先进高强度钢：强度与塑性的完美结合，助力汽车行业减重与安全

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传统高强度钢多采用固溶、析出和细晶粒强化方式，而先进高强度钢（AHSS）是指通过相变强化的钢，其组织包含马氏体、贝氏体和组织，主要包括双相（DP）钢、相变诱导塑性（TRIP）钢、马氏体（M）钢、复相（CP）钢、热成型（HF）钢和孪生诱导塑性（TWIP）钢。

先进高强度钢的强度、塑性均优于普通高强度钢，既具有较高的强度，又具有良好的成形性，特别是加工硬化指数高，有利于提高碰撞时的能量吸收，有利于减轻重量，同时保证安全性是非常有利的。

AHSS强度在500MPa~1500MPa之间，具有良好的能量吸收性，对汽车轻量化、提高安全性有十分重要的作用，在汽车工业中得到了广泛的应用，主要应用在汽车结构件、安全件及加强件，如A/B/C柱、门槛条、前后保险杠、车门防撞梁、横梁、纵梁、座椅导轨等部位；DP钢于1983年由瑞典SSAB钢板有限公司首次量产。

先进高强度钢的开发及研究进展

所有高速钢生产都需要对奥氏体相或奥氏体加铁素体相进行控制冷却，可以是在外周表面进行热磨（如热轧产品），也可以是在连续退火炉中进行部分冷却。（连续退火或热浸镀产品）。

马氏体钢是通过快速淬火使奥氏体相转变成马氏体相而产生的。铁素体-马氏体双相钢是通过控制冷却速度使奥氏体相转变成铁素体（在热轧钢中）或在铁素体+马氏体双相中（在连续退火和热浸镀钢中）部分残余奥氏体在快速冷却转变成马氏体之前先转变成铁素体。

TRIP 钢通常需要在中等温度下保持等温状态才能产生贝氏体。较高的硅和碳含量导致 TRIP 钢在最终微观结构中含有过多的残余奥氏体。多相钢也遵循类似的冷却模式。但在这种情况下，化学元素的调整会产生非常少的残余奥氏体，并形成细小的沉淀物以强化马氏体和贝氏体相。

汽车用高强度钢分为热轧、冷轧及热镀锌产品，其工艺特点均为通过相变进行强化，此外，还有一种通过热冲压模具淬火进行硬化的超高强度钢在欧洲汽车制造业中得到了广泛的应用。

随着安全性和燃油经济性要求的不断提高，汽车行业对高强度、轻量化材料的需求也日益增加，在汽车轻量化的推动下，汽车中铝合金、镁合金、塑料等零部件的使用比例逐年增加，钢铁在汽车材料中的主导地位也受到威胁。为提高汽车的安全性，应对来自其他材料的挑战，目前钢铁材料的发展重点是高强度钢。

-1- 双相钢

双相钢是低碳钢或低碳微合金钢经双相区热处理或控轧控冷而得到的，其组织主要为铁素体和马氏体，通过微合金元素的碳氮化物的析出，使晶粒得到细化、基体得到强化，双相钢在纯铁素体晶界或晶粒内弥散分布有较硬的马氏体相，因此其强度与韧性得到了很好的协调。

双相钢的强度主要取决于硬质马氏体相的比例，其比例从5%到30%不等。其拉伸力学性能为：

①应力-应变曲线为平滑的拱形，无屈服点延伸；

②具有较高的加工硬化率，特别是初始加工硬化率；

③屈服强度低、抗拉强度高，成形件具有较高的抗压强度、冲击吸收能力和疲劳强度；

④均匀伸长率和总伸长率大。双相钢是一种理想的兼具高强度和良好成形性能的汽车用钢。

-2- 相变诱导塑性钢

相变诱导塑性钢是指钢中具有多相组织的钢，这些相通常为铁素体、贝氏体、残余奥氏体和马氏体。

在变形过程中，稳定的残余奥氏体向马氏体转变，引起相变强化和塑性长大。因此，残余奥氏体必须足够稳定，才能实现渐进转变，一方面强化基体，另一方面提高均匀伸长率，达到同时提高强度和塑性的目的。TRIP钢的性能范围为：屈服强度340~860MPa，抗拉强度610~1080MPa，伸长率22%~37%。

近年来，TRIP钢发展很快，TRIP钢主要用于制作汽车挡泥板、底盘部件、车轮轮辋及车门防撞梁等，此外，TRIP钢还可作为热镀锌、Zn-Ni电镀锌的基板，生产出具有高强度、高塑性、高深冲和胀形性能、高耐腐蚀性能的镀锌板。

韩国浦项制铁已成功开发出800MPa级和1000MPa级TRIP钢，该钢板成形性优良，可加工成形状复杂的汽车零部件，目前正着手开发1200MPa级TRIP钢。日本三菱汽车与新日铁、住友金属、神户制钢等联合开发了汽车底盘部件用TRIP高强度钢板，其新车型中80余种底盘零部件均采用TRIP钢板制造。

许多研究结果表明，高硅含量TRIP钢比低合金高强度钢具有更好的延展性和抗拉强度，其成分系列有：C-Mn-Si-NV、C-Mn-Si—Ti和Si—Nb等。但硅含量过高会导致带钢表面产生红色氧化皮，热镀锌性能变差。近年来，一些研究者开始着力用其他元素(如铝、磷等)部分替代硅，以降低钢中硅含量，改善涂镀性能，并通过添加铌、钒、钛、钼等元素来提高TRIP钢的强度。

-3-双相钢

复相钢组织与TRIP钢类似，主要组织为细小的铁素体和高比例的硬质相（马氏体、贝氏体），含有铌、钛等元素。由于体相强化和沉淀强化的综合作用，CP钢强度可达800~1000MPa，具有较高的吸能性能和扩孔性能，特别适用于汽车车门防撞杆、保险杠、B柱等安全部件。

依靠合金成分设计、微合金化、控轧控冷技术和连续退火技术，热轧、冷轧高强度带钢可以获得不同的组织，如铁素体+贝氏体双相组织、铁素体+马氏体双相组织、铁素体+贝氏体+残余奥氏体复相组织和马氏体组织，钢的强度可以从500MPa提高到1000MPa以上，甚至达到1200MPa。

实践表明，由于钢中微合金元素含量较高，在未再结晶区控轧时变形抗力增大，导致轧机承受的负荷较大，在控轧控冷过程中，钛对加热温度和卷取温度的影响十分敏感。板坯加热温度和轧后卷取温度的波动，很容易导致卷取性能产生十分明显的波动，如屈服强度、抗拉强度等。

对于冷轧高强度结构钢，在连续退火过程中通过复相热处理工艺可以获得具有不同组织体积比的铁素体+贝氏体+马氏体复杂组织，这种冷轧复相钢具有良好的综合力学性能，在同等强度条件下比常规淬火马氏体钢具有更高的韧性和塑性，因此在汽车工业中有着广阔的应用市场。

-4- 马氏体钢

马氏体钢的生产是通过快速淬火将高温奥氏体组织转变为板条马氏体组织，通过热轧、冷轧、连续退火或成型后退火实现，其最高强度可达1600MPa，是目前商业化高强度钢板中最高强度等级。

因此，在生产板状产品时，由于成形性的限制，只能用滚压或冲压方法生产形状简单的零件，主要用于代替成形要求不高的管状零件，如车门防撞条，从而降低制造成本。

热冲压钢（MnB钢）是日本新制钢方法，通过热成型后快速冷却，获得较高的成型度和极高的强度，具体热成型方法为：钢板——加热（880--950℃）——冲压（产品在冲模内淬火）——喷丸（去除氧化铁皮）——成品（1500MPa）。

整个热冲压过程需要15~25秒。为了解决钢板热加工时容易产生氧化铁皮的问题，一般需要在超高强度钢板表面进行镀铝处理。超高强度MnB钢板主要用于制作防撞件。

-5- 孪生诱导塑性钢

孪生诱发塑性钢：第二代先进高强度汽车用钢，其室温组织为单相奥氏体。大多数奥氏体钢，如奥氏体不锈钢和高锰钢，具有中到低的层错能，因此容易形成大规模的层错、孪生和平面位错组织。

高锰钢中添加C或Al、Si时，可发现大面积的机械孪生。当w(Mn)达到25%、w(Al)>3%、w(Si)在2%~3%范围内时，碳含量在0.1~0.2%之间时，钢中出现大面积的机械孪生，碳含量很低时也会出现同样的情况。这些钢具有很高的延展性，可达80%。

他们引入孪生诱发塑性钢来命名这类钢，简称TWIP钢。TWIP钢的优异力学性能来源于孪生诱发塑性，孪生在变形中的作用与传统概念完全不同。一般认为，在晶体结构的对称性、弹性相对较低、滑移系相对较少的材料中，当变形速度较大或在不利于滑移取向的条件下施力时，在某些应力集中的地方就会产生孪生。

面心立方金属不易产生孪生，机械孪生只能在极低的温度下形成，由于孪生引起的变形很小，只在滑移困难时起着调整取向的作用，使滑移可以进行。但在TWIP钢中，在变形温度为-70～400℃时，它就可以在面心立方奥氏体中形成，变形速率可低至10-4/s。

在变形过程中，在高应变区域形成孪生，孪生边界阻止了这一区域的滑移，使其他应变较低的区域得以滑移。目前，法国、中国等国家已开始生产TWIP钢，虽然TWIP具有优异的力学性能，但该钢在冶炼、连铸、延迟、断裂、缺口敏感性和涂层性能等方面存在问题，成为该钢在汽车工业大规模应用的阻碍和技术难点。

目前钢厂和科研机构正在研究新一代TWIP钢FeMnAl钢，又称TRIPLEX钢。FeMnAl钢不表现出TRIP和TWIP效应，在加工变形过程中，位错滑移形成剪切带，产生较高的塑性，即剪切强度，从而产生切削诱导塑性（SIP）效应。目前，其在汽车上的应用已得到广泛认可。

-6- 淬火分配钢

近年来，JG Speer等人提出了一种新工艺——淬火配分，该工艺可生产富碳残余奥氏体钢，即Q&P钢，工艺机理是基于对碳在马氏体/奥氏体混合组织中扩散规律的全新认识。Q&P钢属于第三代AHSS，可达到的力学性能为：抗拉强度800~1500，伸长率15%~40%。

首先将基体在奥氏体区或临界区温度（TA）保持一段时间，然后快速冷却到M与Mf之间的淬火温度（TQ）并等温短时间，以产生适量的马氏体，然后加热到分配温度（T）并处理一段时间，以保证残余奥氏体的富碳过程的完成。

虽然Q&P工艺中马氏体形成的热力学机制与传统Q&T工艺相同，但两者组织的演变机制和最终成分却完全不同。Q&P工艺有意抑制Fe-C化合物的析出，使残余奥氏体稳定而不发生分解。因此，有效抑制化合物的析出是该工艺的关键。

先进高强度钢的发展趋势

钢铁产品生产企业面临着用户对现有产品更加严格的质量要求，这就需要加快开发新型钢铁材料，确保满足用户需求的新产品的制造过程必须可靠、低成本。

汽车材料的另一发展思路是在保留钢材本身优点，即强度、韧性、可加工性、寿命、吸音性和可回收性的情况下降低钢材的质量密度，方法之一就是添加Al、Si等轻金属合金元素。这类钢材开发较早，强度较高，体积密度较低，耐腐蚀性能有所改善，从目前来看，其发展潜力很大，还有进一步减重的潜力。

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