第三代汽车钢的组织与性能调控技术

1第三代汽车钢的组织与性能调控技术董瀚，曹文全，时捷，王存宇，王毛球，翁宇庆中国钢研科技集团公司钢铁研究总院先进钢铁材料技术国家工程研究中心，北京100081摘要：本文介绍了第三代汽车钢的基础研究与工业试制工作。对国内外高性能汽车钢的进行了回顾总结，在以“多相（Multi-phase）、亚稳（Meta-stable）、多尺度（Multi-scale）”（简称M3）为特征的组织调控理论的指导下，提出了高强塑积第三代汽车钢的超细晶基体与亚稳相的组织调控思路，采用了新型中锰合金化和逆转变奥氏体(austeniterevertedtransformation,ART)退火的技术思路。详细介绍了第三代汽车钢的基础研究进展及工业试制结果，内容包括奥氏体逆转变退火机理、超细铁素体与亚稳奥氏体的双相形成规律、高强塑积汽车钢的力学行为及其强塑化机理、第三代汽车钢的工业试制流程及其服役性能和在汽车的应用技术与前景。本文介绍的研究结果形成了以高强度和高塑性为特征的高塑积第三代汽车钢的原型钢技术，为汽车轻量化与碰撞安全性能的提高奠定了材料技术基础。关键词:第三代汽车钢，M3组织调控，逆转变退火，超细晶组织，高强塑积OntheMicrostructureandPerformenceControlTechnologyofthe3rdGenerationAutoSheetSteelsDONGHan,CAOWenquan,SHIJie,WANGMaoqiu,WENGYuqingNationalEngineeringResearchCenterofAdvancedSteelTechnologyCentralIron&SteelResearchInstitute,Beijing100081Abstract:Thefundamentalresearchandindustrytrialsofthe3rdgenerationautomobilesteelswasintroducedinthispaper.MotivitatedbythetheoryofmicrostructurecontrolcharacterizedbyMulti-phase,Meta-stableandMulti-scale(calledM3simply),summaryandreviewofthehomeandabroadautomobilesteelswerecarriedout,whichledtotheideamicrostructurecontrollingcharacterizedbyultrafinegrainedmatrixandmetastableaustenitephaseandtheapproachesofmediummanganesealloyingandausteniterevertedtransformationannealingfortheresearchanddevelopmentofthe3rdgenerationautomobilesteel.Thefundamentalresearchandindustrytrialswereintroducedindetails,whichincluded2themechanismofausteniterevertedtransformation,microstructureevolutionoftheultrafinegrainedferriteandaustenitedualphasestructure,mechanicalbehaviorsandductility-enhancingmechanism,industrytrialprocess,serviceperformanceandapplicationtechnologiesandprospectsofthe3rdgenerationsteels.Itwasconcludedthatthisstudyformstheprototypetechnologiesofthethirdgenerationautomotivesheetsteel,whichprovidesthetheoricalandtechnologicalbasementfortheweightlighteningandsafety-improvementoftheautomotivesteelsinmaterialsaspect.Keywords:thirdgenerationautomobilesteels,M3typedmicrostructurecontrol,ART-annealing,highproductofstrengthtoductility1、高强度汽车钢需要改善塑性汽车的发展方向是轻量化、降低燃油消耗、减少排放和提高安全性[1-6]，从而对占汽车质量70%左右的汽车钢也提出了更高的要求，带动了汽车钢的发展。有研究报道，汽车钢（本文汽车钢特指汽车薄板钢）的平均屈服强度经过仅仅10年的发展，从1994年的约170MPa已经增加到2005年的约300MPa，而且未来会向更高强度的方向发展[7]。可以说，目前汽车上大量应用的一些汽车钢在10年前还没有出现。由于汽车钢的生产和应用数量较大，汽车钢的技术发展日新月异，所以汽车钢的数量和技术水平从一定程度上代表了一个国家的钢铁工业发展水平。表1给出了北美学者的一个研究报告。该报告认为，20世纪80年代汽车厂家主要考虑汽车钢的成本、成形性能和耐腐蚀性能，这对应着当时的IF钢和镀锌钢板；90年代主要考虑汽车钢的成本和碰撞安全性，当时汽车钢的代表主要是HSLA钢、C-Mn钢和BH钢。21世纪初的前10年主要考虑汽车钢的成本、节能和碰撞安全性，这时的汽车钢代表为DP钢、TRIP钢和热成形钢。而未来的10年人们将主要考虑如何提高汽车钢的碰撞安全性、节能效果与成本，人们预计未来的汽车钢将是同时具有高强度和高塑性的新一代汽车钢[8]。表1汽车主要设计目标、关键性能特点与研发的相应汽车钢类别Table1Thekeydesign,keypropertiesandcorrespondingsteelsusedinautomobiles年代主要设计目标关键性能特点对应研发钢类别1980造价/成型/耐蚀刚度IF钢、镀锌板31990造价/碰撞性能刚度低合金高强度钢/C-Mn钢/BH钢2000造价/节能/碰撞性能防碰撞双相钢/TRIP钢/热成形钢2020碰撞性能防碰撞第三代先进高强钢/TWIP钢等减重、节能、减排可以通过提高汽车材料的强度或降低材料的密度来实现。提高安全性主要通过车身本身的合理设计及选择具有高撞击能量吸收能力的材料，即高强高塑材料[1]。塑性的高低也是钢的成形能力的一个重要指标，良好成形能力可以用来制备较为复杂的汽车零件。另外汽车钢生产成本也是一个重要应用因素。未来汽车钢的发展应该向高强度、高塑性、低成本和易加工成形等方向发展。针对汽车的轻量化和高安全性能的要求，可以设想未来的汽车用钢铁材料不是一味的追求强度而忽略塑性，也不是一味的追求塑性而降低强度。而应该是一个具有强度和塑性良好结合的一个新一代钢铁材料。这要求新型汽车用钢不但可以通过高强化来达到汽车的轻量化，而且需要较高的塑性来提高钢的成形能力和汽车的碰撞安全性能。为了直观而准确地描述这种高强高塑性钢材，美国学者Krupitzer和Heimbuch率先提出了具有高强塑积性能（即抗拉强度(Rm)与塑性(A)的乘积）的第三代汽车钢的概念，作为未来新型汽车钢的研发方向[7]。强塑积作为汽车用钢的一个综合性能指标，它直观地表达了汽车用钢成形能力和碰撞中吸收形变能大小的一个参数，因而越来越受到材料研究人员和汽车设计人员的重视。由于汽车用钢量大而且质量较高，高性能汽车用钢的发展水平也代表了一个国家整个钢铁研究和生产水平的重要标志。因而目前世界范围内掀起了对具有高强塑积的第三代汽车钢的研发热潮。需要强调的是第三代汽车钢不是单纯的追求钢的强度，而是钢的强塑积，即较高的塑性和较高强度相结合的综合力学性能。近20-30年，汽车用钢的得到了发展迅速[7-10]。比如上世纪九十年代的低强高塑的无间隙原子钢(Interstitial-Freesteel,IF)和烘烤硬化钢(Bakehardeningsteel,BH)到今天更高强度的双相钢(Dualphasesteel,DP)、相变诱导塑性钢(Phasetransformationinducedplasticity,TRIP)和热成形马氏体钢。现在世界各国又在研发具有孪生诱导塑性(Twinninginducedplasticity,TWIP)的超高塑性的奥氏体钢和TWIP高强钢。根据国际上对超轻钢汽车用钢的研究，将抗拉强度(Rm)小于270MPa的钢板称为低强度钢板，抗拉强度在270-700MPa的为高强度钢，而抗拉强度在700MPa以上的为超高强度汽车钢板。图2示出了各种钢的应力应变曲线及其抗拉强度与伸长率(A)之间的关系。根据强塑积(RmxA)的大小，人们将强塑积为10-20GPa%的IF钢、DP钢、TRIP钢和马氏体钢等4汽车用钢称为第一代汽车用钢，而将强塑积为50-70GPa%的奥氏体钢和TWIP钢称为第二代汽车用钢。美国学者在第一代汽车用钢和第二代汽车用钢之间（性能与成本）提出了第三代汽车用钢的概念，即性能和成本均介于二者之间的新型汽车用钢[7]。通过图1可以看出，第一代汽车用钢的抗拉强度可以从IF钢的300MPa提高到马氏体钢的2000MPa,甚至更高。但是它们的塑性基本上随抗拉强度的提高而降低。具体来讲抗拉强度为300MPa的IF钢，它的延伸率可以达到45%左右。而2000MPa的马氏体钢的延伸率则低于10%。可以说具有较低强塑积的第一代汽车钢已经不能满足汽车工业未来发展对轻量化和高安全的双重要求。对于第二代汽车用钢，它的抗拉强度在800-1000MPa的水平上，其塑性可以达到50-90%的优良塑性性能。由此可见，第二代汽车用钢的强塑积远远高于第一代汽车用钢，表明第二代汽车用钢具有非常高的碰撞吸能能力与良好的成型能力。但是相比于合金含量小于5%的第一代汽车用钢，第二代汽车用钢添加了大量的Cr、Ni、Mn、Si、和Al等合金元素，其总合金含量高达25%以上，导致其成本较高、工艺性能较差及冶金生产困难较大。为了适应节约资源、降低成本、汽车轻量化和提高安全性的要求，迫切需要研发具有成本接近第一代汽车用钢而性能接近第二代汽车用钢的低成本高强高塑第三代汽车用钢。可以说低成本和高强塑是对未来汽车用钢发展的一个基本定位。0.00.20.40.605001000150020002500TRIP600钢IF钢双相不锈钢TWIP钢Q&P钢马氏体钢工程应力(MPa)工程应变(a)图1各种汽车用钢的力学性能总结(a)第一代、第二代及处于研发阶段的新型第三代钢铁结构材料的应力应变曲线比较和(b)各种汽车用钢的塑性与抗拉强度间的关系(箭头表示未来第三代汽车钢的研发方向)Fig.1Summaryofthemechanicalpropertiesofdifferentautomobilesteels(a)Comparisonoftheengineeringstress-straincurvesofthe1st,2ndandthein-developed3rdgenerationautomobilesteelsand(b)Relationshipoftheductilityandtensilestrengthof1stand2ndgenerationautomobilesteels,inwhichthearrowindicatestheR&Ddirectionofthe3rd5generationautomobilesteel.在汽车轻量化和安全性标准不断提高的背景下，自上世纪末欧洲各国就掀起了基于超轻壳体轿车计划的先进高强钢的多边联合研究。而美国也在2007年提出了并启动了为期三