汽车用高强钢发展综述分析解析

安徽工业大学研究生考试试卷评分考试科目：_________________________阅卷人：_________________________专业：_________________________学号：_________________________姓名：_________________________注意事项1、考前研究生将上述项目填写清楚2、字迹要清楚，保持卷面清洁3、教师将成绩单送研究生学院归档年月日现代工程材料研材料1220120049季承玺方俊飞汽车用高强钢发展综述摘要:综述了目前国内外高强钢材汽车钢板的使用现状及全球趋势，探究了国内外在高强钢材的科技水平，并且在此基础上提出了高强钢材的应用前景，为汽车钢板行业实现可持续发展提供了思路。关键词:汽车；高强钢；轻量化；种类；发展1.高强钢材的优势与普通强度钢材相比，高强度钢材(以下简称高强钢)具有更高的屈服强度和抗拉强度，因此，采用高强钢构件替代普通强度钢构件可以减小截面尺寸，节约钢材用量，降低制造、运输、安装费用等。高强钢的应用不仅能体现更高的结构效率，还可以带来可观的经济效益和社会效益。高强度钢材的优点有很多，研究结果表明，在同样的轴心受压条件下，采用高强度钢材的钢柱，在整体稳定方面，极限应力δu与屈服强度fy的比值δu/fy(即整体稳定系数φ)，要比普通强度钢材钢柱高很多[1]。相对于普通钢材，钢结构采用高强度钢材具有以下优势:能够减小构件尺寸和结构重量，相应地减少焊接工作量和焊接材料用量，减少各种涂层(防锈、防火等)的用量，使得运输安装更加容易，降低钢结构的加工制作、运输和安装成本。高强度钢材能够降低钢材用量，从而大大减少铁矿石资源的消耗；焊接材料和各种涂层(防锈、防火等)用量的减少，也能够大大减少不可再生资源的消耗，同时能够减少因资源开采对环境的破坏。2.低合金高强度钢生产工艺技术的发展自60年代以来，在低合金高强度钢发展的第三阶段中，生产工艺技术有了长足的进步，这是由三方面因素促成的。(1)对低合金高强度钢性能的要求有了新的认识和提高。对焊接钢材要求不仅有高的抗裂纹生成能力，还要求有良好的抗裂纹扩展能力，即良好的缺口韧性。强度越高，要求韧性越好。(2)组织一性能关系的基础研究有了重大的突破。Hall和Petch的基础研究首次向人们展示，晶粒细化可以同时提高屈服强度和冲击韧性。Morrison和Wodhead等的研究表明，在适当条件下，低合金高强度钢中可以形成一定体积分数的尺寸为纳米级的碳氮化物粒子，具有非常强烈的沉淀硬化效果，而加入的钒、妮、钦等元素，以前仅作为细化晶粒元素使用，实际上它们还有析出强化作用。Garland和Plateau等关于第二相质点对塑性断裂过程影响的理论分析表明，材料的总体塑性与质点的形状有关，第二相质点的长宽比增加，提高沿夹杂物长度方向的拉伸塑性，由此产生塑性的各向异性。这种各向异性影响扁平产品的纵向弯曲性能以及焊接时的层状撕裂。组织和性能关系研究的这些重大成果为开发控制轧制控制冷却以及夹杂物变形和形态控制工艺奠定了理论基础。3.汽车轻量化的途径及材料应用趋势3.1汽车轻量化背景随着我国核电工业、大型化工设备的更新改造以及千吨级以上轧机设备需求量的持续上升，国内对大件特种运输的需求在不断提高[2]。大件运输指超限、超重物品的商品运输，超限货物是指装载轮廓尺寸超过车辆限界标准；超重货物是指车辆总重量超过一定数值。大件运输由于其不可拆解性，超限问题一直以来难以解决，尤其是超高。模块车在轮式大件特种运输设备中占有相当地位，尽可能降低模块车自身高度来解决超高成为课题。3.2汽车轻量化途径目前，全球中型乘用车平均质量约为1200~1400kg，发达国家力争在2015年将中型乘用车整车质量减轻到1000kg以下。实现汽车轻量化主要有以下几种途径:一是采用轻质材料，如使用低密度的铝及铝合金、镁及镁合金、工程塑料或碳纤维复合材料等；二是使用高强度钢替代普通钢材，降低钢板厚度规格；三是采用先进的制造工艺，如激光拼焊、液压成形、铝合金低压铸造及半固态成型技术；四是优化结构设计，即对汽车车身、底盘、发动机等零部件进行结构优化，采用前轮驱动、高刚性结构和超轻悬架结构等。3.3汽车材料的应用趋势近年来，轻质材料的应用逐渐增多，汽车内饰件业已塑料化；铝、镁合金主要以铸件或锻件的形式应用于汽车发动机、变速器等零部件上，以及豪华车和特种车辆的车身制造中。由于成本高、成型工艺复杂及焊接性差等原因，铝、镁合金在车身制造中尚未大规模应用。高强度钢在抗碰撞性能、加工工艺和成本方面较铝、镁合金具有明显的优势，能够满足减轻汽车质量和提高碰撞安全性能的双重需要，从成本与性能角度来看，是满足车身轻量化、提高碰撞安全性的最佳材料。除了疲劳强度外，高强度钢在应用中的各个性能指标均正比于板厚和相应的材料性能的n次方的乘积。如压溃强度Ps∝tσb2n、撞击吸能AE=t2σb2n等。因此，高强度钢板能够大幅度增加零件的抗变形能力，提高能量吸收能力和扩大弹性应变区。高强度钢应用于汽车零件上，可以通过减薄零件厚度来减轻车身质量；当钢板厚度分别减少0.05、0.10、0.15mm时车身可减重6%、12%、18%。车身用钢向高强度化发展已经成为趋势[3]。4.高强度钢的强化机理与分类4.1高强度钢的强化机理高强度钢的强化机制主要有固溶强化、析出强化、组织强化、烘烤硬化、细晶强化[4]，见表1。表1钢板的强化机理种类适用范围/MPa强化的原理特点固溶强化340～440a.利用固溶于Fe中的原子产生的格子变形的强化机理b.有Si、Mn、P等置换型a.加P钢成形性较好，可获得的TS达到440MPa左右b.位错互相交织，难以形成格子状，静态动态比很大c.若为冷轧系列，可得到较高的r值析出强化440～590使Ti、Nb、V等的碳化物和氮化物以细小的形态析出，由于这些析出物，位错活动受到阻碍，据此实现强化机理a.常用于490～590MPa级的钢板，虽然焊接性和涂漆性较好，但YP较高，EI较小，不适合要求较高的成形b.若为热轧薄板，由于热轧薄板的卷曲温度不低，因此可以制造几毫米厚的高强度钢板组织强化490～1180利用将钢从高温的奥氏体急冷时生成的硬质相马氏体和贝氏体的强化机理a.强度高且比较容易兼顾到成形性b.根据硬质组织的种类、数量、形态不同而具有多样性(DP钢、TRIP钢、高扩孔性钢)细晶强化利用晶界阻碍位错进行的特点，使晶粒细化，改善了脆性，成形性的劣化也较小，但期望的强度增加值较以此增加晶界，加大位错密度的强化机理小，仅为100MPa左右4.2高强度钢的主要种类根据强度分类，屈服强度在210~550MPa和抗拉强度在270~700MPa的钢为高强钢(HSS)，而屈服强度大于550MPa和抗拉强度大于700MPa的钢为超高强钢(UHSS)[5]。如果根据冶金学特征进行分类，分为普通高强度钢(C-Mn钢、高强度IF钢、BH钢、IS钢、HSLA钢)和先进高强度钢(DP、CP、TRIP、M、HF)。(1)高强度钢(IF)高强度IF钢属于固溶强化钢，在超低碳、铝镇静钢中添加P、Mn和Si等固溶强化元素来提高强度，抗拉强度可达450MPa。高强度IF钢具有良好的机械性能和抗二次加工脆性、化学处理性和合金化镀锌适应性。广泛应用在车身结构件、开启件上。(2)烘烤硬化钢(BH)BH钢金相组织以铁素体为基体，主要以固溶强化来提高强度。其特点是添加的磷元素在钢的冶炼过程中可以与碳、氮形成固溶强化。在钢板冲压过程中，基体(铁素体)内“位错”密度增加，碳、氮原子向“位错”扩散的距离缩短，当BH钢车身进入涂装在烘烤炉中受热时，便赋予了固溶体中碳、氮原子扩散的能量，使碳、氮原子在“位错”处析出，从而提高了工件的屈服强度，故称此类钢为烘烤硬化钢[6]。(3)低合金高强度钢(HSLA)在冶炼过程中添加一些微量元素，使钢能析出一些细小的碳化物并使晶粒细化而提高钢材的强度。(4)双相钢(DP)DP钢的显微组织主要是铁素体和马氏体，马氏体以岛状分布于铁素体基体中，马氏体的含量在5%~20%，钢的强度随马氏体含量的增加不断提高。强度范围一般为500~1000MPa。DP钢具有屈服强度低、初始加工硬化指数高、高的烘烤硬化性能、无屈服延伸和室温时效、高的能量吸收能力等特点，较好的实现了强度和成形性能的匹配。主要用于汽车结构件、安全件和加强件，如车轮、保险杠、横梁、纵梁、座椅导轨等零件。双相钢是以相变为基础的新型高强度钢，在微观组织上，双相钢是以较软的铁素体加硬相马氏体所构成。在力学性能上，同时具有高的强度和加工硬化指数、低屈强比的特点。双相钢由低碳钢或低碳微合金钢经两相区热处理或控轧控冷而得到，马氏体以岛状分布于铁素体基体中(见图1、图2)，含量在5%-20%之间，钢的强度随马氏体含量的增加不断提高，强度范围为500-1200MPa。DP钢具有较高的伸长率以及较高的加工硬化率，抗疲劳性能好。目前，DP钢的主要类型有DP450/DP600/DP780/DP980，主要用于汽车的结构件和安全件，如前内纵梁、后内纵梁、中支柱里板、座椅横梁等零件。法国阿塞洛、瑞典SSAB、日本新日铁、神户制钢等钢厂可以生产多种规格的双相钢。国内宝钢、武钢、鞍钢可以提供一些等级的DP双相钢[7]。图1DP600金相组织图2DP980金相组织图3TRIP780金相组织中约18%残余奥氏体图4TRIP690金相组织中约10%残余奥氏体图5DP钢与TRIP钢成形性对比图6TRIP钢与其他高强钢极限胀形高度对比(5)相变诱导塑性钢(TRIP)TWIP钢是一种具有高强度、高塑性、高吸收能的钢材，是近几年国外研究的热点钢种之一。TWIP钢在室温下的显微组织是稳定的残余奥氏体，但是如果施加一定的外部载荷，由于应变诱导产生机械孪晶，会产生大的无颈缩延伸，显示非常优异的机械性能，在具有高强度的同时兼有高延伸率和高加工硬化指数。TWIP钢的强度可以达到800MPa以上，延伸率可以达到60%~95%，30%应变时的n值可以达到0.55[8]。TRIP钢的显微组织主要铁素体、贝氏体和残余奥氏体，因此也称残余奥氏体(RA)钢。残余奥氏分布在铁素体和贝氏体的基体中，含量在5%~15%，马氏体和贝氏体等硬相以不同的含量存在。强度范围一般为600~1000MPa。与DP钢相比，TRIP钢具有更高的延伸率，TRIP钢的初始加工硬化指数虽然小于DP钢，但在很长应变范围内仍保持较高的加工硬化指数，因此特别适合用于拉胀成形。TRIP钢也主要用于汽车结构件、安全件和加强件，如座椅结构、横梁、纵梁、翼子加强件等零件。相变诱导塑性钢其金相组织为铁素体、贝氏体、残余奥氏体，见图3、图4。在变形过程中，残余奥氏体会发生诱导相变转化为马氏体，引起相变强化和塑性增长。这类钢兼顾了较高的抗拉强度和良好的成形性(见图5)，比双相钢成形性更好，同样具有BH钢性能，拥有更好的扩孔性(见图6)[9]。目前，此类钢板的主要牌号有TRIP590、TRIP690、TRIP780和TRIP780HR等，在汽车行业尚没有得到大规模应用。(6)多相钢(CP)多相钢组织与TRIP钢类似，基本上是在Mn-Cr-Si合金成分体系的基础上，依靠钛、铌、钒元素微合金化产生的晶粒细化效应和析出强化效应，结合适当的卷取工艺而生产的，主要组织为细小的铁素体和高比例的硬质相(马氏体、贝氏体)，含有铌、钛等元素。通过马氏体和贝氏体以及析出强化的复合作用，CP钢强度可达800-1000MPa，具有较高的吸收性能与扩孔性能，特别适合于汽车的车门防撞杆、保险杠和中立柱等安全件。(7)热成形钢(HF)热冲压成形技术是指将坯料加热至奥氏体化，然后在热状态下将坯料冲压成形，最后利用模具的冷却能力将零件淬火成马氏体。这项技术在使零件获得高强度的同时，解决了复杂零件几何形状控制和回弹等难题。相对于冷冲压成形板来说，热冲压成形用钢板的成分比较特殊，生产时还需要配备专用模具，因此无论在钢板的生产上还是加工上都比较特殊，相应的技术也掌握在少数公司手中。这类钢的