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04492749X(20050620001205
TechnologyandResearchandDevelopmentofAdvanced
AutomobileSteelAbroad
TANGDi, MIZhen2li, CHENYu2lai
(NationalEngineeringResearchCenterforAdvancedRollingTechnology,USTB,Beijing100083,ChinaAbstract:
Inordertomeettheneedsfornewgenerationautomobileindustryinthefutureofnewsteelarede2velopingintheword,theyareAHSS,HSS,DPsteel,TRIPsteel,steelsteelsareintro2duced,theircomposition,structure,processing,propertygivenKeywords:
automobilesteel;
highstrength;
high作者简介:
唐 荻(19552,男,博士,教授;
E2mail:
tangdi@nercar.ustb.edu.cn;
修订日期:
2005202205
1 2070年代石油危
机以后,一直致力于减低汽车的能源消耗,并且已经取得了很大的成绩,进入20世纪90年代后,针对世界能源供应日益紧张和不确定性因素增加的形势,又推出了PNGV计划,旨在进一步减少汽车能耗。
PNGV是新一代汽车伙伴计划(partnershipforanewgenerationofvehicles,1993年,由美国总统克林顿提出,由政府和企业联手进行创新性的技术开发。
为此联邦政府每年拨款3亿美元,美国三大汽车公司每年投入10亿美元进行新一代汽车和相关技术的研究与创新。
参加该项目的联邦政府部门有:
美国商业部、国防部、能源部、运输部、环保署、航天局、自然科学基金委员会和副总统办公室。
美国三大汽车集团牵头组成“美国汽车研究理事会”(USCAR,并且通过该组织对整个项目的实施进行组织与协调。
美国47个州的21个联邦实验室和51所大学的研究人员完成了1200多个PNGV研究项目,PNGV计划已使美国全国形成了一个汽车技术创
新的国家行动,不论在研究项目的广泛性、涉及研究
、对工业部门和人民生活的影响程度等方面,该计划都是空前的,美国前总统克林顿曾说:
“只有阿波罗登月计划可以与之相比”。
PNGV计划提出的3个战略目标:
(1显著改善和增强美国制造业的竞争力;
(2尽快将具有商业可行性的技术创新成果应用于汽车生产当中;
(3开发出具有3倍于现行车燃料效率的新一代汽车。
即燃料效率为1994年可比标准轿车的3倍,该车的平均每百公里油耗由9L降至3L。
美国三大汽车公司已经通过实施PNGV计划开发出概念车,其达到了平均每百公里油耗由9L降至3L的主要目标,但是车体材料主要是铝合金和镁合金。
在美国PNGV计划的刺激下,德国和日本也都进行了类似的研究,并且也都达到了平均每百公里油耗由9L降至3L的目标,车身材料也主要采用铝合金和镁合金。
在汽车用材料的减重方面,虽然PNGV计划达到了减重40%的目标,但是由于广泛采用铝合金和镁合金引起了汽车的成本增加,所以在该计划取得成功以后,目前的前进步伐已经减缓,主要是考虑成本、环保要求和节能的价值。
钢 铁第40卷
2 轻钢车体计划(ULSAB及其成果
长期以来,钢铁材料一直是汽车工业的主要用材,尽管近年来随着车重的下降,钢铁材料的比例在下降,但是仍保持着主导的地位。
PNGV的研究结果对钢铁行业有极大的震动,铝、镁和塑料汽车的出现对钢铁工业的威胁是显而易见的,为此全世界18个国家的35个钢铁公司合作进行超轻钢车体(ULSAB的研究项目,以迎接铝和镁的挑战。
超轻钢车体计划(ultralightsteelautobody是一个国际合作计划,其始于1994年9月国际钢铁协会的倡议,该研究计划是一次全球钢铁工业强国和大钢铁公司的空前大协作,以便与日益发展的汽车用铝合金相抗衡,保住在汽车制造业中钢铁材料的地位。
该计划提出:
开发新型轻型钢车体,该型车比现有的车型更安全、更节能、更有利于环境保护、售价不增加。
基本目标是:
在不增加成本的前提下,车车身强度有大幅度提高,静态增52%,%,车重减轻25%,,汽车,它是用不同规格和等级的钢材通过激光焊接来完成部件的制造,有些部位采用液压成形管件,也不再加补强部件,这样大幅减少制造成本,给汽车制造业带来革命性的改变。
其中材料的开发与优化包括:
新型高强度高成形性钢的开发与使用的优化,形成了以高强钢、超高强钢、双相钢和TRIP钢为主的新型汽车用钢系列;
以激光拼焊板、液压成形管件和夹层板为特色的新型钢材系列。
其特点主要是大量使用高强钢(HSS、超高强钢(UHSS、AHSS,而不再使用或极少使用传统的低碳软钢,比如,普通的铝镇静钢、IF钢等;
大量使用液压成形的管件(Tubular作为结构件,而减少使用冲压件(Stamping;
大量使用激光拼焊的钢板(TWB,减少使用单块钢板冲压。
图1和图2表示了以2000年的轿车作为参考车型和超轻钢车体计划及先进概念车用材的比较。
3 超轻型汽车用钢的开发与研究
3.1 汽车车身用钢的发展概况
汽车用钢的发展实际上和汽车技术的发展,
人
图1 超轻钢车体计划和参考车型所用材料的比较Fig.1 Comparisonofmaterialsforbody
structure
图2 超轻钢车体计划和参考
车型所用材料加工方式比较
Fig.2 Comparisonofmaterialprocessing
forbodystructure
们对汽车的安全、节能、环保和美观的要求,同时也与钢铁工业本身的技术进步紧密相连。
20世纪50—60年代,开发和使用沸腾钢,与国外的技术发展相适应,国内开发了08F系列钢种;
20世纪60—70年代,国外为满足汽车深冲的需要,开发了铝镇静钢,使钢板的深冲性有很大的提高,可以满足对汽车更多审美的要求,为此国内也发展了08Al系列的深冲钢;
20世纪80年代末—90年代初,由于冶金技术的进步,使冶炼超低碳和超低氮钢成为可能,所以汽车用钢研究大量集中在IF钢的开发和使用上,为取得更好的深冲性,碳、氮质量分数降低到01005%以下,该钢开拓了洁净钢的先河,使人们对钢铁产品的成分控制有了更新的深刻认识,汽车工业也从中受益非浅,可以使用极其优良成形性的钢
・2・
第6期唐 荻等:
板完成复杂零件的成形;
20世纪90年代以后,由于对于节能与环保的要求日益苛刻,主要是开发和使用高强度钢板。
低碳与超低碳的含P钢板、BH钢板、含Cu钢板,通过使用高强钢板,降低车体质量,减少能源消耗;
进入21世纪,由于环境、能源、安全的要求更高,钢铁行业又面临着铝、镁等材料的激烈竞争,所有的研究和开发工作集中在开发新型的超高强度钢,为超轻钢车体计划配套的新型钢板,如双相钢、TRIP钢、TWIP钢、含B超高强钢等。
3.2 超轻钢车体计划的用钢种类
现代汽车用钢按性能分有:
深冲钢、烘烤硬化钢、低合金高强度钢(HSLA、高强度钢、超高强度钢等;
按加工方法分有:
沸腾钢、铝镇静钢、镀锌钢板等;
按组织结构和成分分有:
含磷钢、含铜钢、无间隙原子钢、双相钢、TRIP钢、马氏体钢等。
通常深冲钢是铝镇静钢和无间隙原子钢,高强度钢和超高强度钢是低合金钢、双相钢、TRIP钢、TWIP钢和马氏体钢等。
由于在ULSAB
度钢和超高强度钢,
工作,,使其、TRIP钢的性能;
另一方面,开发一些新型的高强度钢种,比如国外正在进行的TWIP钢和含B的高强度钢的开发。
双相钢:
双相钢指由低碳钢和低碳低合金钢经临界区处理或控制轧制而得到的,主要由铁素体和马氏体所组成的钢。
具有屈服强度低、初始加工硬化速率高、在加工硬化和屈服强度上表现高应变速率敏感性以及强度和延性配合好等特点,是一种强度高成形性好的新型冲压用钢。
TRIP钢(transformationinducedplastic:
TRIP钢又称相变诱导塑性钢,是指钢中存在着多相组织的钢,通常为铁素体、贝氏体、残余奥氏体和马氏体,在形变过程中稳定存在的残余奥氏体向马氏体转变时引入了相变强化和塑性增长,为此残余奥氏体必须有足够的稳定性,以实现渐进式转变,一方面强化基体,另一方面提高均匀的伸长率,达到强度和塑性同步增加的目标;
体现在材料组织上首先是残余奥氏体本身成分、大小、形貌和周围环境的影响;
其次是与残余奥氏体共存的相(如铁素体、贝氏体的晶粒尺寸、质量分数、化学成分及形态的综合作用。
只有实现显微组织中各组成相的优化组合,才能提高TRIP钢的强度和塑性
。
图3 汽车车体常用钢材的强度和塑性比较
Fig.3 Comparisonofstrengthandplasticity
图3
最好的4PNGV项目车体所用钢从图4可以看到,在超轻车体中,IF钢的用量很少,仅占4118%,占车体总质量218112kg中的9111kg。
而双相钢(DP占了车体总质量的7413%,总计为162125kg。
如果加上其他高强度钢,所有高强度钢的总量在90%以上,由此可以分析出下一代轿车车体用材的发展趋势。
3.3 高强高塑性TWIP钢
TWIP钢是最近几年国外正在进行研究的高强度、高塑性指标的汽车用钢。
TWIP钢的成分通常主要是Fe,添加25%~30%的Mn,并加入少量Al和Si,也有再加入少量的Ni,V,Mo,Cu,Ti,Nb等元素。
研究表明在奥氏体中γfcc的层错能是关键,γ
fcc大于20MJ/m2时会发生机械孪生,所有增加层错能的合金都有助于孪生发生,比如铝就增加层错能,硅则降低层错能;
该钢在使用时无外载荷,冷却到室温下的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,显示非常优异的力学性能,高的应变硬化率、高的塑性值和高的强度。
TWIP钢强度可以达到800MPa以上,伸长率可达到60%~95%。
图5表示了TWIP钢在不同温度下变形时屈服强度、抗拉强度、均匀伸长率、总伸长率的值,可以看到在室温下,其有优良的伸长率和强度。
TWIP钢的应力应变行为与变形温度的函数关系同TRIP钢是不同的,如图5所示,随着温度下降,奥氏体TWIP钢的屈服应力和抗拉强度适度增・3・
钢 铁第40
卷
项目车体用钢材的钢种
GradedistributionofPNGV2classbodystructure
图5 TWIP钢(Fe225Mn23Si23Al的力学性能指标
Fig.5 MechanicalpropertiesofFe225Mn23Si23AlTWIPsteel
加。
通常这种行为是纯面心立方金属和合金的特
征。
400℃时总的伸长率是50%,室温时增加到最大值95%。
在较低温度时开始下降,在更低的温度约-150℃至失效的伸长率约75%。
在温度-196℃时,总的伸长率是65%,最大的均匀伸长率也很高,室温时达到80%。
未变形的拉伸试样拥有全部的奥氏体结构,这种奥氏体结构是一次γ奥氏体内有少量退火孪晶。
应力和应变与温度的函数关系在图5中被分为3个部分,区域Ⅰ中200℃≤t≤400℃,通过X射线衍
射研究和SEM的观察,没有发现变形诱导马氏体相变或孪晶出现,见图6(a。
在这个温度区间的主要变形机制是位错滑动,在温度区域Ⅱ:
20℃≤t≤200℃,X射线衍射观察变形的拉伸试样,没有发现相变,SEM显示,出现了大量的形变孪晶,见图6(b。
在室温下出现超过90%的相当高的伸长率归因于大量的孪晶的形成,由TWIP钢作用而获得的
高伸长率的解释大体上与TRIP钢的相同,应力诱导变形孪晶将优先在局部变形区域形成,在{111}孪
(a原始态主要组织为奥氏体和少量退火孪晶,
t=400℃,ε=40%;
(b变形后产生形变孪晶,
t=50℃,ε=68%
图6 TWIP钢(Fe225Mn23Si23Al的显微结构
Fig.6 MicrostructureofFe225Mn2Si23AlTWIPsteel
・
4・
晶面上的孪晶界对连续的位错运动起到很强的阻
碍作用。
在变形温度低于20℃的区间Ⅲ,随温度下降到大约-70℃,均匀延伸和总的伸长率下降,然而,在较低的变形温度区间≤-100℃的区间Ⅳ,层
错能和奥氏体的稳定性下降,马氏体γfcc→εMshcp→αMsbcc相变作为孪晶形成的主要机制。
随着应变速率的增加,在整个应变速率范围内((10-4~103s-1,屈服应力增加,因此,抗拉强度保持常数;
直到应变速率超过100s-1时,抗拉强度增加。
随着应变速率减少到10-1s-1,均匀和总的伸长率升高,经过最小值以后,均匀伸长率稍有下降。
在应变速率为115×
10-3s-1时,总的伸长率达到最大值80%,拉伸强度值达到800MPa。
通过X射线衍射甚至在最大应变速率处也没有观察到马氏体相变,相当高的伸长率是由于大量机械孪晶的形成———TWIP作用。
表征汽车车身和框架结构的深冲钢的冲击行为的主要性能是依赖于摆锤冲击韧性和特定吸收能
Espec的温度,定义为在给定温度下
(25,图7 TWIP钢与其他汽车用钢吸收冲撞能的比较
Fig.7 ComparisonofenergyvolumeofTWIPandotherautomobilesteels
率为常规的(102~103s-1时的单位体积的变形能,
由飞轮惯性和Kopkinson样实验确定。
图7是TWIP钢与所选择的常规深冲钢的特定吸收能比较,如IF钢、含磷钢(FeP04,烘烤硬化钢(ZstE180BH和形变热处理钢(QstE500TM,图7中表示的是TWIP钢特定的吸收能约为015J/mm3,传统深冲钢的吸收能范围是0116J/mm3≤
Espec≤0125J/mm3
这个值是延展性好吸收能高的
TWIP钢的一半或更低。
在高的应变速率条件下,
由于大量的孪晶形成,可获得高的吸收能。
4 结语
由以上介绍分析,今后汽车用钢的发展方向是,进一步在提高强度、降低车重的同时,要综合考虑安全、成形等因素,通过更多的新的强化机制而提高强。
我国钢铁工业应注意,使我国汽车。
:
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“2005年薄板坯连铸连轧品种与工艺技术研讨会”
在扬州召开
由先进钢铁材料技术国家工程研究中心和连铸技术国家工程研究中心联合主办的“2005年薄板坯连铸连轧品种与工艺技术研讨会”于2005年4月13—16日在扬州召开。
来自国家科技部、全国各大薄板坯连铸连轧厂、高校、研究院所和薄带产品的用户企业等20余家单位的102名代表参会,其中包括来自美国的薄板坯连铸连轧专家等。
国家科技部领导黄世兴处长、中国金属学会副理事长兼秘书长李文秀教授、钢铁研究总院副院长田志凌教授、美国战略矿物公司副总裁TerryPerles先生、马钢副总经理施雄
梁先生、邯钢副总经理马春林先生、包钢副总经理李春龙先生、珠钢总工程师毛新平先生、涟钢副总经理郑柏平先生及高校多位知名教授等出席了研讨会。
会议进行了2天的学术研讨,共有28名代表在会上宣读了学术论文。
与会代表就目前我国薄板坯连铸连轧的品种开发、工艺技术、设备改造等各个方面的问题进行了深入的交流和讨论,整个会议期间,讨论热烈,气氛活跃,深受与会代表的欢迎。
会议代表纷纷表示,此次会议的议题与生产结合紧密,讨论的内容详实而有现实意义,必将给我国薄板坯连铸连轧的生产和研发带来积极影响。
会议出版了学术论文集,收录学术论文42篇。
(本刊讯
5・
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