Materials Resources

TRIP & TWIP Steels

สรุปและเรียบเรียงโดย คณาจารย์และนิสิต ภาควิชาวิศวกรรมวัสดุ คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์

Introduction

Fig.1 รูปแสดงโครงสร้างจุลภาคของเหล็ก TRIP [http://www.worldautosteel.org: 2012]

TRIP (Transformation Induced Plasticity) คือ การเพิ่มความแข็งแรงโดยอาศัยโครงสร้างจุลภาคของเหล็กกล้า โดยการเปลี่ยนเฟสออสเตนไนต์ที่เหลือภายในโครงสร้างของเหล็กกล้าให้เป็นเฟสของมาร์เทนไซต์ที่มีความแข็งแรงสูงกว่า ในขณะกระบวนการการขึ้นรูปเหล็กกล้าจะมีส่วนประกอบของเฟสเฟอร์ไรต์ที่เป็นโครงสร้างหลักและ เฟสอื่นๆ เช่น เบนไนต์ มาร์เทนไซต์ และออสเตนไนต์ ตกค้างในปริมาณที่มากกว่า 5% ซึ่งเฟสออสเตนไนต์ที่ตกค้างนั้นจะสามารถเปลี่ยนเป็นเฟสของมาร์เทนไซต์ โดยกระบวนการ การเปลี่ยนเฟสจะเกิดขึ้นในขณะที่ทำการขึ้นรูป (Stamping/forming) ส่งผลทำให้ชิ้นงานมีความสามารถในการยืดตัว และความแข็งแรงที่เพิ่มมากขึ้น ซึ่งโครงสร้างจุลภาคของเหล็กกล้า TRIP จะมีลักษณะตาม Fig. 1

Fig.2 รูปแสดงโครงสร้างจุลภาค Twins boundaries ของทองแดง
[Nature: 2012]

TWIP (Twinning Induced Plasticity) คือ กระบวนการแปรรูปเหล็กให้มีสมบัติทั้งความแข็งแรงและความเหนียวรวมอยู่ด้วยกัน โดยทำให้เกิด Twins boundary ซึ่งเป็น defect ชนิดระนาบ โครงสร้างเหล็กที่เกิด defect ชนิดนี้จะมีลักษณะตาม Fig.2 ซึ่งเป็นรูปร่างของ Twins boundaries ในทองแดงการเกิด Twins ไม่ได้เกิดจากแรงทางกลอย่างการเปลี่ยนเฟสที่เกิดขึ้นเมื่อวัสดุได้รับแรงหรือความร้อน แต่เป็นไปในทางตรงข้ามคือ จะไม่เกิดการเปลี่ยนแปลงเฟสใน เหล็ก TWIP ที่อยู่ในระหว่างการเย็นตัว หรือการเสียรูป แต่ทิศทางของเกรนในเฟสออสเตนไนต์จะถูกเปลี่ยนแปลงเนื่องจากเกิด Twins [Qin: 2007]

Mechanisms

TRIP (Transformation Induced Plasticity)
กระบวนการผลิตเหล็กกล้า TRIP สามารถทำได้ 2 แบบ ดังนี้
1. กระบวนการรีดร้อน (Hot work)

Fig.3 รูปแสดงขั้นตอนการผลิตเหล็กกล้า TRIP สำหรับเหล็กแผ่นรีดร้อน 
[สถาบันเหล็กและเหล็กกล้าแห่งประเทศไทย: 2011]

สามารถผลิตเหล็กกล้า TRIP ได้โดยการควบคุมส่วนผสมทางเคมี และควบคุมอุณหภูมิขณะทำการม้วนเก็บ (ประมาณ 400 °C) เพื่อให้เฟสออสเตนไนต์เปลี่ยนเป็นเฟสเบนไนต์ และเกิดเฟสออสเตนไนต์ตกค้างขึ้น 

2. กระบวนการรีดเย็น (Cold work)

 
Fig.4 รูปแสดงขั้นตอนการผลิตเหล็กกล้า TRIP สำหรับเหล็กแผ่นรีดเย็น   
[สถาบันเหล็กและเหล็กกล้าแห่งประเทศไทย: 2011]

จะต้องนำชิ้นงานไปอบอ่อน (Annealing) ในช่วงอุณหภูมิระหว่างเฟสเฟอร์ไรท์และเฟสออสเตนไนต์ จากนั้นจึงลดอุณหภูมิลงอย่างรวดเร็วเพื่อให้เฟสออสเตนไนต์เปลี่ยนเป็นเบนไนต์ และเกิดออสเตนไนต์ตกค้างขึ้น
เหล็กกล้า TRIP ต้องการธาตุซิลิคอน(Si) อะลูมิเนียม(Al) และฟอสฟอรัสผสม เพื่อยับยั้งการเกิดคาร์ไบด์ระหว่างกระบวนการผลิต โดยเมื่อเหล็กกล้าที่ผ่านกระบวนการผลิตถูกทำให้เย็นลงจากอุณหภูมิสูง โดยคาร์บอนที่เหลือ(จากการป้องกันการเกิดคาร์ไบด์)จะช่วยให้เกิดเฟสออสเตนไนต์เหลือค้างอยู่ ในส่วนของเหล็กกล้า TRIP ที่มีปริมาณคาร์บอนต่ำ ส่งผลให้ปริมาณเฟสออสเตนไนต์ตกค้างจะน้อย เนื่องจากคาร์บอนจะเปลี่ยนเป็นเฟสเฟอร์ไรท์ด้วย เมื่อนำไปขึ้นรูป เฟสออสเตนไนต์ตกค้างจะเปลี่ยนเฟสเป็นมาร์เทนไซต์ทันที ความแข็งแรงของชิ้นส่วนจึงสูงขึ้น ส่วนเหล็กกล้า TRIP ที่มีคาร์บอนสูง เฟสออสเตนไนต์จะเสถียรและยังคงเหลือค้างหลังการขึ้นรูป โดยออสเตนไนต์ที่เหลือค้างนี้จะเปลี่ยนเป็นมาร์เทนไซต์หากมีการแปรรูปหลังจากนั้นเช่น เกิดอุบัติเหตุมีการชนซึ่งจะช่วยให้ความสามารถในการดูดซับพลังงานจากการชนได้ดีขึ้น ซึ่ง Fig.3 และ Fig.4 จะแสดงแผนภาพของกระบวนการผลิตเหล็กกล้า TRIP ในแบบรีดร้อน และรีดเย็น

TWIP (Twinning Induced Plasticity)

Fig.5 การเกิด Twins Boundary [practical maintenance: 2012]

Twins เป็นการเพิ่มอัตราความแข็งของเหล็ก ซึ่งโครงสร้างที่มีทิศทางเกรนต่างกันก็จะถูกกั้นไว้โดย Twins boundary ทำให้การแปรรูปชิ้นงานเหล็กเป็นไปได้ยาก เพราะ Twins ทำหน้าที่เป็นตัวขัดขวางการเคลื่อนที่ของดิสโลเคชันเป็นผลทำให้ได้ความแข็งเพิ่มขึ้นโดยปกติ Twin จะเกิดกับเหล็กกล้าที่มีเฟสเป็นออสเตนไนต์ เนื่องจากมีค่า Stacking fault energy ต่ำ Stacking fault คือ ความไม่สมบูรณ์แบบผิวที่เป็นผลมาจากการที่ระนาบของอะตอมระนาบหนึ่ง ไม่เรียงลำดับกับระนาบอื่น ๆ ในขณะที่โครงสร้างผลึกบนด้านใดด้านหนึ่งของระนาบอื่นนั้นสมบูรณ์ เช่น การเรียงลำดับในผลึก FCC มีลักษณะเป็น ABCABCABC… ถ้าเกิด stacking fault จะเปลี่ยนเป็น ABCABABCA.. ซึ่งถ้าหากมีค่า Stacking fault energy ก็คือสามารถเกิด ระนาบที่ปิดเบี้ยวได้ง่าย ดั้งนั้นจึงเหนี่ยวนำให้เกิด Twin ได้มากในเหล็ก TWIP จึงมีการใส่ธาตุที่ทำให้เหล็กเกิดเป็นเฟสออสเตนไนต์ (Austenite stabilizer) ซึ่งจะขยายบริเวณของออสเตนไนต์ในเฟสไดอะแกรม เช่น การใส่ธาตุแมงกานีสในปริมาณสูงถึง17-20 เปอร์เซ็นต์ [สถาบันเหล็กและเหล็กกล้าแห่งประเทศไทย: 2011]
ในขณะที่การเจริญเติบโตของ Twin ที่ถูกควบคุมโดย Pole mechanism คือ ต้องกระตุ้นให้ Shockley partial dislocation เคลื่อนที่ออกจากที่ ที่มี Frank partial dislocation จนเกิดเป็น stacking fault ซึ่งถ้ากระบวนการนี้เกิดขึ้นซ้ำๆในทุกระนาบก็จะเกิด Twins ขึ้น

Application

TWIP Application
 
Fig.6 กราฟเปรียบเทียบสมบัติการดูดซับพลังงาน, in J/mm3 [Cooman: 2009]

เหล็กกล้า TWIP มีสมบัติต่างๆที่เหมาะสมต่อการไปประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมรถยนต์เป็นอย่างยิ่งเนื่องด้วยความสามารถในการกระจายแรงและรับ ตาม Fig.6  ซึ่งช่วยเพิ่มความปลอดภัยมากขึ้นกับผู้ใช้รถยนต์[Cooman: 2009]สำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมยานยนต์นั้น  จะมีการแบ่งไปใช้งานเพื่อผลิตเป็นชิ้นส่วนต่างๆ ซึ่งนำมาประยุกต์ใช้เป็น ชิ้นส่วนของตัวรับแรงต่างๆ ภายในโครงสร้างและตัวถังรถยนต์

Fig.7  รูปภาพแสดงลักษณะการใช้งานของเหล็กกล้า TWIP ที่มีส่วนประกอบของแมงกานีสสูง
(courtesy by ArcelorMittal Flat Carbon Europe). [Hamada: 2007]

ซึ่งชิ้นส่วนต่างๆจาก Fig.7  เหล่านี้จะช่วยดูดซับแรงที่กระแทกเข้ามาและนำพลังงานเหล่านั้นมาช่วยในการเปลี่ยนเฟสจากออสเตนไนท์ มาเป็น มาเทนไซด์ ซึ่งสามารถลดแรงที่กระทำต่อผู้ขบขี่ได้และทำให้มีความปลอดภัยต่อผู้ขับขี่รถยนต์มากขึ้น [Ferrando: 2011]

TRIP Application

Fig. 8 a).B- pillar reinforcement in electro galvanized TRIP 780(thickness: 1.2 mm)
b). Bumper cross member in electro galvanized TRIP 780(thickness: 1.6 mm) [ArcelorMittal: 2012]

ในปัจจุบัน การนำ TRIP Steel มาใช้กันอยู่ในวงการของยานยนต์เป็นส่วนใหญ่ จาก  Fig. 8  ซึ่งจากคุณสมบัติในการดูดซับแรงที่ดีรวมถึงมีความแข็งแรงสูง จึงนำมาใช้เป็นชิ้นส่วนจำพวกกันชนรถยนต์ รวมถึงชิ้นส่วนเสริมความแข็งแรงในโครงสร้างของโครงสร้างรถยนต์ เนื่องจากโลหะTRIP และ TWIP มีข้อได้เปรียบเชิงกลที่ดีจึงมีการนำมาใช้สำหรับการปรับปรุงการออกแบบยานพาหนะ เช่น เป็นส่วนประกอบของโครงสร้างอีกทั้งยังลดน้ำหนักยานพาหนะได้อีกด้วย[Lou Kren: 2011]

Conclusion

 
Fig. 9 กราฟเปรียบเทียบเปอร์เซ็นการยืด และสมบัติการรับแรงดึง
ระหว่างเหล็กที่ผ่านกระบวนการต่าง ๆ กับเหล็กกล้า TRIP และ TWIP [Heung Nam Han: 2009]

X-AHSS = extra advanced high-strength sheet steel              
DP          = dual phase
CP         = complex phase                                                   
HPF       = hot press forming steels
MART    = martensite                                                        
HSLA    = high strength low all
จาก Fig. 9 แสดงให้เห็นถึงโลหะ TWIP มีความเหนียว (Plasticity) ที่สูงสามารถยืดตัวได้มาก นั่นหมายถึงการดูดซับพลังงานได้ ในกรณีที่มีการชนกันของยานพาหนะ จะสามารถรักษา ความยาวของมันได้โดยไม่เกิดความเสียหาย จึงได้มีการนำไปผลิตเป็นโครงรถยนต์ เพื่อให้ยานพาหนะมีประสิทธิภาพ และเพิ่มความปลอดภัยให้กับลูกค้า ในส่วนของโลหะ TRIP เป็นโลหะที่มีความแข็งแรงสูงกว่า แต่มีความเหนียว (Plasticity) ที่ที่ด้อยกว่า  TWIP เนื่องจากเมื่อได้รับแรงส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนเฟสเป็นเฟสที่แข็งแรงขึ้นซึ่งทำให้เมื่อนำโลหะทั้งสองประเภทไปใช้งานส่งผลให้ชิ้นส่วนต่างๆ ภายในรถยนต์มีความแข็งแรงมากขึ้นและเพิ่มความสามารถในด้านความปลอดภัยอีกทั้งส่งผลให้น้ำหนักของรถยนต์มีน้ำหนักที่เบาลงอีกด้วย[KeyToMetals: 2012]  
จะเห็นได้ว่าโลหะทั้งสองชนิดมีสมบัติที่ดีและมีประสิทธิภาพในการใช้งานได้เป็นอย่างดี ทำให้ปัจจุบันยังมีการพัฒนาโลหะ TRIP และ TWIP อย่างต่อเนื่อง เพื่อให้เกิดสมบัติที่ดี ซึ่งในไม่ช้าโลหะ TRIP และ TWIP จะเป็นวัสดุวิศวกรรมที่ถูกนำมาใช้อย่างกว้างขวางและมีบทบาทมากขึ้นในเชิงอุตสาหกรรมโดยเฉพาะในอุตสาหกรรมยานยนต์และสามารถพบเห็นในชีวิตประจำวันของเรามากขึ้นในอนาคต

Reference

·       [ArcelorMittal: 2012]  ArcelorMittal. TRIP (Tranfomation Induced Plasticity) steels.  Mittal company. Last updated 19/01/2012.

·       [Cooman: 2009] B. C. De Cooman, Kwang-geun Chin, Jinkyung Kim. High Mn TWIP Steels for Automotive Applications. Graduate Institute of Ferrous Technology. 2009.

·       [De Cooman, B. C.: 2004)] "Structure–properties relationship in TRIP steels containing carbide-free bainite." Current Opinion in Solid State and Materials Science 8(3–4): 285-303.

·       [Ferrando: 2011] R. Pla-Ferrando S. Sánchez-Caballero, M.A. Selles, A.V. Martínez-Sanz. TWIP/TRIP STEELS. FUTURE TRENDS IN AUTOMOTIVE INDUSTRIES. Universitat Politècnica de Valencia. Pl. Ferrándiz Carbonell. 2011.

·       [Fischer: 2000] Fischer, F. D., G. Reisner, et al, "A new view on transformation induced plasticity (TRIP)"

·       [Hamada: 2007] Atef Saad Hamada. Manufacturing, Mechanical Properties and corrosion behaviour of high-Mn TWIP Steels. 2007.

·       [Idrissi, H., K. Renard, et al.: 2010] "On the mechanism of twin formation in Fe–Mn–C TWIP steels." Acta Materialia 58(7): 2464-2476.

·       [Keytometals: 2007] KEY to METALS, “Multi Phase Twinning-Induced Plasticity (TWIP) Steel.”, http://www.keytometals.com/page.aspx?ID=CheckArticle&site=kts&NM=207, last visit : 29/06/2012.

·       [KeyToMetals: 2012] KeyToMetals. Multi-Phase Twinning-Induced Plasticity (TWIP) Steel. Last visited 24/08/2012. Available from: http://www.steelguru.com

·       [Lou Kren: 2011] Lou Kren. Developments in Making GigaPascal-Strength Steels. Last visited 24/08/2012. Available from: http://www.metalformingfacts.com.

·       [Materials-pisit.blogspot: 2012] http://materials-pisit.blogspot.com/2010/03/blog-post_5128.html, last visit: 29/06/2012.

·       [Ming: 2011] Ming-hui Cai, Hua Ding, Zheng-you Tang, Hua-ying Lee, Young-kook Lee. Strain Hardening Behavior of High Performance FBDP, TRIP and TWIP Steels. Department of Materials Science and Engineering, Yonsei University, Seoul 120-749, Korea, School of Materials and Metallurgy, Northeastern University, Shenyang 110004, China. 2011.

·       [Nature: 2012] http://www.nature.com/am/journal/2009/200904/full/am2009128a.html, last visit: 29/06/2012.

·       [Practical maintenance: 2012] http://practicalmaintenance.net/?p=1135, last visit: 29/06/2012.

·       [Qin, 2007] Qin, Bo. “Crystallography of TWIP Steel."

·       [สถาบันเหล็กและเหล็กกล้าแห่งประเทศไทย, 2011] สถาบันเหล็กและเหล็กกล้าแห่งประเทศไทย, “ชนิดของเหล็กแผ่นที่ใช้ในอุตสาหกรรมชิ้นส่วน” และ “มาตรฐานและสมบัติของเหล็กกล้าที่ใช้งานในงานอุตสาหกรรม”, http://www.mme.ea-rmuti.com/?p=1017, เข้าถึงข้อมูลวันที่ 29/06/2012.

·       บทความจากสถาบันเหล็กและเหล็กกล้าแห่งประเทศไทย เรื่อง “มาตรฐานและสมบัติของเหล็กกล้าที่ใช้ในอุตสาหกรรม” และ “ชนิดของเหล็กแผ่นที่ใช้ในอุตสาหกรรมชิ้นส่วน”

·       http://www.mme.ea-rmuti.com/wp-content/uploads/2011/11/Copy-of-_Sep-2011.pdf  (21/07/2012)

·       http://www.arcelormittal.com/automotive/saturnus/sheets/B_EN.pdf (20/07/2012)

·       http://www.worldautosteel.org/steel-basics/steel-types/transformation-induced-plasticity-trip-steel/(22/07/2012)

·       http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/def_en/kap_5/backbone/r5_4_1.html (28/08/2012)

·       http://www.keytometals.com/page.aspx?ID=CheckArticle&site=kts&NM=207 (23/07/2012)