HSS:高強(qiáng)鋼(high strength steel), AHSS先進(jìn)高強(qiáng)度鋼:(advanced high strength steel) ,是基于高強(qiáng)度鋼(HSS)提出來的.
AHSS
先進(jìn)高強(qiáng)度鋼,國際鋼鐵協(xié)會(huì)( IISI) 先進(jìn)高強(qiáng)鋼應(yīng)用指南第三版中將高強(qiáng)鋼分為傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼(Conventional HSS) 和先進(jìn)高強(qiáng)鋼(AHSS) 。傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼、烘烤硬化(BH) 鋼、高強(qiáng)度無間隙原子(HSS -IF) 鋼和高強(qiáng)度低合金(HSLA) 鋼;AHSS 主要包括雙相(DP) 鋼、相變誘導(dǎo)塑性(TRIP) 鋼、馬氏體(M) 鋼、復(fù)相(CP) 鋼、熱成形(HF) 鋼、孿晶誘導(dǎo)塑性(TWIP) 鋼和淬火分離(QP)鋼;AHSS的強(qiáng)度 在500MPa到1500MPa之間,具有很好吸能性,在汽車輕量化和提高安全性方面起著非常重要的作用,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè),和加強(qiáng)件如A/B/C柱、車門檻、前后保險(xiǎn)杠、車門防撞梁、橫梁、縱梁、座椅滑軌等零件; DP鋼最早于1983年由瑞典SSAB鋼板有限公司實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。
先進(jìn)高強(qiáng)度鋼,也稱為高級(jí)高強(qiáng)度鋼,其英文縮寫為AHSS(Advanced High Strength Steel)。國際鋼鐵協(xié)會(huì)( IISI) 先進(jìn)高強(qiáng)鋼應(yīng)用指南第三版中將高強(qiáng)鋼分為傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼(Conventional HSS) 和先進(jìn)高強(qiáng)鋼(AHSS) 。
傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼主要包括碳錳鋼(C -Mn)、烘烤硬化(BH) 鋼、高強(qiáng)度無間隙原子(HSS -IF) 鋼和高強(qiáng)度低合金(HSLA) 鋼;AHSS 主要包括雙相鋼(DP)、相變誘導(dǎo)塑性(TRIP) 鋼、馬氏體(M) 鋼、復(fù)相鋼(CP)、熱成形(HF) 鋼和孿晶誘導(dǎo)塑性(TWIP) 鋼;AHSS的強(qiáng)度在500MPa到1500MPa之間,具有很好吸能性,在汽車輕量化和提高安全性方面起著非常重要的作用,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè),主要應(yīng)用于汽車結(jié)構(gòu)件、安全件和加強(qiáng)件如A/B/C柱、車門檻、前后保險(xiǎn)杠、車門防撞梁、橫梁、縱梁、座椅滑軌等零件; DP鋼最早于1983年由瑞典SSAB鋼板有限公司實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。
雙相鋼
雙相鋼組成是鐵素體基體包含一個(gè)堅(jiān)硬的第二相馬氏體。通常強(qiáng)度隨著第二相的體積分?jǐn)?shù)的增加而增加。在某些情況下,熱軋鋼需要在邊緣提高抗拉強(qiáng)度(典型的措施是通過空穴的擴(kuò)張能力),這樣熱軋鋼便需要具有了大量的重要的貝氏體結(jié)構(gòu)。
在雙相鋼中,在實(shí)際冷卻速度中形成的馬氏體中的碳式鋼的淬硬性增加。錳、鉻、鉬、釩、和鎳元素單獨(dú)添加或聯(lián)合添加也能增加鋼的淬硬性。碳、硅和磷也加強(qiáng)了作為鐵素體溶質(zhì)的馬氏體的強(qiáng)度。
高強(qiáng)度鋼
高強(qiáng)度及高延性鋼的微觀組織是在鐵素體基體中還保留著殘余奧氏體組織。除了體積分?jǐn)?shù)最少為5%的殘余奧氏體外,還存在著不同數(shù)額的馬氏體和貝氏體等堅(jiān)硬組織。
多相鋼
具有代表性的多相鋼需要很高的抗拉強(qiáng)度極限才能轉(zhuǎn)變成鋼。多相鋼的組成是有細(xì)小的鐵素體組織和體積分?jǐn)?shù)較高的堅(jiān)硬的相,并且細(xì)小的沉淀使其強(qiáng)度進(jìn)一步加強(qiáng)。和雙相鋼和高強(qiáng)度、高延性鋼一樣,多相鋼也包含了很多和它們相同的合金元素,但也經(jīng)常有少量的鈮、鈦、和釩形成細(xì)小的、高強(qiáng)度的沉淀物。在抗拉強(qiáng)度值在800MPa或更高時(shí),多相鋼表現(xiàn)出了更高的屈服強(qiáng)度。多相鋼的典型特征是具有高的成形性、很高的能量吸收和很高的殘余變形能力。
馬氏體鋼
為了生成馬氏體鋼,在熱軋或退火中存在的奧氏體在淬火和連續(xù)退火曲線中的冷卻階段全部轉(zhuǎn)變成馬氏體。該結(jié)構(gòu)也會(huì)在成形后的熱處理過程中形成。馬氏體鋼具有非常高的強(qiáng)度,抗拉強(qiáng)度極限達(dá)到了1700MPa。馬氏體鋼經(jīng)常需要用等溫回火來提高其韌性,這樣便能在具有極高的強(qiáng)度的同時(shí)具有很好的成形性。
所有的先進(jìn)高速鋼的生產(chǎn)都要控制奧氏體相或奧氏體加鐵素體相的冷卻速度,可以在外圍表面進(jìn)行熱磨削(如熱軋產(chǎn)品),也可以在連續(xù)退火爐中局部冷卻(連續(xù)退火或熱浸涂產(chǎn)品)。馬氏體鋼是通過快速淬火致使大部分奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體相而產(chǎn)生的。鐵素體加馬氏體雙相鋼的生產(chǎn),是通過控制其冷卻速度,使奧氏體相(見于熱軋鋼中)或鐵素體+馬氏體雙相(見于連續(xù)退火和熱浸涂鋼中)在殘余奧氏體快速冷卻轉(zhuǎn)變成馬氏體之前,將其中一些奧氏體轉(zhuǎn)變成鐵素體。TRIP鋼通常需要保持在中溫等溫的條件以產(chǎn)生貝氏體。較高的硅碳含量使TRIP鋼在最后的微觀結(jié)構(gòu)含過多的殘余奧氏體。多相鋼還遵循一個(gè)類似的冷卻方式,但這種情況之下,化學(xué)元素的調(diào)整會(huì)產(chǎn)生極少的殘余奧氏體并形成細(xì)小的析出以加強(qiáng)馬氏體和貝氏體相。
高速鋼(HSS)是一種具有高硬度、高耐磨性和高耐熱性的工具鋼,又稱高速工具鋼或鋒鋼,俗稱白鋼。高速鋼是美國的F.W.泰勒和M.懷特于1898年創(chuàng)制的。
高速鋼的工藝性能好,強(qiáng)度和韌性配合好,因此主要用來制造復(fù)雜的薄刃和耐沖擊的金屬切削刀具,也可制造高溫軸承和冷擠壓模具等。除用熔煉方法生產(chǎn)的高速鋼外,20世紀(jì)60年代以后又出現(xiàn)了粉末冶金高速鋼,它的優(yōu)點(diǎn)是避免了熔煉法生產(chǎn)所造成的碳化物偏析而引起機(jī)械性能降低和熱處理變形。
安米集團(tuán)北美公司推出新AHSS產(chǎn)品
安米集團(tuán)北美公司推出了Fortiform?980 Extragal?新產(chǎn)品,擴(kuò)展了其AHSS產(chǎn)品系列范圍。該鋼種專為汽車行業(yè)設(shè)計(jì),用于解決液態(tài)金屬脆化和最佳焊接強(qiáng)度等問題,這些問題對(duì)車輛在碰撞過程中受到影響的結(jié)構(gòu)部件(包括前后軌)至關(guān)重要。此外,新鋼種與傳統(tǒng)AHSS相比,在減重高達(dá)20%的同時(shí)能夠滿足汽車日益嚴(yán)格的碰撞及安全要求。
安米集團(tuán)印第安納州研究中心首席研究工程師Hassan Ghassemi Armaki說道:“冷沖壓用新型Fortiform?980 Extragal?系列AHSS產(chǎn)品性能在超越第二代AHSS產(chǎn)品的同時(shí),擁有更高的強(qiáng)度和優(yōu)異的成形性、延展性,為AHSS在車身工程中應(yīng)用開拓了重要的新機(jī)遇。對(duì)于汽車生產(chǎn)商而言,這是一個(gè)至關(guān)重要的優(yōu)勢(shì),因?yàn)樗鼈冋媾R車輛進(jìn)一步減重的壓力,而車輛減重是提高燃油經(jīng)濟(jì)性戰(zhàn)略的一部分。”
目前新鋼種僅提供給北美市場(chǎng),并很快將在歐洲推出。
汽車用先進(jìn)高強(qiáng)鋼(AHSS)的“代溝”
近年來,常規(guī)鋼種的利潤越來越微薄,而汽車用先進(jìn)高強(qiáng)鋼作為有一定技術(shù)門檻,且符合“高強(qiáng)減薄”環(huán)保理念的產(chǎn)品,發(fā)展趨勢(shì)和利潤都相當(dāng)不錯(cuò),也是大家比較關(guān)心的一類高附加值產(chǎn)品。
汽車用先進(jìn)高強(qiáng)鋼每一代每一款鋼種都有其特點(diǎn),常規(guī)性能看上去相近但不能混用。本文雖然會(huì)有些枯燥,但是花點(diǎn)時(shí)間學(xué)習(xí),了解他們的特性,對(duì)于提高工作效率還是非常有幫助的。
汽車用先進(jìn)高強(qiáng)鋼目前的發(fā)展?fàn)顩r
近幾十年來,汽車用先進(jìn)高強(qiáng)度鋼(AHSS-Advanced High Strength Steel)是材料的研發(fā)重點(diǎn),目前世界鋼協(xié)根據(jù)研發(fā)歷史及其特點(diǎn),將之分為三代。
第一代以鐵素體為基的AHSS鋼的強(qiáng)塑積為15 GPa%以下;
第二代以奧氏體為基的AHSS鋼的強(qiáng)塑積為50 GPa%以上,其合金含量高和生產(chǎn)工藝控制困難導(dǎo)致成本高,因此正研發(fā)第三代多相AHSS鋼,通過多相、亞穩(wěn)和多尺度的組織精細(xì)調(diào)控,其強(qiáng)塑積約為20 -40GPa%。
第三代AHSS鋼以提高第一代AHSS鋼強(qiáng)度、塑性和降低第二代AHSS合金含量、生產(chǎn)成本兩方面進(jìn)行研發(fā)。現(xiàn)有及已發(fā)中的AHSS鋼種大致分布情況如下圖。
基于延伸率--抗拉強(qiáng)度關(guān)系的現(xiàn)有及開發(fā)中的
AHSS“香蕉圖”
注:強(qiáng)塑積=抗拉強(qiáng)度 × 延伸率(單位為GPa%),用于簡單評(píng)價(jià)強(qiáng)度和塑形的平衡關(guān)系。
三代汽車用先進(jìn)高強(qiáng)鋼的區(qū)別和特點(diǎn)
第一代
主要包括雙相( DP)鋼、多相( CP)鋼和相變誘導(dǎo)塑性( TRIP)鋼,鐵素體貝氏體鋼(FB/SF),馬氏體鋼(MS/PHS)等。
第一代合金含量低,主要是以鐵素體為主的多相顯微組織。雙相鋼是目前使用最多的一種先進(jìn)高強(qiáng)鋼,除了強(qiáng)度高、成型性好外,還具有易于焊接加工的優(yōu)點(diǎn)。TRIP鋼兼具良好的強(qiáng)度和延伸性能,其殘余奧氏體相通過應(yīng)變誘導(dǎo)相變轉(zhuǎn)化成馬氏體相,從而提高了應(yīng)變硬化指數(shù)。第一代AHSS的屈服強(qiáng)度通常不小于280/300 MPa,抗拉強(qiáng)度不小于590/600 MPa,其成形性能優(yōu)于同等強(qiáng)度級(jí)別的HSLA。
第二代
包括奧氏體孿晶誘導(dǎo)塑性( TWIP) 鋼、誘導(dǎo)塑性輕鋼(L-IP)和剪切帶強(qiáng)化(SIP)鋼。第二代先進(jìn)高強(qiáng)鋼機(jī)械雖然有很高的強(qiáng)度和極好的塑性,但是由于其含有大量的Mn元素,成本很高,而且具有較低的屈服強(qiáng)度(約280MPa),對(duì)于結(jié)構(gòu)件是不利的。此外,這些合金的加工難度非常大,而且TWIP鋼還易于產(chǎn)生延遲裂紋。第二代AHSS的抗拉強(qiáng)度通常在1000 MPa ,斷后伸長率通常為50–60 %。
第三代
第三代的特征是微觀組織為馬氏體(貝氏體)和奧氏體的混合組織。目前認(rèn)為,這類鋼中包括TBF鋼(TRIP Aided Bainitic Ferrite steels),中錳鋼(medium Mn-Trip),QP鋼(Quenching-Partitioning Steel)等;這類鋼主要考慮了對(duì)鋼的使用性能要求(高強(qiáng)度,高延性),同時(shí)也兼顧了經(jīng)濟(jì)性(Affordable)。
TBF鋼它的組織特征是無碳化物板條狀貝氏體基體及較大體積分?jǐn)?shù)的殘余奧氏體,與同等強(qiáng)度級(jí)別的第一代AHSS相比,它的成形性能更好,并且具有良好的翻邊擴(kuò)孔性能,并且,通過貝氏體鐵素體晶粒的進(jìn)一步細(xì)化,其強(qiáng)度有望進(jìn)一步提高,通過相變誘導(dǎo)塑性效應(yīng),提高材料的延展性能。這類鋼已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)。
中錳鋼,其Mn含量約為4-12%,它的強(qiáng)度和塑性均符合第三代AHSS的特征,它的殘余奧氏體組織的體積分?jǐn)?shù)較大。目前暫未實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn),但在寶鋼已經(jīng)完成了試制。這類鋼的主要合金元素為Mn,并添加了一定比例的Si/Al和其他微合金元素,其C含量較低。通過不同的熱處理工藝可獲得不同的顯微組織結(jié)構(gòu),可獲得的鋼的強(qiáng)度范圍較大。
QP鋼(淬火延性鋼),的組織特征是馬氏體與殘余奧氏體的混合組織,這種特征的顯微組織是通過Q&P工藝獲得的。Q&P熱處理工藝獲得的鋼,不僅僅具有高的抗拉強(qiáng)度及斷后伸長率的乘積,并且與同等強(qiáng)度級(jí)別的其他類型顯微組織的鋼相比(DP, TRIP, Q&T),具有更高的屈強(qiáng)比(YS/TS ratio)和更高的擴(kuò)孔性能,寶鋼是全球首個(gè)實(shí)現(xiàn)QP鋼商業(yè)化生產(chǎn)的大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)。
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