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材料人輕量化專欄里很多次提到過高強(qiáng)鋼，但往往是作為與碳纖維、鋁合金比較而提及，今天，我們就為大家介紹經(jīng)常被提起的產(chǎn)品。 不夸張地說，先進(jìn)高強(qiáng)鋼的應(yīng)用和發(fā)展是危機(jī)下的產(chǎn)物。在20世紀(jì)70年代之前，當(dāng)時(shí)的汽車用鋼主要性能指標(biāo)是硬度。在這一方面，高強(qiáng)鋼與軟鋼沒有什么區(qū)別，所以在汽車上應(yīng)用很少。而到了80年代，汽車業(yè)開始講究燃油效率，迫使制造商們開始采用傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼。但到了90年代，危機(jī)來了！汽車設(shè)計(jì)者們開始采用鋁合金、鎂合金、纖維復(fù)合材來為汽車減重。雖然這些材料的成本比鋼鐵要高，但是燃效和環(huán)保的壓力讓汽車制造商們覺得還是值得發(fā)展。而當(dāng)時(shí)先進(jìn)高強(qiáng)鋼成本高、難以焊接，雖然比起傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼的韌性高，但是還是難以讓汽車制造商引起興趣。 于是，世界鋼鐵協(xié)會(huì)聯(lián)合18個(gè)國家、34家鋼企，組成“21世紀(jì)超輕量型汽車開發(fā)企業(yè)集團(tuán)”，并啟動(dòng)了一系列項(xiàng)目，試圖通過在以鋼鐵為基本材料的前提下，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造技術(shù)、零部件形狀等多方面減輕汽車重量。 這里可能就要問一句了，為什么鋼鐵如此緊張汽車業(yè)呢？誰叫它倆愛得如此深沉呢！中鋼協(xié)有數(shù)據(jù)稱，汽車用鋼目前占國內(nèi)鋼產(chǎn)量的8%，而國外是15%。在基建市場(chǎng)疲軟的大環(huán)境下，鋼企普遍虧損，唯獨(dú)幾個(gè)生產(chǎn)汽車板的企業(yè)還能賺些錢。要是汽車這塊陣地也丟了，后果可想而知…… 當(dāng)然，結(jié)果還是很理想的。項(xiàng)目認(rèn)為，先進(jìn)高強(qiáng)鋼預(yù)計(jì)使用比例超過 60%，在不增加成本的前提下，可實(shí)現(xiàn)車身減重 35%的目標(biāo)，同時(shí)滿足五星級(jí)安全碰撞標(biāo)準(zhǔn)。此后，鋼鐵企業(yè)和協(xié)會(huì)，時(shí)不時(shí)地論證一番：先進(jìn)高強(qiáng)鋼才是汽車業(yè)輕量化的真愛。 車用鋼材，通常可以分成：軟鋼、傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼和第一代、第二代、第三代先進(jìn)高強(qiáng)鋼。他們各自的伸長(zhǎng)率和抗拉強(qiáng)度范圍如下圖：
從這個(gè)表里可以看到，軟鋼具有很好的伸長(zhǎng)率，意味著加工性能非常好，但抗拉強(qiáng)度最高不過300Mpa以內(nèi)。軟鋼主要有2個(gè)類別：低碳鋼(Mild steel)和無間隙原子鋼（IF steel)。曾經(jīng)，軟鋼是汽車車身的主宰，但不可避免，軟鋼地位直線下降。 傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼有BH鋼（烘烤硬化鋼）、CMn鋼、高強(qiáng)度低合金鋼（HSLA），。這些鋼的強(qiáng)化機(jī)制往往是固溶強(qiáng)化，強(qiáng)度最高可達(dá)800Mpa，比之軟鋼要高出一大截。 先進(jìn)高強(qiáng)鋼的分代是按照組織來劃分。第一代先進(jìn)高強(qiáng)鋼的組織主要是馬氏體。但有時(shí)為了塑性，也會(huì)引入其他相。第一代先進(jìn)高強(qiáng)鋼有DP鋼（雙相鋼）、CP鋼（復(fù)相鋼）、TRIP鋼（相變誘導(dǎo)鋼）等等數(shù)種。 目前先進(jìn)高強(qiáng)鋼中應(yīng)用最廣泛的是DP鋼。其微觀組織同時(shí)包含軟相鐵素體和硬相馬氏體，鐵素體為基，馬氏體位于晶界或者彌散在晶內(nèi)，好比在鐵素體的大海中，馬氏體如同一個(gè)個(gè)小島。正是DP鋼軟硬通吃，所以兼具高強(qiáng)度和良好成形性，主要應(yīng)用在汽車結(jié)構(gòu)件和安全件上。 CP鋼的微觀組織是以鐵素體/貝氏體為基體，包含參與奧氏體、馬氏體、珠光體。由于馬氏體、珠光體以及析出的復(fù)合作用，CP鋼的強(qiáng)度從800到1180Mpa之間，比較適用于防撞桿、保險(xiǎn)杠等安全件上。 同CP鋼一樣，TRIP鋼的微觀結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜。它包含了至少5%的殘余奧氏體，以及貝氏體和馬氏體。當(dāng)形變過程中，殘余奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)會(huì)引發(fā)塑性增強(qiáng)和相變強(qiáng)化，有助于分散強(qiáng)度和提高伸長(zhǎng)率，也就是“相變誘導(dǎo)塑性效應(yīng)”。它的塑性比DP、CP和HSS都要高，抗拉強(qiáng)度從590到1190Mpa。TRIP鋼的能量吸收性能和可通過深沖形成復(fù)雜零件，所以可用作汽車擋板、底盤、沖擊梁等等。 馬氏體鋼，馬氏體為基，少量的細(xì)鐵素體和貝氏體相。它的強(qiáng)度很高，范圍從900Mpa 到1700Mpa，但伸長(zhǎng)率較差。PHS鋼（淬硬鋼）的強(qiáng)度更高，最高可達(dá)2000Mpa，但塑性很差。 從第一代先進(jìn)高強(qiáng)鋼可以看到，基本上聚集在靠近X坐標(biāo)的區(qū)域，意味著強(qiáng)度高，但塑性較差。尤其是強(qiáng)度超過1000的先進(jìn)高強(qiáng)鋼可塑性很差，能量吸收能力不足，所以應(yīng)用局限性很大的。因此，第二代先進(jìn)高強(qiáng)鋼興起。 第二代先進(jìn)高強(qiáng)鋼主要有三種，TWIP鋼（孿晶誘發(fā)塑性鋼）、L-IP鋼（誘發(fā)塑性輕型鋼）和高強(qiáng)度奧氏體不銹鋼。其強(qiáng)化機(jī)制主要有2種：相變誘導(dǎo)塑性（TRIP）、孿生誘導(dǎo)塑性（TWIP）。相變誘導(dǎo)塑性是靠奧氏體變形時(shí)轉(zhuǎn)變成馬氏體，進(jìn)而讓鋼變得更強(qiáng)。像TRIP鋼中，奧氏體體積含量大約在10%-15%。而像奧氏體不銹鋼這樣的含量可以達(dá)到100%，所以塑性比前者要高。 TWIP鋼在室溫時(shí)奧氏體同樣可以達(dá)到100%，但鋼材形變時(shí)，高合金元素會(huì)形成孿生。同晶界一樣，孿生帶同樣可以強(qiáng)化。通常，TWIP鋼的伸長(zhǎng)率可以達(dá)到50%以上，而強(qiáng)度大約1000Mpa。 總體而言，第二代高強(qiáng)鋼同時(shí)具有很高的塑性和強(qiáng)度，但是在汽車上應(yīng)用卻有很大限制，只能在高端車上才能覓得身影，因其添加高合金話元素增加了成本。 第一代先進(jìn)高強(qiáng)鋼塑性不好，第二代又太貴，所以大家開始研究強(qiáng)度高、塑性好、價(jià)格還不貴的第三代先進(jìn)高強(qiáng)鋼。目前研究的第三代先進(jìn)高強(qiáng)鋼主要有2種：Q&P鋼（Quenching and Partitioning）和TBF鋼。 QP 鋼是一種具有TRIP 效應(yīng)、 高強(qiáng)度與高塑性配合的馬氏體鋼。Q&P是指淬火配分所謂它的合金元素遠(yuǎn)低于第二代先進(jìn)高強(qiáng)鋼，其組織由殘余奧氏體、鐵素體和馬氏體組成。 與QP鋼一樣，TBF鋼中合金元素也比較低，其主要組織是殘余奧氏體。TBF鋼目前已經(jīng)在汽車白車身上有了應(yīng)用。 此外，還有正在研究中的納米鋼，也屬于第三代先進(jìn)高強(qiáng)鋼的范疇。 值得一提的是，輕量化材料戰(zhàn)爭(zhēng)尚未結(jié)束，鋁合金、鎂合金、復(fù)合材料等新興材料對(duì)鋼鐵既有底盤虎視眈眈，尤以鋁合金的實(shí)力最雄厚。到底鹿死誰手，猶未可知。 本文由材料人網(wǎng)編輯整理。
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