李 麟劉仁東

（1.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200072；2.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院汽車(chē)與家電用鋼研究所，遼寧鞍山 114009）

聯(lián)合研發(fā)先進(jìn)高強(qiáng)汽車(chē)鋼在國(guó)產(chǎn)中檔和高檔轎車(chē)上的應(yīng)用

李 麟1劉仁東2

（1.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200072；2.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院汽車(chē)與家電用鋼研究所，遼寧鞍山 114009）

為解決含鋁相變塑性鋼連鑄時(shí)堵水口問(wèn)題，上海大學(xué)和鞍鋼聯(lián)合課題組經(jīng)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)計(jì)算，成功預(yù)測(cè)了磷可以替代鋁的應(yīng)變誘發(fā)相變作用。與鞍鋼經(jīng)大量試驗(yàn)證實(shí)后，在產(chǎn)線上成功生產(chǎn)并應(yīng)用于一汽奔騰車(chē)型上，為其通過(guò)國(guó)家的C-NCAP碰撞測(cè)試并取得優(yōu)異成績(jī)，作了貢獻(xiàn)。課題組依層錯(cuò)熱力學(xué)計(jì)算，設(shè)計(jì)了具有孿晶誘發(fā)塑性＋相變誘發(fā)塑性的孿晶塑性鋼，并在國(guó)際上首創(chuàng)了轉(zhuǎn)爐冶煉高錳鋼，生產(chǎn)出的熱軋和冷軋孿晶塑性汽車(chē)鋼，性能?chē)?guó)際領(lǐng)先，產(chǎn)品應(yīng)用在一汽一款重點(diǎn)開(kāi)發(fā)的有極重要用途的高級(jí)品牌車(chē)上。課題組在國(guó)際上首先發(fā)現(xiàn)了鋁在鋼中的熱力學(xué)數(shù)據(jù)有嚴(yán)重錯(cuò)誤，在糾正了這些錯(cuò)誤后通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)鋁可大大提高鋼中奧氏體含碳量和相變塑性，由此生產(chǎn)的超高強(qiáng)度相變塑性鋼，當(dāng)強(qiáng)度達(dá)1 023 MPa時(shí)，斷后伸長(zhǎng)率為22%，這已是目前世界上低合金汽車(chē)鋼所達(dá)最高強(qiáng)塑積。

相變塑性 孿晶塑性 汽車(chē)用鋼 轉(zhuǎn)爐 熱力學(xué)

汽車(chē)工業(yè)是近數(shù)十年來(lái)發(fā)展最快的一種工業(yè)，隨著汽車(chē)制造技術(shù)的發(fā)展，對(duì)汽車(chē)用鋼板的要求也愈來(lái)愈高，其性能提升之快令其他鋼種不能望其項(xiàng)背。汽車(chē)用鋼在短短30余年來(lái)，由Mn-Si鋼始、進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了無(wú)間隙原子鋼（IF鋼）、雙相鋼（DP鋼）、相變誘發(fā)塑性鋼（TRIP鋼）、淬火配分鋼（QP鋼）及淬火配分回火鋼（QPT鋼）、馬氏體鋼（Martensitic鋼）、孿晶誘發(fā)塑性鋼（TWIP鋼）、輕質(zhì)鋼（SL鋼）等一系列新型鋼種的爆發(fā)式研發(fā)和生產(chǎn)。所覆蓋的成分由低合金過(guò)渡到高合金，組織由單相組織過(guò)渡到復(fù)雜的多相組織，強(qiáng)度也從低強(qiáng)度過(guò)渡到高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度。強(qiáng)化機(jī)制由單一的固溶強(qiáng)化而發(fā)展成相變強(qiáng)化、亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化、第二相的微調(diào)和控制析出強(qiáng)化等。簡(jiǎn)言之，汽車(chē)用鋼板已發(fā)展成一全新鋼種。本文介紹了上海大學(xué)和鞍鋼集團(tuán)聯(lián)合課題組瞄準(zhǔn)國(guó)際前沿，從基礎(chǔ)研究出發(fā)并將基礎(chǔ)研究成果成功與大生產(chǎn)結(jié)合，創(chuàng)新性地聯(lián)合研發(fā)了高性能的含磷相變塑性鋼、孿晶塑性＋相變塑性鋼和超高強(qiáng)度高塑性相變塑性鋼，并成功應(yīng)用在國(guó)產(chǎn)中級(jí)和高級(jí)汽車(chē)上。

1 相變塑性鋼的研發(fā)及在奔騰汽車(chē)上的應(yīng)用

早在20世紀(jì)30年代Wassermann［1］就曾發(fā)現(xiàn)在鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的Fe-Ni合金中，經(jīng)相變后該合金的斷后伸長(zhǎng)率會(huì)大幅提高。Zackay［2］等在1967年描述了這種發(fā)生在奧氏體鋼中的因相變而引起的塑性增長(zhǎng)，并將其定義為相變誘發(fā)塑性（transformation induced plasticity），簡(jiǎn)稱(chēng)為T(mén)RIP。具有相變塑性的高強(qiáng)鋼同時(shí)也具有好的塑性，達(dá)到了強(qiáng)韌性的很好配合。而同時(shí)具備高強(qiáng)度、高塑性是結(jié)構(gòu)材料的非常誘人的性質(zhì)，所以相變誘發(fā)塑性鋼（簡(jiǎn)稱(chēng)相變塑性鋼）一當(dāng)誕生便引起了汽車(chē)工業(yè)界的關(guān)注。相變塑性的工業(yè)應(yīng)用始于高合金鋼中，但由于價(jià)格昂貴和技術(shù)上的一些困難未能大幅推廣。在1987年Matsumumura［3］等指出，在0.4%C-1.5%Si-0.8%Mn的低合金鋼中也存在相變塑性。該鋼中既無(wú)昂貴金屬，合金Mn含量也少，這就為相變塑性鋼在量大面廣、對(duì)性價(jià)比要求甚高的汽車(chē)工業(yè)的應(yīng)用開(kāi)辟了道路。

但Matsumumura［3］等提出了TRIP鋼中含有高硅以阻止碳化物析出，而保持高的奧氏體穩(wěn)定性和相變塑性。高硅的相變塑性鋼極易在表面形成附著力極強(qiáng)的氧化物，稱(chēng)之謂“紅銹”，使鋼的鍍覆性能大大下降。De Meyer等［4］因此提出了以鋁代硅制造可被熱鍍鋅的相變塑性鋼。繼De Meyer等［4］之后，含較高鋁的相變塑性鋼投入了生產(chǎn)。但由于較高鋁的加入，依當(dāng)時(shí)的冶金技術(shù)，在連鑄時(shí)易析出氧化鋁堵水口而不能正常生產(chǎn)。這使得國(guó)際上對(duì)相變塑性鋼研發(fā)的興趣大減，并影響到企業(yè)對(duì)相變塑性鋼的開(kāi)發(fā)。上海大學(xué)和鞍鋼聯(lián)合課題組［5］在研制新型590、780 MPa級(jí)相變塑性鋼時(shí)，從設(shè)計(jì)成分開(kāi)始便注意避開(kāi)傳統(tǒng)的相變塑性鋼因硅量高而焊接性能差和表面質(zhì)量不合格熱鍍鋅性能差的欠缺，將硅量大大降低。在降低硅量的同時(shí)，為防止?jié)B碳體析出而降低殘奧穩(wěn)定性，添加了可顯著提高碳在滲碳體中活度系數(shù)的磷。磷一方面有阻止?jié)B碳體析出并降低析出動(dòng)力學(xué)的長(zhǎng)處，但另一方面較高含量的磷在晶界的偏聚也會(huì)形成冷脆，引起性能下降。因此需通過(guò)偏聚熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)計(jì)算，來(lái)估算磷偏聚的可能。上海大學(xué)和鞍鋼聯(lián)合課題組成員［5］曾在平衡偏聚理論創(chuàng)始人Guttmann［6］三元系平衡偏聚熱力學(xué)的基礎(chǔ)上導(dǎo)出了適用于復(fù)雜鋼鐵材料的多元系偏聚熱力學(xué)［7－8］，用此計(jì)算以磷代硅，發(fā)現(xiàn)會(huì)發(fā)生磷的晶界偏聚。由于在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，在易產(chǎn)生偏聚的溫度下等溫時(shí)間很短，鋼內(nèi)各元素遠(yuǎn)未達(dá)平衡，因此用Mclean［9］的動(dòng)力學(xué)方程估算在實(shí)際工況下磷元素的偏聚量，得到其在晶界上的摩爾分?jǐn)?shù)約為0.051%，此值很小，所以含磷相變塑性鋼經(jīng)短時(shí)熱處理不會(huì)引起回火脆。經(jīng)雙方在不同地點(diǎn)的大量試驗(yàn)驗(yàn)證后，此鋼在鞍鋼集團(tuán)的產(chǎn)線上投入了生產(chǎn)，徹底解決了連鑄時(shí)堵水口的嚴(yán)重生產(chǎn)問(wèn)題。其產(chǎn)品在日本豐田汽車(chē)集團(tuán)的試驗(yàn)基地進(jìn)行冷脆試驗(yàn)，結(jié)果顯示即使在－60℃下沖擊，也毫無(wú)冷脆發(fā)生。由此進(jìn)行了國(guó)際上獨(dú)創(chuàng)的含磷相變塑性鋼的生產(chǎn)。由于將原來(lái)作為雜質(zhì)處理的磷用為合金元素，該鋼價(jià)格大為下降。鞍鋼生產(chǎn)的TRIP鋼成功應(yīng)用于國(guó)產(chǎn)奔騰中檔轎車(chē)上的側(cè)圍加強(qiáng)板等安全件和結(jié)構(gòu)件上，該車(chē)在C-NCAP碰撞評(píng)價(jià)中取得優(yōu)異的成績(jī)。

2 孿晶塑性＋相變塑性鋼的研發(fā)及在紅旗轎車(chē)上的應(yīng)用

Frommeyer［10］和Grassel［11］等在21世紀(jì)初發(fā)現(xiàn)高錳鋼具有好的成型性、中等的抗拉強(qiáng)度（約600 MPa）和極高的斷后伸長(zhǎng)率（大于80%）［10－11］。該鋼極高的塑性來(lái)自孿晶誘發(fā)塑性，孿晶的形成改變了晶體的位向，使原本受阻的滑移系重新開(kāi)動(dòng)，孿生與滑移的交替進(jìn)行，使材料塑性大增，故稱(chēng)為孿晶塑性鋼。對(duì)目前高檔汽車(chē)用材而言，F(xiàn)rommeyer等［10－11］提出的孿晶塑性鋼的強(qiáng)度600 MPa還偏低甚多。為此重新設(shè)計(jì)其合金成分和工藝，使其既具有孿晶塑性，又可引入相變來(lái)增高強(qiáng)度，使抗拉強(qiáng)度達(dá)到1 000 MPa以上，以滿足高檔汽車(chē)的需求。

著名物理冶金學(xué)家Olson和Cohen［12］指出，可用以下的熱力學(xué)模型計(jì)算層錯(cuò)能：

式中，γSF為層錯(cuò)能值，ρA為面心立方晶體面密度，ΔGγ→ε為γ→ε相變軀動(dòng)力，σγ→ε為相界面結(jié)合力。

應(yīng)用Allain等［13］和Dumay［14］給出的熱力學(xué)參數(shù)計(jì)算，進(jìn)行了材料成分設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)前研究了大量文獻(xiàn)，將以往各作者的工作進(jìn)行了總結(jié)，得出：層錯(cuò)能＜12 mJ／m2易誘發(fā)馬氏體相變，層錯(cuò)能＞18 mJ／m2時(shí)易產(chǎn)生孿晶，只有當(dāng)層錯(cuò)能為12～18 mJ／m2時(shí)，既能產(chǎn)生孿晶，又可誘發(fā)馬氏體相變。因此調(diào)整所設(shè)計(jì)的孿晶塑性＋相變塑性鋼中的Mn、Si、C、Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，既要盡量少地應(yīng)用合金元素以降低成本，又要使其層錯(cuò)能數(shù)值保持在12～18 mJ／m2范圍內(nèi)。對(duì)Fe-Mn-Si-C系的計(jì)算結(jié)果如圖1所示?？梢?jiàn)對(duì)于Fe-18Mn-0.3Si-C系統(tǒng)，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍為0.44%～0.6%時(shí)，奧氏體層錯(cuò)能為12～18 mJ／m2，有望誘發(fā)ε-馬氏體相變以提高強(qiáng)度。中試完成后，在上海大學(xué)和鞍鋼集團(tuán)又進(jìn)行了大量應(yīng)用性能試驗(yàn)如高強(qiáng)鋼的延遲斷裂，異、同種高強(qiáng)鋼材的焊接性能等。由于此類(lèi)性能在材料設(shè)計(jì)的初始階段已予充分考慮，故應(yīng)用性能均佳。

圖1 Fe-Mn-Si-C系層錯(cuò)能估算結(jié)果Fig.1 Calculated stake fault energy of Fe-Mn-Si-C system

圖2 采用自主研發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算的Fe-Mn-Al-C鋼和Fe-Mn-C鋼的相圖Fig.2 Phase diagrams of Fe-Mn-Al-C and Fe-Mn-C calculated with self-made database

經(jīng)驗(yàn)證后上述孿晶塑性＋相變塑性鋼在鞍鋼集團(tuán)投入大生產(chǎn)。由于高錳鋼導(dǎo)熱性很差且粘滯性極強(qiáng)，鑄造時(shí)難度很大。鞍鋼集團(tuán)不但克服了這些困難還在國(guó)際上首創(chuàng)了轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)，這比國(guó)外鋼廠浦項(xiàng)等采用的電爐生產(chǎn)可大為節(jié)省能耗和大大降低鋼材價(jià)格，但控制技術(shù)難得多。生產(chǎn)的熱軋孿晶塑性＋相變塑性鋼的抗拉強(qiáng)度達(dá)1 000 MPa，斷后伸長(zhǎng)率達(dá)60%～70%。冷軋孿晶塑性＋相變塑性鋼的抗拉強(qiáng)度達(dá)1 085 MPa，斷后伸長(zhǎng)率達(dá)80%，強(qiáng)塑積達(dá)86 800 MPa%，此值是冷軋鋼板世界頂尖水平。因?yàn)榘颁撋a(chǎn)的孿晶塑性＋相變塑性鋼優(yōu)異的力學(xué)性能，產(chǎn)品應(yīng)用在一汽一款重點(diǎn)開(kāi)發(fā)的有極重要用途的高級(jí)品牌車(chē)的安全件和結(jié)構(gòu)件上，取得良好的安全效果。

3 超高強(qiáng)高塑性相變塑性鋼的研發(fā)

相變塑性鋼投入生產(chǎn)后，當(dāng)其強(qiáng)度達(dá)980～1 000 MPa時(shí)，斷后伸長(zhǎng)率總較低，且無(wú)兼具高強(qiáng)度高塑性的特點(diǎn)，例如韓國(guó)的浦項(xiàng)鋼廠，當(dāng)強(qiáng)度達(dá)980 MPa時(shí)，斷后伸長(zhǎng)率也僅為14%。但課題組成員在研究含鋁相變塑性鋼時(shí)首先在國(guó)際上發(fā)現(xiàn)［15］，目前所用的鋁在鋼中的熱力學(xué)數(shù)據(jù)全是錯(cuò)誤的，并推出了新的鋁在鋼中的熱力學(xué)數(shù)據(jù)［16］，依這些數(shù)據(jù)計(jì)算所得相圖揭示（如圖2所示）：在Fe-1.5%Mn-0.2%C鋼中若加入1.2%Al，在780℃等溫時(shí)，鋼中奧氏體碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)將由0.29%增大至0.76%，這樣就大大增加了奧氏體的穩(wěn)定性和通過(guò)相變誘發(fā)塑性的能力。

因在目前技術(shù)條件下，含鋁量為1%Al鋼的冶煉已不再是難題。依上述所發(fā)現(xiàn)的原理，上海大學(xué)和鞍鋼集團(tuán)聯(lián)合研發(fā)了低合金的含鋁相變塑性鋼。不需特殊設(shè)備條件，在普通連退線上生產(chǎn)的低合金相變塑性鋼，當(dāng)強(qiáng)度為1 023 MPa時(shí)，斷后伸長(zhǎng)率為22%，比代表國(guó)際先進(jìn)水平的浦項(xiàng)鋼廠同類(lèi)產(chǎn)品的斷后伸長(zhǎng)率14%高出了50%，已為當(dāng)前國(guó)際上超高強(qiáng)度低合金汽車(chē)用鋼的最好性能。

4 總結(jié)

上海大學(xué)和鞍鋼集團(tuán)聯(lián)合攻關(guān)，始終奉行創(chuàng)新精神，瞄準(zhǔn)國(guó)際頂尖水平，將基礎(chǔ)研究和現(xiàn)代化大生產(chǎn)有機(jī)結(jié)合，攻克了重重技術(shù)難關(guān)，歷時(shí)十余年，終于研制出一系列先進(jìn)汽車(chē)用高強(qiáng)鋼，達(dá)到世界領(lǐng)先水平。這些鋼種被成功應(yīng)用在國(guó)產(chǎn)中檔和高檔汽車(chē)上，為輕量化作出實(shí)際的貢獻(xiàn)。

致謝：

本文受973項(xiàng)目（2010CB630802）、國(guó)家自然科學(xué)基金（50934011）和鞍鋼集團(tuán)資助，謹(jǐn)此致謝！

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收修改稿日期：2016-05-06

Application of Advanced High Strength Steel in Middle and High Grade Automobiles by Cooperative Development

Li Lin1Liu Rendong2
（1.School of Materials Science and Engineering，Shanghai University，Shanghai200072，China；2.Automobile＆Home Appliance Steel Institute，Iron＆Steel Research Institute of Ansteel Group，Anshan Liaoning 114009，China）

In order to prevent clogging in the continuous casting process for TRIP steel containing Al at the end of 1900’s，P which exhibits the function of inducing phase transformation，was proved to be the successful substitute for Al after thermodynamic and kinetic calculation by SU and Ansteel.The TRIP steel containing Pwasmanufactured in Ansteel and assembled in“benteng”car which

the first class prize in China C-NCAP contest.Based on stake fault energy calculation，new type of TWIP steelwith both TWIP＋TRIP effectwas designed.This steelwas firstly manufactured in converter in the worldwide scope and its products including hot rolling sheet and cold rolling sheetwere used in themost luxury mode automobile for their superiormechanical properties.Big error of thermodynamic database of Al in steel，which has ever been adopted worldwide，was discovered and new databasewas obtained through optimization.Impressive functions of Al to increase carbon content in austenite soaking in the two phase field and to enhance the TRIP effect were then found after calculation of the steelwith the new database.Based on the discovery stated above，TRIP steelwith extra high strength 1 023 MPa and high elongation rate 22%，reaching the highestquality of low alloy automobile steel，was successfully produced in Ansteel plant.

TRIP，TWIP，automobile sheet steel，converter，thermodynamics

973項(xiàng)目（No.2010CB630802）、國(guó)家自然科學(xué)基金（No.50934011）

李麟，男，教授，從事汽車(chē)鋼研發(fā)和材料熱力學(xué)研究