高强度汽车用钢发展与第3代汽车高强度钢的探究

　　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1.0 1.2 mm 车身用高强度钢板减薄至0.7 0.8 mm，车身质量可减轻15% 20%，可节油8% 15%。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TS=340 440 MPa)、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TS =590 980 MPa)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(Ultra Light Steel Auto Body)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ULSAB-AVC 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TRIP-TWIP 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(A/SP)、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500 1 600 MPa，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5 15 GPa%，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(L-IP)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(60% 90%)和较高强度(600 1 000 MPa)，被称为第2代高强度汽车用钢，该钢高强塑积介于50 60 GPa%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BCC+FCC 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QP980钢(淬火配分钢);2013年，全球首发第3 代热镀锌QP980 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(QP)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(Medium-manganeseSteels)的超细晶铁素体(Ultra-fine Ferrite)。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(1ms 12h)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。QP钢的显微组织为马氏体和残余奥氏体，较低强度级别的QP 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，QP 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，QP 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，QP 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C-Mn-B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1 500 MPa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，QP 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QP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QP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。