為了順應國家環保、節能、低碳、安全的時代發展潮流 , 我國的汽車行業不斷地引入先進生產技術并著重研發輕量化高強度鋼,打造擁有自主品牌和自主知識產權來提高國際競爭力和出口能力。
高強度汽車鋼的分類
高強度汽車用鋼目前可分為三代,第一代先進高誘導塑性鋼等;第二代先進高強鋼分為TWIP孿晶誘導塑強鋼分為FB鋼、IF鋼、馬氏體鋼、TRIP相變性鋼、L-IP誘導塑性輕鋼、SIP剪切帶強化鋼;第三代先進高強度鋼分為TBF貝氏體基相變誘導塑性鋼、δ-TRIP鋼 、納米貝氏體鋼、中錳TRIP鋼、Q&P鋼等。先進鋼材不斷地在現代汽車制造行業更新換代 ,
同時先進超高強度鋼的引進不僅會盡可能地減少汽車零件用材 , 達到汽車輕量化的要求 ,還可對國民經濟 、
科研領域等發展等產生巨大影響 。為實現這一目標 ,首選方案是選用乃至研發比強度高的材料 , 由此可見 , 我國材料發展面臨著諸多嚴峻挑戰 。
普通鋼及先進高強鋼分類
按照國際鋼鐵協會USL-AB項目 ,可將鋼種按其力學性能進行分類,分為低強鋼 、 高強鋼和超高強鋼 。超高強鋼的抗拉強度Rm(σb)>700MPa,屈服強度Re(σs)>550MPa ;低強鋼的抗拉強度Rm(σb)<270MPa , 屈服強度Re(σs)<210MPa ;高強鋼的力學指標介于這兩者之間。其中,低強度鋼分為IF鋼和軟鋼;普通高強度鋼分為碳錳鋼 、BH鋼、高強度IF鋼和HSLA鋼等;先進高強度鋼(AHSS )包括雙相鋼 、TRIP相變誘發塑性鋼 、
CP鋼和馬氏體鋼(M鋼)等。
先進高強度鋼的性能分析
應力-應變關系分析
第一代汽車高強度鋼IF鋼 , 即無間隙原子鋼(超低碳鋼) ,C、N含量較低 , 曲線變化很平穩 , 其抗拉強度為280MPa左右 , 具有較好的塑性 ;馬氏體鋼 ,其顯微組織為馬氏體組織 , 經過相應的熱處理工藝 , 其抗拉強度可達2100MPa 。但是第一代高強度鋼存在明顯問題:抗拉強度大的材料,塑性性能差 , 伸長率差值達到37%左右 。第一代汽車鋼并不適用于現代汽車制造行業 , 由于其強塑積比較低因而又研發了第二代鋼鐵材料。第二代先進汽車高強度鋼(TWIP鋼), 當抗拉強度為800MPa時, 其塑性變形僅為20% ,而隨著應力的逐漸提升,當應力達到1200MPa時,其應變達到了58%以上 ,具有較好的塑性性能,其強塑積遠高于第一代汽車用鋼。由此可見,經過改進的第二代汽車用鋼,碰撞吸能能力更強,且性能相比于第一代要更好,但成本相對較高 。
三代先進汽車高強度鋼Q&P鋼, 處于馬氏體狀態中的碳 , 在淬火過程中被分配至殘余奧氏體,殘余奧氏體因碳更加穩定,進而提高了鋼的強韌化性能。當應變為15%左右時 ,Q&P鋼應力達到最高值 , 約為1500MPa, 換言之, 它具有強度高、可塑性強、成本低等優點,被認為是將高強度與良好韌塑性完美結合的新一代高強度鋼 。第一代汽車用鋼中的IF鋼為低強度鋼,伸長率可達50%,具有極其優異的深沖性能 , 且鋼板的屈服和抗拉強度不會隨時間變化而出現明顯上升的現象 ,或在沖壓時出現拉伸應變痕(滑移線),常用于發動機機油底殼。第二代先進超高強度鋼TWIP鋼 ,在室溫下的組織為單一的奧氏體組織和少量退火孿晶組織奧氏體鋼,強度可達1600MPa , 斷后伸長率達到65%以上 , 具有優異的強度和延展性,良好的耐磨性和耐蝕性。因其具有較高的Mn含量(12%-30%) ,強度是傳統高強鋼的2倍,故此鋼種可用于改善汽車的碰撞安全性能, 在汽車制造行業被廣泛關注 。
相比于前兩代鋼種 , IF鋼雖具有極其優異的深沖性能 , 但表面易出現起泡、線紋等缺陷 。TWIP雖具有優異的力學性能 , 但是該鋼在冶煉、鑄造工藝等方面卻存在著很大的技術難題 。2009年,具有高強度、高塑性的第三代汽車用鋼成功地被中國鋼研科技集團在實驗室里研發。第三代汽車鋼的抗拉強度相比于第一代增加了300% ,延伸率可達至35%, 然而所用的合金含量卻小于第二代汽車鋼的1/3,且其成本僅略高于第一代汽車鋼 。
1.雙相鋼(DP鋼,DUAL PHASE STEELS) 性能特點:無屈服延伸、無室溫時效、低屈強比、高加工硬化指數和高烘烤硬化值。典型應用:DP 系列高強鋼是目前結構類零件的首選鋼種,大量應用于結構件、加強件和防撞
件。如,車底十字構件、軌、防撞桿、防撞桿加強結構件等。2.復相鋼(CP 鋼,COMPLEX PHASE STEELS) 性能特點:晶粒細小,抗拉強度較高。與同級別抗拉強度的雙相鋼相比,其屈服強度明顯要高
很多。具有良好的彎曲性能、高擴孔性能、高能量吸收能力和優良的翻邊成形性能。典型應用:底盤懸掛件,B 柱,保險杠,座椅滑軌等。3.相變誘導塑性鋼(TRIP 鋼,TRANSFORMATION INDUCED PLASTICITY STEELS)性能特點:組織中含有殘余奧氏體,有良好的成形性能。在成形過程中殘余奧氏體會逐漸轉變
為硬的馬氏體,有利于均勻變形。TRIP 鋼還具有高碰撞吸收能、高強度塑性積和高 N 值的特點。典型應用:結構相對復雜的零件,如 B 柱加強板、前縱梁等。4.馬氏體鋼(MS 鋼,MARTENSITIC STEELS)性能特點:屈強比高,抗拉強度高,延伸率相對較低,需要注意延遲開裂的傾向。具有高碰撞吸
收能、高強度塑性積和高 N 值的特點。典型應用:簡單零件的冷沖壓和截面相對單一的輥壓成形零件,如保險杠、門檻加強板和側門
內的防撞桿等。 5.淬火延性鋼(QP 鋼,QUENCHING AND PARTITIONING STEELS)性能特點:以馬氏體為基體相,利用殘余奧氏體在變形過程中的 TRIP 效應,能實現較高的加
工硬化能力,因此比同級別超高強鋼擁有更高的塑性和成形性能。典型應用:適用于形狀較為復雜的汽車安全件和結構件,如 A、B 柱加強件等。6.孿晶誘發塑性鋼(TWIP 鋼,TWINNING INDUCED PLASTICITY STEELS)性能特點:TWIP鋼為高C、高MN、高AL成分的全奧氏體鋼。通過孿晶誘發的動態細化作用,
能實現極高的加工硬化能力。TWIP鋼具有超高強度和超高塑性,強塑積可達50GPA%以上。典型應用:TWIP鋼具有非常優越的成形性能和超高強度,適用于對材料拉延和脹形性能要求
很高的零件,例如復雜形狀的汽車安全件和結構件。7.硼鋼(PH鋼或B鋼,PRESS HARDENING/BORON STEELS)性能特點:超高強度(抗拉強度達 1500MPA 以上),有效提高碰撞性能,車身輕量化;零件形狀復雜,成形性好;尺寸精度高。典型應用:安全結構件,如:前、后保險杠、A柱、B柱、中通道等。
文章來源:《科技視界》 作者:卜子華、徐淑瓊;新疆鋼鐵
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