先進高強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)點是質(zhì)量輕。從耐載荷與耐疲勞強度看，如果鋼的強度級別提高到780MPa級以上，則會顯示出比鋁合金更好的性能優(yōu)勢從而誕生了先進高強鋼，其在性能和減重安全方面對鋁合金發(fā)起挑戰(zhàn)。先進高強鋼的出現(xiàn)在很大程度上鞏固了鋼鐵在材料領(lǐng)域的主導地位。國際鋼鐵協(xié)會cnsi)先進高強鋼應(yīng)用指南第三版中將高強鋼分為傳統(tǒng)高強鋼(Conventional HSS)和先進高強鋼(AHSS)。傳統(tǒng)的高強鋼多是通過固溶、析出和細化晶粒作為主要強化手段，而先進高強鋼(AHSS)是指通過相變進行強化的鋼種，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、復相鋼(CP)和馬氏體鋼(Mart)等。

    先進高強鋼(AHSS)同時具有高強度和較好的成形性，綜合性能優(yōu)于傳統(tǒng)高強鋼，通常使用強塑積來量化，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。用價格密度強度作為指標，當高強鋼強度超過一定值時，就會比鋁合金顯示出更大的材料成本優(yōu)勢。由于當前汽車零部件價格對銷售具有絕對影響，先進高強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)的先進高強鋼有：第一代先進高強鋼——雙相(DP)鋼、多相(CP)鋼和相變誘導塑性(TRIP)鋼，強塑積小于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；第二代先進高強鋼——奧氏體孿晶誘導塑性(TWIP)鋼、誘導塑性輕鋼(L-IP)和剪切帶強化(SIP)鋼，強塑積在50GPa-%以上，但成本較高，在國際上也屬于鋼廠引導用戶應(yīng)用的階段；第三代高強鋼強塑積在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。

    第一代先進高強鋼合金含量低，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高強鋼，除了強度高、成型性好外，還具有易于焊接加工的優(yōu)點。TRIP鋼兼具良好的強度和延伸性能，其殘余奧氏體相通過應(yīng)變誘導相變轉(zhuǎn)化成馬氏體相，從而提高了應(yīng)變硬化指數(shù)。第二代先進高強鋼機械性能優(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高強鋼在性能上存在缺陷，因此，目前正在研究如何通過改進處理工藝或采用新型處理工藝來彌補性能上的不足，同時，應(yīng)特別注意這些工藝的工業(yè)可行性及經(jīng)濟性。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塑積的高強高塑鋼的研發(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；改進傳統(tǒng)的TRIP鋼處理方法；開發(fā)具有超細貝氏體顯微組織的高強鋼；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。

    新一代先進高強鋼的開發(fā)辦法主要著眼于：在無需添加太多合金成分的情況下，使強度或韌性超過第一代先進高強鋼；或?qū)⒌谌冗M高強鋼的合金含量降低一些的開發(fā)戰(zhàn)略已在工業(yè)中進行了一定程度的實施，通過比較一些開發(fā)鋼種的機械性能，發(fā)現(xiàn)強度和塑性綜合性能范圍非常廣泛。可以預見的是，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，并負責制定了冷軋DP鋼國家標準。

    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在開展研究工作，還沒進入工業(yè)化。中國不但是第一個進入工業(yè)生產(chǎn)的國家，而且生產(chǎn)的第三代鋼成本低，合金量少，性價比高，綜合性能處于國際前沿。成本優(yōu)勢明顯，價格比進口同類產(chǎn)品便宜，并且性能要優(yōu)于沃爾沃、奔馳等項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習國外汽車鋼技術(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。