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汽车轻量化的轻质钢“魔法”[铸造][铸造厂][铸件][不锈钢][锈钢]

来源:未知 佚名 2018-04-24 浏览
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  提高汽车用钢的比强度(强度与密度之比)可以实现汽车轻量化。目前主要途径是使用高强钢和先进高强钢,先进高强钢从第一代发展至第三代,在提高强度的同时,使材料具有良好的强度和延展性匹配以及合理的成本。提高钢板比强度的另一途径是在维持良好力学性能的基础上,降低钢板材料的密度。轻质钢(又称低密度钢)的开发正是基于后一观念。

  Al元素在轻质钢中的作用

  Al降低钢的密度。固溶Al原子会引起Fe基体点阵扩张,添加合金元素Al降低钢的平均摩尔质量和增加钢的摩尔体积,从而降低钢的密度。室温下,Al在纯Fe中有较高固溶度(约9%);在C和Mn等其他元素存在时,其固溶度可进一步提高。因此,Al往往成为轻质钢的主要合金元素。Fe-Al合金是最简单的轻质钢,多数情况下Al与C和Mn等合金元素一起构成复杂多相的轻质钢种。一般地,添加1%的Al使钢的密度降低略大于1.1%。

  Al对钢中相组成的影响及轻质钢的分类。Al是铁素体强稳定化元素。Fe-Al二元合金中,当Al含量大于1%时,由液相凝固形成的铁素体在后续温降或热加工过程中不发生δ铁素体→γ奥氏体→α铁素体相变反应,合金在固态时基体组织均为铁素体(无序BCC结构,即A2结构)。随Al含量增加,铁素体会发生点阵有序转变,生成Fe3Al相(DO3结构)和FeAl相(有序BCC结构,即B2结构),合金的塑性显著降低。

  按合金成分和室温下基体主要组成相,将轻质钢大致分为以下四类:(1)单一铁素体钢。此类钢种为Fe-Al固溶体合金,其主要成分为Fe-(2~9)Al,组织为单相铁素体(文中合金元素含量无特殊说明均以质量分数计量)。通常地,该钢种可添加适量Mn元素,并且用微量Ti和Nb等强碳、氮化物形成元素来固定钢中间隙原子以形成无间隙原子钢。(2)铁素体钢。此类钢种的大致成分为Fe-(2~7)Al-(0~9)Mn-(0~0.4)C,其热轧组织多为(δ+α)铁素体和碳化物的混合物,其中δ铁素体在热加工和热处理过程中始终存在。冷轧铁素体钢经TRIP或Q-P工艺热处理后可获得适量残余奥氏体,这些残余奥氏体在形变时被诱发马氏体相变,从而显著提高钢板的强塑积。通常所说的铁素体轻质钢多数为δ-TRIP钢。(3)铁素体—奥氏体双相钢。此类钢种的大致成分为Fe-(3~13)Al-(5~30)Mn-(0.2~1.0)C,其主要组织构成为铁素体和奥氏体两相,且奥氏体在加工和后续形变过程中保持组织稳定性。(4)奥氏体钢。此类钢种的大致成分为Fe-(7~12)Al-(20~30)Mn-(0.5~1.5)C,其主要组织为奥氏体,还可能含有少量铁素体和κ碳化物。同样地,奥氏体在加工和后续形变过程中保持组织稳定性。

  Al对碳化物形成的影响。富含Al轻质钢中碳化物形成途径之一是通过共析反应,奥氏体分解生成α铁素体和碳化物。增加Al和C含量削弱M3C型碳化物稳定性,促进κ碳化物形成。实际生产中,由于相变的非平衡性,当Al含量超过4%~5%时,钢的基体中往往只存在κ碳化物而M3C型碳化物及其他碳化物被抑制。除源自共析反应外,κ碳化物也常常在富Al、Mn和C的过饱和奥氏体钢中形成。研究发现,只有当Al和C的含量分别超过8%和0.8%时κ碳化物才能在基体析出,并且κ碳化物析出是由于过饱和固溶体调幅分解以及C和Al原子有序排列的两个过程相伴发生的结果。当发生过时效,κ碳化物颗粒不断粗化并最终会导致在晶界处形成块状κ碳化物,同时奥氏体转变为α铁素体或DO3相。

  本文重点介绍单一铁素体轻质钢和铁素体轻质钢的微观组织特征、力学性能和强韧化机制,为进一步开发上述种类轻质钢提供有益思路。

  单一铁素体轻质钢

  鉴于微量C元素可诱发晶界处形成κ碳化物而显著削弱Fe-Al合金的成型性能,目前对此类钢的研究多集中于富铝无间隙原子钢(简称Al-IF钢)。固溶Al显著提高IF钢的屈服强度和抗拉强度,但使延伸率和加工硬化指数n值降低,并且钢板的平均塑性应变比(rm值)降低和平面各向异性指数(Δr值)增加。研究表明,含约7%Al的IF钢的n值和rm值分别降为0.17和1.4。

  传统IF钢具有均匀强γ织构,添加Al弱化了钢板的γ织构和引入其他织构成分。γ织构弱化是导致Al-IF钢板rm值及深冲性能降低的根本原因。Al-IF钢板的γ织构弱化可做如下解释:(1)Fe-Al合金在热加工过程中无γ奥氏体→α铁素体相变发生,且Al原子阻碍合金的动态再结晶,通常情况下热加工组织呈现长条状。这种粗大组织在后续冷轧过程中容易发生局部不均匀变形(形成剪切带和过渡带)使晶粒分裂成具有不同位向的单元组合体。因此,冷轧钢板具有复杂晶体取向而非强γ织构。(2)Al原子阻碍退火过程中静态再结晶晶粒生长,促进Fe-Al合金钢中包括立方织构在内的非γ织构成分保留下来。

  Al-IF钢具有较高的强度和延展性,并且其密度降低可达10%。如果深冲性能能进一步改善,Al-IF钢可潜在用来制造汽车覆盖件和内部结构件。

  铁素体轻质钢(δ-TRIP钢)

  δ铁素体。δ铁素体是铁素体轻质钢的主要组成相。凝固过程相继发生液相转化为δ铁素体(Liq→δ铁素体)和包晶反应(Liq+δ铁素体→γ奥氏体),剩余δ铁素体被保留下来。通常δ铁素体在铸态组织中含量高于其在平衡相图上的计算值,高温热处理(1300℃/24h)后两者相当。研究表明,造成上述差异的根本原因是包晶反应时奥氏体形核困难,而非奥氏体晶核生长受到限制。δ铁素体在后续热加工和热处理过程中始终存留。

  δ-TRIP钢的热(冷)轧组织及轧制变形特性。δ-TRIP钢的热(冷)轧组织通常为δ铁素体、α铁素体和M3C型或κ碳化物的混合体。δ铁素体因轧制变形而沿轧向伸长,一般称为铁素体条带(ferrite band)。α铁素体和碳化物主要由γ奥氏体经共析反应生成,呈片层状间隔排列(碳化物片层厚度随C和Al含量升高而增加),两者的混合体常称为碳化物条带(carbide band)。另外,碳化物还存在于δ铁素体晶界以及铁素体条带—碳化物条带界面处,这可能是由于溶质原子在晶界处偏聚所致。当Mn含量增高时,高温奥氏体可在温降过程中直接转变为马氏体。

  基体碳化物的尺寸、形貌和分布情况影响δ-TRIP钢的轧制可变形性。研究者利用不同种类热(冷)轧δ-TRIP钢板的单向拉伸变形来模拟研究钢板在轧制变形时裂纹形成和扩展现象,有以下主要结论:增加Al含量促进裂纹形成,低C含量并非有利于δ-TRIP钢的冷轧变形。

  δ-TRIP钢的退火组织和力学性能。冷轧钢板经临界区退火和奥氏体等温淬火后,碳化物条带转化为奥氏体条带(残余奥氏体和铁素体混合体),δ铁素体条带可发生静态再结晶。退火后钢板的微观组织由δ铁素体、α铁素体(和贝氏体铁素体)以及残余奥氏体组成。残余奥氏体被形变诱发马氏体相变时,会提高钢板的加工硬化能力,因而提高残余奥氏体体积分数和机械稳定性,有助于增加退火钢板的强塑性。研究表明,残余奥氏体晶粒尺寸、形貌、晶体学位向以及周围相分布显著影响其机械稳定性。

  δ-Mn-TRIP钢。研究者尝试在低碳中锰钢中添加合金元素Al,所得钢种经轧制和连退后基体组织包含δ铁素体、α铁素体和亚稳态残余奥氏体,其强度和塑性接近普通中Mn钢的力学性能。这里将上述富铝中锰钢简称为δ-Mn-TRIP钢。退火过程中,轧制钢板基体中的马氏体板条经逆相变生成细小奥氏体晶粒,C和Mn元素经配分后在残余奥氏体中均发生富集。添加Al元素提升了中锰钢临界退火温度,这为加速马氏体向奥氏体逆转变和Mn配分创造了有利条件。

  δ-TRIP钢的成分设计基于富C或富Mn的TRIP钢,其中Al含量可达7%(因而钢的密度降低可超过8%)。δ-TRIP钢的优良属性包括同第三代先进高强钢相类似的强塑积以及良好焊接性能;另外,其合金含量在所有轻质高强钢中处于较低水平,钢厂现有生产装备基本能够满足此类钢种生产需求。δ-TRIP钢可用来制造汽车安全件和结构件。

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