汽車用高強鋼發(fā)展綜述分析解析

1、安徽工業(yè)大學(xué)研究生考試試卷評分考試科目：現(xiàn)代工程材料閱卷人：方俊飛專業(yè)：研材料12學(xué)號：20120049姓名：季承璽注意事項1、考前研究生將上述項目填寫清楚2、字跡要清楚，保持卷面清潔3、教師將成績單送研究生學(xué)院歸檔汽車用高強鋼發(fā)展綜述摘要:綜述了目前國內(nèi)外高強鋼材汽車鋼板的使用現(xiàn)狀及全球趨勢，探究了國內(nèi)外在高強鋼材的科技水平，并且在此基礎(chǔ)上提出了高強鋼材的應(yīng)用前景，為汽車鋼板行業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展提供了思路。關(guān)鍵詞:汽車；高強鋼；輕量化；種類；發(fā)展1. 高強鋼材的優(yōu)勢與普通強度鋼材相比，高強度鋼材（以下簡稱高強鋼）具有更高的屈服強度和抗拉強度，因此，采用高強鋼構(gòu)件替代普通強度鋼構(gòu)件可以減小截面尺

2、寸，節(jié)約鋼材用量，降低制造、運輸、安裝費用等。高強鋼的應(yīng)用不僅能體現(xiàn)更高的結(jié)構(gòu)效率，還可以帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。高強度鋼材的優(yōu)點有很多，研究結(jié)果表明，在同樣的軸心受壓條件下，采用高強度鋼材的鋼柱，在整體穩(wěn)定方面，極限應(yīng)力符與屈服強崗y的比值必fy（即整體穩(wěn)定系數(shù)6,要比普通強度車時鋼柱高很多1。相對于普通鋼材，鋼結(jié)構(gòu)采用高強度鋼材具有以下優(yōu)勢:能夠減小構(gòu)件尺寸和結(jié)構(gòu)重量，相應(yīng)地減少焊接工作量和焊接材料用量，減少各種涂層（防銹、防火等）的用量，使得運輸安裝更加容易，降低鋼結(jié)構(gòu)的加工制作、運輸和安裝成本。高強度鋼材能夠降低鋼材用量，從而大大減少鐵礦石資源的消耗；焊接材料和各種涂層（防銹、防

3、火等）用量的減少，也能夠大大減少不可再生資源的消耗，同時能夠減少因資源開采對環(huán)境的破壞。2. 低合金高強度鋼生產(chǎn)工藝技術(shù)的發(fā)展自60年代以來，在低合金高強度鋼發(fā)展的第三階段中，生產(chǎn)工藝技術(shù)有了長足的進(jìn)步，這是由三方面因素促成的。（1）對低合金高強度鋼性能的要求有了新的認(rèn)識和提高。對焊接鋼材要求不僅有高的抗裂紋生成能力，還要求有良好的抗裂紋擴(kuò)展能力，即良好的缺口韌性。強度越高，要求韌性越好。（2）組織一性能關(guān)系的基礎(chǔ)研究有了重大的突破。Hall和Petch的基礎(chǔ)研究首次向人們展示，晶粒細(xì)化可以同時提高屈服強度和沖擊韌性。Morrison和Wodhead等的研究表明，在適當(dāng)條件下，低合金高強度鋼中

4、可以形成一定體積分?jǐn)?shù)的尺寸為納米級的碳氮化物粒子，具有非常強烈的沉淀硬化效果，而加入的釩、妮、欽等元素，以前僅作為細(xì)化晶粒元素使用，實際上它們還有析出強化作用。Garland和Platea將關(guān)于第二相質(zhì)點對塑性斷裂過程影響的理論分析表明，材料的總體塑性與質(zhì)點的形狀有關(guān)，第二相質(zhì)點的長寬比增加，提高沿夾雜物長度方向的拉伸塑性，由此產(chǎn)生塑性的各向異性。這種各向異性影響扁平產(chǎn)品的縱向彎曲性能以及焊接時的層狀撕裂。組織和性能關(guān)系研究的這些重大成果為開發(fā)控制軋制控制冷卻以及夾雜物變形和形態(tài)控制工藝奠定了理論基礎(chǔ)。3. 汽車輕量化的途徑及材料應(yīng)用趨勢3.1 汽車輕量化背景隨著我國核電工業(yè)、大型化工設(shè)備的更

5、新改造以及千噸級以上軋機(jī)設(shè)備需求量的持續(xù)上升，國內(nèi)對大件特種運輸?shù)男枨笤诓粩嗵岣?。大件運輸指超限、超重物品的商品運輸，超限貨物是指裝載輪廓尺寸超過車輛限界標(biāo)準(zhǔn)；超重貨物是指車輛總重量超過一定數(shù)值。大件運輸由于其不可拆解性，超限問題一直以來難以解決，尤其是超高。模塊車在輪式大件特種運輸設(shè)備中占有相當(dāng)?shù)匚?，盡可能降低模塊車自身高度來解決超高成為課題。3.2 汽車輕量化途徑目前，全球中型乘用車平均質(zhì)量約為12001400kg,發(fā)達(dá)國家力爭在201研將中型乘用車整車質(zhì)量減輕到1000kg以下。實現(xiàn)汽車輕量化主要有以下幾種途徑一是采用輕質(zhì)材料，如使用低密度的鋁及鋁合金、鎂及鎂合金、工程塑料或碳纖維復(fù)合

6、材料等；二是使用高強度鋼替代普通鋼材，降低鋼板厚度規(guī)格；三是采用先進(jìn)的制造工藝，如激光拼焊、液壓成形、鋁合金低壓鑄造及半固態(tài)成型技術(shù)；四是優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，即對汽車車身、底盤、發(fā)動機(jī)等零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，采用前輪驅(qū)動、高剛性結(jié)構(gòu)和超輕懸架結(jié)構(gòu)等。3.3 汽車材料的應(yīng)用趨勢近年來，輕質(zhì)材料的應(yīng)用逐漸增多，汽車內(nèi)飾件業(yè)已塑料化；鋁、鎂合金主要以鑄件或鍛件的形式應(yīng)用于汽車發(fā)動機(jī)、變速器等零部件上，以及豪華車和特種車輛的車身制造中。由于成本高、成型工藝復(fù)雜及焊接性差等原因，鋁、鎂合金在車身制造中尚未大規(guī)模應(yīng)用。高強度鋼在抗碰撞性能、加工工藝和成本方面較鋁、鎂合金具有明顯的優(yōu)勢，能夠滿足減輕汽車質(zhì)量和提高碰

7、撞安全性能的雙重需要，從成本與性能角度來看，是滿足車身輕量化、提高碰撞安全性的最佳材料。除了疲勞強度外，高強度鋼在應(yīng)用中的各個性能指標(biāo)均正比于板厚和相應(yīng)的材料性能的n次方的乘積。如壓潰強度Ps"tb2n、撞擊吸能AeW2®2n等。因此，高強度鋼板能夠大幅度增加零件的抗變形能力，提高能量吸收能力和擴(kuò)大彈性應(yīng)變區(qū)。高強度鋼應(yīng)用于汽車零件上，可以通過減薄零件厚度來減輕車身質(zhì)量；當(dāng)鋼板厚度分別減少0.05、0.10、0.15mm時車身可減重6%、12%、18%。車身用鋼向高強度化發(fā)展已經(jīng)成為趨勢3。4.高強度鋼的強化機(jī)理與分類4.1 高強度鋼的強化機(jī)理高強度鋼的強化機(jī)制主要有固溶強

8、化、析出強化、組織強化、烘烤硬化、細(xì)晶強化4,見表1。表1鋼板的強化機(jī)理種類適用范圍/MPa強化的原理特點固溶強化340440a.利用固溶于Fe中的原子產(chǎn)生的格子變形的強化機(jī)理b.有Si、Mn、P等置換型a.加P鋼成形性較好，可獲得的TS達(dá)到440MpM右b.位錯互相交織，難以形成格子狀，靜態(tài)動態(tài)比很大c.若為冷軋系列，可得到較高的r值析出強化440590使T物用態(tài)機(jī)物，技V4i、N1氮化;出，位錯,趾匕夕,J!?/仝灣b、V等的彳:物以細(xì)小型由于這些機(jī)活動受到阻（現(xiàn)強化機(jī)上1晚化J形，出礙，1a.常用于490590MPa級的鋼板，雖然焊接性和涂漆性較好，但YP較高，EI較小，不適合要求較圖的

9、成形b.右為熱軋溥板，由于熱軋溥板的卷曲溫度/、低，因此可以制造幾毫米厚的高強度鋼板組織強化4901180利用體急馬氏isJ-».i【將鋅l冷時:體不-FI1f'T*T7Tr,ii:a工不匕上，二從高溫的噢i生成的硬裊1貝氏體的范機(jī)理iT!氏相他a.強度高且比較容易兼顧到成形性b.根據(jù)硬質(zhì)組織的種類、數(shù)量、形態(tài)/、同而具有多樣性（DP鋼、TRIP鋼、高擴(kuò)孔性鋼）細(xì)品強化利用品界阻礙位錯進(jìn)行的特點，使晶粒細(xì)化，改善了脆性，成形性的劣化也較小，但期望的強度增加值較以此增加晶界，加大位錯密度的強化機(jī)理小，僅為100MP*右4.2 高強度鋼的主要種類根據(jù)強度分類，屈服強度在21055

10、0Mp而抗拉弓®度在270700MPa的鋼為高強鋼(HSS),而屈服強度大于550Mp琲口抗拉強度大于700MPa的鋼為超高強鋼(UHSS)。如果根據(jù)冶金學(xué)特征進(jìn)行分類，分為普通高強度鋼(C-Mn鋼、高強度IF鋼、BH鋼、IS鋼、HSLA鋼)和先進(jìn)高強度鋼(DP、CP、TRIP、M、HF)。(1)高強度鋼(IF)高強度IF鋼屬于固溶強化鋼，在超低碳、鋁鎮(zhèn)靜鋼中添加P、Mn和Si等固溶強化元素來提高強度，抗拉強度可達(dá)450MPa。高弓S度IF鋼具有良好的機(jī)械性能和抗二次加工脆性、化學(xué)處理性和合金化鍍鋅適應(yīng)性。廣泛應(yīng)用在車身結(jié)構(gòu)件、開啟件上。(2)烘烤硬化鋼(BH)BH鋼金相組織以鐵素體

11、為基體，主要以固溶強化來提高強度。其特點是添加的磷元素在鋼的冶煉過程中可以與碳、氮形成固溶強化。在鋼板沖壓過程中，基體(鐵素體)內(nèi)位錯”密度增加，碳、氮原子向位錯”擴(kuò)散的距離縮短，當(dāng)BH鋼車身進(jìn)入涂裝在烘烤爐中受熱時，便賦予了固溶體中碳、氮原子擴(kuò)散的能量，使碳、氮原子在位錯”處析出，從而提高了工件的屈服強度，故稱此類鋼為烘烤硬化鋼也(3)低合金高強度鋼(HSLA)在冶煉過程中添加一些微量元素，使鋼能析出一些細(xì)小的碳化物并使晶粒細(xì)化而提高鋼材的強度。(4)雙相鋼(DP)DP鋼的顯微組織主要是鐵素體和馬氏體，馬氏體以島狀分布于鐵素體基體中，馬氏體的含量在5%20%,鋼的強度隨馬氏體含量的增加不斷提

12、高。強度范圍一般為5001000MPaDP鋼具有屈服強度低、初始加工硬化指數(shù)高、高的烘烤硬化性能、無屈服延伸和室溫時效、高的能量吸收能力等特點，較好的實現(xiàn)了強度和成形性能的匹配。主要用于汽車結(jié)構(gòu)件、安全件和加強件，如車輪、保險杠、橫梁、縱梁、座椅導(dǎo)軌等零件。雙相鋼是以相變?yōu)榛A(chǔ)的新型高強度鋼，在微觀組織上，雙相鋼是以較軟的鐵素體加硬相馬氏體所構(gòu)成。在力學(xué)性能上，同時具有高的強度和加工硬化指數(shù)、低屈強比的特點。雙相鋼由低碳鋼或低碳微合金鋼經(jīng)兩相區(qū)熱處理或控軋控冷而得到，馬氏體以島狀分布于鐵素體基體中(見圖1、圖2),含量在5%-20%之間，鋼的強度隨馬氏體含量的增加不斷提高，強度范圍為500-1

13、200MPa。DP鋼具有較圖3TRIP780金相組織中約18%殘余奧氏體圖4TRIP690金相組織中約10%殘余奧氏體(5)相變誘導(dǎo)塑性鋼(TRIP)TWIP鋼是一種具有高強度、高塑性、高吸收能的鋼材，是近幾年國外研究的熱點鋼種之一。TWIP鋼在室溫下的顯微組織是穩(wěn)定的殘余奧氏體，但是如果施加一定的外部載荷，由于應(yīng)變誘導(dǎo)產(chǎn)生機(jī)械學(xué)品，會產(chǎn)生大的無頸縮延伸，顯示非常優(yōu)異的機(jī)械性能，在具有高強度的同時兼有高延伸率和高加工硬化指數(shù)TWIP鋼的強度可以達(dá)到800MPa以上，延伸率可以達(dá)到60%95%,30%應(yīng)變時的n值可以達(dá)到0.58。高的伸長率以及較高的加工硬化率，抗疲勞性能好。目前，DP鋼的主要類

14、型有DP450/DP600/DP780/DP980,主要用于汽車的結(jié)構(gòu)件和安全件，如前內(nèi)縱梁、后內(nèi)縱梁、中支柱里板、座椅橫梁等零件。法國阿塞洛、瑞典SSAB、日本新日鐵、神戶制鋼等鋼廠可以生產(chǎn)多種規(guī)格的雙相鋼。國內(nèi)寶鋼、武鋼、鞍鋼可以提供一些等級的DP雙相鋼口。圖5DP鋼與TRIP鋼成形性對比圖6TRIP鋼與其他高強鋼極限脹形高度對比圖1DP600金相組織圖2DP980金相組織TAJP280DP780HSA360H28D*IFIF7H0*DP7&0TRIP鋼的顯微組織主要鐵素體、貝氏體和殘余奧氏體，因此也稱殘余奧氏體(RA)鋼。殘余奧氏分布在鐵素體和貝氏體的基體中，含量在5%15%,馬

15、氏體和貝氏體等硬相以不同的含量存在。強度范圍一般為6001000MPa與DP鋼相比，TRIP鋼具有更高的延伸率，TRIP鋼的初始加工硬化指數(shù)雖然小于DP鋼，但在很長應(yīng)變范圍內(nèi)仍保持較高的加工硬化指數(shù)，因此特別適合用于拉脹成形。TRIP鋼也主要用于汽車結(jié)構(gòu)件、安全件和加強件，如座椅結(jié)構(gòu)、橫梁、縱梁、翼子加強件等零件。相變誘導(dǎo)塑性鋼其金相組織為鐵素體、貝氏體、殘余奧氏體，見圖3、圖4。在變形過程中，殘余奧氏體會發(fā)生誘導(dǎo)相變轉(zhuǎn)化為馬氏體，引起相變強化和塑性增長。這類鋼兼顧了較高的抗拉強度和良好的成形性(見圖5)，比雙相鋼成形性更好，同樣具有BH鋼性能，擁有更好的擴(kuò)孔性(見圖6)咒目前，此類鋼板的主要

16、牌號有TRIP590、TRIP690、TRIP780和TRIP780HR等，在汽車行業(yè)尚沒有得到大規(guī)模應(yīng)用。(6)多相鋼(CP)多相鋼組織與TRIP鋼類似，基本上是在Mn-Cr-Si合金成分體系的基礎(chǔ)上，依靠鈦、鈮、釩元素微合金化產(chǎn)生的晶粒細(xì)化效應(yīng)和析出強化效應(yīng)，結(jié)合適當(dāng)?shù)木砣」に嚩a(chǎn)的，主要組織為細(xì)小的鐵素體和高比例的硬質(zhì)相(馬氏體、貝氏體)，含有鋰、鈦等元素。通過馬氏體和貝氏體以及析出強化的復(fù)合作用，CPffi強度可達(dá)800-1000MPa,具有較高的吸收性能與擴(kuò)孔性能，特別適合于汽車的車門防撞桿、保險杠和中立柱等安全件。(7)熱成形鋼(HF)熱沖壓成形技術(shù)是指將坯料加熱至奧氏體化，然后

17、在熱狀態(tài)下將坯料沖壓成形，最后利用模具的冷卻能力將零件淬火成馬氏體。這項技術(shù)在使零件獲得高強度的同時，解決了復(fù)雜零件幾何形狀控制和回彈等難題。相對于冷沖壓成形板來說，熱沖壓成形用鋼板的成分比較特殊，生產(chǎn)時還需要配備專用模具，因此無論在鋼板的生產(chǎn)上還是加工上都比較特殊，相應(yīng)的技術(shù)也掌握在少數(shù)公司手中。這類鋼的成分特點是在C-Mn鋼的基礎(chǔ)上添加2050ppm的硼，因此也稱為含硼鋼。熱成形鋼是通過熱成形技術(shù)獲得的超高強度的馬氏體鋼。首先把常溫下強度為500-600MPa勺高強度硼合金鋼板加熱到880-950C,使之均勻奧氏體化；然后送入內(nèi)部帶有冷卻系統(tǒng)的模具內(nèi)沖壓成形；之后保壓快速冷卻淬火，使奧氏體

18、變成馬氏體，因而成形件得到強度硬化。沖壓件冷卻淬火后，強度可達(dá)1500MPa，見圖710。腦中已建幅<,3-Ir,：-離流軟核心”，不上城形后的#件11500M網(wǎng))圖7熱成形鋼加工工藝流程熱成形鋼具有如下優(yōu)點。a零件成形后強度指標(biāo)大幅度提高。b.高溫下材料塑性好，成形能力強，可用于冷沖壓無法成形的復(fù)雜零件，也可將冷沖壓需要多道工序、多套模具成形的零件一次成形。c.高溫下零件成形沒有回彈，可以實現(xiàn)高精度成形。d.如果使用Al-Si涂層板，可以防止在熱沖壓過程中的脫碳等氧化現(xiàn)象，并可以省略后期的拋丸處理，零件擁有更好的抗腐蝕能力。熱成形鋼板主要用于車門防撞桿、前后保險杠、A/B/C柱等安全件

19、，見圖8,熱成形鋼技術(shù)在國外汽車行業(yè)已成為熱門技術(shù)，其發(fā)展迅速。法國阿賽洛公司、德國蒂森-克虜伯、本特勒、麥格納以及海斯坦普等公司均擁有熱成形技術(shù)及成套生產(chǎn)線。圖8中立柱加強板、保險杠和前風(fēng)窗擋板加強板(8)馬氏體鋼馬氏體鋼的顯微組織主要是板條馬氏體，強度范圍一般為9001500MPa,是目前商業(yè)化AHSS中強度級別最高的鋼種。馬氏體鋼的成形性較差，主要用于成形要求不高的車門防撞桿等零件，代替管狀零件，降低制造成本。(9)FB鋼FB鋼也稱高擴(kuò)孔(HHE)鋼，其顯微組織主要是鐵素體和貝氏體，這種鋼在具有高強度的同時兼有優(yōu)良的翻邊性能。強度一般為450600MPa主要用于翻邊性能要求較高的汽車結(jié)構(gòu)

20、件、懸架件等。(10)PFHT鋼二次成形熱處理是指將沖壓成形后的零件固定在特定的裝置上，然后進(jìn)行感應(yīng)加熱，最后進(jìn)行水淬，以達(dá)到硬化材料和固化形狀的目的，是一種既提高零件強度又改善零件幾何形狀精度的工藝，零件的強度一般為9001400MPa。(11)NANO鋼NANO鋼指用納米尺度(<10nm)級的析出物來強化鐵素體基體，從而提高鋼的強度的一種鋼。這種鋼的特點是屈強比高、延伸率和擴(kuò)孔率的匹配性好，強度一般在700800MPa。5. 高強度鋼在國內(nèi)外的應(yīng)用情況為了達(dá)到汽車輕量化、安全化的目的，應(yīng)對鋁鎂行業(yè)的競爭，20世紀(jì)90年代，國際鋼鐵協(xié)會的35家主要鋼鐵公司開展了超輕鋼制車身(Ultra

21、LightSteelAutoBody)ULSAB項目。其內(nèi)容是通過大量采用高強度鋼板，并應(yīng)用液壓成形、激光拼焊板等技術(shù)使汽車減重25%。2004年項目取得成功，整車減輕質(zhì)量25%，車身靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度提高了80%，靜態(tài)彎曲剛度提高了52%，汽車安全等級達(dá)到了歐洲NCAP五星級碰撞標(biāo)準(zhǔn)11。ULSAB車體上高強度鋼板使用率為90%,其中DP雙相鋼超過70%,另外還采用了4%左右的抗拉強度為1200MPa的超高強度馬氏體鋼。最近幾年，歐美汽車公司在開發(fā)新款汽車時都部分或全部采用了ULSAB項目技術(shù)，高強度鋼大量使用在汽車車身、底盤、懸架和轉(zhuǎn)向的零部件上。國內(nèi)汽車合資企業(yè)的技術(shù)直接來源于國外母公司，高強

22、度鋼應(yīng)用水平與國外汽車企業(yè)保持了相近的水平。自主品牌汽車企業(yè)在高強度鋼的應(yīng)用方面整體落后于國外汽車公司，正在快速追趕。最近兩年，國內(nèi)自主品牌汽車開發(fā)的有些新車型，高強度鋼質(zhì)量占白車身質(zhì)量的比例已經(jīng)達(dá)到45%以上。近年來，國內(nèi)鋼鐵企業(yè)積極開展了汽車用高強度綱的開發(fā)工作，目前寶鋼、武鋼、鞍鋼等可以生產(chǎn)一些等級的高強度IF鋼、DP雙相鋼、TRIP相變誘導(dǎo)塑性鋼、BH烘烤硬化鋼。國內(nèi)鋼鐵企業(yè)已能提供多種規(guī)格的高強度鋼板，不過從品種與質(zhì)量來看，與國外的先進(jìn)水平相比還有較大的差距。6. 高強度鋼的發(fā)展趨勢高強度鋼在汽車減重、降耗、安全性方面有著顯著優(yōu)勢，但在應(yīng)用時還存在一些問題，即隨著強度的增加，沖壓性能

23、變差、回彈量大、尺寸難以控制、容易起皺開裂，這給沖壓成形工藝帶來新課題。另外，高強度鋼的可焊性比普通低碳鋼要差，焊接工藝參數(shù)存在較大差異。為了開發(fā)性能更好的高強度鋼，阿塞洛等鋼鐵公司正在研究開發(fā)孿晶誘導(dǎo)塑性鋼(TWIP)、具有誘導(dǎo)塑性的輕量化鋼(L-IP)DDOD DODD 了 C 5 432 1圖9各種汽車用鋼板屈服強度和伸長率的關(guān)系這些鋼種具有非常優(yōu)異的力學(xué)性能、高的應(yīng)變硬化率及極高的塑性，被稱為第二代高強度汽車用鋼。目前，美國鋼鐵企業(yè)正在積極發(fā)展第三代高強度汽車用鋼（見圖9）,具有第一、第二代高強度鋼的微觀組織特點，充分利用晶粒細(xì)化、固溶強化、析出強化及位錯強化等手段來提高強度，通過應(yīng)變誘導(dǎo)塑