Раздел материалов (十): Применение серий низкоуглеродистой стали SPCC, SPCD, SPCE, а также серий литья из углеродистой стали HT150, HT250 и т.д.

Основным принципом при выборе материалов для автомобилей никогда не было "стремление к максимальным эксплуатационным характеристикам", а скорее достижение оптимальной комплексной стоимости всего процесса, основанной на требованиях условий работы. Несколько основных категорий материалов, которые мы обсуждаем сегодня (низкоуглеродистая мягкая сталь серии SP / конструкционная высокопрочная сталь серии SAPH / формовочная высокопрочная сталь серии SPFC / серый чугун серии HT), как раз и составляют основу использования металла в автомобилях массового производства и формируют "максимально распространенный библиотека материалов для знаменателя", которая объединяет всю цепочку исследований и разработок - технологические процессы - поставки.

Серия низкоуглеродистых сталей (Low carbon steel): SPCC/SPCD/SPCE/SPHC/SPHD/SPHE; Серия превосходных формовочных сталей (Excellent forming steel): SPFC440/590/980; Серия высококачественных углеродистых конструкционных сталей (Steel for high quality carbon structure steel): SAPH310/370/400/440; Серия сталей для отливок из углеродистой стали (Carbon steel castings steels): HT150/HT250 и т.д.

1. Холоднокатаные листы и полосы из углеродистой стали (SPCC/SPCD/SPCE)

Концептуальный атрибут

• Определение: Холоднокатаный лист и полоса из низкоуглеродистой углеродистой стали, определенные японским промышленным стандартом JIS G 3141, подходят для общей обработки, штамповки и глубокой вытяжки.

• Правило присвоения названия: S (сталь) + P (пластина) + C (холодная) + буква марки прессования.

• Соответствующее фирменное наименование:

•SPCC: Обычный сорт, соответствующий национальному стандарту GB/T 13237 Q195-Q215A, Европейскому стандарту EN 10130 DC01 и немецкому стандарту St12

•SPCD: Степень прессования, соответствующая национальному стандарту GB/T 13237 08Al, европейскому стандарту DC03 и немецкому стандарту St13

•SPCE: Марка глубокой вытяжки, соответствующая национальному стандарту GB/T 5213 для стали глубокой вытяжки 08Al, стандарту ЕС DC04 и немецкому стандарту St14

2. Физико-химические и механические свойства

Химический состав (анализ плавления, %, верхний предел стандарта JIS)

Механические свойства (отожженное состояние, стандартное минимальное/ типичное значение)

Примечание: Коэффициент текучести = предел текучести / предел прочности при растяжении. Меньшее значение указывает на более высокую способность материала к пластической деформации и лучшую формуемость.

Физические свойства

• Плотность: 7,85 г/см3

• Модуль упругости: 206 - 210 ГПа

• Коэффициент Пуассона: 0,3

• Коэффициент теплового расширения: 11,7×10⁻⁶/℃ (20 - 100℃)

• Отожженное состояние является немагнитным.

Основное определение и физическая природа коэффициента текучести

Отношение напряжения к деформации = Предел текучести (σₛ) / Предел прочности при растяжении (σᵦ)

• Физическая сущность: отражает легкость, с которой материал переходит от упругой деформации к пластической, а также продолжительность стадии пластической деформации.

• Диапазон значений: от 0 до 1. Чем меньше значение, тем больше степень пластической деформации, которая может возникнуть после разрушения материала. Чем выше значение, тем ближе материал к хрупкому состоянию, при котором он разрушается сразу после разрушения.

Основные показатели производительности штамповки

• Низкий коэффициент текучести (<0,6): после выхода материала из строя наступает длительный период равномерной пластической деформации. Индекс упрочнения (значение n) высок, положение диаграммы пределов формообразования (FLD) высокое, а образование горловин и трещин маловероятно. Он подходит для сложной глубокой вытяжки деталей.

• Умеренный коэффициент текучести (0,6 - 0,7): баланс между прочностью и формуемостью, подходящий для большинства компонентов конструкции кузова.

• Высокий коэффициент текучести (>0,7): После достижения предела текучести материал быстро достигает предела прочности при растяжении, имеет низкий коэффициент равномерного удлинения, низкий предел прочности при формовании и склонен к растрескиванию кромок при сдвиге и отбортовке. Процесс штамповки сложен.

3. Введение в основные процессы

1. Кислотное травление: Горячекатаные листы протравливают соляной кислотой для удаления оксидной окалины, в результате чего поверхность становится чистой.

2. Холодная прокатка: Многократная прокатка при комнатной температуре с точностью до толщины ±0,02 мм и шероховатостью поверхности от Ra 0,2 до 1,6 мкм.

3. Отжиг:

○ Отжиг в оболочке: Подходит для массового производства, низкая стоимость, средняя однородность производительности, подходит для SPCC / SPCD

○ Непрерывный отжиг: Непрерывное производство, равномерная производительность, хорошее качество поверхности, возможность получения высококачественного SPCE.

4. Финишная обработка: Процесс плоской прокатки устраняет неравномерность текучести и позволяет получить шероховатую поверхность (D) или гладкую поверхность (B). Поверхность также может быть покрыта маслом или подвергнута пассивации для предотвращения образования ржавчины.

4. Применение в промышленности и автомобилестроении

• Промышленное применение:

○SPCC: Корпуса бытовой техники, офисная мебель, вентиляционные каналы, общие компоненты оборудования

○SPCD: Корпус измерительного прибора, кронштейн электронного оборудования, аппаратный компонент для неглубокой глубокой вытяжки.

○SPCE: Отражатель лампы, кухонная раковина, батарейный отсек, сложные детали глубокой вытяжки

• Применение в комплектных транспортных средствах:

○SPCC: Кронштейн топливного бака, несущая конструкция сиденья, внутренняя пластина поперечины приборной панели, опора внутренней панели двери

○SPCD: Внутренняя панель двери автомобиля, внутренняя панель капота двигателя, внутренняя панель крышки багажного отделения, внутренняя панель крыла

○SPCE: Масляный поддон, крышка амортизатора, крышка ступицы, кронштейн дверной ручки, штампованные детали сложной формы.

5. Анализ расширения применения имитационного моделирования

• Модель материала: приоритет должен отдаваться критерию анизотропной текучести по Hill48. Необходимо ввести фактическую кривую зависимости напряжения от деформации, значение r и значение n.

• Моделирование процесса прессования:

○SPCC: Кривая FLD относительно низкая. Основное внимание уделяется скорости образования складок и истончения (контролируется в пределах 20%), а точность моделирования высокая.

○ SPCD/SPCE: Низкое отношение текучести к прочности, высокая способность к пластической деформации. Требуется точная калибровка значений r и n. Особое внимание следует уделять образованию складок и трещин на боковых стенках. SPCE позволяет достичь коэффициента глубокой вытяжки более 2,2.

○ Прогнозирование эластичности: Эластичность SPCC относительно невелика (< 1°). Для SPCE требуется компенсация эластичности при работе со сложными изгибами.

• Структурное моделирование: можно использовать упругопластическую модель. Она применима для анализа прочности и жесткости несущих элементов конструкции.

II. Горячекатаные листы и полосы из углеродистой стали (SPHC/SPHD/SPHE)

Концептуальный атрибут

• Определение: Горячекатаные листы и полосы из низкоуглеродистой стали с низким содержанием углерода, определенные японским промышленным стандартом JIS G 3131, подходят для изготовления конструкций общего назначения, штамповки и глубокой вытяжки.

• Правило присвоения названия: S (сталь) + P (пластина) + H (горячая) + буква марки прессования.

• Соответствующее фирменное наименование:

○SPHC: Товарный сорт, соответствующий национальному стандарту GB/T 912 Q235B и европейскому стандарту EN 10051 S235JR.

○ SPHD: Марка прессования, соответствующая национальному стандарту GB/T 912 для стали Q235B, используемой при прессовании, и стандарту ЕС DD1.

○SPHE: Марка глубокой вытяжки, соответствующая национальному стандарту GB/T 5213 для горячекатаной стали глубокой вытяжки 08Al и стандарту ЕС DD13.

2. Физико-химические и механические свойства

Химический состав (анализ плавления, %, верхний предел стандарта JIS)

Механические свойства (в горячекатаном состоянии, стандартное минимальное значение / типичное значение)

Примечание: d представляет собой диаметр центра изгиба, а a - толщину образца.

3. Введение в основные процессы

Нагрев сляба: Нагрейте его до температуры 1150 - 1250℃ для гомогенизации аустенита.

2. Горячая прокатка: Грубая прокатка + тонкая прокатка, температура окончательной прокатки 850 - 920 ℃ (зона рекристаллизации аустенита)

3. Охлаждение: Материал охлаждается ламинарным потоком до температуры 550 - 650℃ перед намоткой.

4. Обработка поверхности: Мы можем предоставить рулоны с черной кожей, промытые кислотой рулоны и промытые кислотой рулоны с масляным покрытием.

• Технологические особенности: Стоимость на 30-40% ниже, чем при холодной прокатке, при толщине от 1,5 до 16 мм и высокой эффективности производства.

4. Применение в промышленности и автомобилестроении

• Промышленное применение:

○SPHC: Строительные материалы, строительные леса, корпуса контейнеров, сырье для производства сварных труб

○SPHD: Конструкции из стальных труб, детали с легкой штамповкой и компоненты сельскохозяйственной техники.

○SPHE: Головки котлов, корпуса резервуаров для хранения газа, сложные штампованные детали

• Применение в комплектных транспортных средствах:

○SPHC: Поперечная балка шасси грузовика, соединительный элемент вспомогательной рамы, фланец выхлопной системы, кронштейн запасного колеса

○SPHD: Колесные спицы, тормозная пластина, задняя подвеска кабины водителя, корпус топливного бака.

○SPHE: Корпус корпуса заднего моста легкового автомобиля, кронштейн крепления двигателя, кронштейн поворотного кулака, сложные конструктивные элементы шасси

5. Анализ расширения применения имитационного моделирования

• Модель материала: используйте модель пластичности. Необходимо точно указать длину зоны текучести и скорость деформационного упрочнения.

• Имитация нажатия:

Коэффициент трения установлен на уровне 0,12 - 0,15 (выше, чем у холоднокатаного листа, который составляет 0,10 - 0,12).

○SPHC: Коэффициент текучести немного выше, при этом значение n колеблется приблизительно от 0,16 до 0,20. Предел формования относительно низкий, и прогноз должен быть консервативным.

○SPHE: Низкое соотношение текучести к прочности, хорошая формуемость. Его можно отнести к холоднокатаному SPCE, но следует обратить внимание на влияние качества поверхности на процесс формования.

• Моделирование сварки: низкое содержание углерода, низкий риск хрупкости в зоне термического воздействия, основное внимание уделяется деформации при сварке. Рекомендуется использовать метод собственных деформаций.

• Моделирование усталости: шероховатость поверхности горячекатаных листов относительно высока, а их усталостная долговечность на 10-15% ниже, чем у холоднокатаных листов.

iii. Высококачественная серия штампованной стали (SPFC440/SPFC590/SPFC980)

Концептуальный атрибут

• Определение: Холоднокатаные высокопрочные стальные листы и полосы, определенные японским промышленным стандартом JIS G 3135, относятся к категории усовершенствованной высокопрочной стали (AHSS), обладающей сочетанием высокой прочности и хорошей формуемости.

• Правило обозначения: S (сталь) + P (Пластина) + F (Формуемая) + C (холодная) + Минимальный предел прочности при растяжении (МПа)

• Тип материала:

○SPFC440/590: В основном состоит из ферритно-перлитной стали и низколегированной высокопрочной стали

○ SPFC980: В основном состоит из дуплексной стали (DP) и многофазной стали (CP)

2. Физико-химические и механические свойства

Химический состав (анализ плавления, %, верхний предел стандарта JIS)

Механические свойства (отожженное состояние, стандартное минимальное/ типичное значение)

Примечание: Коэффициент текучести дуплексной стали SPFC980 обычно составляет от 0,65 до 0,75, в то время как коэффициент текучести многофазной стали может превышать 0,75.

3. Введение в основные процессы

Холодная прокатка: Аналогична обычной холоднокатаной стали, но с более высокой степенью обжатия.

2. Непрерывный отжиг:

○ SPFC440/590: Обеспечивает высокую прочность за счет дисперсионного упрочнения микролегирующими элементами и мелкозернистого упрочнения.

○ SPFC980: Использует процесс быстрого нагрева - изоляции - быстрого охлаждения - предварительной обработки для формирования мартенситной или бейнитной структуры.

3. Обработка поверхности: Доступны варианты горячего цинкования (GI), оцинкованного сплава железа (GA) и электроцинкования (EG). Название бренда изменено на серию SGC.

• Технические проблемы: SPFC980 предъявляет чрезвычайно жесткие требования к регулировке скорости охлаждения. Скорость охлаждения должна превышать 50 ℃/с.

4. Применение в промышленности и автомобилестроении

• Промышленное применение: Компоненты строительной техники, высокопрочные стеллажи, рельсы для лифтов, контейнеры.

• Применение комплектных транспортных средств (core):

○SPFC440: Панель пола кузова, поперечная балка сиденья, продольная балка крыши, усиливающая балка пола

○SPFC590: Усиливающие пластины для стоек A/ B, ударные балки для дверей, усиливающие балки для средних швеллеров пола, передние продольные балки

○SPFC980: Корпус ударной балки переднего бампера, усилительная пластина двутавровой стойки, поперечная балка пола,门槛 элемент усиления (частично заменяющий сталь горячего прессования)

5. Анализ расширения применения имитационного моделирования

• Модель материала:

○ SPFC440/590: Используя гибридную модель упрочнения (изотропная + динамическая), можно получить более точные прогнозы отскока.

○ SPFC980: Необходимо использовать модель сервоупрочнения, учитывающую эффект Борсига (например, модель Йошиды-Уэмори).

• Моделирование процесса прессования:

Коэффициент текучести увеличивается с увеличением прочности, а формуемость постепенно снижается.

Кривая FLD значительно смещается вниз по сравнению с низкоуглеродистой сталью. Значение FLD0 для SPFC980 составляет приблизительно 0,15.

○ Общепринятый прогноз FLD по SPFC980 неточен. Рекомендуется использовать критерии трещиноватости GISSMO или MMC.

Растрескивание кромок является основным признаком неисправности SPFC980, и необходимо снизить чувствительность к деформации в зоне резания кромок.

• Прогнозирование устойчивости:

Чем выше коэффициент текучести, тем больше отскок: отскок для SPFC440 составляет приблизительно 1-3°, для SPFC590 - около 3-5°, а для SPFC980 может достигать 5-10°.

Необходимо выполнить компенсацию поверхности пресс-формы, и величина компенсации обычно в 1,2-1,5 раза превышает величину упругого возврата.

• Имитация столкновений: Материал SPFC980 обладает превосходными свойствами поглощения энергии и является одним из предпочтительных материалов для конструкций безопасности транспортных средств.

iv. Серия высококачественных углеродистых конструкционных сталей (SAPH310/SAPH370)

Концептуальный атрибут

• Определение: Автомобильные конструкционные горячекатаные стальные листы и стальные полосы, определенные японским промышленным стандартом JIS G 3113, специально разработаны для шасси и систем подвески автомобилей.

• Правило присвоения наименований: S (сталь) + A (Автомобиль) + P (Пластина) + H (Горячая) + Минимальный предел прочности при растяжении (МПа)

• Соответствующее фирменное наименование:

○SAPH310: Соответствует национальному стандарту GB/T 3273 Q310

○SAPH370: Соответствует национальному стандарту GB/T 3273 Q370 и стандарту ЕС S355MC.

2. Физико-химические и механические свойства

Химический состав (анализ плавления, %, верхний предел стандарта JIS)

Механические свойства (в горячекатаном состоянии, стандартное минимальное значение / типичное значение)

3. Введение в основные процессы

• Контролируемая прокатка и охлаждение (TMCP):

a. Плита нагревается до температуры 1200 - 1250℃

б. Черновую прокатку проводят в зоне рекристаллизации аустенита.

c. Окончательная прокатка проводится в зоне без рекристаллизации аустенита (температура окончательной прокатки 800 - 850℃).

d. Быстро охладите до 500-600 ℃ и затем намотайте в рулоны

• Технологическое преимущество: Достигается сочетание высокой прочности и ударной вязкости за счет мелкозернистого упрочнения без необходимости последующей термообработки.

• Состояние поверхности: Обычно поставляется в виде рулонов, промытых кислотой и покрытых маслом, с шероховатостью поверхности от 1,6 до 3,2 мкм.

4. Применение в промышленности и автомобилестроении

• Промышленное применение: велосипедные рамы, компоненты для мотоциклов, шасси сельскохозяйственной техники, механизмы перемещения строительной техники.

• Применение комплектных транспортных средств (core):

○SAPH310: Основная часть корпуса заднего моста автомобиля, продольный рычаг торсионной балки, нижняя опора амортизатора, крюк прицепа и стабилизатор поперечной устойчивости.

○SAPH370: Продольные и поперечные балки несущей рамы грузовика, кронштейны для крепления двигателя, рычаги управления, поворотные кулаки и вспомогательные рамы

5. Анализ расширения применения имитационного моделирования

• Модель материала: можно использовать классическую эластопластическую модель. Необходимо точно ввести сечение плато текучести.

• Имитация нажатия:

○ Коэффициент текучести низкий, а производительность при холодной гибке отличная. Моделирование простое, и основное внимание уделяется упругости.

○ SAPH370 имеет коэффициент расширения более 70%, отличные характеристики отбортовки и может напрямую вызывать значение HER из библиотеки материалов во время моделирования.

• Моделирование усталости:

Предел прочности при растяжении составляет приблизительно 40-50% от предела прочности при растяжении (SAPH310 - около 150 МПа, SAPH370 - около 180 МПа).

Значительно снизился усталостный ресурс сварного соединения. Рекомендуется использовать метод эквивалентных структурных напряжений (в соответствии со стандартами ASME).

Следует учитывать влияние шероховатости поверхности и коэффициента концентрации напряжений.

• Имитация столкновения: Во время столкновения компоненты шасси в основном подвергаются изгибающим и крутильным нагрузкам, и необходимо обращать внимание на пластическую деформацию и разрушение.

V. Серия отливок из углеродистой стали (HT150/HT250)

Концептуальный атрибут

• Определение: Детали из серого чугуна, определенные национальным стандартом Китая GB/T 9439-2018, названы так потому, что их изломанные поверхности имеют серый цвет.

• Правило присвоения наименования: HT (Hui Tie) + Минимальный предел прочности при растяжении (МПа)

• Структурные характеристики: Чешуйчатый графит распределен по ферритной или перлитной матрице. Наличие чешуек графита придает серому чугуну отличные свойства по демпфированию вибраций и износостойкости, но также приводит к снижению ударной вязкости.

2. Физико-химические и механические свойства

Химический состав (анализ плавления, %, типичные значения)

Механические свойства (один литой испытательный стержень, стандартное минимальное значение / типичное значение)

Примечание: Серый чугун - хрупкий материал. Его предел текучести близок к пределу прочности при растяжении, а отношение предела текучести к пределу текучести чрезвычайно высокое. Очевидной стадии пластической деформации практически нет.

Физические свойства

• Плотность: 7,0 - 7,3 г/см3 (ниже, чем у стали)

• Температура плавления: 1140 - 1200℃

• Теплопроводность: 45 - 55 Вт/ (м・К)

• Коэффициент демпфирования: 3-5% (намного выше, чем у стали < 1%)

3. Введение в основные процессы

Плавка: Плавка в доменной печи или электропечи с контролем углеродного эквивалента и содержания легирующих элементов.

2. Обработка при формовании: Для HT250 необходимо добавить наполнитель из кремний-железа, чтобы измельчить графитовые хлопья и повысить прочность.

3. Литье: Основным методом является литье в песок, также можно использовать литье из металла.

4. Термообработка: Обычно для устранения внутренних напряжений в процессе литья проводится отжиг для снятия напряжений (при температуре 550-600°C в течение 2-4 часов).

• Технологические характеристики: Отличные характеристики литья, высокая текучесть, низкая степень усадки и низкая стоимость.

4. Применение в промышленности и автомобилестроении

• Промышленное применение:

○HT150: Основание станка, рабочий стол, корпус клапана, корпус насоса

○HT250: Направляющие станка, корпуса цилиндров, коробки передач, посадочные места подшипников

• Применение в комплектных транспортных средствах:

○HT150: Недорогие тормозные диски для легковых автомобилей, барабанные тормоза для коммерческих автомобилей, нажимные диски сцепления, корпуса маховиков

○HT250: Корпус турбонагнетателя, выпускной коллектор, корпус тормозного суппорта, блок цилиндров двигателя (дизельный двигатель большой мощности), корпус коробки передач

5. Анализ расширения применения имитационного моделирования

• Модель материала:

○ Нельзя использовать изотропную упругопластическую модель; вместо этого необходимо использовать модель из специализированного материала для чугуна (например, LS-DYNA Mat 145).

Свойства при растяжении и сжатии должны определяться отдельно. Прочность серого чугуна на сжатие в 4-5 раз превышает предел прочности при растяжении.

Отношение предела текучести к прочности чрезвычайно высокое, при этом пластическая деформация практически отсутствует. Разрушение происходит внезапно, и в модели повреждения используется критерий максимального главного напряжения.

• Структурное моделирование:

○ Сосредоточьтесь на области с максимальным основным напряжением, а не на напряжении Мизеса.

На разрушение серого чугуна всегда влияет растягивающее усилие. Даже в условиях сжатия поперечное растягивающее усилие все еще может привести к разрушению.

• Моделирование усталости:

○ Рекомендуется использовать метод зависимости напряжения от срока службы (кривая S-N).

○ Серый чугун не имеет определенного предела износостойкости. Кривая S-N по-прежнему демонстрирует тенденцию к снижению после 10⁷ циклов.

Следует учитывать влияние среднего напряжения и использовать кривую Гудмана для коррекции.

• Моделирование NVH:

Высокие демпфирующие свойства серого чугуна оказывают значительное влияние на результаты NVH.

При модальном анализе установка коэффициента демпфирования на уровне 3-5% может значительно повысить точность моделирования.

• Моделирование процесса литья: используйте MAGMA или ProCAST для моделирования расширения графита и дефектов пористости. В случае HT250 особое внимание следует уделить эффекту образования зародышей.

六、Сводная таблица сравнения свойств материалов