（材料加工工程专业论文）高强汽车大梁钢微观组织控制与tmcp工艺开发.pdf

l，慵m蓬尹 ad i s s e r t a t i o ni nm a t e r i a l sf o r m i n ge n g i n e e r i n g c o n t r o lo fm i c r o s t r u c t u r ef o rh i e , hs t r e n g t ha u t o m o t i v e f r a m es t e e la n dd e v e l o p m e n to ft m c p p r o c e s s i n g w r i t t e nb y z h a n gz h o n g p i n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rw a n gg u o d o n g p r o f e s s o rd ul i n x i u n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y s e p t e m b e r 2 0 0 7 l ，k j，4p，1幂q 蠡1匀，蚝； p，f，p)4缸t擎yh 。独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其它人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包括本人为获得其它学位而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 本人签名：芗铤冲予本人签名：乡沁t 下 日瓤硼。彳 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位 论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期 3 i1，嗣j，1 j 一宁，、 。， ，-， ；，7：l p i 、 7 j 爹 东北大学博士学位论文摘要 高强汽车大梁钢微观组织控制与t m c p 工艺开发 于两要 汽车工业的快速发展和激烈的市场竞争对汽车用钢提出了越来越高的要求，高强 度汽车梁用钢在汽车制造上得到越来越广泛的应用。本着低成本、高性能的减量化钢材 生产原则，结合攀钢特有的资源优势，本文对v 、t i 微合金化高强度汽车大梁钢轧制过 程组织变化规律及控轧控冷工艺( t m c p t h e r m i cm a c h i n ec o n t r o lp r o c e s s ) 进行研 究。通过实验室热模拟实验，研究含钒、钛高强度再结晶行为及工艺参数对显微组织的 影响规律，在此基础上进行实验室热轧实验和现场工业实验。通过单轴拉伸试验、低温 系列冲击试验和弯曲试验研究高强度汽车大梁板的力学性能，确定轧制工艺参数对力学 性能的影响规律，并在攀钢热轧生产线进行了工业化生产。 论文的主要内容包括： 1 ) 通过双道次压缩实验研究了含v 、含t i 微合金钢奥氏体静态再结晶规律，结 果表明，v 和t i 在较低的温度范围内( 8 5 0 - - - 9 0 0 ) 对奥氏体静态再结晶过程具有较 为明显的抑制作用，所以在相对较低的轧制温度下，钢中添加v 和t i 有利于未再结晶 区控制轧制。 2 ) 利用热模拟实验和热轧实验研究了含v 微合金钢的析出行为，结果表明，含钒 钢9 5 0 c 以下会发生一定程度的v ( c n ) 在奥氏体中的形变诱导析出；6 2 0 - 6 6 0 c 范围 内铁素体中v ( c n ) 析出量较大，6 0 0 c 以下析出量较小。 3 ) 利用热模拟实验研究了v 、t i 对轧后冷却过程相变的影响，结果表明，与n b 的作用不同，低碳钢中随着含v 量的增加，获得铁素体的冷却速度范围扩大，即对铁素 体相变有促进作用，含v 量较大时，变形对铁素体相变和珠光体相变的促进作用增大； t i 的作用与v 类似，变形对铁素体相变和珠光体相变具有明显的促进作用。 4 ) 通过热轧试验研究了变形工艺参数对组织性能的影响，结果表明，降低终轧温 度对铁素体晶粒有明显的细化作用，降低卷取温度在细化晶粒的同时，也可以获得一定 的相变强化的效果。但卷取温度降低时，不利于发挥v 、t i 合金元素沉淀强化的效果。 5 ) 通过工业实验确定了攀钢利用低成本p 51 0 l 的化学成分生产p 5 9 0 l 的减量化轧 制工艺，即合理控制终轧温度和卷取温度，充分利用细晶强化和沉淀强化的强化机制， 以达到提高材料强韧性的目的。组织性能分析结果表明，低成本p 5 9 0 l 具有良好的综合 力学性能、冷成形性及焊接性。 关键词：控轧控冷( t m c p ) ，汽车大梁钢，控制轧制，控制冷却，成形性，焊接性。 ，龟q 矗 ，一 ，0镕唧+疆哮 、 ? j 嗲 东北大学博士学位论文 a b s w a a ；i i i ；i i ；i ；i i i ； c o n t r o lo fm i c r o s t r u c t u r ef o rh i g hs t r e n g t ha u t o m o t i v ef r a m e s t e e la n dd e v e l o p m e n to ft m c pp r o c e s s i n g a b s t r a c t 。 h i g hs t r e n g t hs t e e l sf o ra u t o m o t i v ef r a m eh a v eb e e nw i d e l ya p p l i e db e c a u s eo f t h es t r i c t r e q u i r e m e n t sw h i c hw e r eo r d e r e db yt h er a p i dd e v e l o p m e n ta n dd r a s t i cc o m p e t i t i o no ft h e m o t o ri n d u s t r y a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fr e d u c e ds t e e lr o l l i n gt e c h n o l o g y , t h ew o r k so f t h i sd i s s e r t a t i o nw e r ec a r r i e do u ti n t e g r a t i n gw i t ht h er e s o u r c ea d v a n t a g e si np a n z h i h u ai r o n a n ds t e e lc o m p a n y , a n dt h ee v o l v i n gr u l eo f t h em i c r o s t r u c t u r ec o m b i n i n gw i t ht m c p ( t m c p 1 ：1 l 赫i cm a c h i n ec o n t r o lp r o c e s s ) f o rh i g hs t r e n g t hm i c r o a l l o y e ds t e e l sw i t hv a n a d i u mo r t i t a n i u mf o ra u t o m o t i v eb e a mw e r ei n v e s t i g a t e d u t i l i z i n gt h e r m a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s ， t h ee f f e c t so fr e c r y s t a l l i z a t i o nb e h a v i o ra n dp r o c e s s i n gp a r a m e t e r so nm i c r o s t r u c t u r ew e r e i n v e s t i g a t e d ；b a s e do nw h i c ht h ee x p e r i m e n t a la n dc o m m e r c i a lt e s t sw e r ep r e c e d e d i no r d e r t oo b t a i nt h ee f f e c t so fr o l l i n gp r o c e s s i n gp a r a m e t e r so nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h e p r o d u c t s ，s e r i e so ft e s t sw e r ea d o p t e di n c l u d i n gu n i a x i a lt e n s u et e s t ，l o wt e m p e r a t u r ei m p a c t t e s ta n db e n d i n gt e s t f i n a l l y , t h ei n d u s t r h lp r o d u c t i o nw a sa t t a i n e di nt h eh o tr o l l i n g p r o d u c t i o nl i n eo f p a n z h i h u ai r o na n ds t e e lc o m p a n y t h em a i nw o r k si n v o l v e da sf o i l l o w s ： 1 ) t h ea u s t e n i t e s t a t i cr e c r y s t a l l i z a t i o nb e h a v i o r so fv t im i c r o a l l o y e ds t e e l sw e r e i n v e s t i g a t e du s i n gd o u b l e h i th o tc o m p r e s s i o nt e s t t h er e s u r si n d i c a t et h a tc o n t r o lr o l l i n gi n t h en o n - r e c r y s t a l l i z a t i o nz o n ec o u l dh ee a s i l yi m p l e m e n t e di nt h er e l a t i v e l yl o wr o l l i n g t e m p e r a t u r ew i t ha d d i t i o no f v a n a d i u ma n d t i t a n i u m 2 ) p r e c i p i t a t i o nb e h a v i o r so fv - m i c r o a l l o y e ds t e e lw e r es t u d i e dt h r o u g ht h et h e r m a l s i m u l a t i o ne x p e r i m e n ta n dh o tr o l l i n gt e s t t h er e s u l t ss h o w st h a td e f o r m a t i o ni n d u c e d p r e c i p i t a t i o no fv ( c n ) o c c u r r e di na u s t e n i t ea tt h et e m p e r a t u r eb e l o w9 5 0 c ；t h ea m o u n to f v a n a d i u mc a r b o n i t r i d ep r e c i p i t a t e di n f e r r i t ea tt h et e m p e r a t u r eb e t w e e n6 2 0 一- 6 6 0 。cw a s r e 埘i v e l ym o r et h a nt h et e m p e r a t u r eb e l o w 6 0 0 c 3 ) t h ee f f e c to fv a n a d i u ma n dt i t a n i u mo np h a s et r a n s f o r m a t i o n i nc o o l i n gs t a g ew a s i n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o w t h a tt h ef e r r i t et r a n s f o r m a t i o nw a sa c c e l e r a t e dw i t hi n c r e a s i n g o fv a n a d i u mc o n t e n t b o t hf e r r i t ea n dp e a r l i t et r a n s f o r m a t i o n sc o u l db ep r o m o t e dw h e nt h e i l i lr lr 东北大学博士学位论文a b s t r a c t v a n a d i u mc o n t e n tg o e st oah i g hl e v e l t h ee f f e c to ft i t a n i u mi ss i m i l a rw i t hv a n a d i u mo nt h e t r a n s f o r m a t i o n 。 ， i 4 ) e f f e c t so fd e f o r m a t i o np r o c e s s i n gp a r a m e t e r s o nt h em i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t yw e r e d i s c o v e r e dt h r o u g hh o tr o l l i n ge x p e r i m e n t t h er e s u l t si n d i c a t et h a tf e r r i t eg r a i n sc o u l db e e f f e c t i v e l yr e f i n e db yd e c r e a s i n gt h ef i n i s hr o l l i n gt e m p e r a t u r e ，w h i l eb o t hr e f i n e m e n to f g r a i n sa n dt r a n s f o r m a t i o ns t r e n g t h e n i n gw e r eo b t a i n e dw i t hl o w e r i n gt h ec o i l i n gt e m p e r a t u r e b u tt h ep r o b l e mi st h a tl o w e r i n gt h ec o i l i n gt e m p e r a t u r ei su n b e n e f i c i a lt ot h ep r e c i p i t a t i o n s t r e n g t h e n i n go fv a n a d i u ma n d t i t a n i u m 5 ) r e d u c e dr o l l i n gp r o c e s s i n gf o rt h ep r o d u c t i o no fp 5 9 0 lw a sd e t e r m i n e du t i l i z i n gt h e c o m m e r c i a lt e s t s ，t h a ti s a p p r o p r i a t ec o n t r o l l i n go ff m i s hr o l l i n gt e m p e r a t u r ea n dc o i l i n g t e m p e r a t u r e ，a n d f u l lu t i l i z a t i o no fg r a i nr e f i n e m e n t s t r e n g t h e n i n g a n dp r e c i p i t a t i o n s t r e n g t h e n i n gi no r d e rt oi m p r o v et h es t r e n g t ha n dt o u g h n e s s t h ea n a l y s i so fm i c r o s t m c t u r e a n dp r o p e r t ys h o w st h a tt h el o w - c o s tp 5 9 0 lh a sp o s s e s s e dw e l lc o m b i n a t i o np r o p e r t y , c o l d f o r m a b i l i t ya n dw e l d a b i l i t y k e yw o r d s ：t m c p ，a u t o m o t i v ef r a m es t e e kc o n t r o lr o l l i n g ，c o n t r o lc o o l i n g ，f o r m a b i l i t y , w e l d a b i l i t y i v 矿 鼍j 摹 囊 i 每 j f 无1 。 ， i - 、 | 、 东北大学博士学位论文目录 目。录 摘要i a b s t r a c t i i i 第l 章绪论? ! 一，1 1 1 引言，o i ，1 1 2 高强度汽车用钢的发展及国内外研究现状一一“一；2 1 2 1 高强度汽车用钢的发展，。一：2 1 2 2 高强度汽车钢板的应用4 1 2 3 高强度汽车大梁钢板的现状与发展趋势j 。5 1 3 汽车大梁钢的强化机制与控轧控冷工艺一j 一6 1 3 1 结构钢的强化机制与控轧控冷6 1 3 2n b 微合金化大梁钢。1 0 1 3 3v 微合金化大梁钢。一1 l 1 3 4t i 微合金化大梁钢一1 2 1 3 5 减量化轧制技术在汽车大梁钢中的应用1 2 1 4 汽车大梁钢的使用性能1 3 1 4 1 成型性能1 3 1 4 2 焊接性能j 1 4 1 5 本文工作背景及研究内容1 5 1 5 1 本文工作背景1 5 1 ，5 2 本文研究内容1 6 第2 章模拟实验研究1 7 2 1 含v 钢高温变形奥氏体的静态软化行为：1 7 2 1 1 实验钢的化学成分1 7 2 1 2 实验方法1 8 2 1 3 实验结果：2 0 2 1 4 结果讨论2 1 2 2v 在钢中的析出行为2 5 2 2 1v ( c n ) 在奥氏体中的析出行为2 6 2 2 2v ( c n ) 在铁素体中的析出行为2 8 2 3 含t i 钢高温变形奥氏体的静态软化行为：3 1 v 东北大学博士学位论文目录 。 2 3 1 实验材料3 1 2 3 2 实验方法3 l 2 3 3 实验结果与分析3 2 2 4t i 在钢中的析出行为一j 3 7 2 4 1t i ( c n ) 在奥氏体中的析出行为3 7 2 4 2 t i ( c n ) 在铁素体中的析出行为一3 9 2 5 变形工艺参数对组织的影响：4 0 2 5 1 实验材料。4 0 2 5 2 实验方法：4 1 2 5 3 实验结果及分析j j 4 1 2 6 变形后连续冷却过程的相变：4 6 2 6 1 实验方法一：4 7 2 6 2 实验结果与分析一4 7 2 7 本章小结：j j 5 2 第3 章控轧控冷工艺参数的实验研究5 5 ， 3 1 含钒钢的实验研究5 5 3 1 1 实验材料和实验装置5 5 3 l2 实验方案5 5 3 1 3 实验结果与分析：5 6 3 2 含钛钢的实验研究6 l 3 2 1 实验方案6 1 3 2 2 实验方法6 1 3 2 3 实验结果与分析6 3 3 3 本章小结6 8 第4 章高强汽车大梁板的工业实验及生产7 1 4 1 高强汽车大梁板工业实验7 1 4 1 1 工业实验条件7 1 4 1 2 第一次工业试验7 3 4 1 3 第二次工业试验7 7 4 1 4 第三次工业试验7 9 4 2 高强汽车大梁板的工业生产：8 l v i r 1 一 _ 毒 i ( 。 i 东北大学博士学位论文目录 4 2 1 原料8 l 4 2 2 工艺制度8 1 4 2 3 工业生产实绩8 l 第5 章高强汽车大梁板的成形性能8 3 5 1 实验装置与方法：? ；8 3 5 1 1 应变硬化指数刀值：8 3 5 1 2 塑性应变比，值8 5 5 1 3 弯凸性能8 6 5 2 实验结果，8 6 5 2 1 应变硬化指数刀值8 6 5 2 2 塑性应变比，值：8 7 5 2 3 弯曲性能8 8 5 2 4 屈强比8 8 5 2 5 成形性的分析? 8 9 5 3 本章小结8 9 第6 章汽车大梁钢的焊接性能9 l 6 1 实验装置与方法。9 1 6 2 实验结果及分析j 9 2 6 2 1 强度与塑性：9 2 6 2 2 冲击性能9 2 6 3 本章小结9 4 第7 章结论一：9 5 参考文献9 7 攻读博士学位期间完成的论著、专利及获奖情况1 0 5 致谢一i - 1 0 6 作者简介：1 0 7 v 少| 。l 旷一；q l 冬 i q - - 东北大学博士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 钢铁是创造现代文明的基础材料，是国家实现工业化的必要条件。在我国，随着国 民经济的快速发展，对钢铁材料的需求量大幅增加。钢铁工业的快速发展带来了能源消 耗、资源供应及环境保护等方面的问题，经济建设和社会经济的可持续发展发展，迫切 要求提高钢材性能、延长钢材使用寿命、降低钢材生产成本。 钢铁材料的性能与其组织形态密切相关，而钢铁材料的显微组织形态由钢材的化学 成分和生产工艺决定。组织细化理论是研究新一代钢铁材料的核心，晶粒细化在提高钢 材强度的同时，还能提高韧性或保持韧性基本不变，是改善钢材性能的有效方法之一。 在晶粒细化的基础上，辅助以相变强化、析出强化及固溶强化等多种强化方式，可以更 加显著地改善钢材的综合性能。 1 9 8 3 年新日铁的y a d a 博士【1 捌在实验室模拟轧机上将c 、钢的铁素体晶粒细化至 2 3 u m ，并提出了应变诱导相变( s t r a i ni n d u c e dt r a n s f o r m a t i o n ) 概念；9 0 年代中期， p d h o d g s o n 教授【3 】在n b 、t i 复合微合金钢带材表面获得1p m 的铁素体晶粒；2 0 0 0 年 y a d a 等通过实验证实了变形过程中y 一仪相变 4 1 的存在。王国栋、刘相华、杜林秀等系统 研究了应变诱导相变的发生条件及其在铁素体晶粒细化中的作用，提出了晶粒适度细化 及复合强化的思想【5 。o 】，使得以晶粒细化为主要特征的低成本高性能结构钢得到了广泛 的应用。 汽车用钢是结构钢的重要组成部分。人们对环境问题的认识和对安全性能的要求不 断提高，汽车车身构造所用材料正在发生较大的变化。这种变化的显著特点是保证车辆 安全性的前提下，车体向着轻量化的方向发展【1 1 1 ，因而也要求所使用的材料必须与之相 适应。为了汽车结构减重和保证安全性的要求，急需利用现有条件实现钢铁材料的升级 换代，其中包括更高的强度，良好的塑性和韧性以及优良的冷成型性能 1 2 - 1 4 。采用相对 简单的化学成分，通过合理控制轧制工艺和冷却工艺，充分利用细晶强化i 相变强化、 沉淀强化等多种强化机制，实现汽车结构用钢的低成本化高性能化是目前钢铁材料领域 研究的热点【1 5 。2 0 1 。 东北大学博：卜学位论文 第1 章绪论 1 2 高强度汽车用钢的发展及国内外研究现状 1 2 1 高强度汽车用钢的发展 汽车用钢的发展实际上和汽车技术的发展、人们对汽车的安全、节能、环保和美观 的要求，以及钢铁工业本身的技术进步紧密相连。在2 0 世纪5 0 - - 6 0 年代，与国外开发和 使用沸腾钢的技术发展相适应，国内开发了0 8 f 系列钢种。在2 0 世纪6 0 - 7 0 年代，国外 为满足汽车钢板深冲性的需要，开发铝镇静钢，使钢板的深冲性有很大的提高，可以满 足对汽车更多审美的要求，为此国内发展了0 8 a i 系列的深冲钢。在2 0 世纪8 0 年代末 - 9 0 年代初，由于冶金技术的进步，使冶炼超低碳和超低氮钢成为可能，汽车用钢的研究大 量集中在i f 钢的开发和使用上，为取得更好的深冲性，碳、氮质量分数降低到0 0 0 5 以 下，该钢开拓了洁净钢的先河，使人们对钢铁产品的成分控制有更新的深刻认识，汽车 工业也从中受益非浅，可以使用极其优良成形性的钢板完成复杂零件的成形。在2 0 世纪 9 0 年代以后，由于对节能与环保的要求日益苛刻，主要是开发和使用高强度钢板。通过 使用高强度钢板，降低了车体质量，减少了能源消耗。进入2 1 世纪，由于环境、能源、 安全的要求更高，同时，钢铁行业面临着铝、镁等材料的激烈竞争，所有的研究和开发 工作集中在开发新型的超高强度钢，出现了为超轻钢车体计划配套的新型钢板，如双相 钢、t r i p 钢、t w i p 钢、含b 超高强钢等【2 1 。2 4 1 。 ( 1 ) 双相钢 双相钢的研究在国外始于2 0 世纪6 0 年代，2 0 世纪7 0 年代己生产出双相钢板材， 用于汽车工业冷冲压成型，8 0 年代和9 0 年代又研制出双相钢的棒、线、丝材。 大量研究结果表明【2 5 。2 8 j ，铁素体+ 马氏体双相钢的显微组织随其化学成分和获得双 相组织的方式而有所差异。己获得的双相钢组织有无序组织和定向排列纤维组织两大类 型。目前发展的双相钢基本上都是无序组织的双相钢，根据其组织特点可将无序的显微 组织分为三种情况： 弥散分布组织在塑性良好的软的多边形铁素体的基体上，弥散分布着具有高强度 ( 高硬度) 的岛状马氏体，有时还存在残余奥氏体，铁素体体积分数占8 0 - - , - - 9 0 ，马氏 体体积分数占1 0 - - 一2 0 。在这种组织中，第二相( 马氏体相) 起到弥散强化作用。 纤维状双相混合型组织平行针状马氏体与铁素体相交错而成纤维状双相混合组 织。这种双相混合组织具有对提高钢材性能十分有利的位错亚晶结构。 高密度位错亚晶结构型组织网状马氏体位于铁素体晶界上，马氏体含量高，而且 具有高密度位错亚晶结构，其体积百分比为2 0 。在这种双相组织中，位错难于通过 2 誓 ，i 矿 。 - g k r 东北大学博士学位论文 第l 章绪论 晶界，而是在马氏体与铁素体界面堆积，从而造成马氏体形变所需应力。由于马氏体强 度高，故能承受一定量的形变而不发生断裂。这种双相组织中存在于晶界上的马氏体起 到强化晶界的作用。 。 由于双相钢的显微组织具有细化晶粒、晶界强化、第二相弥散强化、亚晶结构及残 余奥氏体等强韧化手段【2 9 3 0 】，因此双相钢具有十分优良的性能，主要表现在双相钢同时 具有高的强度和良好的韧塑性。双相钢具有高强度、高韧塑性和高加工硬化率，即具有 很好的强度和韧塑性匹配。与通常使用的低合金高强度钢相比，在相同的强度级别条件 下，双相钢具有高的强屈比、较高的延伸率( 总延伸率和断后伸长率) 和很高的加工硬化 率【3 1 - 3 3 】。 一。 ： ( 2 ) t r t p 钢。 ： ，、 ， ： ， ，。 t t r i p 钢又称相变诱导塑性钢，是指钢中存在着多相组织的钢，通常为铁素体、贝氏 体、残余奥氏体和马氏体，在形变过程中稳定存在的残余奥氏体向马氏体转变时引入相 变强化和塑性增长，为此残余奥氏体必须有足够的稳定性，以实现渐进式转变，一方面 强化基体；另一方面提高均匀的伸长率，达到强度和塑性同步增加的目标。体现在材料 组织上首先是残余奥氏体本身成分、大小、形貌和周围环境的影响，其次是与残余奥氏 体共存的相( 如铁素体、贝氏体) 的晶粒尺寸j 质量分数、化学成分及形态的综合作用。 只有实现显微组织中各组成相的优化组合，才能提高t r i p 钢的强度和塑性 3 4 , 3 5 。 ； t r i p 钢由于具有t r i p 效应，钢板有高的断后伸长率、抗拉强度，同时具有良好的成 形性能、理想的应变硬化指数，综合性能得到提高。，t r i p 4 5 0 8 0 0 同双相钢的性能比较 见表1 1 ，由表1 1 可知t r j p 钢的各项性能都优于双相钢。在断后伸长率方面t r i p 钢比双 相钢、低合金钢和析出硬化钢都高，与深冲型钢( 如i f 钢) 相当，在抗拉强度上，t r i p 钢 比双相钢、深冲型钢和析出硬化钢高，但低于低合金钢。用抗拉强度乘以断后伸长率， 即强塑积来表示材料的综合性能，比较断后伸长率和抗拉强度，t r i p 钢的综合性能优于 其它钢。t r i p 钢同其它钢断后伸长率和抗拉强度的比较见图1 2 。在变形时，当硬相在 软的基体中扩散时可以引起较高的应变硬化，t r i p 钢随着应变的升高，残余奥氏体逐渐 发生相变转化为马氏体，在高应变等级上还会有加工硬化率的增长，t r i p 钢、双相钢、 碳锰钢、低碳钢应力一应变行为如图1 3 所示。当应力较高时，双相钢和其它钢的加工硬 化开始消失，而t r i p 钢却还具有高的加工硬化率。当设计难拉伸部件或对加工硬化率有 高的要求时，t r i p 钢的应用显得尤为重要。 ( 3 ) t w lp 钢 。 t w i p 钢是最近几年国外正在进行研究的高强度、高塑性指标的汽车用钢 3 6 - 4 0 。 东北大学博士学位论文 第1 章绪论 t w i p 钢的成分主要是f e ，添加2 5 - - 3 0 的m n ，并加入少量a l 和s i ，也有加入少量 的n i 、v 、m o 、c u 、t i 和n b 等元素 4 1 1 。在室温下，t 、p 钢具有优良的断后伸长率和 强度，其应力应变行为与变形温度的函数关系与t r i p 钢是不同的，随着温度下降，奥 氏体t w i p 钢的屈服应力和抗拉强度适度增加。 、 1 2 2 高强度汽车钢板的应用 钢板是汽车的主要用材，按生产工艺分为热轧板和冷轧板，热轧板的厚度多在3 m m 以上，冷轧板在3 m m 以下。目前，在汽车车身生产中，特别是冲压生产中，使用得最多 的是普通低碳钢板。低碳钢板具有很好的塑性加工性能，其强度和刚度能完全满足汽车 车身的强度和刚度要求，同时能满足车身拼焊的焊接要求。随着汽车向安全环保节能目 标发展的要求，冶金企业和汽车生产厂还开发出高强度钢板、深冲钢板、镀层钢板等新 型汽车用钢。其中，热轧高强度钢板在载货汽车上用量很大，约占载重车用热轧钢板总 量的6 0 - - 7 0 ，主要用于汽车车架纵梁、横梁，车厢的纵、横梁以及刹车盘等受力结构 件和安全件，经过多年的开发和应用研究，形成了含钛系热轧钢板、热轧含铌钢系列、 双相钢板、t r i p 钢等系列。对于超深冲冷轧板，代表的钢种为i f 钢，i f 钢目前主要用于 汽车的深冲级和超深冲级冲压件的生产，根据添加的微量合金元素的不同，分为t i 。i f 钢、n b i f 钢和( t i + n b ) 一i f 钢三大类。， 根据各个高强度钢板的特性，在汽车上的实际应用大致分为以下几个部分： - ( 1 ) 车身外面板。车身外面板包括车项、前脸、后围、发动机罩、车门、行李箱等。 作为车身外板所用板材规格为0 6 5 i o m m ，钢类包括，烘烤硬化钢、增磷钢及深冲镇 静钢或i f 钢，其屈服强度为1 5 0 - - - - 3 0 0 m p a ，并涂层处理，包括，电镀锌板( e g ) i 电镀锌 合金板( e g a ) 、热浸镀锌板( g d 、热浸镀锌合金钢板( q 蛐及冷轧板。 ( 2 ) 内板大部分零件成形深度小，并且可以允许有少量皱纹，可采用抗拉强度在 4 5 0 m p a 以下的高强度钢板，如增磷钢，硅锰钢等。汽车车身内板所用板材规格为0 5 0 - - 1 2 r a m ；激光拼焊板坯为1 2 2 0 m m ，所用钢类为i f 超深冲钢、增磷钢，屈服强度在1 2 0 , - - - 3 0 0 m p a ，也有涂层处理的热浸镀锌板和热浸镀锌合金板。汽车结构件所用板材规格为 0 8 0 - - - - 2 5 m m ，用钢种类为h s l a 钢、i f 钢烘烤硬化钢、固溶高强度钢( c 一1 ) 、双相钢、 相变诱发塑性钢( t r i p 钢) ，钢板的屈服强度为1 8 0 - - 3 4 0 m p a 和3 4 0 - 5 5 0 m p a 。 ( 3 ) 保险杠。保险杠是一种难以成形的零件，目前，大多采用双相钢制造以增加其 安全性。保险杠加强板早期曾使用含氮钢，目前美国各汽车公司都使用马氏体钢，强度 一般在1 0 0 0 m p a 以上。 龟 r 一 1 = ； i ： 焉 l 东北大学博士学位论文 第1 章绪论 ( 4 ) 轮辋和轮辐。汽车车轮由轮辋和轮辐组成，从形状和制造方法来说，车轮属于 难以成形的零件，这就要求车轮钢板既要有足够的塑性以满足其工艺性能要求，又要有 高的屈服强度和高的疲劳强度以满足其使用性能要求，试验表明，采用双相钢既能满足 以上要求，又可使车轮轻1 3 ( 与低碳钢比) ，耐久性提高2 倍。 ( 5 ) 车门边梁。最初采用屈服强度为3 5 0 m p a 的普通钢板，而如今，行车安全已普 遍被人们重视，近几年采用的是1 0 0 0 m p a 2 生右的超高强度马氏体钢板，以增加汽车安全 性能。 目前，日本悬架件结构和支撑件的强度已达8 0 0 - - 一1 0 0 0 m p a 。抗拉强度4 1 0 m p a 的高 强度钢板多用于内部件。日本n k k 公司开发汽车外壳用4 5 姆级高强度钢板，已在新车型 上采用，该钢种是通过钢材组织微细化获得高强度的。日本神户制钢公司开发双相组织 的5 9 0 - - - 7 8 0 m p a 级合金化热镀锌钢板和5 9 0 m p a 级残余奥氏体钢板。韩国浦项钢铁公司将 批量生产新研制成功的轻量化汽车钢板，先在钢中加入n b 提高其屈服强度，并加工成 8 0 蝇级热轧钢材t r i p 钢，再将该钢材加工成冷轧板后，其成形性很好，可以加工成具有 复杂形状的汽车部件。瑞典s s a b 钢板有限公司开发出铁素体+ 马氏体组织的特高强度冷 轧薄钢板，其屈服强度达到7 0 0 m p a 。轻量化已成为汽车开发与制造的一大目标。 1 。2 3 高强度汽车大梁钢板的现状与发展趋势 j 汽车底盘是汽车最重要的结构件，汽车底盘上纵梁、横梁、悬置梁、前后桥等零件 一般都采用大梁钢来制造。目前使用量较大的是抗拉强度5 1 0 m p a 级的汽车大梁钢，屈 服强度一般在3 6 0 m p a 以上，常用的牌号有5 1 0 l ，1 6 m n l ，1 0 t i l ，q s t e 3 8 0 等。这种级别 的大梁钢为铁素体珠光体组织，一般采用n b 微合金化，采用控轧控冷工艺进行轧制生 产。 随着汽车结构减重和安全性要求的增加，抗拉强度为5 9 0 m p a 和6 1 0 m p a 的大梁钢近 几年已经开发成功并应用于某些重型汽车底盘各种梁的制造。这种强度级别的大梁钢一 般采用两种技术路线。一是低碳贝氏体路线，在化学成分上采用低碳高锰复合微合金化； 一是铁素体珠光体路线，在化学成分上采用适当的碳锰含量，n b 微合金化，利用控轧 控冷细化晶粒。 除此之外，抗拉强度为7 0 0 b l p a 以上的汽车大梁钢目前也已经完成工业生产试验， 并正在在重型汽车上进行应用试验。这种级别的大梁钢采用m n t i 成分路线，通过控 轧控冷工艺获得细化的铁素体贝氏体组织，充分利用t i c 的沉淀强化作用，从而获得 高强度、高韧性，同时具有良好使用性能的高强汽车大梁钢。 东北大学博士学位论文 第1 章绪论 目前利用简单的c m n 化学成分的超级钢已经能够代替5 1 0 m p a 级的汽车大梁钢， 5 9 0 m p a 和6 1 0 m p a 级的合金元素含量也在逐渐减少。高强度、低成本是汽车大梁钢的发 展趋势。 1 3 汽车大梁钢的强化机制与控轧控冷工艺 ， 1 3 1 结构钢的强化机制与控轧控冷 7 ： ： 1 3 1 1 细晶强化 细晶强化是钢中最重要的强化方式之一，热轧过程中一个基本的冶金目标就是将晶 粒尽量细化，只有这样才能同时提高热轧高强度汽车大梁板的强度和韧性。1 9 5 1 一- 1 9 5 8 年间，h a l l 和p e t c h 二人分别进行了低碳钢晶粒尺寸和屈服强度关系的研究，发现随着 晶粒的细化，钢的屈服强度提高，并在此基础上建立了著名的h a l l p e t c h 关系式 4 2 】： 盯= 仃。+ k d 一1 7 2 ( 1 一1 ) 式中，嘞为铁素体晶格摩擦力；k 为常数；d 为晶粒直径。 晶界可把塑性变形限定在一定的范围内，使变形均匀化，因此细化晶粒可以提高钢 的塑性。晶界又是裂纹扩展的阻力，所以细化晶粒还可以改善钢的韧性。p e t c h 确立了 冲击韧性转变温度瑟与晶粒尺寸的关系式【4