高强高塑第三代汽车钢的研发

高强高塑第三代汽车钢的研发1董瀚，王存宇，时捷，曹文全（钢铁研究总院，北京 100081）摘要：本文首先简要介绍了先进高强钢的发展状况和高强高塑第三代汽车钢的研发情况。

在此基础上，本文重点介绍了钢研总院及其合作单位在第三代汽车钢领域的基础研究、工业试制、零件冲压情况。

所研发的第三代汽车钢具有优异的力学性能和较低成本，试验钢的抗拉强度在700-1600MPa范围内，强塑积可达30-50GPa%；太钢的工业试制获得了第三代汽车钢热轧钢板与冷轧钢板，其抗拉强度为700-900MPa，强塑积不小于30GPa%。

研究认为，第三代汽车钢的高强度与高塑性主要归因于超细双相组织与大量奥氏体的相变诱发塑性作用。

本文还简要介绍了第三代汽车钢在一汽与湖南大学的应用情况。

最后对第三代汽车钢的未来发展潜力进行了探讨。

关键词：第三代汽车钢，高强高塑，超细双相组织，相变诱发塑性Abstract: At first, R&D of the third generation automobile sheet steel (TG steel) with high strength and high ductility are briefly introduced. And then, the basic research, industry trial, and stamping of the TG steel are presented in details. It is shown that excellent mechanical properties of the steels prepared in laboratory scale at CISRI are of 700-1600MPa for tensile strength and of 30-50% for the product of tensile strength (Rm×A) to total elongation. The mechanical properties of steel sheets produced in the industry trials are of 700-900MPa for tensile strength and no less than 30GPa% for Rm×A. This combination of high strength and high ductility is believed to be attributed to the ultrafine duplex structure and the role of the phase transformation induced plasticity (TRIP effect). The stamping trials of TG steel sheets in First Automobile Works and in Hunan University are introduced in brief. At last, the potentials of the TG steel are discussed.Key words: Third generation automobile steel, strength and ductility, ultrafine duplex microstructure，TRIP effect 0.前言首先，钢材是构成汽车的主要材料，其高强化成为汽车轻量化的首要目标，通过轻量化达到汽车的节能减排势在必行；第二，汽车碰撞安全性法规也促进汽车使用更高强度和更高塑性的钢材。

第三，高强化势必导致了钢材塑性的下降，从而降低了零件的成形性，需要在高强化的同时改善塑性。

因此，高强度和高塑性是汽车钢的发展方向。

近年来，工业化国家开展了多项旨在提高强度的先进高强汽车钢（AHSS）（第一代汽车钢）的研发，并且开展了提高塑性的TWIP钢（第二代汽车钢）的研究工作，后者是近年来的研究工作热点。

2007年，美国提出了并启动了第三代汽车钢的研发工作，其塑性介于第一代汽车钢和第二代汽车钢之间[1]。

第三代汽车钢的概念提出后，美国、中国和韩国等多个国家的钢铁研发人员先后开展了相关的第三代汽车钢的研发工作。

钢铁研究总院带领着973项目研发团队，在多年钢铁材料技术研发基础上，创新性地研发了新型高强高塑第三代汽车钢，并做出了简要的定义（强塑积不小于30GPa%）；我们与钢厂和汽车厂紧密合作，结合先进生产和制造工艺流程，开展了第三代汽车钢的工业试制工作[2]。

本文主要从第三代汽车钢的基础研究、钢材工业试制以及零部件试制等方面介绍第三代汽车钢的技术研发情况。

1.第三代汽车钢的国内外研发情况具有代表性的先进高强钢为复相钢（Complex phase steel-CP），相变诱发塑性钢（Transformation induced plasticity-TRIP），铁素体马氏体复合的双相钢（Dual phase steel-DP）1 本研究得到了科技部973项目《高性能钢的组织调控理论与技术基础研究》（2010CB630803）的支持以及马氏体钢（Martensitic steel-Mart）等，其生产工艺如图1所示。

从图1可以看出，Mart 钢是奥氏体化后冷却形成马氏体组织，该钢具有最高强度和最低的延伸率（10%左右）；DP 钢是双相区等温形成铁素体和马氏体的室温组织，具有中等强度和较高的延伸率（大约20%左右）；TRIP钢首先在两相区等温，然后在贝氏体区等温并最后形成具有一定残留奥氏体组织多相钢，室温具有较高强度和最高的塑性（25-35%）；而CP钢则是贝氏体、马氏体、铁素体以及细小析出物的多相组织，具有较高的强度和较高的塑性（15%左右）。

这四种先进高强钢的强度与塑性的乘积（强塑积，Rm×A）大约在10-20GPa%的级别，还需要进一步提高，以适应未来汽车零件成形与汽车碰撞安全性的要求。

在此背景下，美国、韩国以及中国等国家先后开展了具有更高强塑积的第三代汽车钢的研究。

自2007年开始，美国矿业大学科罗拉多学院主要利用淬火与配分技术（Q&P）开展了第三代汽车钢的研发与相关汽车零件的成形研究，其实验室结果如图2所示，强度在900-1500MPa，强塑积在15-27GPa%，其强塑积略高于工业化的几种先进高强钢[3]。

图1 四种先进高强汽车钢生产工艺示意图图2 美国学者通过Q&P处理获得的高强高塑结果2012年，美国的Nanosteel Co报道了通过粉末冶金与热轧冷轧制备的三种强度级别新型的高强高塑汽车钢，一是900MPa的抗拉强度和35%的延伸率，二是1200MPa抗拉强度和30%的延伸率和1600MPa的抗拉强度与15%的延伸率，图3。

该性能已远远超过了第一代先进高强汽车钢，据称有望在2017年商业化[4]。

韩国在2009年开始报道了中锰逆相变的第三代汽车钢的研发工作，其基本合金成分为碳含量0.1%左右，而锰含量为6-9%。

据报道，抗拉强度为900-1200MPa，延伸率为20-30%。

此性能也明显高于第一代汽车钢[5]。

图3 美国纳米钢公司利用粉末冶金技术制备的高强高塑性汽车钢性能[4] 从2008年始，我们尝试通过Q&P处理和中锰钢逆相变的两个思路开展了第三代汽车钢的研究。

通过Q&P技术，目前实验室已经制备出高性能汽车钢，基体组织为一次马氏体与二次马氏体，而高塑性贡献组织为10-20%的亚稳奥氏体。

其抗拉强度为1200MPa -1800MPa，延伸率约为20-25%，在热成形中试线上也获得了高强高塑（强塑积达到了30GP%）第三代汽车钢热成形零件。

通过中锰钢技术思路，在实验室内制备出抗拉强度为700-1600MPa，延伸率为30-50%的第三代汽车钢。

2010年钢铁研究总院与太原钢铁公司合作，通过转炉冶炼和LF—RH精炼、厚板坯连铸、2250热连轧、冷轧和罩退生产工艺成功地在工业生产流程上开发出第三代汽车钢热轧板卷和冷轧板卷，强塑积均不小于30GPa%（如：抗拉强度≥900MPa，延伸率≥35%），率先在国际上研发出低成本和高强高塑的第三代汽车钢。

宝钢在2011年报道了通过创新的Q&P技术成功地工业化批量生产出第三代汽车钢。

通过以上对国内外第三代汽车钢的研发工作介绍，可以看出目前用来研究第三代汽车钢的技术基本上有三种：一是Q&P技术。

该技术主要通过对未完全淬火组织进行碳配分处理，从而稳定奥氏体，使部分奥氏体稳定到室温，形成马氏体与亚稳奥氏体的复合组织。

该工艺技术对设备要求较高，难以在普通连退线上生产。

二是粉末冶金技术。

该技术是美国的纳米钢公司提出的，它主要是形成纳米基体与纳米奥氏体的复合组织。

该技术的工业化难度较大，价格昂贵。

三是中锰钢逆相变技术。

该技术主要通过中锰合金化，利用C和Mn在逆相变过程中的复合配分到奥氏体中，形成BCC与FCC的复合组织，其中基体与奥氏体均是亚微米的晶粒尺寸，奥氏体的含量为20-40%。

通过对这几种第三代汽车钢的工艺及其组织结构分析，可以看出，第三代汽车钢有三个共同特点：一是含有一定量的亚稳奥氏体，二是基体组织为高硬度相（要么是超细晶组织，要么是马氏体组织），三是第三代汽车钢的强塑积至少在24GPa%以上，大部分结果在30GPa%的水平。

因此代表第三代汽车钢的性能的一个关键指标就是30GPa%的强塑积。

它的未来发展方向应该是在保证一定强塑积的基础上如何进一步提高第三代汽车钢的强度水平、钢材生产工艺适应性、汽车零件加工性能、以及零件服役性能等。

2.有关中锰钢的技术基础研究无论是第一代汽车钢中的DP钢和TRIP钢，第三代汽车钢中的Q&P钢，都有一个共同的特点，那就是通过碳的配分，实现奥氏体富碳，从而稳定奥氏体。

依靠碳的配分，需要钢中含有较高的碳含量才能获得大量的亚稳奥氏体，所以普通的TRIP钢和Q&P钢中的奥氏体含量一般不会大于15%，无法将亚稳相的含量调控到较高的水平。

而将钢中的碳含量调高到0.4%以上的水平又会显著恶化钢的焊接性能。

所以，仅仅依靠碳配分来进行亚稳相调控存在很大的局限性。

由此得到启示，研发高强高塑汽车钢必须走复合配分与亚稳控制的思路。

973项目“高性能钢的组织调控理论与技术基础研究”提出了多相（Multiphase）、亚稳（Metastable）与多尺度（Multiscale）组织调控思路。

运用M3组织调控思路，我们开创性提出利用逆相变原理，通过碳锰复合配分控制亚稳奥氏体含量的中锰钢研发思路，如图4所示[2]。