馮 桐,蘇永要,徐照英,陳立偉,王錦標(biāo),楊海峰,劉代軍
(1.重慶文理學(xué)院新材料技術(shù)研究院,重慶402160;2.河北建筑工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,河北張家口075000;3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)材料科學(xué)與工程學(xué)院,山東威海264029)
鋼材具有優(yōu)異的機(jī)械加工特性、經(jīng)濟(jì)性、可再循環(huán)利用等特點(diǎn),是汽車制造的主要材料,占比高達(dá)72%~88%。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì),截止2016底我國(guó)汽車已達(dá)到1.94億輛,國(guó)家信息中心預(yù)測(cè)至2020年我國(guó)汽車保有量將達(dá)2.5億輛。相關(guān)研究表明,汽車整車質(zhì)量每降低10%,燃油利用效率可提高6%~8%[1-2]。國(guó)際鋼鐵協(xié)會(huì)牽頭組織成立了超輕鋼車體計(jì)(ULSAB),基于此計(jì)劃的“先進(jìn)汽車概念”項(xiàng)目使得以高強(qiáng)鋼(HSS)和超高強(qiáng)鋼(UHSS)為主要材料的汽車白車體減重1/4[3-4]。近年來雖然鎂合金和鋁合金對(duì)汽車用鋼板發(fā)起了挑戰(zhàn),但是鋼鐵材料在汽車制造過程中仍占主導(dǎo)地位,所以輕量化、高強(qiáng)度的鋼板依然是各國(guó)汽車鋼板研究的重點(diǎn),白車身(捷達(dá))高強(qiáng)度鋼板應(yīng)用示意如圖1所示。
圖1 白車身(捷達(dá))高強(qiáng)度鋼板應(yīng)用示意
國(guó)際上將抗拉強(qiáng)度270~700MPa的鋼板劃分為高強(qiáng)度鋼,大于700MPa為超高強(qiáng)度鋼。汽車鋼板要求強(qiáng)度高的同時(shí)延伸率好,所以強(qiáng)度與延伸率的乘積(強(qiáng)塑積)成為表征汽車鋼板的重要指標(biāo)。以強(qiáng)塑積將汽車鋼板劃分為三代,IF鋼和TRIP鋼為代表的第一代強(qiáng)塑積一般在10~20GPa·%,以TWIP鋼為代表的第二代強(qiáng)塑積達(dá)到50~80GPa·%,以淬火-配分(Quenching and partitioning,Q&P)工藝為代表的第三代強(qiáng)塑積介于前兩代之間,是目前汽車鋼板研究的熱點(diǎn)[3-9]。
IF鋼(interstitial-free steel)即無(wú)間隙原子鋼,是在煉鋼過程中加入Ti或Nb與鋼中固溶的C和N結(jié)合生成碳氮強(qiáng)氧化物,鋼中C、N元素形成強(qiáng)氧化物被固定,無(wú)間隙原子存在,有利于沖壓過程中晶粒的擇優(yōu)取向,沖壓效果良好。鋼中摻雜元素Ti、Nb等價(jià)格較為昂貴,提高了IF鋼的生產(chǎn)成本,限制了IF鋼的大規(guī)模應(yīng)用[10]。隨著真空脫氣技術(shù)的出現(xiàn),大大降低了Ti、Nb等合金元素的加入量,IF鋼進(jìn)入大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
目前國(guó)內(nèi)普冷汽車板主要由寶鋼、鞍鋼和武鋼生產(chǎn)。寶鋼于1990年試制成功,截止目前可生產(chǎn)從CQ到SEDDQ所有級(jí)別的IF鋼板,冷軋IF鋼抗拉強(qiáng)度330~440MPa,熱鍍鋅鋼板抗拉強(qiáng)度大于等于400MPa。鞍鋼已研發(fā)出340MPa和370MPa摻雜Ti和Nb的IF鋼并規(guī)?;a(chǎn)用于汽車外板和內(nèi)板。國(guó)外在低合金高強(qiáng)度和熱鍍鋅兩個(gè)方向的研究較為深入[11-12],比利時(shí)冶金研究中心和國(guó)際鉛鋅協(xié)會(huì)共同開發(fā)出一種屈服強(qiáng)度在200~400MPa、強(qiáng)塑積10GPa·%的IF鋼,日本將細(xì)晶強(qiáng)化與析出強(qiáng)化相結(jié)合研發(fā)出抗拉強(qiáng)度為440MPa的高強(qiáng)合金化熱鍍鋅鋼SFG44O-GA。
IF鋼由于兼具高強(qiáng)度和深沖性能,可加工成復(fù)雜形狀的零件,已形成用于深沖成型、防腐鍍層和減重高強(qiáng)度3個(gè)系列的鋼板。在汽車的外擋板、車門、車頂、后覆蓋件、前保護(hù)板等部位均有應(yīng)用。IF鋼在汽車制造中的應(yīng)用舉例如表1所示。
表1 IF鋼在汽車中的應(yīng)用舉例[13]
利用合金化或者細(xì)化晶粒等強(qiáng)化機(jī)制相結(jié)合的方法提高鋼板的抗粉化性、成型性、防腐蝕性能來提高IF鋼的性能,與國(guó)外IF鋼相比我國(guó)自行生產(chǎn)的鋼板還存在著缺陷多、性能不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。
雙相鋼(dual-phase,簡(jiǎn)稱DP鋼)又稱復(fù)相鋼,是以鐵素體為基礎(chǔ)組織與奧氏體、馬氏體或貝氏體等組成兩相組織形成的鋼。汽車用DP鋼主要由F(鐵素體)+M(馬氏體)組成,如圖2所示[14]。馬氏體作為硬相起強(qiáng)化作用分布在鐵素體周圍,強(qiáng)度隨著體積分?jǐn)?shù)增加而增大,連續(xù)的鐵素體是延展性的保證。在受外力形變時(shí),鐵素體中強(qiáng)度較低的相發(fā)生塑性變形使延伸率提高,同時(shí)鐵素體的抗拉強(qiáng)度也得到提高,良好的力學(xué)性能使得雙相鋼可廣泛應(yīng)用于復(fù)雜構(gòu)件成型方面[15]。
圖2 寶鋼DP鋼顯微組織
綜合性能良好的熱軋雙相鋼因其生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)工藝較為簡(jiǎn)單適用于大規(guī)模生產(chǎn),但是存在組織控制性差的問題。熱軋雙相鋼向著高強(qiáng)度、高延伸率的方向發(fā)展。以C-Mn-Cr DP鋼為例,通過摻雜0.10%Ti利用分段冷卻工藝制造出抗拉強(qiáng)度達(dá)770~830 MPa鋼板,鋼板中鐵素體以納米級(jí)析出相存在,馬氏體則呈島狀彌散分布,寶鋼部分DP鋼力學(xué)性能參數(shù)如表2所示。
表2 手工鎢極氣體保護(hù)焊焊接規(guī)范
DP鋼系列中屈強(qiáng)比較低的延伸率較好,有利于部件的焊接和沖壓,屈強(qiáng)比較高的適用于高擴(kuò)孔和輥壓成型,焊接性能與彎曲性能也較好。DP鋼主要用于制造強(qiáng)度要求高、碰撞吸收能高、成型性好的零部件。良好的加工性能使雙相鋼取代了厚重的HSLA,用于制造前后縱梁、保險(xiǎn)杠、吸能盒、橫梁、B柱加強(qiáng)板等零件,寶鋼生產(chǎn)的DP鋼在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用實(shí)例如圖3所示。
圖3 轎車門檻加強(qiáng)板與車門防撞梁
20世紀(jì)20年代人們發(fā)現(xiàn)金屬材料在低于屈服強(qiáng)度發(fā)生相變的過程中會(huì)出現(xiàn)軟化并且增長(zhǎng)的現(xiàn)象,即相變誘發(fā)塑性(Transformation Induced Plasticity,TRIP)。TRIP效應(yīng)因具有提高鋼材強(qiáng)度和成形性好的優(yōu)點(diǎn),常被用于設(shè)計(jì)新鋼種,例如第二代中的TIWP鋼和第三代的Q&P鋼等。傳統(tǒng)的TRIP鋼組織為等溫退火獲得的鐵素體、貝氏體和殘余奧氏體,典型TRIP鋼組織如圖4所示[8]。
圖4 上海寶鋼典型TRIP鋼組織
TRIP鋼中的組織一般由50%以上的鐵素體、較多的貝氏體和處于亞穩(wěn)狀態(tài)的殘余奧氏體組成。亞穩(wěn)態(tài)殘余奧氏體雖然含量較低但是對(duì)力學(xué)性能的影響至關(guān)重要,殘余奧氏體的形態(tài)數(shù)量和穩(wěn)定性是TRIP鋼發(fā)生TRIP效應(yīng)的前提。殘余奧氏體的形態(tài)以塊狀和薄膜狀為主[3,16-17],塊狀殘余奧氏體位于鐵素體的晶界處,部分位于晶粒中,薄膜狀殘余奧氏體位于鐵素體與貝氏體晶界之間。溫度、晶粒大小、合金元素、殘余奧氏體周圍組織的強(qiáng)度和自身強(qiáng)度都會(huì)對(duì)殘余奧氏體的穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響,如C、Si、Mn 元素起到穩(wěn)定奧氏體的作用,w(C)影響殘余奧氏體的體積分?jǐn)?shù);較高的溫度使得殘余奧氏體的相變驅(qū)動(dòng)力降低,穩(wěn)定性增加。寶鋼部分TRIP鋼板力學(xué)性能如表3所示。
表3 上海寶鋼普冷和熱鍍鋅TRIP鋼力學(xué)性能
TRIP鋼形變過程中殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體,提高基體強(qiáng)度和塑性變形能力。20世紀(jì)80年代對(duì)于TRIP鋼的研究逐漸增多,德、日兩國(guó)研發(fā)并投入生產(chǎn)了600MPa、800MPa級(jí)的鋼板以及熱度鋅鋼板,韓國(guó)浦項(xiàng)則研發(fā)出1 200MPa級(jí)的鋼板。國(guó)內(nèi)在這方面起步較晚,近年來寶武鋼鐵和鞍山鋼鐵對(duì)于汽車鋼板的研發(fā)較多,但是1 000MPa以上的鋼板目前還不成熟,仍需進(jìn)一步研發(fā)。
TWIP鋼的高強(qiáng)韌性來自形變過程中孿晶的形成,而不是TRIP鋼中的相變,故命名為孿生誘發(fā)塑性(twinning induced p lasticity,TWIP)鋼[18-19]。研究TRIP鋼時(shí)發(fā)現(xiàn),當(dāng)鋼的化學(xué)成分中w(Mn)=25%,w(Al)>3%,w(Si)=2%~3%時(shí),鋼板強(qiáng)塑積達(dá) 50GPa·%以上,約為TRIP鋼的2倍。針對(duì)這一現(xiàn)象的研究表明[20-22],鋼板在形變過程中產(chǎn)生孿晶,孿晶的產(chǎn)生阻礙了位錯(cuò)的移動(dòng),孿晶界聚集大量位錯(cuò),局部硬化能力得到提高。孿生作為塑性變形的一種機(jī)制,其發(fā)生時(shí)變形部分的晶體位向發(fā)生改變,原來處于不利取向的滑移系轉(zhuǎn)變?yōu)橛欣∠?,進(jìn)一步激發(fā)滑移。孿生與滑移交替進(jìn)行,使TWIP鋼的塑性非常優(yōu)異。上海寶鋼生產(chǎn)的HC450/950TW抗拉強(qiáng)度達(dá)到950MPa,斷后伸長(zhǎng)率達(dá)47%,寶鋼生產(chǎn)TWIP鋼組織示意如圖5所示。
圖5 寶鋼TW IP鋼組織
研究表明,成分為Fe-25Mn-3Si-3Al的合金的TWIP效應(yīng)最佳,其優(yōu)異的性能使得TWIP鋼具有巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。理論研究發(fā)現(xiàn)[23],單套孿生系統(tǒng)本身產(chǎn)生的最大變形量為41.4%,延展性和強(qiáng)度同時(shí)得到提高,TWIP鋼以高強(qiáng)度、高塑性和高吸收能等特性成為新一代汽車用鋼的發(fā)展方向,TWIP鋼與傳統(tǒng)沖壓鋼特定吸收能比較如圖6所示。
圖6 TW IP鋼與傳統(tǒng)沖壓鋼特定吸收能比較[22]
第二代TWIP鋼解決了第一代鋁和硅比例過高難以大規(guī)模推廣的問題,但是卻產(chǎn)生了新的問題,如缺口敏感性、延遲斷裂等。為了進(jìn)一步解決上述問題,目前人們?cè)噲D通過置換鋼中固溶原子,調(diào)整成分得到TWIP效應(yīng)。K.H.Spitzer等人[24-25]利用DSC工藝以Fe-Mn-Si-Al系鋼為材料制備10~15mm厚的試驗(yàn)板材;米振莉等人研發(fā)了含P高強(qiáng)TWIP和含Cu、Ni高性能TWIP鋼并通過熱加工等手段使抗拉強(qiáng)度達(dá)到645MPa,延伸率超過59%;代永娟等人研究了低Si低Al的TWIP鋼,抗拉強(qiáng)度為1 140MPa,延伸率為57.3%。TWIP鋼在汽車B柱內(nèi)板與A柱內(nèi)板的應(yīng)用如圖7所示。
圖7 汽車B柱內(nèi)板與A柱內(nèi)板
不同合金元素的加入影響了其焊接性,目前對(duì)于TWIP鋼的形變硬化機(jī)理尚未研究透徹,沒有系統(tǒng)地建立強(qiáng)塑性與成分之間的關(guān)系,進(jìn)一步研究孿生機(jī)制對(duì)于探究形變硬化機(jī)理具有重要意義。
近年來以 Q&P(Quenching and partitioning)工藝為代表的第三代汽車鋼板正成為研究熱點(diǎn),其典型工藝曲線如圖8所示。通過升高溫度至完全奧氏體化后再淬火至Ms與Mf之間某一溫度QT,然后升溫至Ms以上或Mf與Ms之間的某一溫度保溫一段時(shí)間使C由馬氏體向奧氏體擴(kuò)散,形成富碳?xì)堄鄪W氏體,降低馬氏體轉(zhuǎn)變溫度使其能最大量得以保留[26]。
我國(guó)寶武鋼鐵以0.2C-1.5Si-1.8Mn系TRIP780鋼為基體,利用淬火-配分工藝成功生產(chǎn)出Q&P1000鋼,其強(qiáng)塑積達(dá)到20 GPa·%以上并應(yīng)用于國(guó)內(nèi)轎車B柱沖壓成型中。科羅拉多礦業(yè)大學(xué)與浦項(xiàng)公司合作研究了不同C、Mn含量對(duì)鋼組織與性能的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),完全奧氏體化后的0.2C-3Mn-1.6Si及0.3C-3Mn-1.6Si系鋼展示出較佳的強(qiáng)韌性組合。莊寶潼[27]等人研究發(fā)現(xiàn),馬氏體的回火程度和奧氏體剩余量是影響強(qiáng)塑性的重要因素,馬氏體發(fā)生明顯回火前其塑性主要影響因素是奧氏體,隨著配分時(shí)間的增大,回火作用影響更為明顯。徐祖耀[28-29]在Q&P工藝基礎(chǔ)上引入碳化物強(qiáng)化機(jī)制,提出Q-P-T工藝即淬火-分配-回火(沉淀)工藝。研究發(fā)現(xiàn),成分為 w(C)=0.5%,w(Si)=1.0%~1.5%,w(Mn)=1.0%~1.5%或 w(Ni)=1.0%~1.5%,w(Nb)=0.02%和 w(Mo)=0.2%時(shí)經(jīng)Q-P-T處理后的強(qiáng)塑性優(yōu)于Q-P工藝,為Q&P的發(fā)展提出新的構(gòu)思。部分淬火-配分鋼的概況如表4所示[30-31]。
圖8 典型的Q&P(淬火-配分)工藝[24]
表4 部分淬火-配分鋼概況[30]
目前對(duì)于Q&P工藝的研究主要是組織組成和工藝對(duì)力學(xué)性能的影響,對(duì)于配分過程中w(C)變化機(jī)理研究得不夠深入。在研究Q&P工藝時(shí),絕大部分學(xué)者采用完全奧氏體化的方法,部分學(xué)者采用在兩相區(qū)加熱獲得一定量的鐵素體和奧氏體再進(jìn)行配分工藝處理的方法。
TG鋼也是以亞穩(wěn)態(tài)奧氏體作為復(fù)相組織,基體組織的強(qiáng)硬相和具有TRIP效應(yīng)的奧氏體提高了鋼板強(qiáng)塑性。即使Q&P鋼和TG鋼有著相同的材料學(xué)本質(zhì),但二者的熱處理工藝設(shè)計(jì)思路完全不同,典型TG鋼熱處理工藝曲線如圖9所示[1]。TG鋼和Q&P鋼的區(qū)別是亞穩(wěn)態(tài)奧氏體的由來,TG鋼完全淬火后鋼中基本沒有奧氏體,通過在臨界區(qū)間退火產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)奧氏體,而Q&P鋼則是淬火后還剩余部分奧氏體??刂艭的配分對(duì)于兩種工藝都非常重要,但是在TG鋼中對(duì)于Mn元素的配分和溫度控制同樣非常重要,其中溫度更敏感更難以控制[2]。
TG鋼通過退火使得奧氏體分布于馬氏體的板條界面上,而奧氏體的出現(xiàn)細(xì)化了馬氏體晶粒,這符合近年來我國(guó)對(duì)于高強(qiáng)度鋼的設(shè)計(jì)研發(fā)思路:多相、亞穩(wěn)、多尺度(Multiphase、Metastable、Multiscale)即“M3”調(diào)控發(fā)展[1]。工藝和成分的不同使Q&P鋼的抗拉強(qiáng)度較高而延伸率和強(qiáng)塑積小于TG鋼,TG鋼較高的延伸率使得其強(qiáng)塑積達(dá)30GPa·%以上。典型Q&P鋼與TG鋼力學(xué)性能對(duì)比如表5所示。
圖9 典型TG鋼熱處理工藝曲線[1]
汽車鋼板已經(jīng)發(fā)展到第三代,基于原合金成分結(jié)合新的熱處理工藝和改進(jìn)相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備可以生產(chǎn)出新一代高強(qiáng)度汽車用鋼,研發(fā)生產(chǎn)成本較為經(jīng)濟(jì)。汽車用鋼高強(qiáng)度、高延展性的特點(diǎn)使得其理想組織應(yīng)為馬氏體與奧氏體的復(fù)相組織,并以“亞穩(wěn)、多相、多尺度”為組織調(diào)控目標(biāo),生產(chǎn)強(qiáng)塑積更高的汽車鋼板的同時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)過程中精確控制合金元素含量、保溫時(shí)間和溫度提出更高的要求;我國(guó)鋼鐵行業(yè)應(yīng)及時(shí)有效地捕捉先進(jìn)高強(qiáng)度汽車鋼板的發(fā)展前沿,研發(fā)新的產(chǎn)品與技術(shù),使得我國(guó)汽車用鋼早日步入世界先進(jìn)水平行列。
表5 典型Q&P鋼與TG鋼力學(xué)性能對(duì)比[1]
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