汽车用钢的发展与低熵化先进高强钢设计

介绍了汽车用钢的发展历史与推动汽车用钢发展的历史性事件,展望了未来汽车用钢在“双碳”背景下的发展方向。同时,介绍了汽车用先进高强钢的发展与分类,阐述汽车钢从软钢、低碳钢、高强钢到先进高强钢的发展过程,详细阐述第一代到第三代先进高强钢迭代升级过程中成本、合金、组态与性能等方面的设计思路。最后,提出创新性的低熵化设计理念,并介绍所设计的覆盖四类双相钢产品的低熵化产品,包含成分与工艺的设计思路。提出“组态异构”的低熵化设计,以用户切实的应用需求为导向,深入分析产品性能特征,结合钢铁材料的物理冶金机理与生产制造阶段装备及工艺特征,从设计端对产品进行减量化、单一化、归一化的梯度低熵化设计,实现产品低成本高性能生产制造思路。

经改进型和普通淬火-配分工艺处理的高强钢的显微组织和力学性能

对1 mm厚含0.20%C、2.0%Mn和1.75%Si(质量分数)的钢板进行了普通和改进型淬火-配分(Q&P)工艺处理。检测了钢板的显微组织、力学性能,并对拉伸断口进行了分析。结果表明:经改进型Q&P工艺处理的钢的显微组织由铁素体、贝氏体、二次马氏体和残留奥氏体组成,残留奥氏体体积分数为13.6%,而经普通Q&P工艺处理的钢则为铁素体+回火马氏体+二次马氏体+残留奥氏体,前者的残留奥氏体体积分数为13.6%,后者为9.2%;经普通Q&P工艺处理的钢的屈服强度、抗拉强度分别为680和1070 MPa,断后伸长率为20%,而经改进型Q&P工艺处理的钢的屈服强度和抗拉强度分别为600和1015 MPa,断后伸长率为26%;经改进型Q&P工艺处理的钢为韧性断裂,而经普通Q&P工艺处理的钢为韧-脆性混合断裂。

双相钢马氏体含量对点焊极值电流与熔核转变规律的影响

采用中频逆变点焊机对1.2 mm厚不同马氏体含量的双相钢进行焊接,建立了点焊工艺窗口,分析了马氏体含量对焊接工艺和熔核组织的影响规律。分别采用光学显微镜、透射电子显微镜和维氏硬度计对焊点熔核区组织、显微硬度进行分析。结果表明,随着钢中马氏体含量的增加,工艺窗口向电流减小的方向偏移,Imin随马氏体含量的增加小幅度的减小,Imax大幅度的降低;熔核区组织为完全马氏体组织,随钢中马氏体含量的增加组织由板条马氏体转变为板条马氏体+孪晶马氏体组织,HAZ区硬度逐渐显示出软化特征。

冷轧DP980电阻点焊接头断裂模式特征与组织分析

采用中频逆变点焊机对1.2 mm厚冷轧DP980进行电阻点焊试验,确定球形电极下焊点的断裂模式,对不同断裂模式下的熔核直径、剪切力、破坏能量及断裂位移等参数进行表征。此外,针对典型熔核组织和显微硬度进行分析。结果表明,球形电极下焊点断裂模式表现为界面断裂和熔核拔出两种。两种断裂模式下,熔核处组织均为板条马氏体+孪晶马氏体,在热影响区中存在软化区域,该组织为回火马氏体+铁素体。界面断裂模式下,熔核直径、剪切力及断裂位移均呈现为数值较小的特点,破坏能量随焊接电流的增加呈快速增长的特征。熔核拔出模式下,熔核直径、剪切力和断裂位移均呈现为数值较大的特点,破坏能量随焊接电流的增加呈稳定状态。

两种形状汽车大梁板试样的轴向疲劳行为研究

以500L-Z汽车大梁板为研究对象,对漏斗形试样和等截面试样分别进行应力比(R)为-1和0.1以及高、低两个应力水平的轴向疲劳试验。介绍了采用母体标准差相同的成组对比试验的t检验法和母体标准差不同的成组对比试验的t′检验法,并用切割应力松弛法测试两种形状试样表面的残余应力,分析其产生疲劳性能差异的原因。结果表明:在95%置信度下,当R=-1时,在250和330 MPa应力水平下,漏斗形试样的疲劳寿命分别是等截面试样的2.22~5.76倍和2.01~2.44倍;当R=0.1时,在475和550 MPa应力水平下,漏斗形试样的疲劳寿命分别是等截面试样的2.04~3.14倍和1.80~2.74倍。漏斗形试样的疲劳性能明显优于等截面试样。由试样形状引起的应力集中和表面残余压应力差异是造成两种形状试样疲劳性能差异的主要原因。

第二脉冲电流对TRIP 980钢板电阻点焊接头显微组织和力学性能的影响

采用单脉冲、多脉冲电阻点焊工艺对主要成分为0.28%C、2.0%Mn、0.97%Si和0.93%Al(质量分数)、1.5 mm厚的相变诱发塑性TRIP 980钢板进行了焊接。研究了第二脉冲电流对点焊接头显微组织、硬度和拉剪强度的影响。结果表明:采用两种工艺点焊的接头熔核的显微组织主要为下贝氏体和板条马氏体;施加5和6 kA第二脉冲电流可以消除接头熔核的中心缩孔,而施加6和7 kA第二脉冲电流可使熔核局部重熔,并使先前形成的熔核回火,导致熔核平均硬度降低14~25 HV0.3;施加较大的第二脉冲电流(7 kA)还使点焊接头热影响区的宽度增加,并提高点焊接头的拉剪强度。

退火温度对冷轧轻质Fe-15Mn-8.5Al-1.5Si钢组织和性能的影响

利用扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、电子背散射衍射(EBSD)和室温拉伸力学性能测试等手段,研究了840~1000℃范围内退火温度对冷轧轻质Fe-15Mn-8.5Al-1.5Si钢组织和力学性能的影响。结果表明:1000℃×1 min退火的试样力学性能最优,抗拉强度为1006 MPa,断后伸长率为41.7%,强塑积高达42 GPa·%;840和870℃退火的试样奥氏体内和相界处析出了κ-碳化物,严重影响了奥氏体的变形性能,易导致解理断裂,降低钢的塑性。高于900℃退火时,碳化物消失。退火温度的提高改变了α-铁素体和奥氏体两相间的位向关系,导致1000℃退火组织两相滑移系趋于平行的晶粒比例增多,改善了位错的相间滑移能力,降低了γ/α相界处产生裂纹的可能性,试验钢的塑性得到提升。

烘烤时间对大晶粒低碳钢烘烤硬化性能的影响

测试了大晶粒低碳钢在170℃烘烤不同时间的烘烤硬化(BH)值。通过内耗试验获得了相应烘烤工艺的内耗曲线,研究了烘烤时间对大晶粒低碳钢烘烤硬化性能的影响机制。结果表明,当预变形量为5%,烘烤温度为170℃时,不同烘烤时间的大晶粒低碳钢的BH值均为负值; BH值和SKK峰随着烘烤时间的延长先增加后不变,BH值随着SKK峰的变化而变化,即BH值主要受Cottrell气团强化作用的影响。烘烤1 000 min的钢的BH值达到最大,继续延长烘烤时间,BH值变化不大;当烘烤时间为20 min时,SKK峰值最大;当烘烤时间超过1 000 min时,SKK峰高变化不大。

汽车用高强车轮钢LQ590热轧钢板的研制开发

在实验室条件下采用金相组织观察、力学性能测试等手段分析了试验钢的性能和组织。通过对普碳钢进行成分微调、控轧控冷工艺以及利用时效处理在鞍钢热连轧生产线上开发研制了抗拉强度达590 MPa的高强度车轮用钢,并进行了带合同工业试制,实现年生产量4万余t。

TRIP/TWIP异种钢激光偏束焊接接头的显微组织与力学性能

采用不同激光束偏移量对TRIP钢和TWIP钢进行了异种钢焊接,并测试和分析了焊接接头的显微组织、硬度及力学性能。结果表明:TRIP/TWIP焊接接头的力学性能较TRIP钢和TWIP钢母材明显降低。焊接过程中熔池内的搅动以及激光束偏移导致了熔池内锰元素的不均匀分布,从而直接影响焊缝的显微组织和断裂形式。激光束偏向TWIP钢侧形成全奥氏体焊缝有助于改善焊接接头的力学性能。

第三元素效应对TWIP钢表面在退火过程中内外氧化的影响

退火过程中钢板表面生成的氧化物对锌液在钢板表面的润湿性有很大影响,因此从理论和试验角度分析氧化物分布及其影响因素具有重要意义。在Wagner内外氧化理论的基础上,根据"第三元素效应"对一定退火环境下氧化物的内外氧化进行预测,并使用X射线光电子能谱(XPS)对实际退火过程中钢板表面生成氧化物的分布进行分析,进一步验证了理论预测方法和结果的准确性。

退火温度对Fe-15Mn-10Al-0.3C钢组织和性能的影响

通过扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和电子背散射衍射(EBSD)等手段研究了Fe-15Mn-10Al-0.3C冷轧钢在840~900℃温度范围保温不同时间后的组织和性能演变规律。结果表明:退火温度为840和870℃时,铁素体晶界上形成了二次奥氏体,且含量随着退火温度的升高而减少,直至900℃退火时无二次奥氏体形成;此外,不同温度退火的钢奥氏体内均发生了γ→α同素异构转变,其转变量随着退火时间的延长而增加。二次奥氏体的形成可以显著提升钢的塑性,但屈服强度和抗拉强度降低;γ→α转变可以改善钢的塑性。

TRIP780及DP780钢成形性能的影响因素研究

通过单轴预应变拉伸试验、冲压成形试验、模拟分析,对TRIP780及DP780钢的力学性能与成形性能进行了研究,并对TRIP钢冲压成形过程中残留奥氏体的转变及对性能的影响进行了分析。结果表明:与DP780钢相比,TRIP780钢具有更好的塑性、强度及加工硬化性能,并且后者的应变硬化指数n值在5%~25%的应变阶段可以保持在0.2以上。TRIP效应能有效抑制预应变对应变硬化性能及塑性的消耗,从而使TRIP780钢具有更好的二次硬化性能。在冲压成形过程中,随着应变比的增加,应变状态更接近平面应变,残留奥氏体转变量逐渐增加。

汽车底盘用500 MPa级热轧酸洗钢板的开发

通过热轧厂热轧和冷轧厂盐酸酸洗,试制了含钛和不含钛的两种热轧酸洗钢板。采用金相显微镜、透射电子显微镜和拉伸试验机研究了两种试制钢板的显微组织和性能。结果表明:两种钢板的显微组织均由铁素体和珠光体组成,其屈服强度达到400 MPa以上,抗拉强度高于500 MPa,断后伸长率大于30%。与不含钛的钢相比,含钛钢的晶粒细小,屈服强度和抗拉强度高,断后伸长率低,屈强比高。

汽车大梁用500L-Z热轧钢裂纹形成原因分析

某汽车大梁用500L-Z钢在冲压过程中出现开裂。采用宏观检验、金相检验和扫描电镜检验对其冲压开裂的原因进行了分析。结果表明:在冲压过程中,切边不平直处发生加工硬化导致开裂,而试样中间的珠光体偏析带也是产生裂纹的原因之一。

铌对热轧酸洗钢板组织和性能的影响

通过1 780 mm热连轧机热轧和1 700 mm酸洗机组酸洗,试制了含铌和不含铌两种成分的钢板。并采用金相显微镜、投射电镜、拉伸试验机和扩孔试验机研究了添加铌对热轧酸洗钢板的组织和性能的影响。结果表明,两种成分试制钢板的显微组织均由铁素体和珠光体组成,其抗拉强度均高于460 MPa,断后伸长率大于34%。与不含铌钢板相比,加铌钢板的屈服强度和扩孔率明显提高,但抗拉强度和断后伸长率变化不大。

拉深成形工艺对1180MPa级超高强钢抗延迟断裂性能的影响

采用拉深成形工艺和盐酸溶液浸泡腐蚀试验方法,研究了QP1180和DP1180钢的抗延迟断裂性能。结果表明:随着拉深比的增大,材料内应力增大,QP1180和DP1180钢发生延迟断裂的时间缩短,裂纹数量和裂纹长度均增加,抗延迟断裂性能下降。DP1180钢的抗延迟断裂性能优于QP1180钢,DP1180钢可在更大的拉深比下抵抗延迟断裂,且在相同拉深比下QP1180钢的裂纹长度和杯口主裂纹数量总体高于DP1180钢,QP1180钢的断口更脆。高马氏体含量和TRIP效应降低了QP1180钢的抗延迟断裂性能。

汽车薄板拉-压高周疲劳试样的形状和尺寸选取

针对两种不同强度级别、不同厚度的汽车薄板材料,设计出不同试验段宽度、不同平行长度、不同圆弧半径的疲劳试样,在不使用防屈曲装置的情况下,进行不同应力水平、应力比R=-1的高周疲劳试验,并通过相同应力循环形式下不同尺寸试样的疲劳寿命循环次数,来确定汽车薄板材料疲劳试样的形状和尺寸。结果表明:对于厚度0.8~3 mm的汽车薄板,等截面疲劳试样比圆弧形疲劳试样更适合进行汽车薄板拉-压高周疲劳试验,推荐的等截面疲劳试样尺寸(a为试样厚度)为试验段宽度b=(1~3)a,试样平行长度L_(c)=(1~3)b,圆弧半径r=(3~10)a。

热轧酸洗低碳薄钢板的研制

采用1 780 mm热连轧机和1 700 mm酸洗机组等设备,试制了一种碳的质量分数为0.030%、厚度1.8 mm的钢板,即热轧酸洗低碳薄钢板。检测了钢板的显微组织、力学性能和成形性能。试验结果表明,该热轧酸洗薄钢板的显微组织由铁素体和珠光体组成,铁素体晶粒度为9级,钢板的抗拉强度大于310 MPa,屈服强度达200 MPa以上,断后伸长率大于42%,塑性应变比r值为0.5~0.6,应变硬化指数n值为0.19~0.21,钢板的成形性能符合要求。

某车型车身材料应用分析

以某B级轿车车型为代表,对其进行逆向解析,从车身外板零件、车身内板零件和车身结构件三部分,详细分析该车型车身材料的应用准则。结果表明,该车型车身外板零件要求板材具有良好的成形性,但对强度要求相对较低,可采用抗拉强度340 MPa级低碳钢,部分零件可适当降低强度要求;车身内板零件要求板材具有良好的成形性,强度和刚度要求稍高于外板,可采用抗拉强度340 MPa级低碳钢;车身结构件对板材强度要求较高,一般采用抗拉强度340～1 500 MPa级高强钢和超高强钢,钢种类型主要有高强度低合金钢、DP钢和热成形钢等。