傳統(tǒng)的高強(qiáng)度鋼多是通過固溶、析出和細(xì)化晶粒作為主要強(qiáng)化手段,而先進(jìn)高強(qiáng)度鋼(AHSS )是指通過相變進(jìn)行強(qiáng)化的鋼種,組織中含有馬氏體、貝氏體和(或)殘余奧氏體,主要包括雙相(DP) 鋼、相變誘導(dǎo)塑性(TRIP) 鋼、馬氏體(M) 鋼、復(fù)相(CP) 鋼、熱成形(HF) 鋼和孿晶誘導(dǎo)塑性(TWIP) 鋼。
先進(jìn)高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)度和塑性配合優(yōu)于普通高強(qiáng)鋼,兼具高強(qiáng)度和較好的成形性,特別是加工硬化指數(shù)高,有利于提高沖撞過程中的能量吸收,這對減重的同時保證安全性十分有利。
AHSS的強(qiáng)度在500MPa到1500MPa之間,具有很好吸能性,在汽車輕量化和提高安全性方面起著非常重要的作用,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè),主要應(yīng)用于汽車結(jié)構(gòu)件、安全件和加強(qiáng)件如A/B/C柱、車門檻、前后保險杠、車門防撞梁、橫梁、縱梁、座椅滑軌等零件;DP鋼最早于1983年由瑞典SSAB鋼板有限公司實現(xiàn)量產(chǎn)。
先進(jìn)高強(qiáng)度鋼開發(fā)和研究進(jìn)展
所有的高速鋼的生產(chǎn)都要控制奧氏體相或奧氏體加鐵素體相的冷卻速度,可以在外圍表面進(jìn)行熱磨削(如熱軋產(chǎn)品),也可以在連續(xù)退火爐中局部冷卻(連續(xù)退火或熱浸涂產(chǎn)品)。
馬氏體鋼是通過快速淬火致使大部分奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體相而產(chǎn)生的。鐵素體加馬氏體雙相鋼的生產(chǎn),是通過控制其冷卻速度,使奧氏體相(見于熱軋鋼中)或鐵素體+馬氏體雙相(見于連續(xù)退火和熱浸涂鋼中)在殘余奧氏體快速冷卻轉(zhuǎn)變成馬氏體之前,將其中一些奧氏體轉(zhuǎn)變成鐵素體。
TRIP鋼通常需要保持在中溫等溫的條件以產(chǎn)生貝氏體。較高的硅碳含量使TRIP鋼在最后的微觀結(jié)構(gòu)含過多的殘余奧氏體。多相鋼還遵循一個類似的冷卻方式,但這種情況之下,化學(xué)元素的調(diào)整會產(chǎn)生極少的殘余奧氏體并形成細(xì)小的析出以加強(qiáng)馬氏體和貝氏體相。
汽車用高強(qiáng)度鋼分為熱軋、冷軋和熱鍍鋅產(chǎn)品,其工藝特點都是通過相變實現(xiàn)強(qiáng)化。此外,還有一種熱沖壓成形模具淬火硬化的超高強(qiáng)鋼再歐洲的汽車制造業(yè)獲得了廣泛應(yīng)用。
隨著安全性和燃油經(jīng)濟(jì)性需求的增長,汽車工業(yè)對高強(qiáng)度、輕質(zhì)材料的需求越來越大。再汽車輕量化的推動下,汽車中鋁合金、鎂合金、塑料等零部件的使用比例逐年增加,鋼鐵在汽車材料中的主導(dǎo)地位也受到了威脅。為提高汽車的安全性并應(yīng)對來自其他材料的挑戰(zhàn),目前鋼鐵材料的開發(fā)重點是高強(qiáng)度鋼。
-1- 雙相鋼
雙相鋼是由低碳鋼或低碳微合金鋼經(jīng)兩相區(qū)熱處理或控軋控冷而得到,其顯微組織主要為鐵素體和馬氏體。普通的高強(qiáng)鋼是通過控制軋制細(xì)化晶粒,并通過微合金元素的碳氮化物的析出來強(qiáng)化基體,而雙相鋼是在純凈的鐵素體晶界或晶內(nèi)彌散分布著較硬的馬氏體相,因此其強(qiáng)度與韌性得到了很好的協(xié)調(diào)。
雙相鋼的強(qiáng)度主要由硬的馬氏體相的比例來決定,其變化范圍為5 ～30 。拉伸力學(xué)性能特點是:
①應(yīng)力一應(yīng)變曲線呈光滑的拱形,無屈服點延伸;
②具有高的加工硬化速率,尤其是初始加工硬化速率;
③低的屈服強(qiáng)度和高的抗拉強(qiáng)度,成形后構(gòu)件具有高的壓潰抗力、抗撞擊吸收能和高的疲勞強(qiáng)度;
④大的均勻的伸長率和總伸長率。雙相鋼是兼有高強(qiáng)度和良好成形性的理想汽車
-2- 相變誘發(fā)塑性鋼
相變誘發(fā)塑性鋼是指鋼中存在多相組織的鋼。這些相通常為鐵素體、貝氏體、殘余奧氏體和馬氏體。
在形變過程中,穩(wěn)定存在的殘余奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變時引起了相變強(qiáng)化和塑性增長,為此殘余奧氏體必須有足夠的穩(wěn)定性,以實現(xiàn)漸進(jìn)式轉(zhuǎn)變,一方面強(qiáng)化基體,另一方面提高均勻的伸長率,達(dá)到強(qiáng)度和塑性同步增加的目標(biāo)TRIP鋼的性能范圍為:屈服強(qiáng)度 340～860MPa,抗拉強(qiáng)度 610～1080 MPa,伸長率22% ～37% 。
近年來,TRIP鋼的發(fā)展迅速。TRIP鋼主要用來制作汽車的擋板、底盤部件、車輪輪輞和車門沖擊梁等。此外,TRIP鋼板可作為熱鍍鋅和Zn—Ni電鍍鋅的基板,以生產(chǎn)高強(qiáng)度、高塑性、高拉深脹形性以及高耐腐蝕性的鍍鋅板。
韓國浦項已成功開發(fā)出800MPa和 1000MPa級的TRIP鋼,鋼板的成形性能非常好,可以加工成復(fù)雜形狀的汽車部件。目前,他們正著手開發(fā) 1200MPa級的TRIP鋼。在日本,三菱汽車公司與新日鐵、住友金屬及神戶制鋼等合作開發(fā)出汽車底盤零件用TRIP高強(qiáng)度鋼板, 在其新車型中已有8O余種底盤零件用TRIP鋼板制造。
許多研究結(jié)果表明,高硅含量的TRIP鋼與低合金高強(qiáng)度鋼相比具有更好的延展性和抗拉強(qiáng)度,其成分系列有:C—Mn—Si—N—V,C—Mn—Si—Ti和Si—Nb等。但硅含量高將導(dǎo)致帶鋼表面產(chǎn)生紅色氧化皮以及熱鍍鋅性能變差等缺點。近年來,一些研究者開始側(cè)重于用其它元素(如鋁、磷等)部分取代硅,以降低鋼中的硅含量,改善涂鍍性能,并通過添加鈮、釩、鈦及鉬等元素來提高TRIP鋼的強(qiáng)度。
-3- 復(fù)相鋼
復(fù)相鋼的組織與TRIP鋼類似,其主要組織是細(xì)小的鐵素體和高比例的硬相(馬氏體、貝氏體),含有鈮、鈦等元素口。通過馬氏體和貝氏體以及析出強(qiáng)化的復(fù)合作用,CP鋼的強(qiáng)度可達(dá)800~1000MPa,具有較高的吸收能和擴(kuò)孔性能,特別適合于汽車的車門防撞桿、保險杠和B立柱等安全零件。
依靠合金成分設(shè)計、微合金化、控軋控冷技術(shù)和連續(xù)退火技術(shù),熱軋和冷軋高強(qiáng)度帶鋼可以得到不同的組織,如鐵素體+貝氏體雙相組織、鐵素體+馬氏體雙相組織、鐵素體+貝氏體+殘余奧氏體復(fù)相組織和馬氏體組織,鋼的強(qiáng)度可從500MPa提高到1000MPa以上,甚至可以達(dá)到 1200MPa。
實踐表明,由于鋼中的微合金元素含量較高,在非再結(jié)晶區(qū)控軋時的變形抗力增加,導(dǎo)致軋機(jī)負(fù)荷變大。在控軋控冷過程中,鈦元素對加熱溫度和卷取溫度很敏感。板坯加熱溫度和軋后卷取溫度的波動容易導(dǎo)致卷板性能,如屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)非常明顯的波動。
對于冷軋高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼,可以在連續(xù)退火過程中通過復(fù)相熱處理工藝獲得不同組織體積比率的鐵素體+貝氏體+馬氏體復(fù)相組織。這種冷軋復(fù)相鋼具有良好的綜合力學(xué)性能,與常規(guī)淬火馬氏體鋼相在強(qiáng)度相同的條件下,有較高的韌性及塑性,因此在汽車工業(yè)具有廣闊的應(yīng)用市場。
-4- 馬氏體鋼
馬氏體鋼的生產(chǎn)是通過高溫奧氏體組織快速淬火轉(zhuǎn)變?yōu)榘鍡l馬氏體組織,可通過熱軋、冷軋、連續(xù)退火或成形后退火來實現(xiàn),其最高強(qiáng)度可達(dá) 1600MPa,是目前商業(yè)化高強(qiáng)度鋼板中強(qiáng)度級別最高的鋼種。
因此,當(dāng)生產(chǎn)板狀產(chǎn)品時,由于受成形性的限制,只能用滾壓成形生產(chǎn)或沖壓形狀簡單的零件,主要用于成形要求不高的車門防撞桿等零件以代替管狀零件,降低制造成本。
熱沖壓成形鋼(MnB鋼)是新日本鋼鐵方法,通過熱成形后急冷獲得高的成形度和極高的強(qiáng)度。具體的熱成形方法為:鋼板一加熱(880--950℃)一沖壓(在沖壓機(jī)模具內(nèi)實現(xiàn)淬火處理)一拋丸處理(去除氧化鐵皮)一成品(1500MPa)。
整個熱沖壓成形過程需要15～25S。為解決鋼板熱加工易生成氧化鐵皮的問題,一般需要在超高強(qiáng)度鋼板表面進(jìn)行鍍鋁處理。超高強(qiáng)度MnB鋼板主要用來制作防撞零件。
-5- 孿晶誘導(dǎo)塑性鋼
孿晶誘導(dǎo)塑性鋼:第二代先進(jìn)高強(qiáng)度汽車用鋼,其室溫組織為單相奧氏體。大多數(shù)的奧氏體鋼,如奧氏體不銹鋼和高錳鋼,層錯能處于中低的水平,因此趨向于形成大范圍的堆垛層錯、孿晶及平面位錯結(jié)構(gòu)。
當(dāng)高錳鋼中加入C或Al和Si 時,可以發(fā)現(xiàn)大范圍的機(jī)械孿晶。當(dāng) w(Mn)達(dá)到25% ,w (Al)>3 % , w(Si) 在2%～3%范圍之間時,鋼中存在大面積的機(jī)械孿晶,同樣的情況發(fā)生在當(dāng)碳很低的時候。這些鋼擁有非常高的延展性 ,最高可達(dá)80%。
他們引入了孿生誘導(dǎo)塑性鋼來命名這些鋼種 ,簡稱TWIP鋼。TWIP鋼優(yōu)異的力學(xué)性能來 自孿生誘導(dǎo)塑性 ,這種孿生在形變中的作用與傳統(tǒng)的概念完全不同。通常認(rèn)為,在晶體結(jié)構(gòu)對稱性比較低、滑移系比較少的材料中,當(dāng)形變速度較大 ,或在不利于滑移取向的情況下加力時在某些應(yīng)力集中的地方產(chǎn)生孿晶。
面心立方金屬不易產(chǎn)生孿晶,只有在極低的溫度下才會形成機(jī)械孿晶.由于孿生所產(chǎn)生的形變量很小,故在滑移困難時僅起調(diào)整取向的作用 , 使滑移能夠得以繼續(xù)進(jìn)行。但在TWIP 鋼中,可在形變溫度為-70～400 ℃時的面心立方奧氏體中形成 ,形變速率可低達(dá)10-4/s。
形變過程中,高應(yīng)變區(qū)孿晶的形成 ,孿晶界阻止了該區(qū)滑移的進(jìn)行 ,促使其它應(yīng)變較低區(qū)可通過滑移進(jìn)行目前,法國、中國等國家都開始了對TWIP鋼的生產(chǎn)技術(shù)開發(fā)。雖然 TWIP 具有優(yōu)異的力學(xué)性能,但是該鋼在冶煉、連鑄工藝,鋼材的延遲、斷裂、缺口敏感性以及可涂覆性能方面的問題都是妨礙這種鋼大規(guī)模在汽車工業(yè)應(yīng)用的技術(shù)難題。
目前 , 鋼廠和研究機(jī)構(gòu)正在研究新一代TWIP鋼FeMnA1鋼,也稱為TRIPLEX鋼 。FeMnAl 鋼不顯現(xiàn)TRIP和TWIP效應(yīng) ,加工變形時,位錯滑移形成剪切帶,產(chǎn)生高塑性 ,即剪切帶誘導(dǎo)塑性SIP效應(yīng)。到目前為止 ,其在汽車上的應(yīng)用已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)可。
-6- 淬火分配鋼
近幾年,J.G.Speer等提出了一種新工藝——淬火配分。此工藝可用來生產(chǎn)富碳?xì)堄鄪W氏體鋼種,即Q&P鋼。此工藝機(jī)理是基于碳在馬氏體/奧氏體混合組織中擴(kuò)散規(guī)律的一種新的認(rèn)識與理解。Q&P鋼屬于第三代AHSS,可以達(dá)到的力學(xué)性能范圍為:抗拉強(qiáng)度 800～1500,伸長率15% ～40%。
首先,基體在奧氏體區(qū)或臨界區(qū)溫度(TA)保溫一段時間后快速冷卻到M和Mf之問的淬火溫度(TQ)并短時等溫,產(chǎn)生適量的馬氏體,隨后升溫到配分溫度(T)并處理一段時間,確保殘余奧氏體富碳過程的完成。
盡管Q&P工藝與傳統(tǒng)Q&T工藝下,馬氏體形成熱力學(xué)機(jī)制相同,但兩者微觀組織的演變機(jī)理及最終構(gòu)成完全不同。在Q&T工藝中,回火馬氏體形成時,滲碳體的形成消耗了部分碳,而且殘余奧氏體分解。而Q&P工藝卻有意的抑制了Fe-C化物的析出,并使殘余奧氏體穩(wěn)定而不被分解。因此有效地抑制化合物的析出是該工藝的關(guān)鍵。
先進(jìn)高強(qiáng)度鋼的發(fā)展趨勢
鋼鐵產(chǎn)品制造廠面臨用戶對現(xiàn)存產(chǎn)品更為苛刻的質(zhì)量要求,這就需要加速開發(fā)新的鋼鐵材料,保證滿足用戶需求的新產(chǎn)品制造工藝必須可靠、價廉。
汽車用材料的另一種發(fā)展思路是在保留鋼材本身優(yōu)點,即強(qiáng)度、韌性、可加工性、壽命、消聲性和回收性等前提下降低鋼質(zhì)量密度。其中1種方法就是向鋼中添加諸如Al、Si等輕金屬合金元素。這些鋼已在早期開發(fā)出來,具有較高的強(qiáng)度、較低的體積密度以及經(jīng)過改善的耐蝕性,從目前來看,其發(fā)展?jié)摿艽?還具有進(jìn)一步的減重潛力。
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