700 MPa级高强度汽车大梁钢成分设计与组织控制研究

发布时间：2017-12-21 13:57

  本文关键词：700 MPa级高强度汽车大梁钢成分设计与组织控制研究　出处：《北京科技大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：随着经济和技术的发展,我国汽车保有量逐年增多,由此导致的能源消耗、交通事故也逐年增加。其中,有大量交通事故是汽车大梁强度问题引起的。开发高强度汽车大梁钢,在不降低车体结构强度的前提下为车辆减重,是节约能源和确保交通安全最有效的策略之一,也是传统汽车工业适应可持续发展战略的途径之一。此外,随着高纬度、极寒地区的开发,汽车在低温环境中的使用频率增加。低温给车体结构钢的韧性造成了极大的考验。当前,汽车大梁钢的优化多集中于强度和冷弯性能方面,对大梁钢板在高强度条件下的韧性,尤其是对低温韧性的关注还较少。本文以Nb-B复合微合金化为指导思想,设计了显微组织为针状铁素体+粒状贝氏体、目标强度在700 MPa以上的高强度汽车大梁钢,并研究了微合金元素铌(Nb)、钛(Ti)、钒(V)以及合金元素镍(Ni)对显微组织和力学性能的影响,具体结果如下：利用Thermo-calc热力学计算软件对高强度汽车大梁钢的合金成分体系进行了热力学计算。结果表明：含0.04%Nb的钢中,NbC的析出温度为1120℃；添加Ti后,NbC被(Ti, Nb)C复合析出相取代,(Ti, Nb)C的析出量增加。Ti含量为0.04%和0.07%时,(Ti, Nb)C的析出温度分别为1180℃和1240℃,热力学稳定性提高。当V含量为0.05%时,主要以(Ti,Nb,V)C的复合相形式析出；当V含量提高至0.08%时,才有富V的MC相析出。在热力学计算基础上研究了第二相粒子对奥氏体晶粒长大行为的影响。结果表明：微合金元素Ti的添加能够有效细化奥氏体晶粒。无Ti钢奥氏体晶粒粗化温度介于950～1000℃之间,含Ti钢的粗化温度提高至1000～1050℃之间。Ti含量的进一步提高对晶粒开始粗化温度的影响不大,但可以明显减轻“混晶”程度。含Ti钢中热稳定性较高的(Ti, Nb)C, Ti(C, N)析出相对晶界的钉扎作用是晶粒细化的主要因素。进一步添加Ni、V,奥氏体晶粒细化效果不明显。在淬火状态下并未发现微合金元素V的碳氮化物析出。利用Gleeble 3500热模拟试验机测定了实验钢的动态连续冷却转变曲线(CCT, Continueous Cooling Transformation Curve),在 2～10℃·s~(-1)内可获得针状铁素体+粒状贝氏体组织。Ti降低粒状贝氏体中岛状组织的体积分数,而Ni、V使其体积分数提高。电子背散射衍射分析显示针状铁素体之间、针状铁素体和粒状贝氏体之间均为大角度晶界。以小于5℃·s~(-1)的速度冷却至室温,粒状贝氏体的铁素体基体呈块状,岛状组织为不规则块状残余奥氏体；当冷速介于5～10℃·s~(-1)时,粒状贝氏体的铁素体基体呈条片状、平行排列,条片状铁素体间有断续的残余奥氏体薄膜。实验钢在950℃以下发生静态软化的程度较小。微合金元素Ti的添加能明显推迟变形奥氏体的静态再结晶行为。添加0.04%的Ti,使静态再结晶激活能提高约60 kJ.mo1-1。观察发现,含Ti的第二相粒子析出对位错或亚晶界的钉扎是静态软化率降低的主要原因。在高温下,合金元素Ni及微合金元素V对静态软化的影响作用比较微弱。当终轧后的弛豫时间不大于50s时,有利于针状铁素体的形核和充分生长；当弛豫时间接近100s时有多边形铁素体生成,钢的显微硬度大幅降低。降低卷取温度并添加Ni和微合金元素Ti、V,可显著减小岛状组织尺寸。550℃卷取后岛状组织进一步发生转变,生成上贝氏体、下贝氏体、板条贝氏体、孪晶马氏体等或以残余奥氏体形式保留下来,其纳米硬度从2.6～5.78GPa不等。用小型双辊轧机对钢坯进行了热轧,850℃终轧结束后,对钢板进行50s的弛豫,然后以10℃·s~(-1)的速度冷却至550℃进行卷取,所得显微组织为针状铁素体+粒状贝氏体。力学性能测试表明,热轧钢板轧向抗拉强度大于710MPa。180°冷弯实验证明热轧钢板具有较好的冷弯性能,满足设计要求。Ti的添加显著降低针状铁素体+粒状贝氏体钢的冲击功,并提高其韧脆转变温度。无Ti钢小试样的上平台冲击功(USE)为85 J,韧脆转变温度(DBTT)为-38℃；分别添加0.04%和0.07%的Ti以后,试样的USE分别降低至81 J和72 J,而DBTT则分别提高至-30℃、-19℃。大尺寸(Ti,Nb)(C,N)在晶界附近的析出和聚集,促进了微裂纹的扩展,导致冲击功降低。Ti的添加使利于韧性裂纹扩展的{101}织构减少,却使利于脆性解理裂纹扩展的{001}织构增多,这是导致冲击韧性恶化,韧脆转变温度提高的原因。含Ti钢中阻碍显微裂纹扩展的的大角度晶界减少,也是含Ti钢的韧性降低的原因。
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG142.1

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本文编号：1315930