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第三代汽车用先进高强钢之【TBF钢】

近年来,从提高汽车冲撞安全性以及轻量化的考虑,成形性良好的高强度钢板被广泛应用在各类车体结构中,而DP钢备受瞩目。高强DP钢随着强度的提高,导致凸缘翻边性能和弯曲性能等由局部延伸所决定的性能受损,制约了高强DP钢的应用范围。


而贝氏体钢具有细小均匀的结构,能保证较高局部延伸,普遍具有良好的凸缘翻边性能。所以用板条状的贝氏体铁素体基体来取代铁素体马氏体基体,有望提高钢板的凸缘翻边性能。

 

概述


TBF钢(TRIP Aided Bainitic Ferrite steels),中文译名为相变诱导塑性铁贝氏体素体钢。也称为Carbide-free bainitic steels(无碳化物贝氏体钢),TRIP with bainitic matrix(贝氏体基相变诱导塑性钢)或super-bainitic TRIP(超级贝氏体基相变诱导塑性钢)。


TRIP效应最先由V·F·Zackay发现并命名的,是通过相变诱导塑性效应而使钢板中残余奥氏体在塑性变形作用下诱发马氏体形核,引入相变强化和塑性增长机制,提高钢板的强度和韧性。具有TRIP效应的贝氏体铁素体钢(TBF钢)正是近些年为满足汽车工业对高强度、高塑性新型钢板的需求而开发的。


已知的TBF钢最早由神户制钢开发。2012年雷诺日产集团(Renault-Nissan group)决定在其后续的车型上使用TBF钢。2013年,在英菲尼迪(Infiniti)Q50上首次使用了神户制钢的TBF1180牌号,用于制作A柱和B柱加强件和上边梁,这些零件占白车身重量的4%。2015年,日产在Murano车型也使用了一些使用TBF1180制作的零件。


 

图1 在英菲尼迪(Infiniti)Q50上首次使用了TBF1180牌号


在欧洲,2014年9月,ArcelorMittal发布了FortiForm系列钢种,目前FortiForm 1050已商业化生产(相近牌号为VDA 239-100中的CR700Y980T-DH),980MPa和1180 MPa 仍在开发中。参见表1和图2。


表1 ArcelorMittal TBF钢的性能


 

图2 ArcelorMittal的TBF钢使用示例


TBF钢的显微组织特征


TBF钢的组织特征是精细规整的无碳化物贝氏体铁素体板条束、分布在贝氏体铁素体基体上板条束间的薄膜状残余奥氏体与块状残余奥氏体,同时也存在有非常少量的回火马氏体


其较高的韧性主要是由于其精细规整的板条结构、富碳残余奥氏体的TRIP效应,同时也有一小部分是由于未转化的薄膜状残奥的长程内应力。


由于TBF钢中有亚稳态残余奥氏体(体积分数约为10%-30%)的存在,不仅具有较好的超高强度和塑性匹配,而且具有较高的疲劳强度、较好的冲击性能,翻边扩孔性能和抗氢脆性能。TBF钢的典型显微组织如图3所示。


 

 

图3:TBF钢的SEM显微照片,F–先共析铁素体,B–无碳化物贝氏体,A–残余奥氏体

 

TBF钢的制造工艺


由于TBF钢在950℃保温时,实验钢发生完全奥氏体化,奥氏体的平均C、Mn含量相对较低,随后快速冷却至贝氏体区等温,大量的奥氏体转变为贝氏体并向未转变的奥氏体排碳。


在等温后的冷却过程中,稳定性不足的奥氏体转变为马氏体,稳定性较高的奥氏体保留至室温。TBF钢的典型的轧制及连续退火图如图4所示。

 

 

图4 TBF钢的典型的轧制及连续退火图


在连退过程中,贝氏体等温温度对TBF钢的组织和性能影响显著,当贝氏体等温温度为300 ℃时,TBF钢具有低屈服强度(789 MPa)、高抗拉强度(1241MPa)以及良好的伸长率(16.6%)。等温300℃时,屈服强度的降低主要是因为80~190 nm的无碳化物贝氏体板条的生成。


经过XRD测定,其残余奥氏体含量为12.04%,残奥含碳量经过测算为1.4%。稳定的块状残余奥氏体和无碳化物贝氏体板条有利于韧性的提高,相反,马氏体应该尽量减少或避免。

 

使用特性


TBF钢相对于传统的多边形铁素体基体的TRIP钢,其贝氏体基体的板条组织更细小,大部分呈长条状或块状分布于贝氏体晶内或晶界间。同时也可以观察到大量马氏体的存在,这是由于完全奥氏体化后奥氏体的平均C、Mn含量较低,稳定性不足,在冷却至室温的过程中大量的奥氏体转变为马氏体所致。


TBF钢在应变初始阶段时应力就迅速增加,这主要是由于TBF钢的基体结构为强度很高的贝氏体铁素体组织,在变形初期即产生较强的加工硬化,在应变达到0.02后由于变形所引起的应力集中,诱发贝氏体铁素体板条间的残留奥氏体发生马氏体相变,使集中的应力得到释放,斜率变缓,抗拉强度可达到1400MPa以上。


 

图5 TBF钢的工程应变曲线示例

 

根据网络资料整理。



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