Los aceros tradicionales de alta resistencia se fortalecen principalmente mediante solución sólida, precipitación y refinamiento de grano, mientras que los aceros avanzados de alta resistencia (AHSS) se refieren a aceros que se fortalecen mediante la transformación de fase. y/o austenita retenida, incluyendo principalmente aceros de doble fase (DP), aceros de plasticidad inducida por transformación (TRIP), aceros martensíticos (M), aceros de fase compleja (CP), aceros de conformado en caliente (HF) y acero de plasticidad inducida gemela (TWIP) .
La resistencia y plasticidad del acero avanzado de alta resistencia es mejor que la del acero ordinario de alta resistencia, y tiene alta resistencia y buena formabilidad, especialmente el alto índice de endurecimiento por trabajo, que conduce a mejorar la absorción de energía durante el proceso de colisión. , que asegura la reducción de peso y al mismo tiempo. La seguridad es muy beneficiosa.
La fuerza de AHSS está entre 500MPa y 1500MPa y tiene una buena absorción de energía. Desempeña un papel muy importante en la reducción del peso de los automóviles y la mejora de la seguridad. Ha sido ampliamente utilizado en la industria del automóvil, principalmente en piezas estructurales de automóviles, piezas de seguridad y piezas de refuerzo como pilares A/B/C, umbrales de puertas, parachoques delantero y trasero, vigas anticolisión de puertas, vigas, vigas longitudinales, rieles de asientos y otras partes; El acero DP fue producido en masa por primera vez por Suecia SSAB Steel Plate Co., Ltd. en 1983.
Progreso en el desarrollo y la investigación del acero avanzado de alta resistencia
Todos los aceros rápidos se fabrican controlando la velocidad de enfriamiento de la fase austenita o austenita más ferrita, ya sea por rectificado en caliente en la superficie periférica (como productos laminados en caliente) o por enfriamiento local en un horno de recocido continuo (recocido continuo o productos revestidos por inmersión en caliente).
Los aceros martensíticos se producen mediante un enfriamiento rápido que hace que la mayor parte de la austenita se transforme en la fase martensita. Los aceros ferríticos y martensíticos de doble fase se producen controlando la velocidad de enfriamiento para que la fase austenita (como se encuentra en los aceros laminados en caliente) o la fase dual ferrita+martensita (como se ve en el acero de recocido continuo y recubrimiento por inmersión en caliente) parte del acero la austenita retenida se transforma en ferrita antes de enfriarse rápidamente en martensita.
Los aceros TRIP generalmente deben mantenerse en condiciones isotérmicas moderadas para producir bainita. El mayor contenido de carbono de silicio hace que el acero TRIP contenga demasiada austenita retenida en la microestructura final. Los aceros multifásicos también siguen un patrón de enfriamiento similar, pero en este caso, el ajuste de los elementos químicos produce muy poca austenita retenida y forma precipitaciones finas para fortalecer las fases de martensita y bainita.
El acero de alta resistencia para automóviles se divide en productos laminados en caliente, laminados en frío y galvanizados en caliente, y todas sus características tecnológicas se fortalecen a través de la transformación de fase. Además, existe un tipo de acero de ultra alta resistencia templado y endurecido mediante moldes de formación de estampado en caliente, que ha sido ampliamente utilizado en la industria de fabricación de automóviles en Europa.
A medida que crecen las necesidades de seguridad y ahorro de combustible, la industria automotriz exige cada vez más materiales livianos y de alta resistencia. Impulsado por el peso ligero de los automóviles, la proporción de aleaciones de aluminio, aleaciones de magnesio, plásticos y otros componentes utilizados en los automóviles ha aumentado año tras año, y la posición dominante del acero en los materiales para automóviles también se ha visto amenazada. Para mejorar la seguridad de los automóviles y afrontar los retos de otros materiales, el desarrollo de materiales de acero se centra actualmente en aceros de alta resistencia.
-1- Acero dúplex
El acero bifásico se obtiene a partir de acero con bajo contenido de carbono o acero microaleado con bajo contenido de carbono mediante tratamiento térmico o laminación controlada y enfriamiento controlado en la región de dos fases, y su microestructura es principalmente ferrita y martensita. Los aceros ordinarios de alta resistencia refinan los granos mediante laminación controlada y fortalecen la matriz mediante la precipitación de carbonitruros de elementos microaleantes, mientras que los aceros bifásicos se dispersan en límites de grano de ferrita pura o granos con partículas relativamente duras. fase martensítica, por lo que su resistencia y tenacidad están bien coordinadas.
La resistencia del acero bifásico está determinada principalmente por la proporción de la fase de martensita dura, que varía de 5 a 30 . Las propiedades mecánicas a la tracción se caracterizan por:
①La curva de tensión-deformación es suave y arqueada, y no hay extensión del punto de fluencia;
② tiene una alta tasa de endurecimiento por trabajo, especialmente la tasa de endurecimiento por trabajo inicial;
③ Bajo límite elástico y alta resistencia a la tracción, los componentes formados tienen alta resistencia al aplastamiento, energía de absorción de impacto y alta resistencia a la fatiga;
④ Gran alargamiento uniforme y alargamiento total. El acero de doble fase es ideal para alta resistencia y buena conformabilidad para automóviles.
-2- Acero de plasticidad inducida por transformación
El acero de plasticidad inducida por transformación se refiere al acero con estructura multifásica en el acero. Estas fases suelen ser ferrita, bainita, austenita retenida y martensita.
Durante el proceso de deformación, la transformación de la austenita retenida estable en martensita provoca el fortalecimiento de la transformación de fase y el crecimiento plástico. Por esta razón, la austenita retenida debe tener la estabilidad suficiente para lograr una transformación gradual.
Por un lado, fortalece la matriz. Por otro lado, mejora el alargamiento uniforme y logra el objetivo de aumento simultáneo de resistencia y plasticidad. El rango de rendimiento del acero TRIP es: límite elástico 340-860 MPa, resistencia a la tracción 610-1080 MPa, elongación 22%-37%.
En los últimos años, el acero TRIP se ha desarrollado rápidamente. El acero TRIP se utiliza principalmente para fabricar guardabarros de automóviles, piezas de chasis, llantas de ruedas y vigas de impacto de puertas. Además, las láminas de acero TRIP se pueden usar como sustratos para el galvanizado en caliente y el electrogalvanizado Zn-Ni para producir láminas galvanizadas con alta resistencia, alta plasticidad, gran abultamiento por estirado y alta resistencia a la corrosión.
Posco de Corea del Sur ha desarrollado con éxito aceros TRIP de grados 800MPa y 1000MPa.
La formabilidad de la placa de acero es muy buena y se puede procesar en formas complejas de piezas de automóviles. Actualmente, están trabajando en el desarrollo del acero TRIP en el grado 1200MPa. En Japón, Mitsubishi Motors ha cooperado con Nippon Steel, Sumitomo Metal y Kobe Steel para desarrollar láminas de acero de alta resistencia TRIP para piezas de chasis de automóviles. En sus nuevos modelos se han fabricado más de 80 tipos de chapas de acero TRIP para piezas de chasis.
Muchos resultados de investigación muestran que el acero TRIP con alto contenido de silicio tiene una mejor ductilidad y resistencia a la tracción que el acero de baja aleación y alta resistencia, y sus series de composición son: C—Mn—Si—N—V, C—Mn—Si -Ti y Si- Nb, etc. Sin embargo, el alto contenido de silicio provocará la formación de incrustaciones de óxido rojo en la superficie de la tira y el deterioro del rendimiento del galvanizado por inmersión en caliente.
En los últimos años, algunos investigadores han comenzado a centrarse en reemplazar parcialmente el silicio con otros elementos (como aluminio, fósforo, etc.) para reducir el contenido de silicio en el acero, mejorar las propiedades del recubrimiento y mejorar el rendimiento del recubrimiento mediante la adición de elementos como el niobio. , vanadio, titanio y molibdeno. Resistencia del acero TRIP.
-3- Acero en fase compleja
La estructura del acero multifásico es similar a la del acero TRIP, y su estructura principal es ferrita fina y una alta proporción de fases duras (martensita, bainita), que contienen elementos como el niobio y el titanio.
A través de la acción compuesta de martensita, bainita y fortalecimiento por precipitación, la resistencia del acero CP puede alcanzar 800~1000MPa, con alta energía de absorción y rendimiento de expansión del orificio, especialmente adecuado para parachoques de puertas de automóviles, parachoques y piezas de seguridad B como los montantes.
Dependiendo del diseño de la composición de la aleación, la tecnología de microaleación, laminación controlada y enfriamiento controlado y la tecnología de recocido continuo, las tiras de alta resistencia laminadas en frío y en caliente pueden obtener diferentes microestructuras, como estructura de fase dual de ferrita + bainita, ferrita + martensita. estructura de doble fase, ferrita + bainita + estructura multifásica de austenita retenida y estructura de martensita, la resistencia del acero se puede aumentar de 500MPa a más de 1000MPa, e incluso puede alcanzar 1200MPa.
La práctica ha demostrado que debido al mayor contenido de elementos de microaleación en el acero, aumenta la resistencia a la deformación durante el laminado controlado en la zona no recristalizada, lo que resulta en una mayor carga del laminador. En el proceso de laminación y enfriamiento controlados, el elemento de titanio es muy sensible a la temperatura de calentamiento y la temperatura de bobinado. Las fluctuaciones en la temperatura de calentamiento del planchón y la temperatura de bobinado posterior al laminado conducen fácilmente a fluctuaciones muy significativas en las propiedades de la bobina, como el límite elástico y la resistencia a la tracción.
Para aceros estructurales de alta resistencia laminados en frío, se pueden obtener estructuras complejas de ferrita + bainita + martensita con diferentes proporciones de volumen a través del complejo proceso de tratamiento térmico durante el proceso de recocido continuo.
Este acero multifásico laminado en frío tiene buenas propiedades mecánicas integrales y tiene mayor tenacidad y plasticidad con la misma resistencia que el acero martensítico templado convencional, por lo que tiene un amplio mercado de aplicaciones en la industria automotriz.
-4- Acero martensítico
La producción de acero martensítico se realiza mediante el enfriamiento rápido de la estructura de austenita a alta temperatura para transformarla en una estructura de martensita de listón, que se puede realizar mediante laminación en caliente, laminación en frío, recocido continuo o recocido después de la formación, y su resistencia máxima puede alcanzar 1600MPa, que es el actual El grado más alto de resistencia de las láminas comerciales de acero de alta resistencia.
Por lo tanto, cuando se producen productos en forma de placa, debido a la limitación de la formabilidad, solo se pueden producir piezas con formas simples mediante laminación o estampado, que se utilizan principalmente para piezas como parachoques de puertas con bajos requisitos de formación para reemplazar piezas tubulares. costo de manufactura.
El acero estampado en caliente (acero MnB) es un método de Nippon Steel que logra una alta conformabilidad y una resistencia extremadamente alta mediante el enfriamiento después del conformado en caliente. El método específico de conformado en caliente es: calentamiento de la placa de acero (880–950°C), estampado (tratamiento de enfriamiento rápido en el troquel de la máquina de estampado), granallado (eliminación de incrustaciones de óxido de hierro) y producto terminado (1500MPa).
Todo el proceso de estampado en caliente toma de 15 a 25 segundos.
Para resolver el problema de que las incrustaciones de óxido de hierro se forman fácilmente durante el trabajo en caliente de la placa de acero, generalmente es necesario realizar un tratamiento de aluminización en la superficie de la placa de acero de ultra alta resistencia. Las placas de acero MnB de ultra alta resistencia se utilizan principalmente para fabricar piezas anticolisión.
-5- Acero de plasticidad inducida gemela
Acero de plasticidad inducida gemela: la segunda generación de acero automotriz avanzado de alta resistencia, cuya microestructura a temperatura ambiente es austenita monofásica. La mayoría de los aceros austeníticos, como los aceros inoxidables austeníticos y los aceros con alto contenido de manganeso, tienen energías de fallas de apilamiento de bajas a moderadas y, por lo tanto, tienden a formar estructuras extensas de fallas de apilamiento, maclas y dislocaciones planas.
Cuando se agrega C o Al y Si al acero con alto contenido de manganeso, se puede encontrar una amplia gama de maclados mecánicos. Cuando w(Mn) alcanza el 25%, w(Al)>3%, y w(Si) está entre el 2% y el 3%, existe una gran área de gemelos mecánicos en el acero. La misma situación se da cuando el tiempo de carbón es muy bajo. Estos aceros tienen una ductilidad muy alta, hasta un 80%.
Introdujeron aceros de plasticidad inducida gemela para nombrar estos grados de acero, denominados aceros TWIP. Las excelentes propiedades mecánicas del acero TWIP provienen de la plasticidad inducida por el maclado, y el papel del maclado en la deformación es completamente diferente al concepto tradicional. Generalmente se cree que en materiales con simetría de estructura cristalina relativamente baja y relativamente pocos sistemas de deslizamiento, el maclado ocurre en algunas concentraciones de tensión cuando la tasa de deformación es grande, o cuando la fuerza se aplica en el caso de una orientación de deslizamiento desfavorable.
Los metales cúbicos centrados en las caras no son propensos a la macla, y la macla mecánica solo se puede formar a temperaturas extremadamente bajas. Dado que la cantidad de deformación generada por el hermanamiento es pequeña, solo desempeña el papel de ajustar la orientación cuando el deslizamiento es difícil, de modo que el deslizamiento pueda continuar. Pero en acero TWIP, se puede formar en austenita cúbica centrada en la cara cuando la temperatura de deformación es de -70～400 ℃, y la tasa de deformación puede ser tan baja como 10-4/s.
Durante el proceso de deformación, se forman maclas en la región de alta deformación, y los límites de la macla evitan el deslizamiento en esta región, lo que promueve el deslizamiento de otras regiones de menor deformación. En la actualidad, Francia, China y otros países han iniciado la producción de acero TWIP.
Desarrollo tecnológico. Aunque TWIP tiene excelentes propiedades mecánicas, los problemas de fundición, colada continua, retardo, fractura, sensibilidad a la muesca y capacidad de recubrimiento del acero son dificultades técnicas que dificultan la aplicación a gran escala de este acero en la industria automotriz. .
Actualmente, las acerías y los institutos de investigación están trabajando en una nueva generación de acero TWIP, el acero FeMnA1, también conocido como acero TRIPLEX. El acero FeMnAl no exhibe efectos TRIP y TWIP. Durante la deformación, las dislocaciones se deslizan para formar bandas de corte, lo que resulta en una alta plasticidad, es decir, efectos SIP plásticos inducidos por bandas de corte. Hasta el momento, su aplicación en automóviles ha sido ampliamente reconocida.
-6- Acero de distribución templado
En los últimos años, J. g. Speer et al. propuso un nuevo proceso: extinción y partición. Este proceso se puede utilizar para producir grados austeníticos retenidos ricos en carbono, conocidos como aceros Q&P. Este mecanismo de proceso se basa en un nuevo conocimiento y comprensión de la ley de difusión del carbono en la estructura mixta martensita/austenita. El acero Q&P pertenece a la tercera generación de AHSS, y las propiedades mecánicas que se pueden lograr están en el rango de resistencia a la tracción de 800 a 1500 y alargamiento de 15% a 40%.
En primer lugar, la matriz se enfría rápidamente a la temperatura de enfriamiento rápido (TQ) entre M y Mf después de mantenerse en la zona de austenita o la temperatura de la zona crítica (TA) durante un período de tiempo, e isotérmica durante un tiempo breve para generar una cantidad adecuada de martensita, y luego se calienta a la temperatura de partición (T) y se trata durante un período de tiempo para asegurar la finalización del proceso rico en carbono de la austenita retenida.
Aunque el mecanismo termodinámico de formación de martensita en el proceso Q&P y el proceso Q&T tradicional es el mismo, el mecanismo de evolución y la composición final de la microestructura son completamente diferentes. En el proceso Q&T, cuando se forma martensita templada, parte del carbono se consume en la formación de cementita y la austenita retenida se descompone. Sin embargo, el proceso Q&P inhibe intencionalmente la precipitación de compuestos Fe-C y estabiliza la austenita retenida sin que se descomponga. Por lo tanto, la inhibición efectiva de la precipitación de compuestos es la clave de este proceso.
Tendencia de desarrollo de acero avanzado de alta resistencia
Los fabricantes de productos de hierro y acero se enfrentan a requisitos de calidad más estrictos para los productos existentes de los usuarios, lo que requiere acelerar el desarrollo de nuevos materiales de acero para garantizar que los procesos de fabricación de nuevos productos que satisfagan las necesidades de los usuarios sean fiables y económicos.
Otra idea de desarrollo para los materiales automotrices es reducir la densidad de masa del acero con la premisa de conservar las ventajas del propio acero, es decir, resistencia, tenacidad, maquinabilidad, vida útil, reducción del ruido y reciclabilidad. Uno de estos métodos es agregar elementos de aleación de metales ligeros como Al y Si al acero. Estos aceros se han desarrollado en una etapa temprana con mayor resistencia, menor densidad aparente y mayor resistencia a la corrosión, y hasta ahora tienen un gran potencial de desarrollo, con mayor potencial de reducción de peso.
