来源:技术邻
作者:机械式呆滞
现代汽车制造业的核心是安全和环保,对车身要求“提高强度、减轻重量”。先进高强度钢在这种背景下蓬勃发展,大量应用于汽车车身的结构件、安全件上。
汽车用高强钢类型
1、双相钢 (DP钢,Dual Phase Steels)
2、复相钢 (CP钢,Complex Phase Steels)
3、相变诱导塑性钢 (TRIP钢,Transformation Induced Plasticity Steels)
4、马氏体钢 (MS钢,Martensitic Steels)
5、淬火延性钢 (QP钢,Quenching and Partitioning Steels)
6、孪晶诱发塑性钢 (TWIP钢,Twinning Induced Plasticity Steels)
7、硼钢 (PH钢或B钢,Press Hardening/Boron Steels)
▇双相钢(DP钢)
性能特点:无屈服延伸、无室温时效、低屈强比、高加工硬化指数和高烘烤硬化值。
典型应用:DP系列高强钢是目前结构类零件的首选钢种,大量应用于结构件、加强件和防撞件。如,车底十字构件、轨、防撞杆、防撞杆加强结构件等。
▇复相钢(CP钢)
性能特点:晶粒细小,抗拉强度较高。与同级别抗拉强度的双相钢相比,其屈服强度明显要高很多。具有良好的弯曲性能、高扩孔性能、高能量吸收能力和优良的翻边成形性能。
典型应用:底盘悬挂件,B柱,保险杠,座椅滑轨等。
▇相变诱导塑性钢(TRIP钢)
性能特点:组织中含有残余奥氏体,有良好的成形性能。在成形过程中残余奥氏体会逐渐转变为硬的马氏体,有利于均匀变形。TRIP钢还具有高碰撞吸收能、高强度塑性积和高n值的特点。
典型应用:结构相对复杂的零件,如B柱加强板、前纵梁等。
▇马氏体钢(MS钢)
性能特点:屈强比高,抗拉强度高,延伸率相对较低,需要注意延迟开裂的倾向。具有高碰撞吸收能、高强度塑性积和高n值的特点。
典型应用:简单零件的冷冲压和截面相对单一的辊压成形零件,如保险杠、门槛加强板和侧门内的防撞杆等。
▇淬火延性钢(QP钢)
性能特点:以马氏体为基体相,利用残余奥氏体在变形过程中的TRIP效应,能实现较高的加工硬化能力,因此比同级别超高强钢拥有更高的塑性和成形性能。
典型应用:适用于形状较为复杂的汽车安全件和结构件,如A、B柱加强件等。
▇孪晶诱发塑性钢(TWIP钢)
性能特点:TWIP钢为高C、高Mn、高Al成分的全奥氏体钢。通过孪晶诱发的动态细化作用,能实现极高的加工硬化能力。TWIP钢具有超高强度和超高塑性,强塑积可达50GPa%以上。
典型应用:TWIP钢具有非常优越的成形性能和超高强度,适用于对材料拉延和胀形性能要求很高的零件,例如复杂形状的汽车安全件和结构件。
▇硼钢(PH钢或B钢)
性能特点:超高强度(抗拉强度达1500MPa以上),有效提高碰撞性能,车身轻量化;零件形状复杂,成形性好;尺寸精度高。
典型应用:安全结构件,如:前、后保险杠、A柱、B柱、中通道等。
汽车用钢的演化历程
自19世纪末期,即1885年德国工程师Karl Benz设计出第一台由内燃机驱动的汽车以来,钢开始在汽车制造过程中得到应用。在20世纪初,随着钢板/钢带生产技术的出现及其复杂成型加工技术的突破,汽车结构中的木质部件逐渐被钢板/钢带所取代。随后的百年历史中,钢板/钢带成为汽车制造过程中的主导材料。随历史时期的不同,结合相应的国家战略、消费需求及技术能力,演化出一系列的汽车用钢材料,具体如图1所示。首先在汽车中得到应用的是低碳钢(Low Carbon,LC)和无间隙原子钢(Interstitial Free,IF),在当时这两类低强钢能满足强度、成型性、成本和设计的需求。直到1970年左右北美石油危机事件,汽车工业为应对能源问题,开始开发高强度钢来实现减重节能。自此之后,便进入到汽车钢板强度级别不断提高的良性循环时段。特别是在目前全球汽车轻量化的大趋势下,钢铁业内工作者也在为之不断的努力。
汽车用钢板的分类
▇传统高强钢
传统高强钢以烘烤硬化钢(Bake Hardenable,BH)为主,其力学性能如图2所示。在冲压成型后的烤漆过程中实现强度的提高。冲压过程中的应变硬化程度,对后续烘烤过程中强度的提高有明显的影响。成型过程中的应变硬化,主要是基于形变引起的位错密度的提高。烘烤过程中强度的提高,是基于该过程中原子的扩散导致的对后续位错运动的阻碍。成型方式和成型过程引起的应变量的不同,均会对烘烤硬化效果产生一定的影响。
▇典型第一代先进高强钢及其控制技术
第一代先进高强钢以双相钢(Dual Phase,DP)和相变诱导塑性钢(Transformation Induced Plasticity,TRIP)为主。
DP钢,故名思议是由两种相组成,可为铁素体+贝氏体或铁素体+马氏体,其组织示意图如图3所示。铁素体作为软相,保证其具有一定的塑性,易成型;贝氏体/马氏体作为硬相,使其具有合理的强度。
▇典型第二代先进高强钢及其控制技术
第二代先进高强钢以挛晶诱导塑性钢(Twinning Induced Plasticity,TWIP)为主。TWIP钢,是基于形变过程中由于奥氏体相的变化,形成的机械挛晶,如图5所示。由于挛晶的形成,可吸收碰撞过程中的能量。其基本成分为18%Mn-3%Si-3%Al,当然随不同部件对各相性能的关注点不同和生产过程中的瓶颈问题,该成分可做出适当的调整。
▇第三代先进高强钢的发展
第三代先进高强钢,是基于第一代与第二代高强钢区域之间的空白,开发具有高强高塑性的综合性能优良的品种,如目前国内外的研究热点Q&P(Quenching and Partition)钢。Q&P钢的室温组织为铁素体、马氏体和奥氏体,其设计原理是在淬火到一定温度形成相当数量的马氏体后,存在一个二次加热过程,如图6所示,在该过程实现马氏体内碳原子向残留奥氏体内的扩散,从而提高其稳定性。由此工艺生产的高强钢,其强塑积可远超第一代和第二代先进高强钢。
汽车用钢的发展趋势及研究热点
通过高强钢的应用,车身各部件可以实现减薄的同时不损失强度。在欧美已达成一致,车身结构通过600MPa/40%到1600MPa/20%高强钢的应用,车身重量可以至少减少5-8%,这给此性能范围内各系列高强钢的发展带来了机遇。
对于下一步汽车用钢的发展方向和研究议题,国际NSF组织(National Steel Fabrication)、美国DOE(Department of Energy)能源部、美国AISI钢铁协会(American Iron and Steel Institute)和A/SP(Auto/Steel Partnership),在大学和科研院所等机构提出如下研究领域:
先进高强钢的微观组织和机械性能;
先进高强钢的碳扩散过程;
先进高强钢的粒子尺寸及界面效应;
先进高强钢中的纳米针状铁素体型双相钢;
高强高塑贝氏体钢;
先进高强钢的成型性及回弹行为;
先进高强钢的相应模型。
需求会促进相关技术的进步,技术的进步同样会刺激需求的提高。轻量化的大趋势,会促进钢铁界技术的不断进步,从而为更先进钢板的应用创造条件。下一步汽车用钢的发展方向,或者说在当今时期更为理想的汽车钢板材料,应具备如下条件:低碳(高的焊接性)、低成本(低合金量的添加)、高成型性、易于装配和维修。现如今各系列的车用高强钢,都普遍存在一定的局限性,成分差异大、表面质量不统一,都为最终的涂装等带来一定的难度。今后对各类材料的评价,应从全流程的角度来考虑,这样才能设计生产出既好又实用的产品。
来源:中国钢研战略所
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