先进高强度钢在汽车制造业中的应用与发展

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

01

双相钢

（DP 钢、双相钢）

02

双相钢

（CP钢、复相钢）

03

相变诱发塑性钢

（TRIP 钢，相变诱导塑性钢）

04

马氏体钢

（MS 钢、马氏体钢）

05

硬化延展钢

（QP钢、淬火和分割钢）

06

孪生诱导塑性钢

（TWIP 钢，孪生诱导塑性钢）

07

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、加固件和防撞件，如车辆下部横梁、导轨、防撞杆、防撞杆加固结构件等。

复相钢（CP钢）

性能特点

晶粒细小，抗拉强度高。与同等级抗拉强度的双相钢相比，其屈服强度明显提高。具有良好的弯曲性能、高的扩孔性能、高的能量吸收能力和优异的车削性能和刃口成形性能。

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钢还具有高碰撞吸收能、高强度塑性及高n值的特性。

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

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含量的全奥氏体钢，通过孪生诱发的动态细化作用可获得极高的加工硬化能力，具有超高强度和超高塑性，塑性积累可达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），有效提高碰撞性能和车身轻量化；形状复杂的零件，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

钢铁自19世纪末开始应用于汽车制造，1885年德国工程师卡尔·本茨设计出第一辆以内燃机为动力的汽车。20世纪初，随着钢板/钢带生产技术的出现以及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。此后一百年间，钢板/钢带成为汽车制造的主导材料。 基于国家战略、消费需求和技术能力，汽车用钢材系列化相继诞生，如图1所示。最早用于汽车的钢材是低碳钢（LC）和间隙钢（LTC），当时这两类低强度钢已经能够满足强度、成形性、成本和设计方面的要求。直到1970年前后北美石油危机爆发，汽车行业才开始发展高强度钢，以实现减重节能。此后进入了汽车钢板强度水平不断提高的良性循环期。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之努力。

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（BH），其力学性能如图2所示。强度的提高是在冲压后的烘烤过程中实现的，冲压过程中的应变硬化程度对后续的烘烤工艺影响很大，烘烤过程中强度的提高有显著的影响，成型过程中的应变硬化主要依靠变形引起的位错密度的增加，烘烤过程中强度的提高依靠此过程中原子的扩散，对后续的成形有影响，成形方式的不同、成形过程中产生的应变量的大小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有双相钢（DP）和相变诱导塑性钢（TRIP）。DP钢，顾名思义，是由两相组成，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，使其具有合理的强度。

典型第二代先进高强度钢及其控制技术

第二代先进高强钢主要以孪生诱导塑性（TWIP）钢为主。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，可以吸收碰撞时的能量。其基本成分为18％Mn-3％Si-3％Al。当然，不同的成分对各相性能的关注程度不同，生产过程中的瓶颈问题也不同。成分可适当调整。

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，如目前国内外研究的热点Q&P（淬火配分）钢。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。采用该工艺生产的高强钢，其强塑性积远远超过第一代、第二代先进高强钢。

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，车身结构采用600MPa/40%至1600MPa/20%高强度钢至少可减轻重量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。

对于汽车用钢未来发展方向及研究课题，国际上NSF(美国国家钢铁制造协会)、美国DOE(能源部)、美国AISI(美国钢铁协会)及A/SP(汽车/钢铁合作组织)建议高校和科研机构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，汽车用钢下一步发展的方向，或者说当今时代更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、易装配维修等。各系列汽车高强钢一般都存在一定的局限性，比如成分差异较大，表面质量不一致等，给最终涂装带来一定的困难，未来对各类材料的评价应该以全过程为依据，从这个角度出发，才能设计和生产出既好用又实用的产品。