2.1 概述

鋼是世界上最常用的金屬材料。它具有強度高、成形性好和成本低等優點。自從汽車業誕生以來，鋼就被應用于汽車的生產。

通常屈服強度為210~550MPa的鋼被稱為傳統高強鋼，屈服強度大于550MPa的鋼則被稱為先進高強鋼。鋼的發展可以分為三個階段：20世紀初期開發了低碳鋼（mild steel，MILD）；20世紀70年代開發了高強低合金鋼（high strength low-alloy steel，HSLA）；21世紀90年代開發了第一代先進高強鋼（advanced high strength steel，AHSS）。2010年，汽車中使用的鋼材占輕型汽車質量的60%，每輛轎車中使用的鋼約1084kg。大量研究人員通過優化鋼的微觀組織開發出了高強鋼，鋼的成分、微觀組織、加工工藝和性能均發生了較大變化。圖2-1所示為高強鋼的發展歷程。

圖2-1　高強鋼的發展歷程

圖2-2所示為汽車發展史上所采用過的各種鋼的抗拉強度-延伸率圖。圖中無間隙固溶原子鋼（interstitial-free steel，IF）和低碳鋼的強度低、硬度低、成形性能好，多用于生產汽車外板。圖的中部是傳統高強鋼（conventional high strength steel，CHSS），包括高強無間隙固溶原子鋼（interstitial-free high strength steel，IF-HS）、各向同性鋼（isotropic steel，IS）、烘烤可硬化鋼（bake hardenable steel，BH）和高強低合金鋼。與傳統鋼相比，先進高強鋼的強度更高、塑性更好。圖的右端是先進高強鋼（advanced high strength steel，AHSS），包括雙相鋼（Dual Phase Steel，DP）、馬氏體鋼（Martensitic Steel，MS）。這些鋼具有很高的強度和優良的成形性能（馬氏體鋼除外），在汽車結構件上得到了應用。

圖2-2　各種鋼的抗拉強度-延伸率圖

圖2-2中不同等級的鋼會有重疊區域，這為汽車部件設計者提供了更多選擇。例如，部件設計要求所用材料的最低抗拉強度為1000MPa，則有六種等級的鋼供設計者選擇。圖2-3所示為不同等級和種類鋼的抗拉強度-延伸率圖。

圖2-3　不同等級和種類鋼的抗拉強度-延伸率圖

隨著對汽車燃油經濟性和安全性能要求的不斷提高，為了與其他材料競爭（如鋁、鎂和碳纖維材料），鋼鐵公司開發出了各種新型鋼板。傳統高強鋼與先進高強鋼的主要差別在于微觀組織：傳統高強鋼是單相鐵素體鋼；而先進高強鋼是雙相或多相鋼，包含鐵素體、馬氏體、貝氏體和殘留奧氏體等。第一代先進高強鋼是通過控制微觀組織，而不是通過合金化來提高強度的。因此，其成本與傳統高強鋼相近。表2-1對比了不同類型鋼的成本，其中奧氏體型不銹鋼的成本相對較高，因為其含有較多的合金元素；而傳統高強鋼和第一代先進高強鋼是低合金鋼，因此其成本只略高于冷軋碳鋼。