第三代汽车钢技术研发进展

第三代汽车钢技术研发进展中国钢研科技集团钢铁研究总院先进钢铁材料技术国家工程研究中心时捷曹文全王存宇王毛球董瀚连铸技术国家工程研究中心陶红标张慧赵沛2011年9月23日重庆2011中国汽车轻量化技术研讨会影响汽车钢发展的因素性能成本工艺促进汽车钢发展的因素轻量化和安全性LightweightImpactsafety高强度高塑性稳定性零件易加工Easyfabrication高塑性高质量高效率零件低成本Lowcost低合金含量低工艺成本长寿命汽车钢向高强度方向发展（VWSharan车身用钢，HardyMohrbacher,ICAS2010）美国提出了高强塑第三代汽车薄板钢目标（美国Auto/SteelPartnership:NSF3rdGenerationAdvancedHigh-StrengthSteels的目标）汽车薄板钢发展力学性能及成分优点（解决问题）缺点（未解决问题）第一代钢Rm=200-1600MPaRm×A=10-20GPa%(TRIP:15-25GPa%)合金总量≤3wt%高强度工业化，经济性好，工艺性能好强塑积低（15GPa%）高强度成形难(工艺补充)，碰撞吸能差第二代钢Rm=700-1200MPaRm×A=45-65GPa%合金总量≈30wt%高强高塑碰撞吸能好，成形性好，减重效果明显工艺性能差，经济性差，工业化难，应用受限第三代钢?（介于前两代之间）工业化，经济性好，高强塑积（成形/吸能），工艺性好仅限概念提出未见结果报道第三代汽车钢得到国内外关注（CCTV新闻联播2011年2月23日头条播出）我们的高强塑第三代汽车薄板钢目标0102030405060050010001500200025003000延伸率，%抗拉强度，MPaconventionalTRIPmartensiticMetastable22SiMnTiB汽车薄板钢发展第一代•DP、TRIP、M钢•低强塑积10-20GPa%•15%奥氏体第二代•TWIP、A钢（高Mn、高Ni、高成本）•高强塑积45-60GPa%•100%奥氏体第三代•中低合金化、奥氏体状态控制、碳配分•强塑积30-40GPa%•M3组织DPTRIPM技术思路的形成•从铁素体晶粒细化到马氏体多尺度组织•从单一相到多相组合，马氏体+奥氏体•在生产和应用全过程中考虑组织稳定性packetpacketpacketpacketpacketpacketpacketpacketM3组织-本项目提出了新的组织调控目标M3M3组织调控原理示意图残余奥氏体板条块板条•原奥氏体晶粒•铁素体•残余奥氏体•马氏体/贝氏体•板条束/板条块/板条•合金固溶和析出铁素体[C][C]重要的基础研究进展800-1200MPa级汽车钢中锰钢ART退火1300-1700MPa级汽车钢低合金钢Q&P处理提高塑性的思路考虑颈缩条件：dσ/dε=σ0.00.10.20.30.40.5010002000300040005000TRIP600IFTWIPsteelMartensiticsteeldS/d,WorkhardeningrateS,Truestress/MPa,Truestrainworkhardeningrate提高亚稳奥氏体量与控制稳定性020406080100020406080100(b)ART-annealedQ&P-processed20Mn-3Si-3AlTRIP/TWIPsteel[13]15Mn-3Si-3Al[13]0.6~0.7Nano-B.Steel[14]TWIP/Aus.Steel[2]TRIPSteel[2]Conv.Steel[2]RmxA(GPa%)Austenitevolumefraction(%)第三代汽车钢的组织演变(a)1m-4.5(b)5m-8.4(c)30-18.3(d)1h-22.5(e)6h-30.9(f)12h-33.7MicrostructuralevolutionasafunctionofART-annealingtime5Mn钢中碳的影响规律0.00.10.20.30.40.50.6020040060080010001200Engineeringstress(MPa)Engineeringstrain@650OCx6h0.0030.050.10.140.20.260.4C,wt%0.0030.050.100.140.200.260.40RmMPa57586894597593510181115Rm×AGPa%15.223.928.837.540.542.842.40.2822.4327.5431.2527.0035.0041.00力学性能与合金元素碳0.00.10.20.30.40.50.6020040060080010001200Engineeringstress(MPa)Engineeringstrain@650OCx6h0.0030.050.10.140.20.260.4锰0.00.10.20.30.40.5050010001500(d)sE,Engineeringstress(MPa)eE,Engineeringstrain0.2CAustenisation7Mn5Mn力学性能的影响因素亚稳奥氏体0.00.10.20.30.40.502004006008001000E,EngineeringstrainE,Engineeringstress,MPaSampleNo.%A4.5%B8.4%C12.6%D18.3%E22.5%F24.0%G30.6%H33.9%试验温度0.00.20.40.60.80500100015002000(a)E,Engineeringtensilestress(MPa)E,Engineeringstrain@-196OC@-120OC@-80OC@-40OC@+27OC@+50OC@+100OC@+150OC@+200OC@+250OC@+300OC@+400OC900MPa级薄板钢0.00.10.20.30.40.502004006008001000E,EngineeringstrainE,Engineeringstress,MPaSampleNo.%A4.5%B8.4%C12.6%D18.3%E22.5%F24.0%G27.0%H33.9%1100MPa级薄板钢0.00.10.20.30.4050010001500(a)E,Engineeringstress,MPaSampleNo.%AA26.6%BB27.6%CC38.2%DD38.6%E,EngineeringstrainM3组织的应变硬化特征0.00.10.20.3020004000600080000.22C-TRIPT&dT/dTT0.00.10.20.3020004000600080000.39C-TRIPT&dT/dTT0.00.10.20.30.401000200030004000T&dT/dTT,TruestrainTdT/dTTG5-12h0.00.10.20.302000400060008000TdT/dTT&dT/dTT,TruestrainTG4中锰钢控制因素–TRIP机制BeforetensiledeformationAftertensiledeformation(Au=37%)工业流程试制的多尺度控制思路Chemistry–Processing–Structure–PerformanceChemistryLowCMediumMnProcessingCCRollingAnnealingStructure+PropertyUltrafineF/M+AHighRm&A工艺流程试制HRstrip&CRsheet80tBOF-LF-RH冶炼220mm板坯连铸2250热连轧热轧卷罩式退火冷轧ART退火HardenabilityofhotrolledcoilsTtAC3AC1MSHRcoilARTannealedCRsheetARTannealedRm,MPa11708921275888Rp0.2,Mpa8424301110875A,%11361036Rm×A,GPa%12.832.112.732.0Processingroute&correspondingproperties热轧板卷和冷轧薄板强度与塑性0102030405060708020040060080010001200A,%Rm,MPa300400LCsteelHNSTG-CRTG-HRTRIP40GPa%30GPa%15GPa%板薄焊接性能点焊激光焊激光焊强度RmMPaRp0.2MPaA%Agt%73555034.525点焊剪切强度,MPaTG钢342381335299深冲钢183门框铰链加强版马氏体钢热成形与第三代汽车钢冷成形热成形钢TG钢冷成形t=1.5mm简单成分复杂组织CMnFe0.1%C5%MnBal.FeM3F/B/MA…第三代汽车钢产品技术Steelproducttechnology薄钢板StripsandSheets热轧板Coldrolled冷轧板Hotrolled零件Component温成形WarmstampingModifiedstampingprocessingCCT-Diagram-LowaustenizationtemperatureModifiedHotstampingtechnology温成形技术Lowsoakingtemperature&airhardeningSteelgradesRp0.2MPaRmMPaA,%flat/curvedA,%TargetYRAdvans1500(1000)1515/160011/10.5≥12(0.64)TG101030145011≥120.71Doorbeamsbywarmstamping新型温成形技术Q&P处理后的多相组织（0.21%C钢）TraditionalQ-TprocessQ&Pprocess900℃×30min300℃×2hACOQ900℃×15min500℃×10minWQ280℃×1minMs=375℃Mf=175℃TypicallathmartensiteLathmartensite+blockyphase高塑性热成形马氏体钢5001000150020002500100002000030000400005000060000Q-P(-T)文献DPTRIPQ-P(-T)本文Q-T本文BQP本文Rm×A/MPa%Rm/MPa1500~1840MPa，Rm×A≥30GPa%典型的热冲压成形模拟车体1104零件热成形过程模拟（2010.11）制品厚度分布制品成形应力制品应变分布零件原型1.高强度汽车钢热成形过程的计算机模拟典型的热冲压成形模拟车体1104零件热成形过程模拟（2010.11）AbaqusExplicit6.93D1.高强度汽车钢热成形过程的计算机模拟中国钢研的汽车钢成形中试线红旗车HQ7平台中央通道•目前国内制造的尺寸最大、最薄的热成形零件•厚度为0.9mm，外形尺寸为1434×521×311mm•实物强塑积达到25—32GPa%的水平，较现有热成形零件的强塑积提高一倍左右定制热成形件–轿车通道（钢铁研究总院和中国一汽）Propertydistributionofatunnel105specimens0.010.020.030.040.050.060.070.080.090.0100.005001000150020002500050100150Ductility,%Strength,MPaSpecimenNo.Rm,MpaRp0.2,MpaA,%Φ,Gpa%高强塑积中央通道和防撞梁定制钢材与零件技术多尺度设计与制造思路•从Tailoredblanks到Tailoredsteelproducts•材料和工艺领域关注多尺度问题•计算材料学从abinitio开始计算•计算机技术（数据库、运算、CAD）•……项目研究工作思路实验室研究材