在過(guò)去的幾十年里，汽車(chē)制造商們面對(duì)尖銳的經(jīng)濟(jì)、政治和社會(huì)條件，使他們重新思考汽車(chē)的設(shè)計(jì)理念和標(biāo)準(zhǔn)，因此對(duì)汽車(chē)用鋼的選擇也有了新的認(rèn)識(shí)與思考［1］。其中節(jié)能減排和安全性是汽車(chē)用鋼設(shè)計(jì)的最主要目標(biāo)，而輕量化設(shè)計(jì)可以滿(mǎn)足上述要求，先進(jìn)高強(qiáng)鋼的發(fā)展也符合上述目標(biāo)的要求。然而，高強(qiáng)度往往意味著低的成形性，阻礙了先進(jìn)高強(qiáng)鋼的廣泛應(yīng)用。因此，除了要提高強(qiáng)度水平外，更多的研究要聚焦于同時(shí)提高強(qiáng)度和塑性以及韌性和抗疲勞性能上。這也促使了先進(jìn)高強(qiáng)鋼的廣泛研究，且基本皆是擬通過(guò)調(diào)控復(fù)相組織的組成來(lái)滿(mǎn)足其應(yīng)用。第二、三代先進(jìn)高強(qiáng)鋼的發(fā)展能滿(mǎn)足1 000 MPa以上高強(qiáng)度級(jí)別的同時(shí)，進(jìn)一步提高了其塑性，雖然現(xiàn)在可以進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)并應(yīng)用于部分車(chē)型中，但與此同時(shí)，其制備工藝復(fù)雜、成本高、工藝窗口窄、成形性和焊接性差等問(wèn)題也接踵而來(lái)。目前急需解決的是成形性差的問(wèn)題，不僅要從提高塑性來(lái)考慮，而且還要擴(kuò)展到更多的成形性能方面，這也是未來(lái)汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)的趨勢(shì)［2］。未來(lái)要根據(jù)不同汽車(chē)零部件的特定需求來(lái)定制不同的性能，而強(qiáng)度和塑性?xún)H是最基本的，要想滿(mǎn)足“工業(yè)4.0”時(shí)代的需求，就必須把輕量化設(shè)計(jì)的概念提升到一個(gè)新的層次上，去“定制”組織—“定制”性能—“定制”產(chǎn)品，這種理念不僅適用于汽車(chē)用鋼，而且對(duì)于整個(gè)鋼鐵材料的發(fā)展均起到一定的推動(dòng)作用。

1 先進(jìn)高強(qiáng)鋼的概念、發(fā)展及應(yīng)用

1.1 先進(jìn)高強(qiáng)鋼的概念

汽車(chē)制造商要滿(mǎn)足原始設(shè)備制造商在性能、燃料消耗、政府對(duì)于安全性與排污的制度和規(guī)定以及經(jīng)濟(jì)方面的要求。汽車(chē)生產(chǎn)商的動(dòng)力和限制如圖1所示［3-4］，這使材料設(shè)計(jì)理念發(fā)生了重大改變。過(guò)去的幾十年里，汽車(chē)制造業(yè)的需求推動(dòng)著一系列先進(jìn)鋼鐵材料的發(fā)展，但同時(shí)也面對(duì)著強(qiáng)度和塑性之間的矛盾，不同汽車(chē)用鋼等級(jí)示意圖見(jiàn)圖2。

圖1 汽車(chē)生產(chǎn)商的動(dòng)力和限制

圖2 不同汽車(chē)用鋼等級(jí)示意圖

如圖2所示，傳統(tǒng)的第一代先進(jìn)高強(qiáng)鋼的強(qiáng)度和塑性呈現(xiàn)相反變化的趨勢(shì)，如IF鋼、BH鋼、C-Mn鋼、HSLA鋼等，隨強(qiáng)度的增加，塑性逐漸降低；而第二代先進(jìn)高強(qiáng)鋼（TWIP鋼）具有高強(qiáng)度和高塑性良好的匹配性能，但由于合金和制造成本高而不能進(jìn)行工業(yè)化應(yīng)用；第三代先進(jìn)高強(qiáng)鋼具有低成本和良好強(qiáng)度和塑性結(jié)合的性能，因此被廣泛研究和部分應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。

1.2 先進(jìn)高強(qiáng)鋼的發(fā)展

一般而言，汽車(chē)用鋼主要分為5個(gè)等級(jí)：普通低碳鋼、低合金高強(qiáng)鋼、第一代先進(jìn)高強(qiáng)鋼、第二代先進(jìn)高強(qiáng)鋼和第三代先進(jìn)高強(qiáng)鋼。第一代先進(jìn)高強(qiáng)鋼以TRIP鋼為代表，打破了傳統(tǒng)的普碳鋼和低合金高強(qiáng)鋼的限制，以TRIP效應(yīng)為核心使鋼的等級(jí)提升，具有更高的塑性。第二代先進(jìn)高強(qiáng)鋼以?shī)W氏體鋼等級(jí)的提升為開(kāi)端，在具有高強(qiáng)度的同時(shí)，依靠TWIP效應(yīng)使之具有極佳的塑性，這對(duì)于汽車(chē)工業(yè)來(lái)說(shuō)具有極大的吸引力。然而對(duì)比第一代先進(jìn)高強(qiáng)鋼，第二代先進(jìn)高強(qiáng)鋼中錳含量為15%～30%，性能優(yōu)異的同時(shí)，成本也急劇增加，但其未來(lái)仍具有較大的發(fā)展空間。第三代先進(jìn)高強(qiáng)鋼主要是在第一代和第二代各自缺陷的推動(dòng)下發(fā)展起來(lái)的，其力學(xué)性能和成本均處于第一和第二代之間，且其發(fā)展也促進(jìn)了微觀(guān)組織多樣化的發(fā)展。

第三代先進(jìn)高強(qiáng)鋼主要是通過(guò)微觀(guān)組織設(shè)計(jì)和調(diào)控來(lái)達(dá)到高強(qiáng)度和高塑性，主要有兩種方式：一種是以增強(qiáng)相和增塑相進(jìn)行配合；另一種是以適中的強(qiáng)韌相-無(wú)碳化物貝氏體為主，如納米貝氏體鋼，具有超高強(qiáng)度和優(yōu)異的塑性［5］。

1.3 先進(jìn)高強(qiáng)鋼的應(yīng)用

近幾年，中錳鋼（Mn含量為5%～10%）由于其較低的成本和較高的強(qiáng)塑性而發(fā)展起來(lái)，其重要的變形機(jī)制為T(mén)RIP效應(yīng)，最終組織主要由退火馬氏體板條和殘余奧氏體組成［5-6］。 Speer［7］提出 QP鋼的概念，即通過(guò)部分淬火產(chǎn)生一定比例的馬氏體，隨后進(jìn)行碳的配分，使碳從過(guò)飽和的馬氏體向奧氏體中擴(kuò)散，QP鋼相比于中錳鋼具有更低的合金成本，采用一定含量的Si、Al，起到抑制碳化物析出的作用，利用Mn、Mo、Ni等元素減少貝氏體轉(zhuǎn)變溫度或延長(zhǎng)其孕育期。QP鋼的最終組織由板條馬氏體及其板條之間的膜狀殘余奧氏體組成，其抗拉強(qiáng)度超過(guò)1 GPa，而且擁有很好的塑性。

隨著先進(jìn)高強(qiáng)鋼的發(fā)展，提高其擴(kuò)孔率顯得尤為重要。擴(kuò)孔率的提升與最終的組織狀態(tài)密切相關(guān)。一般而言，回火馬氏體的擴(kuò)孔率較高，而出現(xiàn)硬度分布不均的多相組織，如貝氏體、殘余奧氏體和二次馬氏體皆會(huì)導(dǎo)致局部應(yīng)力集中，從而降低擴(kuò)孔率，而且，延伸凸緣性能也強(qiáng)烈依賴(lài)于多相組織狀態(tài)，如它們的含量、尺寸、形貌、分布等。圖3所示為不同等級(jí)高強(qiáng)鋼的擴(kuò)孔率隨抗拉強(qiáng)度的變化趨勢(shì)［8］?？梢园l(fā)現(xiàn)，擴(kuò)孔率隨抗拉強(qiáng)度的增加而降低，其中單相組織影響較小，而雙相組織影響較大，因?yàn)閼?yīng)力集中容易發(fā)生在軟相鐵素體和硬相馬氏體之間，擴(kuò)展導(dǎo)致了裂紋，降低了擴(kuò)孔率。

圖3 不同等級(jí)高強(qiáng)鋼的擴(kuò)孔率隨抗拉強(qiáng)度的變化趨勢(shì)

過(guò)去先進(jìn)汽車(chē)用鋼的設(shè)計(jì)理念主要是提高強(qiáng)度，而現(xiàn)在則聚焦于強(qiáng)度和成形性，這是由一維的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)向二維的思路。對(duì)于一個(gè)特定的汽車(chē)零部件，當(dāng)前汽車(chē)制造商使用鋼鐵材料的觀(guān)點(diǎn)是利用其高強(qiáng)度級(jí)別而維持相同成形性。未來(lái)汽車(chē)用鋼的發(fā)展絕不僅限于二維觀(guān)念，而是朝著多維度思路發(fā)展，成形性的表征不僅限于塑性，而是根據(jù)特定的成形工藝要求，設(shè)計(jì)具有不同性能的材料，如深沖性、拉彎性、拉延性、滾軋成形性、凸緣成形性等。現(xiàn)在用戶(hù)的需求也在不斷地變化，他們不再僅聚焦于強(qiáng)度和塑性的同時(shí)提升，還兼顧延伸凸緣性、彎曲角等。所以，未來(lái)汽車(chē)用鋼的設(shè)計(jì)理念應(yīng)根據(jù)不同車(chē)體部件發(fā)展多維度的觀(guān)念，要逐漸弱化通常所說(shuō)的塑性的概念，并將其擴(kuò)展到復(fù)雜的成形性的觀(guān)念。因此，定制不同的成形性是未來(lái)的挑戰(zhàn)和主流。

這種未來(lái)多維度概念的引入必然導(dǎo)致材料在很多性能方面的發(fā)展，如均勻伸長(zhǎng)率、n值、擴(kuò)孔率等。未來(lái)超高強(qiáng)鋼（抗拉強(qiáng)度大于1 500 MPa）的發(fā)展也同時(shí)要求彎曲角、氫脆敏感性等的提高，但目前的微觀(guān)組織類(lèi)型難以同時(shí)提升這些性能，因此，先進(jìn)鋼鐵材料的設(shè)計(jì)必須創(chuàng)新。未來(lái)材料發(fā)展的結(jié)果將擴(kuò)展已知的強(qiáng)度-塑性圖到更多維度圖。圖4為汽車(chē)用鋼發(fā)展多維度性能圖［9］。如圖4所示，強(qiáng)度和整體成形性與局部成形性相聯(lián)系，利用該方法設(shè)計(jì)下一代汽車(chē)用鋼，可稱(chēng)為“第四代先進(jìn)高強(qiáng)用鋼”。

圖4 汽車(chē)用鋼發(fā)展多維度性能圖

2 多維度設(shè)計(jì)的應(yīng)用

2.1 熱處理過(guò)程中的多尺度設(shè)計(jì)

冷軋先進(jìn)高強(qiáng)鋼經(jīng)過(guò)連退或熱浸鍍鋅工藝處理后輸送給下游用戶(hù)，在熱處理過(guò)程中，可以根據(jù)生產(chǎn)線(xiàn)的配置來(lái)調(diào)整工藝，從而獲得所需要的性能。基于適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)成分，最終產(chǎn)品的組織和性能主要由熱處理工藝所決定。圖5為熱浸鍍鋅過(guò)程中的組織演變示意圖。此過(guò)程以冷軋板開(kāi)始，冷軋板組織主要由拉長(zhǎng)的鐵素體和/或不同含量的珠光體、貝氏體、馬氏體及析出物組成。在加熱到退火溫度時(shí)（圖5II），變形的鐵素體發(fā)生再結(jié)晶，隨后開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，并且滲碳體發(fā)生溶解。在相變過(guò)程中，碳從鐵素體向奧氏體中配分，但由于退火時(shí)間短，其它合金元素難以重新分布。上述再結(jié)晶、相變、配分過(guò)程相互重疊，彼此間交互作用，因此各相體積分?jǐn)?shù)、形貌及織構(gòu)等都強(qiáng)烈依賴(lài)于這種交互作用的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。在緩慢冷卻過(guò)程中（圖5III），奧氏體部分轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體，剩余的奧氏體在隨后快速冷卻時(shí)（圖5IV）轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體、貝氏體或成為殘余奧氏體。此外，馬氏體和貝氏體含量可以在后續(xù)回火過(guò)程進(jìn)行修正（圖5IV-V）。

圖5 熱浸鍍鋅過(guò)程中的組織演變示意圖

整個(gè)熱浸鍍鋅生產(chǎn)線(xiàn)將多階段冷卻制度緊密結(jié)合在一起，不同的冶金機(jī)理也在此相應(yīng)發(fā)生，在冷卻階段可以產(chǎn)生復(fù)雜的組織，包括各相的類(lèi)型、含量、分布、形貌、局部成分等，恰當(dāng)?shù)臒崽幚砉に噮?shù)的選擇將為獲得最佳的組織狀態(tài)奠定基礎(chǔ)［9］。為了獲得所期望的綜合性能，化學(xué)成分和工藝條件的選擇必須同時(shí)符合和依賴(lài)于所使用的生產(chǎn)線(xiàn)的配置。因此，想要獲得所預(yù)期的性能，須從成分、工藝、組織、產(chǎn)線(xiàn)配置等多維度進(jìn)行協(xié)同思考與設(shè)計(jì)。

2.2 具有良好成形性（塑性和延伸凸緣性）的汽車(chē)用鋼設(shè)計(jì)

上面提到了熱處理工藝—組織—性能的多尺度設(shè)計(jì)，在此主要集中分析具有良好成形性—延伸凸緣性的多尺度設(shè)計(jì)。在一定的強(qiáng)度水平下，很難同時(shí)獲得最高的伸長(zhǎng)率和延伸凸緣性，下面主要從組織設(shè)計(jì)和合金系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度來(lái)加以分析。性能的最優(yōu)化應(yīng)以高塑性、高強(qiáng)度、高擴(kuò)孔率為標(biāo)準(zhǔn)。但塑性的提高往往意味著擴(kuò)孔率的降低，反之亦然，因此這兩者之間如何平衡將是未來(lái)汽車(chē)用鋼研究的發(fā)展趨勢(shì)。這里列舉3個(gè)鋼種的實(shí)驗(yàn)結(jié)果并進(jìn)行對(duì)比分析，鋼種合金成分見(jiàn)表1。

表1 不同合金系統(tǒng)的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

圖6示出了不同合金系統(tǒng)的性能對(duì)比［10］，由圖6看出，塑性的變化趨勢(shì)與擴(kuò)孔率的變化趨勢(shì)是相反的，不同的合金系統(tǒng)具有不同的優(yōu)異性能。

圖6 不同合金系統(tǒng)的性能對(duì)比

低碳鋼的組織主要由鐵素體和馬氏體組成，其中馬氏體組織細(xì)小，彌散分布于鐵素體周?chē)?。該?shí)驗(yàn)研究中，低碳鋼具有較高的擴(kuò)孔率，這與鐵素體和馬氏體之間較小的硬度差有關(guān)。鐵素體的硬度由于固溶強(qiáng)化而提高，而馬氏體的硬度由于較低的碳含量而降低，故這個(gè)鋼種的延伸凸緣性較好。VNb鋼與CrNb鋼相比，其利用V和Nb的微合金析出物獲得高的均勻和斷后伸長(zhǎng)率以及擴(kuò)孔率，且VNb鋼的晶粒更細(xì)小，VNb鋼的碳化物尺寸在10～50 nm之間，而CrNb的碳化物在 2～50 nm之間，析出物導(dǎo)致的晶粒細(xì)化及析出強(qiáng)化提高了最終鋼材的強(qiáng)度和塑性，但降低了擴(kuò)孔率，不過(guò)整體來(lái)看性能達(dá)到了一個(gè)較好的水平。總之，通過(guò)修正微觀(guān)組織的方法可以提高某一種或某幾種性能，但難以同時(shí)提高所有性能。因此，為了獲得最佳的綜合性能，我們要做的是根據(jù)某一種或幾種主要目標(biāo)的性能來(lái)進(jìn)行合金系統(tǒng)、組織結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)工藝的多維度協(xié)同設(shè)計(jì)與調(diào)控。

圖7 不同表征技術(shù)的組織對(duì)比

性能的改變往往反應(yīng)在組織狀態(tài)上，一般組織狀態(tài)的表征方法有 LOM、EBSD、SEM、TEM、XRD等，圖7為不同表征技術(shù)的組織對(duì)比。利用EBSD中的IQ表征方法可以從亞微米級(jí)別來(lái)區(qū)分不同組織。在最佳塑性條件下的組織中，貝氏體和回火馬氏體含量最低，而殘奧含量最高，這說(shuō)明高比例殘奧含量有利于實(shí)現(xiàn)高塑性。此外，對(duì)于高擴(kuò)孔率來(lái)說(shuō)，其組織更加均勻、細(xì)小，而且回火馬氏體和貝氏體含量更高，KAM圖像也可證實(shí)高擴(kuò)孔率對(duì)應(yīng)更均勻分布的組織，圖8為CrNb鋼在不同熱處理工藝下殘奧含量的對(duì)比，可以看出，殘奧含量在高擴(kuò)孔率和平衡態(tài)下區(qū)別不大。

圖8 CrNb鋼在不同熱處理工藝下殘奧含量的對(duì)比

3 結(jié)論及展望

汽車(chē)用鋼的發(fā)展從普碳鋼到如今的先進(jìn)高強(qiáng)鋼雖然已經(jīng)有幾十年了，但是當(dāng)前的研究熱潮沒(méi)有消退。目前，第一代先進(jìn)高強(qiáng)鋼仍大量應(yīng)用于汽車(chē)上，特別是具有良好成形性的雙相鋼。對(duì)于第三代先進(jìn)高強(qiáng)鋼的研究仍在繼續(xù)，當(dāng)今世界一直在強(qiáng)調(diào)汽車(chē)輕量化，可以通過(guò)提高強(qiáng)度而減少汽車(chē)板的厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)，而這也要以提高成形性或不降低成形性為標(biāo)準(zhǔn)，這里的成形性不僅包括整體成形性（斷后總伸長(zhǎng)率），也包括局部成形性（延伸凸緣性能，可以用擴(kuò)孔率來(lái)表征）。

性能的優(yōu)化可以通過(guò)連退或鍍鋅生產(chǎn)線(xiàn)的工藝參數(shù)調(diào)控來(lái)實(shí)現(xiàn)，即通過(guò)微觀(guān)組織的調(diào)控。汽車(chē)板的研究到目前為止不應(yīng)僅局限于要獲得理想的力學(xué)性能，還要進(jìn)行多維度的協(xié)同設(shè)計(jì)，從全局來(lái)考慮問(wèn)題。在設(shè)計(jì)最終性能的同時(shí)還應(yīng)考慮熱軋、冷軋、連退、鍍鋅、成本效益、焊接性、外觀(guān)及用戶(hù)的感受等，因此關(guān)于輕量化的設(shè)計(jì)主要?dú)w納為以下幾個(gè)方面：

（1）增加強(qiáng)度來(lái)減少汽車(chē)板的厚度；

（2）保持同樣成形性能的條件下提高強(qiáng)度，通過(guò)加入加固組件來(lái)彌補(bǔ)剛度的損失；

（3）在保持整體良好剛度的同時(shí)降低材料密度，這可以通過(guò)引入加固組件或增加彈性模量來(lái)實(shí)現(xiàn)。

通過(guò)復(fù)相組織的研究，我們可以將軟相鐵素體、硬相馬氏體、亞穩(wěn)奧氏體進(jìn)行不同程度的有機(jī)結(jié)合，包括體積、尺寸、分布、形貌、織構(gòu)、穩(wěn)定性等。這又一次打開(kāi)了汽車(chē)用鋼研究的視野和思路，通過(guò)文中所述的多維度協(xié)同設(shè)計(jì)與調(diào)控的理念，必將把未來(lái)汽車(chē)板的研發(fā)推向一個(gè)更廣闊的空間。