I punti di forza dell'acciaio altoresistenziale
Gli acciai Dual Phase e martensitici sono disponibili con limiti molto alti di snervamento iniziale. Presentano inoltre un marcato incrudimento nella formatura (circa 150 MPa per una deformazione del 2%) e un effetto di indurimento al momento della cottura nel processo di verniciatura (altri 50 MPa).
In più, l’acciaio altoresistenziale vanta qualità di indurimento in caso di compressione, il che significa che resiste di più alle sollecitazioni a una velocità di deformazione maggiore. Questo effetto corrisponde a un aumento di circa 100 MPa per tassi di deformazione localmente elevati, come quelli che si presentano localmente in caso di incidente automobilistico.
Potenziale riduzione di peso
L'elevata resistenza dell'AHSS consente di ridurre il peso della scocca nuda, dei sistemi di paraurti, delle barre di protezione laterali, della struttura dei sedili e tanto altro ancora. Per illustrare al meglio questo potenziale, presentiamo due casi teorici. Nel caso dell'effetto mensola (figura 1a), le sollecitazioni sono linearmente proporzionali a uno rispetto allo spessore. Nel caso dell’effetto piastra (figura 1b), le sollecitazioni sono proporzionali a una volta il quadrato del valore dello spessore.
Figura 1. Effetto piastra e mensola.
L'utilizzo di un materiale in grado di sopportare maggiori sollecitazioni consente di ridurre lo spessore mantenendo invariate le prestazioni. La figura 2 mostra la potenziale riduzione di peso per questi due casi teorici.
Figura 2. Riduzione del peso usando acciaio altoresistenziale per la membrana e per le zone sottoposte a sollecitazioni. La resistenza allo snervamento delle qualità di acciaio indicate corrisponde al carico di snervamento al 2% di indurimento e dopo la verniciatura.
Nei componenti riservati alla sicurezza, spesso la potenziale riduzione di peso è compresa fra questi due estremi. Tuttavia, in caso della flessione, il limite inferiore non è fisso, in quanto nelle lamiere più sottili può verificarsi uno svergolamento localizzato.
Come illustrato dalla figura 2, l'acciaio AHSS consente di focalizzarsi sulle misure volte a evitare le flessioni locali, così da sfruttare il pieno potenziale del materiale. Occorre adottare delle misure per evitare l'effetto piastra. Il momento flettente generale viene trasferito al meglio con l'utilizzo di barre. I profilati o i tubi profilati consentono di realizzare geometrie ottimali che resistano ai momenti flettenti.
L'irrigidimento localizzato contribuisce a sfruttare il pieno potenziale del materiale.
In caso di riassetto e conseguente riduzione dello spessore può verificarsi uno svergolamento localizzato. Si assiste dapprima a un fenomeno di instabilità elastica che si manifesta sotto forma di svergolamento locale nelle zone cesoiate e compresse più sottili, nei punti in cui le sollecitazioni sono al di sotto del limite plastico. Di fatto, quindi, non si sfrutta il pieno potenziale del materiale. L'introduzione di elementi di irrigidimento per compensare la sottigliezza delle zone compresse e migliorare la sollecitazione dei bordi (figura 3) contribuisce a sfruttare al meglio il potenziale degli acciai altoresistenziali.
Figura 3. Didascalia: Esempi di elementi di irrigidimento: a) Impronte b) scanalature e pieghe sul bordo c) elementi di irrigidimento aggiuntivi d) Rinforzi a bisello e) Esempi di raddoppiamento della resistenza alla flessione grazie agli elementi di irrigidimento.
Piccole modifiche nella progettazione possono migliorare nettamente la rigidezza
Poiché gli acciai dolci e gli acciai altoresistenziali hanno lo stesso modulo di Young, la rigidezza di un singolo componente va praticamente persa quando viene ridotto lo spessore senza modificare tutti gli altri parametri. Per soddisfare le esigenze di irrigidimento è possibile modificare la geometria esterna. Aumentare le dimensioni esterne riducendo al contempo il peso in modo coerente può compensare la perdita di rigidità derivante dalla riduzione dello spessore.
Altri possibili accorgimenti includono l'inserimento di elementi di irrigidimento locali della geometria, come ad esempio scanalature, fori flangiati, bordi ripiegati e punte di irrigidimento (figura 5). Questi elementi di irrigidimento possono limitare anche il fenomeno dello svergolamento locale, ridurre il ritorno elastico in fase di formatura e, non da ultimo, migliorare la precisione delle forme.
Figura 5. Elementi geometrici di irrigidimento locali su una barra in Docol 1300M.
Spesso i giunti influenzano notevolmente la rigidezza. Concentrarsi sulla progettazione dei giunti può portare a un miglioramento sostanziale. Esempi tipici sono un aumento del numero di punti di saldatura e dei piani saldati o il passaggio alla saldatura continua. Anche le sezioni chiuse contribuiranno ad aumentare la rigidezza rispetto a quelle aperte.
Ottimizzare l'assorbimento di energia
Optare per un acciaio più robusto può tradursi in una riduzione del peso dei pezzi (figura 4). Generalmente l’energia assorbita è proporzionale al quadrato dello spessore ed è lineare rispetto alla resistenza alla trazione del materiale. Se, per esempio, si raddoppia la resistenza alla trazione dell’acciaio, lo spessore e il peso possono essere ridotti del 30%, pertanto con un assorbimento di energia equivalente.
Figura 4. Risultati sperimentali di uno schiacciamento assiale su tubi a sezione quadrata. Confronto di schiacciamento quasi-statico e dinamico (velocità iniziale di 50 km/h).
Una delle maggiori sfide quando si utilizza l'acciaio AHSS per l'assorbimento di energia tramite piegamento è garantire la stabilità della reazione. Una piegatura a fisarmonica è difficile da ottenere in caso di schiacciamento assiale, visto che la resistenza del materiale aumenta e lo spessore si riduce. Per aumentare la robustezza, si può introdurre un efficace sistema di punti di impatto per guidare la deformazione durante l'urto, oppure si può cambiare la geometria globale.
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