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1、1 第三代汽车钢的组织第三代汽车钢的组织与性能与性能调控技术调控技术 董 瀚 曹文全 时捷 王存宇 王毛球 翁宇庆 中国钢研科技集团公司 钢铁研究总院 先进钢铁材料技术国家工程研究中心 北京 100081 摘摘 要要 本文介绍了第三代汽车钢的基础研究与工业试制工作 对国内外高性能汽车钢 的进行了回顾总结 在以 多相 Multi phase 亚稳 Meta stable 多尺度 Multi scale 简称 M3 为特征的组织调控理论的指导下 提出了高强塑积第三代汽车钢的超细晶 基体与亚稳相的组织调控思路 采用了新型中锰合金化和逆转变奥氏体 austenite reverted transfor
2、mation ART 退火的技术思路 详细介绍了第三代汽车钢的基础研究进 展及工业试制结果 内容包括奥氏体逆转变退火机理 超细铁素体与亚稳奥氏体的双相 形成规律 高强塑积汽车钢的力学行为及其强塑化机理 第三代汽车钢的工业试制流程 及其服役性能和在汽车的应用技术与前景 本文介绍的研究结果形成了以高强度和高塑 性为特征的高塑积第三代汽车钢的原型钢技术 为汽车轻量化与碰撞安全性能的提高奠 定了材料技术基础 关键词关键词 第三代汽车钢 M3组织调控 逆转变退火 超细晶组织 高强塑积 On the Microstructure and Performence Control Technology of
3、the 3rd Generation Auto Sheet Steels DONG Han CAO Wenquan SHI Jie WANG Maoqiu WENG Yuqing National Engineering Research Center of Advanced Steel Technology Central Iron Steel Research Institute Beijing 100081 Abstract The fundamental research and industry trials of the 3rd generation automobile stee
4、ls was introduced in this paper Motivitated by the theory of microstructure control characterized by Multi phase Meta stable and Multi scale called M3 simply summary and review of the home and abroad automobile steels were carried out which led to the idea microstructure controlling characterized by
5、 ultrafine grained matrix and metastable austenite phase and the approaches of medium manganese alloying and austenite reverted transformation annealing for the research and development of the 3rd generation automobile steel The fundamental research and industry trials were introduced in details whi
6、ch included 2 the mechanism of austenite reverted transformation microstructure evolution of the ultrafine grained ferrite and austenite dualphase structure mechanical behaviors and ductility enhancing mechanism industry trial process service performance and application technologies and prospects of
7、 the 3rd generation steels It was concluded that this study forms the prototype technologies of the third generation automotive sheet steel which provides the theorical and technological basement for the weightlightening and safety improvement of the automotive steels in materials aspect Key words t
8、hird generation automobile steels M3 typed microstructure control ART annealing high product of strength to ductility 1 1 高强度汽车钢需要 高强度汽车钢需要改善塑性改善塑性 汽车的发展方向是轻量化 降低燃油消耗 减少排放和提高安全性 1 6 从而对 占汽车质量 70 左右的汽车钢也提出了更高的要求 带动了汽车钢的发展 有研究报道 汽车钢 本文汽车钢特指汽车薄板钢 的平均屈服强度经过仅仅 10 年的发展 从 1994 年的约 170MPa 已经增加到 2005 年的约 300
9、MPa 而且未来会向更高强度的方向发展 7 可以说 目前汽车上大量应用的一些汽车钢在 10 年前还没有出现 由于汽车钢的生产 和应用数量较大 汽车钢的技术发展日新月异 所以汽车钢的数量和技术水平从一定程 度上代表了一个国家的钢铁工业发展水平 表 1 给出了北美学者的一个研究报告 该报告认为 20 世纪 80 年代汽车厂家主要 考虑汽车钢的成本 成形性能和耐腐蚀性能 这对应着当时的 IF 钢和镀锌钢板 90 年 代主要考虑汽车钢的成本和碰撞安全性 当时汽车钢的代表主要是 HSLA 钢 C Mn 钢 和 BH 钢 21 世纪初的前 10 年主要考虑汽车钢的成本 节能和碰撞安全性 这时的汽 车钢代表
10、为 DP 钢 TRIP 钢和热成形钢 而未来的 10 年人们将主要考虑如何提高汽车 钢的碰撞安全性 节能效果与成本 人们预计未来的汽车钢将是同时具有高强度和高塑 性的新一代汽车钢 8 表 1 汽车主要设计目标 关键性能特点与研发的相应汽车钢类别 Table1 The key design key properties and corresponding steels used in automobiles 年代年代 主要设计目标主要设计目标 关键性能特点关键性能特点 对应研发钢类别对应研发钢类别 1980 造价 成型 耐蚀 刚度 IF 钢 镀锌板 3 1990 造价 碰撞性能 刚度 低合金高强
11、度钢 C Mn 钢 BH 钢 2000 造价 节能 碰撞性能 防碰撞 双相钢 TRIP 钢 热成形钢 2020 碰撞性能 防碰撞 第三代先进高强钢 TWIP 钢等 减重 节能 减排可以通过提高汽车材料的强度或降低材料的密度来实现 提高安 全性主要通过车身本身的合理设计及选择具有高撞击能量吸收能力的材料 即高强高塑 材料 1 塑性的高低也是钢的成形能力的一个重要指标 良好成形能力可以用来制备 较为复杂的汽车零件 另外汽车钢生产成本也是一个重要应用因素 未来汽车钢的发展 应该向高强度 高塑性 低成本和易加工成形等方向发展 针对汽车的轻量化和高安全 性能的要求 可以设想未来的汽车用钢铁材料不是一味的
12、追求强度而忽略塑性 也不是 一味的追求塑性而降低强度 而应该是一个具有强度和塑性良好结合的一个新一代钢铁 材料 这要求新型汽车用钢不但可以通过高强化来达到汽车的轻量化 而且需要较高的 塑性来提高钢的成形能力和汽车的碰撞安全性能 为了直观而准确地描述这种高强高塑 性钢材 美国学者Krupitzer和Heimbuch率先提出了具有高强塑积性能 即抗拉强度 Rm 与塑性 A 的乘积 的第三代汽车钢的概念 作为未来新型汽车钢的研发方向 7 强塑 积作为汽车用钢的一个综合性能指标 它直观地表达了汽车用钢成形能力和碰撞中吸收 形变能大小的一个参数 因而越来越受到材料研究人员和汽车设计人员的重视 由于汽 车
13、用钢量大而且质量较高 高性能汽车用钢的发展水平也代表了一个国家整个钢铁研究 和生产水平的重要标志 因而目前世界范围内掀起了对具有高强塑积的第三代汽车钢的 研发热潮 需要强调的是第三代汽车钢不是单纯的追求钢的强度 而是钢的强塑积 即 较高的塑性和较高强度相结合的综合力学性能 近 20 30 年 汽车用钢的得到了发展迅速 7 10 比如上世纪九十年代的低强高塑 的无间隙原子钢 Interstitial Free steel IF 和烘烤硬化钢 Bake hardening steel BH 到今天 更高强度的双相钢 Dualphase steel DP 相变诱导塑性钢 Phase transfor
14、mation induced plasticity TRIP 和热成形马氏体钢 现在世界各国又在研发具有孪生诱导塑性 Twinning induced plasticity TWIP 的超高塑性的奥氏体钢和 TWIP 高强钢 根据国际上对超轻钢汽 车用钢的研究 将抗拉强度 Rm 小于 270MPa 的钢板称为低强度钢板 抗拉强度在 270 700MPa 的为高强度钢 而抗拉强度在 700MPa 以上的为超高强度汽车钢板 图 2 示出了各种钢的应力应变曲线及其抗拉强度与伸长率 A 之间的关系 根据强塑积 RmxA 的大小 人们将强塑积为 10 20GPa 的 IF 钢 DP 钢 TRIP 钢和马
15、氏体钢等 4 汽车用钢称为第一代汽车用钢 而将强塑积为 50 70GPa 的奥氏体钢和 TWIP 钢称为第 二代汽车用钢 美国学者在第一代汽车用钢和第二代汽车用钢之间 性能与成本 提出 了第三代汽车用钢的概念 即性能和成本均介于二者之间的新型汽车用钢 7 通过图 1 可以看出 第一代汽车用钢的抗拉强度可以从 IF 钢的 300MPa 提高到马氏体钢的 2000MPa 甚至更高 但是它们的塑性基本上随抗拉强度的提高而降低 具体来讲抗拉 强度为 300MPa 的 IF 钢 它的延伸率可以达到 45 左右 而 2000MPa 的马氏体钢的延伸 率则低于 10 可以说具有较低强塑积的第一代汽车钢已经不
16、能满足汽车工业未来发展 对轻量化和高安全的双重要求 对于第二代汽车用钢 它的抗拉强度在 800 1000MPa 的水平上 其塑性可以达到 50 90 的优良塑性性能 由此可见 第二代汽车用钢的强 塑积远远高于第一代汽车用钢 表明第二代汽车用钢具有非常高的碰撞吸能能力与良好 的成型能力 但是相比于合金含量小于 5 的第一代汽车用钢 第二代汽车用钢添加了 大量的 Cr Ni Mn Si 和 Al 等合金元素 其总合金含量高达 25 以上 导致其成本 较高 工艺性能较差及冶金生产困难较大 为了适应节约资源 降低成本 汽车轻量化 和提高安全性的要求 迫切需要研发具有成本接近第一代汽车用钢而性能接近第二代汽 车用钢的低成本高强高塑第三代汽车用钢 可以说低成本和高强塑是对未来汽车用钢发 展的一个基本定位 0 00 20 40 6 0 500 1000 1500 2000 2500 TRIP600 钢 IF钢 双相不锈钢 TWIP钢 Q P钢 马氏体钢 工 程应力 MPa 工 程应变 a 图 1 各种汽车用钢的力学性能总结 a 第一代 第二代及处于研发阶段的新型第三代钢 铁结构材料的应力应变曲线比较
