傳統的高強度鋼多是通過固溶、析出和細化晶粒作為主要強化手段,而先進高強度鋼(AHSS )是指通過相變進行強化的鋼種,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、相變誘導塑性(TRIP) 鋼、馬氏體(M) 鋼、復相(CP) 鋼、熱成形(HF) 鋼和孿晶誘導塑性(TWIP) 鋼。
先進高強度鋼的強度和塑性配合優于普通高強鋼,兼具高強度和較好的成形性,特別是加工硬化指數高,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,已經廣泛應用于汽車工業,主要應用于汽車結構件、安全件和加強件如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鋼板有限公司實現量產。
先進高強度鋼開發和研究進展
所有的高速鋼的生產都要控制奧氏體相或奧氏體加鐵素體相的冷卻速度,可以在外圍表面進行熱磨削(如熱軋產品),也可以在連續退火爐中局部冷卻(連續退火或熱浸涂產品)。
馬氏體鋼是通過快速淬火致使大部分奧氏體轉變成馬氏體相而產生的。鐵素體加馬氏體雙相鋼的生產,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(見于連續退火和熱浸涂鋼中)在殘余奧氏體快速冷卻轉變成馬氏體之前,將其中一些奧氏體轉變成鐵素體。
TRIP鋼通常需要保持在中溫等溫的條件以產生貝氏體。較高的硅碳含量使TRIP鋼在最后的微觀結構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,化學元素的調整會產生極少的殘余奧氏體并形成細小的析出以加強馬氏體和貝氏體相。
汽車用高強度鋼分為熱軋、冷軋和熱鍍鋅產品,其工藝特點都是通過相變實現強化。此外,還有一種熱沖壓成形模具淬火硬化的超高強鋼再歐洲的汽車制造業獲得了廣泛應用。
隨著安全性和燃油經濟性需求的增長,汽車工業對高強度、輕質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地位也受到了威脅。為提高汽車的安全性并應對來自其他材料的挑戰,目前鋼鐵材料的開發重點是高強度鋼。
-1- 雙相鋼
雙相鋼是由低碳鋼或低碳微合金鋼經兩相區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。普通的高強鋼是通過控制軋制細化晶粒,并通過微合金元素的碳氮化物的析出來強化基體,而雙相鋼是在純凈的鐵素體晶界或晶內彌散分布著較硬的馬氏體相,因此其強度與韌性得到了很好的協調。
雙相鋼的強度主要由硬的馬氏體相的比例來決定,其變化范圍為5 ～30 。拉伸力學性能特點是:
①應力一應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低的屈服強度和高的抗拉強度,成形后構件具有高的壓潰抗力、抗撞擊吸收能和高的疲勞強度;
④大的均勻的伸長率和總伸長率。雙相鋼是兼有高強度和良好成形性的理想汽車
-2- 相變誘發塑性鋼
相變誘發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,穩定存在的殘余奧氏體向馬氏體轉變時引起了相變強化和塑性增長,為此殘余奧氏體必須有足夠的穩定性,以實現漸進式轉變,一方面強化基體,另一方面提高均勻的伸長率,達到強度和塑性同步增加的目標TRIP鋼的性能范圍為:屈服強度 340～860MPa,抗拉強度 610～1080 MPa,伸長率22% ～37% 。
近年來,TRIP鋼的發展迅速。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,以生產高強度、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出800MPa和 1000MPa級的TRIP鋼,鋼板的成形性能非常好,可以加工成復雜形狀的汽車部件。目前,他們正著手開發 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出汽車底盤零件用TRIP高強度鋼板, 在其新車型中已有8O余種底盤零件用TRIP鋼板制造。
許多研究結果表明,高硅含量的TRIP鋼與低合金高強度鋼相比具有更好的延展性和抗拉強度,其成分系列有:C—Mn—Si—N—V,C—Mn—Si—Ti和Si—Nb等。但硅含量高將導致帶鋼表面產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鋼的強度。
-3- 復相鋼
復相鋼的組織與TRIP鋼類似,其主要組織是細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化的復合作用,CP鋼的強度可達800~1000MPa,具有較高的吸收能和擴孔性能,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。
依靠合金成分設計、微合金化、控軋控冷技術和連續退火技術,熱軋和冷軋高強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+殘余奧氏體復相組織和馬氏體組織,鋼的強度可從500MPa提高到1000MPa以上,甚至可以達到 1200MPa。
實踐表明,由于鋼中的微合金元素含量較高,在非再結晶區控軋時的變形抗力增加,導致軋機負荷變大。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致卷板性能,如屈服強度和抗拉強度出現非常明顯的波動。
對于冷軋高強度結構鋼,可以在連續退火過程中通過復相熱處理工藝獲得不同組織體積比率的鐵素體+貝氏體+馬氏體復相組織。這種冷軋復相鋼具有良好的綜合力學性能,與常規淬火馬氏體鋼相在強度相同的條件下,有較高的韌性及塑性,因此在汽車工業具有廣闊的應用市場。
-4- 馬氏體鋼
馬氏體鋼的生產是通過高溫奧氏體組織快速淬火轉變為板條馬氏體組織,可通過熱軋、冷軋、連續退火或成形后退火來實現,其最高強度可達 1600MPa,是目前商業化高強度鋼板中強度級別最高的鋼種。
因此,當生產板狀產品時,由于受成形性的限制,只能用滾壓成形生產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度。具體的熱成形方法為:鋼板一加熱(880--950℃)一沖壓(在沖壓機模具內實現淬火處理)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,一般需要在超高強度鋼板表面進行鍍鋁處理。超高強度MnB鋼板主要用來制作防撞零件。
-5- 孿晶誘導塑性鋼
孿晶誘導塑性鋼:第二代先進高強度汽車用鋼,其室溫組織為單相奧氏體。大多數的奧氏體鋼,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、孿晶及平面位錯結構。
當高錳鋼中加入C或Al和Si 時,可以發現大范圍的機械孿晶。當 w(Mn)達到25% ,w (Al)>3 % , w(Si) 在2%～3%范圍之間時,鋼中存在大面積的機械孿晶,同樣的情況發生在當碳很低的時候。這些鋼擁有非常高的延展性 ,最高可達80%。
他們引入了孿生誘導塑性鋼來命名這些鋼種 ,簡稱TWIP鋼。TWIP鋼優異的力學性能來 自孿生誘導塑性 ,這種孿生在形變中的作用與傳統的概念完全不同。通常認為,在晶體結構對稱性比較低、滑移系比較少的材料中,當形變速度較大 ,或在不利于滑移取向的情況下加力時在某些應力集中的地方產生孿晶。
面心立方金屬不易產生孿晶,只有在極低的溫度下才會形成機械孿晶.由于孿生所產生的形變量很小,故在滑移困難時僅起調整取向的作用 , 使滑移能夠得以繼續進行。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10-4/s。
形變過程中,高應變區孿晶的形成 ,孿晶界阻止了該區滑移的進行 ,促使其它應變較低區可通過滑移進行目前,法國、中國等國家都開始了對TWIP鋼的生產技術開發。雖然 TWIP 具有優異的力學性能,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模在汽車工業應用的技術難題。
目前 , 鋼廠和研究機構正在研究新一代TWIP鋼FeMnA1鋼,也稱為TRIPLEX鋼 。FeMnAl 鋼不顯現TRIP和TWIP效應 ,加工變形時,位錯滑移形成剪切帶,產生高塑性 ,即剪切帶誘導塑性SIP效應。到目前為止 ,其在汽車上的應用已經得到了廣泛的認可。
-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。此工藝可用來生產富碳殘余奧氏體鋼種,即Q&P鋼。此工藝機理是基于碳在馬氏體/奧氏體混合組織中擴散規律的一種新的認識與理解。Q&P鋼屬于第三代AHSS,可以達到的力學性能范圍為:抗拉強度 800～1500,伸長率15% ～40%。
首先,基體在奧氏體區或臨界區溫度(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Q&T工藝下,馬氏體形成熱力學機制相同,但兩者微觀組織的演變機理及最終構成完全不同。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鍵。
先進高強度鋼的發展趨勢
鋼鐵產品制造廠面臨用戶對現存產品更為苛刻的質量要求,這就需要加速開發新的鋼鐵材料,保證滿足用戶需求的新產品制造工藝必須可靠、價廉。
汽車用材料的另一種發展思路是在保留鋼材本身優點,即強度、韌性、可加工性、壽命、消聲性和回收性等前提下降低鋼質量密度。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出來,具有較高的強度、較低的體積密度以及經過改善的耐蝕性,從目前來看,其發展潛力很大,還具有進一步的減重潛力。
