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汽车轻量化的轻质钢“魔法”

来源:山东无缝钢管厂 发布时间: 2016/1/11 9:30:35 【返回上一步】
本页关键词:不锈钢管,无缝不锈钢管

 铁素体—奥氏体双相轻质钢和奥氏体轻质钢 

  Al对奥氏体层错能的影响。Al影响钢中奥氏体的堆垛层错能(SFE),进而影响奥氏体的变形行为。随SFE增加,应变条件下奥氏体变形机制依次为相变诱导塑性(TRIP)、孪晶诱导塑性(TWIP)和位错滑移/微带/剪切带诱导塑性(DG/MBIP/SIP)。因此,需要知晓Al与奥氏体SFE之间的定量关系,以深入理解铁素体—奥氏体双相钢和奥氏体钢的力学行为。 

  通过TEM试验方法,研究者得出结论:Fe-18Mn-0.6C-1.5Al合金钢中每1%Al含量可引起SFE增加11.3mJ/m2。文中合金元素含量无特殊说明均以质量分数(%)计量。通过中子衍射试验方法,研究者在Fe-18Mn-xAl-0.6C(x≤3%)钢中发现Al含量与SFE形成以下线性关系:SFE=8.84x+19.0mJ/m2。上述研究表明,Al含量增加显著提高奥氏体SFE。低密度双相钢和奥氏体钢中C、Mn和Al合金元素的高含量使奥氏体SFE一般介于80mJ/m2~110mJ/m2,因而奥氏体晶粒在形变时不会发生相变或孪生。 

  铁素体—奥氏体双相轻质钢。双相轻质钢中,铁素体相和奥氏体相的体积分数可比。研究者研究了Fe-20Mn-9Al-0.6C冷轧双相钢在800℃~1100℃等温固溶处理10min后水淬的微观组织和力学性能。研究结果概括如下:(1)微观组织方面,随固溶温度升高,奥氏体晶粒尺寸增加,但铁素体晶粒尺寸基本保持不变;至1100℃时,双相钢的两相体积分数和晶粒尺寸相当。(2)力学性能方面,随固溶温度升高,虽然双相钢的强度降低,但断裂延伸率却提高。当固溶温度为1100℃时,双相钢的屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为494MPa、787MPa和47%。(3)对组元相硬度随应变变化的分析表明,奥氏体的加工硬化指数高于铁素体。另外,铁素体的加工硬化指数对固溶温度变化不敏感,而奥氏体的加工硬化指数随固溶温度升高而增加。这使得双相钢的整体加工硬化行为由奥氏体加工硬化行为来主导,因而加工硬化率随固溶温度升高(亦即奥氏体晶粒尺寸增加)而提高。 

  TEM微观分析表明:形变诱发在铁素体晶内形成位错胞状亚结构(源于位错交滑移),而在奥氏体晶内只观察到平面位错滑移(dislocation planar glide)。比较组元相的加工硬化行为和晶粒内部位错结构,可以得出平面位错滑移的变形模式能显著提高材料的加工硬化率和断裂延伸率的结论。 

  奥氏体轻质钢。依据合金成分和热处理工艺,奥氏体钢除主要组成相奥氏体外,还可能含有少量铁素体和碳化物(其前身为溶质原子的短程有序排布结构,Short Range Ordering或SRO)。总的来说,奥氏体钢的力学性能主要是由奥氏体基体的变形行为以及奥氏体基体―碳化物的相互作用所共同决定。 

  奥氏体钢基体的变形行为。研究者研究了固溶热处理工艺对Fe-28Mn-9Al-0.8C奥氏体钢的微观组织和室温力学性能的影响。研究结果概括如下:(1)当固溶温度为700℃~800℃时,淬火后钢的基体呈现混晶组织,粗晶区为奥氏体相而细晶区为铁素体和奥氏体两相的混合体。当固溶温度升高至1000℃时,钢的基体为单一奥氏体组织,并且晶粒尺寸随固溶时间延长而增加。(2)混晶组织和铁素体的存在使钢的加工硬化随应变增加而不断减小;单一奥氏体组织一般使钢的加工硬化在变形过程中呈现出先减小后增加的趋势,并且增加晶粒尺寸有助于维持加工硬化至更高应变水平。因此,较低固溶温度(700℃~800℃)引起的混晶组织以及细小铁素体晶粒的存在,使钢的强度增加,但显著降低延伸率;对于单一奥氏体组织(1000℃固溶温度下),增加晶粒尺寸使钢的强度降低但却提高断裂延伸率。 

  研究者研究了应变速率及变形温度对不同微观组织构成的奥氏体钢力学性能的影响,主要结论如下:(1)室温下,流动应力的应变速率敏感性指数约为0.035~0.05;在单一奥氏体组织中,流动应力对应变速率的依赖关系,同平面滑移位错在热激活辅助作用下克服溶质原子短程有序排列或团簇状分布的能力密切相关。一般地,随应变速率增加,延伸率明显降低。(2)变形温度对奥氏体钢塑性的影响与奥氏体分解(形成部分有序铁素体)、应力诱导κ碳化物析出和动态应变时效相关。较高变形温度下,部分有序铁素体的形成和应力诱导κ碳化物的析出会降低断裂延伸率。在变形呈现动态应变时效特征的温度范围内,奥氏体钢的断裂延伸率与室温下的延伸率相当,这可能是由于钢的基体中含有足够多间隙C原子,可以用来钉扎几乎全部可动位错,从而延缓局部变形的发生。 

  奥氏体―κ碳化物的相互作用。研究者研究了Fe-20Mn-10Al-1.5C-5Cr奥氏体钢经固溶处理后分别水淬和空冷至室温时,κ碳化物的析出情况:(1)水淬后,碳化物以极为细小的颗粒从过饱和奥氏体基体中弥散析出;(2)空冷时,由于冷却速度降低,析出的碳化物颗粒在随后的缓冷过程中逐渐粗化,颗粒尺寸达10nm~20nm。将过饱和固溶体置于450℃~650℃等温时效,能使κ碳化物从基体中快速析出并且增加碳化物的体积分数;随时效温度和时间增加,碳化物不断粗化(过时效往往会导致奥氏体分解生成铁素体)。 

  塑性变形时,位错剪切κ碳化物颗粒,从而建立起平面位错滑移的变形机制和形成滑移带。一般来说,κ碳化物的析出有助于提高奥氏体钢的强度,但使钢的加工硬化率和断裂延伸率降低。但是研究发现,当时效时间从10h延长至192h,尽管钢的断裂延伸率降低,但其加工硬化率却在小于12%的应变范围内显著提高(甚至高于合金处于过饱和状态时的加工硬化率);钢的强度同时降低。 

  两类富Al轻质钢的强韧化机制。奥氏体具有高堆垛层错能(80mJ/m2~110mJ/m2)以及原子短程有序(SRO)的微观结构,这使得低密度奥氏体钢或钢中奥氏体的变形机制为平面位错滑移。随变形应变增加,奥氏体晶粒内部位错结构的演变依次为:平行位错组成的位错列、三维Taylor点阵结构、Taylor点阵畴和畴界和微变形带(microband)的形成及交错作用。微变形带的形成和交错作用提供奥氏体钢(或钢中奥氏体)塑性变形时持续加工硬化和良好塑性,因此,通常将上述变形强韧化机制称为微带诱发塑性(microband-induced plasticity 或MBIP)。研究发现,变形诱发奥氏体晶内形成均匀分布的剪切带是该类钢种具有良好塑性的根本原因,研究者将这一强韧化机理称为剪切带诱发塑性(shear band-induced plasticity或SIP)。上述两种机制均源于平面位错滑移(planar dislocation glide或PDG)。 

  铁素体—奥氏体双相轻质钢和奥氏体轻质钢中Al含量可达12%,相应地钢的密度降低可达15%以上;两类轻质钢的强塑积一般超过30GPa·%,特别是奥氏体钢的力学性能接近TWIP钢。但是,两类钢中C、Mn和Al合金含量高,这使得钢的可制造性变差。上述两类轻质钢可以潜在用来制造汽车安全件和形状复杂的结构件。 

  富Al轻质钢的不利属性及改进措施 

  尽管富Al轻质钢具有高比强度的优良属性,但是随Al含量增加,钢的弹性模量不断降低。从微观角度来说,弹性模量反映金属键的强度。添加Al原子会引起Fe基体点阵的晶格能降低和点阵扩张,从而导致钢的弹性模量降低。富Al轻质钢的弹性模量降低使具有相同几何形状的构件的刚度减小,从而削弱由密度降低和比强度升高带来的减重效果。所以,对富Al低密度高强钢来说,提高其弹性模量是钢种开发所必须要考虑的重要因素。 

  通过反应铸造法在钢的基体中原位(in-situ)生成具有高弹性模量的碳化物和硼化物等硬质颗粒(如TiC、VC和TiB2)来提高钢板材料整体的弹性模量是当前研究领域的主流观点,所制备的材料实际为颗粒增强钢铁基复合材料。原位复合技术克服了外加颗粒增强方式的缺点,颗粒的原位生成源自钢水在凝固时发生的物理相变,因此,该技术具有颗粒分布均匀、颗粒与基体相容性好、材料制备工艺简单和成本低等特点,并且适用于钢铁工业规模化生产。另外,增强颗粒较钢的密度低,因而所制备的钢基复合材料也是一种特殊的轻质钢。基于上述原理,Tata钢铁和ArcelorMittal等钢企先后申请了关于弹性模量增强型低密度钢种及制造方法的专利。 

  研究表明:使用成分体系Fe-0.04C-0.23Mn-5.75Al-5.1Ti-2.58B,在铁素体基体中原位生成8.8%的(Fe2B+TiC+TiB2)增强颗粒,使热钢板的弹性模量增加至211GPa,密度降至6.71g/cm3(与常规碳钢相比,密度降低达14.1%),即比弹性模量(弹性模量除以密度)比常规碳钢提高了19.4%,达31.4GPa·cm3·g-1;复合钢板的强度为680MPa,延伸率为15%。使用成分体系Fe-0.012C-0.086Mn-5.37Ti-2.86B,在铁素体基体中原位生成12.8%体积分数的TiB2和5.1%体积分数的Fe2B增强颗粒,使钢的弹性模量增加至250GPa(与常规碳钢相比,弹性模量增加近22%),密度降至7.32g/cm3,即比弹性模量比常规碳钢提高了近30%,达34.2GPa·cm3·g-1;复合钢板的强度为590MPa,延伸率为14%。对此类复合钢种的研发,需要关注钢种的成分设计、凝固过程中相变反应(即颗粒原位合成反应)的热力学和动力学,以及选择合适的凝固冷却速度,使钢板坯基体中均匀分布着细小增强颗粒。 

  颗粒增强钢基复合材料(亦称高弹性模量钢)可用于制造刹车片、悬挂件、减震架、车内地板等汽车零部件。这类零部件对材料的强度和塑性要求不太苛刻,但对刚度要求较高。 

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