Cos'è l'acciaio ad alta resistenza

Gli acciai tradizionali ad alta resistenza sono per lo più rinforzati attraverso la soluzione solida, la precipitazione e l'affinamento del grano, mentre gli acciai avanzati ad alta resistenza (AHSS) si riferiscono ad acciai che vengono rinforzati attraverso la trasformazione di fase. e/o austenite trattenuta, compresi principalmente acciai a doppia fase (DP), acciai a plasticità indotta da trasformazione (TRIP), acciai martensitici (M), acciai a fase complessa (CP), acciai a formatura a caldo (HF) e acciai a doppia plasticità indotta (TWIP) .

La forza e la plasticità dell'acciaio ad alta resistenza avanzato è migliore di quella del normale acciaio ad alta resistenza e ha sia un'elevata resistenza che una buona formabilità, in particolare l'alto indice di incrudimento, che favorisce il miglioramento dell'assorbimento di energia durante il processo di collisione , che assicura la riduzione del peso e allo stesso tempo. La sicurezza è molto vantaggiosa.

La forza di AHSS è compresa tra 500 MPa e 1500 MPa e ha un buon assorbimento di energia. Svolge un ruolo molto importante nella riduzione del peso delle automobili e nel miglioramento della sicurezza. È stato ampiamente utilizzato nell'industria automobilistica, utilizzato principalmente in parti strutturali di automobili, parti di sicurezza e parti di rinforzo come montanti A/B/C, davanzali, paraurti anteriori e posteriori, travi anticollisione delle porte, travi, travi longitudinali, sponde del sedile e altre parti; L'acciaio DP è stato prodotto in serie per la prima volta dalla Svezia SSAB Steel Plate Co., Ltd. nel 1983.
Sviluppo e progresso della ricerca di acciaio avanzato ad alta resistenza

Tutti gli acciai ad alta velocità sono prodotti controllando la velocità di raffreddamento della fase austenite o della fase austenite più ferrite, sia mediante rettifica a caldo sulla superficie periferica (come i prodotti laminati a caldo) sia mediante raffreddamento locale in un forno di ricottura continua (Continuous Annealed o prodotti rivestiti per immersione a caldo).

Gli acciai martensitici sono prodotti mediante tempra rapida che fa trasformare la maggior parte dell'austenite nella fase di martensite. Gli acciai a doppia fase ferritici e martensitici sono prodotti controllando la velocità di raffreddamento in modo che la fase austenite (come si trova negli acciai laminati a caldo) o l'acciaio a doppia fase ferrite + martensite (come si vede nella ricottura continua e nel rivestimento per immersione a caldo)) alcuni degli acciai l'austenite trattenuta viene trasformata in ferrite prima del rapido raffreddamento in martensite.

Gli acciai TRIP generalmente devono essere mantenuti a condizioni isotermiche moderate per produrre bainite. Il contenuto di carbonio silicio più elevato fa sì che l'acciaio TRIP contenga troppa austenite trattenuta nella microstruttura finale. Anche gli acciai multifase seguono un modello di raffreddamento simile, ma in questo caso la regolazione degli elementi chimici produce pochissima austenite trattenuta e forma precipitazioni fini per rafforzare le fasi di martensite e bainite.

L'acciaio ad alta resistenza per automobili è suddiviso in prodotti laminati a caldo, laminati a freddo e zincati a caldo e le sue caratteristiche tecnologiche sono tutte rafforzate attraverso la trasformazione di fase. Inoltre, esiste un tipo di acciaio ad altissima resistenza temprato e temprato mediante stampi per stampaggio a caldo, che è stato ampiamente utilizzato nell'industria automobilistica in Europa.

Con l'aumento delle esigenze di sicurezza e risparmio di carburante, l'industria automobilistica richiede sempre più materiali leggeri e ad alta resistenza. Spinta dalla leggerezza delle automobili, la proporzione di leghe di alluminio, leghe di magnesio, plastica e altri componenti utilizzati nelle automobili è aumentata di anno in anno e anche la posizione dominante dell'acciaio nei materiali delle automobili è stata minacciata. Al fine di migliorare la sicurezza delle automobili e affrontare le sfide di altri materiali, lo sviluppo di materiali in acciaio è attualmente incentrato sugli acciai ad alta resistenza.

-1- Acciaio duplex

L'acciaio bifase è ottenuto da acciaio a basso tenore di carbonio o acciaio microlegato a basso tenore di carbonio mediante trattamento termico o laminazione controllata e raffreddamento controllato nella regione bifase e la sua microstruttura è principalmente ferrite e martensite. I normali acciai ad alta resistenza raffinano i grani attraverso la laminazione controllata e rafforzano la matrice attraverso la precipitazione di carbonitruri di elementi di microlega, mentre gli acciai a doppia fase sono dispersi in bordi di grano di ferrite pura o grani con particelle relativamente dure. fase martensitica, quindi la sua forza e tenacità sono ben coordinate.

La resistenza dell'acciaio a doppia fase è determinata principalmente dalla proporzione della fase dura della martensite, che varia da 5 a 30 . Le proprietà tensili meccaniche sono caratterizzate da:

①La curva sforzo-deformazione è liscia e arcuata e non vi è alcuna estensione del punto di snervamento;

② ha un alto tasso di incrudimento, in particolare il tasso di incrudimento iniziale;

③ Bassa resistenza allo snervamento e alta resistenza alla trazione, i componenti formati hanno un'elevata resistenza allo schiacciamento, energia di assorbimento degli urti ed elevata resistenza alla fatica;

④ Grande allungamento uniforme e allungamento totale. L'acciaio a doppia fase è ideale per un'elevata resistenza e una buona formabilità per le automobili.
-2- Acciaio a plasticità indotta da trasformazione

L'acciaio a plasticità indotta dalla trasformazione si riferisce all'acciaio con struttura multifase nell'acciaio. Queste fasi sono generalmente ferrite, bainite, austenite trattenuta e martensite.
Durante il processo di deformazione, la trasformazione dell'austenite trattenuta stabile in martensite provoca il rafforzamento della trasformazione di fase e la crescita plastica. Per questo motivo, l'austenite trattenuta deve avere una stabilità sufficiente per ottenere una trasformazione graduale.
Da un lato, rafforza la matrice, dall'altro, migliora l'allungamento uniforme e raggiunge l'obiettivo di aumento simultaneo di forza e plasticità. La gamma di prestazioni dell'acciaio TRIP è: carico di snervamento 340-860 MPa, carico di rottura 610-1080 MPa, allungamento 22%-37%.

Negli ultimi anni, l'acciaio TRIP si è sviluppato rapidamente. L'acciaio TRIP viene utilizzato principalmente per realizzare parafanghi di automobili, parti del telaio, cerchioni delle ruote e travi di impatto delle porte. Inoltre, le lamiere d'acciaio TRIP possono essere utilizzate come substrati per la zincatura a caldo e la zincatura elettrolitica Zn—Ni per produrre lamiere zincate ad alta resistenza, elevata plasticità, elevato rigonfiamento di imbutitura ed elevata resistenza alla corrosione.
La Posco della Corea del Sud ha sviluppato con successo acciai TRIP di qualità da 800 MPa e 1000 MPa.
La formabilità della lamiera d'acciaio è molto buona e può essere trasformata in forme complesse di parti di automobili. Attualmente stanno lavorando allo sviluppo dell'acciaio TRIP nel grado 1200 MPa. In Giappone, Mitsubishi Motors ha collaborato con Nippon Steel, Sumitomo Metal e Kobe Steel per sviluppare lamiere di acciaio ad alta resistenza TRIP per parti di telai automobilistici. Nei suoi nuovi modelli sono stati prodotti più di 80 tipi di lamiere TRIP per parti di telaio.

Molti risultati di ricerca mostrano che l'acciaio TRIP ad alto contenuto di silicio ha una migliore duttilità e resistenza alla trazione rispetto all'acciaio bassolegato ad alta resistenza e le sue serie di composizione sono: C—Mn—Si—N—V, C—Mn—Si -Ti e Si- Nb, ecc. Tuttavia, un elevato contenuto di silicio porterà alla formazione di incrostazioni di ossido rosso sulla superficie del nastro e al deterioramento delle prestazioni di zincatura a caldo.
Negli ultimi anni, alcuni ricercatori hanno iniziato a concentrarsi sulla sostituzione parziale del silicio con altri elementi (come alluminio, fosforo, ecc.) per ridurre il contenuto di silicio nell'acciaio, migliorare le proprietà del rivestimento e migliorare le prestazioni del rivestimento aggiungendo elementi come il niobio , vanadio, titanio e molibdeno. Resistenza dell'acciaio TRIP.
-3- Acciaio in fase complessa

La struttura dell'acciaio multifase è simile a quella dell'acciaio TRIP e la sua struttura principale è di ferrite fine e un'elevata percentuale di fasi dure (martensite, bainite), contenenti elementi come niobio e titanio.
Attraverso l'azione composita di martensite, bainite e rafforzamento delle precipitazioni, la resistenza dell'acciaio CP può raggiungere 800 ~ 1000 MPa, con un'elevata energia di assorbimento e prestazioni di espansione del foro, particolarmente adatte per paraurti di portiere di automobili, paraurti e parti di sicurezza B come montanti.
A seconda del design della composizione della lega, della microlega, della tecnologia di laminazione controllata e raffreddamento controllato e della tecnologia di ricottura continua, i nastri laminati a caldo e a freddo ad alta resistenza possono ottenere diverse microstrutture, come ferrite + bainite struttura bifase, ferrite + martensite struttura bifase, ferrite + bainite + struttura multifase austenite trattenuta e struttura martensite, la resistenza dell'acciaio può essere aumentata da 500 MPa a oltre 1000 MPa e può persino raggiungere 1200 MPa.

La pratica ha dimostrato che a causa del maggiore contenuto di elementi di microlega nell'acciaio, la resistenza alla deformazione durante la laminazione controllata nella zona non ricristallizzata aumenta, determinando un carico di laminazione maggiore. Nel processo di laminazione controllata e raffreddamento controllato, l'elemento in titanio è molto sensibile alla temperatura di riscaldamento e alla temperatura di avvolgimento. Le fluttuazioni della temperatura di riscaldamento della bramma e della temperatura di avvolgimento post-laminazione portano facilmente a fluttuazioni molto significative nelle proprietà della bobina come la resistenza allo snervamento e alla trazione.

Per gli acciai strutturali laminati a freddo ad alta resistenza, è possibile ottenere strutture complesse ferrite + bainite + martensite con diversi rapporti di volume attraverso il complesso processo di trattamento termico durante il processo di ricottura continua.
Questo acciaio multifase laminato a freddo ha buone proprietà meccaniche complete e ha una maggiore tenacità e plasticità a parità di resistenza dell'acciaio martensitico temprato convenzionale, quindi ha un ampio mercato di applicazione nell'industria automobilistica.
-4- Acciaio martensitico

La produzione di acciaio martensitico avviene attraverso la rapida tempra della struttura austenite ad alta temperatura per trasformarsi in struttura a listelli di martensite, che può essere realizzata mediante laminazione a caldo, laminazione a freddo, ricottura continua o ricottura dopo la formatura, e la sua resistenza massima può raggiungere 1600 MPa, che è la corrente Il grado di resistenza più elevato delle lamiere di acciaio ad alta resistenza commerciali.
Pertanto, quando si producono prodotti a forma di piastra, a causa della limitazione della formabilità, si possono produrre mediante profilatura o stampaggio solo parti con forme semplici, che vengono utilizzate principalmente per parti come paraurti di porte con bassi requisiti di formatura in sostituzione di parti tubolari. costi di produzione.

L'acciaio per stampaggio a caldo (acciaio MnB) è un metodo Nippon Steel che raggiunge un'elevata formabilità e una resistenza estremamente elevata mediante tempra dopo la formatura a caldo. Il metodo specifico di formatura a caldo è: riscaldamento della lamiera d'acciaio (880–950°C), stampaggio (trattamento di tempra nello stampo della pressa), granigliatura (rimozione delle incrostazioni di ossido di ferro) e prodotto finito (1500 MPa).
L'intero processo di stampa a caldo richiede da 15 a 25 secondi.
Per risolvere il problema della facile formazione di incrostazioni di ossido di ferro durante la lavorazione a caldo della lamiera d'acciaio, è generalmente necessario eseguire un trattamento di alluminizzazione sulla superficie della lamiera d'acciaio ad altissima resistenza. Le piastre in acciaio MnB ad altissima resistenza vengono utilizzate principalmente per realizzare parti anticollisione.
-5- Acciaio a doppia plasticità indotta

Acciaio a doppia plasticità indotta: la seconda generazione di acciaio automobilistico avanzato ad alta resistenza, la cui microstruttura a temperatura ambiente è austenite monofase. La maggior parte degli acciai austenitici, come gli acciai inossidabili austenitici e gli acciai ad alto contenuto di manganese, hanno energie di faglia di impilamento da basse a moderate e quindi tendono a formare faglie di impilamento estese, gemellaggi e strutture di dislocazione piana.
Quando C o Al e Si vengono aggiunti all'acciaio ad alto contenuto di manganese, è possibile trovare un'ampia gamma di gemellaggi meccanici. Quando w(Mn) raggiunge il 25%, w(Al)>3% e w(Si) è compreso tra 2% e 3%, c'è un'ampia area di gemelli meccanici nell'acciaio. La stessa situazione si verifica quando il carbonio è molto basso tempo. Questi acciai hanno duttilità molto elevata, fino all'80%.

Hanno introdotto gli acciai a doppia plasticità indotta per nominare questi tipi di acciaio, indicati come acciai TWIP. Le eccellenti proprietà meccaniche dell'acciaio TWIP derivano dalla plasticità indotta dal gemellaggio e il ruolo del gemellaggio nella deformazione è completamente diverso dal concetto tradizionale. Si ritiene generalmente che nei materiali con una simmetria della struttura cristallina relativamente bassa e relativamente pochi sistemi di scorrimento, il gemellaggio si verifica in alcune concentrazioni di sollecitazioni quando il tasso di deformazione è elevato o quando la forza viene applicata in caso di orientamento di scorrimento sfavorevole.

I metalli cubici a facce centrate non sono inclini al gemellaggio e il gemellaggio meccanico può essere formato solo a temperature estremamente basse. Poiché la quantità di deformazione generata dall'accoppiamento è piccola, svolge solo il ruolo di regolare l'orientamento quando lo slittamento è difficile, in modo che lo slittamento possa continuare. Ma nell'acciaio TWIP, può essere formato in austenite cubica a facce centrate quando la temperatura di deformazione è -70 ~ 400 ℃ e il tasso di deformazione può essere di 10-4/s.
Durante il processo di deformazione, si formano gemelli nella regione ad alta deformazione e i confini dei gemelli impediscono lo slittamento in questa regione, che promuove lo slittamento di altre regioni a deformazione inferiore. Attualmente, Francia, Cina e altri paesi hanno avviato la produzione di acciaio TWIP.
Sviluppo tecnologico. Sebbene TWIP abbia eccellenti proprietà meccaniche, i problemi di fusione, colata continua, ritardo, frattura, sensibilità all'intaglio e rivestibilità dell'acciaio sono difficoltà tecniche che ostacolano l'applicazione su larga scala di questo acciaio nell'industria automobilistica. .

Attualmente, acciaierie e istituti di ricerca stanno lavorando a una nuova generazione di acciaio TWIP, l'acciaio FeMnA1, noto anche come acciaio TRIPLEX. L'acciaio FeMnAl non presenta effetti TRIP e TWIP. Durante la deformazione, le dislocazioni scivolano per formare bande di taglio, con conseguente elevata plasticità, ovvero effetti SIP di plastica indotti da bande di taglio. Finora, la sua applicazione nelle automobili è stata ampiamente riconosciuta.
-6- Acciaio di distribuzione temprato

Negli ultimi anni, J.g. Speer et al. ha proposto un nuovo processo: spegnimento e partizionamento. Questo processo può essere utilizzato per produrre gradi austenitici trattenuti ricchi di carbonio, noti come acciai Q&P. Questo meccanismo di processo si basa su una nuova conoscenza e comprensione della legge di diffusione del carbonio nella struttura mista martensite/austenite. L'acciaio Q&P appartiene alla terza generazione di AHSS e le proprietà meccaniche che possono essere raggiunte sono comprese nell'intervallo di resistenza alla trazione da 800 a 1500 e allungamento dal 15% al ​​40%.
In primo luogo, la matrice viene rapidamente raffreddata alla temperatura di spegnimento (TQ) tra M e Mf dopo essere stata mantenuta nella zona di austenite o temperatura della zona critica (TA) per un periodo di tempo e isotermica per un breve periodo per generare una quantità adeguata di martensite, quindi riscaldato alla temperatura di partizione (T) e trattato per un periodo di tempo per garantire il completamento del processo ricco di carbonio dell'austenite trattenuta.

Sebbene il meccanismo termodinamico di formazione della martensite nel processo di Q&P e nel tradizionale processo di Q&T sia lo stesso, il meccanismo di evoluzione e la composizione finale della microstruttura sono completamente diversi. Nel processo Q&T, quando si forma la martensite temperata, parte del carbonio viene consumata dalla formazione di cementite e l'austenite trattenuta viene decomposta. Tuttavia, il processo Q&P inibisce intenzionalmente la precipitazione dei composti Fe-C e stabilizza l'austenite trattenuta senza che venga decomposta. Pertanto, inibire efficacemente la precipitazione dei composti è la chiave di questo processo.
Trend di sviluppo dell'acciaio ad alta resistenza avanzato

I produttori di prodotti in ferro e acciaio devono far fronte a requisiti di qualità più severi per i prodotti esistenti da parte degli utenti, il che richiede l'accelerazione dello sviluppo di nuovi materiali in acciaio per garantire che i processi di produzione di nuovi prodotti che soddisfino le esigenze degli utenti debbano essere affidabili ed economici.
Un'altra idea di sviluppo per i materiali automobilistici consiste nel ridurre la densità di massa dell'acciaio partendo dal presupposto di mantenere i vantaggi dell'acciaio stesso, ovvero resistenza, tenacità, lavorabilità, durata, riduzione del rumore e riciclabilità. Uno di questi metodi consiste nell'aggiungere all'acciaio elementi di lega di metalli leggeri come Al e Si. Questi acciai sono stati sviluppati in una fase iniziale con una maggiore resistenza, una minore densità apparente e una migliore resistenza alla corrosione e finora hanno un grande potenziale di sviluppo, con un ulteriore potenziale di riduzione del peso.

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