汽車給人們帶來便利的同時，也給能源、環境和安全帶來重大問題。節能減排、提高碰撞安全性是對汽車行業提出的基本要求^[1-2]，減輕汽車重量是節能減排的直接途徑。汽車車身材料以鋼板為主，鋼板衝壓件的重量約占乘用車重量的50%、占商用車重量的60%以上，美國等發達國家相繼開展的使用高強度鋼板有效降低零件厚度實現車輛減重的輕量化項目，可實現減重20%以上。國外品牌以及合資品牌的汽車中高強度鋼和超高強度鋼的使用比例已達到40%～50%，其中歐洲達到50%～60%，而我國自主品牌汽車高強鋼的比例僅在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，我國需要大力發展高強度汽車鋼板。

　　隨著鋼強度水平的提高，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，山西太鋼不鏽鋼股份有限公司（以下簡稱太鋼） 聯合鋼鐵研究院開發的中錳合金係第三代汽車鋼，具有高強度、高塑性的力學性能特點，在工業大生產線上進行全流程的開發生產，為新一代汽車的輕量化、節能減排提供一種全新的鋼鐵製造材料。

　　1 第三代汽車鋼的微觀組織和力學性能特征

　　在充分總結分析第一代、第二代汽車鋼的微觀組織、力學性能、強塑化機理的基礎上，提出第三代汽車鋼的微觀組織類型為具有多相（multi-phase）、亞穩（metastable）、多尺度（multi-scale）特征的M3 組織^[3]。利用中錳係合金鋼通過逆相變熱處理思路，獲得超細晶鐵素體層片組織與奧氏體層片狀組織的複合組織。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，奧氏體具有非常細小的層錯結構（見圖1）。
 

中錳鋼經逆相變處理後可獲得高強度、高塑性的力學性能。下頁圖2 為第三代汽車鋼在不同退火時間後的拉伸真應力- 真應變曲線以及對應的加工硬化率曲線。由圖2 可知，其與單相組織（如純馬氏體）的單調遞減轉變行為明顯不同。第三代汽車鋼的加工硬化率由三階段構成：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；然後再逐漸降低。這種三階段的加工硬化行為可能與鋼在形變過程中發生的TRIP 效應有關^[4]。
 

下頁圖3 為拉伸過程中奧氏體含量隨應變量的變化曲線。隨著變形量的增加，鋼中的奧氏體體積分數逐漸降低。結合圖2-2 的加工硬化曲線可知，變形過程中發生了TRIP 效應，奧氏體在變形過程中逐漸轉變為馬氏體，產生強化，使鋼的加工硬化率在第二階段逐漸增加，當奧氏體轉變結束時，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後的微觀組織進行表征，結果表明：奧氏體在變形過程中轉變成馬氏體組織，如圖4 所示。
 

      2 第三代汽車鋼係列熱軋鋼板的試製

　　太鋼煉鋼二廠和熱連軋廠進行了工業試製。通過傳統工業流程（冶煉—連鑄—熱軋—退火）成功生產出厚度規格為2～14 mm 的熱軋產品。中錳合金係第三代汽車用鋼的熱軋板通過工藝和成分的調整發現，在抗拉強度為650～850 MPa 時可獲得30%～40%的延伸率，強塑積達到30 GPa%。經過化學成分、軋製工藝及熱處理工藝的調整後，可形成係列強度級別的熱軋產品及相關技術，獲得650 、780、880和980 MPa 級的熱軋鋼板。熱軋板的解剖性能、技術儲備與汽車用熱軋鋼板相比較的結果如圖5 所示。

第三代汽車鋼與傳統低合金鋼的強化方式以及力學性能特點見下頁表1^[5]。

     3 第三代汽車鋼成形案例

　　第三代汽車鋼熱軋鋼板經過多次衝壓成形試驗，表現出良好的成形性能。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%，強塑積＜15GPa%）進行衝壓有時出現開裂率高的現象；使用第三代汽車鋼（Rp0.2=650 MPa，Rm=780 MPa，A=35%，強塑積=27.5 GPa%）進行衝壓試驗，強度水平及成形成品率較380 L 鋼明顯提高，高塑性特點顯著可提高高強度水平下鋼的成形能力。

以某廠生產的保險杠（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%） 成形時出現開裂現象；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%） 衝壓成形時滿足設計要求。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品合格率，更重要的是由於第三代汽車鋼高塑性的特點，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 結語

　　具有高強度、高塑性特征的新一代汽車鋼是車輛輕量化的重要發展方向。中錳合金係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注，針對鋼的特點和零件需求發展係列化強度水平高塑性鋼，形成穩定的生產技術和應用技術是未來發展的重點。
     
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來源：期刊—山西冶金

作者：石發才

（山西太鋼不鏽鋼股份有限公司技術中心）