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轻量化高峰论坛中国汽研赵岩汽车用超高强钢

发布时间:2019-09-14 06:45:01

  【轻量化高峰论坛】中国汽研赵岩:汽车用超高强钢的断裂性能研究

  7月12日-13日,“2018中国汽车轻量化产业高峰论坛”在上海隆重举行,论坛以“新技术、新材料、新工艺“为主题,旨在降低汽车自身重量同时提高输出功率、降低噪声、提升操控性和安全性,并对汽车轻量化政策趋势发展、整车轻量化平台化设计方案、关键零部件轻量化技术开发及汽车轻量化多材料应用及成本控制分析等问题展开探讨。

  中国汽研汽车轻量化工程技术中心副总工程师赵岩

  中国汽研汽车轻量化工程技术中心副总工程师赵岩介绍了汽车用超高强钢的断裂性能研究,以下是演讲实录(有部分删减):

  大家好,我来自中国汽车工程院轻量化中心,主要是给大家提供技术解决方案,攻克技术难题。一般从总量来讲,同质化技术占80%,细节化技术占20%,但20%的细节化技术往往可能花80%的时间,附加值和竞争力也是包括在这20%里面的。本次报告讲的超高强钢断裂研究就是属于20%细节化技术的范畴。

  本报告主要包括超高强钢的氢致延迟断裂,平面应变状态断裂和复杂应力状态断裂。轻量化大家比较熟了,汽车轻量化跟动力总成、空气阻力、滚动阻力都可以影响汽车的能耗,轻量化的节能降耗效果可以排到第二。但是我们从另一个角度来看,如果车从动力、造型等方面进行节能减排的话,它们的潜力没有轻量化大,因为材料和生物科学的进展在世界上向来都是进步最快的,新材料的开发及其相应的轻量化方案,在这四种方式里面是性价比是最高的,周期是最短的。实现汽车轻量化的同时,还应兼顾汽车的NVH、碰撞安全、耐久性、制动性和经济性等等。北汽的曹院长给我们提供的启发,做汽车轻量化的同时,我们可以降低对动力的要求,从而可以降低发动机的配置,在达到同样动力性能的同时,节能减排的效率会加倍,这是一个非常新的思路,后面我们做轻量化也应考虑怎么通过轻量化来“牵一发而动全身”,进而发挥汽车轻量化的最大功效。

  这里还列举了近期新能源车一些国家政策,不一一赘述。实现车身轻量化主要是从四个方面:结构轻量化、框架轻量化、工艺轻量化、材料轻量化,我个人认为还是材料轻量化推动其它三个方面。比如说材料的属性决定了它是用什么工艺成形,决定它的结构可以或应该怎么设计,所以说材料轻量化是最关键的,材料轻量化是靠新材料的研发和应用不断推动着汽车的轻量化。这里我重点介绍一下超高强钢这一块,汽车用钢以550MPa作为高强钢和超高强钢的分界线,第一代汽车用钢包括DP、CP、BH、TRIP、HSLA、Martensite等钢,目前已经大量在车身上应用;第二代是TWIP钢,强塑积超高,约60GPa%,由于工艺成本高,应用量不大,TWIP钢的应用韩国POSCO是走在前面的;第三代的强塑积在一代和二代之间,如中锰钢。

  当钢的强度超过1000MPa,或者1200MPa,就存在氢致延迟断裂的风险,这是位错增强机制超高强钢的固有属性。生产流程中的电镀锌、磷化、酸洗、电弧焊等环节会将氢引入材料基体,因为氢原子半径非常小,它在材料组织里面是相当于蚂蚁在大象群里面穿梭,它们可以到处游走,无处不在,可以在原子间隙、裂纹、晶界、位错、空位等位置富集,哪一类氢是最危险的呢?自由扩散氢是最危险的,我在此也列出了自由氢的扩散通量公式,自由氢在材料基体的扩散驱动力取决于化学势梯度和应力梯度,在不发生吉布斯自由能变化的时候,应力梯度对自由氢和氢致延迟断裂是起决定作用的,而且我们已经发现了承受交变应力时热成形件的延迟断裂问题。接下来我们介绍一下DP1200、DP1400、TRIP、TWIP和PHS钢的氢致延迟断裂性能,在此介绍的是意大利比萨大学做的慢应变速率氢脆实验结果,我们这边也想做,但可扩散氢总是测不准,在此先拿别人的研究结果来跟大家讨论。从图中我们可以得到两类信息,一是各类钢氢脆的强度临界值,二是各类钢氢脆的氢含量门槛值。PHS因氢存在的强度损失最大,当氢含量达到10ppm时,强度只有原来的20%,它的氢含量门槛值为个ppm;DP1200、DP1400和TRIP钢的强度损失在25%左右,氢门槛值分别为4ppm、1ppm和ppm;TWIP钢的抗氢脆能力最好,它的氢含量门槛值在44ppm左右。

  目前国际上最流行的氢致延迟断裂五种机理解释:第一个是氢解聚机理,氢原子跳到铁原子中间,降低铁与铁之间的原子链结合,并形成氢气泡,局部压力增加,促进了氢脆产生;第二个是氢促进局部塑性,氢在位错线上存在的时候,激发了位错的发射,位错密度会降低,局部塑性增加,但是强度也会降低,从而产生氢脆;第三个跟第二个原理上差不多;第四个是氢促进空位的产生,氢离子的存在会促进空位的产生,空位的聚集产生微孔,微孔的聚集产生微裂纹;第五个是氢化物,氢化物在晶界上的析出引起氢脆。当然,氢脆非常复杂,也可能单一机制,也可能是复合机制。超高强钢既然有氢致延迟断裂风险,我们怎么预防它?第一种办法是涂层,一个是脆性涂层,一个是延性涂层,包括镍的涂层,镉的涂层等等;第二种办法是第二相作为氢陷阱,如碳化物、氮化物等;第三是形成可扩散氢移动的壁垒,如形成原子致密度更高的残留奥氏体。我们新开发的复合微合金化热成形钢22MnB5NbV,是通过生成碳化物作为氢陷阱来防止氢致延迟断裂的,在电充氢的恒载荷拉伸实验中,与传统22MnB5相比,其临界断裂强度明显提高。在浸0.5mol/L盐酸的恒弯曲试验中,22MnB5NbV在1500多MPa的弯曲应力下可以做到300小时不开裂,而22MnB5在同样应力水平下10多个小时就断裂了。我们在做恒弯曲的时候,实验方法也做了创新,将Digital Imaging Correlation (DIC) 法代替传统的应变片法,提高了临界断裂应变的测试精度。我们还做了H、C、Nb、V分布的原子探针实验,取微区A到B,蓝色的是氢,橘黄色的是V,灰色的是Nb,H、V和Nb的分布规律基本一致,这就说明Nb和V的碳化物有效地捕捉到了H,虽然结合力不太一样,可能V稍微好一点,Nb稍微差一点,但都是有效的氢陷阱。

  接下来我来介绍一下平面应变断裂,在冲压翻边的时候,局部材料变形接近于平面应变的状态,另外碰撞过程一些零件局部弯曲甚至折叠,折叠处往往会出现裂纹,这也接近于平面应变变形。我们通常做的单向拉伸实验,是远离平面应变状态的,因此用单向拉伸实验曲线预测平面应变状态下的断裂,是不准确的。虽然平面应变对于力学来讲只是一个特殊的情况,也是最简单的情况,但在汽车零部件翻边和碰撞开裂预测中是特别有用的,基于此

  ,德国钢铁协会建了一个板材弯曲实验标准VDA-238,它的压头很尖,像刀片一样,就是为了无限接近于材料的平面应变状态,我们也开发了这个实验装置,用于测试材料的冷弯角,现在宝马和奔驰已经将这个冷弯角作为其材料认证标准,分别是65和60度,国内22MnB5的淬火板在度,我们的22MnB5NbV钢是通过细化晶粒的方法达到了宝马和奔驰的认证标准。我们还采用DIC的方法测试了冷弯断裂时候的临界应变,使实验结果可供CAE分析调用,因为冷弯角对CAE分析是没有实际意义的。我们还对比了VDA和FLC平面应变下最大主应变的值,二者分别为40%几和10%几,相差很大,分析材料受力状态,VDA的测试结果更准确,那么这就给我们广泛认可的FLC和传统的冲压CAE分析方法提出了挑战。22MnB5NbV带脱碳层和不带脱碳层的冷弯角分别为75和度,比传统22MnB5性能更优越。

  接下来就是介绍一下复杂应力状态的断裂,长期以来我们做CAE分析基本都是在用单轴拉伸的应力应变曲线,这种模式预测断裂是不准确的。我们有汽车安全碰撞实验室,碰撞CAE分析的时候没什么问题,结果实际一碰该裂的不裂,不该裂的裂了,分析精度偏差很大。CAE分析精度不高,这就造成在后期实验成本和时间上会多投入好几倍,若提高分析精度,事半功倍,花小钱办大事!对于材料断裂,我们不应该用单轴拉伸模拟这个复杂应力状态的情况。应力是二阶张量,有9个分量,用3*3矩阵表示,3个主应力,6个切应力,通过三个主应力不同的大小组合得到应力三轴度,这才能表示材料承受的复杂应力状态,以应力三轴度作为横坐标,测出每种应力状态的临界断裂应变,才能准确表征材料断裂的物理过程。

  在此我们设计了纯剪、拉剪、平面应变、R20缺口试样、R5缺口试样和穿孔试样来做力学实验,作出应力三轴度-临界断裂应变的二维曲线,其中临界断裂应变通过DIC方法测量,通过模型反推得到应力三轴度。这个二维曲线是断裂模型的基础曲线,相当于应力应变曲线对CAE分析的重要性,我们采用了 Gissmo、Johonson-Cook、DIEM三个失效模型对B柱静压进行模拟。在Gissmo中,我们发现在压的地方B柱的侧壁两侧开裂了,在Johonson-Cook中,也是在那个地方裂,而且中间出现一个横裂纹,我们再看DIEM,是在边角上裂了一个小洞,到底哪个模型更准确?我们需要跟实验对比。在与模型同样的加载条件下,我们做了B柱静压实验,这是一个细节的对比,我们看DIEM模型基本上是完全还原B柱的断裂形貌,预测效果最好,当然对于不同材料,哪个模型预测最准确是不确定的。以上是对热成形钢的断裂性能探索,后面其实难度最大的还在于复合材料,复合材料断裂还没有像钢做的成熟,复合材料要想在汽车企业广泛应用的话,首先得给汽车厂解决这么一个疑惑,也就是说,我拿着一个材料,我用模型给你预测,到最后跟实验一对特别准,汽车厂肯定放心大胆的用你的材料来设计、分析和试制零件,进而批量应用。如果只有材料,没有模型就扔给别人,别人没法进行设计和CAE分析,制造中出现的事故谁来承担?这就是目前碳纤维及其它复合材料在汽车行业推广的瓶颈。谢谢大家!

  主持人:感谢赵总,大家对赵总有没有什么问题?我们谈到氢脆的问题,包括热成形钢和高强钢有氢脆的问题,现在有测氢脆的方法,有没有不同的实验间或者更推崇哪一种方向测量延迟断裂或者氢脆?

  赵岩:有不同的倾向,高校里面倾向慢应变速率拉伸,充氢恒载荷拉伸实验在特钢中更流行,做汽车板更倾向于充氢恒载荷弯曲实验。

  提问:你说钢的氢脆问题,钢的强度越高延伸率越低,韧性越低?

  赵岩:我觉得不能从强度这一块,应该是从作用机制分析,若符合氢致局部塑性的机制,也就是说氢促进移动位错的形成,靠位错增强的材料抗氢脆能力比较弱。

  提问:我上午问了延伸率比较低,延伸率只有?

  赵岩:热成形之后6%。

  提问:能不能做到钢超过1000兆帕,延伸率超过10%?

  赵岩:没问题。

  主持人:能到20%。

  提问:我提供一个在军工上应用的机会。

  主持人:我简单说一下,我对宝钢的QP钢比较熟悉,我以前在通用工作,它的QP钢可以达到1000兆帕,20%的延伸率,没有问题,军工上可能需求有点不一样,更多的是厚板,这个是薄板。厚度可以搞的很厚的,热轧的话可以达到很厚的,没有问题。

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