高強(qiáng)塑積無縫鋼管的開發(fā)與應(yīng)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(guān)注。汽車輕量化是汽車制造行業(yè)中應(yīng)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(gè)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(qiáng)度和高塑性為發(fā)展方向，目前汽車用先進(jìn)高強(qiáng)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(shí)心零件是非

2、常有效的手段，因此，管材內(nèi)高壓成形技術(shù)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(jìn)制造技術(shù)，越來越受到人們的關(guān)注。國內(nèi)外的研究機(jī)構(gòu)及生產(chǎn)企業(yè)，通過有限元模擬和多種實(shí)驗(yàn)手段對管材內(nèi)高壓成形工藝進(jìn)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(qiáng)塑積并且成本低廉的鋼管開發(fā)研究鮮有報(bào)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(jìn)高強(qiáng)鋼的生產(chǎn)理念引入到鋼管的生產(chǎn)領(lǐng)域，成功試制出了具有與第三代先進(jìn)高強(qiáng)鋼性能相近的高

3、強(qiáng)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(xué)性能的關(guān)系等進(jìn)行了系統(tǒng)研究。主要?jiǎng)?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(chǔ)，運(yùn)用中頻感應(yīng)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(shí)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(shí)，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(dāng)、

4、分布均勻，強(qiáng)塑積達(dá)16510MPa.％。過時(shí)效溫度由400℃到200℃變化過程中，奧氏體相變的機(jī)制由擴(kuò)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?jǐn)?shù)隨溫度的降低而增加，最佳力學(xué)性能出現(xiàn)在過時(shí)效溫度為200℃時(shí)。
　　(2)研究分析了中頻感應(yīng)加熱條件下，回火、緩冷、預(yù)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(yù)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(dāng)溫度設(shè)定為790℃時(shí)，鋼中貝氏體含量較少，并且取向附生鐵素體相變進(jìn)行充分，實(shí)驗(yàn)鋼管性能表現(xiàn)良好。預(yù)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(tuán)，熱處理后

6、鋼管組織中不存在貝氏體組織，強(qiáng)塑積達(dá)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(xué)穩(wěn)定性的影響規(guī)律，并對無縫管進(jìn)行了內(nèi)高壓成形試驗(yàn)，對組織演變和裂紋生成及擴(kuò)展行為進(jìn)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(yīng)，這與其所處的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)有直接關(guān)系:處在軸向拉應(yīng)力狀態(tài)下的殘余奧氏體比處在壓應(yīng)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(yīng)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(kuò)展時(shí)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(jī)械穩(wěn)定性，實(shí)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(dú)立的珠光體區(qū)域，最后在彌散的碳化物區(qū)域。保溫時(shí)間為300s時(shí)，出現(xiàn)機(jī)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(shí)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(dòng)位錯(cuò)使屈服平臺消失，同時(shí)提高了強(qiáng)度。整個(gè)快速熱處理工藝過程所用時(shí)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(jī)械穩(wěn)定性，使加工硬化指數(shù)隨真應(yīng)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(shí)起皺的可能性。
　　本文研究采用低成本成分設(shè)計(jì)，以第三代先進(jìn)高強(qiáng)鋼生產(chǎn)工藝為基礎(chǔ)，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(xué)性能的高強(qiáng)塑積無縫鋼管，滿足管材二次成