汽车轻量化对汽车用钢的新挑战及高强度钢板的发展

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来源：汽车材料与工艺

作者：罗荣建、杨科、刘国军、齐文、于婷、徐宏

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摘要：汽车轻量化对汽车用钢提出了新的挑战，各国都非常重视高强度薄钢板在汽车车身上的应用并进行了深入研究，本文简单叙述了高强度钢板的发展历程，介绍了先后开发的各类高强度钢板，其强度高、力学性能优良、塑性强，并对目前正在探索的第三代高强度汽车用钢Q&P钢进行了介绍。

关键词：汽车轻量化 第三代高强度钢 Q&P钢

1 简介

近年来，全球汽车数量日益增多，对人们的工作和生活产生越来越大的影响，但与此同时，能源短缺、环境污染等一系列问题也日益突出。安全性、舒适性、低成本成为各汽车厂商追求的目标，节能减排成为世界汽车工业亟待解决的问题。国内外汽车厂商采取了一系列措施，其中最有效的措施之一就是降低汽车自身的质量，即汽车轻量化。

有资料显示，若将车身用高强度钢板厚度由1.0～1.2mm减薄至0.7～0.8mm，可使车身重量减轻15%～20%，节省燃料8%～15%。减薄钢板厚度已成为汽车减重的合理途径和不可阻挡的应用趋势。大众消费的乘用车中高强度钢的应用呈现跳跃式发展趋势(表1)，由30%增至60%，先进高强度钢和超高强度钢每5年增幅约为5%。相比之下，铝合金在车身中的使用比例远不及高强度钢板，其钢材比例如图1所示。

表1 民用乘用车高强度钢板应用比例

2. 高强度汽车用钢开发

汽车车身轻量化的需求，推动了汽车用高强度钢板的开发。20世纪70年代，固溶强化钢、沉淀强化钢、复合结构强化钢（DP钢、CP钢）等钢种相继开发出来。该类材料的开发主要集中在提高强度方面，对材料的成形性及相关的冲压技术研究较少，因此其使用受到限制。自20世纪80年代末起，美国率先出台CAEE法规，进一步提高了汽车轻量化的要求。为此，我们开发了以组织控制为特征的高强度钢板，并投入实用。 公司主要产品有：固溶强化型超低碳IF深冲钢板（抗拉强度TS=340～440MPa）、烘烤硬化（BH）深冲钢板、残余奥氏体TRIP型高延展性钢板（抗拉强度TS=590～980MPa）等。这些钢板不仅强度高，而且加工性能也大大提高。同时，汽车车身用高强度钢板的研究也越来越广泛。

图1 2015年车身用钢成分预测

1994年，美国钢铁协会呼吁世界钢铁协会成立了ULSAB（超轻钢汽车车身）项目组，由18个国家的35家钢铁公司组成，目的是利用当时最先进的技术，达到在不增加成本、保持车体功能和抗冲击安全性的同时，减轻车体重量的目的。这个项目在车身采用的高强度钢和超高强度钢的比例超过90%。在此基础上，1998年3月，钢铁公司开始实施ULSAB-AVC计划，即先进汽车概念计划，整体研究开发新一代钢制汽车结构（车身、覆盖件、悬挂部件等），对新一代高强度钢板的研发做出了很大的贡献。

2007年，美国科学家首次提出开发第三代高强度汽车用钢，该类钢的性能和成本介于第一代和第二代高强度钢之间，强度高，塑性强。目前，国内外对第三代高强度钢的研究正在不断深入，并在不同方面不断有创新或发现。其中，集成计算材料工程（ICME）取得了最新进展，有可能加速开发最佳先进材料。这些材料包括含有大量残余奥氏体的TRIP-TWIP钢，可能可以作为第三代钢材。这种集成计算材料工程方法已经应用于多尺度模型计算，但迄今为止，美国能源部新批准了600万美元资助一个创新联盟，该联盟由美国汽车材料伙伴关系（USAMP）、汽车/钢铁伙伴关系（A/SP）和钢铁市场发展研究所组成。 该项目将涉及计算建模工具的开发，以优化钢材，使其用于具有更高轻量化、安全性和燃油经济性的车辆。总之，新一代高强度钢板的深入研发和应用前景非常广阔。

3.第三代高强度汽车钢介绍及国内外研究现状

双相钢（DP）、复相钢（CP）、相变诱导塑性钢（TRIP）和马氏体钢（MART）强度范围为500~1 600 MPa，具有较高的轻量化潜力，因其具有碰撞吸收能、成形性好、平面各向异性小等优点，在汽车上得到广泛应用，被称为第一代高强度汽车用钢，其微观组织如图2所示。

第一代高强度汽车用钢的强塑性积（R m×A）较低，为5～15GPa%，奥氏体含量也较低（不足15%）。DP钢的组织为铁素体+马氏体，TRIP钢的组织为铁素体+贝氏体+残余奥氏体。马氏体经高温奥氏体快速淬火转变为马氏体。2007年，Arcelor等钢铁厂开展了孪生诱导塑性TWIP钢和轻量化钢（L-IP）的研究。在室温下，此类钢的组织为稳定的残余奥氏体，当施加一定的外载荷时，钢材因应变诱导而发生变形，机械孪生会产生较大的无颈延伸，从而表现出优异的力学性能、高的应变硬化率、极高的塑性（60%～90%）和高的强度（600～1 000 MPa）。 ，被称为第二代高强度汽车用钢[6]。该钢的强塑积在50~60GPa%范围内，其微观组织如图3所示。第二代高强度汽车用钢TWIP钢具有奥氏体组织，在变形过程中能产生机械孪生并诱发塑性，从而保证了良好的塑性。

图2 第一代高强度汽车用钢组织

图3 第二代高强度汽车用钢TWIP钢的微观组织

第三代先进高强度汽车用钢兼具第一代、第二代高强度汽车用钢组织特点，首先应为具有高强度特征的BCC相和具有高强化特征的FCC相，其复合组织为BCC+FCC复合组织（图4），并充分利用晶粒细化、固溶强化、沉淀强化和位错强化来提高其强度，通过应变诱导塑性、剪切带诱导塑性、孪生诱导塑性等机制来提高其塑性和成形性。

我国在第三代高强度汽车用钢研究上走在了世界前列，北京科技大学新金属材料国家重点实验室很早就开始了第三代高强度汽车用钢的研究。

2012年在国家“973”项目子项目“第三代高强高韧低合金钢细组织研究”的支持下，开展了第三代先进汽车用钢的研究工作：基于热轧低合金TRIP钢的动态相变特性，采用轧制低合金TRIP钢技术，设计合金成分、优化工艺，通过添加微合金元素或调整Mn、Si含量，获得力学性能在第三代先进汽车用钢范围内的细晶粒TRIP钢。

图4 第三代先进高强度汽车用钢组织为BCC+FCC

宝钢自2002年开始从事超高强度钢的研发，经过10年的探索，成功掌握了第三代高成形性超高强度钢——淬火延性钢的工业化生产能力。2010年，宝钢推出第三代Q&P980钢；2013年，宝钢推出全球首款第三代热镀锌Q&P980钢[8]。迄今为止，宝钢是全球唯一一家实现第三代超高强度钢稳定批量供应的公司，也是全球唯一一家能够同时工业化生产第一、第二、第三代超高强度钢全系列产品的钢铁企业。

鞍钢作为国内主要的汽车钢板供应商，成功实现了传统高强钢（含磷高强钢、低合金高强钢）的稳定规模化供应，并相继开发了以DP钢（双相钢）、TRIP钢（相变诱导塑性钢（TEIP钢）、孪生诱导塑性钢）、QP钢（淬火分割钢）为代表的先进高强钢，为汽车行业实现节能减排、轻量化、提高安全性等目标提供了技术支撑。目前，鞍钢先进高强汽车钢研发进展顺利，已形成热轧、冷轧和热镀锌汽车钢产品系列，2013年，国产第三代汽车钢AQP980在鞍钢天铁冷轧薄板公司正式投产。 鞍钢集团在汽车用钢研发领域一直走在世界前列，成为世界钢铁和汽车制造业关注的焦点。

目前，高强度钢的所有研发思路都趋向于一个方向，即生成高强度的基体组织和充足的奥氏体，而奥氏体的稳定性是可控的。一般来说，通常采用两种获得奥氏体相的技术，即逆相变和正相变，如图5所示，在合金元素设计上，往往采用较多的奥氏体稳定化元素，而工艺设计则采用特殊工艺来细化基体组织，如通过贝氏体等温淬火工艺获得纳米贝氏体，通过淬火-配分（Q&P）工艺获得碳配分马氏体，通过两相区退火工艺获得超细铁素体的中锰钢（中锰钢）。以中锰钢、淬火延性钢、纳米钢、热冲压钢等为代表的第三代高强度汽车用钢目前正在研发中。

图5 第三代汽车用钢热处理获得的奥氏体选择

3.1中锰钢

中锰钢的组织为超细晶粒铁素体和亚稳态奥氏体(图6)，其抗拉强度高，但伸长率差，这主要是由于大部分粗大奥氏体中锰富集不足，在随后冷却至室温的过程中转变为马氏体。退火温度过低时，抗拉强度和加工硬化速度均下降，同时在部分实验中观察到极长的屈服延伸阶段，这主要是由于大量超细铁素体的生成所致。中温退火时，退火组织中出现大量亚稳态奥氏体，使得中锰钢具有较高的强度和良好的塑性和加工硬化性。(图7)在背散射电子成像技术下观察中锰钢逆相变后的组织。 随着退火时间（1ms~12h）的增加，奥氏体量逐渐增加，可达33.7%。

图6 中锰钢逆相变得到的超细双相组织

图7 逆转变退火时间对中锰钢组织的影响

3.2 淬火球墨钢

淬火-配分工艺是对部分马氏体转变后带钢进行等温配分，使碳元素从马氏体中扩散到未转变的奥氏体中，从而提高奥氏体的稳定性。Q&P钢的组织为马氏体和残余奥氏体，较低强度等级的Q&P钢中还含有一定量的铁素体，这是传统的添加Si的TRIP钢组分。通过贝氏体等温淬火处理获得的无碳贝氏体TRIP钢有其自身的优势。Clarke等早期的研究表明，Q&P工艺和贝氏体等温淬火工艺都可以达到相似的强度和塑性组合，其性能也在一定程度上相似。同样，通过调整马氏体基体含量的比例，TRIP钢可以延伸到低强度水平，Q&P钢可以延伸到高强度水平。

4. 纳米钢

NanoSteel 对其纳米结构铁基材料的开发进行了大量的宣传。先前的报道讨论了利用非晶态（金属玻璃）合金（包括一些超级合金材料）的低温结晶工艺来获得纳米晶体。然而，该研究的技术细节尚未向冶金界披露，因此现在评估这一想法在汽车钢大规模生产中的应用还为时过早。

5. 热冲压钢

热冲压钢多采用C-Mn-B的成分体系，主要用于生产一些传统高强度钢难以成形的零部件，其室温组织为高强度马氏体，相关热冲压工艺已确定，但涂层热冲压等新一代AHSS方法，若要达到类似水平的带钢强度（如1500MPa以上），冷成形钢将极具竞争力。因此，热冲压钢的最终发展方向很难预测。值得注意的是，在第三代AHSS发展的推动下，一旦实现合适的工艺控制能力，并结合各种新型热处理思路，也将开发出新一代热冲压钢。结果表明，经Q&P处理后的热冲压件的伸长率（断裂前的能量吸收）较传统马氏体热冲压​​件有明显提高，此外，较高Mn含量的合金也可应用于热冲压研究。

六，结论

本文综述了高强度汽车用钢的发展及现状，从传统的第一代高强度汽车用钢CP、DP钢等，为汽车轻量化做出了巨大贡献，以极快的速度得到了广泛的应用。汽车之后，各国都热切期待未来更高强度钢板的潜力，正在不懈努力地开发第二代、第三代高强度汽车用钢，成为新一代汽车用钢。虽然新一代高强度汽车用钢的研究尚未完全完成，甚至连该类钢的热物理性能（热物理性质）参数的基础研究都还是空白，导致连铸这一关键工序的参数无法确定，但受未来汽车需求、环保压力等因素影响，相信第三代高强度汽车用钢更加深入的研究和广泛应用将成为必然趋势。

来源：汽车材料与工艺

作者：罗荣建、杨科、刘国军、齐文、于婷、徐宏

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