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来源 |《汽车材料与工艺》
作者 |罗荣建、杨可、刘国军、戚文、于婷、徐虹
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摘要：汽车轻量化给汽车用钢带来新的挑战，各国都对高强度薄钢板应用于车身予以足够的重视并展开深入研究。对高强度钢板的发展进行了简要的说明，介绍了从 20 世纪 70 年代开始陆续开发出来的强度高、力学性能优良且可塑性强的各种高强度钢板。同时还介绍了正在探索的第 3 代高强度汽车用钢 Q&P 钢。
关键词：汽车轻量化第3代高强度钢Q&P钢
1、引言
近年来世界汽车保有量不断增加，它以越来越大的影响力对人们的工作与生活进行着改变。与此同时，能源短缺、环境污染等一系列问题也越来越突出。轻型、节能、环保、安全舒适、低成本等这些方面成为各汽车制造厂商所追求的目标，并且节能减排已经成为世界汽车工业界急需解决的问题。国内外汽车厂家采取了一系列措施，其中一个较为有效的措施是让汽车自身的质量减轻，也就是实现汽车轻量化。
资料显示，车身用高强度钢板的厚度从 1.0 ～ 1.2mm 减薄到 0.7 ～ 0.8mm 时，车身质量能减轻 15% ～ 20%，还能节油 8% ～ 15%。所以，提高钢材强度并减薄钢板厚度，成为汽车轻量化的合理途径以及不可阻挡的应用趋势。普通大众消费的乘用车中，高强度钢的应用呈现出飞跃发展的态势，具体情况在表 1 中有体现，其应用比例从 30%增加到了 60%。先进高强钢和超高强钢每 5 年大约能提高 5%。而铝合金在车身中的应用比例，与高强度钢板相比要小很多。相关专业人士对 2015 年车身用钢的情况进行了预测，各种钢的用钢比例如图 1 所示。
表1 普通大众消费的乘用车高强度钢板的应用比例
2、高强度汽车用钢的发展
汽车为满足车身轻量化要求而推动了高强度钢板的开发。20 世纪 70 年代开发出了固溶强化钢等钢种。还开发出了析出强化钢等钢种。也开发出了复合组织强化钢（DP 钢、CP 钢）等钢种。这些钢种的开发主要以提高强度为目的。对材料的成形性研究较少。对相关冲压技术的研究也较少。所以这些钢种的用途受到了限制。80 年代后期起，美国率先推出 CAEE 规定。此规定进一步提高了对汽车轻量化的要求。为此，开发出以组织调控为特点的高强度钢板并使其实用化。主要产品包含：固溶强化型极低碳 IF 深冲用钢板，其拉伸强度 TS 为 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，其拉伸强度 TS 为 590～980 MPa 等。这些钢板具备强度高的特点。同时钢材强度表，它大幅提升了加工性能。并且，对于高强度钢板在车身方面的研究正变得越来越广泛。
图1 2015年车身用钢材构成比列预测
1994 年，美国钢铁协会发出呼吁。国际钢铁协会随即成立了 ULSAB（Ultra Light Steel Auto Body）项目组，该项目组由 18 个国家的 35 家钢铁公司组成。其目的是运用当时最为先进的技术，在不提升成本的情况下，维持车身的功能与抗冲击安全性，同时减轻车身的质量。该项目中汽车车身使用的高强度钢与超高强度钢的比例超过 90%。1998 年 3 月，钢铁企业开始在全球实施 ULSAB - AVC 计划，这是先进的汽车概念项目。通过该计划，从整体上对新一代钢铁材料汽车结构（包括车身、覆盖件和悬架件等）进行研究开发，为之后新一代高强度钢板的研究推进贡献巨大。
2007 年，美国科学家率先提出开发第 3 代高强度汽车钢。这类钢材的性能处于第 1 代和第 2 代高强钢之间，成本也在两者之间。它的强度很高，并且可塑性很强。在工业制造方面有进展，在试验研究方向也有进展。目前，国内外对第 3 代高强度钢的研究在持续深入。在不同方面有创新之举或有新的发现。其中，集成计算材料工程（ICME）取得了最新的进展，具备能够加速最佳先进材料开发的可能性。这些材料包含含有大量残余奥氏体的 TRIP-TWIP 钢，它们有可能作为第 3 代钢而被应用。这种方法利用了集成计算材料工程，并且已经应用到多尺度模型计算中。然而，到目前为止，它还没有应用到钢铁领域。美国能源部新批准了 600 万美元，用于资助一个创新联盟。这个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。该项目会包含开发计算模型工具，还会对轻量化、安全且燃油经济性更好的汽车用钢进行优化。总之，新一代高强度钢板在深入研发以及应用方面的前景非常广阔。
3、第3代高强度汽车用钢简介及国内外研究状况
马氏体钢（MART）的强度范围在 500～1600 MPa 之间，具有较低的平面各向异性等优点，在汽车上广泛应用，被称为第 1 代高强度汽车用钢，其微观组织如图 2 所示。
第 1 代高强度汽车用钢的低强塑积（R m×A）在 5 到 15 GPa%之间。其奥氏体含量比较低，不足 15%。DP 钢的微观组织由铁素体和马氏体构成。TRIP 钢的成分包含铁素体、贝氏体以及残余奥氏体。马氏体是经由高温奥氏体组织进行快速淬火后转变而成的。2007 年，阿赛洛等钢铁厂家开展了具有诱导塑性的轻量化钢（L-IP）的研究。室温下，这些钢种的组织是稳定的残余奥氏体。当施加一定的外部载荷后，因为应变诱导，会出现机械孪晶。这样就会产生较大的无颈缩延伸。所以它们显示出优异的力学性能、高应变硬化率，并且具有极高塑性（60%～90%）和较高强度（600～1000 MPa）。它们被称为第 2 代高强度汽车用钢[6]。该钢的高强塑积介于 50～60 GPa%范围。其微观组织如图 3 所示。第二代高强度汽车用钢 TWIP 钢的组织是奥氏体。在变形期间，它会发生机械孪晶现象。并且通过这种机械孪晶能够诱导塑性。正是因为有了这些，才保证了优良的塑性。
图2 第1代高强度汽车用钢微观组织
图3 第2代高强度汽车用钢TWIP钢的微观组织
第 3 代先进高强度汽车用钢具备第 1 代和第 2 代高强度汽车用钢微观组织的特点。它首先具有高强特点的 BCC 相，同时还有较高组分的具有高强化特性的 FCC 相，形成复合组织，也就是具备 BCC+FCC 的复合组织（图 4）。并且充分利用晶粒细化、固溶强化、析出强化以及位错强化等手段来提升其强度，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和成形性能。
我国国内在第 3 代高强度汽车用钢的研究方面处于国际领先地位。北京科技大学新金属材料国家重点实验室较早地开展了对第 3 代高强度汽车用钢的研究。
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”的资助下，开始了第 3 代先进汽车用钢的研究工作。以动态相变的热轧低合金 TRIP 钢技术为基础，进行合金成分设计和工艺优化。通过添加微合金化元素或者调整 Mn、Si 的含量，成功获得了力学性能指标处于第 3 代先进汽车用钢范围内的细晶 TRIP 钢。
图4 第3代先进高强度汽车用钢的组织为BCC+FCC
宝钢在 2002 年开始进行超高强钢的研制开发工作。经过 10 年的探索，成功地具备了第 3 代高成形性超高强钢，也就是淬火延性钢的工业化生产能力。2010 年，宝钢在全球率先推出第 3 代 Q&P980 钢（淬火配分钢）。2013 年，宝钢在全球率先推出第 3 代热镀锌 Q&P980 钢[8]。宝钢截至目前是全球唯一一家能够实现第 3 代超高强钢批量稳定供货的企业。同时，宝钢也是目前世界上唯一一家能够同时进行工业化生产第 1 代、第 2 代和第 3 代全系列超高强钢的钢铁企业。
鞍钢是国内主要的汽车钢板供应商。它成功实现了传统高强钢（含磷高强钢、低合金高强钢）的稳定且批量供货。之后，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。这些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了技术支撑。目前，鞍钢先进高强汽车用钢的研制开发进展较为顺利。它已经形成了热轧、冷轧和热镀锌等汽车用钢的产品系列。在 DP 钢、TRIP 钢等第 1 代高强度钢以及第 2 代 TWIP 钢方面有了发展和突破。并且针对第 3 代先进高强钢 QP 钢种，通过自主研发成功实现了 QP 钢的工业化生产。2013 年，国内第 3 代汽车用钢开始面世。鞍钢已经处于汽车用钢研发的领先地位，成为世界钢铁业以及汽车制造业都极为关注的焦点。
现阶段所有高强钢的研发工作思路趋向于一个方向。这个方向是生成高强的基体组织以及足够多的奥氏体。并且奥氏体的稳定性是可以控制的。在第 3 代汽车钢的热处理选择方面，通常会运用逆相变和正相变这两种获得奥氏体相的技术。如图 5 所示。在进行合金元素设计时，常常会运用较多的奥氏体稳定元素。而在工艺设计方面，会采用特殊工艺来细化基体组织，例如通过贝氏体等温淬火工艺，能够获得纳米贝氏体；通过淬火 - 配分（Q&P）工艺，可以得到碳配分的马氏体；通过两相区退火工艺，能够得到中锰钢（- ）的超细晶铁素体（Ultra - fine ）。第 3 代高强度汽车用钢目前都在研发之中，其中包括以中锰钢为代表的这类钢，以淬火延性钢为代表的这类钢，以纳米钢为代表的这类钢，以及以热冲压钢为代表的这类钢。
图5 第3代汽车用钢热处理获得奥氏体的选择
3.1 中锰钢
中锰钢的显微组织包含超细晶铁素体和亚稳态奥氏体（如图 6 所示）。这种钢的抗拉强度较高，但伸长率较差。其原因主要是大部分粗大奥氏体中的锰富集不够充分，在随后冷却至室温的过程中转变为了马氏体。当退火温度过低时，抗拉强度和加工硬化速率都会下降。同时，有试验观察到存在极长的屈服延伸阶段，这主要是因为生成了大量的超细晶铁素体。采用中间温度退火时，退火组织中会出现大量的亚稳态奥氏体。这使得中锰钢具备高强度以及良好的塑性和加工硬化性（如图 7 所示）。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，会发现随着退火时间（1ms 至 12h）的不断延长，奥氏体的量逐渐增多，能够达到 33.7%。
图6 逆相变得到的/中锰钢超细双相结构
图7 逆相变退火时间对中锰钢微观组织结构的影响
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之后，对其进行等温配分处理。这样能使碳元素从马氏体扩散到未转变的奥氏体中，进而提高奥氏体的稳定性。Q&P 钢的显微组织包含马氏体和残余奥氏体，较低强度级别的 Q&P 钢含有一定量的铁素体，它属于传统加 Si 的 TRIP 钢成分。在同一强度级别下，Q&P 钢与经贝氏体等温淬火处理得到的无碳贝氏体 TRIP 钢各有其优势。早期的研究显示，Q&P 工艺和贝氏体等温淬火工艺能够获得近似的强塑性结合，它们的性能在一定范围内较为相近。同时，TRIP 钢能够扩展到低强度级别，而通过对马氏体基体含量比率进行调整，Q&P 钢也可以扩展到高强度级别。
4、纳米钢
纳米钢公司对其开发的纳米结构铁基材料进行了大力宣传。前期报道探讨过用非晶态（金属玻璃）合金（包含一些超高合金材料）的低温结晶工艺来获得纳米晶材料。但其研究近况的技术细节尚未向冶金界披露。所以，评估该思路在汽车用钢大规模生产上的应用还为时过早。
5、热冲压钢
热冲压钢常采用 C-Mn-B 的成分体系，主要用来生产一些难以成形的传统高强钢零件，其室温组织是高强度的马氏体。相关的热冲压工艺已经确定下来，然而镀层热冲压钢等方面的研发依然很热门。当运用新一代 AHSS 方法使带钢强度达到相近级别（比如 以上）时，冷成形钢会极具竞争力，所以，很难对热冲压钢的最终发展进行预测。值得关注的是钢材强度表，第 3 代 AHSS 得到研发并推动了相关进程。一旦合适的过程控制能力得以实现，并且结合各种热处理新思路，新一代热冲压钢就会得到发展。目前，Q&P 工艺已被应用于热冲压工艺的研究。结果表明，与传统马氏体组织的热冲压零件相比，经过 Q&P 处理后，其伸长率（断裂前的能量吸收）有了明显的改善。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
本文综述了高强度汽车用钢的发展与现状。传统的第 1 代高强度汽车用钢 CP、DP 钢等，为汽车轻量化作出了巨大贡献，且以极快速度在汽车领域广泛应用。各国对未来更高强度钢板的潜力满怀期待，并且为开发第 2 代及第 3 代高强度汽车用钢而不懈努力。目前，研究较为深入的马氏体钢与 Q&P 钢等成为新一代汽车钢材。新一代高强度汽车用钢的研究尚未彻底结束。关于该钢种的热物性参数等方面的基础研究尚属空白，这导致连铸关键工艺参数无法确定。然而，由于未来汽车的需求以及环境形势所迫等因素，相信第 3 代高强度汽车用钢会进行更为深入的研究，并且其广泛应用将成为必然趋势。
来源 |《汽车材料与工艺》
作者 |罗荣建、杨可、刘国军、戚文、于婷、徐虹
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