一文詳解汽車用鋼的分類和發展方向


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現代汽車製造業的核心是安全和環保,對車身要求“提高強度、減輕重量”。先進高強度鋼在這種背景下蓬勃發展,大量應用於汽車車身的結構件、安全件上。



汽車用高強鋼類型

1、雙相鋼 (DP鋼,Dual Phase Steels)

2、複相鋼  (CP鋼,Complex Phase Steels)

3、相變誘導塑性鋼  (TRIP鋼,Transformation Induced Plasticity Steels)

4、馬氏體鋼  (MS鋼,Martensitic Steels)

5、淬火延性鋼  (QP鋼,Quenching and Partitioning Steels)

6、孿晶誘發塑性鋼  (TWIP鋼,Twinning Induced Plasticity Steels)

7、硼鋼  (PH鋼或B鋼,Press Hardening/Boron Steels)

▇  雙相鋼(DP鋼)

性能特點:無屈服延伸、無室溫時效、低屈強比、高加工硬化指數和高烘烤硬化值。

典型應用:DP係列高強鋼是目前結構類零件的首選鋼種,大量應用於結構件、加強件和防撞件。如,車底十字構件、軌、防撞杆、防撞杆加強結構件等。


▇  複相鋼(CP鋼)

性能特點:晶粒細小,抗拉強度較高。與同級別抗拉強度的雙相鋼相比,其屈服強度明顯要高很多。具有良好的彎曲性能、高擴孔性能、高能量吸收能力和優良的翻邊成形性能。


典型應用:底盤懸掛件,B柱,保險杠,座椅滑軌等。


▇  相變誘導塑性鋼(TRIP鋼)

性能特點:組織中含有殘餘奧氏體,有良好的成形性能。在成形過程中殘餘奧氏體會逐漸轉變為硬的馬氏體,有利於均勻變形。TRIP鋼還具有高碰撞吸收能、高強度塑性積和高n值的特點。


典型應用:結構相對複雜的零件,如B柱加強板、前縱梁等。


▇ 馬氏體鋼(MS鋼)

性能特點:屈強比高,抗拉強度高,延伸率相對較低,需要注意延遲開裂的傾向。具有高碰撞吸收能、高強度塑性積和高n值的特點。


典型應用:簡單零件的冷衝壓和截麵相對單一的輥壓成形零件,如保險杠、門檻加強板和側門內的防撞杆等。


▇  淬火延性鋼(QP鋼)

性能特點:以馬氏體為基體相,利用殘餘奧氏體在變形過程中的TRIP效應,能實現較高的加工硬化能力,因此比同級別超高強鋼擁有更高的塑性和成形性能。


典型應用:適用於形狀較為複雜的汽車安全件和結構件,如A、B柱加強件等。


▇  孿晶誘發塑性鋼(TWIP鋼)


性能特點:TWIP鋼為高C、高Mn、高Al成分的全奧氏體鋼。通過孿晶誘發的動態細化作用,能實現極高的加工硬化能力。TWIP鋼具有超高強度和超高塑性,強塑積可達50GPa%以上。


典型應用:TWIP鋼具有非常優越的成形性能和超高強度,適用於對材料拉延和脹形性能要求很高的零件,例如複雜形狀的汽車安全件和結構件。


▇  硼鋼(PH鋼或B鋼)

性能特點:超高強度(抗拉強度達1500MPa以上),有效提高碰撞性能,車身輕量化;零件形狀複雜,成形性好;尺寸精度高。


典型應用:安全結構件,如:前、後保險杠、A柱、B柱、中通道等。

 汽車用鋼的演化曆程

自19世紀末期,即1885年德國工程師Karl Benz設計出第一台由內燃機驅動的汽車以來,鋼開始在汽車製造過程中得到應用。在20世紀初,隨著鋼板/鋼帶生產技術的出現及其複雜成型加工技術的突破,汽車結構中的木質部件逐漸被鋼板/鋼帶所取代。隨後的百年曆史中,鋼板/鋼帶成為汽車製造過程中的主導材料。隨曆史時期的不同,結合相應的國家戰略、消費需求及技術能力,演化出一係列的汽車用鋼材料,具體如圖1所示。首先在汽車中得到應用的是低碳鋼(Low Carbon,LC)和無間隙原子鋼(Interstitial Free,IF),在當時這兩類低強鋼能滿足強度、成型性、成本和設計的需求。直到1970年左右北美石油危機事件,汽車工業為應對能源問題,開始開發高強度鋼來實現減重節能。自此之後,便進入到汽車鋼板強度級別不斷提高的良性循環時段。特別是在目前全球汽車輕量化的大趨勢下,鋼鐵業內工作者也在為之不斷的努力。


汽車用鋼板的分類

▇  傳統高強鋼

傳統高強鋼以烘烤硬化鋼(Bake Hardenable,BH)為主,其力學性能如圖2所示。在衝壓成型後的烤漆過程中實現強度的提高。衝壓過程中的應變硬化程度,對後續烘烤過程中強度的提高有明顯的影響。成型過程中的應變硬化,主要是基於形變引起的位錯密度的提高。烘烤過程中強度的提高,是基於該過程中原子的擴散導致的對後續位錯運動的阻礙。成型方式和成型過程引起的應變量的不同,均會對烘烤硬化效果產生一定的影響。


▇ 典型第一代先進高強鋼及其控製技術

第一代先進高強鋼以雙相鋼(Dual Phase,DP)和相變誘導塑性鋼(Transformation Induced Plasticity,TRIP)為主。   

DP鋼,故名思議是由兩種相組成,可為鐵素體+貝氏體或鐵素體+馬氏體,其組織示意圖如圖3所示。鐵素體作為軟相,保證其具有一定的塑性,易成型;貝氏體/馬氏體作為硬相,使其具有合理的強度。

▇ 典型第二代先進高強鋼及其控製技術

第二代先進高強鋼以攣晶誘導塑性鋼(Twinning Induced Plasticity,TWIP)為主。TWIP鋼,是基於形變過程中由於奧氏體相的變化,形成的機械攣晶,如圖5所示。由於攣晶的形成,可吸收碰撞過程中的能量。其基本成分為18%Mn-3%Si-3%Al,當然隨不同部件對各相性能的關注點不同和生產過程中的瓶頸問題,該成分可做出適當的調整。

▇ 第三代先進高強鋼的發展

第三代先進高強鋼,是基於第一代與第二代高強鋼區域之間的空白,開發具有高強高塑性的綜合性能優良的品種,如目前國內外的研究熱點Q&P(Quenching and Partition)鋼。Q&P鋼的室溫組織為鐵素體、馬氏體和奧氏體,其設計原理是在淬火到一定溫度形成相當數量的馬氏體後,存在一個二次加熱過程,如圖6所示,在該過程實現馬氏體內碳原子向殘留奧氏體內的擴散,從而提高其穩定性。由此工藝生產的高強鋼,其強塑積可遠超第一代和第二代先進高強鋼。


 汽車用鋼的發展趨勢及研究熱點

通過高強鋼的應用,車身各部件可以實現減薄的同時不損失強度。在歐美已達成一致,車身結構通過600MPa/40%到1600MPa/20%高強鋼的應用,車身重量可以至少減少5-8%,這給此性能範圍內各係列高強鋼的發展帶來了機遇。  

對於下一步汽車用鋼的發展方向和研究議題,國際NSF組織(National Steel Fabrication)、美國DOE(Department of Energy)能源部、美國AISI鋼鐵協會(American Iron and Steel Institute)和A/SP(Auto/Steel Partnership),在大學和科研院所等機構提出如下研究領域:

先進高強鋼的微觀組織和機械性能;

先進高強鋼的碳擴散過程;

先進高強鋼的粒子尺寸及界麵效應;

先進高強鋼中的納米針狀鐵素體型雙相鋼;

高強高塑貝氏體鋼;

先進高強鋼的成型性及回彈行為;

先進高強鋼的相應模型。


需求會促進相關技術的進步,技術的進步同樣會刺激需求的提高。輕量化的大趨勢,會促進鋼鐵界技術的不斷進步,從而為更先進鋼板的應用創造條件。下一步汽車用鋼的發展方向,或者說在當今時期更為理想的汽車鋼板材料,應具備如下條件:低碳(高的焊接性)、低成本(低合金量的添加)、高成型性、易於裝配和維修。現如今各係列的車用高強鋼,都普遍存在一定的局限性,成分差異大、表麵質量不統一,都為最終的塗裝等帶來一定的難度。今後對各類材料的評價,應從全流程的角度來考慮,這樣才能設計生產出既好又實用的產品。


來源:中國鋼研戰略所


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