先进的高强度钢及其在汽车工业中的应用

第39卷第7期钢铁VOL39,NO72004年7月IRONANDSTEELJULY2004先进的高强度钢及其在汽车工业中的应用马鸣图1M1F1SHI211重庆汽车研究所,重庆40003921美国钢公司汽车中心摘要对先进的高强度钢及其在汽车工业中的应用进行了评述,详细介绍了先进的高强度钢的定义、范围、性能特点,高的应变硬化特性,成形性、回弹等,以及成形构件的性能,硬化增量及撞击吸能最后介绍了这类钢的发展趋势和在汽车轻量化中的应用前景。关键词先进的高强度钢应变硬化成形性汽车轻量化中图法分类号TG142141文献标识码AADVANCEDHIGHSTRENGTHSTEELANDITSAPPLICATIONSINAUTOMOBILEINDUSTRYMAMINGTU1,M1F1SHI211CHONGQINGAUTOMOBILERESEARCHINSTITUTE,CHONGQING40003921AUTOMOTIVECENTEROFUNITEDSTATESSTEELCORPORATIONABSTRACTMAINPROGRESSINTHEADVANCEDHIGHSTRENGTHSTEELANDTHEITSAPPLICATIONSINTHEAUTOMOBILEINDUSTRYAREREVIEWED1THEDEFINITION,SCOPE,TYPICALMECHANICALPROPERTIESANDCHARACTERISTICS,SPECIALLY,STRAINHARDENINGFORMABILITY,ANDSPRINGBACKFORADVANCEDHIGHSTRENGTHSTEELASWELLASPERFORMANCE,HARDENINGINCREMENTANDCRASHPERFORMANCEOFFINISHEDPARTAREINTRODUCED1FINALLY,DEVELOPINGTENDENCYANDFOREGROUNDOFAPPLICATIONFORLIGHTENINGAUTOMOBILEAREREVEALED1KEYWORDSADVANCEDHIGHSTRENGTHSTEEL,STRAINHARDENING,FORMABILITY,LIGHTENINGFORAUTOMOBILE1前言目前,我国汽车工业已经进入了发展的快车道,随着汽车工业的发展对高强度钢的应用的驱动力越来越大而且汽车工业对轻量化、安全、排放、成本控制及燃油经济性要求越来越高,这就驱使汽车工业采用高强度钢板和一些高强度轻量化材料。采用高强度钢板的原因首先是改善汽车的安全和碰撞功能,现代汽车必须满足政府规定的各部分乘用空间的安全性,尤其是正面碰撞和侧面碰撞的要求,虽然采用更大的质量和安装更多的安全装置和手段如ABS,空气气囊等也可使汽车更加安全,但与降低燃油消耗和排放相悖为使汽车降低排放和具有更好的燃油经济性满足汽车燃油经济法规CAFE的要求,就必须轻量化采用高强度钢板,既可减少汽车质量,在降低燃油消耗的同时降低排放,又可提高汽车的安全性。为强化竞争能力,包括提高汽车的功能与使用户更为满意车辆操纵、噪音等,并使汽车制造成本下降,售价降低,就必然导致高强度钢的应用,这些正是应用高强度钢的驱动力。2先进的高强度钢的优点与力学性能特点先进的高强度钢具有较低的屈强比较好的应变分布能力和较高的应变硬化特性同时先进高强度钢的力学性能更加均匀,因而其回弹量的波动小,同时这类钢具有更好的碰撞特性和更高的疲劳寿命。因此采用这类钢具有更多的降低板厚、减薄规格的可能。一些汽车板材和先进的汽车高强度板材的典型的力学性能列于表1。各类钢的伸长率与屈服强度的关系示于图1。不同类型钢的真应力真应变曲线示于图2,由图2可以看出不同钢类,其屈服点形态和抗拉强度的值,尤其初始屈服和加工硬化速率,均大不相同而以双相钢的初始屈服点低,初始加工硬化速率高,屈强比低的特点较为突出而HSLA340和550钢及T600的有明显屈服点和屈服平台,初始加工硬化速率较低的特点十分明显,这些不同的钢种的真应力真应变曲线,是各钢种应用的重要依据之一。收修日期2003209223联系人马鸣图,高级工程师教授级,MINGTUMACTACGCN19952005TSINGHUATONGFANGOPTICALDISCCO,LTDALLRIGHTSRESERVED表1一些汽车板材和先进的汽车高强度板材典型的力学性能TABLE1MECHANICALPROPERTIESOFSOMEAUTOMOBILESTEELPLATESANDADVANCEDHIGHSTRENGTHSTEELPLATES钢类RSMPARBMPAN值10的伸长率DTYPE屈服点伸长IF150300012446DQSK170300012243BH340220345011937IF2REPHOS220345012238HSLA340350445011728216DP600340600011727DP800450840011117DP10007201000010611TRIP600380631012334TRIP800470820012328016注IF无间隙原子钢,DQSK深冲镇静钢,BH烘烤硬化钢,IF2REPHOSIF增磷钢,HSLA低合金高强度钢,DP双相钢,TRIP相变诱发塑性钢图1各类钢的屈服强度与伸长率的关系图FIG11YIELDSTRENGTHVS1ELONGATIONFORVARIOUSSTEELS图2不同类型钢的真应力真应变曲线FIG12TRUESTRESSVSTRUESTRAINCURVEFORDIFFERENTSTEELS1深冲钢2高强度低合金钢3403相变诱发塑性钢6004双相钢6005双相钢8006双相钢10007高强度低合金钢5503先进HSS钢的成形性评价成形性需要了解不同的材料的加工硬化特性,而材料的真应力和真应变曲线较好地表征了材料的这一特性。从图2所列的各钢种的真应力真应变曲线可以看出在同样抗拉强度下,DP600和T600具有较高的和较好的应变硬化能力,尤其是T600,加工硬化能力最强较高的应变硬化特性就表明材料不易发生缩颈和局部应变累积,具有较强的均匀变形能力。评价材料的应变硬化特性另一参量是瞬时的N值,3种钢的瞬时N值和工程应变之间的关系示于图3。图33种钢的瞬时N值和工程应变之间的关系FIG13INSTANTANEOUSN2VALUEVSENGINEERINGSTRAINFORT600,DP600HSLA340就图中所列的3种钢的比较可以看出在工程应变5以内,双相钢DP600比HSLA和T600具有更高的瞬时应变硬化指数N值而高于5的工程应变,则T600的瞬时N值迅速增高超过DP600,而此时双相钢DP600的瞬时N值首先较快下降,然后平缓下降大部分汽车零件成形时工程应变都在5以内,因此,双相钢对于汽车零件的成形性改善和成形后得到较高的强度都是很有意义的。TRIP钢T600在工程应变大于415以后,其瞬间N值优于其他2个钢种,这与在较高工程应变下,应变诱发残余奥氏体转变有关,即发生相变诱发塑性。TRIP钢T600的R值并不高,但具有良好的深冲性能,其深拉延性能类同于软钢当抗拉强度为980MPA,TRIP钢的深拉延高度几乎为同等强度双相钢的7倍这一特性是由残留奥氏体的应变诱发马氏体转变与应力状态的关系所决定,各种应力状态与残留奥氏体转变的关系示于图4已经证明压应力不能诱发奥氏体转变,当冲制深冲翻边零件时,深冲圆筒的底部圆角处,由于大的拉应力而使残奥到马氏体的转变加速,由于应变诱发马氏体转变,硬质的马氏体的引入,和奥氏体发生马氏体转变,产生体积膨胀,使零件得到强化。在翻边突缘处,应变诱发马氏体转变会被凸缘处的压缩应力抑制,因此这部分区域仍然是软的,金属容易从翻边凸缘处流变到模具的空腔处基于这一特性,就提出了控制深拉延翻边成形的一个新概念,改善深拉延翻边凸缘成形性不是以前的依赖于晶体结构的效应而产生的大的96第7期马鸣图等先进的高强度钢及其在汽车工业中的应用19952005TSINGHUATONGFANGOPTICALDISCCO,LTDALLRIGHTSRESERVEDR值,而是依赖于组织中的残留奥氏体的TRIP效应、应力状态和冲压时的零件的受力情况深冲拉延翻边零件的受力状态示意图见图5。图4应力状态和应变诱发残留奥氏体转变量的关系FIG14TRANSFORMATIONOFRETAINEDAUSTENITEINDUCEDBYSTRAINVS1STRESSCONDITION图5深冲拉延翻边零件的受力示意图FIG15SCHEMATICDIAGRAMOFSTRESSCONDITIONFORDEEPSTAMPINGFLANGEPART几个钢种的成形极限图的对比于示图6。成形极限图较全面的表征各类钢在各种应力状态下的成形性,由图6可以看出双相钢DP600的成形性和HSLA340的成形性相当,TRIP600的成形性和IF钢的成形性相当,且在深拉延和平面应变区的成形性还优于IF钢。对于成形性评价的另一重要指标是回弹SPRINGBACK,回弹是指冲压构件脱模后,偏离原在模具中形状的一种变形量回弹量用WOA即宽度张开角与FOA表面张开角度进行测量。对回弹量与实验钢变形前的曲服强度的关系测量表明,在RY300450MPA之间,回弹随屈服强度变化不大,但随变形后的屈服强度的增加而回弹角图6几种钢的成形极限图的对比板厚112MMFIG16FORMINGLIMITDIAGRAMFORT600,DP600,HSLA340,IFSTEELSPLATETHICHNESS,112MM明显增加,而且回弹角随抗拉强度增加而增加。4成形构件的性能411应变硬化和烘烤硬化冲压构件均经冲压变形和随后的油漆烘烤,因此应变硬化增量和烘烤硬化量将与成形构件的性能密切相关。3种钢HSLA340钢,DP600,T600在单轴拉伸2的应变后和烘烤硬化后的屈服强度变化见表2。表23种钢在2应变后于170烘烤30MIN后的屈服强度变化值TABLE2VARIATIONOFYIELDSTRENGTHAFTERSTRAINHARDENINGANDBACKHARDENING钢种屈服强度变化应变硬化MPA烘烤硬化MPA总的硬化MPAHSLA钢201010DP60010840148T6005558113考虑到零件冲压成形后,减薄的地方将有大的变形,而这些地方正恰有较高的应变硬化和烘烤硬化增量,对其减薄处正好是一种强度方面的补尝3种钢的比较可以看出以双相钢的硬化增量最高这主要是双相钢的初始加工硬化速率高,因而应变硬化增量最高。而HSLA钢由于应变曲线上有屈服平台,应变2,几乎处于屈服平台的边部,因此应变硬化增量很小烘烤后又由于重新出现屈服平台,因此烘烤硬化增量为负值,T600的硬化增量处于二者之间。412撞击性能CRASHPERFORMANCE采用落锤试验,帽形通道试样CATCHANNEL,07钢铁第39卷19952005TSINGHUATONGFANGOPTICALDISCCO,LTDALLRIGHTSRESERVED测量不同钢种的撞击吸能,试样成形方法与吸能的关系示于图7。图7试样成形方法,钢种与落锤吸能的关系FIG17FORMINGMETHODSVS1DROPENERGYABSORBEDOFVARIOUSSTEELSB25用简单弯曲形成的通道试样在25KMH下冲击D25用拉延方法形成的通道试样在25KMH下冲击B50用简单弯曲形成的通道试样在50KMH下撞击D50用拉延方法形成的通道试样在50KMH下撞击落锤试验的吸能随动态拉伸应力、抗拉强度及屈服强度的升高而上升,这进一步表明了先进高强度的钢对于满足撞击吸能和安全法规的优越性研究表明,先进的高强度钢比普通高强度钢具有更高的疲劳特性,尤其是应变控制下的疲劳,双相钢和TRIP钢,由于具有更高的延性而具有更好的高应变区的疲劳性能而在同样强度下,其TRIP钢具有更好的疲劳性能。对高强度钢的点焊疲劳性能的研究得出基体金属的显微组织和性能一般对点焊疲劳性能影响较小而双相钢和TRIP钢的点焊疲劳性能略优于普通钢,板厚和焊点处的直径是对点焊疲劳性能的重要影响因素。5先进高强度钢在汽车上的应用和发展趋势作为车身外板所用板材规格为0165110MM,钢类包括烘烤硬化钢,增磷钢,及深冲镇静钢或IF钢,其屈服强度为150300MPA,并涂层处理包括电镀锌板EG,电镀锌合金板EGA热浸镀锌板GI和热浸镀锌合金钢板GA及冷轧板。汽车车身内板所用板材规格为0150112MM激光拼焊板坯为112210MM所用钢类为IF,IF超深冲钢,增磷钢,屈服强度120300MPA,并涂层处理,热浸镀锌板和热浸镀锌合金板。汽车车体的结构件,所用板材规格为0180215MM,用钢种类为HSLA钢,IF钢烘烤硬化钢,固溶高强度钢C2MN,双相钢,相变诱发塑性钢TRIP钢,钢板的屈服强度为180340MPA和340550MPA。目前超高强度钢板在汽车上的应用正在扩大,包括屈服强度大于8001050MPA的多相钢,通过合金化和控轧、控冷得到双相钢和TRIP钢,以使具有高的伸长,N值和延展翻边成形性,这类钢板焊接较困难另一类为热处理钢板非涂层的冷轧与热轧板,连续退火钢板,成形后热处理板材第三类为回复退火钢包括保险杠增强体,侧边防冲撞柱第四类为淬火硬化钢侧边防冲撞柱第五类为马氏体级钢,用于门梁和侧边防冲撞柱。汽车板材的发展趋势是汽车外板用较高强度的烘烤硬化钢和烘烤硬化双相钢,汽车内板用烘烤硬化钢,超IF钢和IF钢其他结构件用较高强度的烘烤硬化钢,双相钢500600,双相钢780800,双相钢9801000,TRIP钢6002800,复相钢80021000,2002年后高强度钢的应用迅速增长。高强度钢在不同车型的车身结构件上的应用比例列于表3。表3高强度钢在车身结构材料中的应用比例TABLE3APPLICATIONOFHIGHSTRENGTHSTEELINTHEAUTOBODY用材车身结构类型中用材比例2000年普通车型2003年超轻钢车体2003年超轻钢车体先进概念车软钢807高强度钢208536超高强度钢864在满足2004年美国碰撞法规的要求的情况下,应用先进的高强度钢可使在没有附加成本增加的条件下,车身质量减少20,几种车体的质量价格对比列于表4。表4几种车身的质量和价格的比较TABLE4MASSANDCOSTFORVARIOUSAUTOMOBILEBODY法规、质量、价格车身类型2000年的普通车身2003年超轻钢车身2003年超轻钢车身先进概念车碰撞法规2000年法规2000年法规2004年法规车身总质量270KG203KG218KGBIW的价格979美元947美元972美元钢制零件替代铝合金和镁合金零件的例子列于表5,表中资料也显示了几种轻合金材料在汽车中应用时的竞争的例子。表6示出了国际钢铁协会的超轻钢车身先进概念车ULSAB2AVC的用材情况和比例,可以看出97的材料为高强度钢,而先进的高强度钢的比例占了80以上,而双相钢的比例高达74,17第7期马鸣图等先进的高强度钢及其在汽车工业中的应用19952005TSINGHUATONGFANGOPTICALDISCCO,LTDALLRIGHTSRESERVED表5钢铁材料与其他材料竞争的例子由其他材料转化为钢的零件的例子TABLE5EXAMPLESONCOMPETITIVEMATERIALPARTSCONVERTEDTOSTEEL零件原用材料现用材料变化的原因挡泥板AL合金钢用DP600减薄制成防冲柱AL合金钢钢可满足减重目标前后门AL合金钢用DP600减薄刹车制动板复合材料钢节约质量50十字叉架组件MG合金钢腐蚀问题传动组件AL合金钢钢可满足减重目标后管十字叉组件AL合金钢钢可满足减重目标模锻杆件AL合金钢AL有严重的疲劳问题拖钩AL合金钢轻质量微合金钢座位架MG合金钢用钢重新设计车轮AL合金钢用钢制KUHL车轮表6ULSAB2AVC的用材比例TABLE6PERCENTAGEOFVARIOUSSTEELSFORULSAB2AVC材料类型烘烤硬化钢BH高强度低合金钢HSLA双相钢DP高强度IF钢HSIF百分数101744材料类型马氏体级钢MARTENSITETRIP钢复相钢其他百分数4313ULSAB2AVC各零件用钢品种和性能列于表7。由于采用了先进的高强度钢,增加了安全性,降低了噪音和振动,提高了燃油效率,降低了汽车总质量,并不增加成本,加速性、驾驶性能都有改善。6结论1减重,节能,提高安全性,降低排放和降低成本,提高驾驶性能和增加竞争能力是汽车工业采用先进高强度钢的驱动力。2先进高强度钢具有强度高,屈强比低,更好的应变硬化和应变分布能力,尤其具有较好的瞬时硬化能力,并具有更好的疲劳和撞击性能等特点是TRIP钢具有高强度下的深拉延和翻边成形能力,这与变形各部分的受力状态,应变诱发残留奥氏体表7ULSAB2AVC的各零件名称和用钢的性能TABLE7MECHANICALPROPERTIESOFSTEELSANDPARTNAMEFORULSAB2AVC钢类RSMPA1RBMPA1DTN值3R应用代号软钢14027014027038440128118A,C,FBH21034021034034390123118BBH26037026037029340118116BIF26041026041034380113117CDP28060028060030340120110BIF30042030042029360121116BDP30050030050030340120110BHSLA35045035045023270116110A,B,SDP35060035060024300122110A,B,C,W,SDP40070040070019250114110A,BTRIP45080045080026320114019A,BHSLA49060049060021260124110WDP50080050080014200113110A,B,C,WSF57064057064020240114110SCP7008007008