzez aktywne wspomaganie kierowcy podczas prowadzenia pojazdu i

niektórych

dynamicznych samochodu, takich, jak

do ograniczania

i zarzucania, zmniejszenie tendencji do odrywania

od nawierzchni drogi podczas hamowania. Do takich czynników

podczas ruszania

jazdy (m.in.

Ci. ang.: Accele-

Ci. ang.: Electronic StaNUty Program), adaptacyjny tempomat) oraz hamowania (m.in. ABS Ci. ang.: Anti-Lock

EBS

ang.:

Controlled Brake ~vstem))

[30]. Do czynników

na

czynne

należą także

elementy

decyzji w sytuacji przed- wypadkowej, w tym ergonomiczne fotele, regulacja

siedziska, klimatyzacja, regulacja

kierownicy, dobra

z

pojazdu

i

okien, lusterka

i

wycieraczki szyb,

szyby) oraz postrzeganie pojazdu z

w tym przeciwmgielne, jaskrawy kolor), ergonomiczne fotele i panel sterowania, efektywny

kierO\vniczy, za- wieszenie (w tym aktywne) i opony,

do

oraz

właściwe

kierowanie pojazdem,

hamulcowy, wraz z

i wspo-

magającymi siły

hamowania oraz elementy systemu kontroli toru jazdy. Na

czynne

ma

stan techniczny pojazdu i jego

a

zapas mocy silnika,

przyspieszenie w razie

[30,31].

samochody

ciężarowe

powinny

w

stabilizacji toru jazdy,

na zasadzie jednoczesnej regulacji momentu obrotowego, przyhamowania poszczeg6lnych

i sterowania

hamulcowym przyczepy.

wspomagania kierowcy

coraz

większe

znaczenie z uwagi na

wzrost poziomu stresu u kierowców

z ros-

nącym natężeniem

ruchu samochodowego i brakami w zakresie utrzymania i rozwoju infra- struktury. Pojazd

powinien

do kabiny kierowcy, wygodnym

kabiny,

z jednej strony kabiny na

bez

wysiadania z niej, przestronnym oszkleniem i zastosowaniem odpowiedniego

luster

kierowcy i

do

a

wygodne miejsce do odpoczynku [32].

Systemy

biernego

stosowane w samochodach w celu zapewniania

jak

kierowcy i

a coraz

innych

uczestników ruchu, np. pieszych, rowerzystów i motocyklistów, przed

dla zycia i zdrowia

w czasie wypadków lub kolizji.

bierne

zatem

wewnętrzne

i

Skutki jakie

te osoby w razie wypadku lub kolizji

wówczas

a

urazy

znacznie mniej

Obecnie stosowanych jest juz wiele takich

m.in.

nadwozia wykonane z

i niepalnych, system pasów

z napinaczami oraz poduszek powietrznych, regulowane

na wszystkich siedzeniach, dzielona kolumna kierownicy z

po- krytym

klejona przednia szyba

do

od

po wypadku, zamki

drzwiach

samoczynne ich otwarcia po zderzeniu, zbiornik paliwa

wyciekowi paliwa w wyniku zderzenia i/lub przewrócenia samochodu usytuowany poza

brak ostrych i wysta-

jących krawędzi, płynne połączenie

zderzaków z

nadwozia, specjalne systemy

ochronie

w nadwoziach typu kabriolet [30-33]. Elementami

biernego

kontrastowe barwy nadwozia,

przeciwmgielne,

odblaskowe

poprawiające widoczność

i

pojazdu, a w samochodach

fartuchy

i

boczne

dostaniu

ludzi do przestrzeni

pojazdu lub

pojazdów [32].

Szczególną grupę rozwiązań

w zakresie

biernego

dodatkowe wzmocnienia szkieletu nadwozia samochodu ze strefami kontrolowanego

plastycznego podczas zderzenia samochodu oraz wzmocnienia drzwi bocznych

jak

energii podczas bocznego zderzenia samochodu [34] (rys. 2.1), a

odpowiednia konstrukcja kabiny samochodu

oraz jej zamocowanie,

zapęwniającę pochłanianię

jak

w

wypadku lub kolizji)

w strefach kontrolowanego

plastycznego [32].

Zwykle

systemów czynnych i biernych

pojazdów

za

konstrukcyjne [30,31,34]. W istocie problem jest o wiele szerszy i dotyczy projektowania

wszystkich wymienionych elementów zarówno

czynnego, jak i biernego pojazdów, a ogólnie

transportu. Projektowanie

z 3 nierozdzielnych elementów [6,7] (rys. 2.2):

• projektowania konstrukcY.inego, w celu zapewnienia cech geometrycznych produktu

i ewentualnie wzajemnych

jego elementów

jest wieloelementowym),

Rysunek 2.1. Schematyczne przykłady vvzmocnienia w drzwiach bocznych oraz szkieletu nadwozia samochodu ze strefami kontrolowanego odkształcenia plastycznego podczas

zderzenia samochodu (według promocyjnych materiałówfirm)

• projektowania

w celu zapevmienia oczekiwanej

produktu i ewen- tualnie jego elementóv,,'

jest wieloelementowym)

od

fizyko- chemicznych i technologicznych zastosowanych

• projektowania technologicznego procesu w celu zapewnienia oczekiwanych cech geome- trycznych i

eksploatacY.inych produktu lub jego elementów

jest "Wielo- elementowym).

Nowoczesne projektowanie

systemów

pojazdów jest zatem procesem kompleksowym,

m.in.

produkcji, poziomu automatyzacji i komputerowego wspomagania podczas wytwarzania tych systemów, jak

również

zapewnienia ich najmniejszych

kosztów przy

PROJEKTOWANIE KONSTRUKCYJNE warunki eksploatacyjne

PROJEKTOWANIE

MATERIAŁOWE własności dostępność

koszt

funkcja koszt

PROJEKTOWANIE TECHNOLOGICZNE

dobór wypoS8i1mia

wpływ na własności

koszt

Rysunek 2.2. Schemat współzależności między elementami projektowania inżynierskiego

produktu, tj. projektowaniem konstrukcyjnym, projektowaniem materiałmvym oraz projektowaniem technologicznym (według L.A. Dobrzańskiego [5] na podstm-vie

pomysłu

G.E. Dietera)

W zakresie projektowania materiałowego i technologicznego proces ten wymaga szerokiej aplikacji osiągnięć nauki o materiałach w celu zaspokojenia wymaganych funkcji użytkowych

produktu, zapewnianych w wyniku wykorzystania odpowiedniego materiału inżynierskiego,

poddanego właściwie zaprojektowanej obróbce zapewniającej wymagane cechy geometryczne,

strukturę i własności fizykochemiczne produktu! a przez to jego żądane własności użytkowe

i eksploatacyjne [6, 7] (rys. 2.3). Konieczna jest zatem wielokryterialna optymalizacja składu

chemicznego materiału inżynierskiego, warunków jego przetwarzania i eksploatacji gotowego produktu oraz ustalenie sposobu usuwania odpadów materiałowych w fazie poużytkowej, przy odpowiednim poziomie cen [6,7]. ^Należy jednak zwrócić uwagę, że obecnie oczekuje ^się na

materiały o własnościach zamówionych przez użytkowników produktów, na co wskazują

wyniki badań w ramach FOH.~sightów technologicznych Europy opublikowanych w raportach FutMan [8] oraz Man Vis [9]. ~a żądanie wytwórców produktów rynkowych należy zatem

dostarczyć materiały w odpowiednim czasie i miejscu (j. ang.: materiais on demand) i o odpo- wiednich własnościach fizykochemicznych, spełniających wymagania wytwórców, w ^następ­

stwie odpowiednio uksztahowanej struktury. Wymaga to klasyfikacji materiałów inżynierskich

ze względu na ich funkcjonalność, a inne kryteria klasyfikacyjne, jak np. skład chemiczny

mają znaczenie wtórne [6,7].

Rysunek 2.3. Zasada 60 -schemat l,vzajemnych zależności między doborem materiału, kształtem i

cechami geometryanymi produktu, jego procesem technologicznym,

[6, 7] po modJjikacji przez A.D.

Ograniczając dalszą dyskusję

do projektowania

i wytwarzania wzmocnienia szkieletu nadwozia samochodu osobowego i drzwi bocznych, a

kabin samochodów

ciężarowych

i ewentualnie elementów poszycia samochodu (karoserii), tak by w strefach kon- trolowanego

plastycznego

jak

energii podczas zderzenia i/lub wypadku samochodu, dla zapewnienia biernego

kownikom tych samochodów, konieczne jest wykonanie licznych prac badawczych,

nych m.in. z modelowaniem i

procesów wytwarzania oraz

eksploatacyjnych odpowiednio wyselekcjonowanych

opracowaniem bezpiecznych technologii wytwarzania i przetwórstwa tych

i wykonanych z nich produktów oraz metodyki predykcji

nowych

podczas eksploatacji samochodów, tak by

spełniły

szczególne wymagania projektowania

w razie wypadku samochodu

pochłaniały

jak

energii na

w nich, zaprogramowane strukturalnie