先進(jìn)高強(qiáng)鋼在性能和減重安全方面對鋁合金的挑戰(zhàn)

   鋼鐵材料、鋁和塑料是制造汽車的三大材料。鋁合金發(fā)展很快，已經(jīng)向鋼鐵材料在汽車制造中的統(tǒng)治地位發(fā)起挑戰(zhàn)，其優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量輕。從耐載荷與耐疲勞強(qiáng)度看，如果鋼的強(qiáng)度級別提高到780MPa級以上，則會顯示出比鋁合金更好的性能優(yōu)勢從而誕生了先進(jìn)高強(qiáng)鋼，其在性能和減重安全方面對鋁合金發(fā)起挑戰(zhàn)。先進(jìn)高強(qiáng)鋼的出現(xiàn)在很大程度上鞏固了鋼鐵在材料領(lǐng)域的主導(dǎo)地位。國際鋼鐵協(xié)會cnsi)先進(jìn)高強(qiáng)鋼應(yīng)用指南第三版中將高強(qiáng)鋼分為傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼(Conventional HSS)和先進(jìn)高強(qiáng)鋼(AHSS)。傳統(tǒng)的高強(qiáng)鋼多是通過固溶、析出和細(xì)化晶粒作為主要強(qiáng)化手段，而先進(jìn)高強(qiáng)鋼(AHSS)是指通過相變進(jìn)行強(qiáng)化的鋼種，組織中含有馬氏體、貝氏體和殘余奧氏體，包括雙相鋼(DP)、孿晶誘發(fā)塑性(TRIP)鋼、復(fù)相鋼(CP)和馬氏體鋼(Mart)等。

    先進(jìn)高強(qiáng)鋼(AHSS)同時(shí)具有高強(qiáng)度和較好的成形性，綜合性能優(yōu)于傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼，通常使用強(qiáng)塑積來量化，另外，其加工硬化指數(shù)高，有利于提高沖撞過程中的能量吸收，所以其在減重和安全性方面具有雙重優(yōu)勢。用價(jià)格密度強(qiáng)度作為指標(biāo)，當(dāng)高強(qiáng)鋼強(qiáng)度超過一定值時(shí)，就會比鋁合金顯示出更大的材料成本優(yōu)勢。由于當(dāng)前汽車零部件價(jià)格對銷售具有絕對影響，先進(jìn)高強(qiáng)鋼成為汽車公司給普通汽車減重的首選材料，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)。

    目前正在應(yīng)用和研發(fā)的先進(jìn)高強(qiáng)鋼有：第一代先進(jìn)高強(qiáng)鋼——雙相(DP)鋼、多相(CP)鋼和相變誘導(dǎo)塑性(TRIP)鋼，強(qiáng)塑積小于15GPa%，是目前汽車用鋼中增長最快的一類產(chǎn)品，在國際上已趨于成熟；第二代先進(jìn)高強(qiáng)鋼——奧氏體孿晶誘導(dǎo)塑性(TWIP)鋼、誘導(dǎo)塑性輕鋼(L-IP)和剪切帶強(qiáng)化(SIP)鋼，強(qiáng)塑積在50GPa-%以上，但成本較高，在國際上也屬于鋼廠引導(dǎo)用戶應(yīng)用的階段；第三代高強(qiáng)鋼強(qiáng)塑積在20-40GPa%，處于第一代和第二代鋼之間，由于性能優(yōu)越成本相對低廉，具有顯著的產(chǎn)業(yè)化優(yōu)勢和市場競爭力。

    第一代先進(jìn)高強(qiáng)鋼合金含量低，主要是以鐵素體為主的多相顯微組織。雙相鋼是目前使用最多的一種先進(jìn)高強(qiáng)鋼，除了強(qiáng)度高、成型性好外，還具有易于焊接加工的優(yōu)點(diǎn)。TRIP鋼兼具良好的強(qiáng)度和延伸性能，其殘余奧氏體相通過應(yīng)變誘導(dǎo)相變轉(zhuǎn)化成馬氏體相，從而提高了應(yīng)變硬化指數(shù)。第二代先進(jìn)高強(qiáng)鋼機(jī)械性能優(yōu)異，但因奧氏體鋼的合金含量高，使得成本大大增加。此外，這些合金的加工難度非常大，而且TWIP鋼還易于產(chǎn)生延遲裂紋。

   由于第一代和第二代先進(jìn)高強(qiáng)鋼在性能上存在缺陷，因此，目前正在研究如何通過改進(jìn)處理工藝或采用新型處理工藝來彌補(bǔ)性能上的不足，同時(shí)，應(yīng)特別注意這些工藝的工業(yè)可行性及經(jīng)濟(jì)性。美國率先提出了第三代汽車用鋼的概念，并正在開展研發(fā)工作。中國與韓國也相繼啟動了提高強(qiáng)塑積的高強(qiáng)高塑鋼的研發(fā)工作到目前為止，各國開發(fā)第三代汽車鋼的技術(shù)思路仍然在積極探索之中。目前，對于第三代汽車用鋼的開發(fā)思路及研究方法包括：通過處理提高雙相鋼性能；改進(jìn)傳統(tǒng)的TRIP鋼處理方法；開發(fā)具有超細(xì)貝氏體顯微組織的高強(qiáng)鋼；采用新型處理工藝，包括淬火分配以及超快速加熱和冷卻；開發(fā)高錳TIUP鋼等。

    新一代先進(jìn)高強(qiáng)鋼的開發(fā)辦法主要著眼于：在無需添加太多合金成分的情況下，使強(qiáng)度或韌性超過第一代先進(jìn)高強(qiáng)鋼；或?qū)⒌谌冗M(jìn)高強(qiáng)鋼的合金含量降低一些的開發(fā)戰(zhàn)略已在工業(yè)中進(jìn)行了一定程度的實(shí)施，通過比較一些開發(fā)鋼種的機(jī)械性能，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度和塑性綜合性能范圍非常廣泛?？梢灶A(yù)見的是，利用一些合金和處理工藝完全可以生產(chǎn)第三代高強(qiáng)鋼，但是在處理過程中應(yīng)小心控制合金元素及含量、處理時(shí)間和處理溫度；而且，為滿足特殊工藝的要求，如快速加熱和快速冷卻工藝，可能還需要對設(shè)備進(jìn)行改造。

    近幾年，由于我國汽車工業(yè)的發(fā)展非常迅猛，整體技術(shù)水平有了很大的提高，AHSS的應(yīng)用也大幅度增加，這有利地促進(jìn)了國內(nèi)AHSS的開發(fā)和生產(chǎn)。目前，寶鋼、鞍鋼、武鋼、太鋼等主要鋼鐵企業(yè)都在積極開發(fā)AHSS。其中，寶鋼的AHSS已形成了一定的批量生產(chǎn)能力，2013年全年冷軋汽車板銷售量為536萬噸，占全年汽車板需求量的一半以上，并負(fù)責(zé)制定了冷軋DP鋼國家標(biāo)準(zhǔn)。

    在第三代汽車用鋼方面，雖然美國提出該概念比中國早，但現(xiàn)在美國依然只有幾所大學(xué)在開展研究工作，還沒進(jìn)入工業(yè)化。中國不但是第一個(gè)進(jìn)入工業(yè)生產(chǎn)的國家，而且生產(chǎn)的第三代鋼成本低，合金量少，性價(jià)比高，綜合性能處于國際前沿。成本優(yōu)勢明顯，價(jià)格比進(jìn)口同類產(chǎn)品便宜，并且性能要優(yōu)于沃爾沃、奔馳等項(xiàng)級汽車上采用的汽車鋼。

    第三代汽車鋼的成功研制，從根本上改變了我國長期以來跟蹤學(xué)習(xí)國外汽車鋼技術(shù)的局面，受到了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。中國各大鋼鐵企業(yè)都在不斷努力創(chuàng)新，希望早日拿到第三代汽車鋼的生產(chǎn)許可證。寶鋼股份于2010年全球首發(fā)第三代980MPa鋼（淬火配分鋼），2013年全球首發(fā)第三代熱鍍鋅980MPa鋼。目前寶鋼已實(shí)現(xiàn)向一汽轎車的批量供貨。除此之外，目前上海通用、意大利菲亞特等汽車廠家也有使用該產(chǎn)品。