汽車給人們帶來便利的同時，也給能源、環(huán)境和安全帶來重大問題。節(jié)能減排、提高碰撞安全性是對汽車行業(yè)提出的基本要求^[1-2]，減輕汽車重量是節(jié)能減排的直接途徑。汽車車身材料以鋼板為主，鋼板沖壓件的重量約占乘用車重量的50%、占商用車重量的60%以上，美國等發(fā)達(dá)國家相繼開展的使用高強(qiáng)度鋼板有效降低零件厚度實現(xiàn)車輛減重的輕量化項目，可實現(xiàn)減重20%以上。國外品牌以及合資品牌的汽車中高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼的使用比例已達(dá)到40%～50%，其中歐洲達(dá)到50%～60%，而我國自主品牌汽車高強(qiáng)鋼的比例僅在30%左右，與國外同類車型相比，我國自主品牌轎車的自重平均偏重8%～10%，商用車平均偏重10%～15%。因此，我國需要大力發(fā)展高強(qiáng)度汽車鋼板。

　　隨著鋼強(qiáng)度水平的提高，其塑性降低，成形能力下降，不能保證碰撞安全性。在國家支撐計劃課題的支持下，山西太鋼不銹鋼股份有限公司（以下簡稱太鋼） 聯(lián)合鋼鐵研究院開發(fā)的中錳合金系第三代汽車鋼，具有高強(qiáng)度、高塑性的力學(xué)性能特點(diǎn)，在工業(yè)大生產(chǎn)線上進(jìn)行全流程的開發(fā)生產(chǎn)，為新一代汽車的輕量化、節(jié)能減排提供一種全新的鋼鐵制造材料。

　　1 第三代汽車鋼的微觀組織和力學(xué)性能特征

　　在充分總結(jié)分析第一代、第二代汽車鋼的微觀組織、力學(xué)性能、強(qiáng)塑化機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出第三代汽車鋼的微觀組織類型為具有多相（multi-phase）、亞穩(wěn)（metastable）、多尺度（multi-scale）特征的M3 組織^[3]。利用中錳系合金鋼通過逆相變熱處理思路，獲得超細(xì)晶鐵素體層片組織與奧氏體層片狀組織的復(fù)合組織。鐵素體/ 奧氏體板條的平均厚度約為0.3μm，基本與板條馬氏體的板條厚度0.2～0.3 μm一致，利用割線法測出平均晶粒尺寸約為0.55 μm，奧氏體具有非常細(xì)小的層錯結(jié)構(gòu)（見圖1）。
 

中錳鋼經(jīng)逆相變處理后可獲得高強(qiáng)度、高塑性的力學(xué)性能。下頁圖2 為第三代汽車鋼在不同退火時間后的拉伸真應(yīng)力- 真應(yīng)變曲線以及對應(yīng)的加工硬化率曲線。由圖2 可知，其與單相組織（如純馬氏體）的單調(diào)遞減轉(zhuǎn)變行為明顯不同。第三代汽車鋼的加工硬化率由三階段構(gòu)成：在變形初始階段，加工硬化率快速下降；隨著變形量的增加，加工硬化率逐漸增加；然后再逐漸降低。這種三階段的加工硬化行為可能與鋼在形變過程中發(fā)生的TRIP 效應(yīng)有關(guān)^[4]。
 

下頁圖3 為拉伸過程中奧氏體含量隨應(yīng)變量的變化曲線。隨著變形量的增加，鋼中的奧氏體體積分?jǐn)?shù)逐漸降低。結(jié)合圖2-2 的加工硬化曲線可知，變形過程中發(fā)生了TRIP 效應(yīng)，奧氏體在變形過程中逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，產(chǎn)生強(qiáng)化，使鋼的加工硬化率在第二階段逐漸增加，當(dāng)奧氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束時，不能再有效地提供加工硬化率，從而使鋼的加工硬化率逐漸降低。通過透射電鏡對變形前后的微觀組織進(jìn)行表征，結(jié)果表明：奧氏體在變形過程中轉(zhuǎn)變成馬氏體組織，如圖4 所示。
 

      2 第三代汽車鋼系列熱軋鋼板的試制

　　太鋼煉鋼二廠和熱連軋廠進(jìn)行了工業(yè)試制。通過傳統(tǒng)工業(yè)流程（冶煉—連鑄—熱軋—退火）成功生產(chǎn)出厚度規(guī)格為2～14 mm 的熱軋產(chǎn)品。中錳合金系第三代汽車用鋼的熱軋板通過工藝和成分的調(diào)整發(fā)現(xiàn)，在抗拉強(qiáng)度為650～850 MPa 時可獲得30%～40%的延伸率，強(qiáng)塑積達(dá)到30 GPa%。經(jīng)過化學(xué)成分、軋制工藝及熱處理工藝的調(diào)整后，可形成系列強(qiáng)度級別的熱軋產(chǎn)品及相關(guān)技術(shù)，獲得650 、780、880和980 MPa 級的熱軋鋼板。熱軋板的解剖性能、技術(shù)儲備與汽車用熱軋鋼板相比較的結(jié)果如圖5 所示。

第三代汽車鋼與傳統(tǒng)低合金鋼的強(qiáng)化方式以及力學(xué)性能特點(diǎn)見下頁表1^[5]。

     3 第三代汽車鋼成形案例

　　第三代汽車鋼熱軋鋼板經(jīng)過多次沖壓成形試驗，表現(xiàn)出良好的成形性能。以某商用車的元寶梁（厚度為6 mm，見下頁圖6）為例。用380 L 鋼（Rp0.2≥380 MPa，Rm=450～590 MPa，A≥23%，強(qiáng)塑積＜15GPa%）進(jìn)行沖壓有時出現(xiàn)開裂率高的現(xiàn)象；使用第三代汽車鋼（Rp0.2=650 MPa，Rm=780 MPa，A=35%，強(qiáng)塑積=27.5 GPa%）進(jìn)行沖壓試驗，強(qiáng)度水平及成形成品率較380 L 鋼明顯提高，高塑性特點(diǎn)顯著可提高高強(qiáng)度水平下鋼的成形能力。

以某廠生產(chǎn)的保險杠（5 mm，見下頁圖7）為例。使用Q345B 鋼（Rp0.2≥345 MPa，Rm≥500 MPa，A≥30%，Rm×A=15 GPa%） 成形時出現(xiàn)開裂現(xiàn)象；使用650 MPa 級第三代汽車鋼（5 mm，Rp0.2=495 MPa，Rm=675MPa，A=38.5%，RmA=26 GPa%） 沖壓成形時滿足設(shè)計要求。作為校車保險杠的安全件，使用第三代汽車鋼不僅可提高零件的成形能力和產(chǎn)品合格率，更重要的是由于第三代汽車鋼高塑性的特點(diǎn)，在碰撞過程中能夠吸收更多的能量，從而保證成員的生命安全。

　　4 結(jié)語

　　具有高強(qiáng)度、高塑性特征的新一代汽車鋼是車輛輕量化的重要發(fā)展方向。中錳合金系第三代汽車鋼越來越受到全世界各大鋼廠和車輛廠的廣泛關(guān)注，針對鋼的特點(diǎn)和零件需求發(fā)展系列化強(qiáng)度水平高塑性鋼，形成穩(wěn)定的生產(chǎn)技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)是未來發(fā)展的重點(diǎn)。
     
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來源：期刊—山西冶金

作者：石發(fā)才

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司技術(shù)中心）