汽车钢近年来的发展、问题、处理和展望

姜 沪 李 麟 何燕霖 史 文 张 梅

(上海大学材料科学与工程学院，上海 200072)

汽车钢近年来的发展、问题、处理和展望

姜 沪 李 麟 何燕霖 史 文 张 梅

(上海大学材料科学与工程学院，上海 200072)

依时间进程回顾了汽车用高强钢由低端向高端的发展过程。对一些常用高强钢如双相钢、相变塑性钢等，在生产或应用中的问题作了叙述并介绍了处理措施；对孪晶塑性钢，中锰钢的优缺点作了分析。总结了热成形钢和淬火-配分的思路，并提出了汽车钢的研发的可能方向。

汽车用高强钢 发展 问题 处理措施 研发方向

由于汽车用钢板近年来的爆发性的高速发展，出现了许多新的钢种，力学性能不断提升，加工工艺也日益精准和复杂，下一步面临的挑战和机遇在何处呢？

1 第一代汽车钢和第二代汽车钢

由于20世纪70年代出现的石油危机，油价高涨。为减少油耗，降低车重是不错的选择，于是开始了以高强度钢替代软钢的轻量化工作。但对高强钢并无确定定义，一般认为屈服強度在210 MPa以上即为高强钢。早期的工作在于研发HSLA(高强度低合金)钢，在此阶段国内生产了不少这类高强钢，如Mn钢、Si-V钢、Mn-RE钢、Ti钢、Nb钢和Mn-V钢，见于表1[1]。除此外，也还有含磷钢、烘烤硬化钢、硼钢等，这些钢种构成了高强度低合金钢序列[1]。HSLA钢比软钢有高得多的强度，在汽车轻量化前期阶段起到了很大作用。在2001年，由32个大钢铁集团组成了汽车钢合作伙伴，出资设立ULSAB 和 ULSAB-AVC项目[2]，由保时捷公司组织进行了轻量化钢车身的设计。根据该设计汽车可减重20%，制造成本降10%。ULSAB 和 ULSAB-AVC项目所选钢材如图1所示[2]。在此工作中，为达到设计时确定的减重目标，仅应用HSLA钢已不敷所求，于是大量引入了不同强度级别的DP(双相)钢(见图1)。该钢种具有很高的强度与好的成形性，在汽车行业，尤其是欧洲一些车企，受到很大关注。其典型成分见于表2[3]。1987年Matsumumura等[4]指出，在低合金钢中存在着相变诱发塑性(TRIP)。如将相变诱发塑性引入到汽车钢，可使该钢同时具有高强度高塑性，并称此钢为TRIP(相变塑性)钢。在同等强度时，相变塑性钢的断后伸长率可比双相钢高5%～10%[5]，因此具有高强度高塑性的TRIP钢也开始应用作车身结构件(见图1)。

Matsumumura等[4]提出的TRIP钢成分为：C～0.4%，Mn～1.5%，Si～1.5%。为保持较低碳当量以便于焊接和加工，一般将碳的质量分数降至0.2%～0.3%。含较高的锰量有利于保持奥氏体的稳定性。很高的硅量可抑制渗碳体的析出、奥氏体中碳含量的降低和随之而引起的相变塑性降低。但该钢中大量存在的硅易与氧反应生成二氧化硅附着于钢板表面形成所谓的“红锈”而使热镀锌难以进行。为解决可镀性问题，Meyer等[5]首先研究了以铝代硅制作相变塑性钢并成功在阿赛罗集团、蒂森集团生产。当时较为通用的相变塑性钢的成分见表3[6]。但该钢中[5]高达1%(质量分数，下同)以上的铝，在板坯连铸时需高度注意，操作不当时过高的铝含量会生成大量氧化铝夹杂于钢中并造成水口堵塞。仅由于这一原因，含铝相变塑性钢的推广应用在瑞典等一些国家时遭遇困难。为改进这方面不足，之后有以磷代硅和低硅的相变塑性钢进行了生产[7]。但当TRIP钢的强度达980 MPa时，各厂生产的TRIP钢断后伸长率均差强人意，在浦项集团的产品目录上，该级别钢的断后伸长率为14%，这也是TRIP钢的欠缺之处。

表1国产高强度低合金汽车钢板种类[1]
Table 1 Types of HSLA steels produced in domestic plants[1]

图1 ULSAB 和 ULSAB-AVC项目 选用材料图[2]Fig.1 Materials used in ULSAB and ULSAB-AVC projects [2]

表2 DP钢典型化学成分[3](质量分数)Table 2 Standard composition of DP steel [3](mass fraction) %

表3 数种相变塑性钢成分(质量分数)[6]Table 3 Compositions of several TRIP steels (mass fraction)[6] %

相比较HSLA钢，DP和TRIP钢的力学性能更好些(见图1和表1)，减重的效果更好一些。所以有时将HSLA钢等称为第一代汽车钢(或conventional steel)，而DP钢和TRIP钢等称为第二代汽车钢。汽车钢的性能与分类见图2[8]。

图2 汽车钢的性能及分类[8]Fig.2 Grade and performance of automotive steel [8]

2 对第二代汽车钢的改进

DP钢有高的抗拉强度和好的断后伸长率(见图2)，但此钢的延伸凸缘性能欠佳，即扩孔率不高。在制造需有高扩孔率的工件时，采用CP(复相)钢较为有利。 该钢的F+B+M和F+B组织比DP钢的F+M组织有更好的延伸凸缘性能。特别是F+B+M复相组织，其相对于F+M组织来说抗拉强度下降, 但具有与F+M钢相近的TS×EL综合性能。由于其保留了一定数量的马氏体, 所以具有F+M双相钢的一些优良特征，同时贝氏体的加入大大提高了总断后伸长率，降低了二相硬度比，使其具有更好的延伸凸缘性能。典型的CP钢成分示于表4[9]，热处理工艺如图3所示[9]。高的二相区等温温度使奥氏体具有低的含碳量，后期所得贝氏体和马氏体硬度也低，有利于扩孔。

表4 典型CP钢成分(质量分数)[9]Table 4 Composition of the CP steel (mass fraction)[9] %

图3 CP钢热处理工艺图[9]Fig.3 Schematic of heat treatment process for CP steel [9]

目前DP、CP、TRIP已构成了汽车用高强钢的主要范畴。但随着对环保越来越严格的要求，车企对汽车钢的要求不断提升。Grassel 和 Frommeyer等[10-11]提出高锰的孪晶诱发塑性(TWIP)钢，钢中锰的质量分数高达15%～33%，在承载时由其形变孪晶诱发塑性，当抗拉强度为600 MPa时，断后伸长率可达60%以上。至此，用于汽车重要结构件的材料进入高合金钢范畴。熊荣刚等研究的不同成分的TWIP钢见表5[12]，其力学性能见表6[12]。可见调整成分可获得不同性能。

表5 TWIP用钢化学成分(质量分数)[12]Table 5 Composition of test TWIP (mass fraction)[12] %

表6 5组试样的最大真应力和最大真应变[12]Table 6 Max true stress and true strain of five steels [12]

黎倩等[13]探讨了不同成分TWIP钢的强化机制，认为Fe-15Mn-3Si-3Al钢的塑性增长机制主要是相变诱发的TRIP效应；Fe-25Mn-3Si-3Al钢主要的塑性增长机制是孪晶诱发的TWIP效应[13]。资料[14]在层错热力学计算基础上设计了新型TRIP+TWIP钢，使其同时具有超高强度和超高塑性，与鞍钢集团合作生产了此钢并应用于高档汽车上。该钢当强度为1 080 MPa时，断后伸长率为80%。

由于TWIP钢合金含量高，用作汽车钢后成本亦高。这成为阻碍TWIP钢发展的重要原因。于是有作者提出中锰钢(锰的质量分数为3%～12%)作高强度高塑性汽车钢[15-17]。试验的中锰钢虽可达到高的强度和断后伸长率，但这些中锰钢的奥氏体稳定性差，热轧后冷却时会形成马氏体，使钢板硬度增大，冷轧前必须进行中间退火。这附加的工序既增大成本，而且在罩式炉中的退火因温度场不均匀，后续处理时汽车钢板的性能必然难以控制而影响整体质量。这也是中锰钢产业化的困难所在。

3 问题及处理方法

前曾述及，为防止钢板表面出现红锈，Meyer等[5]曾以Al替代TRIP钢中Si，但由于生成氧化铝夹杂堵水口，某些钢厂因而中止了含铝TRIP钢的进一步试验。但在2008年Lyu等[18]和Connetable等[19]在计算含铝钢的相图时同时首先发现，含铝钢的热力学数据库误差太大，已不能用于预测和计算钢中实际状况，必须重新修正。Li等[20]优化了含铝钢的热力学数据并以此计算了含铝TRIP钢相图，计算结果与实际吻合很好。更重要的是这些作者由计算发现[14]，铝可大大扩大γ+α二相区相界，也即大大提高奥氏体含碳量和奥氏体稳定性，从而大大提高相变塑性。

如图4所示，当Fe-1.5Mn-C(相图为实线)和Fe-1.5Mn-1.2Al-C(相图为虚线)两钢均含0.2%的C并在780 ℃等温时，计算显示：前者奥氏体含碳量仅为0.29%，而后者却达0.76%，为前者的2.6倍，说明加入铝后可大大提高了奥氏体稳定性。

图4 Fe-1.5Mn-C和Fe-1.5Mn-1.2Al-C系相图[14]Fig.4 Phase diagrams of Fe-1.5Mn-C and Fe-1.5Mn-1.2Al-C systems [14]

由上述计算和实验，在中锰钢和相变塑性钢中加入适量的铝以提高这两种钢的加工性能和强塑性。如De Cooman等[21]提出的Fe- 0.3C-10Mn-3Al-2Si的中锰钢，可以去掉中间退火工序。又如在相变塑性钢中加入适量的铝，可使鞍钢生产的相变塑性钢当强度为980 MPa时，断后伸长率达23%，比浦项的14%高出9%，效果显著[14]。胡建明等[22]考虑在加铝基础上再加入少量微合金元素Ti和V，经连退时溶解钒碳化合物进一步增加奥氏体稳定性，以析出的纳米级钛碳氮化合物增加强度，可使低合金含铝含钛钒TRIP钢强度达1 000 MPa时，断后伸长率为30%，达到第三代汽车钢要求。

关于TWIP钢，人们容易因该钢中高锰含量导致价格高而停滞于开发。实际上TWIP钢有极高强度和断后伸长率，如表6[12]所示，强度达1 308 MPa时，断后伸长率仍达53%。若对该钢仔细研究后其强度完全可达1 500 MPa或以上。这样等级的强度完全可替代热成形钢。而热成形钢因其模具价格极昂贵而价高。再者，热成形钢的断后伸长率极低，仅为5%左右，即在冲撞时基本无法变形。而据笔者的研究结果，TWIP钢在高应力下尚有一定塑性。这将有利于冲撞下的安全性。所以用冷成形的TWIP钢替代热成形钢应是不错的选择。

4 总结和展望

为适应工业和科技发展的需求，汽车钢工作者们历经数十年努力，将汽车用钢从软钢发展到低碳低合金钢乃至目前的高合金钢如TWIP钢等。生产和应用中问题曾不断出现，但也不断被解决。新的钢种不断产生，技术不断更新。总的趋势是：材料由低端向高端发展，生产控制也愈加严格。但也有不同于此者：

(1)瑞典Saab汽车公司在1984年首先采用硼钢板制作了Saab9000汽车的防冲撞件。目前最为常用的热成形钢种是Mn-B系的22MnB5。其成分极简单且冶炼易于控制，其中(质量分数，%)：C 0.250～ 0.320，Mn 1.000～ 1.500，P 0.035，S 0.035 0，Si 0.150～ 0.400，Cr 0.300，Ti 0.060，B 0.001～ 0.005，Al 0.020 0。此钢原为镰刀用材，经淬火后为全马氏体组织，所以强度很高，可达1 450 MPa以上。目前作为热冲压成形件被大量应用在汽车的A柱，B柱，保险杠，车顶纵梁和管道等重要防撞结构件或总成上。这是简单成分的低合金钢变更用途后在汽车结构件中起重要作用之例。

(2)2003年Speer等[23]提出淬火-碳分配(Q-P)工艺, 将低碳低合金钢淬火至Ms～Mf间某一温度后，再在高于Ms的一定温度下停留一段时间，使碳由马氏体分配到残留奥氏体中使其稳定，为获得高强度高韧性钢件的生产起了很大的推动作用。在Q-P基础上，Wang等[24]和徐祖耀[25]提出改进方法，即有效析出合金碳化物的淬火-碳分配-回火(Q-P-T)工艺，使钢在淬火后、紧接着在 400 ℃恒温的盐浴炉中扩散分配及回火，最后水淬至室温。碳分配以后或同时析出复杂碳化物沉淀以增加强度。研制的Q-P-T钢(成分为：0. 485C-1.195Mn-1.185Si-0.98Ni-0.21Nb)的抗拉强度达2 160 MPa，总断后伸长率保持10%的高水平[25]。

上述二例均为采用价廉的低碳低合金钢，经巧妙设计工艺后，制成的高强度钢可成功应用于汽车的重要部件上。可以预测的是，这种工作并不会罕见，世上无难事，只要肯登攀。

致谢：

本文得到973项目(2010CB630802)、自然科学基金重点基金(50934011)、鞍钢集团和宝钢集团资助，谨此致谢。

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收修改稿日期：2017-04-25

OntheDevelopment,Problem,CountermeasureandProspectofAutomotiveSteelinRecentYears

Jiang Hu Li Lin He Yanlin Shi Wen Zhang Mei

(School of Materials Science and Engineering, Shanghai University, Shanghai 200072, China)

The development of automotive high strength steel from low end product to high end was reviewed in sequence of timetable. Problems encounted in familiar steels such as DP steel and TRIP steel in production line as well as in the application were described and the corresponding countermeasures adopted in plant were introduced. Advantages together with shortcomings in TWIP steel and medium manganese steel were analyzed while in production and usage. Special development train of thought in HPF steel, Q-P steel and Q-P-T steel was summrized, and the probable direction of R & D of automotive steels was put forwarded.

automotive steel，development，problem，countermeasure，R & D direction

973项目(2010CB630802)、自然科学基金重点基金(50934011)

姜沪，女，助理研究员，主要从事汽车钢研究工作,Email:jianghu@shu.edu.cn