先進熱沖壓處理技術(shù)與超高強塑性汽車構(gòu)件開發(fā)（下）

文/李光瀛·鋼鐵研究總院

李紅·北京工業(yè)大學(xué)

馬鳴圖·汽車工程研究院

張宜生·華中科技大學(xué)

先進熱沖壓處理技術(shù)與超高強塑性汽車構(gòu)件開發(fā)（下）

文/李光瀛·鋼鐵研究總院

李紅·北京工業(yè)大學(xué)

馬鳴圖·汽車工程研究院

張宜生·華中科技大學(xué)

《先進熱沖壓處理技術(shù)與超高強塑性汽車構(gòu)件開發(fā)（上）》見2017年《鍛造與沖壓》第8期

這種先進熱成形處理的TS1500級超高強塑性鋼的顯微組織特征是細化到納米級寬度（w≈200nm）的馬氏體板條與沿著馬氏體板條邊界斷續(xù)離散分布的納米級殘余奧氏體膜（寬度w≈20～40nm，長度l<100nm），如圖6的透射電鏡TEM照片所示[8]。目前對這種超細殘余奧氏體組織的體積百分比數(shù)量FRA(%)的測定，還需要進一步研究。

對于微米級尺度的島狀殘余奧氏體或者馬氏體-奧氏體島，可以用彩色侵蝕法制備試樣后在定量金相顯微鏡下觀察測定，也可以制備掃描電鏡試樣后采用電子背散射EBSD方法檢測。一般情況下，采用X射線衍射分析方法可以獲得比較準確穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。但是，對于超高強塑性TS1500級熱沖壓成形處理鋼，當(dāng)殘余奧氏體的尺寸細小到納米級尺度時，例如圖6所示在高倍透射電鏡TEM下看到的殘余奧氏體膜，上述光學(xué)顯微鏡OM的彩色侵蝕法、定量金相分析方法QM和掃描電鏡SEM的EBSD方法，均存在一定的困難。一方面，可以采用X射線衍射分析方法與高倍透射電鏡TEM下多個視場的觀測分析相結(jié)合，對比分析超細殘余奧氏體膜的體積百分比數(shù)量FRA(%)；另一方面需要對先進熱沖壓處理AHST的超高強塑性鋼試樣中的超細殘余奧氏體數(shù)量FRA(%)與該鋼板的均勻伸長率UE（%）之間的對應(yīng)關(guān)系進行數(shù)據(jù)處理，建立UE(%)—FRA(%)的數(shù)學(xué)模型本構(gòu)方程。

圖6 先進熱成形處理的TS1500級超高強塑性鋼的顯微組織特征[8]

在此基礎(chǔ)上，可以系列化地開發(fā)熱沖壓TS800、TS1000、TS1200、TS1500、TS1800級超高強塑性鋼汽車構(gòu)件。日本JFE已經(jīng)為車身結(jié)構(gòu)開發(fā)出熱成形PHS780～1180級（即TS800～TS1200級）系列和PHS980～1470級（即TS1000～1500級）系列超高強度鋼。這對于未來鋼汽車FSV的車身輕量化具有重要應(yīng)用價值。

國內(nèi)外許多車型的車身結(jié)構(gòu)中，已經(jīng)對典型的B柱和前側(cè)梁等關(guān)鍵抗沖撞構(gòu)件，采用板厚為1.4mm的熱沖壓TS1500級超高強度鋼，取代原來板厚為2.0mm的冷沖壓DP600級高強度鋼，使其減薄減重30%。這對于車身輕量化、節(jié)能環(huán)保和抗沖撞安全具有重要實際使用價值[10]。

值得注意的是，對于冷軋超高強度鋼，例如含有一定數(shù)量殘余奧氏體、總伸長率TE≥15%的Q-P980級冷軋板，在冷沖壓成形過程中，鋼中的殘余奧氏體會在塑性應(yīng)變作用下發(fā)生馬氏體相變，一方面通過TRIP效應(yīng)提高了鋼板冷成形性能，另一方面冷沖壓成形后的殘余奧氏體數(shù)量減少，使冷沖壓構(gòu)件的塑性和吸收沖擊功能力顯著下降。

對于典型的U型彎曲構(gòu)件，一般在圓角附近的拉伸減薄變形可達到El=13%左右。在對TS1200MPa級冷成形構(gòu)件內(nèi)殘余奧氏體數(shù)量的檢測中發(fā)現(xiàn)，冷沖壓前ε=0時殘余奧氏體數(shù)量為FRA.0=6.4%，在ε=5%應(yīng)變后殘余奧氏體數(shù)量減少到FRA.1=3.3%，而在ε=13%應(yīng)變后殘余奧氏體數(shù)量降低到FRA.2=2.3%，消耗掉近三分之二，如圖7所示[11]。這樣的冷沖壓構(gòu)件，在隨后使用過程中遇到?jīng)_撞時，所余少量殘余奧氏體（FRA.2=2.3%）使其TRIP效應(yīng)和吸收沖擊功能力顯著減弱。

可見，超高強度AHSS鋼板采用傳統(tǒng)冷沖壓成形工藝，不僅在高成本設(shè)備和復(fù)雜工藝條件下面臨構(gòu)件幾何精度、表面質(zhì)量、成形缺陷和成形極限問題，而對于已經(jīng)具有良好塑性的AHSS超高強度鋼板，冷沖壓成形消耗了大部分殘余奧氏體，顯著降低了汽車構(gòu)件在使用過程中吸收沖擊功和抗沖撞能力。

因此，只有采用先進熱沖壓處理AHST工藝制造的超高強塑性鋼構(gòu)件，實際具有其總伸長率TE和殘余奧氏體含量FRA所表征的組織—性能參數(shù)與抗沖撞能力。

圖7 冷沖壓變形對冷軋超高強度鋼板內(nèi)殘余奧氏體數(shù)量百分比FRA(%)的影響[11]

新型冷軋高強塑性鋼的啟示

2016年美國NanoSteel開發(fā)的NXGTM1200級第三代先進高強度鋼AHSS，由AK Steel鋼公司在現(xiàn)有的轉(zhuǎn)爐冶煉—板坯連鑄—熱連軋—冷連軋—連續(xù)退火生產(chǎn)線上試制出冷軋板，其屈服強度YS=378MPa，抗拉強度TS=1188MPa，總伸長率高達TE=54.6%，均勻伸長率UE=51.5%，達到了超級塑性鋼的水平。這批冷軋鋼板已提供給通用汽車公司GM試制汽車構(gòu)件。圖8給出了NXGTM1200鋼冷軋板的力學(xué)性能檢測曲線（左圖）和冷沖壓后的超細納米級混合顯微組織（右圖）[12]。

NanoSteel公司采用低成本的化學(xué)成分設(shè)計與現(xiàn)有工藝流程的設(shè)備，試制出超高塑性的冷軋高強度鋼板。在冷沖壓成形過程中，該鋼以接近Q345級普通低合金鋼的較低屈服強度YS378MPa為起點，通過超細納米級鐵素體晶粒與微米級奧氏體混合顯微組織的應(yīng)變硬化，以及超細納米級硼化物的應(yīng)變誘導(dǎo)析出強化，顯著提高了鋼板的應(yīng)變硬化能力，從而大幅度提高了鋼板的均勻伸長率UE和抗拉強度TS，不僅保證了鋼板良好的冷沖壓成形性，而且為冷成形后的構(gòu)件提供了良好塑性與吸收沖擊功的抗沖撞能力。

根據(jù)NXGTM1200鋼的顯微組織和晶粒尺寸，采用筆者導(dǎo)出的高強度鋼性能預(yù)報本構(gòu)方程，計算了鋼板在冷軋退火狀態(tài)下和冷沖壓后的屈服強度，結(jié)果分別為YS0=390.6MPa和YS1=867.6MPa。前者與NanoSteel公司的實驗室檢測值YS=378MPa的誤差為ΔYS=12.6MPa和ΔYS/YS=3.3%，后者的誤差尚需通用GM公司對冷沖壓構(gòu)件取樣進行力學(xué)性能檢測得出數(shù)據(jù)。對NXGTM1200鋼板拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線進行了數(shù)據(jù)分析，結(jié)果表明，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系符合Hollomon方程的應(yīng)變硬化規(guī)律，該方程描述了金屬材料在塑性變形過程中，真應(yīng)力σ隨真應(yīng)變ε的冪函數(shù)εn增加的應(yīng)變硬化規(guī)律。

對于這種屈服強度較低YS=378MPa、抗拉強度TS=1188MPa和均勻伸長率（UE=51.5%）超高的鋼板，如果繼續(xù)沿用近似的強塑積公式PSE=TS×TE來表征鋼板的強塑性和抗沖撞吸收沖擊功的能力，則存在較大的物理概念和數(shù)值計算誤差。當(dāng)外力超過屈服強度以后，鋼板在均勻塑性應(yīng)變區(qū)內(nèi)的實際變形抗力，并不是變形區(qū)內(nèi)的最大值抗拉強度TS，而是在變形區(qū)內(nèi)隨著應(yīng)變硬化從屈服強度YS逐漸增加到抗拉強度TS的平均值≌(YS+TS)/2。同時，當(dāng)外力超過抗拉強度TS值以后，鋼板出現(xiàn)塑性失穩(wěn)，不需要繼續(xù)加載就會發(fā)生斷裂延伸，此后測得的斷裂伸長率FE（Fracture Elongation）對于鋼板均勻塑性變形所消耗的功沒有任何貢獻，因此塑性位移ds的表征不應(yīng)該是總伸長率、ds≠TE，而是均勻伸長率、ds≌UE。

因此提出了有效強塑積APSE的計算方法。對于NXGTM1200鋼板，在屈服強度YS=378MPa、抗拉強度TS=1188MPa、均勻伸長率UE=51.5%、總伸長率TE=54.6%的情況下，如果按照傳統(tǒng)強塑積PSE計算，PSE=64.8GPa%，而按照有效強塑積APSE定義計算，則APSE=40.3GPa%。

可以看到，有效強塑積APSE=40.3GPa%顯著低于傳統(tǒng)強塑積PSE=64.8GPa%，差值高達24.5GPa%。鋼板傳統(tǒng)強塑積PSE比有效強塑積APSE高估了60%，嚴重偏離實際強塑性數(shù)據(jù)。因此，傳統(tǒng)強塑積PSE公式所采用的抗拉強度TS和總伸長率TE這兩個變量，均顯著超過平均應(yīng)力和均勻伸長率UE的實際貢獻，不適用于屈服強度較低而抗拉強度超高的低屈強比鋼。

美國NXGTM1200超高強塑性鋼的開發(fā)和進展極具競爭力，并對各國先進高強度鋼AHSS和超高強塑性鋼的開發(fā)具有重要啟示，包括強塑化原理與方法、合金化成本、工藝可行性、性能模型與評估方法等。

圖8 NXGTM1200級鋼冷軋板的力學(xué)性能檢測曲線和冷沖壓后的超細混合組織[12]

結(jié)束語

汽車制造業(yè)面對國內(nèi)和全球的能源與環(huán)境壓力，正在加速推進車身輕量化、節(jié)能環(huán)保、抗沖撞安全所需的新技術(shù)與新材料開發(fā)應(yīng)用。

先進高強度鋼AHSS采用冷沖壓成形工藝，不僅在高成本設(shè)備和復(fù)雜工藝條件下面臨構(gòu)件幾何精度、表面質(zhì)量、成形缺陷和成形極限問題，而對于已經(jīng)具有良好塑性的AHSS高強度鋼板，冷成形消耗了相當(dāng)數(shù)量的殘余奧氏體，顯著降低了構(gòu)件成形后在汽車使用過程中吸收沖擊功和抗沖撞的能力。

熱沖壓成形技術(shù)以其高精度一次成形、無任何回彈、無起皺、無裂紋缺陷、低沖壓載荷、小噸位沖壓機（F=800～1200噸）、低沖壓能耗、低模具磨損、可沖制超高強度復(fù)雜形狀構(gòu)件等優(yōu)越性，在世界各國得到迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。

由于熱成形后隨即淬火處理，構(gòu)件鋼板基體組織為馬氏體，其總伸長率TE僅為6%左右，而構(gòu)件的強塑積PSE大都低于10GPa%。從汽車抗沖撞安全角度考核，一旦沖擊力超過屈服強度（YS1150MPa左右），構(gòu)件就會發(fā)生脆性斷裂。因此各國研究開發(fā)了超高強塑性鋼的先進熱沖壓處理AHST技術(shù)。

先進熱沖壓處理AHST技術(shù)與超高強塑性鋼構(gòu)件的研究開發(fā)，在熱沖壓+淬火處理工藝的基礎(chǔ)上，借鑒先進高強度鋼AHSS的強塑化機理和方法，進一步與淬火-碳分配Q-P處理工藝相結(jié)合，在馬氏體鋼基體內(nèi)引入少量殘余奧氏體組織RA，可以使TS1500級超高強度鋼的總伸長率從TE≥5%提高到TE≥15%，有效提高了強塑積與抗沖撞性能。AHST工藝與貝氏體等溫處理AT相結(jié)合，可獲得塑性進一步優(yōu)化（TE≥15～25%）的TS800、TS1000、TS1200級超高強構(gòu)件，顯著提高構(gòu)件吸收沖擊功的抗沖撞能力。

美國NanoSteel公司開發(fā)的NXGTM1200超高強塑性鋼極具競爭力，并對各國先進高強度鋼AHSS和超高強塑性鋼的開發(fā)具有重要啟示，包括強塑化原理與方法、合金化成本、工藝可行性、性能模型與評估方法等。

略。