2.2 先進高強鋼的發展

目前，大部分轎車和輕型卡車中，鋼鐵部件占總質量的70%。近年來鋼鐵替代材料的應用趨于穩定，尋找新型、低成本的替代材料變得越來越難。同時，各國新安全法規和新燃油經濟性法規的頒布，迫使汽車公司尋找更有效的減重方法。這些壓力促使汽車公司重新考慮其他替代材料應用的可能性，以及繼續使用鋼的可行性。

在過去約一個世紀的時間里，汽車板所用鋼材并未發生大的變化。白車身和覆蓋件主要采用成形性能好、修復性好、焊接性好、可噴涂的低碳鋼。其屈服強度為180~200MPa，抗拉強度為330~350MPa，而這些汽車部件的厚度為1.5~2mm。

1975年的石油危機第一次為降低汽車油耗敲響了警鐘。汽車業開始考慮通過采用高強鋼降低部件壁厚，實現汽車輕量化，提高燃油經濟性。雖然這次石油危機持續的時間不長，但是對鋼板的發展產生了深遠影響。

隨后，鋼鐵業對于車用高強鋼做了大量研究，但是能夠真正得到商業應用的很少。而此時，屬于第一代先進高強鋼的退火高強低合金鋼（屈服強度為280~300MPa，抗拉強度為450MPa）被成功開發出來。這種具有高強度、高塑性的雙相鋼立即引起了人們的注意，隨后有了大量關于雙相鋼的研究。日本和美國進行了雙相鋼的工業試生產，生產出了抗拉強度為500~600MPa，延伸率為25%~30%的雙相鋼，并沖壓出了一些部件，不過沒有得到大規模的應用。

與雙相鋼相適應的連續退火設備和鍍鋅設備被引入鋼鐵業。為了解決連續回火過程中的時效問題，鋼鐵業開發了IF鋼。IF鋼具有很好的成形性能，但是強度較低。此時，高強鋼由于以下問題，并未引起汽車公司的興趣。

（1）需開發耐磨性更高的模具。

（2）需解決回彈和扭曲問題。

（3）需調整焊接參數，要提高電流、壓力。

（4）在切邊和沖孔時，對工具的要求更高。

汽車業對高強鋼的冷淡態度澆滅了鋼鐵公司的熱情，直至20世紀90年代早期，已經很少有關于雙相鋼的研究。1970~2000年，只開發了傳統高強鋼，如IF鋼、BH-IF鋼和抗拉強度為450~550MPa的回火HSLA鋼。

隨后，包括Inland Steel公司在內的幾個高強鋼的開拓者在之前研究的基礎上開發了強度高達965MPa的雙相鋼，用于生產保險杠、門梁和輥壓成形件。汽車公司之間的競爭促使它們采用強度更高的材料生產關鍵安全部件，但回火HSLA的抗拉強度無法超過550MPa。在20世紀90年代中期，本田公司要求其美國分公司利用高強雙相鋼在美國研發基礎好的優勢，實現DP590鋼的本地供應，之后DP590鋼在日本也得到大規模應用。這標志著雙相鋼的復興。

此外，鋼與其他低密度材料（如鋁、鎂和復合材料）之間的競爭越演越烈，為了更好地滿足輕量化、燃油經濟性和環保的要求，各鋼鐵公司不斷開發出具有更高強度和優良成形性能的新型鋼種。

汽車用鋼的發展歷史可以看出世界高強鋼的發展歷程。如圖2-4a所示，到1990年，鋼鐵公司已經開發了大部分的低碳鋼、高強IF鋼和微合金化HSLA鋼。然而，1994年奧迪公司向市場推出了采用鋁框架結構的A8汽車，鋼在汽車材料中的主導地位開始受到挑戰。與采用傳統鋼質車身相比，A8全鋁白車身的質量顯著降低。同年，全球18個國家的35家鋼鐵公司組成了國際聯盟，并發起了名為超輕鋼質車身（ultra-light steel auto body，ULSAB）的項目，以設計一款滿足包括安全性能在內的各種性能要求的鋼質輕型車身結構。該項目委托保時捷工程服務機構（porsche engineering services，PES）設計一款D級車的輕型鋼制白車身。該項目于1998年結束。PES研制出一款示范白車身，90%采用高強鋼，在成本增加不到14%的前提下將車身減重25%，車身的扭轉剛度和彎曲剛度分別提高了80%和52%，同時滿足對結構合理性、安全性、可操作性和經濟性等的要求。該項目開發的多項技術之后也被應用于汽車部件的生產，如越來越多的先進高強鋼的應用、液壓成形技術和激光焊接技術的應用。各種和各等級先進高強鋼的成功開發是該項目的重要收獲。

ULSAB概念后期發展成為先進汽車概念——ULSAB-AVC（Advanced Vehicle Concept），即白車身100%采用高強鋼，其中80%為先進高強鋼。該項目激發了鋼鐵業開發出多種具有更高強度和良好成形性能的新型鋼種。

來自汽車公司和競爭對手的壓力促進了雙相鋼的研發和應用。到1995年，雙相鋼不僅在日本，在美國和歐洲也實現了商業化應用，如圖2-4b所示。雙相鋼具有強度高、塑性高、應變硬化率高、烘烤硬化效應高和疲勞強度高等優點。由于當時對涂層板和防腐板需求的增加，可鍍層雙相鋼的開發變得非常重要，因而熱鍍鋅生產線也在各鋼鐵公司得到應用。隨著高強鋼沖壓和后續加工工藝的不斷完善，對具有更高強度雙相鋼的需求急劇增加。人們在開發出DP590/600鋼之后，又相繼開發了DP780和DP980鋼。

汽車安全部件的形狀復雜，在降低壁厚的同時要保證其剛度，這些均對先進高強鋼的強度和成形性能提出了更高的要求。

雖然雙相鋼在先進高強鋼中占有重要地位，但是汽車公司需要具有新的微觀組織的高強鋼，以滿足對各種性能，尤其是安全性能的要求。TRIP鋼應運而生，TRIP鋼在整個均勻變形階段都具有高的應變硬化率，使其在碰撞時能展現出極高的吸能性。2000年，含有殘留奧氏體的TRIP鋼第一次被用于商業化生產，如圖2-4c所示。與屈服強度相同的傳統高強鋼和雙相鋼相比，TRIP鋼具有更好的延展性、更高的吸能性和疲勞強度。

隨著高強鋼在汽車上的應用范圍日益擴大，使得對其成形性的要求更高，尤其是凸緣性。研究表明，降低微觀組織中各相的強度差異可提高脹孔性能。雖然沒有發現延伸率和脹孔性之間有直接的關系，但是，大量研究表明用貝氏體替代或部分替代馬氏體后，鋼的凸緣性和脹孔性能將顯著提高。因此，人們開發了微觀組織包含鐵素體-貝氏體-馬氏體的復相鋼（complex phase steel，CP）。根據這個原理，又開發了以貝氏體為基體的鐵素體-貝氏體鋼（ferritic bainitic steel，FB）、復相鋼，同時添加Si元素，通過固溶強化或析出強化提高鐵素體強度，降低貝氏體和鐵素體之間的強度差，以獲得更好的延展凸緣性。

為滿足最大限度地提升抗侵入能力的要求，人們開發和應用了高屈強比的馬氏體鋼。

先進高強鋼的強度水平決定了其減重潛力，而鋼的微觀組織決定了其強度、塑性、應變強化率和其他力學性能。具有優異吸能性能的雙相鋼和TRIP鋼被用于生產安全部件，以提高汽車在碰撞時承載動力載荷的能力。而改良后的雙相鋼和馬氏體鋼一樣具有高的屈強比，被用于那些需要高剛度、防侵入的安全部件，以抵抗大載荷沖擊，保護司機和乘客。

先進高強鋼的廣泛應用要求其具有更好的成形性能，以適應各種成形工藝。高延伸率和高應變硬化率對于延展性非常重要。然而，隨著強度的增加，鋼的切邊性能、凸緣性能和彎曲性降低。

到了21世紀，先進高強在汽車輕量化中扮演著至關重要的角色。除了高強度，優良的塑性也使它們的應用更加廣泛。同時，為了滿足汽車業的需求，各鋼鐵公司相繼開發了多種不同等級的先進高強鋼。為了開發具有不同綜合性能的鋼材，設計和采用了新的微觀組織和加工工藝。開發者采用一種或多種強化機制來提高鋼的強度（包括固溶強化、細晶強化、析出強化和應變時效強化），此外合金化和熱機械加工等也被用于提高強度。

如圖2-5所示，多個項目相繼啟動，以探索通過采用高強鋼在提高安全性的同時，實現輕量化，增加燃油經濟性。例如，超輕鋼質汽車覆蓋件項目（ultraLight steel auto closures，ULSAC），采用先進高強鋼生產輕質發動機罩、車門和后備廂蓋。超輕鋼質車身先進汽車概念項目（ultraLight steel auto body advanced vehicle concepts，ULSAB-AVC）則進一步將先進高強鋼和先進制造工藝相結合，以實現更大程度的減重。2008年，世界幾個主要鋼鐵公司組成的世界汽車用鋼聯盟（World Auto Steel）發起了未來鋼質汽車（future steels vehicle，FSV）項目。該項目使強度在GPa等級的先進高強鋼在汽車上得到應用，最終該項目將先進高強鋼的應用和結構優化相結合，使車身減重39%。與之前的項目相比，該項目在通過優化汽車結構適應新動力系統結構和新安全法規方面更具有前沿性。

汽車/鋼鐵聯盟（Auto/Steel Partnership，A/SP）也參與了車用先進高強鋼的研發和應用。輕型前端結構（Lightweight Front End Structure）是其中的一個項目。該項目實現了在不降低碰撞性能的前提下減重32%的目標。未來客艙項目（Future Generation Passenger Compartment Project）是另外一個關于車用先進高強鋼的重要項目。該項目通過采用先進高強鋼和結構優化設計，在保持剛度、耐久性，提高碰撞性能的同時將汽車艙體減重30%。

同樣在進入21世紀后，以殘留奧氏體為基體的TWIP鋼被成功開發，其抗拉強度可達1000MPa，延伸率為50%~60%。TWIP鋼屬于第二代先進高強鋼。至今，TWIP鋼仍被認為是具有最好強度和塑性綜合性能的鋼材，被認為是新的第二代先進高強鋼。然而，可制造性差、成本高、對氫氣的敏感性高等問題限制了其商業化應用。目前，TWIP鋼的研究進展緩慢，即使解決了可生產性和延遲斷裂等問題，TWIP鋼仍只處于試驗階段。

先進高強鋼在汽車上的成功應用促使各鋼鐵公司大力研發各種新型先進高強鋼，同時促進了與之相適應的新工藝和新設備的開發和應用。開發綜合性能介于第一代和第二代先進高強鋼之間，成本較低的第三代先進高強鋼成為鋼鐵業的新課題。研究人員認識到鋼中奧氏體含量和穩定性與其塑性和強度的關系，發現以奧氏體為基體的高強鋼比以鐵素體為基體的高強鋼具有更好的綜合力學性能，繼而開發了淬火-分配處理工藝（quenching and partitioning，Q&P），制造了含有殘留奧氏體和馬氏體，同時具有高強度和高塑性的Q&P鋼。此外，納米鋼的開發也成為第三代先進高強鋼的一個重要發展方向，具體內容會在以后章節中介紹。