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昨天新聞?wù)f汽車(chē)鋼強(qiáng)度韌性提高100%，是真的嗎？

2-23新聞?wù)f中國(guó)的汽車(chē)鋼強(qiáng)度、韌性提高100%，我不相信！我想知道這項(xiàng)新研究汽車(chē)鋼的成本提高了多少，如果不計(jì)成本，那當(dāng)然可以100%。有內(nèi)行可以幫忙解釋一下嗎？: 問(wèn) 提問(wèn)者：網(wǎng)友 | 2017-07-07

最佳回答

　　提高鋼的強(qiáng)度既簡(jiǎn)便又便宜的方法是增加碳含量。然而，這種方法使其他所希望的性能遭到消弱，如成型性，焊接性，韌性和其他一些性能。幾個(gè)性能都重要的情況下的幾種應(yīng)用，碳含量必須保持在低水平。在低碳鋼中為了獲得高強(qiáng)度并同時(shí)保持高水平的綜合性能最經(jīng)濟(jì)的方法是應(yīng)用微合金化技術(shù)。　　為什么要高強(qiáng)度　　應(yīng)用高強(qiáng)度鋼可以降低板厚度從而在許多應(yīng)用中降低重量。在汽車(chē)工業(yè)，車(chē)體減輕可以節(jié)省燃油從而保護(hù)環(huán)境（減少排氣量）。在造船工業(yè)，船體減輕可以裝載更多的貨物。圖3顯示的是管道在管線結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。對(duì)于一個(gè)18m長(zhǎng)，外徑1000mm的管道，當(dāng)用高強(qiáng)度鋼X70代替低強(qiáng)度鋼時(shí)其重量可以從14t降低到6t。另一個(gè)重要的例子是民用建筑，如圖4所示，的建筑形式，用460MPa的高強(qiáng)度鋼代替低強(qiáng)度鋼（235MPa）可以節(jié)省材料40%，重量降低超過(guò)50%，焊接材料可以節(jié)約超過(guò)70%。　　微合金化的效果　　圖5表明了主要微合金化元素Nb，V和Ti對(duì)提高強(qiáng)度和韌性的作用以及其強(qiáng)化機(jī)理。這三個(gè)元素均是通過(guò)細(xì)化晶粒和沉淀強(qiáng)化提高強(qiáng)度，但每種機(jī)理強(qiáng)化程度不同。Nb具有最強(qiáng)的晶粒細(xì)化強(qiáng)化效果，而V具有最強(qiáng)的沉淀強(qiáng)化效果，Ti介于上述兩者之間。如圖6所示，晶粒細(xì)化是唯一的能夠同時(shí)提高韌性的強(qiáng)化機(jī)理。因此，當(dāng)同時(shí)需要高強(qiáng)度和高韌性綜合性能時(shí)就需要添加鈮，譬如管線鋼和結(jié)構(gòu)鋼。在圖5中還可以反映出鈮是經(jīng)濟(jì)有效的。如要使低碳鋼的屈服強(qiáng)度提高100MPa，需要添加0.02%的鈮，而釩則需要添加兩倍的量。　　鈮的晶粒細(xì)化引起的強(qiáng)烈效果與其在軋制時(shí)通過(guò)固溶，特別是碳氮化鈮析出延遲奧氏體再結(jié)晶有關(guān)系。圖7顯示了分別含Nb，V，Ti鋼的效果。鈮阻止在軋制最后階段奧氏體的再結(jié)晶，促進(jìn)了扁平晶粒的變形，從而導(dǎo)致非常細(xì)的鐵素體晶粒。　　鈮的另一個(gè)重要影響是在中低碳鋼中降低轉(zhuǎn)變溫度促使貝氏體組織的形成，這一研究已經(jīng)比較多了，如圖8所示。降低轉(zhuǎn)變溫度是由于在軋制過(guò)程中仍有一部分鈮留在固溶體中而沒(méi)有發(fā)生沉淀反應(yīng)。這一效果在同時(shí)加入Nb和Mo或同時(shí)加入Nb和B時(shí)由于協(xié)同作用而加強(qiáng)，如圖所示。其中一個(gè)實(shí)際例子是X80管線鋼，鐵素體-低珠光體組織在得到韌性要求的同時(shí)卻達(dá)不到強(qiáng)度級(jí)別。　　微合金化不僅僅對(duì)軋制產(chǎn)品有作用。V可以在熱處理級(jí)別鋼種提高強(qiáng)度，而鈮可以細(xì)化晶粒。如圖9所示，在正常熱處理之后，鈮明顯的細(xì)化了晶粒。　　為了得到所希望的高水平性能，在煉鋼時(shí)很好的控制雜質(zhì)含量如S、N、P等也是非常重要的，特別是對(duì)需要高韌性的板材產(chǎn)品。圖10表明了S是如何影響沖擊性能的。為了把S含量控制在低的水平，應(yīng)用硫化物形狀控制（通常用鈣處理）對(duì)于避免生成對(duì)橫向韌性有損害的延長(zhǎng)硫化鎂是非常重要的。　　如圖11所示，氮對(duì)熱影響區(qū)的韌性的損害是非常大的，因此低氮是值得提倡的。這一損害可以用鈦固定游離的氮以降低其影響。氮化鈦在高溫時(shí)非常穩(wěn)定，因此它可以阻止晶粒的增長(zhǎng)。圖12顯示了鈦固氮處理提高熱影響區(qū)韌性的益處。然而用鈦需要很好的控制手段。加入到鋼中的鈦的量要以固定氮所需要的量為上限。如果多加了鈦將促使形成碳化鈦，這樣對(duì)熱影響區(qū)的韌性有損害，如圖13所示。氮對(duì)焊接金屬的韌性也是有影響的，如圖14。　　板材產(chǎn)品的微合金化　　板材產(chǎn)品方面的技術(shù)進(jìn)展可以作如下描述：　　50年代后期： Nb的引入　　60年代：控制軋制的試驗(yàn)探索　　70年代：全面實(shí)行微合金化和控制軋制　　80年代：實(shí)行加速冷卻　　90年代：實(shí)行直接淬火　　圖15表示的是微合金化元素Nb、V和Ti在不同的冷卻工藝下在板材中的強(qiáng)化效果，Nb的提高強(qiáng)韌性的效果尤為突出。　　微合金化板材有著非常廣泛的應(yīng)用，如管線鋼，造船鋼，海洋平臺(tái)，民用建筑（橋梁、高架橋，建筑）以及其它領(lǐng)域。　　如表1所示，管線鋼產(chǎn)品的發(fā)展，表明雖然碳的含量在不斷降低，但其強(qiáng)度卻在增加，這一原因前面已經(jīng)說(shuō)明。提高到X80級(jí)的產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)行商業(yè)生產(chǎn)，一些鋼鐵公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)了X100級(jí)別。提高抗氫致裂紋需要更嚴(yán)格的煉鋼工藝并需要非常低的碳和硫含量，如表2所列的工業(yè)產(chǎn)品。　　最后，表3對(duì)幾種管線鋼進(jìn)行了總結(jié)，包括熱軋和爐卷產(chǎn)品。在表中我們可以注意到一些鋼中的含鈮量高于正常情況的含鈮量，在0.07~0.09%之間。這些鋼最近幾年在北美已經(jīng)進(jìn)行商業(yè)生產(chǎn)。高鈮含量可以把奧氏體再結(jié)晶延遲到更高的溫度（如圖7所示），這使控軋工藝更加寬松，如高的終軋溫度，這對(duì)有功率限制的鋼板軋機(jī)是有益的。而且，這些超低碳高Nb鋼具有非常好的韌性特性。　　對(duì)于海洋平臺(tái)和造船業(yè)來(lái)講，自70年代以來(lái)的趨勢(shì)是降低含碳量，特別是在高焊接工作量并需要提高焊接性能的情況下。表4顯示的是分別通過(guò)正常的熱處理和加速冷卻工藝生產(chǎn)的335MPa級(jí)的典型的化學(xué)成分。　　在民用建筑方面，圖16表明了在瑞典現(xiàn)代橋梁應(yīng)用的高強(qiáng)度微合金化鋼。用高強(qiáng)度鋼，屈服強(qiáng)度460MPa級(jí)，熱機(jī)械工藝（TMCP）可以降低重量15，000t，降低費(fèi)用2500萬(wàn)美元。表5顯示的是50mm厚結(jié)構(gòu)板材產(chǎn)品典型的化學(xué)成分，工藝分別為正常情況（N），控軋（TM），淬火和回火（QT），熱機(jī)械工藝（TMCP）和直接淬火（DQ）。最近幾年，安全防火變得越來(lái)越重要。如圖17所示，防火結(jié)構(gòu)鋼已經(jīng)發(fā)展起來(lái)，該鋼添加Nb和Mo以提高高溫強(qiáng)度。　　汽車(chē)工業(yè)用熱軋和冷軋薄鋼板　　在70年代初第一次石油危機(jī)之后，微合金化熱軋和冷軋薄鋼板在汽車(chē)工業(yè)獲得了廣泛應(yīng)用。用高強(qiáng)度鋼代替低強(qiáng)度鋼過(guò)去是現(xiàn)在依然是降低汽車(chē)車(chē)重的有效方法，以節(jié)省燃料。安全方面的需要也激發(fā)了高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用。　　熱軋薄鋼板　　熱軋低合金高強(qiáng)度鋼（HSLA）薄鋼板主要用于卡車(chē)的底盤(pán)部分，也用于大客車(chē)的車(chē)輪，輪轂等部件。傳統(tǒng)的屈服強(qiáng)度水平在350MPa到550MPa之間，具有鐵素體加少量珠光體組織。表6列出了一些典型的化學(xué)成分。過(guò)去，這些鋼也用Ti作為主要微合金化元素來(lái)生產(chǎn)，尤其是在過(guò)去鋼的含硫水平比較高。加入鈦的另外一個(gè)主要作用是控制硫化物的形狀。但是由于其碳化物形成的動(dòng)力學(xué)原因，軋制工藝十分復(fù)雜，大部分情況下是不允許的，以避免出現(xiàn)典型的最終產(chǎn)品性能大范圍的分散，圖18。在鐵素體-少量珠光體鋼中，當(dāng)薄板的厚度方向需要使用兩種微合金化元素來(lái)獲得更高的強(qiáng)度時(shí)，Nb和V的結(jié)合將使性能分散范圍小些。以上考慮涉及到Ti的碳化物沉淀強(qiáng)化作用。如果只用來(lái)固定N，則Ti很有效。在含Nb鋼中，強(qiáng)度進(jìn)一步提高，因?yàn)楦嗟腘b將使鑄造性能也得到改善。　　最近，開(kāi)發(fā)出690MPa級(jí)卡車(chē)大梁用鋼，它利用了在由熱帶軋機(jī)直接軋出的貝氏體鋼中所有的強(qiáng)化機(jī)理，圖19。表7列出了兩種歐洲產(chǎn)品的合金設(shè)計(jì)。　　鐵素體-貝氏體鋼，含10~30%的貝氏體，用于車(chē)輪、輪轂和底盤(pán)，它比鐵素體-珠光體鋼具有更優(yōu)越的凸緣壓邊延伸性能。與鐵素體-馬氏體——雙相鋼相反，當(dāng)焊接的輪轂輪箍被拉伸時(shí)，使用這種鋼不會(huì)出現(xiàn)局部頸縮。如圖20所示，當(dāng)合金設(shè)計(jì)、軋制參數(shù)——卷取溫度——得到控制從而第二相主要為貝氏體相時(shí)，就可達(dá)到強(qiáng)度和成型性的最優(yōu)配合。　　冷軋薄鋼板　　傳統(tǒng)的微合金高強(qiáng)度冷軋薄板用鋼在汽車(chē)工業(yè)已使用了25年，但部分汽車(chē)零件不需要高的成型性。圖21顯示了罩式退火鋼板的典型化學(xué)成分。傳統(tǒng)的微合金鋼也可在連續(xù)退火線上生產(chǎn)，此時(shí)，對(duì)于給定的鋼種，可以獲得更高的強(qiáng)度。例如，如圖22所示的用于汽車(chē)側(cè)擋板的雙相鋼。　　更復(fù)雜形狀的產(chǎn)品——汽車(chē)車(chē)體（integrated 　　panels）的開(kāi)發(fā)以及傳統(tǒng)鋼達(dá)不到罩式退火同樣的成型性而引入連續(xù)退火生產(chǎn)薄鋼板，需要開(kāi)發(fā)一種新的類(lèi)型鋼，即無(wú)間隙鋼——超低碳IF鋼。　　無(wú)間隙鋼添加Ti、Nb或Ti+Nb生成無(wú)間隙原子。尤其在鍍鋅產(chǎn)品中，TiNb無(wú)間隙鋼可獲得最優(yōu)配合的機(jī)械性能以及更好的表面質(zhì)量，如圖23、24、25、26、27、28所示。僅添加Ti的無(wú)間隙鋼易于產(chǎn)生表面缺陷。　　匹茲堡大學(xué)的最新研究工作已經(jīng)表明，當(dāng)鈮在鐵素體晶界溶解時(shí)，它能起到重要的作用。晶界處溶解的鈮改善冷加工脆性，并能降低鍍鋅產(chǎn)品的粉化趨勢(shì)。　　用于鍛造的微合金鋼　　微合金化技術(shù)在鍛造汽車(chē)零件鋼中的應(yīng)用允許除掉傳統(tǒng)的淬回火熱處理生產(chǎn)汽車(chē)零件，從而顯著節(jié)省生產(chǎn)成本。表8列出了一些在市場(chǎng)上出現(xiàn)的鋼種。　　現(xiàn)已生產(chǎn)了僅含微合金元素V、僅含Nb以及Nb、V復(fù)合微合金鋼。研究表明，復(fù)合添加Nb和V對(duì)提高強(qiáng)度比單獨(dú)添加這兩種微合金元素中的任何一種更有效。Nb提高了V的析出潛能。　　在這種產(chǎn)品上，最新成果包括有直接淬火（馬氏體）或空冷獲得的低碳馬氏體+貝氏體或貝氏體鋼，它們表現(xiàn)出韌性得到改善。表9給出了一個(gè)例子。　　高強(qiáng)度緊固件與懸掛彈簧　　傳統(tǒng)的冷鍛高強(qiáng)度緊固件用鋼為中碳鋼，由淬回火得到最終產(chǎn)品所需的性能。用低碳微合金鋼替代中碳鋼，不需要熱處理就能得到最終所需的機(jī)械性能，并且消除了在收線過(guò)程中的中間球化處理。表10給出了8.8級(jí)鋼（鐵素體—珠光體）與10.9級(jí)鋼（鐵素體—貝氏體）的化學(xué)成分。　　懸掛彈簧是另一種使用微合金化技術(shù)而達(dá)到減重的產(chǎn)品。北美生產(chǎn)出熱處理后抗拉強(qiáng)度為2000MPa級(jí)、HRc為53-55的鋼。化學(xué)成分與機(jī)械性能在表11中列出。　　滲碳鋼　　在滲碳處理鋼中，尤其在溫鍛條件下，晶粒非正常長(zhǎng)大較為普遍。這些鋼中加入鈮抑制晶粒非正常長(zhǎng)大，這項(xiàng)技術(shù)已在日本使用多年，最近在北美也取得應(yīng)用。微合金元素添加到這些鋼中而帶來(lái)的另一個(gè)好處是通過(guò)更高的加熱溫度而有可能減少滲碳時(shí)間。鈮的加入抑制晶粒長(zhǎng)大，因而使在更高溫度滲碳成為可能。　　結(jié)構(gòu)用型鋼　　在結(jié)構(gòu)用型鋼技術(shù)上的最新主要進(jìn)展是僅使用一種化學(xué)成分就可滿(mǎn)足幾種技術(shù)條件的含鈮結(jié)構(gòu)型鋼/橫梁鋼已工業(yè)化。這種由Chaparral鋼鐵公司開(kāi)發(fā)的“多級(jí)別”鋼，典型的成分僅含0.01-0.02%Nb（目標(biāo)為0.015%），這足夠?qū)STM 　　A36的屈服強(qiáng)度提高到345MPa以上而抗拉強(qiáng)度限制在550MPa以下，從而既能滿(mǎn)足ASTM A36又能滿(mǎn)足 ASTM 　　A572-50的技術(shù)條件。鈮是選擇性添加微量元素，因?yàn)闉榱藵M(mǎn)足50級(jí)鋼的最低屈服強(qiáng)度要求，可能要多添加一些V，為0.02-0.03%（與0.015%Nb相比），這會(huì)提高結(jié)構(gòu)型鋼的抗拉強(qiáng)度，使它接近或超過(guò)550MPa，而當(dāng)滿(mǎn)足A572-50的技術(shù)要求時(shí)，又超過(guò)了A36所允許的要求。其它ASTM鋼的技術(shù)要求可由A572-42、A572-50、A529-42、A5290-50、A709-36與A709-50等多級(jí)別鋼滿(mǎn)足。　　鋼筋　　該產(chǎn)品用于大型混凝土結(jié)構(gòu)以提高抗拉能力。大直徑高強(qiáng)度級(jí)別鋼筋添加了V和Nb。一些現(xiàn)代軋鋼廠采用水冷技術(shù)取代微合金化提高強(qiáng)度。圖29為V和Nb在焊接用鋼筋中的強(qiáng)化效果。　　世界微合金化鋼的發(fā)展　　世界微合金化鋼的發(fā)展可由Nb的總消耗量來(lái)描述，因?yàn)镹b是一種主要微合金化元素，并且75%的Nb用于微合金化鋼，見(jiàn)圖30。70年代Nb的消耗量急劇上升。當(dāng)時(shí)控軋工藝在全世界范圍內(nèi)被采用，同時(shí)汽車(chē)工業(yè)使用量也在增加。80年代是穩(wěn)定期，但微合金化鋼產(chǎn)量繼續(xù)增加。Nb消耗量的穩(wěn)定是因?yàn)殇撹F廠效率的提高，如連鑄設(shè)備的安裝、加速冷卻，對(duì)給定量的最終產(chǎn)品，這可節(jié)省原材料。然而在Nb消耗量達(dá)到飽和點(diǎn)后，在90年代Nb的需求又顯著增加。這是受許多重要的鋼鐵公司產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整的影響，他們的品種集中在附加值產(chǎn)品，包括微合金化鋼。圖31很好的顯示出在歐洲微合金化鋼增加情況。從圖中明顯看出，在該地區(qū)，與粗鋼相比，F(xiàn)eNb的消耗量顯著增加。在歐洲，每噸鋼中的FeNb為60g。　　除了微合金鋼產(chǎn)量增加外，Nb使用領(lǐng)域也在增加。如圖32所示，在70年代中期，Nb主要用在管線鋼產(chǎn)品。為開(kāi)發(fā)該產(chǎn)品中而發(fā)展起來(lái)的微合金化技術(shù)在隨后的時(shí)間里被應(yīng)用在其他領(lǐng)域，如該圖所示的2000年情況。　　結(jié)論　　微合金化技術(shù)是一條生產(chǎn)高強(qiáng)度和其它所需性能的高質(zhì)量產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)有效途徑。　　世界范圍內(nèi)的微合金化鋼的產(chǎn)量不斷增加。新的鋼種已開(kāi)發(fā)出來(lái)，并應(yīng)用在許多領(lǐng)域，保持著鋼在材料領(lǐng)域的良好競(jìng)爭(zhēng)能力。: 回答者：網(wǎng)友

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