超高强度钢学习资料PPT.ppt

超高强度钢 世界汽车工业面临着能源 环境和安全三大严峻问题 节能 环保和安全成为各大汽车生产厂家提高竞争力的关键 美国的行动 推出pngv即新一代汽车伙伴计划partnershipforanewgenerationofvehicles1993年 由美国总统克林顿提出 由政府和企业联手进行创新性的技术开发 为此联邦政府每年拨款3亿美元 美国三大汽车公司每年投入10亿美元进行新一代汽车和相关技术的研究与创新 美国47个州的21个联邦实验室和51所大学的研究人员完成了1200多个pngv研究项目 pngv计划已使美国全国形成了一个汽车技术创新的国家行动 pngv计划提出的3个战略目标 1 显著改善和增强美国制造业的竞争力 2 尽快将具有商业可行性的技术创新成果应用于汽车生产当中 3 开发出具有3倍于现行车燃料效率的新一代汽车 即燃料效率为1994年可比标准轿车的3倍 该车的平均每百公里油耗由9l降至3l 美国三大汽车公司已经通过实施pngv计划开发出概念车 其达到了平均每百公里油耗由9l降至3l的主要目标 但是车体材料主要是铝合金和镁合金 在美国pngv计划的刺激下 德国和日本也都进行了类似的研究 并且也都达到了平均每百公里油耗由9l降至3l的目标 车身材料也主要采用铝合金和镁合金 问题 在汽车用材料的减重方面 虽然pngv计划达到了减重40 的目标 但是由于广泛采用铝合金和镁合金引起了汽车的成本增加 所以在该计划取得成功以后 目前的前进步伐已经减缓 主要是考虑成本 环保要求和节能的价值 然而 以高强度钢材料为代表的钢材 因其所具有的优异特性 经济性 可再循环利用等特点 仍然是汽车用钢的主要材料 据粗略统计 生产一辆汽车的原材料中 钢材所占的比例约为72 88 下表 是1980 2000年美国中型轿车主要材料构成比 德国家庭轿车材料从1975年至2005年的变化趋势 钢铁行业对策 面对其他竞争材料的上升态势 1994年在国际钢铁协会的倡议下 全世界18个国家的35个钢铁公司联手成立了超轻钢车体计划 ulsab ultralightsteelautobody 以寻求开发用于汽车车身的钢材料以及能提高钢材性能的可能性 ulsab研究项目的目标是向世界表明 钢材在减轻车重 降低成本和提高安全性等方面仍是最合适的材料 此后 在1998年开始实施 先进汽车概念 项目 ulsab avc 研究开发新一代钢铁材料 该项目已完成 白 车体重量减轻了25 并在2002年提供给全球的汽车制造厂 超轻钢车体计划特点主要是大量使用高强钢 hss 和超高强钢 uhss 而不再使用或极少使用传统的低碳钢 如普通的铝镇静钢 if钢等 大量使用液压成形的管件作为结构件 tubular 而减少使用冲压件 stamping 大量使用激光拼焊的钢板 twb 减少使用单块钢板冲压 超轻钢车体计划和参考车型所用材料的比较 超轻钢车体计划和参考车型所用材料加工方式比较 汽车用钢 板材 依据生产工艺分为热轧钢板 冷轧钢板和镀层板根据强度的不同可分为低强钢和高强度钢系列主要的发展趋势是高强化和表面处理化 汽车车身用钢的发展概况 20世纪50 60年代 开发和使用沸腾钢 与国外的技术发展相适应 国内开发了08f系列钢种 20世纪60 70年代 国外为满足汽车深冲的需要 开发了铝镇静钢 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 为此国内也发展了08al系列的深冲钢 20世纪80年代末 90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 所以汽车用钢研究大量集中在if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0 005 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了更新的深刻认识 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 20世纪90年代以后 由于对于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 低碳与超低碳的含p钢板 bh钢板 含cu钢板 通过使用高强钢板 降低车体质量 减少能耗 进入21世纪 由于环境 能源 安全的要求更高 钢铁行业又面临着铝 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 为超轻钢车体计划配套的新型钢板 开始釆用超高强度钢薄板 其屈服强度在550mpa 1200mpa之间 如双相钢 trip钢 twip钢 含b超高强钢等 是解决汽车车身自重大 噪音大 油耗高 回收利用率低 成本高等难题的有效途径之一 传统用钢 在汽车制造中最经常使用的钢是低强度钢 如软钢和if钢等 其抗拉强度为200 300mpa 有良好的成形性 以及生产成本低 软钢 亦称低碳钢 mildsteel 其金相显微组织主要是铁素体 由软钢制成的板材包括普通热轧钢板和低碳结构钢板曾是汽车业最常用的钢板 具有一定的强度和良好的塑性 铝镇静钢板目前是我国汽车业用量最大的钢板 因此软钢的拉延品质和铝镇静钢的各项机械性能都具有代表性 并通常作为基准参考 无间隙原子钢 if钢 interstitial free if钢的屈服强度很低 小于180mpa 具有相当高的加工硬化系数n和比较高的各向异性系数r 它用于制造比软钢性能要求更高的汽车制件 一些等级的if钢由于添加某些元素 如钛和铌 而得到增强 并提高了r值 更由于碳和 或 氮的金属间化合物的析出 使晶粒更加细化 因而提高了强度 在if钢中通常还要添加适量的磷 通过磷的固溶强化进一步提高强度 高强度级的if钢广泛地用于车身结构和 开合件 继而开发的钢种 大多数汽车都使用高强钢 如高强低合金钢 hsla 烘烤硬化钢 bh 低碳与超低碳的含p钢 高强if钢等 屈服强度在210mpa 550mpa之间 高强度低合金钢 hsla highstrengthlowalloy 这类钢主要是由于在冶炼过程中添加了微量的合金元素 使钢能析出细小的碳化物并使晶粒细化而得到强化 烘烤硬化钢 bh钢 bakehardenable 以铁素体为基体 并主要以固溶的形式来强化 车身一般经冲压加工成形 当车身进行涂装时 车身在各烘干炉中被加热 烘烤 此时便赋予了固溶体中碳 氮原子扩散的热激活能量 使碳 氮原子在 位错 处析出 从而增强了制品的屈服强度故将其称为烘烤硬化钢 碳锰钢 cm钢 carbon maganese 高强度碳锰钢主要也是由于固溶体的增强作用而强化的 这种钢 如16mn 通常用于制造载货车的车架纵梁 为改变碳锰钢中的夹杂物mns的形态 大小和分布 在碳锰钢的冶炼过程中 要向钢中添加适量的稀土元素 起到既能脱硫又有改变夹杂物形态 大小和分布的功能 从而大幅度提高碳锰钢板的横向塑性和冲压时的成形性 各向同性钢 is钢 isotropic 铁素体为基体 它不同于其他钢种的关键就是is钢的 r值等于零 r为各向异性系数在各个方向上的平均差值 通常 钢材轧制后会出现各向异性 而is钢各向同性 也就是说用is钢进行深冲时 形成飞边 凸耳 的趋向最小 对于高强度钢 以前并无统一的定义 在ulsab项目中 将屈服强度为210 550mpa的钢定义为高强度钢 hss 屈服强度超过550mpa的钢定义为超高强度钢 uhss 而屈服强度覆盖hss和uhss之间的高强度钢称为先进高强度钢 ahss 普通的高强度钢为微合金钢 有碳锰钢 烘烤硬化钢 各向同性钢 高强度if钢和低合金高强度钢几种类型 此类钢种的缺点之一是成型性较差 而先进高强度钢是多相钢 它由于采用了以相强化为主的复合强化方法 有效提高了基体的强度和综合性能 先进高强度钢钢种有双相钢 复相钢 相变诱发塑性钢和马氏体钢等四种 1 双相钢 dp dualphase 双相钢指由低碳钢和低碳低合金钢经临界区处理或控制轧制而得到的 主要由铁素体和马氏体所组成的钢 具有屈服强度低 初始加工硬化速率高 在加工硬化和屈服强度上表现高应变速率敏感性以及强度和延性配合好等特点 是一种强度高成形性好的新型冲压用钢 dp钢由软铁素体 硬马氏体组成 马氏体为强化相 以小岛状形式分布在铁素体基体上 软相铁素体是连续的 从而使这类钢具有极好的延展性 然而 当发生变形时 钢中硬质相马氏体和软质相铁素体之间的应变不协调 应变主要集中在被岛状马氏体包围的强度较低的铁素体上 产生高硬化速率且具有高延伸率即从而引起dp钢相当高的加工硬化 与具有相同屈服强度的普通钢相比 dp钢具有更高的抗拉强度 dp钢是一种强度高成形性好的新型冲压用钢 一般用于制造高强度 高抗碰撞吸收 易成型 要求严格的零件 如车轮轮毂 保险杠 悬挂系统和加强件 也可用在汽车的内外板等零件和构件上 2 复相钢 cp complxphase 在dp钢中 如上图 有5 30 的马氏体分布在多边形的铁素体周围 当使dp钢较高的退火温度加热 进行连续退火时 便得到了奥氏体 随即冷却 这些奥氏体又会重新转变成为马氏体 不过在控制再结晶速度 使再结晶过程延迟或是由于加入到钢中的微合金元素 如钛或铌 的碳化物析出 将会获得相当细小的晶粒 从而提高了钢的延展性 于是cp钢的金相显微组织成为含有少量的马氏体 残余奥氏体和在铁素体 贝氏体母体中的珠光体 此外 在cp钢的连续退火 发生金相转变的过程中 要控制结晶速度 必须保证有一定比例 少于20 的硬相 如马氏体或贝氏体金相组织 形成 综上所述 对于cp钢既采用按晶粒细化机理提高延展性的措施 又采用了通过金相显微组织硬化机理提高强度的措施 双管齐下 来提高机械性能 必须强调的是 与双相钢dp相比 在相同抗拉强度800mpa的情况下 cp钢的屈服强度明显提高 并且较大 cp钢还具有相当高的抗冲击吸能特性和很高的残留变形能力 因此 cp钢既具有相当高的抗拉强度 高加工硬化系数 又有非常均匀的延伸性能 以cp钢加工的制件 成形后再经涂装时的烘烤 硬化 其抗拉强度可超过800mpa 图8为cp钢的抗拉强度和伸长率的应用范围 cp钢主要组织是细小的铁素体和高比例的硬相 马氏体 贝氏体 含有nb ti等元素 具有较高的吸收性能和吸收扩孔性能 特别适用于制作车门 防撞杆等零件 3 相变诱发塑性钢 trip transformationinducedplastic trip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了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 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trip钢的强度和塑性 trip钢微观组织主要由铁素体 马氏体 残余奥氏体和 或 贝氏体组成 如图6所示 其中残余奥氏体占5 5 30 以上 在形变过程中残余奥氏体的形变诱发相变 而相变诱导塑性 来提高钢板的塑性 改善钢板的成形性能 trip钢主要成分是c si和mn 其中si作用是抑制贝氏体转变时渗碳体析出 与其它同级别的高强度钢相比 trip钢的最大特点是兼具高强度和高延伸性能 可冲制较复杂的零件 还具有高碰撞吸收性能 车身一旦遭遇碰撞 通过自身形变来吸收能量 而不向外传递 常用作汽车的保险杠 汽车底盘等 此外 它还具有优良的高速力学性能和抗疲劳性能 主要用于汽车结构件及其加强件 以及拉延深的汽车零件 如机油盘 车门 罩壳等 当前世界各大钢铁公司生产的dp钢或trip钢的抗拉强度均已达到590 980mpa 已进入实用化阶段 新开发乘用车的前端车架纵梁 转向拉杆下臂以及各车身立柱均采用dp钢或trip钢 4 马氏体钢 ms martensitesteel m钢主要组织为板条马氏体 含有较高的c mn si cr mo b v ni等合金元素 是ahss钢中强度级别最高的钢种 主要用于成形要求低的车身零部件 代替管状零件 减少制造成本 5 孪生诱导塑性钢 twip 为了进一步提高ahss钢的性能 研究工作者继续开发一些新钢种 如高强度 高塑性指标的twip twinninginducedplasticity 钢 其成分通常主要是fe 添加w mn 25 30 并加入少量al和si 也有再加入少量ni v mo cu ti和nb等元素 该钢在无外载荷使用时 冷却到室温下的组织是稳定的残余奥氏体 但是在有外载荷时 由于应变诱导产生机械孪晶 会产生大的无颈缩延伸 显示出非常优异的力学性能 高的应变硬化率 高的塑性和强度 其强度可达到800mpa以上 伸长率可达到60 95 先进高强度钢 ahss 的生产 所有ahss钢的获得都是通过控制奥氏体或奥氏体 铁素体在热轧机的出料辊道上 对热轧钢板 或连续退火炉的冷却区 对连续退火或热镀层钢板 的冷却方式而生产出来