高强度汽车用钢发展与第3代汽车高强度钢的探究论文

　　1引言
　　近年来世界汽车保有量与日俱增，以越来越大的影响力改变着人们的工作与生活，但同时随之而来的能源短缺、环境污染等一系列问题也日益突出。轻型、节能、环保、安全舒适、低成本等成为各汽车制造厂商追求的目标，而节能减排已成为世界汽车工业界亟待解决的问题。国内外汽车厂家采取一系列措施，其中最有效的措施之一是减轻汽车自身质量，即汽车轻量化。
　　有资料表明，厚度为1。01。2mm车身用高强度钢板减薄至0。70。8mm，车身质量可减轻1520，可节油815。因此，提高钢材的强度，减薄钢板的厚度成为汽车轻量化的合理途径和不可阻挡的应用趋势。普通大众消费的乘用车高强度钢的应用呈现出飞跃发展态势，即从30增至60，先进高强钢和超高强钢每5年约提高5，相比之下铝合金在车身中应用比例远小于高强度钢板。相关专业人士对2015年车身用钢情况进行了预测，各种钢的用钢比例如图1所示。
　　2高强度汽车用钢的发展
　　汽车用高强度钢板的开发由于车身轻量化要求而得到快速推进。20世纪70年代相继开发出固溶强化钢、析出强化钢、复合组织强化钢（DP钢、CP钢）等钢种。这些钢种的开发多以提高强度为主，对材料的成形性及相关冲压技术的研究较少，所以其用途受到限制。从80年代后期开始，美国率先推出CAEE规定，对汽车的轻量化要求进一步提高，为此开发出以组织调控为特点的高强度钢板，并使之实用化，主要产品有：固溶强化型极低碳IF深冲用钢板（拉伸强度TS340440MPa）、烘烤硬化型（BH）深冲用钢板、残余奥氏体组织TRIP型高延展性钢板（拉伸强度TS590980MPa）等〔2〕。这些钢板不仅强度高，而且大幅改善了加工性能。与此同时，对于高强度钢板在车身方面的研究也越来越广泛。1994年，由美国钢铁协会呼吁，国际钢铁协会成立了由18个国家35家钢铁公司组成的ULSAB（UltraLightSteelAutoBody）项目组，目的是采用当时最先进的技术，在不增加成本并维持车身功能与抗冲击安全性的同时减轻车身质量。该项目中汽车车身所用高强度钢与超高强度钢的比列超过90。在此基础上，1998年3月钢铁企业又开始在全球实施ULSABAVC计划，即先进的汽车概念项目，从整体上研究开发新一代钢铁材料汽车结构（车身、覆盖件和悬架件等），为之后新一代高强度钢板的研究推进做出很大贡献。
　　2007年，美国科学家首先提出开发第3代高强度汽车钢。这类钢材性能和成本介于第1代和第2代高强钢之间，其强度高、可塑性强。无论在工业制造还是试验研究方向都有所进展。目前，国内外对于第3代高强度钢的研究不断深入，在不同方面有所创新或发现，其中集成计算材料工程（ICME）取得了最新进展，具备加速最佳先进材料开发的可能。这些材料包括含有大量残余奥氏体的TRIPTWIP钢，它们可能作为第3代钢而被应用。这种利用集成计算材料工程的方法已经应用到多尺度模型计算，但到目前为止还没有应用到钢铁领域。美国能源部新批准600万美元用于资助创新联盟，该联盟由美国汽车材料合作伙伴（USAMP）、汽车钢铁合作伙伴（ASP）、钢材市场发展研究所（SMDI）、5所美国大学以及包括钢材和汽车生产企业的行业伙伴组成。该项目将包括开发计算模型工具，轻量化、安全和燃油经济性更好的汽车用钢的优化。总之，新一代高强度钢板的深入研发和应用前景甚是广阔。
　　3第3代高强度汽车用钢简介及国内外研究状况
　　双相钢（DP）、复相钢（CP）、相变诱发塑性钢（TRIP）和马氏体钢（MART）等的强度范围为5001600MPa，均具有较高的轻量化潜力、碰撞吸收能、成形性以及较低的平面各向异性等优点，在汽车上得到广泛应用，被称为第1代高强度汽车用钢。
　　第1代高强度汽车用钢的低强塑积（RmA）达515GPa，奥氏体含量较低（不足15）。DP钢微观组织为铁素体马氏体，TRIP钢成分为铁素体贝氏体残余奥氏体。马氏体是通过高温奥氏体组织快速淬火转变为马氏体组织的。2007年，阿赛洛等钢铁厂家进行孪晶诱导塑性钢（TWIP）、具有诱导塑性的轻量化钢（LIP）的研究。室温下，这些钢种的组织为稳定的残余奥氏体，当施加一定的外部载荷后，由于应变诱导出现了机械孪晶，会产生较大的无颈缩延伸，因而显示出优异的力学性能、高应变硬化率并具有极高塑性（6090）和较高强度（6001000MPa），被称为第2代高强度汽车用钢，该钢高强塑积介于5060GPa范围。第2代高强度汽车用钢TWIP钢组织为奥氏体，在变形过程中发生机械孪晶并诱导塑性，从而保证了优良的塑性。
　　第3代先进高强度汽车用钢兼有第1代和第2代高强度汽车用钢微观组织的特点，首先应该是具有高强特点的BCC相和较高组分的具有高强化特性的FCC相的复合组织，即具备BCCFCC的复合组织，并充分利用晶粒细化、固溶强化、析出强化及位错强化等手段来提高其强度，通过应变诱导塑性、剪切带诱导塑性和孪晶诱导塑性等机制来提高塑性及成形性能。
　　我国国内对于第3代高强度汽车用钢的研究处于国际前列。北京科技大学新金属材料国家重点实验室对第3代高强度汽车用钢的研究较早。2012年，在国家973计划项目子课题第3代高强高韧低合金钢精细组织的研究的支持下，开展了第3代先进汽车用钢的研究工作：基于动态相变的热轧低合金TRIP钢技术进行合金成分设计和工艺优化，通过添加微合金化元素或调整Mn、Si含量，获得了力学性能指标在第3代先进汽车用钢范围内的细晶TRIP钢。
　　宝钢于2002年开始涉足超高强钢的研制开发，历经10年探索，成功具备了第3代高成形性超高强钢淬火延性钢的工业化生产能力。2010年，宝钢全球首发第3代Qamp；P980钢（淬火配分钢）；2013年，全球首发第3代热镀锌Qamp；P980钢。截至目前，宝钢是全球唯一一家实现第3代超高强钢批量稳定供货的企业，也是目前世界上唯一一家同时可以工业化生产第1代、第2代和第3代全系列超高强钢的钢铁企业。
　　鞍钢作为国内主要的汽车钢板供应商，在成功实现传统高强钢（含磷高强钢、低合金高强钢）稳定、批量供货后，又相继开发了以DP钢（双相钢）、TRIP钢（相变诱导塑性钢）、TEIP钢（孪晶诱导塑性钢）、QP钢（淬火配分钢）为代表的先进高强钢，为汽车工业实现节能、轻量化和提高安全性的目标提供技术支持。目前，鞍钢先进高强汽车用钢的研制开发进展顺利，已形成热轧、冷轧和热镀锌汽车用钢的产品系列，不仅在DP钢、TRIP钢等第1代高强度钢和第2代TWIP钢上有所发展和突破，而且针对第3代先进高强钢QP钢种，通过自主研发实现了QP钢的工业化生产。2013年，国内第3代汽车用钢AQP980在鞍钢天铁冷轧薄板公司面世。鞍钢已走在汽车用钢研发的前沿，成为世界钢铁业和汽车制造业瞩目的焦点。现阶段所有高强钢研发工作思路都趋于一个方向，即生成高强的基体组织和足够多的奥氏体，同时奥氏体的稳定性是可控的，而在第3代汽车钢的热处理选择上，通常运用逆相变和正相变两种获得奥氏体相的技术。在合金元素设计时，常采用更多的奥氏体稳定元素，而工艺设计则采用特殊工艺细化基体组织，如通过贝氏体等温淬火工艺得到纳米贝氏体（Nanobainite），通过淬火配分（Qamp；P）工艺得到碳配分的马氏体，通过两相区退火工艺得到中锰钢（MediummanganeseSteels）的超细晶铁素体（UltrafineFerrite）。以中锰钢、淬火延性钢、纳米钢、热冲压钢等为代表的第3代高强度汽车用钢目前都在研发之中。
　　3。1中锰钢
　　中锰钢的显微组织为超细晶铁素体和亚稳态奥氏体，其抗拉强度高但伸长率较差，这主要是由于大部分粗大奥氏体中的锰富集不充分，在随后冷却到室温的过程中转变成了马氏体。退火温度过低时，抗拉强度和加工硬化速率均下降，同时有试验观察到极长的屈服延伸阶段，这主要是由于生成了大量的超细晶铁素体。而采用中间温度退火时，退火组织中出现大量的亚稳态奥氏体，从而使得中锰钢具有高强度和良好的塑性及加工硬化性，在背散射电子成像技术下观察经逆相变处理的中锰钢微观组织结构，随着退火时间（1ms12h）的。延长，奥氏体量逐步增多，可达到33。7。
　　3。2淬火延性钢
　　淬火配分工艺是在带钢发生部分马氏体相变后将其进行等温配分处理，使得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。Qamp；P钢的显微组织为马氏体和残余奥氏体，较低强度级别的Qamp；P钢也含有一定量的铁素体，其为传统加Si的TRIP钢成分。而在同一强度级别，Qamp；P钢与通过贝氏体等温淬火处理得到的无碳贝氏体TRIP钢各有优势。早期Clarke等的研究表明，Qamp；P工艺和贝氏体等温淬火工艺能得到近似的强塑性结合，其性能也在一定范围内相近。同样，TRIP钢可扩展到低强度级别，而通过调整马氏体基体含量的比率，Qamp；P钢也可以扩展到高强度级别。
　　4纳米钢
　　纳米钢公司（NanoSteel）对其开发的纳米结构铁基材料进行了大力宣传。前期的报道曾探讨过采用非晶态（金属玻璃）合金（包括一些超高合金材料）的低温结晶工艺得到纳米晶材料，但其研究近况的技术细节尚未向冶金界披露，因此，评估该思路在汽车用钢大规模生产上的应用仍为时过早。
　　5热冲压钢
　　热冲压钢多采用CMnB的成分体系，主要用于生产一些不易成形的传统高强钢零件，其室温组织为高强度的马氏体。相关的热冲压工艺已确定，但镀层热冲压钢等的研发仍很热门。当采用新一代AHSS方法使得带钢强度达到相近级别（如1500MPa以上）时，冷成形钢将极具竞争力，因此，很难预测热冲压钢的最终发展。值得关注的是，在第3代AHSS研发的推动下，一旦合适的过程控制能力得到实现，同时结合各种热处理新思路，新一代热冲压钢也将得到发展。目前，Qamp；P工艺已经被运用到热冲压工艺的研究中。结果显示，相比传统马氏体组织的热冲压零件，经Qamp；P处理后，其伸长率（断裂前的能量吸收）得到明显改善。此外，有较高Mn含量的合金也能应用于热冲压的研究中。
　　6结束语
　　本文对高强度汽车用钢的发展与现状进行了综述。从传统的第1代高强度汽车用钢CP、DP钢等，为汽车的轻量化做出巨大贡献，并以极快的速度广泛应用于汽车之后，各国对未来更高强度钢板的潜力翘首企盼着，并为开发第2代及第3代高强度汽车用钢做出不懈努力。目前研究较为深入的马氏体钢与Qamp；P钢等成为新一代汽车钢材。虽然对于新一代高强度汽车用钢的研究还未彻底结束，甚至关于该钢种的热物性（热物理性质）参数等方面的基础研究尚属空白而导致连铸关键工艺参数无法确定，但由于未来汽车的需求及环境形势所迫等因素，相信第3代高强度汽车用钢更为深入的研究以及广泛应用将成为必然趋势。