журналы подразделения новости подписка контакты home

архив
2001 год
2002 год
2003 год
2004 год
рубрики
ТЕМА НОМЕРА

ИТОГИ И ТЕНДЕНЦИИ

КОМПАНИИ И РЫНКИ

РЫНОК ЧЕРНЫХ МЕТАЛЛОВ

РЫНОК ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

ЦЕНОВАЯ ИНФОРМАЦИЯ

гостям
Агентство "Стандарт" предлагает вам подписаться на экномические журналы – лидеры в своей области.
























"Металлы мира" – №5, 2003
Приложения к статье
Содержание стали в автомобилях, выпущенных в США

ТЕМА НОМЕРА

Законы диалектики в автомобильном секторе

Применение новых сортов стали дает возможность сбалансировать противоречия между необходимостью снижения веса автомобиля и повышения его безопасности

В последние годы борьба между производителями альтернативных материалов за передел автомобильного рынка значительно обострилась. Легкие металлы – алюминий и магний – находят все более широкое применение в автомобилестроении, композитные материалы тоже основательно потеснили сталь на ее традиционном рынке. В этой ситуации ряд западных сталелитейных компаний разработали совместные научно-технические программы, осуществление которых привело к появлению качественно новых материалов – высокопрочных сталей нового поколения, что, как ожидается, должно значительно упрочить позиции сталелитейной промышленности в автомобильном секторе.

Между Сциллой и Харибдой

На протяжении нескольких десятилетий тенденции в проектировании автомобилей формировались под воздействием двух противоположно направленных факторов: необходимость соблюдения установленных регулятивными органами норм средней по отрасли топливной экономичности (CAFE) требовала снижения веса автомобилей, а стандарты безопасности исключали возможность уменьшения толщины стальных конструкций.

В середине 70-х годов стремление к снижению веса автомобилей породило тенденцию к уменьшению их размеров. Однако, если европейские и японские потребители охотно приняли эти новшества, то в США дело обстояло иначе. В середине 80-х годов было уже ясно, что американцы по-прежнему отдают предпочтение большим машинам. С другой стороны, потребителей все чаще интересовали вопросы безопасности. Эта тенденция приобрела особый размах в середине 90-х годов. Действующие отраслевые стандарты безопасности не претерпели изменений, но сами потребители становились все более осведомленными в этих вопросах. Страховые компании осуществляли тестирование автомобильных кузовов; испытания проводились по методике столкновения с препятствием, полученные результаты публиковались. Позднее, в 1999 году, по результатам такого тестирования National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA) разработала пятизвездочный рейтинг. Именно на него теперь и ориентируются покупатели.

Соответственно, американские автомобильные компании были вынуждены отказаться от идеи выпуска малолитражек и занялись поиском новых путей снижения веса, причем, без малейшего ухудшения прочностных характеристик автомобиля. Естественное решение этой дилеммы состояло в замене стали более легкими материалами, но цена на подходящие в смысле механических характеристик альтернативные металлы резко увеличила бы затраты на производство автомобилей, не говоря уже о необходимости радикального изменения процессов изготовления деталей и сборочных технологий. Отказаться от концепции стальных конструкций было бы весьма непросто, поскольку сталь, как традиционный материал, имеет ряд преимуществ, и в настоящее время ее содержание в среднестатистическом автомобиле Северной Америки составляет 50%. Правда, ее доля постепенно сужается: в 1976 году она равнялась 60%, а в 2001-м – 54%. За этот же период содержание алюминия увеличилось от 2,3% в 1976 году до 7,8% – в 2002-м, а доля композитных материалов возросла от 4,3 до 7,6%.

Уже в конце 80-х годов американские производители стали полностью осознавали опасность, которую представляют более легкие материалы для их позиций в автомобильной промышленности. Именно в те времена появилось множество научно-технических консорциумов, учрежденных для разработки способов повышения конкурентоспособности стали на этом важнейшем рынке. Теперь эти усилия начинают приносить свои плоды: "большая тройка" американских автомобильных компаний уже использует в новых моделях предложенные этими консорциумами технические решения.

Самый легкий стальной автомобиль

Учрежденные сталелитейной промышленностью научно-технические программы, в осуществлении которых часто принимали участие и автомобильные компании, имели целью решение жестко сформулированной задачи: найти пути сохранения и улучшения устойчивости конструкции к ударным нагрузкам при одновременном снижении общего веса автомобиля. Дополнительным ее условием была необходимость сохранения цены на приемлемом для покупателей уровне. В этой ситуации естественным направлением разработок оказались высокопрочные листовые стали, обеспечивавшие снижение веса автомобиля за счет возможности использования более тонких листов, что не требовало уменьшения размеров, снижения уровня комфортабельности и безопасности. Тем не менее, путь к практическому осуществлению этой концепции оказался долгим и весьма непростым.

Высокопрочная сталь была создана много лет тому назад, но автомобильные компании отнюдь не считали ее оптимальным материалом; даже сейчас отголоски этого старого восприятия создают определенные препятствия ее более широкому внедрению. В свою очередь, сталелитейная промышленность долгие годы производила высокопрочную сталь для других рынков и не изучала возможностей ее применения в автомобильной промышленности. Ситуация изменилась только тогда, когда производители стали и автомобилей объединили свои усилия, чтобы осуществить необходимые изменения в конструкции и способах механической обработки, позволяющие эффективно использовать этот перспективный материал. В результате деятельности научно-технических консорциумов начали появляться модели автомобилей, даже более легкие и дешевые в производстве, чем могли бы ожидать изготовители комплектного оборудования (OEM), непосредственно использующие данные материалы. Понятно, что это повышает конкурентоспособность стали в долгосрочном плане, тем более что консорциумы продолжают интенсивно внедрять новую продукцию в автомобильный сектор.

Сталь – материал, выигрышный во многих отношениях. У нее наилучшее соотношение прочности и веса, особенно у высокопрочных категорий. Тем не менее, проблема снижения веса становится все более актуальной, так как, выигрывая в прочности, сталь здесь пока проигрывает. Именно на снижение веса стальных конструкций при сохранении прочностных характеристик и направлена основная активность консорциумов. В частности, решению этой проблемы посвящена программа Auto/Steel Partnership, учрежденная в 1987 году североамериканскими производителями стали и "большой тройкой" автомобильных компаний. Позднее, после 1993 года, количество таких консорциумов для разработки "сверхлегких" стальных конструкций начало нарастать лавинообразно; спусковым крючком послужил старт программы UltraLight Steel Auto Body (ULSAB), в которой приняли участие 35 производителей стали из 18 стран.

Основной задачей ULSAB было определение путей значительного снижения веса автомобильного кузова при надежном обеспечении безопасности и комфортабельности при приемлемой цене. Целью программы UltraLight Steel Auto Closure (ULSAC) была демонстрация целесообразности применения стали для изготовления конструкционно прочных запорных элементов (капоты, дверцы, крышки багажника, люки и задние дверцы), тогда как UltraLight Steel Auto Suspension (ULSAS) была направлена на разработку легких и конструкционно прочных стальных подвесок.

Квинтэссенцией программ этого направления стала UltraLight Steel Auto Body Advanced Vehicle Concepts (ULSAB-AVC), завершившаяся в январе прошлого года созданием цифровой модели двух моделей легких автомобилей – двухдверного (с открывающейся вверх задней дверцей) и четырехдверного седана. Они включали удачные находки предыдущих программ серии UltraLight.

В этих моделях использованы новейшие категории высокопрочных сталей, сваренные по шаблону панели и трубы, предусмотрены лазерная сварка на этапе сборки, а также гидроформинг труб и листовой стали. Расход топлива в этих автомобилях составляет 3,23-4,52 л на 100 км при движении по комбинированному циклу, а уровень безопасности соответствует самым высоким из принятых в США и Европе стандартов. В настоящее время эти модели представляют собой последнее слово техники, тем не менее, жизнь не стоит на месте, и в конструкторских тенденциях уже произошла смена приоритетов.

Максимальная безопасность при минимальном весе

В Северной Америке с 2004 года начнут действовать новые, более жесткие стандарты, регламентирующие прочность автомобиля при столкновениях с препятствием. Поэтому, хотя снижение веса остается одной из актуальнейших проблем производителей автомобилей, два года назад на первый план вышла новая задача – повышение безопасности при столкновениях. Теперь проблема для проектировщиков заключается в том, чтобы без увеличения веса автомобиля создать модель, соответствующую повышенным требованиям защиты. При использовании традиционных технологий эта задача неразрешима; если не будут найдены нетривиальные решения, вес автомобилей к 2006 году увеличится на 30%.

Поиском путей для решения этой проблемы на основе новых категорий стали занимается консорциум ULSAB-AVC. В его задачи входит не только расширение применения более прочных сталей, уже использованных в исходном проекте ULSAB, но и внедрение самых прогрессивных материалов – двухфазных сталей (DP), сталей с изменением пластичности в результате фазового перехода (TRIP), много- или сложнофазных (CP) сталей, мартенситных материалов. Основное отличие этих сталей нового поколения (AHSS) от обычных высокопрочных категорий состоит в том, что их механические характеристики не фиксированы и изменяются при возникновении в металле напряжений, степень же этого изменения зависит от величины и скорости увеличения нагрузки. Таким образом, система выбора материалов в проекте ULSAB-AVC существенно отличается от принципов, использованных в ULSAB, где конструкция рассчитывалась на основе статических механических характеристик металла.

Эффект упрочнения стали проявляется сильнее с повышением скорости деформации, и при высоких скоростях, характерных для случаев столкновения с препятствием, AHSS приобретают более высокую прочность, а, следовательно, поглощают большее количество энергии. Предварительными исследованиями установлено, что это явление можно эффективно использовать для снижения веса автомобиля при одновременном решении проблемы безопасности. Эта концепция и заложена в основу конструкции кузова в проекте ULSAB-AVC.

Поскольку применение AHSS – новое слово в конструировании автомобилей, экспериментальные исследования были дополнены аналитическим моделированием FEA, позволяющим оценить особенности изменения характеристик стали в процессе формовки. В рамках этой программы был проведен анализ сталей, уже закрепившихся на рынке, затем материалов, находящихся на стадии разработки, и, наконец, сталей, которые промышленность начнет выпускать в 2004 году. Эти материалы классифицировали в порядке возрастания их механических характеристик при высоких скоростях деформации и использовали в исходных концепциях конструкций кузовов классов C и PNGV. Выбор материалов изначально осуществляли по принципу наиболее подходящих пределов текучести. Однако в окончательном варианте конструкции представлены уже специальные категории AHSS, отобранные согласно наилучшему соответствию их уникальных механических свойств требованиям, которым должны отвечать конкретные детали конструкции ULSAB-AVC.

Производители стали осознают, что для внедрения материалов AHSS в промышленность необходимо преодолеть ряд препятствий как технологического, так и психологического характера: металлургические свойства и способы обработки материалов AHSS имеют существенные отличия от традиционных низко- и высокопрочных сталей, хорошо известных производителям и потребителям стальной продукции. Поэтому, хотя некоторые автомобильные компании уже начали применять обычные высокопрочные стали и даже новейшие AHSS, внедрение этих материалов будет представлять собой постепенную эволюцию: от появления новой технологии производства материала и до оценки этой продукции автомобильными компаниями и ее использования в новых моделях пройдет довольно большой срок.

С другой стороны, организовать серийный выпуск этой продукции несмотря на давний интерес автомобильных компаний к высокопрочным сталям AHSS было весьма непростой задачей. Для ее производства в промышленных масштабах требовалось разработать новые технологии. Все AHSS получают за счет регулирования скорости охлаждения металла, начиная от аустенитной или от смеси аустенитной и ферритной фаз. Это охлаждение осуществляют либо на выходном рольганге стана горячей прокатки (в случае горячекатаной продукции), либо в зоне охлаждения печи для непрерывного отжига (отожженная или горячеоцинкованная продукция). Результат этого процесса полностью зависит от строжайшего соблюдения необходимого температурного режима, что требует наличия сверхточных систем контроля. Поэтому, хотя сами материалы известны уже много лет, до недавнего времени их можно было получать исключительно в лабораторных условиях. Только теперь появилась аппаратура, позволяющая наладить выпуск этих сталей в промышленных масштабах.

Соответственно, начинается и внедрение AHSS в автомобильную промышленность, и в этом направлении уже наблюдается значительный прогресс. Так, для повышения прочности при ударе GM уже производит внутреннюю балку подвески модели Cadillac CTS из мартенситной стали, а также использует различные категории высокопрочных сталей в Saturn Vue и в новой модели Chevrolet Malibu, которая скоро будет запущена в производство и появится на дорогах в 2004 году. Кроме того, Honda намерена применять двухфазную сталь в своих моделях Civic и Accord, а DaimlerChrysler планирует использовать этот материал в нескольких моделях, включая Grand Cherokee и Pacifica. В свою очередь, Ford будет использовать высокопрочную сталь AHSS в новой модели, которая будет запущена в серию через полтора года, и в полнолитражных пикапах следующего поколения.

По словам Теодора Дайуолда, исполнительного директора Auto/Steel Partnership, теперь основная задача консорциума состоит в том, чтобы применить концепцию ULSAB-AVC к серийным автомобилям. Некоторые аспекты ULSAB уже используются на производстве, другие находятся на стадии разработки и будут внедрены в течение ближайших нескольких лет. Применение же в промышленных масштабах иных идей, заложенных в этой концепции, требует скачкообразного прогресса в технологии. Тем не менее, успехи уже налицо: если на момент учреждения консорциума ULSAB-AVC только 20-25% используемой в автомобилях стали относились к высокопрочным категориям, то теперь в новых моделях "большой тройки" эта доля возросла до более 45%. В 2002 году американские компании продали производителям автомобилей 10 тыс. т высокопрочных сталей, но, по прогнозу Джоди Шоу, технического директора US Steel, в нынешнем году объем этих продаж увеличится до 80 тыс. т и дойдет до 200 тыс. т в 2004-2005 годах.

Материальные перспективы

Тем временем Auto/Steel Partnership занимается совершенствованием технологий, которые могли бы ускорить внедрение высокопрочных сталей нового поколения в автомобильную промышленность, включая создание оборудования для более эффективной штамповки и сварки таких материалов. Такое оборудование уже проходит производственные испытания, и уже отмечен прогресс в этом направлении. Применение высокопрочных сталей в Северной Америке стабильно растет: от 130 фунтов (59 кг) на автомобиль в 1978 году их использование дошло до 370 фунтов в 2002-м, а, по прогнозу Auto/Steel Partnership, в течение ближайших 10 лет их применение будет увеличиваться со скоростью 5% в год. Хотя это произойдет за счет снижения потребления обычных категорий, производителей стали это устраивает: высокопрочные материалы стоят дороже, так что уменьшение тоннажа продаж будет происходить параллельно с ростом доходности.

Более многоплановому применению стали способствует и внедрение разработанных консорциумом Auto/Steel Partnership новых технологий производства деталей – сварки и гидроформинга по шаблону (здесь для изготовления одной детали используются части из различных сортов стали, соединенные лазерной сваркой). В настоящее время сваренные по шаблону стальные панели уже широко применяются в автомобильной промышленности, особенно в таких назначениях как внутренние части кузова и дверей. По мнению Денниса М. Урбана, директора исследовательского подразделения Ispat Inland, в 2004-2006 годах в новых моделях "большой тройки" и европейских компаний, у которых есть заводы в США, скоро появятся сваренные по шаблону трубы, из которых будут производить направляющие крыш. По словам Урбана, GM весьма заинтересована также в создании сваренных по шаблону панелей для наружных боковых частей кузова и принимает активное участие в их разработке, осуществляемой Auto/Steel Partnership. Еще одно важное достижение конструкторов состоит в том, что теперь подвеску двигателя все чаще производят методом гидроформинга, так же, как и направляющие детали конструкции крыши и передней части автомобиля.

По словам Терри Нардона, коммерческого директора компании Vari-Form, одного из пионеров гидроформинга, "большая тройка" чрезвычайно заинтересована в этой технологии, которую первой начала применять DaimlerChrysler (эта компания использовала гидроформированные направляющие рамы и верха передней части конструкции кузова в своей модели Dodge Ram). Другие гидроформированные детали заложены в проект автомобиля Dodge Durango, выпуск которого начнется в текущем году. Гидроформинг начинают использовать даже неамериканские филиалы автомобильных компаний, хотя и с заметно большей осторожностью. С точки зрения Рона Крупитцера, главного менеджера подразделения автомобильных применений стали American Iron and Steel Institute, следующим шагом будет гидроформинг труб, сваренных по шаблону.

Таким образом, сотрудничество производителей стали с автомобильными компаниями привело к появлению безопасных автомобилей с более высокой топливной эффективностью и ценой, приемлемой для потребителей. В настоящее время использование высокопрочных сталей не слишком увеличивает стоимость деталей по сравнению с обычными более мягкими категориями материала, причем, это повышение компенсируется общим снижением количества металла на автомобиль. Расходы сократятся еще больше, когда крупные прокатные заводы смогут без особых проблем перейти на производство больших объемов более тонких категорий высокопрочных сталей. Это станет поворотным пунктом в истории проектирования автомобилей.

Помимо проблем безопасности и снижения веса, применение AHSS обеспечивает параллельное решение и ряда иных конструкторских задач, например, оптимальной компоновки автомобиля. В последние годы потребители отдают предпочтение моделям с более короткими свесами и увеличенным внутренним пространством, кроме того, покупатели стремятся иметь больший угол обзора из кабины. Это означает, что нужно уменьшать сечение опорных стоек ветрового стекла и крыши. Очевидно, что AHSS оптимально помогут в решении подобных задач; алюминий будет значительно менее подходящим материалом для подобных назначений, поскольку для сохранения прочности конструкции эти детали пришлось бы делать большей толщины.

Хотя в настоящее время конструкторы предусматривают использование высокопрочных сталей только в тех узлах, где без этого не обойтись (в важнейших деталях потенциально аварийных зон и в сфере соединения главных систем автомобиля), перед AHSS открываются весьма неплохие перспективы. Главная из них связана с производством кузовов полностью из высокопрочной стали. Это могло бы обеспечить автомобильным компаниям экономию на масштабах: хотя расходы на изготовление одного автомобиля уменьшатся только на $2-3, но, если за весь срок службы производственной линии с конвейера сойдет 2 млн. экземпляров, экономия уже становится значительной.

Как бы там ни было, результаты совместной деятельности производителей стали и автомобилей оказались достаточно впечатляющими; многие важные детали, которые раньше штамповали из мягкой (низкоуглеродистой) стали, теперь начали производить из металлов высокопрочных категорий. С 1997 по 2002 год среднее количество высокопрочной листовой стали на автомобиль увеличилось от 125 до 338 фунтов, тогда как содержание алюминия – от 90 только до 236 фунтов (по данным AMM), причем, не в кузовных деталях. Рост использования алюминия происходит, главным образом, за счет блоков двигателя и головок цилиндров, которые в свое время производили из литейного чугуна. Высокая цена самого алюминия в комбинации с более возросшими затратами на производственный процесс приводит к тому, что этот металл может использоваться в кузовных деталях только автомобилей класса люкс, т.е. в самом дорогом сегменте рынка, где большие производственные затраты просто не имеют значения.

Таким образом, высокопрочная сталь уверенно вытесняет с автомобильного рынка прочие материалы. В секторе производства легковых автомобилей с 1997 года быстрее всего растет рыночная доля вовсе не алюминия, магния и других легких металлов – именно высокопрочная листовая сталь оказалась наиболее перспективным материалом. По данным American Metal Market, применение высокопрочной листовой стали в среднестатистическом автомобиле за последние 22 года увеличилось на 162%, тогда как рост потребления алюминия составил только 143%. Тем не менее, наиболее вероятный исход конкуренции между сталью и легкими альтернативными материалами – это их комбинированное использование: кузова автомобилей будущего не будут чисто стальными, алюминиевыми, магниевыми или композитными, а окажутся состоящими из всех этих материалов. Однако можно ожидать, что в обозримом будущем сталь сохранит свой приоритет.

Двухфазные стали (DP)

По сравнению с низколегированными высокопрочными сталями с аналогичным пределом текучести (YS) у двухфазных сталей более высокие коэффициент деформационного упрочнения (WH), относительное удлинение (E) и предел прочности на разрыв (TS), а, соответственно, и более низкое соотношение YS/TS. Микроструктура материалов DP включает мягкую ферритную фазу и в зависимости от прочности – от 20 до 70 объемных процентов твердой фазы (обычно – мартенситной). В некоторых случаях, особенно для производства горячекатаных сталей, когда требуется повышенное сопротивление растяжению на краю листа, микроструктура включает значительные количества бейнита. В общем случае мягкая ферритная фаза непрерывна, что обусловливает высокую ковкость. Однако при деформации этих материалов напряжение концентрируется в менее прочной ферритной фазе, что обеспечивает уникально высокий коэффициент деформационного упрочнения. Комбинация высокого коэффициента деформационного упрочнения с высоким относительным удлинением обеспечивает сталям DP значительно более высокий предел прочности на разрыв, чем у традиционных материалов с аналогичным пределом текучести.

DP и прочие AHSS имеют еще одно важное преимущество перед традиционными сталями: эффект упрочнения при отжиге, т.е. увеличение предела текучести в результате предварительной деформации (которая представляет собой деформационное упрочнение при штамповке или при других способах механической обработки) и повышенное дисперсионное твердение в процессе термообработки. Обычные эффекты упрочнения при отжиге, которые наблюдаются у традиционных сталей, примерно, одинаковы при предварительной деформации порядка 2%, а у AHSS они зависят от конкретных химических свойств и термической предыстории материала. Стали DP были разработаны со специальной целью: обеспечить конечный предел прочности на разрыв вплоть до 1000 МПа. В них углерод обеспечивает формирование мартенситной фазы при обычно применяемых скоростях охлаждения. Это увеличивает способность стали к закаливанию. Добавки марганца, хрома, молибдена, ванадия и никеля, введенные индивидуально или в комбинации, тоже увеличивают способность материала упрочняться. Кроме того, углерод усиливает действие мартенсита как упрочнителя растворенного феррита; аналогичное действие оказывают кремний и фосфор. Тщательная балансировка этих добавок не только обеспечивает уникальные механические характеристики, но и сводит к минимуму любые трудности, возникающие при точечной сварке. Тем не менее, при сварке материала наиболее прочных категорий (DP 700/1000) самого с собой точечная свариваемость может потребовать изменения сварочной технологии.

Стали с пластичностью, обусловленной фазовым превращением (TRIP)

Микроструктура TRIP представляет собой непрерывную ферритную матрицу, содержащую дисперсию твердых фаз – мартенсита и/или бейнита. Эти стали содержат также остаточный аустенит, объемная доля которого превышает 5%. Как и в сталях DP, в процессе деформации дисперсия твердых фаз в мягком феррите обеспечивает высокое деформационное упрочнение. Однако в материалах TRIP остаточный аустенит по мере увеличения напряжения постепенно превращается в мартенсит, тем самым увеличивая деформационное упрочнение при более высоких напряжениях. У материалов TRIP исходный коэффициент деформационного упрочнения ниже, чем у сталей DP, но он сохраняется при более высоких напряжениях, чем при тех, когда у DP он уже начинает убывать.

Как у DP, так и у TRIP коэффициенты деформационного упрочнения значительно выше, чем у обычных высокопрочных сталей, при этом, они обладают существенными преимуществами в аспекте формуемости. Это особенно полезно, когда конструкторы могут использовать преимущество высокого коэффициента деформационного упрочнения (и повышенного эффекта упрочнения при отжиге) и основывать расчеты на механических свойствах, проявляемых после формовки. Высокий коэффициент упрочнения у TRIP сохраняется при более высоких напряжениях, чем у DP, и это обеспечивает TRIP определенное преимущество, когда применяется наиболее сильная вытяжка методом растяжения.

В сталях TRIP используются большие, чем в DP, количества углерода, кремния и/или алюминия, для снижения конечной температуры мартенситного интервала до значений ниже обычных, что обеспечивает формирование остаточной аустенитной фазы. Уровень напряжений, при которых остаточный аустенит начинает превращаться в мартенсит, можно регулировать изменением содержания углерода. При низких его концентрациях превращение начинается почти сразу после возникновения деформации, что приводит к повышению коэффициента упрочнения и формуемости в процессе штамповки. При более высоких концентрациях углерода остаточный аустенит более стабилен, и его превращение начинается при более высоких напряжениях, чем возникающие при штамповке и гибке. При этих содержаниях углерода остаточный аустенит сохраняется в конечных деталях. Он превращается в мартенсит при последующих деформациях, например, в случае аварии, и обеспечивает большее поглощение энергии при столкновении.

Таким образом, стали TRIP можно проектировать целенаправленно, чтобы обеспечить либо оптимальную формуемость для производства сложных деталей, либо достижение значительного деформационного упрочнения, обеспечивающего высокое поглощение энергии при столкновениях. Необходимость присутствия в этих материалах легирующих добавок ухудшает их пригодность к точечной сварке, но эту проблему можно решить изменением сварочных циклов (например, импульсная сварка).

Сложнофазные стали (CP)

СР – типичный пример перехода к сталям с очень высоким конечным пределом прочности на разрыв. Эти материалы состоят из очень тонкой микроструктуры феррита и высокой объемной доли твердых фаз, которые далее упрочняются включениями других мелких фаз. В них используются многие легирующие элементы из числа присутствующих в сталях DP и TRIP, но, кроме того, в их состав вводят ниобий, титан и/или ванадий, чтобы сформировать мелкие упрочняющие фазы. У сложнофазных сталей конечный предел прочности на разрыв доходит до 800 МПа и более. В условиях напряжения и при скоростях нарастания напряжения, характерных для столкновения с препятствием, эти AHSS поглощают большее количество энергии. Для сложнофазных сталей характерны высокие деформируемость, поглощение энергии и остаточная деформация. Естественные сферы применения СР – упругие и с низкой пластичностью детали, например, бамперы и упрочняющие элементы стоек.

Мартенситные стали

В мартенситных сталях аустенит, который существует на этапах горячей прокатки или отжига, почти полностью превращается в мартенсит на стадии охлаждения на выходном рольганге или в зоне охлаждения в конце линии отжига. Эту структуру можно получать также при помощи термообработки после формовки. Мартенситные стали отличаются самой высокой прочностью – конечный предел прочности на разрыв доходит до 1500 МПа. После закалки часто производят отпуск этих материалов, чтобы увеличить их ковкость, причем, даже при довольно высокой прочности можно обеспечить хорошую формуемость. Чтобы увеличить способность этих сталей к упрочнению, к ним добавляют углерод. С этой же целью используют марганец, кремний, хром, молибден, бор, ванадий и никель в различных комбинациях.

* * *

Все AHSS производят методом регулирования скорости охлаждения от аустенитной или аустенитной плюс ферритной фаз либо на выходном рольганге стана горячей прокатки (для горячекатаной продукции) либо в зоне охлаждения печи для непрерывного отжига (отожженная либо горячеоцинкованная продукция).

Мартенситные стали получают быстрым охлаждением из аустенитной фазы. Двухфазные метериалы – феррит + мартенсит – получают контролируемым охлаждением аустенитной фазы, когда часть аустенита превращается в феррит перед этапом быстрого охлаждения, на котором оставшийся аустенит переходит в мартенсит.

Производство сталей TRIP обычно требует выдерживания в изотермических условиях при промежуточной температуре. На этом этапе образуется некоторое количество бейнита. Более высокое содержание кремния и углерода в сталях TRIP обеспечивает значительные объемные доли остаточного аустенита в конечной микроструктуре.

Сложнофазные стали тоже получают при аналогичной схеме охлаждения, однако в данном случае химический состав подбирают таким образом, чтобы уменьшить объемную долю аустенита и сформировать мелкие включения для упрочнения мартенситных и бейнитных фаз.

Галина Резник,
по материалам Metal Bulletin, Metal Bulletin Monthly,
American Iron and Steel Institute

 
© агенство "Стандарт"