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          高強度常溫可成形鋼成汽車制造新寵

          汽車防撞結構的關鍵部分比如B柱及車架縱梁基本上都是采用一種稱為壓力硬化硼鋼的高強度鋼制造而成的。這種特殊級別的鋼(含有0.002-0.005%的硼)具有出色的踫撞能量吸收性能以及較高的強度,這樣在設計的時候可以采用較薄的壁厚,從而減輕重量。硼鋼常常用于制造復雜、精密,且對強度有較高要求的部件,但是這種材料成本較高且不易于加工。 

          采用硼鋼來制造汽車零部件需要將鋼坯加熱到較高的溫度(約950°C),然後在800-1200公噸的壓力機中采用較大的壓力將其沖壓成所需的形狀。但是實際情況並沒有這麼簡單,要想使這種鋼發揮出色的性能,壓力機還需要配置水循環冷卻系統,讓鋼在模具中快速冷卻或淬火至200°C左右。熱沖壓工藝的壓力硬化即是鋼坯的微觀組織從因高溫形成的延展性形態(主要是奧氏晶體形態)轉變到因快速冷卻形成的硬化形態(主要是馬氏體結晶形態)的過程。

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          美國環保署(DOE)希望可以省去用于熱成形汽車部件生產所需的大量能源和設備投入,因此他們贊助了科羅拉多礦業大學(CSM)及洛斯阿拉莫斯國家實驗室(LANL),委托他們進行一項為期三年、投入金額達120萬美元的聯合開發項目,旨在開發一種新型的輕量化先進高強度鋼,可以在常溫的條件下沖壓成形為汽車部件。 

          以每年1000萬輛車來計算的話,采用Q&P(淬火與碳分配)鋼每年可以節省約30兆Btu(英熱單位),如果轉換成天然氣的話可以滿足30-33萬戶美國家庭一年的能源需求。 

          還有一些行業或合作伙伴,包括卡內基梅隆大學(CMU)的先進鋼加工及產品研發中心,以及美國國家科學基金會贊助的工學合作研發中心等,也加入到了這個項目中來。這些合作伙伴,包括鋼鐵公司如AK Steel、Nucor Steel、Severstal和US Steel等以及汽車制造商如通用及豐田等,提供了超過30萬美元的成本分攤資金。

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          Q&P工藝路線 

          據洛斯阿拉莫斯國家實驗室研發工程師Kester Clarke介紹,CSM/LANL小組研究的工藝稱為淬火與碳分配。“這就是汽車行業開發所謂的‘第三代’先進高強度鋼的其中一種方式,用于制造強度更高、更安全、更輕且經濟實惠的汽車,”他說道。 

          “通過這種方式,材料工程師將開發一種‘有機的’復合材料結構,由相互混合的軟硬區域組成,可以確保材料在具有強度的同時也具有延展性,而這兩種特性很難同時實現,”Clarke解釋道。 

          Q&P是一種生產馬氏體鋼的新工藝,這種鋼在加熱後還可以保持一定量的奧氏體。鋼在高溫淬火後將形成不完全馬氏體及不完全奧氏體微觀組織。接下來的碳分配步驟是耗盡部分馬氏體中的碳,然後將剩余部分轉移到奧氏體中。在最後的淬火到室溫過程中,富碳奧氏體保留在鋼微觀組織中。 

          在使用Q&P工藝時,Clarke表示,“我們試圖將一些有用的合金元素分配到微觀組織的某些區域。基本的目的是要把馬氏體中的碳,也就是硬的部分,轉移(擴散)到奧氏體中,也就是柔韌的部分,然後將其穩定下來。這樣,你就得到了亞穩奧氏體,產生所謂的TRIP效果,即我們所說的相變誘發塑性。” 

          在采用這種鋼材制造的汽車部件受到踫撞時,富碳的奧氏體會轉變為馬氏體,後者比前者強度高,而且不易發生塑性變形,這種物理特性對確保汽車安全性來說非常重要。

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          合金添加劑及熱處理 

          “我們在鋼方面有非常龐大的熱動力學數據庫,可以幫助我們預測應該采用哪種合金添加劑才能夠達到平衡狀態,但是獲得具體的反應動態則異常困難,因為你要面對許多相互對立的反應狀態,這樣隨著時間的推移你很難確定具體的反應機制,”Clarke說道。“經過更進一步的研究和實驗,我們會選擇性能最佳、最具成本效益的合金化策略,然後開發最理想的熱處理工藝,從而獲得合金最佳的物理特性。”

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          研究人員會利用洛斯阿拉莫斯國家實驗室內一些特殊設備如淬火膨脹儀來測量在熱處理和淬火過程中奧氏體相(具有一定量的晶體單元)轉變為馬氏體相(具有不同量的特征單元)時材料尺寸的細微變化。

          一些先進的表征技術,包括電子顯微、中子衍射以及整體熱處理及形變處理等工藝,都將用于工業規模加工的模擬和預測中。


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