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1、安徽工业大学研究生考试试卷评 分考试科目：现_代_工_程_材_料阅 卷 人： 方_俊_飞专 业： 研_材_料_1_2学号： 2_0_1_2_0_0_4_9姓名： 季_承_玺注意事项1、考前研究生将上述项目填写清楚2、字迹要清楚，保持卷面清洁3、教师将成绩单送研究生学院归档年月日汽车用高强钢发展综述摘要:综述了目前国外高强钢材汽车钢板的使用现状及全球趋势，探究了国外在 高强钢材的科技水平，并且在此基础上提出了高强钢材的应用前景，为汽车钢板 行业实现可持续发展提供了思路。 关键词:汽车；高强钢；轻量化；种类；发展 1. 高强钢材的优势与普通强度钢材相比，高强度钢材（以下简称高强钢）具有更高的屈服强
2、度和 抗拉强度，因此，采用高强钢构件替代普通强度钢构件可以减小截面尺寸，节约 钢材用量，降低制造、运输、安装费用等。高强钢的应用不仅能体现更高的结构 效率，还可以带来可观的经济效益和社会效益。高强度钢材的优点有很多，研究结果表明，在同样的轴心受压条件下，采用 高强度钢材的钢柱，在整体稳定方面，极限应力4与屈服强度y的比值ufy（即整体稳 定系数），要比普通强度材钢柱高很多。相对于普通钢材，钢结构采用高强度 钢材具有以下优势:能够减小构件尺寸和结构重量，相应地减少焊接工作量和焊 接材料用量，减少各种涂层（防锈、防火等）的用量，使得运输安装更加容易，降 低钢结构的加工制作、运输和安装成本。高强度钢
3、材能够降低钢材用量，从而大 大减少铁矿石资源的消耗；焊接材料和各种涂层（防锈、防火等）用量的减少，也能够大大减少不可再生资源的消耗，同时能够减少因资源开采对环境的破坏。2. 低合金高强度钢生产工艺技术的发展I三1=1自60年代以来，在低合金高强度钢发展的第三阶段中，生产工艺技术有了长 足的进步，这是由三方面因素促成的。（1）对低合金高强度钢性能的要求有了新的认识和提高。对焊接钢材要求不 仅有高的抗裂纹生成能力，还要求有良好的抗裂纹扩展能力，即良好的缺口韧性。 强度越高，要求韧性越好。（2）组织一性能关系的基础研究有了重大的突破。Hal 1和Petch的基础研究首 次向人们展示，晶粒细化可以同时
4、提高屈服强度和冲击韧性。Morrison和Wodhead 等的研究表明，在适当条件下，低合金高强度钢中可以形成一定体积分数的尺寸 为纳米级的碳氮化物粒子，具有非常强烈的沉淀硬化效果，而加入的钒、妮、钦 等元素，以前仅作为细化晶粒元素使用，实际上它们还有析出强化作用。Garland 和Plateau等关于第二相质点对塑性断裂过程影响的理论分析表明，材料的总体塑 性与质点的形状有关，第二相质点的长宽比增加，提高沿夹杂物长度方向的拉伸 塑性，由此产生塑性的各向异性。这种各向异性影响扁平产品的纵向弯曲性能以 及焊接时的层状撕裂。组织和性能关系研究的这些重大成果为开发控制轧制控制 冷却以及夹杂物变形和形
5、态控制工艺奠定了理论基础。3. 汽车轻量化的途径及材料应用趋势3.1 汽车轻量化背景随着我国核电工业、大型化工设备的更新改造以及千吨级以上轧机设备需求 量的持续上升，国对大件特种运输的需求在不断提高2。大件运输指超限、超重 物品的商品运输，超限货物是指装载轮廓尺寸超过车辆限界标准；超重货物是指 车辆总重量超过一定数值。大件运输由于其不可拆解性，超限问题一直以来难以 解决，尤其是超高。模块车在轮式大件特种运输设备中占有相当地位，尽可能降 低模块车自身高度来解决超高成为课题。3.2 汽车轻量化途径目前，全球中型乘用车平均质量约为12001400kg，发达国家力争在2015年 将中型乘用车整车质量减
6、轻到1000kg以下。实现汽车轻量化主要有以下几种途径: 一是采用轻质材料，如使用低密度的铝及铝合金、镁及镁合金、工程塑料或碳纤 维复合材料等；二是使用高强度钢替代普通钢材，降低钢板厚度规格；三是采用 先进的制造工艺，如激光拼焊、液压成形、铝合金低压铸造及半固态成型技术； 四是优化结构设计，即对汽车车身、底盘、发动机等零部件进行结构优化，采用 前轮驱动、高刚性结构和超轻悬架结构等。3.3 汽车材料的应用趋势近年来，轻质材料的应用逐渐增多，汽车饰件业已塑料化；铝、镁合金主要 以铸件或锻件的形式应用于汽车发动机、变速器等零部件上，以及豪华车和特种 车辆的车身制造中。由于成本高、成型工艺复杂及焊接性
7、差等原因，铝、镁合金 在车身制造未大规模应用。高强度钢在抗碰撞性能、加工工艺和成本方面较铝、 镁合金具有明显的优势，能够满足减轻汽车质量和提高碰撞安全性能的双重需 要，从成本与性能角度来看，是满足车身轻量化、提高碰撞安全性的最佳材料。 除了疲劳强度外，高强度钢在应用中的各个性能指标均正比于板厚和相应的材料 性能的n次方的乘积。如压溃强度Ps*tOb2n、撞击吸能AE=t2Ob2n等。因此，高强度 钢板能够大幅度增加零件的抗变形能力，提高能量吸收能力和扩大弹性应变区。 高强度钢应用于汽车零件上，可以通过减薄零件厚度来减轻车身质量；当钢板厚 度分别减少0.05、0.10、0.15mm时车身可减重6
8、%、12%、18%。车身用钢向高强 度化发展已经成为趋势3。4. 高强度钢的强化机理与分类4.1 高强度钢的强化机理高强度钢的强化机制主要有固溶强化、析出强化、组织强化、烘烤硬化、细 晶强化4，见表1。表 1 钢板的强化机理种类适用围/MPa强化的原理特点固溶强化340440a. 利用固溶于Fe中的原 子产生的格子变形的强化机理b. 有Si、Mn、P等置换型a. 加P钢成形性较好，可获得的TS达到440MPa左右b. 位错互相交织，难以形成格子状，静态动态比很大C.若为冷轧系列，可得到较高的 r值析出强化440590使Ti、Nb、V等的碳化 物和氮化物以细小的形 态析出，由于这些析出 物，位错
9、活动受到阻碍， 据此实现强化机理a.常用于490590MPa级的钢 板，虽然焊接性和涂漆性较好， 但YP较高，EI较小，不适合要 求较咼的成形b.若为热轧薄板，由于热轧薄板 的卷曲温度不低，因此可以制 造几毫米厚的高强度钢板组织强化4901180利用将钢从高温的奥氏 体急冷时生成的硬质相 马氏体和贝氏体的强化 机理a.强度咼且比较容易兼顾到成 形性b.根据硬质组织的种类、数量、 形态不同而具有多样性(DP钢、TRIP钢、高扩孔性钢)细晶强化利用晶界阻碍位错进行 的特点，使晶粒细化， 以此增加晶界，加大位 错密度的强化机理改善了脆性，成形性的劣化也 较小，但期望的强度增加值较小,仅为100MPa
10、左右4.2 高强度钢的主要种类根据强度分类，屈服强度在210550MPa和抗拉强度在270700MPa的钢为高 强钢(HSS),而屈服强度大于550MPa和抗拉强度大于700MPa的钢为超高强钢 (UHSS)。如果根据冶金学特征进行分类，分为普通高强度钢(C-M n钢、高强度IF钢、BH钢、IS钢、HSLA钢)和先进高强度钢(DP、CP、TRIP、M、HF)。(1)高强度钢(IF)高强度IF钢属于固溶强化钢，在超低碳、铝镇静钢中添加P、Mn和Si等固溶 强化元素来提高强度，抗 拉强度可达450MPa。高强度IF钢具有良好的机械性能和抗二次加工脆性、化学 处理性和合金化镀锌适应性。广泛应用在车身
11、结构件、开启件上。烘烤硬化钢(BH)BH钢金相组织以铁素体为基体，主要以固溶强化来提高强度。其特点是添 加的磷元素在钢的冶炼过程中可以与碳、氮形成固溶强化。在钢板冲压过程中， 基体(铁素体)“位错”密度增加，碳、氮原子向位错”扩散的距离缩短，当BH钢车 身进入涂装在烘烤炉中受热时，便赋予了固溶体中碳、氮原子扩散的能量，使碳、 氮原子在“位错”处析出，从而提高了工件的屈服强度，故称此类钢为烘烤硬化钢 6。低合金高强度钢(HSLA)在冶炼过程中添加一些微量元素，使钢能析出一些细小的碳化物并使晶粒细 化而提高钢材的强度。双相钢(DP)DP钢的显微组织主要是铁素体和马氏体，马氏体以岛状分布于铁素体基体
12、 中，马氏体的含量在5%20%，钢的强度随马氏体含量的增加不断提高。强度围 一般为500lOOOMPa。DP钢具有屈服强度低、初始加工硬化指数高、高的烘烤 硬化性能、无屈服延伸和室温时效、高的能量吸收能力等特点，较好的实现了强 度和成形性能的匹配。主要用于汽车结构件、安全件和加强件，如车轮、保险杠、 横梁、纵梁、座椅导轨等零件。双相钢是以相变为基础的新型高强度钢，在微观组织上，双相钢是以较软的 铁素体加硬相马氏体所构成。在力学性能上，同时具有高的强度和加工硬化指数、 低屈强比的特点。双相钢由低碳钢或低碳微合金钢经两相区热处理或控轧控冷而 得到，马氏体以岛状分布于铁素体基体中(见图1、图2)，含
13、量在5%-20%之间， 钢的强度随马氏体含量的增加不断提高，强度围为500-1200MPa。DP钢具有较高 的伸长率以及较高的加工硬化率，抗疲劳性能好。目前，DP钢的主要类型有 DP450/DP600/DP780/DP980，主要用于汽车的结构件和安全件，如前纵梁、后纵 梁、中支柱里板、座椅横梁等零件。法国阿塞洛、瑞典SSAB、日本新日铁、神 户制钢等钢厂可以生产多种规格的双相钢。国宝钢、武钢、鞍钢可以提供一些等 级的DP双相钢图 1 DP600 金相组织图 2 DP980 金相组织图 3 TRIP780 金相组织中约 18%残余奥氏体 图 4 TRIP690 金相组织中约 10%残余奥氏体图
14、5 DP钢与TRIP钢成形性对比图6 TRIP钢与其他高强钢极限胀形高度对比相变诱导塑性钢(TRIP)TWIP钢是一种具有高强度、高塑性、高吸收能的钢材，是近几年国外研究 的热点钢种之一。TWIP钢在室温下的显微组织是稳定的残余奥氏体，但是如果 施加一定的外部载荷，由于应变诱导产生机械孪晶，会产生大的无颈缩延伸，显 示非常优异的机械性能，在具有高强度的同时兼有高延伸率和高加工硬化指数。 TWIP钢的强度可以达到800MPa以上，延伸率可以达到60%95%, 30%应变时的 n值可以达到0.558。TRIP钢的显微组织主要铁素体、贝氏体和残余奥氏体，因此也称残余奥氏 体(RA)钢。残余奥氏分布在
15、铁素体和贝氏体的基体中，含量在5%15%，马氏体 和贝氏体等硬相以不同的含量存在。强度围一般为6001000MPa。与DP钢相比， TRIP钢具有更高的延伸率，TRIP钢的初始加工硬化指数虽然小于DP钢，但在很 长应变围仍保持较高的加工硬化指数，因此特别适合用于拉胀成形。TRIP钢也 主要用于汽车结构件、安全件和加强件，如座椅结构、横梁、纵梁、翼子加强件 等零件。相变诱导塑性钢其金相组织为铁素体、贝氏体、残余奥氏体，见图3、图4。 在变形过程中，残余奥氏体会发生诱导相变转化为马氏体，引起相变强化和塑性 增长。这类钢兼顾了较高的抗拉强度和良好的成形性(见图5)，比双相钢成形性 更好，同样具有BH钢性能，拥有更好的扩孔性(见图6)。目前，此类钢板的主 要牌号有TRIP590、TRIP690、TRIP780和TRIP780HR等，在汽车行业尚没有得到 大规模应用。多相钢(CP)多相钢组织与TRIP钢类似，基本上是在Mn-Cr-Si合金成分体系的基础上，依 靠钛、铌、钒元素微合金化产生的晶粒细化效应和析出强化效应，结合适当的卷 取工艺而生产的，主要组织为细小的铁素体和高比例的硬质相(马氏体、贝氏体)， 含有铌、钛等元素。通过马氏体和贝氏体以及析出强化的复合作用，CP钢强度 可达800-1000MPa，具有
