高強塑積無縫鋼管的開發(fā)與應用研究.pdf

1、隨著我國汽車工業(yè)的發(fā)展和汽車擁有量的逐年增加，如何有效減少汽車尾氣排放對環(huán)境的污染已引起全社會的廣泛關注。汽車輕量化是汽車制造行業(yè)中應對降低排放、節(jié)能環(huán)保的重要環(huán)節(jié)，主要包含材料輕量化和結(jié)構(gòu)輕量化兩個方面。材料輕量化方面，作為占汽車車身重量70％以上的鋼鐵材料，以高強度和高塑性為發(fā)展方向，目前汽車用先進高強鋼(Advanced High Strength Steel，AHSS)已發(fā)展至第三代。結(jié)構(gòu)輕量化方面，采用空心零件代替實心零件是非

2、常有效的手段，因此，管材內(nèi)高壓成形技術作為以輕量化和一體化為特征的一種空心變截面輕體構(gòu)件的先進制造技術，越來越受到人們的關注。國內(nèi)外的研究機構(gòu)及生產(chǎn)企業(yè)，通過有限元模擬和多種實驗手段對管材內(nèi)高壓成形工藝進行了系統(tǒng)的研究，但對管坯的材料研究相對滯后，對具有高強塑積并且成本低廉的鋼管開發(fā)研究鮮有報道。在此背景下，本文將材料輕量化和結(jié)構(gòu)輕量化結(jié)合在一起，將先進高強鋼的生產(chǎn)理念引入到鋼管的生產(chǎn)領域，成功試制出了具有與第三代先進高強鋼性能相近的高

3、強塑積雙相鋼和TRIP鋼無縫管，并對試制鋼管在變形過程中的組織演變及其與力學性能的關系等進行了系統(tǒng)研究。主要創(chuàng)新性成果如下:
　　(1)研究了0.16C-0.31Si-1.6Mn微合金鋼的連續(xù)冷卻相變行為，以此為基礎，運用中頻感應加熱方式，建立了雙相鋼無縫管的快速連續(xù)退火工藝。分析了不同臨界退火溫度和過時效制度對雙相鋼無縫管組織和性能的影響。結(jié)果表明，臨界退火溫度在750℃時，鐵素體晶粒完成了充分的再結(jié)晶，馬氏體相的晶粒尺寸適當、

4、分布均勻，強塑積達16510MPa.％。過時效溫度由400℃到200℃變化過程中，奧氏體相變的機制由擴散轉(zhuǎn)變?yōu)榍凶?，相變最終組織由貝氏體變?yōu)轳R氏體，馬氏體體積分數(shù)隨溫度的降低而增加，最佳力學性能出現(xiàn)在過時效溫度為200℃時。
　　(2)研究分析了中頻感應加熱條件下，回火、緩冷、預加熱三種熱處理工藝對雙相鋼無縫管塑性的影響。內(nèi)容包括:馬氏體在回火過程中碳化物的演變行為、緩冷制度對取向附生鐵素體的生成及淬火組織的影響，以及預加熱后初始

5、組織的改變對塑性的影響等。結(jié)果表明，隨著回火溫度升高，馬氏體分解產(chǎn)生的碳化物尺寸增加，馬氏體硬度下降，延伸率增加，但會造成屈服平臺的出現(xiàn)，200℃的回火溫度為最佳。提高緩冷初始溫度，可以使取向附生鐵素體相變充分，但會造成最終組織中貝氏體的含量增加，二者對塑性的影響相互制約，當溫度設定為790℃時，鋼中貝氏體含量較少，并且取向附生鐵素體相變進行充分，實驗鋼管性能表現(xiàn)良好。預加熱后，鋼管的初始組織中的大塊珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)榉稚⒌臐B碳體團，熱處理后

6、鋼管組織中不存在貝氏體組織，強塑積達到20865MPa·％。
　　(3)采用兩階段熱處理的方式試制了TRIP鋼無縫管，分析了熱處理工藝對組織中殘余奧氏體化學穩(wěn)定性的影響規(guī)律，并對無縫管進行了內(nèi)高壓成形試驗，對組織演變和裂紋生成及擴展行為進行了研究。結(jié)果表明，TRIP鋼無縫管中殘余奧氏體在變形過程中發(fā)生馬氏體相變，即TRIP效應，這與其所處的應力應變狀態(tài)有直接關系:處在軸向拉應力狀態(tài)下的殘余奧氏體比處在壓應力狀態(tài)下的更易于發(fā)生轉(zhuǎn)變，

7、而鐵素體晶界處的殘余奧氏體比晶粒內(nèi)部的更易于發(fā)生轉(zhuǎn)變。裂紋在夾雜物處萌生，經(jīng)過相互融合形成大尺寸裂紋。由于TRIP效應的作用，使鐵素體內(nèi)部的微裂紋的長大受到抑制，而鐵素體晶界處的殘余奧氏體，可以吸收裂紋擴展時的能量，并成為裂紋融合路徑上的障礙，從而阻礙大尺寸裂紋的形成，推遲了變形過程中破裂現(xiàn)象的產(chǎn)生。
　　(4)通過對奧氏體在兩相區(qū)臨界退火以及貝氏體等溫淬火過程中的相變規(guī)律研究，提高了TRIP鋼無縫管中殘余奧氏體的機械穩(wěn)定性，實現(xiàn)

8、了最終組織中各相的合理配比，開發(fā)了快速熱處理工藝。在兩相區(qū)(830℃)保溫過程中，奧氏體形核最先發(fā)生在珠光體密集區(qū)域，其次為獨立的珠光體區(qū)域，最后在彌散的碳化物區(qū)域。保溫時間為300s時，出現(xiàn)機械穩(wěn)定性高的薄膜狀殘余奧氏體，分布于鐵素體晶粒內(nèi)部和貝氏體板條間。極短的貝氏體區(qū)等溫淬火時間，使TRIP鋼無縫管最終組織中產(chǎn)生一定量的馬氏體晶粒，誘發(fā)的大量可動位錯使屈服平臺消失，同時提高了強度。整個快速熱處理工藝過程所用時間僅為傳統(tǒng)工藝的1/3

9、。
　　(5)研究了兩種不同工藝條件下試制的TRIP鋼無縫管加工硬化行為?？焖贌崽幚砉に嚿a(chǎn)的TRIP鋼無縫管，具有高的初始加工硬化指數(shù)，并且由于薄膜狀殘余奧氏體具有高的機械穩(wěn)定性，使加工硬化指數(shù)隨真應變增加而降低的現(xiàn)象不明顯，大幅降低了鋼管二次加工時起皺的可能性。
　　本文研究采用低成本成分設計，以第三代先進高強鋼生產(chǎn)工藝為基礎，建立了柔性化的快速熱處理工藝窗口，試制出具有良好綜合力學性能的高強塑積無縫鋼管，滿足管材二次成