2.2 先进高强钢的发展

目前，大部分轿车和轻型卡车中，钢铁部件占总质量的70%。近年来钢铁替代材料的应用趋于稳定，寻找新型、低成本的替代材料变得越来越难。同时，各国新安全法规和新燃油经济性法规的颁布，迫使汽车公司寻找更有效的减重方法。这些压力促使汽车公司重新考虑其他替代材料应用的可能性，以及继续使用钢的可行性。

在过去约一个世纪的时间里，汽车板所用钢材并未发生大的变化。白车身和覆盖件主要采用成形性能好、修复性好、焊接性好、可喷涂的低碳钢。其屈服强度为180~200MPa，抗拉强度为330~350MPa，而这些汽车部件的厚度为1.5~2mm。

1975年的石油危机第一次为降低汽车油耗敲响了警钟。汽车业开始考虑通过采用高强钢降低部件壁厚，实现汽车轻量化，提高燃油经济性。虽然这次石油危机持续的时间不长，但是对钢板的发展产生了深远影响。

随后，钢铁业对于车用高强钢做了大量研究，但是能够真正得到商业应用的很少。而此时，属于第一代先进高强钢的退火高强低合金钢（屈服强度为280~300MPa，抗拉强度为450MPa）被成功开发出来。这种具有高强度、高塑性的双相钢立即引起了人们的注意，随后有了大量关于双相钢的研究。日本和美国进行了双相钢的工业试生产，生产出了抗拉强度为500~600MPa，延伸率为25%~30%的双相钢，并冲压出了一些部件，不过没有得到大规模的应用。

与双相钢相适应的连续退火设备和镀锌设备被引入钢铁业。为了解决连续回火过程中的时效问题，钢铁业开发了IF钢。IF钢具有很好的成形性能，但是强度较低。此时，高强钢由于以下问题，并未引起汽车公司的兴趣。

（1）需开发耐磨性更高的模具。

（2）需解决回弹和扭曲问题。

（3）需调整焊接参数，要提高电流、压力。

（4）在切边和冲孔时，对工具的要求更高。

汽车业对高强钢的冷淡态度浇灭了钢铁公司的热情，直至20世纪90年代早期，已经很少有关于双相钢的研究。1970~2000年，只开发了传统高强钢，如IF钢、BH-IF钢和抗拉强度为450~550MPa的回火HSLA钢。

随后，包括Inland Steel公司在内的几个高强钢的开拓者在之前研究的基础上开发了强度高达965MPa的双相钢，用于生产保险杠、门梁和辊压成形件。汽车公司之间的竞争促使它们采用强度更高的材料生产关键安全部件，但回火HSLA的抗拉强度无法超过550MPa。在20世纪90年代中期，本田公司要求其美国分公司利用高强双相钢在美国研发基础好的优势，实现DP590钢的本地供应，之后DP590钢在日本也得到大规模应用。这标志着双相钢的复兴。

此外，钢与其他低密度材料（如铝、镁和复合材料）之间的竞争越演越烈，为了更好地满足轻量化、燃油经济性和环保的要求，各钢铁公司不断开发出具有更高强度和优良成形性能的新型钢种。

汽车用钢的发展历史可以看出世界高强钢的发展历程。如图2-4a所示，到1990年，钢铁公司已经开发了大部分的低碳钢、高强IF钢和微合金化HSLA钢。然而，1994年奥迪公司向市场推出了采用铝框架结构的A8汽车，钢在汽车材料中的主导地位开始受到挑战。与采用传统钢质车身相比，A8全铝白车身的质量显著降低。同年，全球18个国家的35家钢铁公司组成了国际联盟，并发起了名为超轻钢质车身（ultra-light steel auto body，ULSAB）的项目，以设计一款满足包括安全性能在内的各种性能要求的钢质轻型车身结构。该项目委托保时捷工程服务机构（porsche engineering services，PES）设计一款D级车的轻型钢制白车身。该项目于1998年结束。PES研制出一款示范白车身，90%采用高强钢，在成本增加不到14%的前提下将车身减重25%，车身的扭转刚度和弯曲刚度分别提高了80%和52%，同时满足对结构合理性、安全性、可操作性和经济性等的要求。该项目开发的多项技术之后也被应用于汽车部件的生产，如越来越多的先进高强钢的应用、液压成形技术和激光焊接技术的应用。各种和各等级先进高强钢的成功开发是该项目的重要收获。

ULSAB概念后期发展成为先进汽车概念——ULSAB-AVC（Advanced Vehicle Concept），即白车身100%采用高强钢，其中80%为先进高强钢。该项目激发了钢铁业开发出多种具有更高强度和良好成形性能的新型钢种。

来自汽车公司和竞争对手的压力促进了双相钢的研发和应用。到1995年，双相钢不仅在日本，在美国和欧洲也实现了商业化应用，如图2-4b所示。双相钢具有强度高、塑性高、应变硬化率高、烘烤硬化效应高和疲劳强度高等优点。由于当时对涂层板和防腐板需求的增加，可镀层双相钢的开发变得非常重要，因而热镀锌生产线也在各钢铁公司得到应用。随着高强钢冲压和后续加工工艺的不断完善，对具有更高强度双相钢的需求急剧增加。人们在开发出DP590/600钢之后，又相继开发了DP780和DP980钢。

汽车安全部件的形状复杂，在降低壁厚的同时要保证其刚度，这些均对先进高强钢的强度和成形性能提出了更高的要求。

虽然双相钢在先进高强钢中占有重要地位，但是汽车公司需要具有新的微观组织的高强钢，以满足对各种性能，尤其是安全性能的要求。TRIP钢应运而生，TRIP钢在整个均匀变形阶段都具有高的应变硬化率，使其在碰撞时能展现出极高的吸能性。2000年，含有残留奥氏体的TRIP钢第一次被用于商业化生产，如图2-4c所示。与屈服强度相同的传统高强钢和双相钢相比，TRIP钢具有更好的延展性、更高的吸能性和疲劳强度。

随着高强钢在汽车上的应用范围日益扩大，使得对其成形性的要求更高，尤其是凸缘性。研究表明，降低微观组织中各相的强度差异可提高胀孔性能。虽然没有发现延伸率和胀孔性之间有直接的关系，但是，大量研究表明用贝氏体替代或部分替代马氏体后，钢的凸缘性和胀孔性能将显著提高。因此，人们开发了微观组织包含铁素体-贝氏体-马氏体的复相钢（complex phase steel，CP）。根据这个原理，又开发了以贝氏体为基体的铁素体-贝氏体钢（ferritic bainitic steel，FB）、复相钢，同时添加Si元素，通过固溶强化或析出强化提高铁素体强度，降低贝氏体和铁素体之间的强度差，以获得更好的延展凸缘性。

为满足最大限度地提升抗侵入能力的要求，人们开发和应用了高屈强比的马氏体钢。

先进高强钢的强度水平决定了其减重潜力，而钢的微观组织决定了其强度、塑性、应变强化率和其他力学性能。具有优异吸能性能的双相钢和TRIP钢被用于生产安全部件，以提高汽车在碰撞时承载动力载荷的能力。而改良后的双相钢和马氏体钢一样具有高的屈强比，被用于那些需要高刚度、防侵入的安全部件，以抵抗大载荷冲击，保护司机和乘客。

先进高强钢的广泛应用要求其具有更好的成形性能，以适应各种成形工艺。高延伸率和高应变硬化率对于延展性非常重要。然而，随着强度的增加，钢的切边性能、凸缘性能和弯曲性降低。

到了21世纪，先进高强在汽车轻量化中扮演着至关重要的角色。除了高强度，优良的塑性也使它们的应用更加广泛。同时，为了满足汽车业的需求，各钢铁公司相继开发了多种不同等级的先进高强钢。为了开发具有不同综合性能的钢材，设计和采用了新的微观组织和加工工艺。开发者采用一种或多种强化机制来提高钢的强度（包括固溶强化、细晶强化、析出强化和应变时效强化），此外合金化和热机械加工等也被用于提高强度。

如图2-5所示，多个项目相继启动，以探索通过采用高强钢在提高安全性的同时，实现轻量化，增加燃油经济性。例如，超轻钢质汽车覆盖件项目（ultraLight steel auto closures，ULSAC），采用先进高强钢生产轻质发动机罩、车门和后备厢盖。超轻钢质车身先进汽车概念项目（ultraLight steel auto body advanced vehicle concepts，ULSAB-AVC）则进一步将先进高强钢和先进制造工艺相结合，以实现更大程度的减重。2008年，世界几个主要钢铁公司组成的世界汽车用钢联盟（World Auto Steel）发起了未来钢质汽车（future steels vehicle，FSV）项目。该项目使强度在GPa等级的先进高强钢在汽车上得到应用，最终该项目将先进高强钢的应用和结构优化相结合，使车身减重39%。与之前的项目相比，该项目在通过优化汽车结构适应新动力系统结构和新安全法规方面更具有前沿性。

汽车/钢铁联盟（Auto/Steel Partnership，A/SP）也参与了车用先进高强钢的研发和应用。轻型前端结构（Lightweight Front End Structure）是其中的一个项目。该项目实现了在不降低碰撞性能的前提下减重32%的目标。未来客舱项目（Future Generation Passenger Compartment Project）是另外一个关于车用先进高强钢的重要项目。该项目通过采用先进高强钢和结构优化设计，在保持刚度、耐久性，提高碰撞性能的同时将汽车舱体减重30%。

同样在进入21世纪后，以残留奥氏体为基体的TWIP钢被成功开发，其抗拉强度可达1000MPa，延伸率为50%~60%。TWIP钢属于第二代先进高强钢。至今，TWIP钢仍被认为是具有最好强度和塑性综合性能的钢材，被认为是新的第二代先进高强钢。然而，可制造性差、成本高、对氢气的敏感性高等问题限制了其商业化应用。目前，TWIP钢的研究进展缓慢，即使解决了可生产性和延迟断裂等问题，TWIP钢仍只处于试验阶段。

先进高强钢在汽车上的成功应用促使各钢铁公司大力研发各种新型先进高强钢，同时促进了与之相适应的新工艺和新设备的开发和应用。开发综合性能介于第一代和第二代先进高强钢之间，成本较低的第三代先进高强钢成为钢铁业的新课题。研究人员认识到钢中奥氏体含量和稳定性与其塑性和强度的关系，发现以奥氏体为基体的高强钢比以铁素体为基体的高强钢具有更好的综合力学性能，继而开发了淬火-分配处理工艺（quenching and partitioning，Q&P），制造了含有残留奥氏体和马氏体，同时具有高强度和高塑性的Q&P钢。此外，纳米钢的开发也成为第三代先进高强钢的一个重要发展方向，具体内容会在以后章节中介绍。