一文讲清高强度汽车钢几种典型的汽车用钢几种高强钢类型的特点及对比

steeltuber 2021-01-08

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为了顺应国家环保、节能、低碳、安全的时代发展潮流 , 我国的汽车行业不断地引入先进生产技术并着重研发轻量化高强度钢,打造拥有自主品牌和自主知识产权来提高国际竞争力和出口能力。

接下来将对现有的高强度钢种进行简单阐述与简要分析

几种典型的汽车用钢

高强度汽车钢的分类
高强度汽车用钢目前可分为三代,第一代先进高诱导塑性钢等;第二代先进高强钢分为TWIP孪晶诱导塑强钢分为FB钢、IF钢、马氏体钢、TRIP相变性钢、L-IP诱导塑性轻钢、SIP剪切带强化钢;第三代先进高强度钢分为TBF贝氏体基相变诱导塑性钢、δ-TRIP钢、纳米贝氏体钢、中锰TRIP钢、Q&P钢等。

先进钢材不断地在现代汽车制造行业更新换代 , 同时先进超高强度钢的引进不仅会尽可能地减少汽车零件用材 , 达到汽车轻量化的要求 ,还可对国民经济、科研领域等发展等产生巨大影响。为实现这一目标 ,首选方案是选用乃至研发比强度高的材料 , 由此可见 , 我国材料发展面临着诸多严峻挑战。

普通钢及先进高强钢分类
按照国际钢铁协会USL-AB项目 ,可将钢种按其力学性能进行分类,分为低强钢、高强钢和超高强钢 。超高强钢的抗拉强度Rm(σb)>700MPa,屈服强度Re(σs)>550MPa ;低强钢的抗拉强度Rm(σb)<270MPa , 屈服强度Re(σs)<210MPa ;高强钢的力学指标介于这两者之间。

其中,低强度钢分为IF钢和软钢;普通高强度钢分为碳锰钢、BH钢、高强度IF钢和HSLA钢等;先进高强度钢(AHSS )包括双相钢、TRIP相变诱发塑性钢、 CP钢和马氏体钢(M钢)等。

先进高强度钢的性能分析
应力-应变关系分析
第一代汽车高强度钢IF钢 , 即无间隙原子钢(超低碳钢) ,C、N含量较低 , 曲线变化很平稳 , 其抗拉强度为280MPa左右 , 具有较好的塑性 ;马氏体钢 ,其显微组织为马氏体组织 , 经过相应的热处理工艺 , 其抗拉强度可达2100MPa 。

但是第一代高强度钢存在明显问题:抗拉强度大的材料,塑性性能差 , 伸长率差值达到37%左右。第一代汽车钢并不适用于现代汽车制造行业 , 由于其强塑积比较低因而又研发了第二代钢铁材料。

第二代先进汽车高强度钢(TWIP钢), 当抗拉强度为800MPa时, 其塑性变形仅为20% ,而随着应力的逐渐提升,当应力达到1200MPa时,其应变达到了58%以上 ,具有较好的塑性性能,其强塑积远高于第一代汽车用钢。由此可见,经过改进的第二代汽车用钢,碰撞吸能能力更强,且性能相比于第一代要更好,但成本相对较高。

三代先进汽车高强度钢Q&P钢, 处于马氏体状态中的碳 , 在淬火过程中被分配至残余奥氏体,残余奥氏体因碳更加稳定,进而提高了钢的强韧化性能。

当应变为15%左右时 ,Q&P钢应力达到最高值 , 约为1500MPa, 换言之, 它具有强度高、可塑性强、成本低等优点,被认为是将高强度与良好韧塑性完美结合的新一代高强度钢。

高强度钢的强塑性分析

第一代汽车用钢中的IF钢为低强度钢,伸长率可达50%,具有极其优异的深冲性能 , 且钢板的屈服和抗拉强度不会随时间变化而出现明显上升的现象 ,或在冲压时出现拉伸应变痕(滑移线),常用于发动机机油底壳。

第二代先进超高强度钢TWIP钢 ,在室温下的组织为单一的奥氏体组织和少量退火孪晶组织奥氏体钢,强度可达1600MPa , 断后伸长率达到65%以上 , 具有优异的强度和延展性,良好的耐磨性和耐蚀性。因其具有较高的Mn含量(12%-30%) ,强度是传统高强钢的2倍,故此钢种可用于改善汽车的碰撞安全性能, 在汽车制造行业被广泛关注。

相比于前两代钢种 , IF钢虽具有极其优异的深冲性能 , 但表面易出现起泡、线纹等缺陷。TWIP虽具有优异的力学性能 , 但是该钢在冶炼、铸造工艺等方面却存在着很大的技术难题。2009年,具有高强度、高塑性的第三代汽车用钢成功地被中国钢研科技集团在实验室里研发。第三代汽车钢的抗拉强度相比于第一代增加了300% ,延伸率可达至35%, 然而所用的合金含量却小于第二代汽车钢的1/3,且其成本仅略高于第一代汽车钢。

几种高强钢类型的特点及对比一览

1.双相钢(DP钢,DUAL PHASE STEELS)

性能特点:无屈服延伸、无室温时效、低屈强比、高加工硬化指数和高烘烤硬化值。

典型应用:DP 系列高强钢是目前结构类零件的首选钢种,大量应用于结构件、加强件和防撞件。如,车底十字构件、轨、防撞杆、防撞杆加强结构件等。

2.复相钢(CP 钢,COMPLEX PHASE STEELS)

性能特点:晶粒细小,抗拉强度较高。与同级别抗拉强度的双相钢相比,其屈服强度明显要高很多。具有良好的弯曲性能、高扩孔性能、高能量吸收能力和优良的翻边成形性能。

典型应用:底盘悬挂件,B 柱,保险杠,座椅滑轨等。

3.相变诱导塑性钢(TRIP 钢,TRANSFORMATION INDUCED PLASTICITY STEELS)性能特点:组织中含有残余奥氏体,有良好的成形性能。在成形过程中残余奥氏体会逐渐转变为硬的马氏体,有利于均匀变形。TRIP 钢还具有高碰撞吸收能、高强度塑性积和高 N 值的特点。

典型应用:结构相对复杂的零件,如 B 柱加强板、前纵梁等。

4.马氏体钢(MS 钢,MARTENSITIC STEELS)

性能特点:屈强比高,抗拉强度高,延伸率相对较低,需要注意延迟开裂的倾向。具有高碰撞吸收能、高强度塑性积和高 N 值的特点。

典型应用:简单零件的冷冲压和截面相对单一的辊压成形零件,如保险杠、门槛加强板和侧门内的防撞杆等。

5.淬火延性钢(QP 钢,QUENCHING AND PARTITIONING STEELS)

性能特点:以马氏体为基体相,利用残余奥氏体在变形过程中的 TRIP 效应,能实现较高的加工硬化能力,因此比同级别超高强钢拥有更高的塑性和成形性能。

典型应用:适用于形状较为复杂的汽车安全件和结构件,如 A、B 柱加强件等。

6.孪晶诱发塑性钢(TWIP 钢,TWINNING INDUCED PLASTICITY STEELS)

性能特点:TWIP钢为高C、高MN、高AL成分的全奥氏体钢。通过孪晶诱发的动态细化作用, 能实现极高的加工硬化能力。TWIP钢具有超高强度和超高塑性,强塑积可达50GPA%以上。

典型应用:TWIP钢具有非常优越的成形性能和超高强度,适用于对材料拉延和胀形性能要求很高的零件,例如复杂形状的汽车安全件和结构件。

7.硼钢(PH钢或B钢,PRESS HARDENING/BORON STEELS)

性能特点:超高强度(抗拉强度达 1500MPA 以上),有效提高碰撞性能,车身轻量化;零件形状复杂,成形性好;尺寸精度高。