В основе современного автомобилестроения лежит безопасность и защита окружающей среды, а кузов требует «повышения прочности и снижения веса». В этом контексте стремительно развивается усовершенствованная высокопрочная сталь, которая широко используется в конструкционных и защитных частях автомобильных кузовов.
Виды высокопрочных сталей для автомобилей
1. Сталь DP, двухфазная сталь
2. Сталь CP, сложнофазные стали
3. Сталь TRIP, пластичность стали, вызванная трансформацией
4. MS Steel, мартенситные стали
5.QP сталь, закалка и секционирование стали
6. Пластичность стали, вызванная двойникованием (сталь TWIP)
7. Борсодержащая сталь (сталь PH или сталь B, прессованная закалка/борсодержащая сталь)
Дуплексная сталь (сталь DP)
Эксплуатационные характеристики: отсутствие увеличения текучести, отсутствие старения при комнатной температуре, низкий коэффициент текучести, высокий индекс деформационного упрочнения и высокая степень упрочнения при прокаливании.
Типичное применение: высокопрочная сталь серии DP в настоящее время является предпочтительной сталью для конструкционных деталей и широко используется в конструкционных деталях, армирующих деталях и деталях для предотвращения столкновений. Например, поперечины днища автомобиля, рельсы, дуги безопасности, усиливающие конструкции дуг безопасности и т. д.
Сложная фазовая сталь (CP Steel)
Особенности: мелкие зерна, высокая прочность на растяжение. Предел текучести значительно выше, чем у двухфазных сталей того же предела прочности. Он обладает хорошими характеристиками изгиба, высокими характеристиками расширения отверстий, высокой энергопоглощающей способностью и отличными характеристиками формования фланцев.
Типичные области применения: подвеска шасси, средние стойки, бамперы, направляющие сидений и т. д.
Сталь пластичности, вызванная трансформацией (TRIP Steel)
Эксплуатационные характеристики: Структура содержит остаточный аустенит и обладает хорошей формуемостью. В процессе штамповки остаточный аустенит постепенно превращается в твердый мартенсит, что способствует равномерной деформации. Сталь TRIP также обладает такими характеристиками, как высокая энергия поглощения удара, высокопрочный пластиковый продукт и высокое значение n.
Типичные области применения: детали относительно сложной конструкции, такие как ребра жесткости центральной стойки, передние лонжероны и т. д.
Мартенситная сталь (MS Steel)
Эксплуатационные характеристики: высокий коэффициент текучести, высокая прочность на растяжение, относительно низкое удлинение, необходимо обратить внимание на тенденцию к замедленному растрескиванию. Он обладает характеристиками высокой энергии поглощения удара, высокопрочным пластиковым изделием и высоким значением n.
Типичные области применения: холодная штамповка простых деталей и гнутых деталей с относительно одинарным поперечным сечением, таких как бамперы, усилители порогов и дуги безопасности в боковых дверях.
Закаленная ковкая сталь (сталь QP)
Эксплуатационные характеристики: мартенсит используется в качестве матричной фазы, а TRIP-эффект остаточного аустенита в процессе деформации может быть использован для достижения более высокой способности к деформационному упрочнению, поэтому он имеет более высокую пластичность и формуемость, чем тот же уровень сверхвысокопрочной стали.
Типичное применение: он подходит для автомобильных деталей безопасности и конструкционных деталей сложной формы, таких как усилители передних и средних стоек.
Сталь с двойной индуцированной пластичностью (сталь TWIP)
Эксплуатационные характеристики: сталь TWIP представляет собой полностью аустенитную сталь с высоким содержанием углерода, марганца и алюминия. Благодаря динамическому измельчению, вызванному двойникованием, может быть достигнута очень высокая способность к деформационному упрочнению.
Сталь TWIP обладает сверхвысокой прочностью и сверхвысокой пластичностью, а прочность пластичного изделия может достигать более 50 ГПа%.
Типичные области применения: сталь TWIP обладает превосходной формуемостью и сверхвысокой прочностью и подходит для изготовления деталей, требующих высоких свойств волочения и вздутия, таких как автомобильные детали сложной формы и конструкционные детали.
Борсодержащая сталь (сталь PH или сталь B)
Эксплуатационные характеристики: сверхвысокая прочность (предел прочности выше 1500 МПа), эффективное улучшение характеристик при столкновении, легкий корпус; сложная форма деталей, хорошая формуемость; высокая размерная точность.
Типичные области применения: элементы конструкции безопасности, такие как: передний и задний бамперы, передние и средние стойки, средние тоннели и т. д.
Эволюция автомобильной стали
Сталь используется в автомобилестроении с конца 19 века, когда в 1885 году немецкий инженер Карл Бенц спроектировал первый автомобиль с двигателем внутреннего сгорания.
В начале 20-го века, с появлением технологии производства стальных листов/стальных полос и ее прорывом в технологии комплексной формовки, деревянные компоненты в автомобильных конструкциях постепенно вытеснялись стальными листами/стальными полосами.
В следующем столетии стальные листы/полосы стали доминирующим материалом в процессе производства автомобилей. В разные исторические периоды, в сочетании с соответствующими национальными стратегиями, потребительским спросом и техническими возможностями, ряд автомобильных стальных материалов эволюционировал, как показано на рисунке 1. Низкоуглеродистая сталь (LC) и Interstitial Free (IF) были первыми, использоваться в автомобилях.
В то время эти два типа низкопрочных сталей могли удовлетворить потребности в прочности, формуемости, стоимости и дизайне. До нефтяного кризиса в Северной Америке примерно в 1970 году автомобильная промышленность начала разрабатывать высокопрочную сталь для снижения веса и экономии энергии в ответ на энергетические проблемы.
С тех пор компания вступила в период благотворного цикла, в ходе которого уровень прочности автомобильных стальных листов постоянно повышался. Особенно в условиях нынешней глобальной тенденции легких автомобилей рабочие сталелитейной промышленности также прилагают для этого постоянные усилия.
традиционная высокопрочная сталь
Традиционные высокопрочные стали в основном представляют собой стали, закаливаемые в печи (BH), и их механические свойства показаны на рисунке 2. Повышение прочности достигается в процессе запекания краски после штамповки. Степень деформационного упрочнения в процессе штамповки оказывает существенное влияние на повышение прочности при последующем процессе обжига.
Деформационное упрочнение при формовании в основном основано на увеличении плотности дислокаций, вызванном деформацией. Увеличение прочности при обжиге основано на затруднении последующего движения дислокаций, вызванного диффузией атомов в процессе.
Разница в методе формования и степени деформации, вызванной процессом формования, будет иметь определенное влияние на эффект отверждения при обжиге.
Типичная передовая высокопрочная сталь первого поколения и технология ее контроля
В первом поколении передовых высокопрочных сталей преобладают двухфазная (DP) и пластичность, вызванная трансформацией (TRIP).
Сталь DP, отсюда и название, состоит из двух фаз, которые могут быть феррит + бейнит или феррит + мартенсит. Принципиальная схема его строения представлена на рисунке 3.
Будучи мягкой фазой, феррит обеспечивает определенную пластичность и легкость формовки; бейнит / мартенсит используется в качестве твердой фазы, чтобы придать ей разумную прочность. Схематическая диаграмма микроструктуры стали DP
Сталь ТРИП, схематическая диаграмма ее микроструктуры представлена на рисунке 4, которая состоит из феррита, мартенсита (бейнита) и остаточного аустенита. Из-за мгновенной большой деформации автомобиля в процессе столкновения внутри стальной пластины образуется определенная механическая энергия. В сочетании с внутренней энергией, запасенной в исходном остаточном аустените, он претерпевает фазовое превращение, и часть остаточного аустенита превращается в мартенсит, что усиливает эффект.
Принципиальная схема микроструктуры стали TRIP
Типичная передовая высокопрочная сталь второго поколения и технология ее контроля
Во втором поколении передовых высокопрочных сталей преобладает пластичность, вызванная двойникованием (TWIP). Сталь TWIP основана на механических контрактурах, образующихся из-за изменения аустенитной фазы во время деформации, как показано на рисунке 5. Благодаря образованию сократительных кристаллов энергия во время столкновения может быть поглощена.
Его основной состав 18%Mn-3%Si-3%Al. Конечно, состав можно соответствующим образом скорректировать в зависимости от направленности различных компонентов на производительность каждой фазы и проблемы узких мест в производственном процессе.
контрактуры, образующиеся при деформации
Разработка третьего поколения усовершенствованной высокопрочной стали
Усовершенствованная высокопрочная сталь третьего поколения основана на разрыве между высокопрочными сталями первого поколения и второго поколения и разрабатывает сорта с высокой прочностью и высокой пластичностью с превосходными комплексными свойствами, такими как Q&P (закалка и разделение) сталь, центр исследований в стране и за рубежом.
Структура стали Q&P при комнатной температуре состоит из феррита, мартенсита и аустенита. Принцип конструкции заключается в том, что после закалки до определенной температуры с образованием значительного количества мартенсита происходит процесс вторичного нагрева, как показано на рисунке 6, в этом процессе достигается диффузия атомов углерода в мартенсите в остаточный аустенит, тем самым улучшение его стабильности.
Высокопрочная сталь, полученная с помощью этого процесса, имеет прочность и пластичность, которая намного превосходит усовершенствованные высокопрочные стали первого и второго поколения.
Процесс управления технологическим процессом Q&P Steel
Тенденции развития и направления исследований автомобильной стали
Благодаря применению высокопрочной стали различные части кузова могут быть утончены без потери прочности. В Европе и США было согласовано, что за счет применения высокопрочной стали от 600 МПа/40 % до 1600 МПа/20 % в конструкции кузова можно уменьшить массу кузова не менее чем на 5–8 %, что дает возможности для разработки различных серий высокопрочных сталей в этом диапазоне характеристик.
Для следующего направления развития и темы исследований автомобильной стали, международный NSF (Национальное производство стали), Министерство энергетики США (Министерство энергетики), Американский AISI (Американский институт чугуна и стали) и A/SP (Auto/ Steel Partnership), который предлагает следующие направления исследований в университетах и научно-исследовательских институтах:
Микроструктура и механические свойства перспективных высокопрочных сталей;
Процесс диффузии углерода в усовершенствованной высокопрочной стали;
Эффекты размера частиц и поверхности раздела современных высокопрочных сталей;
Наноигольчатые ферритные двухфазные стали в перспективных высокопрочных сталях;
Высокопрочная и высокопластичная бейнитная сталь;
Способность к деформации и пружинение современных высокопрочных сталей;
Соответствующие модели для перспективных высокопрочных сталей.
Спрос будет способствовать прогрессу смежных технологий, а технический прогресс также будет стимулировать увеличение спроса. Общая тенденция облегчения веса будет способствовать непрерывному прогрессу технологий в сталелитейной промышленности, тем самым создавая условия для применения более совершенных стальных листов.
Направление развития автомобильной стали на следующем этапе или более идеальный материал для автомобильных стальных листов в эту эпоху должно иметь следующие условия: низкоуглеродистый (высокая свариваемость), низкая стоимость (добавление низкого содержания легирующих элементов), высокая формуемость, легкость. сборка и обслуживание.
В настоящее время различные серии высокопрочных сталей для транспортных средств, как правило, имеют определенные ограничения, такие как большие различия в составе и непостоянное качество поверхности, что вносит определенные трудности в окончательное покрытие. В будущем оценку различных материалов следует рассматривать с точки зрения всего процесса, чтобы разрабатывать и производить хорошие и практичные продукты.
