优良成形性能高强度第三代汽车热轧钢板的开发

　摘要：详细介绍第三代汽车钢的强塑化机理、工业化开发生产现状及其试制过程，对比分析第三代汽车钢与传统低合金钢的工艺特点、强化方式以及力学性能。试制结果表明：使用第三代汽车钢不仅可提高零件的成形能力和产品合格率，还能保证成员的生命安全。

　　关键词：第三代汽车钢 强度 塑性 成形

　　汽车给人们带来便利的同时，也给能源、环境和安全带来重大问题。节能减排、提高碰撞安全性是对汽车行业提出的基本要求^[1-2]，减轻汽车重量是节能减排的直接途径。汽车车身材料以钢板为主，钢板冲压件的重量约占乘用车重量的50%、占商用车重量的60%以上，美国等发达国家相继开展的使用高强度钢板有效降低零件厚度实现车辆减重的轻量化项目，可实现减重20%以上。国外品牌以及合资品牌的汽车中高强度钢和超高强度钢的使用比例已达到40%～50%，其中欧洲达到50%～60%，而我国自主品牌汽车高强钢的比例仅在30%左右，与国外同类车型相比，我国自主品牌轿车的自重平均偏重8%～10%，商用车平均偏重10%～15%。因此，我国需要大力发展高强度汽车钢板。

　　随着钢强度水平的提高，其塑性降低，成形能力下降，不能保证碰撞安全性。在国家支撑计划课题的支持下，山西太钢不锈钢股份有限公司（以下简称太钢） 联合钢铁研究院开发的中锰合金系第三代汽车钢，具有高强度、高塑性的力学性能特点，在工业大生产线上进行全流程的开发生产，为新一代汽车的轻量化、节能减排提供一种全新的钢铁制造材料。

　　1 第三代汽车钢的微观组织和力学性能特征

　　在充分总结分析第一代、第二代汽车钢的微观组织、力学性能、强塑化机理的基础上，提出第三代汽车钢的微观组织类型为具有多相（multi-phase）、亚稳（metastable）、多尺度（multi-scale）特征的M3 组织^[3]。利用中锰系合金钢通过逆相变热处理思路，获得超细晶铁素体层片组织与奥氏体层片状组织的复合组织。铁素体/ 奥氏体板条的平均厚度约为0.3μm，基本与板条马氏体的板条厚度0.2～0.3 μm一致，利用割线法测出平均晶粒尺寸约为0.55 μm，奥氏体具有非常细小的层错结构（见图1）。

　　中锰钢经逆相变处理后可获得高强度、高塑性的力学性能。下页图2 为第三代汽车钢在不同退火时间后的拉伸真应力- 真应变曲线以及对应的加工硬化率曲线。由图2 可知，其与单相组织（如纯马氏体）的单调递减转变行为明显不同。第三代汽车钢的加工硬化率由三阶段构成：在变形初始阶段，加工硬化率快速下降；随着变形量的增加，加工硬化率逐渐增加；然后再逐渐降低。这种三阶段的加工硬化行为可能与钢在形变过程中发生的TRIP 效应有关^[4]。

　　下页图3 为拉伸过程中奥氏体含量随应变量的变化曲线。随着变形量的增加，钢中的奥氏体体积分数逐渐降低。结合图2-2 的加工硬化曲线可知，变形过程中发生了TRIP 效应，奥氏体在变形过程中逐渐转变为马氏体，产生强化，使钢的加工硬化率在第二阶段逐渐增加，当奥氏体转变结束时，不能再有效地提供加工硬化率，从而使钢的加工硬化率逐渐降低。通过透射电镜对变形前后的微观组织进行表征，结果表明：奥氏体在变形过程中转变成马氏体组织，如图4 所示。

　　2 第三代汽车钢系列热轧钢板的试制

　　太钢炼钢二厂和热连轧厂进行了工业试制。通过传统工业流程（冶炼—连铸—热轧—退火）成功生产出厚度规格为2～14 mm 的热轧产品。中锰合金系第三代汽车用钢的热轧板通过工艺和成分的调整发现，在抗拉强度为650～850 MPa 时可获得30%～40%的延伸率，强塑积达到30 GPa%。经过化学成分、轧制工艺及热处理工艺的调整后，可形成系列强度级别的热轧产品及相关技术，获得650 、780、880和980 MPa 级的热轧钢板。热轧板的解剖性能、技术储备与汽车用热轧钢板相比较的结果如图5 所示。

　　第三代汽车钢与传统低合金钢的强化方式以及力学性能特点见下页表1^[5]。

　　3 第三代汽车钢成形案例

　　第三代汽车钢热轧钢板经过多次冲压成形试验，表现出良好的成形性能。以某商用车的元宝梁（厚度为6 mm，见下页图6）为例。用380 L 钢（Rp0.2≥380 MPa，Rm=450～590 MPa，A≥23%，强塑积＜15GPa%）进行冲压有时出现开裂率高的现象；使用第三代汽车钢（Rp0.2=650 MPa，Rm=780 MPa，A=35%，强塑积=27.5 GPa%）进行冲压试验，强度水平及成形成品率较380 L 钢明显提高，高塑性特点显著可提高高强度水平下钢的成形能力。

　　以某厂生产的保险杠（5 mm，见下页图7）为例。使用Q345B 钢（Rp0.2≥345 MPa，Rm≥500 MPa，A≥30%，Rm×A=15 GPa%） 成形时出现开裂现象；使用650 MPa 级第三代汽车钢（5 mm，Rp0.2=495 MPa，Rm=675MPa，A=38.5%，RmA=26 GPa%） 冲压成形时满足设计要求。作为校车保险杠的安全件，使用第三代汽车钢不仅可提高零件的成形能力和产品合格率，更重要的是由于第三代汽车钢高塑性的特点，在碰撞过程中能够吸收更多的能量，从而保证成员的生命安全。

　　4 结语

　　具有高强度、高塑性特征的新一代汽车钢是车辆轻量化的重要发展方向。中锰合金系第三代汽车钢越来越受到全世界各大钢厂和车辆厂的广泛关注，针对钢的特点和零件需求发展系列化强度水平高塑性钢，形成稳定的生产技术和应用技术是未来发展的重点。

来源：期刊—山西冶金

作者：石发才

（山西太钢不锈钢股份有限公司技术中心）

来源：汽车材料网