Les AHSS d’aujourd’hui pour l’automobile
Les Aciers avancés à haute résistance (AHSS) sont des matériaux complexes et sophistiqués, avec des compositions chimiques soigneusement sélectionnées et des microstructures polyphasées résultant de processus de chauffage et de refroidissement contrôlés avec précision. Divers mécanismes de renforcement sont utilisés pour obtenir une gamme de propriétés de résistance, de ductilité, de ténacité et de fatigue. Ces aciers ne sont pas les aciers doux d’hier; ils sont plutôt légers et conçus pour répondre aux défis des véhicules d’aujourd’hui pour des réglementations de sécurité strictes, une réduction des émissions, des performances solides, à des coûts abordables.
La famille AHSS comprend la Double Phase (DP), la Phase Complexe (CP), la Plasticité Ferritique-Bainitique (FB), Martensitique (MS ou MART), la Plasticité Induite par la Transformation (TRIP), la Plasticité Formée à Chaud (HF) et la Plasticité Induite par le Jumelage (TWIP). Ces grades AHSS de 1ère et 2ème génération sont spécialement qualifiés pour répondre aux exigences de performance fonctionnelle de certaines pièces. Par exemple, les aciers DP et TRIP sont excellents dans les zones de collision de la voiture pour leur absorption d’énergie élevée. Pour les éléments structurels de l’habitacle, les aciers à très haute résistance, tels que les aciers trempés par pression (PHS) martensitiques et à base de bore, améliorent les performances de sécurité. Récemment, il y a eu une augmentation du financement et de la recherche pour le développement de la « 3e génération » de AHSS. Ce sont des aciers avec des combinaisons résistance-ductilité améliorées par rapport aux nuances actuelles, avec un potentiel de capacités d’assemblage plus efficaces, à des coûts inférieurs. Ces nuances refléteront des alliages et des microstructures uniques pour obtenir les propriétés souhaitées. La large gamme de propriétés est mieux illustrée par le célèbre diagramme de Formabilité globale, capturé dans la figure 2-1 ci-dessous.
Les aciers dont la limite d’élasticité est supérieure à 550 MPa sont généralement appelés AHSS. Ces aciers sont aussi parfois appelés » aciers à très haute résistance » pour des résistances à la traction supérieures à 780 MPa. Les AHSS avec une résistance à la traction d’au moins 1000 MPa sont souvent appelés « acier GigaPascal » (1000 MPa = 1GPa). Veuillez noter une autre catégorie d’aciers, représentée à la figure 2-1 ci-après en tant qu’acier inoxydable austénitique. Ces matériaux ont une excellente résistance combinée à une excellente ductilité et répondent ainsi à de nombreuses exigences fonctionnelles du véhicule.
L’AHSS de troisième génération (3e génération) cherche à offrir des capacités comparables ou améliorées à un coût nettement inférieur. Cependant, parce qu’ils sont si nouveaux, il n’y a pas encore de définition claire de ce qu’ils comprennent. Les principaux objectifs du développement d’aciers de 3e génération sont:
- Utilisez des aciers à faible teneur en alliage pour réduire les coûts.
- Atteindre des niveaux minimaux de résistance et de ductilité à 1200 MPa et un allongement de 30 %.
À l’heure actuelle, il n’existe pas de formule pure, car plusieurs voies de traitement différentes sont disponibles pour les producteurs d’acier afin d’obtenir des qualités et des propriétés de 3e génération. De plus, les nano-aciers sont classés en 3e génération, mais cela fait l’objet de discussions dans l’industrie, comme vous pouvez l’imaginer. Des cibles ont été établies dans le cadre du projet de l’Institute for Computational and Mathematical Engineering (ICME). Une présentation donnée lors de l’édition 2017 de Great Designs in Steel de l’Institut de développement du marché de l’acier résume ce projet. Nos collègues de l’Institut de développement du marché de l’acier et du partenariat Auto / Steel travaillent également à l’élaboration d’une nomenclature commune pour les aciers. La plupart suivent la nomenclature des spécifications VDA. De plus, General Motors Company a élaboré une spécification pour les AHSS (y compris les AHSS de 3e génération) qui est en cours d’examen. Alors restez à l’écoute ici sur ce développement, car nous prévoyons d’aborder ce problème dans la prochaine version des directives AHSS, prévue pour 2020.
Définitions de l’acier
Les aciers automobiles peuvent être classés de plusieurs manières différentes. L’une est une désignation métallurgique fournissant des informations sur le processus. Les désignations courantes comprennent les aciers à faible résistance (aciers sans interstitiel et doux); les HSS classiques (aciers au carbone-manganèse, durcissables au four et à haute résistance, faiblement alliés); et les nouveaux AHSS (aciers à double phase, plasticité induite par la transformation, plasticité induite par le jumelage, aciers ferritiques-bainitiques, à phase complexe et martensitiques). Les aciers à haute résistance supplémentaires pour le marché automobile comprennent les aciers traités thermiquement après formage à chaud et les aciers conçus pour des applications uniques comprenant un étirement des bords et un cintrage améliorés.
Une deuxième méthode de classification importante pour les concepteurs de pièces est la résistance de l’acier. Par conséquent, ce document utilisera les termes généraux HSS et AHSS pour désigner tous les aciers à plus haute résistance. Ce système de classification pose un problème avec le développement continu des nombreuses nouvelles nuances pour chaque type d’acier. Par conséquent, un acier DP ou TRIP peut avoir des qualités de résistance qui englobent deux gammes de résistance ou plus.
Une troisième méthode de classification présente diverses propriétés mécaniques ou paramètres de formage de différents aciers, tels que l’allongement total, l’exposant d’écrouissage (valeur n) ou le rapport de dilatation des trous (λ). À titre d’exemple, la figure 2-1 compare les allongements totaux – une propriété de l’acier liée à la formabilité – à la résistance à la traction des types d’acier actuels. Ces propriétés sont importantes pour les opérations d’atelier de presse et les analyses de formage virtuel.
Diagramme de ductilité de résistance de l’acier pour les Grades AHSS actuels (comprend une comparaison des aciers traditionnels à faible résistance et à haute résistance)
La principale différence entre le HSS conventionnel et le AHSS réside dans leur microstructure. Les HSS conventionnels sont des aciers ferritiques monophasés avec un potentiel de perlite dans les aciers C-Mn.. Les AHS sont principalement des aciers avec une microstructure contenant une phase autre que la ferrite, la perlite ou la cémentite – par exemple, la martensite, la bainite, l’austénite et / ou l’austénite retenue en quantités suffisantes pour produire des propriétés mécaniques uniques. Certains types d’AHSS ont une capacité de durcissement par déformation plus élevée, ce qui permet un équilibre résistance-ductilité supérieur aux aciers conventionnels. D’autres types ont des résistances à la traction et au rendement ultra-élevés et présentent un comportement de durcissement au four.
Étant donné que la terminologie utilisée pour classer les produits sidérurgiques varie considérablement dans le monde, ce document utilise le format WorldAutoSteel pour définir les aciers. Chaque nuance d’acier est identifiée par le type métallurgique, la limite d’élasticité minimale (en MPa) et la résistance à la traction minimale (en MPa). Par exemple, DP 500/800 signifie un acier à deux phases avec une limite d’élasticité minimale de 500 MPa et une résistance à la traction finale minimale de 800 MPa. Le programme ULSAB-AVC a d’abord utilisé ce système de classification.
Métallurgie des AHSS
Les fabricants et les utilisateurs de produits sidérurgiques comprennent généralement la métallurgie fondamentale des aciers conventionnels à faible et haute résistance. Chapitre 2.B. fournit une brève description de ces types d’acier courants. Étant donné que la métallurgie et le traitement des grades AHSS sont quelque peu nouveaux par rapport aux aciers conventionnels, ils sont décrits ici pour fournir une compréhension de base de la façon dont leurs propriétés mécaniques remarquables évoluent à partir de leur traitement et de leur structure uniques. Tous les AHSS sont produits en contrôlant la chimie et la vitesse de refroidissement à partir de la phase austénite ou austénite plus ferrite, soit sur la table de défilement du broyeur à chaud (pour les produits laminés à chaud), soit dans la section de refroidissement du four de recuit continu (produits recuits en continu ou revêtus à chaud). La recherche a fourni des combinaisons chimiques et de traitement qui ont créé de nombreuses qualités supplémentaires et amélioré les propriétés de chaque type de SHA.
Pour plus d’informations sur cette famille unique d’aciers avancés, téléchargez gratuitement les Directives d’application des Aciers avancés à haute résistance ici.