新型超高强钢突破2000MPa强度极限

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科技成果——超高强热成形钢生产技术

科技成果——超高强热成形钢生产技术
技术开发单位北京科技大学
技术领域钢铁冶金
成果简介
针对汽车轻量化及安全法规对汽车用超高强钢的需求，完成超高强钢合金体系设计、强化机理、显微组织调控等关键技术研究，突破1200-2000MPa 热成形钢批量制备技术。

系统研究了超高强热成形钢的微观组织结构及力学性能特征，改善了塑韧性和氢致断裂敏感性，2000MPa 级热成形钢的抗拉强度达到2083MPa ，总伸长率达到8.5%，弯曲角≥60°。

热成形钢力学性能
使热成形零件满足汽车行业的使用要求，替代进口热成形钢，支撑国内汽车轻量化及安全碰撞要求的超高强汽车用钢的需求，为汽车轻量化新材料的发展提供技术支撑。

市场前景
已研发完成，进行市场推广。

汽车产销量的飞速发展和日益提升
E n g i n e e r i n g s t r e s s /M P a Engineering strain/%
的轻量化技术需求，需要实现超高强度汽车用钢的研发与应用，以满足更严格的低排放环保标准和安全性要求。

2000MPa级热成形钢微观组织结构
投资估算和经济效益分析
热成形技术通过将超高强钢室温下恶化的冷成形性转化为高温状态良好的热加工性能，解决了复杂零件的冲压开裂、回弹严重及尺寸精度差等问题，因此热成形钢的应用领域不断拓展，市场需求巨大。

成果亮点
1、具有自主知识产权，研究成果已授权发明专利2项；
2、技术先进性：项目整体水平达到国际领先水平。

超声的三维重构
合作方式技术许可
=10 μm;M ap1;S t ep=0.08 祄;G r i d483x362。

Usibor2000

MANUFACTURING AND PROCESS | 制造与工艺汽车工业正面临着日益严苛的燃油消耗、温室气体排放和乘员安全性法规要求[1]。

先进高强钢因其抗拉强度高(>1000MPa)、能量吸收率高和碰撞性能优异等优势，在保证车身原有碰撞安全性能的前提下，通过提高材料强度降低车身重量，可以达到节能减排的作用，非常适合当今社会的发展趋势。

热成型钢作为一种先进高强钢，通过加热到再结晶温度以上并快速冷却，使组织转变成马氏体，材料的抗拉强度可达到1500-2000MPa，被广泛用于制造汽车安全结构件，如防撞梁和门槛梁等[2]。

电阻点焊(RSW)因其操作简便、焊接效率高和成本低廉等特点[3]，成为汽车工业不可或缺的焊接方法。

汽车车身上通常有5000个左右焊点，研究焊点质量的好坏对提高汽车的耐久性能和安全性能具有重要意义[4, 5]。

本文以某车型机舱纵梁中后段Usibor20002.0mm/DP780GI 2.0mm/DP780GI 2.0mm搭接组合为研究对象，分析了其RSW接头的显微组织和力学性能，以期为工业应用提供技术参考。

1　试验材料与方法1.1　试验材料本研究中所使用的试验材料分别为铝硅镀层热成型钢Usibor2000和热浸镀纯锌双相钢DP780GI，两种材料的主要化学成分和力学性能如表1所示。

两种材料的抗拉强度分别达到1864MPa和831MPa。

1.2　焊接工艺与试验方法Usibor2000和DP780GI异种材料RSW在Medweld5000s/Roman-TDC-6091电阻点焊试验机上进行，RSW主要工艺参数如表2所示。

RSW接头横截面的宏观形貌和各区域的显微组织利用Imager.M2m金相显微镜进行检测。

RSW接头的抗剪切最大力和十字拉伸最大力利用Instron5982拉力试验机进行检测。

RSW接头的显微硬度分布采用DuraScan50维氏硬度计进行测试。

2　试验结果与讨论2.1　宏观形貌RSW接头横截面的宏观形貌如图1所示。

超级钢也就是强度达到2000兆帕的钢材

超级钢也就是强度达到2000兆帕的钢材
超级钢也就是强度达到2000兆帕的钢材，美国之前是老大也就是500或800兆帕，为什么中国能够远远把美帝制造在钢铁领域抛在后面，开始我也不相信。

听了一位专家介绍之后我才信了，其实超级钢的概念是美国提出来的，美国麻省理工等实验室，也早早实验出这样强度的钢材，有人会说我们是从1到最佳，而不是从0到1，没有什么值得骄傲的。

可是，能够实现超级钢工业化生产的能成商品卖全球的只有中国，而且不是一家钢厂。

日本，德国，美国等都无法工业化生产更没有商品出售。

为什么？
要工业化制造超级钢必须解决两个问题：
一是有足够压力的轧机及直径足够大标准长度的轧辊，所有超级工程首先要有全球最高容量最大的高炉及炼钢技术，最大的钢包，最大的航车，才有可能浇铸出全球最大最重的钢锭。

再就是要有全球最大的压力机将钢锭锻打成型。

有了钢材，就要有全球直径和长度最大的卧式车磨床，加工出轧辊。

还有最大的轴承，就需要直径最大加工深度最大的立式车磨床。

二是要能实现全球最短时间降温的热处理工艺和设备，超级钢的这套设备，据说有30万个喷水嘴，配30多万个测温点，以最大的速度，最均匀的的温度分布梯度，双面同时完成高速降温热处理。

当看完这些时，再看看美国的去工业化，美国真的无能为力完成；再看看日落西山的欧洲，一个战败国日本，他们再过几十年也无法独立实现超级钢的工业化。

超级钢不仅仅用在航天航空，三代核电航母潜艇，也广泛用于民用，比如轿车行业，已经卖遍奔驰宝马等高档轿车行业。

超高强度钢

超高强度钢超高强度钢一般是指折服强度大于1380MPa的高强度构造钢。

20 世纪 40 年月中期，美国用 AISI4340 构造钢经过降低回火温度，使钢的抗拉强度达到1600 ～ 1900MPa。

50 年月此后，接踵研制成功多种低合金和中合金超高强度钢，如300M、D6AC和 H 一 11 钢等。

60年月研制成功马氏体时效钢，逐渐形成18Ni 马氏体时效钢系列，70 年月中期，美国研制成功高纯度HP310钢，抗拉强度达到2200MPa。

法国研制的 35NCDl6 钢，抗拉强度大于1850MPa，而断裂韧度和抗应力腐化性能都有显然的改良。

80 年月初，美国研制成功AFl410 二次硬化型超高强度钢，在抗拉强度为1860MPa时，钢的断裂韧度达到160 MPa·m以上， AFl410钢是当前航空和航天工业部门正在推行应用的一种新资料。

中国于 50 年月初研制成功30CrMnSiNi2A 超高强度钢，抗拉强度为1700MPa。

70 年月初，联合中国资源条件，研制成功 32Si2Mn2MoVA和 40CrMnSiMoVA(GC一 4) 钢。

1980 年以来，从国外引进新技术，采用真空冶炼新工艺，先后研制成功45CrNiMoVA (D6AC) 、34Si2MnCrMoVA (406A) 、35CrNi4MoA、40CrNi2Si2MoVA(300M) 和 18Ni 马氏体时效钢，成功地用于制做飞机起落架、固体燃料火箭发动机壳体和浓缩铀离心计简体等。

当前超高强度钢已形成不一样强度级别系列，在国防工业和经济建设中发挥侧重要的作用。

此刻，以改变合金成分提升明高强度钢的强度和韧性已很困难。

发展超高强度钢的主要方向是开发新工艺、新技术，提升冶金质量，如采纳真空冶炼技术，最大限度降低钢中气体和杂质元素含量，研制超纯净超高强度钢；经过多向铸造和形变热办理，改变钢的组织构造和细化晶粒尺寸，进而提升钢的强度和韧性，比如正在发展的相变引发塑性钢(TRIP 钢) 等。

超高强钢

烘烤硬化钢（BH钢：bake hardenable）：以铁素体为基体，并主要以固溶的形式来强化。车身一般经冲压加工成形，当车身进行涂装时，车身在各烘干炉中被加热/烘烤，此时便赋予了固溶体中碳、氮原子扩散的热激活能量，使碳、氮原子在“位错”处析出，从而增强了制品的屈服强度故将其称为烘烤硬化钢。
德国家庭轿车材料从1975年至2005年的变化趋势。
钢铁行业对策：面对其他竞争材料的上升态势，1994年在国际钢铁协会的倡议下，全世界18个国家的 35个钢铁公司联手成立了超轻钢车体计划（ULSAB：ultra light steel auto body），以寻求开发用于汽车车身的钢材料以及能提高钢材性能的可能性。
超轻钢车体计划和参考车型所用材料的比较
超轻钢车体计划和参考车型所用材料加工方式比较
汽车用钢：板材：依据生产工艺分为热轧钢板、冷轧钢板和镀层板根据强度的不同可分为低强钢和高强度钢系列主要的发展趋势是高强化和表面处理化
汽车车身用钢的发展概况：
20世纪50—60年代，开发和使用沸腾钢，与国外的技术发展相适应，国内开发了08F系列钢种；
继而开发的钢种：大多数汽车都使用高强钢，如高强低合金钢(HSLA)、烘烤硬化钢(BH)、低碳与超低碳的含P钢、高强IF钢等，屈服强度在210MPa~550MPa之间。高强度低合金钢（HSLA：high strength low alloy ）：这类钢主要是由于在冶炼过程中添加了微量的合金元素，使钢能析出细小的碳化物并使晶粒细化而得到强化。
DP钢是一种强度高成形性好的新型冲压用钢，一般用于制造高强度、高抗碰撞吸收、易成型、要求严格的零件，如车轮轮毂、保险杠、悬挂系统和加强件，也可用在汽车的内外板等零件和构件上。

2000 MPa热成形车门防撞梁开发与性能研究

汽车工艺与材料Automobile Technology&Material2000MPa热成形车门防撞梁开发与性能研究段宏强韩志勇王斌（爱驰汽车（上海）有限公司，上海200090）摘要：为了满足纯电动汽车车身的轻量化需求，采用新型2000MPa热成形钢替代传统22MnB5进行车门防撞梁的轻量化设计。

为验证2000MPa热成形车门防撞梁的应用可行性，采用LS-DYNA软件对整车进行侧面碰撞仿真分析，结果显示碰撞侵入量、侵入速度和关键零部件的塑性应变均符合设计要求。

经热冲压仿真分析，2000MPa热成形车门防撞梁符合工艺要求，软模和硬模阶段研究了不同的加热设备和工艺参数对2000MPa热成形车门防撞梁组织和拉伸力学性能的影响，结果显示加热温度930℃，保温时间300s和330s，转移时间约12s，可实现热成形后的抗拉强度≥2000MPa的性能目标。

将前后车门防撞梁分别置于万能试验机上进行零件三点弯曲性能检测，结果显示前车门防撞梁三点弯峰值力大于25kN，后车门防撞梁三点弯峰值力大于29kN，远高于10.01kN的设计目标值。

经过2000MPa热成形车门防撞梁和车门内板的点焊工艺参数优化和连接设计优化，满足了前后车门系统的开闭耐久性能要求。

在保证整车侧碰安全性能的情况下，2000MPa热成形车门防撞梁比采用传统22MnB5质量减轻11.7%，实现显著的轻量化效果。

关键词：2000MPa热成形车门防撞梁轻量化中图分类号：U465.1文献标识码：B DOI:10.19710/ki.1003-8817.20200447Design and Performance Research on2000MPa Hot Forming DoorImpact BeamDuan Hongqiang,Han Zhiyong,Wang Bin（Aiways Automotive(Shanghai)Co.,Ltd.,Shanghai200090）Abstract：In this research,a novel2000MPa hot forming steel is used to replace traditional22MnB5for lightweight design of door impact beam to satisfy the lightweight demands of pure electric vehicle.Side collision simulation analysis is conduct with LS-DYNA to verify the application feasibility of2000MPa hot forming door impact beam,which shows that the intrusion velocity,intrusion displacement,plastic strain of key parts meet the design requirements.The2000MPa hot forming door impact beam is proved to satisfy the process requirements by hot forming simulation analysis.The influence of different heating equipment and process parameters on microstructure and tensile mechanical properties is investigated during soft tooling and hard tooling stage of2000MPa hot forming door impact beam.The result shows that tensile strength target exceeding2000MPa is achieved by heating at930℃for300s and330s with a transferring time of about12s.The front and rear door impact beam are placed on universal testing machine to test the three points bending performance.The result indicates that peak force of front door impact beam exceeds25kN,and that of rear door impact beam exceeds29kN,far beyond the design target of 10.01kN.The opening and closing durability requirements of front and rear door system are satisfied through the spot welding parameter and joining design optimization.Significant lightweight effect of11.7%is eventually achieved by 2000MPa hot forming door impact beam compared with traditional22MnB5under the premise of ensuring side collision performance.Key words:2000MPa,Hot forming,Door impact beam,Lightweight作者简介：段宏强（1991—），男，硕士学位，研究方向为汽车用高强钢、铝合金材料的开发及应用。

2020年度辽宁省科技重大专项申报指南

2020年度辽宁省科技重大专项申报指南1.基于单视角CT的工业智能在线检测装备研究内容：面向航空、航天、汽车、半导体等使用的精密部件对测量与缺陷检测高端仪器的需求，开展基于深度学习的X光机图像与CT断层图像之间映射关系、转换规律研究，突破X 光机只能透视成像、不能断层成像的瓶颈，攻克基于X光机的高分辨、高稳定CT成像等关键技术，搭建单视角智能CT 系统验证模型，开发出基于单视角CT的工业智能在线检测装备。

考核内容：（1）开发出基于单视角CT的工业智能在线检测装备，实现集成电路芯片、汽车发动机等两种以上典型工件检测，并完成示范应用；（2）性能指标：具备螺旋扫描、平面扫描、锥束扫描等多种扫描成像模式；数据处理≥100M图像样本的采集、存储和计算；单视角CT的检测速度≥25fps；成像系统的空间分辨率≥3.6lp，系统分辨能力≤1μm；CT机能量范围50kV-16MeV。

2.高档五轴卧式车铣镗复合加工中心研究内容：面向航空、航天、军工、船舶、汽车等领域对五轴卧式车铣镗复合加工中心需求，开展五轴卧式车铣镗复合加工中心结构、大扭矩机械传动摆头、大扭矩机械传动刀具主轴、镗刀杆刀具支撑装置、多层刀库结构布局等优化设计，机床空间误差测试、建模及补偿，机床精度及精度稳定性控制，航空航天典型零件加工工艺验证等关键技术攻关，研制具有自主知识产权的五轴卧式车铣镗复合加工中心。

考核内容：（1）开发出配备国产高档数控系统的五轴卧式车铣镗复合加工中心，关键功能部件国产化率≥70%，并完成示范应用；（2）性能指标：加工工件最大回转直径≥φ1000mm，车削长度≥3000mm，工件主轴S1≥1500Nm，S6≥2000Nm；机床直线轴定位精度≤8μm，重复定位精度≤5μm，机床C轴定位精度≤5″，重复定位精度≤3″；数控机床平均无故障时间（MTBF）≥2000h。

3.极端环境海洋工程装备用钢铁材料研究内容：针对深远海、南海、极寒环境等极端海洋工程装备发展用钢需求，突破特厚超宽海洋工程用钢多相多尺度均质化生产关键技术、海洋工程用超高强钢高效焊接热影响区域（HAZ）韧化技术、抗氢致开裂（HIC）裂纹控制技术、极端环境下海洋工程用钢配套焊接材料与焊接工艺技术、极端环境下海洋工程用钢应用与服役评价技术关键技术，开发低屈强比690 MPa级海工钢、深海及海机装备用吉帕（GPa）级海工钢、极寒环境用海工钢、抗H超高强海工钢、适合我国南海海域特色的长涂装寿命海工钢等产品及相关材料的配套焊材及焊接技术。

2000MPa级高强塑积热成形钢的研究

2000MPa级高强塑积热成形钢的研究高安全性、节能、低排放、低成本使得汽车用钢不断向着超高强度、易成形、高强塑积方向发展。

但随着强度不断提高,钢材的成形性能不断降低,其在冷成形过程中极易出现开裂、回弹、零件尺寸达不到要求等诸多问题。

在此背景下,热冲压成形钢应运而生,国际上对热成形钢的研究主要集中在1500 MPa强度级别产品的成分、组织与热冲压工艺方面。

公开的性能数据显示,其强塑积只有510 GPa·%左右,不能满足汽车行业日益发展的轻量化及高碰撞安全吸能性的需求,且对于更高强度,强塑积达到15 GPa·%左右高强塑积新型热成形钢的成分、热冲压工艺、强韧化机理等未见有公开的报道。

根据文献资料分析和热力学模拟计算结果,设计了不同碳、锰含量的高强塑积新型热成形钢,并在实验室开展了奥氏体相变规律、热冲压工艺制度和强韧化机理研究,提出了高强塑积新型热成形钢最优的成分设计和节能的热冲压工艺方案,研究开发的高强塑积新型热成形钢不仅具有18002100MPa的超高强度,而且具有15 GPa·%以上的高强塑积,该产品的成功开发,不仅解决了目前超高强钢制造成本高、成形性差的问题,而且能满足汽车工业日益发展的高碰撞安全和吸能性的要求,对汽车车身安全性的提升和产业升级具有重要意义。

采用Formast-F全自动膨胀仪测定了不同碳目标含量试验钢的连续冷却转变曲线（CCT曲线）和过冷奥氏体等温转变曲线（TTT曲线）。

研究结果表明,匹配合适的合金成分设计,与含碳量0.30%的钢相比,含碳量0.34%试验钢的先共析铁素体向奥氏体转变的开始温度点Ac3由793℃降低到了788℃,马氏体开始转变温度点Ms由369℃降低到353℃,这一点与热力学计算结果相一致。

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度，每平方毫米可承受超过３００ｋｇ压力，并具超高耐磨性及变形能力。领导该研究计划的香港城市大学副校长兼机械工程学讲座教授吕坚表示： “ 这种材料具有很大的应用潜力，性能，病人可因此避免进行第２次手术以取出零件。同时，镁是对身体有益的元
密度纳米析出强化的超高强马氏体时效钢。新的超高强钢不但成本降低，而且抗拉强度达到２２００ＭＰａ，同时塑性不低于８％，大幅度提高了高强钢铁材料的综合
性能。
匕京钢铁研究总院董瀚教授表示，钢铁材料的性能极限化研究是近年来的研究热点，强度极限化更是业内一直追求的梦想。业内普遍认为，进一步提高钢铁强度与韧性是非常困难的。吕昭平团队的这一原创性成果创新纳米析出的合
大化的反应条件及周期性变化。实验上，基于镧系元素相同条件下硼酸熔融反应中周期性变化的认识，将可生
成２种不同晶格结构的镧系元素以相
关，成功开发了高性能变形镁合金材料及相关的大直径锭坯半连续铸造技术和
料工程实验室都时禹研究员及合作者利用第一性原理密度泛函理论等手段
对镧系元素硼酸化反应的不同产物进
行了电子结构与反应热力学的理论研究。发现同一种镧系元素发生不同类
新型超高强钢突破２０００ＭＰａ强度极限
北京科技大学新金属材料国家重点实验室吕昭平教授团队创新合金设计理念，研发出一种高密度纳米强化的超高强马氏体时效钢。自然杂志４月１０日在
近各向同性环形件加工集成技术，在中国有色金属工业协会组织的专家评价会上，得到专家组的一致好评，认为项目整体技术达到国际领先水平。
同的摩尔量？昆合后再与硼酸盐熔融反应，结果显示镧系元素可选择性优先生成其中一种晶格结构，另一种元素则富集在液体相内，从而实现高效固液分离。
宁波材料所参与成功分离镧系元素
苏州大学放射医学及交叉学科研究院王殳凹教授及合作者近期在熔融硼酸盐反应中发现了可以将３ｉｆｔ镧系元素硼酸盐产物结构号陛质差异最
中南大学在高性能变形镁合金关键技术获重大进展
日前，中南大学材料科学与工程学院刘楚明教授团队历时ｌ０余年技术攻
宁波材料所特种纤维与核能材
这一技术成果攻克了镁合金材料强度低、半连续铸锭缺陷控制难，塑性成形
性差，各向异性严重的技术难题，在国际上首次成功研发出新型中强耐热镁合金（ＡＱ８０Ｍ）、高强耐热镁合金（ＶＷ６４Ｍ）和超高强耐高温镁合金，其中ＡＱ８０Ｍ和ＶＷ６４Ｍ镁合金牌号已正式编入ＧＢ／Ｔ５１５３ — ２０１６（（变形镁及镁合金牌号和化学成分国家标准；研发的大直径高品质锭坯半连续铸造及塑性加工生产技术，突破了镁合金在锭坯制备以及塑性加工变形中的多项技术瓶颈，丰富和完善了镁合金塑性成形理论，制备的大规格高性能变形镁合金承载结构件满足型号技术指标需求，并首次在航天航空领域取得成功应用，能满足国防军工在此领域的重大需求，推动了镁合金产业的快速发展。（中国有色金属报）
线发表了这一研究成果。
型硼酸化的反应能有显著差异，镧系中心离子更倾向于形成各自稳定的晶格结构；针对镧系元素不同配位聚合物之间的差异，通过对电子态密度图
的深入分析发现，不同晶格产物的中
如何进一步提高钢铁材料的极限强度并降低成本和简化工艺？吕昭平团队创新合金设计理念，大幅降低钼等贵重元素含量，完全不含钴钛等昂贵合金元素，而代之以铝和碳等常见的“ 平民” 元素，利用不同的强化机理，研发出一种高
心离子内层轨道电子因硼酸盐配体结构差异而受到不同程度的影响，阐明了导致不同镧系元素形成各自晶格结构的重要因素。该合作研究工作利用多聚硼酸盐的识别能力，首次在同等反应条件下将镧系元素分为６个不同的晶格系统，打破了对由镧系收缩现象导致的镧系元素固体同一性的传统认识。该成果在乏核燃料后处理循环关键技
素，有助于康复。 ”
动了高性能钢铁材料的技术研发，也
可以应用于其他合金体系的高性能化研究。（科技日报）
据介绍，这种新材料可制成涂层加在人体膝盖、臀部的人工关节上，提高关节的抗磨损和抗腐蚀能力，降低患者对人工关节金属敏感的风险。吕坚表示，镁合金密度低，是一种理想的轻型结构材料，在消费电子工业、航空及汽车领域都有广泛的应用前景。（新华社）