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1、东北大学博士学位论文第一章绪论 第一章绪论 为了实现汽车轻量化、降低油耗和改善整车安全性等目标，近年来新钢种的研发计 划主要集中在开发具有良好综合性能的先进高强度钢( A d v a n c e dH i g hS t r e n g t hS t e e l ， A H S S ) 。A H S S 钢的种类有很多，如铁素体马氏体双相( F e r r i t e M a r t e n s i t eD u a lP h a s e ， 哪) 钢、铁素体贝氏体双相( F e r r i t e B a i n i t eD u a lP h a s e ，F B D P ) 钢、相变诱导塑
2、性 ( T r a n s f o r m a t i o n I n d u c e d P l a s t i c i t y ，T R I P ) 钢、孪晶诱导塑性( T w i n n i n g I n d u c e d P l a s t i c i t y ， T W I P ) 钢、复相( C o m p l e x P h a s e ，C P ) 钢、马氏体( M a r t e n s i t e ，M ) 钢、淬火配分( Q u e n c h i n g a n dP a r t i t i o n i n g ，Q & P ) 钢和热成形( H o tF o r
3、m e d ，H F ) 钢等1 1 卅。A H S S 钢的强化方式 除了固溶、晶粒细化、析出等强化方式外，还有相变强化，这是普通高强钢所没有的， 是A H S S 钢的主要强化方式。与普通高强钢相比，A H S S 钢成形性好，能量吸收率高、 防撞凹性能好，烘烤硬化性能、屈服强度、加工硬化率高以及疲劳性能良好等优点，在 汽车行业显示了良好的应用前景。 图1 1 汽车部件用先进高强度钢 F i g 1 1T h ea p p l i c a t i o no f a d v a n c e dh i g hs 仃e n s t hs t e e l sf o ra u t o m o b i
4、 l ep a r t s 双相钢具有优异的综合性能，如低的屈强比，高的形变硬化率，保证冷成形后具有 较高的强度，不出现明显的屈服点，具有高均匀应变量和断裂应变量等优点，在汽车工 业和其它方面有着广泛的应用【删。U L S A B A V C 车身中用到的零件及使用先进高强度 钢板的情况如图1 1 所示【9 】。可以看出，在开发的A H S S 钢板系列化产品中，高强度双 相钢在汽车结构件中应用最广，主要应用于汽车辅助构件、车身结构件、封闭件、底盘 东北大学博士学位论文 第一章绪论 和车轮等，以适应汽车减重、节能和提高安全性的目标。 1 1 铁素体马氏体双相( F M D P ) 钢的发展 1
5、 1 1F M D P 钢的简介 F M D P 钢是指低碳钢或低碳合金钢经过临界区热处理或控制轧制工艺而得到的主 要由铁素体( F ) 和少量马氏体( M ) 组成的高强度钢。图1 2 显示了F M D P 钢的显微 组织结构【1 0 1 。 一F e r r i 协 - - - - - - M a r t e n s i t e 图1 2 双相钢的显微组织结构 F i g 1 2M i c r o s t r u c t u r a ls 仃u c n l r eo fd u a lp h a s es t e e l s 一般来讲，普通高强钢的主要性能指标强度和延性相互矛盾，强度的提高往
6、往伴随 着韧性和延性的下降，反之亦然。解决这一矛盾的重要方法就是用复合材料概念进行合 余设计，其基本原理就是利用复合物使各相的优点尽可能得到发挥，同时使它们的缺点 因其它相的存在而减少或消除。F M D P 钢就是在这种原理指导下进行合金设计的一个范 例，将强韧的马氏体引入高延性的铁素体中，马氏体赋予钢以强度，铁素体赋予钢以延 性。 1 1 2F M D P 钢的产生及其发展历程 F M D P 钢的第一个专利是1 9 6 8 年在美国提出的。1 9 7 5 年，R 本学者H a y a m i 和 F u r u k a w a 等I 】对这类钢的显微组织、化学成分、力学性能和加工成形性做了
7、完整的描 述，同年R 、美等国家先后研制和生产了用于汽车工业的F M D P 钢。由于受到连续退火 设备的限制，美国早期多采用“临界区退火后空冷”的方法获得F M D P 钢，其中最具代 东北大学博士学位论文第一章绪论 表性的有含V 的F M D P 钢，如V A N Q N 5 0 ，V A N Q N 8 0 和V A N Q N l 0 0 等【l l 】。1 9 7 8 年， C o l d r e n 和T i t h e r 等】通过控制终轧温度和冷却速度获得了轧制双相钢( A R D P ) ，其典 型化学成分( 质量分数，) 为：0 0 7 C 0 9 0 S i 一1 2 0
8、 M n 一0 0 6 C r - 0 0 4 M o 。目前，美国G M 和F o r d 等汽车公司采用双相钢制造轮辐，除质量减轻1 1 外，疲劳寿命也达到普碳钢 的两倍【1 2 l 。 日本对F M D P 钢的研究和应用进行了大量工作【1 3 6 1 ，其生产和应用上一直处于世 界领先地位。由于日本有先进的连续退火生产线，多以热处理双相钢生产为主，采用 C M n 或c S i M n 系，在成本上非常具有优势。随后在日本也开展了热轧F M D P 钢的研 究，主要以低温卷取为主，大大减少了C r 、M o 、V 等合金元素的添加量，用其制造的 车轮成形性好，构件的疲劳寿命也大幅提高。
9、代表有川崎制铁研发的H H L Y ，日本钢管 开发的N K H A ，新同铁的S A F H 、E G S A F H ，以及住友金属的S H X D 热轧F M D P 钢。 欧洲主要以热轧F M D P 钢为主，代表有意大利特柯赛德公司的M n S i C r - M o 系、M n V 系，法国尤西诺公司的U s i l i g h t 8 0 掣1 7 1 。 鸯一， 目前，国外生产的热轧和冷轧F M D P 钢的强度级别分别达到了5 0 0 - 8 0 0 M P a 和 4 0 0 - 9 8 0 M P a 。但9 8 0 M P a 级的冷轧F M D P 钢伸长率很小，仅1
10、 3 左右，解决高强F M D P 钢的塑性问题正在进一步研究。 ? 、 我国自7 0 年代开始F M D P 钢的研究，已在双相钢板材和棒材方面取得了一定成果， 主要是用于汽车工业的热轧和热处理F M D P 钢板。鞍钢主要进行了4 个方面研究【1 9 ，2 0 】： ( 1 ) 热轧F M D P 钢板( M n V 和M n M o V 系) ，热轧后直接卷取获得双相组织， R c L = 4 7 0 M P a ，R m = 5 9 0 M P a ；( 2 ) 热处理F M D P 钢板( M n M o 和M n V - N 系) ，将热轧 板材重新加热至双相区后冷却获得双相组织；
11、( 3 ) 连续退火冷轧F M D P 钢板，如S X 6 5 ； ( 4 ) 周期退火F M D P 钢板，主要是M n 系，R e L = 2 2 5 M P a ，R m = 5 6 0 M P a 。 宝钢在1 9 9 2 年采用2 0 5 0 热连轧机试制了一炉F M D P 钢，用于北京吉普车车轮的生 产。目前，宝钢已成功开发了5 0 0 M P a 、5 9 0 M P a 和7 8 0 M P a 级别的冷轧和热轧镀锌F M D P 钢，该钢种在低变形区屈服强度提高快，无屈服延伸和室温时效，弯曲性能优良，冲制 成形时不易开裂2 0 , 2 1 】。 武钢“七五”期间开发的R S
12、 5 5 型F M D P 钢，强度、塑性和屈强比与同本同类钢基 本相当，在第一汽车集团公司C A l 4 1 型汽车上使用，用于制作纵梁、横梁和车辐，冲 压性能良好【2 2 1 。该公司还开发了S 0 7 M n 冷轧F M D P 钢，用于北京吉普车作冲压件原材 料，试验结果比较理想【2 3 1 。 东北大学博士学位论文第一章绪论 1 1 3F M D P 钢的组织与性能 1 1 3 1 组织特征 F M D P 钢的组织是在铁素体基体上弥散分布着少量马氏体( 体积分数约为 1 0 2 0 ) 。强化相马氏体具有高强度，以保证钢材能够承受外加载荷，软化相铁素体具 有高塑性和韧性，赋予钢材高
13、的形变能力以及良好的成形性能。为了获得强塑性配合优 异的F M D P 钢，需要对铁素体和马氏体相加以改善，比如以晶粒细小的、具有高密度位 错且净化C 、N 的等轴状高塑性和高韧性的铁素体相作为基体，而以低碳位错马氏体作 为第二相，它呈孤岛状分布于基体上，其中位错具有可动性。铁素体和马氏体之间不存 在第二相粒子的偏聚，铁素体相可将载荷作用传递给马氏体相【2 4 2 5 1 。 1 1 3 2 性能特征 F M D P 钢的显微组织具有细晶强化、晶界强化、相变强化、亚结构强化等强韧化方 式，具有优良的力学性能，主要表现在： ( 1 ) 良好的强度塑性匹配。F M D P 钢、低碳钢及H S L
14、A 钢的工程应力应变曲线的 对比见图1 3 【2 6 1 。由图可以看出，在相同的强度级别下，F M D P 钢具有低的屈强比、较 高的均匀延伸率和总延伸率。有必要指出，F M D P 钢在拉伸时具有连续的应力应变曲 线，即不存在屈服点伸长。 墨 - R 毯 皑 H 工程应变 图1 3F M D P 和H S L A 钢的工程应力应变曲线对比 F i g 1 3T h ec o m p a r i s o no fe n g i n e e r i n gs t r e s s - s t r a i nc u r v e sa m o n gF M D P , H S L Aa n d l
15、o wc a r b o ns t e e l s ( 2 ) 初始力n - r _ 硬化速率高。图1 4 为F M D P 与H S L A 钢的瞬时n 值【2 3 】( 图中钢种 的力学性能如表1 1 ) 。图1 4 表明在低应变区域，F M D P 钢的加工硬化比H S L A 钢高。 东北大学博士学位论文第一章绪论 这种早期的加工硬化行为，已经证实能够提高材料在成形过程中的应变分配的均匀性， 有利于防止早期鼓起和褶皱的发生。 ：! ， 酸， 图1 4F M D P 和H S L A 钢的瞬时n 值对比 F i g 1 4T h ec o m p a r i s o no fi n s
16、t a n t a n e o u snv a l u eb e t w e e nF M D Pa n dH S L A s t e e l s 表1 1H S L A 和F M D P 钢的化学成分及力学性能 T a b l e1 1T h ec o m p o s i t i o na n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fF M D Pa n dH S L As t e e l s 、_ 群 叟 ， 喇 磬 刨 魈 警 嗵 图1 5F M D P 和H S L A 钢的烘烤硬化能力对比 F i g 1 5T h ec o m p a r i s o no f b a k e - h a r d e n i n gv a l u eb e t w e e nF M D P a n dH S L As t e e l s ( 3 ) 良好的烘烤硬化性
