魚與熊掌兼得的藝術：三代先進高強鋼

材料人輕量化專欄里很多次提到過高強鋼，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常被提起的產品。不誇張地說，先進高強鋼的應用和發展是危機下的產物。在20世紀70年代之前，當時的汽車用鋼主要性能指標是硬度。在這一方面，高強鋼與軟鋼沒有什麼區別，所以在汽車上應用很少。而到了80年代，汽車業開始講究燃油效率，迫使製造商們開始採用傳統高強鋼。但到了90年代，危機來了！汽車設計者們開始採用鋁合金、鎂合金、纖維複合材來為汽車減重。雖然這些材料的成本比鋼鐵要高，但是燃效和環保的壓力讓汽車製造商們覺得還是值得發展。而當時先進高強鋼成本高、難以焊接，雖然比起傳統高強鋼的韌性高，但是還是難以讓汽車製造商引起興趣。於是，世界鋼鐵協會聯合18個國家、34家鋼企，組成「21世紀超輕量型汽車開發企業集團」，並啟動了一系列項目，試圖通過在以鋼鐵為基本材料的前提下，從結構設計、製造技術、零部件形狀等多方面減輕汽車重量。這裡可能就要問一句了，為什麼鋼鐵如此緊張汽車業呢？誰叫它倆愛得如此深沉呢！中鋼協有數據稱，汽車用鋼目前佔國內鋼產量的8%，而國外是15%。在基建市場疲軟的大環境下，鋼企普遍虧損，唯獨幾個生產汽車板的企業還能賺些錢。要是汽車這塊陣地也丟了，後果可想而知……當然，結果還是很理想的。項目認為，先進高強鋼預計使用比例超過 60%，在不增加成本的前提下，可實現車身減重 35%的目標，同時滿足五星級安全碰撞標準。此後，鋼鐵企業和協會，時不時地論證一番：先進高強鋼才是汽車業輕量化的真愛。車用鋼材，通常可以分成：軟鋼、傳統高強鋼和第一代、第二代、第三代先進高強鋼。他們各自的伸長率和抗拉強度範圍如下圖：

從這個表裡可以看到，軟鋼具有很好的伸長率，意味著加工性能非常好，但抗拉強度最高不過300Mpa以內。軟鋼主要有2個類別：低碳鋼(Mild steel)和無間隙原子鋼（IF steel)。曾經，軟鋼是汽車車身的主宰，但不可避免，軟鋼地位直線下降。傳統高強鋼有BH鋼（烘烤硬化鋼）、CMn鋼、高強度低合金鋼（HSLA），。這些鋼的強化機制往往是固溶強化，強度最高可達800Mpa，比之軟鋼要高出一大截。先進高強鋼的分代是按照組織來劃分。第一代先進高強鋼的組織主要是馬氏體。但有時為了塑性，也會引入其他相。第一代先進高強鋼有DP鋼（雙相鋼）、CP鋼（復相鋼）、TRIP鋼（相變誘導鋼）等等數種。目前先進高強鋼中應用最廣泛的是DP鋼。其微觀組織同時包含軟相鐵素體和硬相馬氏體，鐵素體為基，馬氏體位於晶界或者彌散在晶內，好比在鐵素體的大海中，馬氏體如同一個個小島。正是DP鋼軟硬通吃，所以兼具高強度和良好成形性，主要應用在汽車結構件和安全件上。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。由於馬氏體、珠光體以及析出的複合作用，CP鋼的強度從800到1180Mpa之間，比較適用於防撞桿、保險杠等安全件上。同CP鋼一樣，TRIP鋼的微觀結構也比較複雜。它包含了至少5%的殘餘奧氏體，以及貝氏體和馬氏體。當形變過程中，殘餘奧氏體向馬氏體轉變時會引發塑性增強和相變強化，有助於分散強度和提高伸長率，也就是「相變誘導塑性效應」。它的塑性比DP、CP和HSS都要高，抗拉強度從590到1190Mpa。TRIP鋼的能量吸收性能和可通過深沖形成複雜零件，所以可用作汽車擋板、底盤、衝擊梁等等。馬氏體鋼，馬氏體為基，少量的細鐵素體和貝氏體相。它的強度很高，範圍從900Mpa 到1700Mpa，但伸長率較差。PHS鋼（淬硬鋼）的強度更高，最高可達2000Mpa，但塑性很差。從第一代先進高強鋼可以看到，基本上聚集在靠近X坐標的區域，意味著強度高，但塑性較差。尤其是強度超過1000的先進高強鋼可塑性很差，能量吸收能力不足，所以應用局限性很大的。因此，第二代先進高強鋼興起。第二代先進高強鋼主要有三種，TWIP鋼（孿晶誘發塑性鋼）、L-IP鋼（誘發塑性輕型鋼）和高強度奧氏體不鏽鋼。其強化機制主要有2種：相變誘導塑性（TRIP）、孿生誘導塑性（TWIP）。相變誘導塑性是靠奧氏體變形時轉變成馬氏體，進而讓鋼變得更強。像TRIP鋼中，奧氏體體積含量大約在10%-15%。而像奧氏體不鏽鋼這樣的含量可以達到100%，所以塑性比前者要高。TWIP鋼在室溫時奧氏體同樣可以達到100%，但鋼材形變時，高合金元素會形成孿生。同晶界一樣，孿生帶同樣可以強化。通常，TWIP鋼的伸長率可以達到50%以上，而強度大約1000Mpa。總體而言，第二代高強鋼同時具有很高的塑性和強度，但是在汽車上應用卻有很大限制，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。第一代先進高強鋼塑性不好，第二代又太貴，所以大家開始研究強度高、塑性好、價格還不貴的第三代先進高強鋼。目前研究的第三代先進高強鋼主要有2種：Q&P鋼（Quenching and Partitioning）和TBF鋼。QP 鋼是一種具有TRIP 效應、 高強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低於第二代先進高強鋼，其組織由殘餘奧氏體、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，其主要組織是殘餘奧氏體。TBF鋼目前已經在汽車白車身上有了應用。此外，還有正在研究中的納米鋼，也屬於第三代先進高強鋼的範疇。值得一提的是，輕量化材料戰爭尚未結束，鋁合金、鎂合金、複合材料等新興材料對鋼鐵既有底盤虎視眈眈，尤以鋁合金的實力最雄厚。到底鹿死誰手，猶未可知。本文由材料人網編輯整理。
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