1、安徽工業大學研究生考試試卷評分考試科目：現代工程材料閱卷人：方俊飛專業：研材料12學號：20120049姓名：季承璽注意事項1、考前研究生將上述項目填寫清楚2、字跡要清楚，保持卷面清潔3、教師將成績單送研究生學院歸檔汽車用高強鋼發展綜述摘要:綜述了目前國內外高強鋼材汽車鋼板的使用現狀及全球趨勢，探究了國內外在高強鋼材的科技水平，并且在此基礎上提出了高強鋼材的應用前景，為汽車鋼板行業實現可持續發展提供了思路。關鍵詞:汽車；高強鋼；輕量化；種類；發展1. 高強鋼材的優勢與普通強度鋼材相比，高強度鋼材（以下簡稱高強鋼）具有更高的屈服強度和抗拉強度，因此，采用高強鋼構件替代普通強度鋼構件可以減小截面尺

2、寸，節約鋼材用量，降低制造、運輸、安裝費用等。高強鋼的應用不僅能體現更高的結構效率，還可以帶來可觀的經濟效益和社會效益。高強度鋼材的優點有很多，研究結果表明，在同樣的軸心受壓條件下，采用高強度鋼材的鋼柱，在整體穩定方面，極限應力符與屈服強崗y的比值必fy（即整體穩定系數6,要比普通強度車時鋼柱高很多1。相對于普通鋼材，鋼結構采用高強度鋼材具有以下優勢:能夠減小構件尺寸和結構重量，相應地減少焊接工作量和焊接材料用量，減少各種涂層（防銹、防火等）的用量，使得運輸安裝更加容易，降低鋼結構的加工制作、運輸和安裝成本。高強度鋼材能夠降低鋼材用量，從而大大減少鐵礦石資源的消耗；焊接材料和各種涂層（防銹、防

3、火等）用量的減少，也能夠大大減少不可再生資源的消耗，同時能夠減少因資源開采對環境的破壞。2. 低合金高強度鋼生產工藝技術的發展自60年代以來，在低合金高強度鋼發展的第三階段中，生產工藝技術有了長足的進步，這是由三方面因素促成的。（1）對低合金高強度鋼性能的要求有了新的認識和提高。對焊接鋼材要求不僅有高的抗裂紋生成能力，還要求有良好的抗裂紋擴展能力，即良好的缺口韌性。強度越高，要求韌性越好。（2）組織一性能關系的基礎研究有了重大的突破。Hall和Petch的基礎研究首次向人們展示，晶粒細化可以同時提高屈服強度和沖擊韌性。Morrison和Wodhead等的研究表明，在適當條件下，低合金高強度鋼中

4、可以形成一定體積分數的尺寸為納米級的碳氮化物粒子，具有非常強烈的沉淀硬化效果，而加入的釩、妮、欽等元素，以前僅作為細化晶粒元素使用，實際上它們還有析出強化作用。Garland和Platea將關于第二相質點對塑性斷裂過程影響的理論分析表明，材料的總體塑性與質點的形狀有關，第二相質點的長寬比增加，提高沿夾雜物長度方向的拉伸塑性，由此產生塑性的各向異性。這種各向異性影響扁平產品的縱向彎曲性能以及焊接時的層狀撕裂。組織和性能關系研究的這些重大成果為開發控制軋制控制冷卻以及夾雜物變形和形態控制工藝奠定了理論基礎。3. 汽車輕量化的途徑及材料應用趨勢3.1 汽車輕量化背景隨著我國核電工業、大型化工設備的更

5、新改造以及千噸級以上軋機設備需求量的持續上升，國內對大件特種運輸的需求在不斷提高2。大件運輸指超限、超重物品的商品運輸，超限貨物是指裝載輪廓尺寸超過車輛限界標準；超重貨物是指車輛總重量超過一定數值。大件運輸由于其不可拆解性，超限問題一直以來難以解決，尤其是超高。模塊車在輪式大件特種運輸設備中占有相當地位，盡可能降低模塊車自身高度來解決超高成為課題。3.2 汽車輕量化途徑目前，全球中型乘用車平均質量約為12001400kg,發達國家力爭在201研將中型乘用車整車質量減輕到1000kg以下。實現汽車輕量化主要有以下幾種途徑一是采用輕質材料，如使用低密度的鋁及鋁合金、鎂及鎂合金、工程塑料或碳纖維復合

6、材料等；二是使用高強度鋼替代普通鋼材，降低鋼板厚度規格；三是采用先進的制造工藝，如激光拼焊、液壓成形、鋁合金低壓鑄造及半固態成型技術；四是優化結構設計，即對汽車車身、底盤、發動機等零部件進行結構優化，采用前輪驅動、高剛性結構和超輕懸架結構等。3.3 汽車材料的應用趨勢近年來，輕質材料的應用逐漸增多，汽車內飾件業已塑料化；鋁、鎂合金主要以鑄件或鍛件的形式應用于汽車發動機、變速器等零部件上，以及豪華車和特種車輛的車身制造中。由于成本高、成型工藝復雜及焊接性差等原因，鋁、鎂合金在車身制造中尚未大規模應用。高強度鋼在抗碰撞性能、加工工藝和成本方面較鋁、鎂合金具有明顯的優勢，能夠滿足減輕汽車質量和提高碰

7、撞安全性能的雙重需要，從成本與性能角度來看，是滿足車身輕量化、提高碰撞安全性的最佳材料。除了疲勞強度外，高強度鋼在應用中的各個性能指標均正比于板厚和相應的材料性能的n次方的乘積。如壓潰強度Ps"tb2n、撞擊吸能AeW2®2n等。因此，高強度鋼板能夠大幅度增加零件的抗變形能力，提高能量吸收能力和擴大彈性應變區。高強度鋼應用于汽車零件上，可以通過減薄零件厚度來減輕車身質量；當鋼板厚度分別減少0.05、0.10、0.15mm時車身可減重6%、12%、18%。車身用鋼向高強度化發展已經成為趨勢3。4.高強度鋼的強化機理與分類4.1 高強度鋼的強化機理高強度鋼的強化機制主要有固溶強

8、化、析出強化、組織強化、烘烤硬化、細晶強化4,見表1。表1鋼板的強化機理種類適用范圍/MPa強化的原理特點固溶強化340440a.利用固溶于Fe中的原子產生的格子變形的強化機理b.有Si、Mn、P等置換型a.加P鋼成形性較好，可獲得的TS達到440MpM右b.位錯互相交織，難以形成格子狀，靜態動態比很大c.若為冷軋系列，可得到較高的r值析出強化440590使T物用態機物，技V4i、N1氮化;出，位錯,趾匕夕,J!?/仝灣b、V等的彳:物以細小型由于這些機活動受到阻（現強化機上1晚化J形，出礙，1a.常用于490590MPa級的鋼板，雖然焊接性和涂漆性較好，但YP較高，EI較小，不適合要求較圖的

9、成形b.右為熱軋溥板，由于熱軋溥板的卷曲溫度/、低，因此可以制造幾毫米厚的高強度鋼板組織強化4901180利用體急馬氏isJ-».i【將鋅l冷時:體不-FI1f'T*T7Tr,ii:a工不匕上，二從高溫的噢i生成的硬裊1貝氏體的范機理iT!氏相他a.強度高且比較容易兼顧到成形性b.根據硬質組織的種類、數量、形態/、同而具有多樣性（DP鋼、TRIP鋼、高擴孔性鋼）細品強化利用品界阻礙位錯進行的特點，使晶粒細化，改善了脆性，成形性的劣化也較小，但期望的強度增加值較以此增加晶界，加大位錯密度的強化機理小，僅為100MP*右4.2 高強度鋼的主要種類根據強度分類，屈服強度在21055

10、0Mp而抗拉弓®度在270700MPa的鋼為高強鋼(HSS),而屈服強度大于550Mp琲口抗拉強度大于700MPa的鋼為超高強鋼(UHSS)。如果根據冶金學特征進行分類，分為普通高強度鋼(C-Mn鋼、高強度IF鋼、BH鋼、IS鋼、HSLA鋼)和先進高強度鋼(DP、CP、TRIP、M、HF)。(1)高強度鋼(IF)高強度IF鋼屬于固溶強化鋼，在超低碳、鋁鎮靜鋼中添加P、Mn和Si等固溶強化元素來提高強度，抗拉強度可達450MPa。高弓S度IF鋼具有良好的機械性能和抗二次加工脆性、化學處理性和合金化鍍鋅適應性。廣泛應用在車身結構件、開啟件上。(2)烘烤硬化鋼(BH)BH鋼金相組織以鐵素體

11、為基體，主要以固溶強化來提高強度。其特點是添加的磷元素在鋼的冶煉過程中可以與碳、氮形成固溶強化。在鋼板沖壓過程中，基體(鐵素體)內位錯”密度增加，碳、氮原子向位錯”擴散的距離縮短，當BH鋼車身進入涂裝在烘烤爐中受熱時，便賦予了固溶體中碳、氮原子擴散的能量，使碳、氮原子在位錯”處析出，從而提高了工件的屈服強度，故稱此類鋼為烘烤硬化鋼也(3)低合金高強度鋼(HSLA)在冶煉過程中添加一些微量元素，使鋼能析出一些細小的碳化物并使晶粒細化而提高鋼材的強度。(4)雙相鋼(DP)DP鋼的顯微組織主要是鐵素體和馬氏體，馬氏體以島狀分布于鐵素體基體中，馬氏體的含量在5%20%,鋼的強度隨馬氏體含量的增加不斷提

12、高。強度范圍一般為5001000MPaDP鋼具有屈服強度低、初始加工硬化指數高、高的烘烤硬化性能、無屈服延伸和室溫時效、高的能量吸收能力等特點，較好的實現了強度和成形性能的匹配。主要用于汽車結構件、安全件和加強件，如車輪、保險杠、橫梁、縱梁、座椅導軌等零件。雙相鋼是以相變為基礎的新型高強度鋼，在微觀組織上，雙相鋼是以較軟的鐵素體加硬相馬氏體所構成。在力學性能上，同時具有高的強度和加工硬化指數、低屈強比的特點。雙相鋼由低碳鋼或低碳微合金鋼經兩相區熱處理或控軋控冷而得到，馬氏體以島狀分布于鐵素體基體中(見圖1、圖2),含量在5%-20%之間，鋼的強度隨馬氏體含量的增加不斷提高，強度范圍為500-1

13、200MPa。DP鋼具有較圖3TRIP780金相組織中約18%殘余奧氏體圖4TRIP690金相組織中約10%殘余奧氏體(5)相變誘導塑性鋼(TRIP)TWIP鋼是一種具有高強度、高塑性、高吸收能的鋼材，是近幾年國外研究的熱點鋼種之一。TWIP鋼在室溫下的顯微組織是穩定的殘余奧氏體，但是如果施加一定的外部載荷，由于應變誘導產生機械學品，會產生大的無頸縮延伸，顯示非常優異的機械性能，在具有高強度的同時兼有高延伸率和高加工硬化指數TWIP鋼的強度可以達到800MPa以上，延伸率可以達到60%95%,30%應變時的n值可以達到0.58。高的伸長率以及較高的加工硬化率，抗疲勞性能好。目前，DP鋼的主要類

14、型有DP450/DP600/DP780/DP980,主要用于汽車的結構件和安全件，如前內縱梁、后內縱梁、中支柱里板、座椅橫梁等零件。法國阿塞洛、瑞典SSAB、日本新日鐵、神戶制鋼等鋼廠可以生產多種規格的雙相鋼。國內寶鋼、武鋼、鞍鋼可以提供一些等級的DP雙相鋼口。圖5DP鋼與TRIP鋼成形性對比圖6TRIP鋼與其他高強鋼極限脹形高度對比圖1DP600金相組織圖2DP980金相組織TAJP280DP780HSA360H28D*IFIF7H0*DP7&0TRIP鋼的顯微組織主要鐵素體、貝氏體和殘余奧氏體，因此也稱殘余奧氏體(RA)鋼。殘余奧氏分布在鐵素體和貝氏體的基體中，含量在5%15%,馬

15、氏體和貝氏體等硬相以不同的含量存在。強度范圍一般為6001000MPa與DP鋼相比，TRIP鋼具有更高的延伸率，TRIP鋼的初始加工硬化指數雖然小于DP鋼，但在很長應變范圍內仍保持較高的加工硬化指數，因此特別適合用于拉脹成形。TRIP鋼也主要用于汽車結構件、安全件和加強件，如座椅結構、橫梁、縱梁、翼子加強件等零件。相變誘導塑性鋼其金相組織為鐵素體、貝氏體、殘余奧氏體，見圖3、圖4。在變形過程中，殘余奧氏體會發生誘導相變轉化為馬氏體，引起相變強化和塑性增長。這類鋼兼顧了較高的抗拉強度和良好的成形性(見圖5)，比雙相鋼成形性更好，同樣具有BH鋼性能，擁有更好的擴孔性(見圖6)咒目前，此類鋼板的主要

16、牌號有TRIP590、TRIP690、TRIP780和TRIP780HR等，在汽車行業尚沒有得到大規模應用。(6)多相鋼(CP)多相鋼組織與TRIP鋼類似，基本上是在Mn-Cr-Si合金成分體系的基礎上，依靠鈦、鈮、釩元素微合金化產生的晶粒細化效應和析出強化效應，結合適當的卷取工藝而生產的，主要組織為細小的鐵素體和高比例的硬質相(馬氏體、貝氏體)，含有鋰、鈦等元素。通過馬氏體和貝氏體以及析出強化的復合作用，CPffi強度可達800-1000MPa,具有較高的吸收性能與擴孔性能，特別適合于汽車的車門防撞桿、保險杠和中立柱等安全件。(7)熱成形鋼(HF)熱沖壓成形技術是指將坯料加熱至奧氏體化，然后

17、在熱狀態下將坯料沖壓成形，最后利用模具的冷卻能力將零件淬火成馬氏體。這項技術在使零件獲得高強度的同時，解決了復雜零件幾何形狀控制和回彈等難題。相對于冷沖壓成形板來說，熱沖壓成形用鋼板的成分比較特殊，生產時還需要配備專用模具，因此無論在鋼板的生產上還是加工上都比較特殊，相應的技術也掌握在少數公司手中。這類鋼的成分特點是在C-Mn鋼的基礎上添加2050ppm的硼，因此也稱為含硼鋼。熱成形鋼是通過熱成形技術獲得的超高強度的馬氏體鋼。首先把常溫下強度為500-600MPa勺高強度硼合金鋼板加熱到880-950C,使之均勻奧氏體化；然后送入內部帶有冷卻系統的模具內沖壓成形；之后保壓快速冷卻淬火，使奧氏體

18、變成馬氏體，因而成形件得到強度硬化。沖壓件冷卻淬火后，強度可達1500MPa，見圖710。腦中已建幅<,3-Ir,：-離流軟核心”，不上城形后的#件11500M網)圖7熱成形鋼加工工藝流程熱成形鋼具有如下優點。a零件成形后強度指標大幅度提高。b.高溫下材料塑性好，成形能力強，可用于冷沖壓無法成形的復雜零件，也可將冷沖壓需要多道工序、多套模具成形的零件一次成形。c.高溫下零件成形沒有回彈，可以實現高精度成形。d.如果使用Al-Si涂層板，可以防止在熱沖壓過程中的脫碳等氧化現象，并可以省略后期的拋丸處理，零件擁有更好的抗腐蝕能力。熱成形鋼板主要用于車門防撞桿、前后保險杠、A/B/C柱等安全件

19、，見圖8,熱成形鋼技術在國外汽車行業已成為熱門技術，其發展迅速。法國阿賽洛公司、德國蒂森-克虜伯、本特勒、麥格納以及海斯坦普等公司均擁有熱成形技術及成套生產線。圖8中立柱加強板、保險杠和前風窗擋板加強板(8)馬氏體鋼馬氏體鋼的顯微組織主要是板條馬氏體，強度范圍一般為9001500MPa,是目前商業化AHSS中強度級別最高的鋼種。馬氏體鋼的成形性較差，主要用于成形要求不高的車門防撞桿等零件，代替管狀零件，降低制造成本。(9)FB鋼FB鋼也稱高擴孔(HHE)鋼，其顯微組織主要是鐵素體和貝氏體，這種鋼在具有高強度的同時兼有優良的翻邊性能。強度一般為450600MPa主要用于翻邊性能要求較高的汽車結構

20、件、懸架件等。(10)PFHT鋼二次成形熱處理是指將沖壓成形后的零件固定在特定的裝置上，然后進行感應加熱，最后進行水淬，以達到硬化材料和固化形狀的目的，是一種既提高零件強度又改善零件幾何形狀精度的工藝，零件的強度一般為9001400MPa。(11)NANO鋼NANO鋼指用納米尺度(<10nm)級的析出物來強化鐵素體基體，從而提高鋼的強度的一種鋼。這種鋼的特點是屈強比高、延伸率和擴孔率的匹配性好，強度一般在700800MPa。5. 高強度鋼在國內外的應用情況為了達到汽車輕量化、安全化的目的，應對鋁鎂行業的競爭，20世紀90年代，國際鋼鐵協會的35家主要鋼鐵公司開展了超輕鋼制車身(Ultra

21、LightSteelAutoBody)ULSAB項目。其內容是通過大量采用高強度鋼板，并應用液壓成形、激光拼焊板等技術使汽車減重25%。2004年項目取得成功，整車減輕質量25%，車身靜態扭轉剛度提高了80%，靜態彎曲剛度提高了52%，汽車安全等級達到了歐洲NCAP五星級碰撞標準11。ULSAB車體上高強度鋼板使用率為90%,其中DP雙相鋼超過70%,另外還采用了4%左右的抗拉強度為1200MPa的超高強度馬氏體鋼。最近幾年，歐美汽車公司在開發新款汽車時都部分或全部采用了ULSAB項目技術，高強度鋼大量使用在汽車車身、底盤、懸架和轉向的零部件上。國內汽車合資企業的技術直接來源于國外母公司，高強

22、度鋼應用水平與國外汽車企業保持了相近的水平。自主品牌汽車企業在高強度鋼的應用方面整體落后于國外汽車公司，正在快速追趕。最近兩年，國內自主品牌汽車開發的有些新車型，高強度鋼質量占白車身質量的比例已經達到45%以上。近年來，國內鋼鐵企業積極開展了汽車用高強度綱的開發工作，目前寶鋼、武鋼、鞍鋼等可以生產一些等級的高強度IF鋼、DP雙相鋼、TRIP相變誘導塑性鋼、BH烘烤硬化鋼。國內鋼鐵企業已能提供多種規格的高強度鋼板，不過從品種與質量來看，與國外的先進水平相比還有較大的差距。6. 高強度鋼的發展趨勢高強度鋼在汽車減重、降耗、安全性方面有著顯著優勢，但在應用時還存在一些問題，即隨著強度的增加，沖壓性能

23、變差、回彈量大、尺寸難以控制、容易起皺開裂，這給沖壓成形工藝帶來新課題。另外，高強度鋼的可焊性比普通低碳鋼要差，焊接工藝參數存在較大差異。為了開發性能更好的高強度鋼，阿塞洛等鋼鐵公司正在研究開發孿晶誘導塑性鋼(TWIP)、具有誘導塑性的輕量化鋼(L-IP)DDOD DODD 了 C 5 432 1圖9各種汽車用鋼板屈服強度和伸長率的關系這些鋼種具有非常優異的力學性能、高的應變硬化率及極高的塑性，被稱為第二代高強度汽車用鋼。目前，美國鋼鐵企業正在積極發展第三代高強度汽車用鋼（見圖9）,具有第一、第二代高強度鋼的微觀組織特點，充分利用晶粒細化、固溶強化、析出強化及位錯強化等手段來提高強度，通過應變誘導塑