Yenilikçi prosesler ile fonksiyonel mekanik özelliklere sahip araç gövde güvenlik bileşenlerinin geliştirilmesi

Abstract

Son yıllarda otomotiv endüstrisi; yasal emisyon sınırlandırmaları ve gittikçe artan çarpışma emniyeti gereksinimleri göz önünde bulundurularak, sınırlı enerji kaynaklarını daha verimli kullanma eğilimindedir. Bu amaçla yenilikçi yaklaşımların geliştirilmesi ve otomotiv endüstrisine entegrasyonu faaliyetleri önemini giderek artırmaktadır. Yaklaşımlarda ana hedef; mukavemet-tokluk-süneklik dengesinin optimize edilmesidir. Bu hedefe ulaşırken izlenmesi gereken ilk tercih özgül dayanım oranı yüksek malzemelerin kullanılması, ikinci tercih ise yenilikçi özgün prosesler kullanılarak fonksiyonlu araç bileşenleri geliştirmektir. Tez çalışmasında Preste Sertleştirme (PSP) ve Sürtünme Karıştırma (SKP) prosesleri ile özgül dayanımı yüksek malzemeler kullanılarak hafifletilmiş, dayanımı artırılmış araç gövde güvenlik bileşenlerinin geliştirilmesine yönelik temel araştırmadan endüstriyel uygulamaya uzanan süreçler bütünüyle incelenmiştir.Preste Sertleştirme prosesinde Usibor®1500 (22MnB5) sac malzemesi kullanılarak üretilmiş otomobil parçalarında fonksiyonel özelliklerine göre 600 MPa-1595 MPa aralığında dayanım gösterebilen bölgelerin oluşturulmasında kullanılabilecek yaklaşımlar hem hesaplamalı hem de deneysel yöntemler kullanılarak geliştirilmiştir. Geliştirilen bu yöntemlerin endüstriyel uygulanabilirliği, yapısal ve mekanik testler ile doğrulanmıştır. Tez çalışmasında geliştirilen yaklaşımlar ile Usibor® 1500 sac malzemesinin PSP öncesinde 250 Hv olan sertlik değerinin, fonksiyonlu bölgelerde 310 Hv-500 Hv aralığında istenen bir sertlik değerine sahip olacak şekilde ayarlanabileceği gösterilmiştir. Bu sayede, fonksiyonlu bölgelerin Usibor® 1500 sac malzemesinin daha düşük kuvvetler altında kesilebilmesine ve/veya enerji sönümleme davranışının iyileştirilmesine olumlu etkileri tespit edilmiştir. Sürtünme Karıştırma prosesinde otomotiv sektöründe yoğun kullanılan Dual Phase (DP) 600 ve Transform Induced Plasticity (TRIP) 780 sac malzemeleri kullanılarak geliştirilen bölgelerin mekanik, yapısal, şekillendirme, darbe özellikleri hesaplamalı ve deneysel çalışmalar ile detaylı incelenmiştir.SKP öncesinde 178 Hv sertlik değerine sahip DP 600 ve 250 Hv sertlik değerine sahip TRIP 780 saclarının SKP sonrasında sertlik değerleri sırasıyla; 315 Hv ve 490 Hv seviyelerine ulaşmıştır. DP 600 ve TRIP 780 sac malzemelerinin mukavemetleri uygulanan SKP sonrasında önemli oranda artış göstermiştir. SKP sonrasında TRIP 780 saclarının işlem öncesi durumdaki 420 MPa ve 820 MPa seviyelerinde olan akma ve çekme dayanımı, önemli oranda artış sergileyerek sırasıyla 1120 MPa ve 1470 MPa seviyelerine ulaşmıştır. Benzer şekilde DP 600 saclarının işlem öncesi durumdaki 300 MPa ve 620 MPa seviyelerinde olan akma ve çekme dayanımı, önemli oranda artış sergileyerek sırasıyla 811 MPa ve 1053 MPa seviyelerine ulaşmıştır. SKP sonrasında elde edilen bu mukavemet artışlarıyla birlikte süneklik özelliklerinde kabul edilebilir seviyede bir azalma gözlemlenmiştir. Elde edilen mekanik ve yapısal değişim DP 600 ve TRIP 780 sac malzemelerinin şekillendirme özelliklerinin ve darbe yüklemeleri altında absorbe edilen enerjilerinin kısmen olumsuz etkilenmesine neden olmuştur.Tez kapsamında elde edilen sonuçlar, aynı parça üzerinde farklı mekanik özellikler sergileyebilen -fonksiyonlu- araç gövde güvenlik bileşenlerinin geliştirilmesine endüstriyel olarak uygulanabilir pratiklikte ve maliyeti düşük etkin yaklaşımlar geliştirildiğini göstermektedir.

In recent years, the automotive industry has tended to use limited energy resources more efficiently, taking into account legal emission restrictions and increasing impact safety requirements. To this purpose, the development of innovative approaches and integration into the automotive industry have become more important. The main objective in these approaches is to optimize the strength-toughness-ductility balance. Reaching this goal be followed, the first preference is to use materials with high specific strength, and the second is to develop functional vehicle components using innovative methods.In the thesis, the processes from the basic research to industrial applications have been covered in the development of lightweighted and strengthened vehicle body safety components by utilizing Press Hardening (PHP) and Friction Stir Processes (FSP).With this approaches developed in the thesis, it is shown that the initial hardness value of Usibor® 1500 sheet material (250 Hv) can be adjusted to have a desired hardness value in the range of 310 Hv-500 Hv in the functional areas. Thus, the positive effects of the functional zones on the ability to cut Usibor® 1500 sheet material under lower forces and/or improve the energy damping behavior have been determined.FSP was applied to Dual Phase (DP) 600 and Transform Induced Plasticity (TRIP) 780 which represents extensively used steels grades in the automotive industry. Effects of FSP on the mechanical, microstructural, formability and impact properties of steel sheets were investigated with experimental and numerical methods.FSP process increased initial hardness of the DP 600 and TRIP 780 steel sheets from 178 Hv and 250 Hv to 315 Hv and 490 Hv respectively. The strength of DP 600 and TRIP 780 steel sheet materials increased significantly after FSP. As-received yield strength and tensile strength of TRIP 780 sheets were significantly increased from 420 MPa and 820 MPa to 1120 MPa and 1470 MPa respectively. Similarly, strength enhancement was also achieved in FSPed DP 600 steel. Yield strength and tensile strength of the steel considerably increased from 300 MPa and 620 MPa to about 811 MPa and 1053 MPa respectively. Accompanied with these strength enhancements, an acceptable reduction in ductility of both TRIP 780 and DP 600 steels was observed after FSP. FSP induced mechanical and microstructural changes have somehow reduced the formability and impact behavior of DP 600 and TRIP 780 steels. The results obtained within the scope of the thesis show that industrially applicable practical and cost effective approaches have been developed for the design/production of vehicle body safety components which can exhibit different mechanical properties on the same part.