北京科技大学通用钢铁技术协同创新中心
十周年技术成果专题报告
在“节能、低排放、高安全、长寿命”日益严格的标准下，迫切需要开发高性能汽车用钢以实现轻量化。同时，高端用户对汽车用钢产品的表面质量、尺寸精度、性能稳定性和均匀性有着严格的要求。针对上述需求，北京科技大学赵正智教授团队开展了高性能汽车用钢的成分优化设计和显微组织控制研究，明确了微合金元素的作用机理和平衡原理，并揭示了高性能汽车用钢的强韧化机理及强化作用。塑化机理解决了高性能汽车用钢稳定批量生产、成型及应用服务的技术难题，实现了高性能汽车用钢系列化的开发与应用。相关研究成果获省部级一等奖3项、二等奖3项。本文将介绍主要研究及进展。
一
高成形性汽车用钢强化塑化机理研究及应用
1.1 高强度塑钢
双相钢、复相钢等先进高强度钢已在汽车上得到广泛应用，但其成形性能有待进一步提高。当前汽车用钢的研究重点是探索新的结构设计、技术路线和相关理论，以获得更高强度、高成形性和高性价比的高强度塑性沉积汽车用钢，从而赋予冲压件更好的成形性和安全性。具有较高能量吸收或防碰撞变形的功能，满足汽车行业技术进步的需求。调质配分钢（Q&P钢）实现了材料强度与塑性的合理结合，但也面临着成分改进、组织控制、工艺优化等诸多挑战。该团队系统研究了残余奥氏体的稳定性和机理，明确了Si、Al元素对Q&P钢组织性能的影响钢材抗拉强度图，开发了一系列低合金成分体系的高性能Q&P钢，采用原位技术配合亚衍射揭示了Q&P钢的晶格应变演化规律和变形机制，指导高性能Q&P钢的开发和应用，见图1。
1.2 增强成形性的双相钢
随着强度的增加，高强度钢的成形性能下降。双相钢应用广泛，但仍存在难以成形许多高延展性零件的问题。难以满足汽车设计中复杂冲压结构件的要求钢材抗拉强度图，导致冲压裂纹严重。德国汽车工业协会和奔驰提出开发增强成形性双相钢（DH钢），具有良好的经济适用性和广阔的应用前景。研究团队基于DH钢高强度、高成形性的技术要求，与企业合作，通过成分和组织的优化设计、优化控制，实现了590级DH钢系列产品的开发和强化成形性控制。工艺参数。公司研发的DH钢系列产品满足奔驰、宝马、一汽、北汽等高端客户的严格要求，并已成功应用于车门内板加强板、B柱内板、前围板、前地板中央通道等部件（见图2），实现单件减重12.5%-20%。
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二
超高强钢强化机理及性能控制研究
2.1 超高强塑性热成型钢性能控制技术
汽车轻量化技术的发展和日益严格的碰撞法规对热冲压件的使用要求越来越高。但传统热成型钢材及零件塑性韧性低、冲击能量吸收效果差、延迟开裂风险高。如果进一步提高强可塑性，可以达到更大的轻量化效果。因此，有必要开发使用性能更好的超高强度塑性热成型钢，以满足日益增长的技术需求。该团队的研究发现，超高强度热成型钢的主要强化机制是高位错密度的位错型马氏体产生的位错强化。因此，研究团队适当增加了C和Cr元素的含量，以确保试验钢具有超高强度和优异的淬透性。同时，研究团队添加了Nb和V等微合金元素，以细化组织和pin位错。提高试验钢的强度和塑性。通过热成型钢的成分设计和组织性能控制，开发出具有高抗拉强度、高屈服强度、总伸长率达8.4%、淬透性优良的超高强度热成型钢，可与目前的商业等级。与热成型钢相比，强度和塑性都有显着提高，见图3。
2.2 抗氧化热成型钢的研究与开发
以铝硅镀层和锌基镀层作为保护层的钢板可以有效避免热成型过程中的表面氧化，但存在焊接困难、氢脆风险高、生产成本高等问题。因此，发展无抗氧化涂层热成型钢是未来发展的一个重要方向。团队研究发现，Si元素在低氧分压条件下更容易氧化，在基体界面形成超薄合金氧化层，与Cr、Mn的氧化物配合，阻碍外部O向内扩散离子和基质铁离子的向外扩散。扩散。 Mo元素的添加提高了抗氧化能力。各种抗氧化元素和合金氧化产物有效阻碍氧化铁皮的继续生长，进一步提高超高强热成型钢的高温抗氧化性能。基于“高Cr、高Si+Mo元素”成分体系，实现了抗氧化超高强度热成型钢的研发。抗氧化热成型钢在900℃保温过程中形成平均厚度约0.6μm的超薄氧化层，远小于钢材，显着提高热成型钢的抗氧化和耐腐蚀性能。 -型钢。
2.3 氢脆机理研究及应用
氢致延迟断裂现象是制约汽车用超高强钢开发和应用的技术瓶颈，且强度等级越高，氢脆敏感性越严重。由于氢原子质量小且容易迁移，利用常规技术手段很难确定氢在材料中的精确位置，这使得对氢与材料结构相对关系的表征极为缺乏。团队与国内外专家学者合作，利用氘同位素标记和低温转移原子探针技术，成功表征分析了钢中位错、晶界、析出相与氢原子的对应关系，为研发提供指导抗氢脆钢。相关成果发表在美国著名期刊《》上。在此基础上，通过氢渗透、慢应变速率拉伸和氢热分析试验，研究了热成型钢的氢致延迟开裂行为，揭示了超高强热成型钢中位错、析出物和氢原子三个因素。 -型钢。他们之间的互动机制。 Nb、V微合金元素与C形成纳米级析出物，细化组织，增大晶界面积，提高氢原子分布的均匀性。钉扎位错阻碍“氢位错科里奥利气体团簇”的运动并阻止氢原子的位错。快速扩散作为不可逆的氢陷阱，直接束缚氢原子的扩散和聚集，赋予热成型钢高塑性和优异的抗氢致延迟开裂性能。基于上述氢阱设计新思路，实现了抗氢脆超高强度热成型钢的研发。
三
轻质高强钢强塑性协同控制技术
在轻量化汽车用钢方面，研究团队基于“高强减薄+低密度”的双轻量化材料设计思路，明确了Al元素添加及含量控制对汽车钢相变行为及显微组织形貌控制的影响。根据该规律，揭示了轻质钢的强化机理和成形性增强原理，开发了不同Al含量的高成形性超高强轻质钢。高Al含量导致轻质钢中存在大量δ铁素体和奥氏体热稳定性低，其强塑性权衡是一个重大挑战。研究小组的研究发现，NbVMo轻质钢不仅可以因其超细结构和良好的应变均匀性而降低应力集中对δ铁素体变形的影响，而且还可以作为延迟残余奥氏体相变的屏障。 。因此，研究团队结合成分设计和工艺优化控制，构建了含有大量双峰分布的残余奥氏体、较高位错密度积累和应变诱发纳米颗粒析出的多尺度异质显微组织，有效提高了提高了轻钢的综合性能，实现轻钢抗拉强度~1.2GPa、总伸长率~40%的优异强塑性匹配。
（北京科技大学钢铁共性技术协同创新中心先进金属材料研究所副所长 赵正志）
《世界金属导报》
2024年第47期B01
