第3代汽车钢的组织与性能调控技术

  介绍了第3代汽车钢的基础研究与工业试制工作。对国内外高性能汽车钢进行了回顾总结,在以“多相（Multi phase）、亚稳（Meta stable）、多尺度（Multi scale）”（简称M3）为特征的组织调控理论的指导下,提出了高强塑积第3代汽车钢的超细晶基体与亚稳相的组织调控思路,采用了新型中锰合金化和逆转变奥氏体(Austenite Reverted Transformation, ART)退火的技术思路。详细介绍了第3代汽车钢的基础研究进展及工业试制结果,内容包括奥氏体逆转变退火机制,超细铁素体与亚稳奥氏体的双相形成规律,高强塑积汽车钢的力学行为及其强塑化机制,第3代汽车钢的工业试制流程及其服役性能和在汽车上应用技术与前景。本研究结果形成了以高强度和高塑性为特征的高塑积第3代汽车钢的原型钢技术,为汽车轻量化与碰撞安全性能的提高奠定了材料技术基础。     

汽车用第3代先进高强度钢的研发进展

近几十年来,汽车用先进高强度钢(AHSS-Advanced High Strength Steel)是材料的研发重点。第1代以铁素体为基的AHSS钢的强塑积为15 GPa·%,第2代以奥氏体为基的AHSS钢的强塑积为50 GPa·%,其合金含量高和生产工艺控制困难导致成本高,因此正研发第3代多相AHSS钢,通过多相、亚稳和多尺度的组织精细调控,其强塑积为30 GPa·%。第3代AHSS钢以提高第1代AHSS钢强度、塑性和降低第2代AHSS合金含量、生产成本两方面进行研发。本文介绍了超细DP(双相)钢,改进型TRIP(相变诱发塑性)钢,淬火-碳分配(Q&P)钢,超细晶贝氏体钢,超快加热和冷却的贝氏体-铁素体-马氏体钢,高锰铁索体-奥氏体钢和中锰亚稳奥氏体-超细晶基体钢等第3代AHSS钢的研究进展。     

高强塑积汽车钢板组织控制的基本思路

正根据钢的强塑积将汽车钢分为三代:第一代汽车钢的强塑积一般为15 GPa·%;第二代汽车钢的强塑积达到了50 GPa·%,如TWIP钢;第三代汽车钢在前两代汽车钢的研究基础上,通过Q·P工艺或ART逆相变奥氏体工艺结合元素的配分和扩散过程,获得细小均匀的铁素体和亚稳奥氏体混合多相组织,中低合金质量分数的高性能汽车钢铁材料。无论是第一代汽车钢中的DP钢和TRIP钢,第     

预处理组织对低碳钢IQ&P工艺下组织及性能影响

采用γ单相区和γ+α双相区轧制并淬火工艺以及双相区再加热-淬火-碳配分(IQ&P)工艺,研究预处理组织对低碳钢室温状态多相组织特征及力学性能的影响规律.实验用低碳钢经两种工艺轧制并淬火处理,获得马氏体和马氏体+铁素体的预处理组织,再经双相区IQ&P工艺处理后均获得多相组织.马氏体预处理钢的室温组织由板条状亚温铁素体、块状回火马氏体以及一定比例的针状未回火马氏体和8.2%的针状残余奥氏体组成;马氏体+铁素体预处理钢由板条状亚温铁素体、块状和针状未回火马氏体以及14.3%的短针状或块状残余奥氏体组成.在相同的双相区IQ&P工艺参数下,预处理组织为马氏体的钢抗拉强度为770 MPa,伸长率为28%,其强塑积为21560 MPa·%;而预处理组织为马氏体+铁素体的钢抗拉强度为834 MPa,伸长率增大到36.2%,强塑积达到30190 MPa·%,获得强度与塑性的优良结合.      

稀土在汽车用先进高强钢中的研究现状

成分设计与优化是先进高强钢增强、增塑以及增韧的关键技术之一。随着钢质高纯化装备和技术的进步与发展,稀土元素在钢中的应用已由净化、夹杂物改性逐步向微合金化过渡。从第一代铁素体基软钢和高强低合金钢向第二代奥氏体基超高强钢,再到多相、亚稳和多尺度组织调控的第三代高强韧性钢,先进高强钢的微合金化技术一直是控制组织和性能的有效举措。稀土原子具备较大原子半径以及与O、S的高亲和力等优异特性,可从控制凝固与固态相变,影响碳元素与合金元素的扩散等多方面影响先进高强钢的组织结构,从而对其力学性能、成形性能以及耐腐蚀等服役性能产生显著影响。本文阐述了稀土元素分别在第一代、第二代和第三代典型先进高强钢中的作用机理,并展望了稀土元素在未来汽车钢中的应用前景。      

高性能钢的M~3组织调控理论与技术

介绍了国家重点基础研究发展计划(973计划)"高性能钢的组织调控理论与技术基础研究"项目的研究目标和内容。该项目以提高钢的服役安全性为目标,研究提高钢的性能之组织调控理论和技术。研究内容包括了温度和应力作用下的亚稳奥氏体相变机制、相变过程中碳扩散、相变组织多尺度特征、相变组织在温度-应力-腐蚀作用下的稳定性、以及获得高洁净度和高均匀度钢坯的化学冶金学和凝固技术基础。建立以"多相(Multi-phase)、亚稳(Meta-stable)、多尺度(Multi-scale)"(简称M3)为特征的组织调控理论,形成以第3代低合金钢、第3代汽车用钢和第3代马氏体耐热钢为代表的高性能原型钢技术,为大幅度提高建筑设施、汽车、能源装备的服役安全性奠定钢铁材料技术基础。     

低碳多相钢的组织调控与力学性能

采用优化后的临界区再加热-淬火中温等温(T1、T2)热处理工艺,对具有不同前躯体组织的(0.22/0.17)C-(1.91/1.85)Mn-(1.32/0.94)Si两类热轧6 mm钢板分别进行处理,获得了具有铁素体、贝氏体、马氏体以及弥散分布于原奥氏体晶界、相界等处的残余奥氏体所构成的多相组织.利用扫描电镜、X射线衍射以及电子背散射衍射分析技术等对不同热处理阶段钢的微观组织进行了表征.结果证实,采用不同的前躯体组织设计可以很好地调控临界区再加热逆转变奥氏体的组织形貌、比例以及碳含量,进而通过后续处理来实现对钢中多相组织的调控.前躯体为马氏体的0.22C钢,经T1工艺后获得了以针状铁素体为基体的多相组织,其强塑积超过了30 GPa·%;前躯体为铁素体+马氏体的0.17C钢经T2工艺后获得了以块状铁素体为基体的多相组织,其强塑积超过了27 GPa·%.      

退火温度对超细晶中锰TRIP钢组织性能的影响

为研究连续退火工艺生产中锰TRIP钢汽车板的可行性,在钢板连续退火模拟机CCT-AY-域上研究了590~710℃不同退火温度下保温3 min对低碳中锰钢组织性能的影响.利用扫描电镜、透射电镜、电子背散射衍射和X射线能谱分析等微观分析方法对实验钢进行了组织结构和成分表征,利用X射线衍射法测量了残余奥氏体量,通过拉伸试验机测试了钢的单轴拉伸性能.结果表明:保温3 min时,随着保温温度的升高,残奥含量先增加后减少.在650℃退火时断后伸长率（21.3%）和强塑积（28 GPa·%）获得最大值,抗拉强度达到1330 MPa.马氏体基体通过回复,而残余奥氏体通过孪晶,获得超细晶组织.亚稳奥氏体的TRIP效应和超细晶铁素体（马氏体）共同提供了实验钢高的塑性.实验钢真实应力-应变曲线上呈现锯齿状现象,且稳定阶段加工硬化指数远高于传统TRIP钢.      

冷轧中Mn－TRIP钢的机理与研发进展

中Mn-TRIP钢作为第三代汽车用钢研发的重点,从21世纪初就得到越来越多国内外汽车及钢铁企业的关注。介绍了中Mn-TRIP钢种的最新机理研究与工业化进展。中Mn-TRIP钢主要由纳米级至微米级铁素体和亚稳奥氏体构成,有时也含有一定比例的马氏体,其组织特征和变形机理与其他先进高强钢有显著不同。众多科研院所做了大量工作,包括中Mn成分设计、相变精细结构表征、超细晶Lüders应变行为、相变诱导加工硬化、奥氏体不全位错滑移等,从而对中Mn-TRIP钢有了更为深入的认识。1 000~1 200 MPa级冷轧中MnTRIP钢和热镀锌中Mn-TRIP钢已经成功实现了工业化试制,其强塑积大于35 GPa·%,标志着冷轧中Mn-TRIP钢正逐步由基础研究向工业化生产推进。     

亚稳奥氏体和微合金元素对冷轧高强汽车钢性能的影响

介绍了亚稳奥氏体和微合金元素（Nb、V）对TRIP钢、TWIP钢和Q＆P钢等冷轧高强汽车钢性能的影响。主要包括调控冷轧高强汽车钢亚稳奥氏体组织的成分体系和连续退火工艺、亚稳奥氏体组织特征及测量方法,及其对高强汽车钢强塑积、拉伸曲线形状等性能的影响等。同时介绍了微合金元素（V、Nb）对冷轧高强汽车钢成形性、强度等级、延迟断裂等个性化性能的影响。     

Notch-Fatigue Properties of Advanced TRIP-Aided Bainitic Ferrite Steels

To develop a transformation-induced plasticity (TRIP)-aided bainitic ferrite steel (TBF steel) with high hardenability for a common rail of the next generation diesel engine, 0.2?pct C-1.5?pct Si-1.5?pct Mn-0.05?pct Nb TBF steels with different contents of Cr, Mo, and Ni were produced. The notch-fatigue strength of the TBF steels was investigated and was related to the microstructural and retained austenite characteristics. If Cr, Mo, and/or Ni were added to the base steel, then the steels achieved extremely higher notch-fatigue limits and lower notch sensitivity than base TBF steel and the conventional structural steels. This was mainly associated with (1) carbide-free and fine bainitic ferrite lath structure matrix without proeutectoid ferrite, (2) a large amount of fine metastable retained austenite, and (3) blocky martensite phase including retained austenite, which may suppress a fatigue crack initiation and propagation.     

先进高强度汽车钢的发展趋势与挑战

 高强钢在汽车轻量化、节能减排、成本方面具有一定的优势与潜力，目前，仍是汽车的主要材料。高强钢的使用比例逐年增加，并且向更高强度方向发展，生产方式呈现出钢板“以热代冷”、零件成形“以冷代热”的低成本发展趋势，依靠亚稳奥氏体增强、增塑的第三代汽车钢成为先进高强钢的重要发展方向，然而，先进高强钢的发展给材料、工艺、装备等带来了新的挑战。     

中锰钢的研究进展与前景

总结了国内外中锰钢研究现状, 对文献中中锰钢的成分设计、成型工艺、热处理工艺、组织性能调控等进行汇总分析, 得到了合金元素、成型工艺、微观组织结构和热处理对力学性能的影响规律, 并对中锰钢的性能例如lüders带和PLC带对加工硬化率的影响、氢致延迟开裂性能给予了重点关注和讨论; 同时提出借鉴第二代先进高强钢(纯奥氏体相)"层错能"这一控制形变模式的概念, 对中锰钢中奥氏体相的形变模式提出预测; 最后对目前中锰钢研究的争议问题、发展前景及未来可能面对的问题进行阐述.      

Development of high strength low alloy TRIP‐aided steels with annealed martensite matrix

Formable high‐strength low‐alloy TRIP‐aided sheet steels with annealed martensite matrix or TRIP‐aided annealed martensitic steel were developed for automotive applications. The steels possessed a large amount of plate‐like retained austenite along annealed martensite lath boundary, the stability of which against the strain‐induced transformation was higher than that of the conventional TRIP‐aided dual‐phase steel with polygonal ferrite matrix. In a tensile strength range between 600 and 1000 MPa, the TRIP‐aided annealed martensitic steels exhibited superior large elongation and reduction of area. In addition, the steels possessed the same excellent stretch‐flangeability and bendability as TRIP‐aided bainitic steel with bainitic ferrite matrix. These properties were discussed by matrix structure, a strength ratio of second phase to matrix, retained austenite stability, internal stress in matrix and so on.     

第三代汽车钢的热塑性及断裂机理

采用Gleeble-1500热模拟试验机,对第三代汽车钢(TG钢)在不同的变形温度下进行了热拉伸试验,研究其热塑性的变化运用光学显微镜和扫描电镜分析了实验钢热变形的断口形貌及断裂机理.发现实验钢的强度随温度的升高而降低,热塑性曲线分为第Ⅰ脆性区、高温塑性区和第Ⅲ脆性区三个区域,其中第Ⅲ脆性区存在两个塑性极小值.在1300~800℃时实验钢的组织为奥氏体,断裂方式为连孔延性断裂,动态再结晶使韧窝分离前发生了较大的塑性变形,断口为大而深的韧窝;750℃时实验钢沿奥氏体晶界析出铁素体,断裂方式为界面断裂,断口既存在着铁素体内聚失效形成的小的孔洞,也存在由于裂纹沿奥氏体晶界扩展形成的石块状形貌;650℃由于出现了铁素体的准解理,实验钢的塑性下降,热塑性曲线再次出现极小值.      

Ultrafine Grained Duplex Structure Developed by ART-annealing in Cold Rolled Medium-Mn Steels简

The microstructural evolutions of the cold rolled Fe-0.1C-5Mn steel during intercritical annealing were ex- amined using combined advanced techniques. It was demonstrated that intercritical annealing results in an ultrafine granular ferrite and austenite duplex structure in cold rolled 0.1C-5Mn steel. The strong partitioning of manganese and carbon elements from ferrite to austenite was found during intercritical annealing by scanning transmission elec- tron microscopy （STEM） and X-ray diffraction （XRD）. Strong effects of boundary characters on the austenite for- mation were indicated by austenite fast nucleation and growth in the high angle boundaries but sluggish nucleation and growth in the low angle boundaries. The ultrafine grained duplex structure in 0.1C-5Mn was resulted from the the sluggish Mn-diffusion and the extra high Gibbs free energy of ferrite phase. Based on the analysis of the micro- structure evolution, it was pointed out that the intercritical annealing of the medium Mn steels could be applied to fabricate an ultrafine duplex grained microstructure, which would be a promising approach to develop the 3rd genera- tion austomobile steels with excellent combination of strength and ductility.