在汽车轻量化的同时，提高安全性成为汽车工业发展的必然趋势。高强度钢和先进高强度钢是既能保证汽车轻量化，又能提升和保证汽车安全性的性价比高的现代汽车制造材料。为此，国内外的研究机构以及钢铁企业加大了高强以及超高强汽车用钢的研究与开发。本文针对目前研究较多的Q·P钢、中锰钢、超级贝氏体钢、δ-TRIP钢以及热冲压成形钢的最新研发进展进行介绍。

      随着汽车产量和保有量的不断增加，在给人们出行带来方便和拉动经济增长的同时，也产生了环境污染等问题。汽车轻量化是降低汽车油耗和排放最直接和最有效的手段。实验和研究表明，乘用车自重每下降10%，其油耗和排放都会降低6%-8%。对新能源汽车，由于电池的增重和电池功率比的限制，其轻量化更为重要。为满足各国政府不断出台的日益严格的安全法规，在汽车轻量化的同时，提高安全性成为汽车工业发展的必然趋势。高强度钢（HSS）和先进高强度钢（AHSS）是既能保证汽车轻量化，又能提升和保证汽车安全性的性价比高的现代汽车制造材料，是其他材料难以替代的材料。国际钢协“世界汽车用钢联盟”项目未来钢制汽车FSV计划的研究结果表明，在不增加生产成本的前提下，通过大量使用先进高强钢（97%的应用比例）和先进制造技术，可以在满足碰撞安全要求的同时，较标杆车实现35%的白车身减重。FSV项目体现了钢铁产品持续不断的轻量化潜力。钢铁材料占汽车重量的70%-80%，开发高强度钢板，提高高强钢应用比例，可以有效减轻车身重量。

      近年来，为满足汽车轻量化发展的需求以及汽车板的各种性能要求，高强度钢和先进高强度钢近年来发展很快。目前第一代先进高强度钢已在汽车上广泛应用，并对汽车轻量化发挥了非常重要的作用。但第一代先进高强度钢的强度、塑性与强塑积等还不能满足汽车安全性与能源节约的要求。而第二代先进高强钢由于合金元素含量高，其生产成本高，而且其工艺性能与使用性能差，未能批量应用。为此，针对第一代先进高强度钢塑性低与第二代先进高强度钢成本高、工艺性能较差，国内外对第三代先进高强度钢开展了大量的研究与开发。下面对目前研究较多的几种典型钢种进行阐述。

      1 Q·P钢

      近几年，研究者提出了一种新工艺——淬火-配分（Q·P），淬火-配分工艺是在带钢发生部分马氏体相变后将其进行等温配分处理，使得碳元素从马氏体中扩散到未转变的奥氏体中，从而提高奥氏体的稳定性。虽然马氏体钢淬火后通过回火可以得到较高的强度和相对好的韧性，但因其塑性较低制约了马氏体钢的广泛应用。为此，在无碳化物贝氏体钢的研究基础上提出马氏体钢淬火 （碳）配分的热处理工艺（图1），即将钢在奥氏体化温度（T_A）淬火到Ms-Mf之间的某一温度（T_Q），再在此温度或高于此温度（T_P）保温，使碳从马氏体向未转变的奥氏体中扩散并使之稳定化，最后淬火到室温，得到由马氏体和残余奥氏体组成的、具有高强度和较好塑韧性的组织。在该热处理工艺中，当T_p=T_Q时，为一步法Q·P工艺；当T_p>T_Q时，为两步法Q·P工艺。该工艺通过加入Si或Al、P元素来抑制碳化物的析出，以保证碳的再配分。Q·P钢的显微组织主要是由马氏体基体和残余奥氏体双相复合而成。对于含碳量较低的钢，经Q·P处理后其显微组织为典型的板条马氏体和马氏体条间的薄膜状残余奥氏体组成。Q·P钢属于第三代先进高强度钢，可以达到的力学性能范围为抗拉强度800-1500MPa，伸长率15%-40%。Q·P钢具有高强度与高塑性匹配，具有良好的应用前景。

      2010年，宝钢全球首次实现第三代先进高强钢980MPa Q·P钢 （淬火延性钢）的工业化生产，并于2012年在一汽轿车实现了批量供货。而且，2013年宝钢全球首次成功开发热镀锌980MPa Q·P钢。2015年，宝钢第一卷Q·P 1180GA钢成功下线，实现全球首发。Q·P 1180GA钢板在达到1200MPa的超高强度的同时，具有15%以上的高延展率，更是首次实现了980MPa强度以上级别高强钢的锌层合金化，具有更好的焊接性能、涂着性能、耐热性和耐腐蚀性，既能满足不同汽车用户的用材需求，也为实现汽车行业的轻量化发展和车辆全生命周期的节能减排提供了有力支撑。目前，宝钢正在加紧研发1300MPa级冷轧和1300MPa级热镀锌Q·P钢。此外，鞍钢在传统产线（非高强钢专用生产线）上实现了980MPa级Q·P钢的工业化生产，并成功冲压出B柱加强板等零部件。

      近年来，在Q·P工艺的基础上，提出了一种淬火-碳分配-回火（Quenching-Pa r t i t i oni ng-Temper i ng，Q-P-T）的新型热处理工艺，该工艺的实质是在回火过程中析出Nb、V、Ti等碳化物来进一步提高钢的强度。宝钢所研究的中碳Q-P-T钢的抗拉强度超过2000MPa，其伸长率超过10%。

      2中锰钢

      无论是第一代汽车钢中的DP钢和TRIP钢，还是第三代汽车钢中的Q·P钢，都有一个共同的特点，那就是通过碳的配分，实现奥氏体富碳，从而稳定奥氏体。依靠碳的配分，需要钢中含有较高的碳含量才能获得大量的亚稳奥氏体，所以普通的TRIP钢和Q·P钢中的奥氏体含量一般不会大于15%，无法将亚稳相的含量调控到较高的水平。而将钢中的碳含量调高到0.4%以上的水平又会显著恶化钢的焊接性能。所以，仅仅依靠碳配分来进行亚稳相调控存在很大的局限性。由此得到启示，研发高强高塑汽车钢必须走复合配分与亚稳控制的思路。为此，提出了利用逆相变原理，通过碳锰复合配分控制亚稳奥氏体含量的中锰钢研发思路。该研发思路是通过中锰合金化，利用C和Mn在逆相变过程中的复合配分到奥氏体中，形成BCC与FCC的复合组织，其中基体与奥氏体均是亚微米的晶粒尺寸，奥氏体的含量为20%-40%。

      目前，浦项科技大学、科

      罗拉多大学和中国的钢铁研究总院，宝钢、华中科技大学、北京科技大学等均对以中锰钢为代表的第三代汽车用钢的成分、组织、性能以及生产工艺进行了深入的理论和实验分析，并取得了一定的研究成果。实验研究的中锰钢的成分设计为C的质量分数为0.1%-0.6%，Mn的质量分数为4%-12%。为提高逆相变退火时残余奥氏体的稳定性，部分学者在中锰钢中加入了Si、Al，二者的质量分数基本控制在1.5%-3.0%范围内。此外，少数研究中添加了Mo和微合金化元素V，旨在提高晶界强度和细化基体晶粒尺寸。研究发现，在中、低碳范围内，新型汽车用中锰钢的强塑积主要取决于钢中的锰含量，其随锰含量的增加而显著增大。而且，制定合理的加工、退火工艺能使中锰钢中获得大量稳定的残余奥氏体。目前已报道的中锰钢的实验流程为：浇铸-均匀化-锻造-逆相变退火和浇铸-均匀化-锻造-均匀化-热轧-冷轧-逆相变退火。对于Fe-0.2C-（5-7）Mn钢，其均匀化温度一般控制在1250℃左右，保温时间一般2h，目的是缓解Mn、C元素的宏观偏析，提高组织和成分的均匀性。中锰钢的热锻温度一般控制在1200-850℃之间，锻后的试样在750℃保温30min进行奥氏体均匀化处理，然后淬火。逆相变退火控制在两相区，退火时间为1min-12h不等，最后空冷获得以亚稳态的奥氏体和铁素体为主的双相组织。钢中锰的质量分数处于中、低范围（4%-8%）时，逆相变处理后基体中残余奥氏体的体积分数一般小于50%，且由于其堆垛层错能较低，使其在形变时不足以形成TWIP效应，塑性变形机制以TRIP为主。目前研究的中锰钢的热轧初轧温度一般控制在1150-1125℃，终轧温度控制在800-930℃。这就意味着中锰钢热轧控温制度与常见钢种差异不大，即可采用常规热轧机对其进行热加工。逆相变退火处理是新型中锰钢的必备工艺，其退火温度在575-800℃之间，退火时间1min-168h不等。采用不同成分中锰钢轧制—退火后对比发现，不同工艺处理后中锰钢的强度、塑性差异很大，强塑积在20-60GPa·%范围内。值得注意的是，当钢中锰的质量分数较高时（8%-12%），逆相变退火后残余奥氏体的体积分数一般超过50%，而强塑积也在50GPa·%以上。根据已有研究，残余奥氏体在形变时同时发生TRIP-TWIP效应是提高中锰钢拉伸性能的主要因素。

      值得欣喜的是，2015年6月，宝钢成功开发出冷轧CR980MPa级、热镀锌GI 980MPa级和热镀锌GI 1180MPa级中锰钢。目前该钢种已用于“后地板左右连接板”零件的工业试制。由于该钢种强度在980MPa以上的同时，塑性与低强度的先进高强钢相当，因而适用范围比一般超高强钢更为广泛，其应用前景包括汽车A柱、B柱、防撞梁和门槛加强件等众多车身结构件。

      3超级贝氏体钢

      贝氏体钢是一种具有较高强度和良好韧性的钢种，一直是钢铁材料界的研究重点。经过十几年的研究，已经开发出低合金贝氏体钢以及高性能低碳贝氏体钢。近年来，一种具有良好强韧性能的高强度贝氏体钢受到钢铁界的重视，目前这种新型贝氏体钢统称超级贝氏体钢。超级贝氏体钢的基本合金元素为C-Mn-Si，通过300-500℃低温相变得到超细贝氏体、马氏体和残余奥氏体组织。对于超级贝氏体钢，为了保证超高强度和良好的强韧性能，以及保证贝氏体的低温转变，通常需要添加较多的C、Mn、Si元素，这些元素一方面可以提高钢材的强度，降低贝氏体转变开始温度B_s和马氏体转变开始温度Ms，另一方面也会影响材料的焊接性能，同时锰含量过高也容易引起成分偏析。高硅是为了抑制碳化物从奥氏体中析出，从而避免在贝氏体铁素体板条间形成脆性相渗碳体。富碳的奥氏体稳定性很强，在贝氏体相变过程中会以薄膜状残余奥氏体的形式分布在贝氏体铁素体板条之间，从而达到改善钢材韧性的目的。由于贝氏体形成条件比较苛刻，为了避开高温先共析铁素体或珠光体转变，贝氏体转变往往需要一个比较大的临界冷却速度，冷却到贝氏体转变区间等温发生贝氏体转变。为了减小临界冷却速度，增加贝氏体的淬透性，促进贝氏体相变，其措施是在C、Mn、Si元素的基础上添加一定量的合金元素，如Ni、Cr、V、Mo等，这些合金元素的添加可以降低C、Mn等元素的含量，改善钢材的焊接性能，但增加了贝氏体钢的生产成本。

      清华大学研究了Fe-0.25C-2.5Mn-1.8Si-0.5Cr贝氏体和马氏体复相钢的组织和性能，所研究钢种的组织由超细贝氏体、马氏体以及分布于贝氏体板条间富碳残余奥氏体组成，钢的抗拉强度为1500MPa，伸长率为13%。加拿大McMaster大学与安赛乐米塔尔公司合作研发了一种不含其他合金元素的C-Mn-Si超级贝氏体钢。在没有加入Cr和Mo等合金元素的情况下，采用热处理的方法，在300℃下转变90min，可获得屈服强度1165MPa、抗拉强度1715MPa、伸长率达14%的力学性能。获得的贝氏体板条的宽度约为300nm。英国剑桥大学和西班牙国家冶金研究中心在以前的研究基础上一起合作，以增加Mn含量、改变Cr的含量、减少Ni的使用为指导思想，设计了新型低Ni贝氏体钢，Mn和Cr可以增加奥氏体稳定性、降低贝氏体相变开始温度（B_s），Mo可防止脆化相生成。这种贝氏体钢经过加速冷却后再空冷即可获得贝氏体组织，获得的贝氏体板条宽度约为300nm，得到的超级贝氏体钢屈服强度约为1200MPa，抗拉强度约为1600MPa。此外，对于纳米级的条状贝氏体铁素体和残余奥氏体的混合组织及性能展开了相应研究。结果表明,将所设计的C含量为0.8%左右的合金钢经200-300℃等温处理数小时（最长为96h）后发现,实验钢的最高抗拉强度为2200MPa,延伸率可达30%,组织为板条状贝氏体铁素体与残余奥氏体的混合组织。

      超级贝氏体钢的几十到数百纳米级的超细贝氏体、马氏体的组织结构决定了其超高强度，组织中薄膜状的残余奥氏体且无脆性相渗碳体使其同时具有良好的韧性。但贝氏体转变时间长达数天乃至十几天这一缺点限制了其在工业生产上的应用。为了加快贝氏体低温转变时间，开发了含Co和Al的超级贝氏体钢，添加Co和Al可以缩短贝氏体转变时间，但低温贝氏体转变时间仍然长达十几小时。因此，如何缩短低温贝氏体转变时间是今后的一个主要研究方向。目前缩短转变时间有两种方法，一是添加贵重的合金元素，如Co等贝氏体相变促进元素等，这将增加生产成本。另外一种方法是通过变形促进贝氏体低温转变。奥氏体形变对贝氏体相变动力学的影响是个复杂的课题，这也是今后的一个重要研究内容。

      4δ-TRIP钢

      研究人员设计了一种Fe-0.4C-0.5Si-2.0Mn-2.0Al-0.5Cu-0.02P（质量分数）合金，经临界区退火和贝氏体等温相变的热处理后可获得约含40%（质量分数）残余奥氏体的TRIP钢。设计的此种合金成分在平衡相图中，在任意温度下都不能获得100%奥氏体组织，即δ铁素体在凝固之后的整个固态相变过程中均不会完全消失。经常规TRIP钢热处理工艺（奥氏体等温淬火）后，含有大量枝晶δ铁素体的组织转变为枝晶δ铁素体与贝氏体（铁素体与残余奥氏体片层交替组织）。其在铸态下未经任何轧制细化晶粒的条件下，热处理后即可获得较好的力学性能，强度约1000MPa，延伸率约为22%。该材料的δ铁素体取代了传统TRIP钢中α铁素体，因此被命名为δ-TRIP钢。除较好的力学性能外，δ-TRIP钢中只含有少量的Si元素，可避免热轧和镀锌时的表面问题，因此认为具有潜在的工业应用可能性。此外，有人研究了高Al-TRIP钢（质量分数为3%-5%Al），其热轧态和热处理态下均有大量δ铁素体存在，其热处理后的显微组织为α铁素体、δ铁素体、贝氏体（板条铁素体 薄膜状残留奥氏体）以及块状残留奥氏体的复合组织。由于Al的添加，可降低钢铁材料密度4.5%-8%，从而可以更加有效地实现了轻量化，而且高Al-TRIP钢因其高Al含量而能获得超高延性，且可电阻点焊，因此δ-TRIP钢作为第三代汽车钢产业化前景较好。目前，宝钢正在开发590MPa、780MPa、980MPa级冷轧和热镀锌δ-TRIP钢。

      5热冲压成形钢

      钢板热冲压新技术是一种将特殊的高强度钢板加热到奥氏体温度范围，快速移动到模具，快速冲压，在压机保压状态下通过模具（而不是空气）对零件进行淬火冷却（并要保证一定的冷却速度），最后获得超高强度冲压件（组织为马氏体，强度在1500MPa左右甚至更高）的新型成形工艺。该技术需要一种特殊的高强钢，这种钢初始抗拉强度在400-600MPa左右，奥氏体化以后通过快速淬火处理，可以得到马氏体组织，其强度能达到1500MPa，甚至更高。自2000年安赛乐米塔尔开发出高强度热冲压成形钢以来，热冲压成形技术迅速推广，热成形构件产量迅速增长。2013年全世界已有159条热成形机组，大部分集中在欧洲和北美，而热冲压构件产量已达到4.5亿件。美国福特公司2010年版福克斯车型中，热成形构件占白车身重量的26%。瑞典沃尔沃公司预计热成形构件在其成型白车身中的饱和极限重量比将达到45%。德国大众汽车公司建起了多条热冲压成形生产线，在新车型中大量采用热冲压构件。我国长春BENTLER、昆山GESTAMP、上海BENTLER、上海COSMA和上海宝钢热冲压零部件有限公司建有热冲压生产线，而且武钢研究院建有一条热冲压成形试验生产线。预计我国的热冲压成形生产线将在近期内得到迅速发展。目前，宝钢、武钢、本钢、华菱正加紧热冲压成形钢的开发。宝钢已开发出抗拉强度高达1200MPa和1500MPa的冷轧热冲压成形钢。而且，该公司开发的抗拉强度高达1500MPa的镀层（GI和GA）热冲压成形钢已完成大生产试制。目前，该公司正在开发抗拉强度高达1800MPa的冷轧、镀层热冲压成形钢。武钢开发的1300MPa和1500MPa级热成形钢，碳含量为0.20%-0.23%，室温下组织为铁素体渗碳体，抗拉强度约为500MPa，伸长率约为26%。热成形后获得全马氏体组织，实物零件强度达到1350MPa以上，同时可获得4.5%以上的伸长率。安赛乐米塔尔是世界上首家提供带铝硅涂层热冲压成形钢Usibor^?1500的钢铁生产商。该产品现在已授权华菱安赛乐米塔尔汽车板有限公司生产。Usibor^?1500是一种适用于汽车结构件和安全件制作的热成形钢种。与常规冷冲压件相比，热冲压后的最终部件具有非常高的机械强度，能够降低30%至50%的重量，而且无回弹。另外，本钢集团研发出PHS1500冷轧退火热冲压成形钢，并成功应用在国产某大型汽车品牌高档轿车上，零件屈服强度达到1200MPa以上，抗拉强度达到1500MPa以上。超高强度热冲压成形钢是未来汽车用钢一个发展方向，特别是带镀层的热冲压成形钢，未来用量可能会有较大的提升。

      （任秀平）