
汽车B柱、车架纵梁是决定整个汽车防撞缓冲结构的重要组成部件,它们通常由硼钢这类高强度钢材制成。一般硼的含量占0.002% 到0.005%范围内,经过验证,这样制成的钢材具有最大的吸能性,提供更高的结构强度,从而工程设计师则能够采用更薄的钢材从而达到轻量化的目的。虽然硼钢的性能出众,设计师也热衷于使用这类材料。不过,硼钢成本高昂且加工困难。
汽车用硼钢需要在800-1,200吨压力下才能随意压铸成各种几何形状,而在此之前则需要经过950℃高温锻造。这还仅仅是加工过程的一部分,除此以外,为了达到标准的物理属性,加工流程中还必须具备水循环冷却通道帮助高温钢材迅速降温,或称为淬火,最终,模具中的原材料钢温度降至200℃左右。这个淬火过程非常重要,是帮助钢材内部微观结构从一种偏韧性的状态(奥氏体结晶形式)转变成一种刚度更强的状态(马氏体结晶形式)。
美国能源部(DOE)规划师希望能够减少在钢材加工过程中所消耗的能量,并降低将其热锻造成汽车部件的成本。因此,他们为科罗拉多矿业大学(Colorado School of Mines,CSM)和阿拉莫斯科学实验室(Los Alamos National Laboratory,LANL)的一项3年研究计划赞助了1200万美元的资金。该项目研究内容为:开发一种能够在室温下成型的先进高强度轻量化钢材。

汽车结构的主要吸能区是B柱及车纵梁等经过热成型的钢材(紫色)
经该研究团队计算,如果开发出能够在室温下成型的高强度轻量化钢材,那么每1,000万辆汽车生产过程中每年将节省30万亿Btu(英制热量单位。相当于在1标准大气压下使1磅质量纯水升高温度1℉所需的热量。符号“Btu”。)的热量。这些热量相当于30万-33万户美国家庭一年使用的天然气所含的热量。
科罗拉多矿业大学先进钢铁加工和产品研究中心(Advanced Steel Processing and Products Research Center)的成员同样参与了这项研究。
钢材的淬火和分割
CSM和LANL的研究团队为了达到理想化钢材所使用的方法叫做淬火和分割(quenching and partitioning,以下简称Q&P)。
LANL研究中心工程师Kester Clarke表示:“这是几种合金冶炼和加工方法之一。通过该方法能够制造出汽车行业所谓的‘第三代’先进高强度钢材,是一种强度更高、更安全、更轻量化的汽车级钢材。最重要的一点,这类钢材成本并不高。”
在开发该方法和其他同类方法时,冶金学家正在尝试一种将硬度不一的区域“有机结合”的复合物,将其发展为一种能够同时拥有高强度和良好延展性的钢材。

Q&P是一种全新的制造出马氏体钢的方法。钢材经过高温淬火后,形成了马氏体结构与奥氏体结构的共存状态。接下来的步骤就是通过将马氏体结构中的碳元素转移至奥氏体结构中。最终,奥氏体钢在淬火至室温后,其内部的碳结构达到稳态。
当使用了Q&P技术后,Clarke表示,“我们正在尝试将能够利用的合金元素分割出来,并利用到相应的钢材微观结构中。本质是为了将硬度较高的马氏体钢中的碳元素分离出来,将其注入奥氏体结构部分,并将其稳定。”通过这几个步骤,最终将能得到一个亚稳态的奥氏体结构,该结构同时拥有高延展性和高强度(Transformation-Induced Plasticity)。
如果最终成型件在交通事故中发生变形,碳奥氏体将转换成马氏体结构,从而提供更高的硬度,保证了驾乘人员的安全。
虽然CSM教授John Speer在10年前已经开始研究该技术,他表示,和进化策略目前尚未结合Q&P技术运用于实际制钢过程中。因为通常它们的热处理灵活性不高。
合金添加剂以及热过程

现有材料与新型材料在刚度与延展性上的区别 橙色部分则是利用Q&P技术制得钢材的属性
“钢材的热力学数据帮助我们对某些合金添加剂的效果作出预测,不过由于竞争反应(competing reaction)的存在,到特定的反应动力学数据比较困难。” Clarke表示,“通过进一步研究和实验,我们将选择表现最好、最具成本效益的合金策略,并开发一种理想的热处理方案以使合金能够达到最优的物理性能。”
研究者利用淬火膨胀剂(quench dilatometer)测量在加热和冷却时,奥氏体结构转变成马氏体结构时的合金钢材的尺寸变化情况。
电子显微镜、中子衍射和散装热变形处理法将被用于模拟工业规模的技术运用时的情况。







