联合研发先进高强汽车钢在国产中档和高档轿车上的应用

李 麟刘仁东

（1.上海大学材料科学与工程学院，上海 200072；2.鞍钢集团钢铁研究院汽车与家电用钢研究所，辽宁鞍山 114009）

联合研发先进高强汽车钢在国产中档和高档轿车上的应用

李 麟1刘仁东2

（1.上海大学材料科学与工程学院，上海 200072；2.鞍钢集团钢铁研究院汽车与家电用钢研究所，辽宁鞍山 114009）

为解决含铝相变塑性钢连铸时堵水口问题，上海大学和鞍钢联合课题组经热力学和动力学计算，成功预测了磷可以替代铝的应变诱发相变作用。与鞍钢经大量试验证实后，在产线上成功生产并应用于一汽奔腾车型上，为其通过国家的C-NCAP碰撞测试并取得优异成绩，作了贡献。课题组依层错热力学计算，设计了具有孪晶诱发塑性＋相变诱发塑性的孪晶塑性钢，并在国际上首创了转炉冶炼高锰钢，生产出的热轧和冷轧孪晶塑性汽车钢，性能国际领先，产品应用在一汽一款重点开发的有极重要用途的高级品牌车上。课题组在国际上首先发现了铝在钢中的热力学数据有严重错误，在纠正了这些错误后通过计算发现铝可大大提高钢中奥氏体含碳量和相变塑性，由此生产的超高强度相变塑性钢，当强度达1 023 MPa时，断后伸长率为22%，这已是目前世界上低合金汽车钢所达最高强塑积。

相变塑性 孪晶塑性 汽车用钢 转炉 热力学

汽车工业是近数十年来发展最快的一种工业，随着汽车制造技术的发展，对汽车用钢板的要求也愈来愈高，其性能提升之快令其他钢种不能望其项背。汽车用钢在短短30余年来，由Mn-Si钢始、进而实现了无间隙原子钢（IF钢）、双相钢（DP钢）、相变诱发塑性钢（TRIP钢）、淬火配分钢（QP钢）及淬火配分回火钢（QPT钢）、马氏体钢（Martensitic钢）、孪晶诱发塑性钢（TWIP钢）、轻质钢（SL钢）等一系列新型钢种的爆发式研发和生产。所覆盖的成分由低合金过渡到高合金，组织由单相组织过渡到复杂的多相组织，强度也从低强度过渡到高强度和超高强度。强化机制由单一的固溶强化而发展成相变强化、亚结构强化、第二相的微调和控制析出强化等。简言之，汽车用钢板已发展成一全新钢种。本文介绍了上海大学和鞍钢集团联合课题组瞄准国际前沿，从基础研究出发并将基础研究成果成功与大生产结合，创新性地联合研发了高性能的含磷相变塑性钢、孪晶塑性＋相变塑性钢和超高强度高塑性相变塑性钢，并成功应用在国产中级和高级汽车上。

1 相变塑性钢的研发及在奔腾汽车上的应用

早在20世纪30年代Wassermann［1］就曾发现在镍的质量分数为50%的Fe-Ni合金中，经相变后该合金的断后伸长率会大幅提高。Zackay［2］等在1967年描述了这种发生在奥氏体钢中的因相变而引起的塑性增长，并将其定义为相变诱发塑性（transformation induced plasticity），简称为TRIP。具有相变塑性的高强钢同时也具有好的塑性，达到了强韧性的很好配合。而同时具备高强度、高塑性是结构材料的非常诱人的性质，所以相变诱发塑性钢（简称相变塑性钢）一当诞生便引起了汽车工业界的关注。相变塑性的工业应用始于高合金钢中，但由于价格昂贵和技术上的一些困难未能大幅推广。在1987年Matsumumura［3］等指出，在0.4%C-1.5%Si-0.8%Mn的低合金钢中也存在相变塑性。该钢中既无昂贵金属，合金Mn含量也少，这就为相变塑性钢在量大面广、对性价比要求甚高的汽车工业的应用开辟了道路。

但Matsumumura［3］等提出了TRIP钢中含有高硅以阻止碳化物析出，而保持高的奥氏体稳定性和相变塑性。高硅的相变塑性钢极易在表面形成附着力极强的氧化物，称之谓“红锈”，使钢的镀覆性能大大下降。De Meyer等［4］因此提出了以铝代硅制造可被热镀锌的相变塑性钢。继De Meyer等［4］之后，含较高铝的相变塑性钢投入了生产。但由于较高铝的加入，依当时的冶金技术，在连铸时易析出氧化铝堵水口而不能正常生产。这使得国际上对相变塑性钢研发的兴趣大减，并影响到企业对相变塑性钢的开发。上海大学和鞍钢联合课题组［5］在研制新型590、780 MPa级相变塑性钢时，从设计成分开始便注意避开传统的相变塑性钢因硅量高而焊接性能差和表面质量不合格热镀锌性能差的欠缺，将硅量大大降低。在降低硅量的同时，为防止渗碳体析出而降低残奥稳定性，添加了可显著提高碳在渗碳体中活度系数的磷。磷一方面有阻止渗碳体析出并降低析出动力学的长处，但另一方面较高含量的磷在晶界的偏聚也会形成冷脆，引起性能下降。因此需通过偏聚热力学和动力学计算，来估算磷偏聚的可能。上海大学和鞍钢联合课题组成员［5］曾在平衡偏聚理论创始人Guttmann［6］三元系平衡偏聚热力学的基础上导出了适用于复杂钢铁材料的多元系偏聚热力学［7－8］，用此计算以磷代硅，发现会发生磷的晶界偏聚。由于在实际生产时，在易产生偏聚的温度下等温时间很短，钢内各元素远未达平衡，因此用Mclean［9］的动力学方程估算在实际工况下磷元素的偏聚量，得到其在晶界上的摩尔分数约为0.051%，此值很小，所以含磷相变塑性钢经短时热处理不会引起回火脆。经双方在不同地点的大量试验验证后，此钢在鞍钢集团的产线上投入了生产，彻底解决了连铸时堵水口的严重生产问题。其产品在日本丰田汽车集团的试验基地进行冷脆试验，结果显示即使在－60℃下冲击，也毫无冷脆发生。由此进行了国际上独创的含磷相变塑性钢的生产。由于将原来作为杂质处理的磷用为合金元素，该钢价格大为下降。鞍钢生产的TRIP钢成功应用于国产奔腾中档轿车上的侧围加强板等安全件和结构件上，该车在C-NCAP碰撞评价中取得优异的成绩。

2 孪晶塑性＋相变塑性钢的研发及在红旗轿车上的应用

Frommeyer［10］和Grassel［11］等在21世纪初发现高锰钢具有好的成型性、中等的抗拉强度（约600 MPa）和极高的断后伸长率（大于80%）［10－11］。该钢极高的塑性来自孪晶诱发塑性，孪晶的形成改变了晶体的位向，使原本受阻的滑移系重新开动，孪生与滑移的交替进行，使材料塑性大增，故称为孪晶塑性钢。对目前高档汽车用材而言，Frommeyer等［10－11］提出的孪晶塑性钢的强度600 MPa还偏低甚多。为此重新设计其合金成分和工艺，使其既具有孪晶塑性，又可引入相变来增高强度，使抗拉强度达到1 000 MPa以上，以满足高档汽车的需求。

著名物理冶金学家Olson和Cohen［12］指出，可用以下的热力学模型计算层错能：

式中，γSF为层错能值，ρA为面心立方晶体面密度，ΔGγ→ε为γ→ε相变躯动力，σγ→ε为相界面结合力。

应用Allain等［13］和Dumay［14］给出的热力学参数计算，进行了材料成分设计。设计前研究了大量文献，将以往各作者的工作进行了总结，得出：层错能＜12 mJ／m2易诱发马氏体相变，层错能＞18 mJ／m2时易产生孪晶，只有当层错能为12～18 mJ／m2时，既能产生孪晶，又可诱发马氏体相变。因此调整所设计的孪晶塑性＋相变塑性钢中的Mn、Si、C、Al的质量分数，既要尽量少地应用合金元素以降低成本，又要使其层错能数值保持在12～18 mJ／m2范围内。对Fe-Mn-Si-C系的计算结果如图1所示。可见对于Fe-18Mn-0.3Si-C系统，碳质量分数范围为0.44%～0.6%时，奥氏体层错能为12～18 mJ／m2，有望诱发ε-马氏体相变以提高强度。中试完成后，在上海大学和鞍钢集团又进行了大量应用性能试验如高强钢的延迟断裂，异、同种高强钢材的焊接性能等。由于此类性能在材料设计的初始阶段已予充分考虑，故应用性能均佳。

图1 Fe-Mn-Si-C系层错能估算结果Fig.1 Calculated stake fault energy of Fe-Mn-Si-C system

图2 采用自主研发数据库计算的Fe-Mn-Al-C钢和Fe-Mn-C钢的相图Fig.2 Phase diagrams of Fe-Mn-Al-C and Fe-Mn-C calculated with self-made database

经验证后上述孪晶塑性＋相变塑性钢在鞍钢集团投入大生产。由于高锰钢导热性很差且粘滞性极强，铸造时难度很大。鞍钢集团不但克服了这些困难还在国际上首创了转炉生产，这比国外钢厂浦项等采用的电炉生产可大为节省能耗和大大降低钢材价格，但控制技术难得多。生产的热轧孪晶塑性＋相变塑性钢的抗拉强度达1 000 MPa，断后伸长率达60%～70%。冷轧孪晶塑性＋相变塑性钢的抗拉强度达1 085 MPa，断后伸长率达80%，强塑积达86 800 MPa%，此值是冷轧钢板世界顶尖水平。因为鞍钢生产的孪晶塑性＋相变塑性钢优异的力学性能，产品应用在一汽一款重点开发的有极重要用途的高级品牌车的安全件和结构件上，取得良好的安全效果。

3 超高强高塑性相变塑性钢的研发

相变塑性钢投入生产后，当其强度达980～1 000 MPa时，断后伸长率总较低，且无兼具高强度高塑性的特点，例如韩国的浦项钢厂，当强度达980 MPa时，断后伸长率也仅为14%。但课题组成员在研究含铝相变塑性钢时首先在国际上发现［15］，目前所用的铝在钢中的热力学数据全是错误的，并推出了新的铝在钢中的热力学数据［16］，依这些数据计算所得相图揭示（如图2所示）：在Fe-1.5%Mn-0.2%C钢中若加入1.2%Al，在780℃等温时，钢中奥氏体碳的质量分数将由0.29%增大至0.76%，这样就大大增加了奥氏体的稳定性和通过相变诱发塑性的能力。

因在目前技术条件下，含铝量为1%Al钢的冶炼已不再是难题。依上述所发现的原理，上海大学和鞍钢集团联合研发了低合金的含铝相变塑性钢。不需特殊设备条件，在普通连退线上生产的低合金相变塑性钢，当强度为1 023 MPa时，断后伸长率为22%，比代表国际先进水平的浦项钢厂同类产品的断后伸长率14%高出了50%，已为当前国际上超高强度低合金汽车用钢的最好性能。

4 总结

上海大学和鞍钢集团联合攻关，始终奉行创新精神，瞄准国际顶尖水平，将基础研究和现代化大生产有机结合，攻克了重重技术难关，历时十余年，终于研制出一系列先进汽车用高强钢，达到世界领先水平。这些钢种被成功应用在国产中档和高档汽车上，为轻量化作出实际的贡献。

致谢：

本文受973项目（2010CB630802）、国家自然科学基金（50934011）和鞍钢集团资助，谨此致谢！

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收修改稿日期：2016-05-06

Application of Advanced High Strength Steel in Middle and High Grade Automobiles by Cooperative Development

Li Lin1Liu Rendong2
（1.School of Materials Science and Engineering，Shanghai University，Shanghai200072，China；2.Automobile＆Home Appliance Steel Institute，Iron＆Steel Research Institute of Ansteel Group，Anshan Liaoning 114009，China）

In order to prevent clogging in the continuous casting process for TRIP steel containing Al at the end of 1900’s，P which exhibits the function of inducing phase transformation，was proved to be the successful substitute for Al after thermodynamic and kinetic calculation by SU and Ansteel.The TRIP steel containing Pwasmanufactured in Ansteel and assembled in“benteng”car which

the first class prize in China C-NCAP contest.Based on stake fault energy calculation，new type of TWIP steelwith both TWIP＋TRIP effectwas designed.This steelwas firstly manufactured in converter in the worldwide scope and its products including hot rolling sheet and cold rolling sheetwere used in themost luxury mode automobile for their superiormechanical properties.Big error of thermodynamic database of Al in steel，which has ever been adopted worldwide，was discovered and new databasewas obtained through optimization.Impressive functions of Al to increase carbon content in austenite soaking in the two phase field and to enhance the TRIP effect were then found after calculation of the steelwith the new database.Based on the discovery stated above，TRIP steelwith extra high strength 1 023 MPa and high elongation rate 22%，reaching the highestquality of low alloy automobile steel，was successfully produced in Ansteel plant.

TRIP，TWIP，automobile sheet steel，converter，thermodynamics

973项目（No.2010CB630802）、国家自然科学基金（No.50934011）

李麟，男，教授，从事汽车钢研发和材料热力学研究