汽车用超高强度钢板的研究发展现状.

汽车用超高强度钢板的研究发展现状
钢板是汽车所用钢材中最主要的材料，一辆载货车所用的薄钢板的量约占其钢材总量的1/2，一辆轿车所用的钢板约600Kg-800Kg，占其总量的2/3。

汽车作为现代化的交通工具，正朝着高速、安全、舒适、低成本、低排放与节能的方向发展。

这样，对汽车使用钢板的要求除传统的结构性能外，还必须满足超深冲性，高强度和高抗凹性，良好的耐蚀性和焊接性等要求。

为适应这一发展的需要各种优质钢板相继被开发出来，高强度钢板就是其中之一。

特别是美国和日本，近几年来用此钢板非常积极。

一般普通低碳钢板的拉伸强度为280-320Mpa高强度钢板的拉伸强度在210Mpa以上。

高强度钢板的特点是不但具有较高的拉伸强度，还有较高的屈服点，可以达到减轻汽车车重的目的。

采用高强钢是汽车行业在材料应用上的发展趋势。

在国内高强钢的产品序列中，抗拉强度大于等于550Mpa的钢板为超高强钢板。

运用此类产品加工的结构件，可最大限度降低车身重量，达到汽车轻量化、提升安全可靠性和节能环保的目的。

近几年，国际汽车厂商在新开发的车型上，应用超高强钢板的比例已经达到20%左右。

由于目前这种类型的钢板大多依赖进口，且价格高、供货周期长，国内汽车厂商很少采用。

1、先进高强钢研究开发的热点
近年来在汽车用先进高强钢（advanced high strength steel，简称AHSS）的工艺基础研究和应用技术研究方面的开发十分活跃，超高强钢板的强度已达到或超过1500MPa。

目前先进高强钢板已发展到第二代，正在向着高成形性和超高强度的第三代高强钢发展。

在针对和解决汽车用高强钢随着强度的增加，塑性和成形性能显著下降，开裂、起皱、回弹、模具磨损和焊接等问题明显增加，以及如何进一步提高抗冲撞能量吸收值等关键问题时，从高性能先进高强钢的冶金与材料工艺原理出发，研究的热点在以下几个方面:
1）新的合金化设计（在洁净钢的基础上，进行Nb、V、Ti、B等的微合金化优化设计等）；
2）新的材料组织结构设计（细晶与超细晶，复相组织结构及其强韧化等）；
3）结合先进热轧与控冷技术、冷轧、连续退火与快速冷却技术的精确相变与纳米尺寸析出粒子的冶金工艺控制；
4）高性能高强钢的表面控制技术（如高强钢板的高表面质量控制、涂镀层界面结合与控制等）及焊接控制（高质量快速点焊、激光焊等）基础等；
5）将新的合金设计、钢板制造工艺与新的加工成形技术（如热成形、温成形、液压成形、计算机模拟CAE及智能化技术等）相结合的新材料设计—制造—成形一体化理论与技术基础。

由此，近年来国内外的一些钢铁企业和研究者相继研究开发的应用在汽车车身上的高强度低合金钢板主要有高强度IF钢板、烘烤硬化钢板（BH钢板）、复相钢板（CP钢板）、具有低屈强比的高强和超高强双相钢板（DP钢板）、兼有高强度和良好塑性的相变诱导塑性钢板（TRIP钢板）、孪晶诱导塑性钢板（TWIP钢板）、马氏体钢板（M钢板）以及Q&P钢板（quenching and partitioning钢板）、热冲压成形钢板（HF钢板，含硼钢板）及纳米粒子析出强化钢板（NANO-HITEN 钢板）等。

总的趋势是正在向着高成形性能、高强和超高强兼备的新一代汽车用钢的冶金与材料科学及应用技术基础研究发展，并以此指导新品种及工艺控制技术的开发，以顺应现代汽车安全、节能环保总的社会发展需求。

2、一些汽车用超高强度钢板的生产
图1是各类汽车用钢板的屈服强度和伸长率的关系，随着强度的提高，伸长率下降，相比较而言，DP、TRIP和TWIP钢在拥有高强度的同时还表现为高的伸长率。

在ULSAB-AVC项目中，把屈服强度小于210MPa的钢板归为软钢，屈服强度在210～550MPa之间的成为高强度钢板，屈服强度大于550MPa以上的成为超高强度钢板。

为了同常规的高强度钢板区别开来，把DP、TRIP和Mart等以相变强化为主的钢板统称为先进高强度钢板，其强度范围500～1500MPa，这类钢板具有高的减重潜力、高的碰撞吸收能、高的疲劳强度、高的成型性和低的平面各向异性等优点。

IF—无间隙原子钢；Mild—低碳铝镇静钢；HSSIF—高强度IF钢；BH—烘烤硬化钢；IS—各向同性钢；CMn—碳锰钢；HSLA—高强度低合金钢；DP—双相钢；CP—复相钢；TRIP—相变诱发塑性钢；Mart—马氏体钢；TWIP—孪晶诱发塑性钢；Stainless—不锈钢；B steel—热冲压用钢
图1各类汽车用板的屈服强度和伸长率的关系
2.1、高强度IF钢板
由于高纯净度和特殊的结构，IF钢有着杰出的变形性能和低的屈服极限。

通过固溶强化元素的合金化，强度得到提高，而又不影响延性和r值。

Nb2Ti合金化的IF 钢添加磷、硅、锰和硼，用以控制冷加工脆化。

与普通铝镇静钢或钛合金化IF钢相比，这种钢的缺点是再结晶延迟，所以要获得所要求的织构和延性，就要有足够高的再结晶退火温度，这种新IF钢的生产需要使退火过程连续化，因为只有通过足够的快冷才能抑制不希望有的冷加工脆性。

奥钢联生产的高强度IF钢的延展性均匀，而且有着非常好的深冲性能，其表现为有很高的r值。

这种钢板可以深冲成圆度对称而无裙状花边缺陷的部件。

新IF钢中的间隙原子极少，因而可以把微合金降到最低，从而可以避免普通IF钢的缺点（如涂镀性能差）。

高强度IF钢把无间隙钢的良好变形性能变成较高的强度水平，这种新IF钢的磷和锰含量较高，而且还要添加少量硼，以避免晶界偏析。

高强度IF钢有很高的r值和n值，在抗拉强度中等的钢中，以高强度IF钢为最好，高强度IF钢板主要是镀锌后用于制作汽车内板。

2.2、烘烤硬化钢板（BH钢板）
烘烤硬化钢在冲压加工前的屈服强度低，而在涂漆过程中经热处理后，屈服强度会提高，其强度提高的前提是冷轧带钢晶格中要有少量固溶碳。

含有少量固溶碳的薄板经塑性变形冲压成型后，在160～250℃的温度下作几分钟的热处理，游离碳原子以扩散方式位错，由于科特雷尔气团的生成和细微的析出，而使位错锚定，热处理温度下诱发的位错导致钢板的加工硬化。

2.3、复相钢板（CP钢板）
CP为复合相钢。

蒂森生产的CP2W1000钢连铸坯的化学成分（%）平均
为:0.14C，0.60Si，1.75Mn，0.15Ti，0.35Cr，0.10Mo。

钢水在炼钢厂脱硫，
S≤01003%。

钢水经处理后浇成板坯送到波鸿厂，板坯的出炉温度为1250～1300℃。

均匀加热是获得良好轧制结果的前提。

板坯除鳞后通过粗轧机轧成厚度为35mm的带坯，进入热卷箱，带坯在热卷箱内以≥1080℃的温度卷取。

热卷开卷后，切除头尾，然后在精轧机中轧成1165mm厚的带钢。

终轧后带钢温度的均匀是生产CP钢的关键，而卷取温度的均匀也是非常重要的。

热轧带钢的温度为880～950℃，卷取温度在500～600℃之间。

温度分配的均衡，冷却速度的均匀对带钢的平直度都有重要意义。

由于热轧带钢的长度方向和宽度方向上的厚度偏差极小，有利于后工序的拉矫和平整。

CPW1000的抗拉强度可达980MPa，平均屈服比为01893。

2.4、双相钢板（DP钢板）
与常用的低合金高强度钢相比，在相同强度级别下，DP钢具有低的屈强比
（）、较高的伸长率均匀伸长率和断裂伸长率以及很高的加工硬化率。

其高的伸长率是由于在软的纯铁素体基体内分散细小的硬马氏体或贝氏体颗粒所致。

由图2可见，钢在维持高强度的条件下，其伸长率比一般微合金钢和烘烤硬化钢或含磷钢好，因此双相钢具有良好的成型加工性能，避免了常用的普通低碳钢成型过程中存在的形状稳定性弹性后效低的缺陷，非常适合制造汽车零部件，如车身覆盖件以及底盘结构件等。

图21mm厚冷轧退火高强度薄板钢的力学性能
DP钢的制造和加工技术在国外已经非常成熟，很多研究者对DP钢的焊接性能、疲劳和断裂特性、回火和时效等特性做了较为全面的研究。

在ULSAB-
AVC(Ultralight Steel Auto Body-Advanced Vehicle Concept计划中，DP钢在其两种概念车车身用材料中位居主要地位，均达74%。

2.5、相变诱导塑性钢板（TRIP钢板）
高强度低合金系列中的TRIP钢是一种新型汽车结构用钢，它利用组织中存在的残余奥氏体在应力应变作用下向马氏体转变而诱发相变塑性，同时又达到强化目的，具有优异的可成型性和高强度，在汽车上具有极大的应用前景。

在ULSAB计划中，TRIP钢的比例达到了4%以上。

2.6、孪晶诱导塑性钢板（TWIP钢板）
TWIP钢是最近几年国外正在进行研究的高强度、高塑性钢。

TWIP钢的成分通常主要是Fe，添加质量分数为15%～30%的Mn，并加入一定量的Al和Si，也有再加入少量的Ni、V、Mo、Cu、Ti、Nb等。

TWIP钢的强度可以达到1000MPa以上，伸长率可达到60%～95%。

该钢在使用时无外载荷，冷却到室温下的组织是稳定的残余奥氏体，但是如果施加一定的外部载荷，由于应变诱导产生机械孪晶，会产生大的无颈缩延伸，显示出非常优异的力学性能，具有较高的应变硬化率、塑性和强度。

由于加入了大量的Al，钢的密度也会有所下降。

目前国外的研究已经从第1代的Fe-25Mn-3Al-3Si-0.03C系到第2代的Fe-23Mn-0.6C系一直到目前的Fe-
26Mn-11Al-1.1C和Fe-6Al-0.05Ti-0.05Nb-0.002B系，表1给出了这类钢板典型的力学性能。

除了其成分体系外，这类钢的生产工艺和使用技术也成为研究的重点。

目前TWIP钢的研究在欧洲和韩国较热，而日本和美国并不看好它的将来。

表1典型TWIP钢板和其它钢板的力学性能
2.7、马氏体钢板（M钢板）
马氏体钢板的生产是通过高温的奥氏体组织快速淬火转变为板条马氏体组织，其最高强度可达1500MPa，是目前商业化高强度钢板中强度级别最高的钢种。

2.8、Q&P钢板（quenching and partitioning钢板）
Q&P钢有着高强度和高塑性，在成分（%）为0.17C、1.48Mn、1.40Si、0.25Al的实验Q&P钢中强塑积可以达到32016Mpa%。

在300～350℃的配分温度下，较长的时间有利于碳的扩散，保证了碳原子由马氏体向残留奥氏体富集的能力，使得试验钢取得良好的强塑积。

2.9、热冲压成形钢板（HF钢板，含硼钢板）由于热冲压是在零件机械冲压的同时也完成了热处理强化，因此相对于冷冲压来说，热冲压用钢板的成分就有一些特殊的要求，其成分设计要适应热冲压过程中的热循环。

含硼钢是目前广泛应用于热冲压成形的钢板，这类钢的成分特点是在C2Mn钢的基础上添加质量分数为（20～50）×10-4%的硼。

硼的作用在50年代早期就被人们所认识，硼只有固溶在钢中才能起到强化作用。

由于硼与氧和氮有强烈的化学亲和力，因此在钢中添加硼时都需要添加一些强氧化物和氮化物形成元素，如铝、锆和钛等。

固溶的硼偏析在奥氏体晶粒边界，延迟了铁素体和贝氏体的形核进而增加了钢的强度。

图4是宝钢开发的热冲压成形用含硼钢的CCT曲线，经过950℃左右单相奥氏体区的加热保温后，当冷却速度大于15℃/s后，钢板的组织转变为全马氏体组织，其硬度为HV450～500，强度达到1300～1500MPa。

图3热冲压用钢板典型的CCT曲线
3、结语
汽车用高强度钢是汽车轻量化的关键材料之一，对汽车发展起着举足轻重的作用。

汽车工业的迅速发展使得环保、能源等问题日益突出，因此汽车用高强度钢发展的总趋势将是高强度化及良好的成型性。

随着各种先进的成型工艺以及模拟仿真技术的快速发展，可以相信，不久的将来，性能更高的汽车用高强度钢的开发和应用必将取得更大的进展。

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