Sednem nowoczesnej produkcji samochodów jest bezpieczeństwo i ochrona środowiska, a nadwozie wymaga „zwiększenia wytrzymałości i zmniejszenia masy”. Zaawansowana stal o wysokiej wytrzymałości przeżywa w tym kontekście boom i jest szeroko stosowana w elementach konstrukcyjnych i elementach bezpieczeństwa karoserii samochodowych.
Rodzaje stali o wysokiej wytrzymałości do samochodów
1. Stal DP, stale dwufazowe
2.CP Stal, złożone stale fazowe
3. TRIP Stal, stale o plastyczności indukowanej transformacją
4. Stal MS, stale martenzytyczne
5.QP stal, stal do hartowania i partycjonowania
6. Podwójnie indukowane plastyczność stali (stal TWIP)
7. Stal borowa (stal PH lub stal B, stal hartowana w prasie / stal borowa)
Stal dupleksowa (stal DP)
Charakterystyki użytkowe: brak wydłużenia plastyczności, brak starzenia w temperaturze pokojowej, niski wskaźnik plastyczności, wysoki wskaźnik umocnienia przez zgniot i wysoka wartość utwardzania przy wypalaniu.
Typowe zastosowanie: Stal o wysokiej wytrzymałości z serii DP jest obecnie preferowaną stalą na części konstrukcyjne i jest szeroko stosowana w częściach konstrukcyjnych, częściach wzmacniających i częściach antykolizyjnych. Na przykład belki poprzeczne dna samochodu, szyny, gmole, konstrukcje wzmacniające gmole itp.
Złożona stal fazowa (stal CP)
Cechy: małe ziarna, wysoka wytrzymałość na rozciąganie. Granica plastyczności jest znacznie wyższa niż stali dwufazowych o tej samej wytrzymałości na rozciąganie. Charakteryzuje się dobrą wydajnością gięcia, wysoką wydajnością rozszerzania otworów, wysoką zdolnością pochłaniania energii i doskonałą wydajnością formowania kołnierza.
Typowe zastosowania: zawieszenia podwozia, słupki B, zderzaki, szyny siedzeń itp.
Stal plastyczna indukowana transformacją (stal TRIP)
Właściwości użytkowe: Struktura zawiera austenit szczątkowy i ma dobrą odkształcalność. Podczas procesu formowania austenit szczątkowy stopniowo przekształca się w twardy martenzyt, co sprzyja równomiernemu odkształceniu. Stal TRIP charakteryzuje się również wysoką energią pochłaniania uderzenia, wysokowytrzymałym produktem z tworzywa sztucznego i wysoką wartością n.
Typowe zastosowania: części o stosunkowo złożonej konstrukcji, takie jak usztywnienia słupków B, przednie belki podłużne itp.
Stal martenzytyczna (stal MS)
Cechy użytkowe: wysoki współczynnik plastyczności, wysoka wytrzymałość na rozciąganie, stosunkowo niskie wydłużenie, należy zwrócić uwagę na tendencję do opóźnionego pękania. Charakteryzuje się wysoką energią pochłaniania uderzenia, produktem z tworzywa sztucznego o wysokiej wytrzymałości i wysoką wartością n.
Typowe zastosowania: tłoczenie na zimno prostych części i części walcowanych o stosunkowo pojedynczym przekroju, takich jak zderzaki, wzmocnienia progów i gmole w bocznych drzwiach.
Hartowana stal ciągliwa (stal QP)
Charakterystyka wydajności: Martenzyt jest używany jako faza osnowy, a efekt TRIP austenitu szczątkowego w procesie deformacji może być wykorzystany do osiągnięcia wyższej zdolności do utwardzania, dzięki czemu ma wyższą plastyczność i odkształcalność niż ten sam poziom stali o ultrawysokiej wytrzymałości.
Typowe zastosowanie: Nadaje się do części bezpieczeństwa samochodowego i elementów konstrukcyjnych o skomplikowanych kształtach, takich jak wzmocnienia słupków A i B.
Podwójnie indukowana stal plastyczna (stal TWIP)
Charakterystyka eksploatacyjna: Stal TWIP jest stalą w pełni austenityczną o składzie wysokim C, wysokim Mn i wysokim Al. Poprzez dynamiczne uszlachetnianie wywołane przez bliźniacze, można osiągnąć bardzo wysoką zdolność do umocnienia przez zgniot.
Stal TWIP ma bardzo wysoką wytrzymałość i bardzo wysoką plastyczność, a wytrzymałość plastyczna produktu może osiągnąć ponad 50 GPa%.
Typowe zastosowania: Stal TWIP charakteryzuje się bardzo dobrą formowalnością i ultrawysoką wytrzymałością i jest odpowiednia na części, które wymagają wysokiego rozciągania materiału i właściwości wybrzuszenia, takich jak części bezpieczeństwa samochodowego o skomplikowanych kształtach i części konstrukcyjne.
Stal borowa (stal PH lub stal B)
Charakterystyki użytkowe: ultra-wysoka wytrzymałość (wytrzymałość na rozciąganie powyżej 1500 MPa), skutecznie poprawiająca właściwości zderzeniowe, lekka karoseria; złożony kształt części, dobra formowalność; wysoka dokładność wymiarowa.
Typowe zastosowania: elementy konstrukcyjne bezpieczeństwa, takie jak: zderzaki przednie i tylne, słupki A, słupki B, tunele środkowe itp.
Ewolucja stali samochodowej
Stal jest używana w produkcji samochodów od końca XIX wieku, kiedy to niemiecki inżynier Karl Benz zaprojektował pierwszy samochód napędzany silnikiem spalinowym w 19 roku.
Na początku XX wieku, wraz z pojawieniem się technologii produkcji blach/taśm stalowych i jej przełomem w złożonej technologii obróbki plastycznej, elementy drewniane w konstrukcjach samochodowych były stopniowo zastępowane blachami/taśmami stalowymi.
W następnym stuleciu blacha/taśma stalowa stała się dominującym materiałem w procesie produkcji samochodów. Wraz z różnymi okresami historycznymi, w połączeniu z odpowiednimi strategiami krajowymi, zapotrzebowaniem konsumentów i możliwościami technicznymi, ewoluowała seria samochodowych materiałów stalowych, jak pokazano na rysunku 1. być stosowany w samochodach.
W tamtym czasie te dwa rodzaje stali o niskiej wytrzymałości mogły sprostać potrzebom wytrzymałości, odkształcalności, kosztów i konstrukcji. Do czasu kryzysu naftowego w Ameryce Północnej około 1970 r. przemysł motoryzacyjny zaczął opracowywać stal o wysokiej wytrzymałości w celu zmniejszenia masy i oszczędności energii w odpowiedzi na problemy energetyczne.
Od tego czasu wkroczyła w okres pozytywnego cyklu, w którym stale poprawiano poziom wytrzymałości blach samochodowych. Zwłaszcza w ramach obecnego światowego trendu lekkich samochodów, pracownicy przemysłu stalowego również nieustannie starają się o to.
tradycyjna stal o wysokiej wytrzymałości
Tradycyjne stale o wysokiej wytrzymałości to głównie stale utwardzalne w piecu (BH), a ich właściwości mechaniczne przedstawiono na rysunku 2. Wzrost wytrzymałości uzyskuje się podczas procesu wypalania farby po tłoczeniu. Stopień umocnienia podczas procesu tłoczenia ma istotny wpływ na poprawę wytrzymałości podczas późniejszego procesu wypieku.
Umocnienie zgniotowe podczas formowania opiera się głównie na zwiększeniu gęstości dyslokacji spowodowanej odkształceniem. Wzrost wytrzymałości podczas pieczenia polega na utrudnieniu kolejnych ruchów dyslokacyjnych spowodowanych dyfuzją atomów podczas procesu.
Różnica w sposobie formowania i wielkości naprężenia spowodowanego procesem formowania będzie mieć pewien wpływ na efekt utwardzenia przy pieczeniu.
Typowa zaawansowana stal o wysokiej wytrzymałości pierwszej generacji i jej technologia sterowania
Pierwsza generacja zaawansowanych stali o wysokiej wytrzymałości jest zdominowana przez technologię dwufazową (DP) i plastyczność indukowaną przez transformację (TRIP).
Stal DP, stąd nazwa, składa się z dwóch faz, którymi może być ferryt + bainit lub ferryt + martenzyt. Schemat ideowy jego budowy przedstawiono na rysunku 3.
Jako faza miękka ferryt zapewnia pewną plastyczność i łatwość formowania; Bainit/martenzyt jest stosowany jako faza twarda, aby nadać mu odpowiednią wytrzymałość. Schemat ideowy mikrostruktury stali DP
W przypadku stali TRIP schematyczny schemat jej mikrostruktury przedstawiono na rysunku 4, który składa się z ferrytu, martenzytu (bainitu) i austenitu szczątkowego. Z powodu chwilowego dużego odkształcenia samochodu podczas procesu zderzenia, wewnątrz stalowej płyty powstaje pewna energia mechaniczna. W połączeniu z energią wewnętrzną zmagazynowaną w pierwotnym austenicie szczątkowym ulega on przemianie fazowej, a część austenitu szczątkowego zostaje przekształcona w martenzyt, co wzmacnia działanie.
Schemat ideowy mikrostruktury stali TRIP
Typowa zaawansowana stal o wysokiej wytrzymałości drugiej generacji i jej technologia sterowania
Druga generacja zaawansowanych stali o wysokiej wytrzymałości jest zdominowana przez Twinning Induced Plastyczność (TWIP). Stal TWIP opiera się na przykurczach mechanicznych powstałych w wyniku zmiany fazy austenitu podczas odkształcania, jak pokazano na rysunku 5. Dzięki powstawaniu kryształów kurczliwych energia podczas zderzenia może zostać pochłonięta.
Jego podstawowy skład to 18%Mn-3%Si-3%Al. Oczywiście skład można odpowiednio dostosować w zależności od ukierunkowania różnych składników na wydajność każdej fazy i problemu wąskiego gardła w procesie produkcyjnym.
przykurcze powstające podczas deformacji
Opracowanie trzeciej generacji zaawansowanej stali o wysokiej wytrzymałości
Zaawansowana stal o wysokiej wytrzymałości trzeciej generacji opiera się na przepaści między stalami o wysokiej wytrzymałości pierwszej generacji i drugiej generacji i rozwija odmiany o wysokiej wytrzymałości i wysokiej plastyczności o doskonałych wszechstronnych właściwościach, takich jak Q&P (hartowanie i podział) stali, centrum badawczego w kraju i za granicą.
Struktura stali Q&P w temperaturze pokojowej to ferryt, martenzyt i austenit. Zasada projektowa polega na tym, że po schłodzeniu do określonej temperatury w celu wytworzenia znacznej ilości martenzytu następuje proces wtórnego ogrzewania, jak pokazano na rysunku 6, w procesie tym następuje dyfuzja atomów węgla z martenzytu do austenitu szczątkowego, a tym samym poprawiając jego stabilność.
Stal o wysokiej wytrzymałości produkowana w tym procesie ma wytrzymałość plastyczną, która znacznie przewyższa zaawansowane stale wysokowytrzymałe pierwszej i drugiej generacji.
Proces kontroli procesu stali Q&P
Trend rozwojowy i hotspot badań stali samochodowej
Dzięki zastosowaniu stali o wysokiej wytrzymałości, różne części karoserii mogą być pocienione bez utraty wytrzymałości. W Europie i Stanach Zjednoczonych uzgodniono, że poprzez zastosowanie w konstrukcji nadwozia stali o wysokiej wytrzymałości od 600MPa/40% do 1600MPa/20% można zmniejszyć masę nadwozia o co najmniej 5-8%, co daje możliwości do rozwoju różnych serii stali o wysokiej wytrzymałości w tym zakresie wydajności.
Za kolejny kierunek rozwoju i tematy badawcze stali motoryzacyjnej, międzynarodowe NSF (National Steel Fabrication), Departament Energii USA DOE (Departament Energii), amerykański AISI (American Iron and Steel Institute) oraz A/SP (Auto/ Steel Partnership), która proponuje następujące obszary badawcze na uczelniach i instytutach badawczych:
Mikrostruktura i właściwości mechaniczne zaawansowanych stali o wysokiej wytrzymałości;
Proces dyfuzji węgla w zaawansowanej stali o wysokiej wytrzymałości;
Rozmiar cząstek i efekty interfejsu zaawansowanych stali o wysokiej wytrzymałości;
Dwufazowe stale ferrytyczne nano-igiełkowe w zaawansowanych stalach o wysokiej wytrzymałości;
Wysokowytrzymała i wysokoplastyczna stal bainityczna;
Odkształcalność i zachowanie sprężynujące zaawansowanych stali o wysokiej wytrzymałości;
Odpowiednie modele dla zaawansowanych stali o wysokiej wytrzymałości.
Popyt będzie promował postęp technologii pokrewnych, a postęp technologiczny będzie również stymulował wzrost popytu. Ogólny trend lekkości będzie sprzyjał ciągłemu postępowi technologicznemu w przemyśle stalowym, stwarzając tym samym warunki do stosowania bardziej zaawansowanych blach stalowych.
Kierunek rozwoju stali samochodowej w następnym kroku lub bardziej idealny materiał na blachę samochodową w tej epoce, powinien mieć następujące warunki: niskowęglowa (wysoka spawalność), niski koszt (dodatek o niskiej zawartości stopu), wysoka formowalność, łatwość montaż i konserwacja.
Obecnie różne serie stali o wysokiej wytrzymałości na pojazdy mają na ogół pewne ograniczenia, takie jak duże różnice w składzie i niespójna jakość powierzchni, co powoduje pewne trudności w końcowej powłoce. W przyszłości ocena różnych materiałów powinna być rozpatrywana z perspektywy całego procesu, tak aby zaprojektować i wyprodukować dobre i praktyczne produkty.
