现代汽车制造业核心：先进高强度钢在车身的应用及类型介绍

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现代汽车制造的核心是安全和环保，对车身的要求是“提高强度、减轻重量”，先进高强度钢在此背景下蓬勃发展，被广泛应用于车身结构件、安全件等。

汽车用高强度钢种类

1.双相钢

（DP 钢、双相钢）

2.复相钢

（CP钢、复相钢）

3.相变诱导塑性钢

（TRIP钢、相变诱导塑性钢）

4.马氏体钢

（MS 钢、马氏体钢）

5.淬火球墨钢

（QP钢、淬火和分割钢）

6. 孪生诱发塑性钢

（TWIP 钢、孪生诱导塑性钢）

7.硼钢

（PH 钢或 B 钢、压硬化/硼钢）

双相钢（DP Steel）

性能特点：

无屈服延伸、无室温时效、屈强比低、加工硬化指数高、烘烤硬化值高。

典型应用：

DP系列高强钢是目前结构件首选钢种，广泛应用于结构件、加固件、防撞件等。

如，车辆底部横梁、导轨、保险杠、保险杠加强结构等。

复相钢（CP钢）

性能特点：

晶粒细小，抗拉强度高。与同等抗拉强度等级的双相钢相比，其屈服强度明显提高。具有良好的弯曲性能、较高的扩孔性能、较高的能量吸收能力和优良的翻边成形性能。

典型应用：

底盘悬挂部件、B柱、保险杠、座椅导轨等

相变诱导塑性钢（TRIP钢）

性能特点：

组织中含有残余奥氏体，具有良好的成形性能，在成形过程中，残余奥氏体会逐渐转变为硬质马氏体，有利于均匀变形。

TRIP钢还具有冲击吸收功高、强塑性积高、n值高等特点。

典型应用：

结构相对复杂的部位，如B柱加强板、前纵梁等。

马氏体钢（MS钢）

性能特点：

屈强比高，抗拉强度高，相对伸长率低，需注意延迟开裂倾向。具有碰撞吸收功高、强塑积高、n值高等特点。

典型应用：

简单零件的冷冲压和横截面积相对简单的零件的辊轧成型，例如保险杠、门槛加强件和侧门防撞杆。

淬火球墨钢（QP钢）

性能特点：

以马氏体为基体相，利用残余奥氏体在变形过程中的TRIP效应，可获得较高的加工硬化能力，因而具有比同级别超高强度钢更高的塑性和成形性能。

典型应用：

适用于汽车安全部件及形状较复杂的结构件，如A、B柱加强件。

孪生诱导塑性钢（TWIP钢）

性能特点：

TWIP钢是一种高C、Mn、Al成分的全奥氏体钢，通过孪生诱发的动态细化可获得极高的加工硬化能力。TWIP钢具有超高强度和超高塑性，强塑积可达50GPa%以上。

典型应用：

TWIP钢具有非常优越的成形性和超高强度，适用于制造对材料拉深、胀形性能要求较高的零件，如形状复杂的汽车安全件、结构件。

硼钢（PH钢或B钢）

性能特点：

超高强度（抗拉强度达到1500MPa以上），有效提高碰撞性能、实现车身轻量化；形状复杂零件，成形性好；尺寸精度高。

典型应用：

安全结构件，如前后保险杠、A柱、B柱、中控台等。

汽车用钢的演变

自 19 世纪末德国工程师卡尔·本茨于 1885 年设计出第一辆内燃机驱动的汽车以来，钢铁就开始用于汽车制造。

20世纪初，随着钢板/钢带生产技术的出现和复杂成型加工技术的突破，汽车结构中的木质部件逐渐被钢板/钢带取代。在随后的100多年里，钢板/钢带成为汽车制造过程中的主导材料。随着不同历史时期，结合相应的国家战略、消费需求和技术能力，演变出一系列的汽车钢材，如图1所示。

汽车最早使用低碳钢（LC）和无间隙原子钢（IF），当时这两类低强度钢可以满足强度、成形性、成本和设计的要求。直到1970年左右北美石油危机爆发，汽车行业才开始开发高强度钢以减轻重量并节省能源，以应对能源问题。

自此以后，汽车钢板的强度水平进入了不断提高的良性循环时期，特别是在当前全球汽车轻量化趋势下，钢铁行业工作者也在为此努力。

图1 汽车用钢板的分类

传统高强度钢

传统的高强度钢主要为烘烤硬化钢（Bake Hardenable，BH），其力学性能如图2所示。在冲压后的烤漆过程中强度得到提高。冲压过程中的应变硬化程度对后续烘烤过程中强度的提高有明显的影响。成形过程中的应变硬化主要基于变形引起的位错密度增加。烘烤过程中强度的提高是基于此过程中原子的扩散对后续位错运动的阻碍。成形方式和成形过程中引起的应变大小的不同都会对烘烤硬化效果产生一定的影响。

典型第一代先进高强度钢及其控制技术

第一代先进高强度钢主要是双相钢（DP）和相变诱导塑性钢（TRIP）。

DP钢，顾名思义，由两相组成，可以是铁素体+贝氏体或铁素体+马氏体，其组织图如图3所示。铁素体作为软相，保证其具有一定的塑性，易于成形；贝氏体/马氏体作为硬相，赋予其合理的强度。

图3 DP钢组织示意图

TRIP钢组织示意图如图4所示，由铁素体、马氏体（贝氏体）和残余奥氏体组成。由于汽车在碰撞过程中产生瞬时大变形，钢板内部产生一定的机械能，与原残余奥氏体储存的内能相结合，引起相变，部分残余奥氏体转变为马氏体，起到强化作用。

图4 TRIP钢组织示意图

典型第二代先进高强度钢及其控制技术

第二代先进高强度钢主要以孪生诱导塑性（TWIP）钢为基础，TWIP钢是基于奥氏体相在变形过程中变化而形成的机械孪生，如图5所示。

由于孪晶的形成，可以吸收碰撞过程中的能量，其基本成分为18%Mn-3%Si-3%Al，当然可以根据不同成分中对各相性能的不同关注度以及生产​​过程中的瓶颈问题，适当调整成分。

图5 变形过程中形成的孪生

第三代先进高强度钢的开发

第三代先进高强钢是在第一代与第二代高强钢之间的差距基础上，发展出高强度、高塑性综合性能优异的品种，如Q&P（淬火配分）钢，这是目前国内外研究的热点。Q&P钢的室温组织为铁素体、马氏体和奥氏体。它的设计原理是淬火到一定温度形成相当数量的马氏体后，有一个二次加热过程，如图6所示。在此过程中，马氏体中的碳原子扩散到残余奥氏体中，从而提高了残余奥氏体的稳定性。采用此工艺生产的高强钢可具有远超第一代、第二代先进高强钢的强塑积。

图6 Q&P钢工艺控制流程

汽车用钢发展趋势及研究热点

通过使用高强度钢，车身各部位可以做得更薄，同时不损失强度，欧美已达成共识，通过使用600MPa/40%至1600MPa/20%高强度钢，车身重量至少可减轻5-8%，这为该性能范围内各系列高强度钢的发展带来了机遇。

关于汽车用钢的发展方向和研究课题，国际NSF组织（美国国家钢铁制造组织）、美国能源部（DOE）、美国钢铁协会（AISI）以及A/SP（汽车/钢铁合作组织）提出了高校和科研机构应重点开展以下研究领域：

先进高强度钢的组织与力学性能；

先进高强度钢中的碳扩散过程；

先进高强度钢的颗粒尺寸与界面效应

先进高强度钢中的纳米针状铁素体双相钢；

高强度高塑性贝氏体钢；

先进高强度钢的成形性和回弹行为；

先进高强度钢对应型号。

需求会推动相关技术的进步，技术进步也会刺激需求，轻量化的大趋势会推动钢铁行业技术的不断进步，从而为更先进钢板的应用创造条件。

汽车用钢的下一个发展方向，或者说当今时代比较理想的汽车钢板材料，应该具备以下几个条件：低碳（高焊接性）、低成本（低合金添加）、高成形性、易装配和维修。现今各系列汽车用高强钢普遍存在一定的局限性，成分差异较大，表面质量也不一致，给最终涂装带来一定的困难。未来对各类材料的评价应该从全过程的角度来考虑，这样才能设计、生产出好的、实用的产品。

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