第45卷 第8期 2010年8月
钢铁
Iron and Steel
Vol.45,No.8
August 2010
康永林, 陈贵江, 朱国明, 宋仁伯
(北京科技大学材料学院，新金属材料国家重点实验室，北京100083)
摘 要：针对目前国内外汽车发展现状及对汽车用高强钢使用性能的需求，综合分析了先进高强钢研究开发的热点和发展趋势，重点分析了新一代先进高强钢的变形行为、成形技术及成形性、构件碰撞性能的研究和应用现状，对未来发展进行了展望。同时指出，在先进高强钢(A HSS )的开发和应用上，面对来自客户和加工制造方面的挑战，需要搞清和解决先进高强钢微观组织的精细构成特征与变
形过程中微观缺陷形成发展的内在规律、高强钢板在动态变形条件下的变形行为表征、高强钢板构件碰撞性能科学评估方法及体系。形成新一代汽车用先进高强钢的成形及应用技术基础，为实现以节能减排和安全性为标志的新一代汽车用先进高强钢在中国的加快发展和应用打下坚实的基础。
关键词：汽车；先进高强钢；成形；节能；安全
中图分类号:T G142 文献标志码:A 文章编号:04492749X (2010)0820001206
Forming T echnology and Application of N ew G eneration
Advanced High Strength Steel for Automobile
KAN G Y ong 2lin , C H EN Gui 2jiang , ZHU Guo 2ming , SON G Ren 2bo
(School of Materials Science and Engineering ,State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials ,
University of Science and Technology Beijing ,Beijing 100083,China )
Abstract :With a view of the current status of automotive development of both at home and abroad a
nd performance needs of high strength steel for automotive ,hot spots of research and development for advanced high strength steel (A HSS )were comprehensively analyzed.In addition ,research and application situation of deformation behavior ,forming technology and formability ,components crashworthiness of the new generation of advanced high strength steel were selectively analyzed ,and the prospect for the f uture development was also forecast.At the same time ,faced with customers and manufacturing challenges of development and application of A HSS ,it was required to i 2dentify and solve the inherent laws between the fine constitutive characteristics of A HSS microstructure and micro 2defect formation and development ,deformation behavior characterization of dynamic deformation for high strength steel plate ,method and system for scientific assessment of crashworthiness for high 2strength steel components.And the forming and application technology of the new generation advanced high strength steel for automobile can be ob 2tained ,to speed up development and application of the new generation advanced high strength steel for automobile marked with both the energy conservation and emission reduction ,and safety in China.K ey w ords :automobile ;advanced high strength steel ;forming ;energy conservation ;safety
基金项目：国家863资助项目(2009AA03Z518)
作者简介：康永林(1954—)，男，博士，教授; E 2m ail :kangylin @ustb.edu ; 收稿日期:2010203
202
2009年中国的汽车产量达到1379110万辆，成
为世界第一大汽车生产国。钢铁材料是目前汽车制造应用比例最大的关键原材料，约占65%左右，而钢铁材料中用量最大的是薄钢板。因此，汽车用钢尤其是薄钢板的需求量也必然随着汽车工业的发展而增长。同时，汽车板亦必须满足汽车的安全、节能与低排放、美观、防腐等项要求。为了减轻车重、降低油耗、减少排放和提高安全性，汽车用钢板向高强度化发展已成为必然趋势。在汽车领域，应对环境问题和提高冲撞安全性已成为最常见的关键词。
1 先进高强钢研究开发的热点
近年来在汽车用先进高强钢(advanced high strengt h steel ，简称A HSS )的工艺基础研究和应用技术研究方面的开发十分活跃，超高强钢板的强度已达到或超过1500M Pa [122]。目前先进高强钢板已发展到第二代，正在向着高成形性和超高强度的第三代高强钢发展。在针对和解决汽车用高强钢随着强度的增加，塑性和成形性能显著下降，开裂、起皱、回弹、模具磨损和焊接等问题明显增加，以及如何进
钢 铁第45卷
一步提高抗冲撞能量吸收值等关键问题时，从高性能先进高强钢的冶金与材料工艺原理出发，研究的热点在以下几个方面[3]:
1)新的合金化设计(在洁净钢的基础上，进行Nb、V、Ti、B等的微合金化优化设计等);
2)新的材料组织结构设计(细晶与超细晶，复相组织结构及其强韧化等);
3)结合先进热轧与控冷技术、冷轧、连续退火与快速冷却技术的精确相变与纳米尺寸析出粒子的冶金工艺控制;
4)高性能高强钢的表面控制技术(如高强钢板的高表面质量控制、涂镀层界面结合与控制等)及焊接控制(高质量快速点焊、激光焊等)基础等;
5)将新的合金设计、钢板制造工艺与新的加工成形技术(如热成形、温成形、液压成形、计算机模拟CA E及智能化技术等)相结合的新材料设计—制造—成形一体化理论与技术基础。
由此，近年来国内外的一些钢铁企业和研究者相继研究开发了具有低屈强比的高强和超高强双相钢(DP钢)、兼有高强度和良好塑性的相变诱导塑性钢(TRIP钢)、孪晶诱导塑性钢(TWIP钢)、马氏体钢(M钢)以及Q&P钢(quenching and partitio2 ning)、热冲压成形钢(HF钢，含硼钢)及纳米粒子析出强化钢(NANO2HITEN钢)等新一代汽车用先进高强钢[425]。总的趋势是正在向着高成形性能、高强和超高强
兼备的新一代汽车用钢的冶金与材料科学及应用技术基础研究发展，并以此指导新品种及工艺控制技术的开发，以顺应现代汽车安全、节能环保总的社会发展需求。
“十五”和“十一五”期间，中国在先进高强钢的材料学基础和成形应用基础研究方面做了大量工作，并在先进高强钢产品的研究开发方面取得了明显的进展。预计到“十二五”后，为了尽快实现汽车轻量化，从安全节能和环保出发，高性能高强钢将占汽车用钢的主流，对高成形性能和更高强度兼备的新一代先进高强钢需求的紧迫性将更加明显。然而，新一代高强钢由于强度高、成形困难，成形过程的力学行为和微观组织变化更加复杂，如何从现代材料学组织结构与伴随成形过程的微观缺陷形成力学原理出发，探明新一代汽车用先进高强钢成形应用过程中的力学与微观组织演变行为，并建立相关理论与分析控制模型，对于推动中国新一代汽车用先进高强钢应用技术水平和高性能汽车用钢的研制开发及性能质量控制水平，具有十分重要的科学意义和实际意义。
2 新一代汽车用先进高强钢发展趋势
总的来看，国内外汽车用先进高强钢(A HSS)研究的发展趋势正在向着高强和超高强与良好成形性能兼备的第三代汽车用钢发展(参见图1)[6]。一方面，在进一步优化合金化设计和材料组织结构设计理论的基础上，为了降低成本、节约资源，提高新一代钢的综合性能，充分认识和发展冶金工艺过程中的凝固、结晶、形变、相变和第二相粒子析出理论及其控制规律，进行少合金或无合金化设计与相组织
的精细控制；另一方面，努力探索材料在快冷和超快冷却及不同冷却路径条件、热处理、热成形及冷成形条件下的组织转变(如：成形中的应变2相变2塑性2强度关系与机制等)、塑性与强度大幅度提高的新的材料学、塑性成形力学原理和方法，用以指导新一代先进高性能高强钢的开发[1]。其重要成果有:
1)同时具有超高强度(抗拉强度可达1000～1400M Pa)、极高塑性(总伸长率可达50%～80%)及高的冲撞能量吸收值的孪晶诱导塑性钢(TWIP 钢)的材料学机理的提出及相关技术的开发[728];
2)具有良好淬火性能的含硼超高强热冲压成形钢(经过热冲压成形淬火后钢的抗拉强度超过1500M Pa)新的合金设计及相关工艺与热成形技术[9210];
3)超高强(抗拉强度可达1000～1500M Pa)冷轧双相钢(DP)及相变诱导塑性钢(TRIP)的组织设计与精细工艺控制原理及相关技术[3,11];
4)通过微合金化设计和快速冷却控制的超高强度(屈服强度超过1000M Pa)和良好扩孔性能的纳米粒子析出强化钢(NANO2H ITEN钢)的析出强化与控制机理[2];
5)基于对碳在马氏体与残留奥氏体混合组织中再分配规律的重新认识，提出了淬火分配工艺理论，通过控制室温下的富碳残留奥氏体与马氏体的体积分数得到了一种具有TRIP效应、高强度与高塑性配合的Q&P钢[12]。
3 汽车用先进高强钢的变形行为研究
先进高强钢板高应变速率下的变形行为是其重要特性之一，这是因为其多应用于汽车的易冲撞部位。新一代汽车用先进高强钢板的高速变形行为表现为变形同应力、应变速率、温度、内能等变量之间
・
2
・
第8期康永林等:
国外汽车新一代汽车用先进高强钢的成形与应用
图1 汽车用钢的屈服强度与总伸长率的关系
Fig.1 Strength 2elongation relationship for low carbon
steels ,H SS,AH SS and UH SS
的复杂关系，包括屈服应力、流动应力的应变速率效应、温度效应及应变速率的历史效应等。因此描述高速变形条件下的塑性本构方程应包括应变速率、温度、变形历史(包括应变和应变速率历史)等，从而能综合描述各种时效及有限变形效应，但目前还没有一个本构方程能够概括这些效应。
目前对汽车用先进高强钢的高速变形行为试验研究主要集中在双相钢(DP )及TRIP 钢的动态变形行为的研究。S.Curtze 等[13]研究了TRIP700、
DP600在变形温度(-100～235℃
)及速率(10-3～1250s -1)区间的变形行为，研究结果表明TRIP 钢的加工硬化对温度的依赖性要高于DP 钢;TRIP 钢的抗拉强度对应变速率的依赖性不如DP 钢。Hoon Hua 等[14]研究了在0.003～200s -1应变速率范围内TRIP600、TRIP800、DP600和DP800的动态变形行为，获得了相应的应力2应变曲线及应变速率敏感性指标。
国内有研究者以DP780高强钢为研究对象，以准静态和动态单向拉伸试验及分析为试验基础，构建了材料本构模型并编制了材料本构子程序，通过高强钢动态变形过程的数值模拟，研究了DP780的动态
力学特性[15]。在高速冲击拉伸试验机上对TRIP 钢的拉伸性能随应变速率的变化进行了研究，对强度随应变速率的变化及断口形貌和孔洞与变形的关系进行了分析[16]。结果表明，不管何种变形模式,TRIP 钢中残余奥氏体的体积分数都随塑性应变的增大而减少，而且应力三维度水平越高,TRIP 钢的相变速率越快，残余奥氏体的力学稳定性就越差。基于此结果，给出了能够表征不同应力状态的应变诱发马氏体相变动力学方程。还有的研
究者对TRIP 钢在300～1700s -1应变速率范围的动态拉伸变形行为进行了研究，结果显示，屈服强度和抗拉强度随应变速率的增加而明显提高[17]。SEM 分析发现,TRIP 钢断口表现为典型的延性断裂特征，而且残余奥氏体的变形诱发相变对孔洞形成位置的影响使得其具有较好的延性。
为了研究先进高强钢板的高速变形行为，一些研究者进行了高速拉伸试验，由于试验没有统一的标准试验方法，所以试验结果也难以相互比较。同时，对高速变形过程中组织性能演变规律的研究还不够系统和全面，在动态的塑性本构关系、微观的塑性变形机理、形变及相变动力学模型等理论方面的研究较少[18221]。目前的研究也只集中在某1～2个钢种上，还没有完整的表征评价体系。此外，对抗拉强度大于1000M Pa 的超高强度钢高速变形行为的研究还属于空白。
4 汽车用先进高强度钢板成形技术及
成形性研究
通常，当钢板的强度提高时，因残余应力增加而在成形后容易产生因弹性回复造成的形状和尺寸精度不良，这一直是高强度钢板成形中的重要课题。针对先进高强钢板(A HSS )应用产生的以上各种成形问题，汽车制造厂和钢板生产厂研究了各种各样的先进成形技术，有些已实用化。其中包括:1)深冲与高强涂镀层钢板成形摩擦特性分析与控制技术;2)防止开裂、起皱和形状不良的技术;3)防止尺寸精度不良(回弹)的技术;4)液压成形技术;5)热(温)冲压成形技术;6)成形过程模拟仿真与CAD 2CA E 系统技术;7)钢板成形件先进连接技术等。
对于普通钢板而言，冲压成形时易出现的问题主要有开裂、尺寸精度不良和形状精度不良3种问题。而高强度钢板成形时，有使以上3种问题进一步恶化的倾向，这主要反映在[2]:
1)高强度钢板的可成形范围窄，需要进一步改进钢板的深冲成形性以冲压较难成形部件，这也是高强钢板应用的难点;
2)冲压成形或弯曲成形后产生回弹、外板表面形状不稳定，出现表面凸起或凹陷现象，这与成形时产生板厚方向残余应力差而引起的弹性恢复有关，或者与拉深时法兰处的面内残余应力引起的力矩有关。这些成形件形状精度不良与钢板的屈服应力有关，高强钢板的屈服应力高，造成成形上的不利;
3)在冲压成形过程中产生、直到成形完了仍然
・
3・
钢 铁第45卷
存在的成形件起皱或在弯曲成形时在弯曲部位附近产生平面应变，同时也引起板面内的压缩应力，使成形件形状变差。这种成形件形状精度不良也与材料强度有关，强度上升，形状不良恶化也是高强钢板应用上的不利因素。
Mehmet Firat等[22]对TRIP600和DP980的成形极限进行了研究，获得了上述两种钢的FLD图，并建立了数学模型。通过研究板料冲压成形过程中硬化性能的变化对TRIP钢极限变形能力的影响，建立了适合于TRIP钢板的成形极限预测模型，预测结果与试验结果吻合较好，表明了他们提出的考虑相变诱发塑性效应的成形极限预测模型较准确地预测了相变诱发塑性钢的极限变形能力，有利于指导相变诱发塑性钢板成形工艺。此外对TRIP700钢板的强度极限、伸长率、成形极限曲线进行了试验研究，并用扫描电镜分析了该TRIP钢在变形过程中微观组织的变化。蒋浩民[23]等通过高强度低合金钢(HSL A)、DP钢、TRIP钢材料特性和成形性能的对比研究，分析了DP钢板的力学性能、成形极限和扩孔性能。结果表明，与传统HSL A钢板相比,DP钢初始n值较高，有利于变形过程的应变均化和成形性能的提高。TRIP钢高n值的特性使钢板成形过程的应变分布更均匀，从而具有较高的成形极限。在屈服强度相近的条件下,DP钢板和TRIP钢板的扩孔性能均低于HSL A钢板。
采用板料冲压成形CA E技术，可以在计算机上模拟板料冲压成形的全过程，方便地得到瞬时的应力、应变、厚度、能量等成形结果，观察材料流动，对板料的开裂、起皱、回弹等进行预测，了解材料参数、模具参数、摩擦、力学参数等对板料成形性能的影响。文献[24]利用有限元数值模拟技术，研究了不同压边力下高强度钢板的回弹，仿真和试验结果都表明，改变压边力能够显著改善高强度钢板的回弹。
目前对于高强度钢板的应用，在一些成形控制技术方面已经取得了很大的进展，但是由于高强度钢板成形方式上的发展发生了很多新的变化(如液压成形、热冲压成形、激光拼焊、以及成形速度变化等)，研究领域不断扩大，各个研究单位的研究侧重点也不同；由于试验装置及试验过程的成本很高，目前对高强和超高强大型零件成形行为的宏观与微观结合的研究还很少，基本上是对一些简单零件进行试验，因此有很大的局限性；另外，高强度钢板的数值模拟理论及算法还不是很完善。5 汽车用先进高强钢构件碰撞性能的研究
新一代汽车用先进高强钢构件的使用是满足汽车减重和改善抗碰撞性能两项要求的新技术，以达到严格的碰撞标准要求。
汽车碰撞时，车身承受高速的负荷，其抗碰撞性能受构件在高速应变情况下吸收能量的影响。为了解构件在碰撞时吸收能量的情况，很多研究者进行了物理模拟试验或用有限元方法来判断不同材料的构
件碰撞时吸收能量的情况。为了更确切地评价汽车车身零件碰撞时吸收能量的情况，有的研究采用不同级别的TRIP、DP先进高强钢板制成封闭帽形槽样品进行落锤试验，得到各种钢板吸收能量的情况，研究了落锤试验中能量的吸收与屈服强度、静态抗拉强度和动态抗拉强度的关系。结果表明：由于先进高强钢板具有良好的加工硬化性能、较高的强度，从而使其在碰撞时吸收较多的能量，即安全性增加，是最理想的制造汽车车身的板材。还有的学者用与汽车典型受撞击零件前侧梁断面形状相似的帽子形断面的样品进行了动态压缩变形试验，了解冲撞时的损坏情况并将其结果与有限元模拟结果进行了比较。试验结果表明：随着撞击速度增加，试验样品损坏得更严重。采用高强度的双相钢和加大样品尺寸，损坏程度都有所降低。
此外，在高速碰撞等冲击载荷作用下，新一代汽车用先进高强钢构件还会表现出如下一些特性。1)动态破坏现象，如凹坑、鼓包等动态破坏形态。2)绝热剪切带，局部大塑性畸变产生的热来不及传输出去，使变形加剧而形成的局部缺陷。有时，绝热剪切带有裂纹伴生。3)动态脆性，由于应变率的增大，屈服应力和流动应力相应地提高，使塑性变形区缩小，从而导致材料脆化。4)遗留效应，冲击载荷造成的瞬时高压(常伴有高剪应力)、高温和高应变率，往往造成材料的组织结构和性能的永久变化，这种变化在卸载后依然存在，称为遗留效应。目前对上述的理论及试验研究还很少。
目前，国内外许多专家和学者采用数值模拟方法对构件的碰撞性能进行了大量的研究，尤其以汽车前纵梁为原型的典型构件碰撞性能的数值模拟分析得到了国内高校和企业的高度重视。在国外的研究中，
也主要以管冲击和落锤等类似试验为模拟的原型，进行相应的构件碰撞性能研究，取得了显著的成效[2]。目前对于使用有限元方法所建立的平台-
・
4
・
第8期康永林等：新一代汽车用先进高强钢的成形与应用
集成化的商业软件，基本上都以国外的公司和软件为主，其主要原因也是由于国外起步相对较早所致。但随着这类软件的商业化、国际化，国内的使用者也借助其开展了一些研究。例如，通过对冲压成形工艺对构件碰撞性能的影响进行仿真研究，利用L S2 D YNA通用有限元模拟软件研究了冲压成形工艺引起的壁厚减薄、残余应力和塑性应变对碰撞性能的影响，建立了板料冲压成形模拟和碰撞模拟之间的数据转化方法[25]。
总之，目前对于评价新一代汽车用先进高强钢构件碰撞性能的指标比较单一，因此需要建立完善的碰撞性能评估体系。另外，由于试验成本较高，只是对一些简单形状构件的碰撞性能进行了物理试验及数值模拟研究，实际应用价值较小，也缺乏对先进高强钢构件碰撞性能影响因素系统和全面的研究[26]。
国内近年虽在汽车用先进高强钢成形过程变形行为方面开展了大量研究工作，但同日本、北美和欧洲等国家和地区在该领域的研究进展和达到的水平相比还有明显的差距，还远满足不了中国高速发展的作为世界第一大汽车生产国的汽车用先进高
。6 汽车用先进高强度钢板的应用现状
为了减轻车重和提高安全性，汽车用钢板向高强度化发展已成为必然趋势。当钢板厚度分别减小0.05、0.10和0.15mm时，车身减重分别为6%、12%和18%，可见增加钢板强度是减小板厚、减轻车重的主要途径。另一方面采用高强度钢板减小板厚的同时，也提高了汽车车体的抗凹陷性、耐久强度和大变形冲击强度安全性[224]。
为了应对来自非钢材料的挑战，美国新一代汽车合作组织PN GV进行了34km/L车的开发，欧洲也进行了100km/3L车的开发。UL SAB的目标是在确保车体性能和冲撞安全性能，并且在不增加成本的基础上，通过大量采用高强度钢板，并应用液压成形技术、激光拼焊技术等使汽车车重减轻25%; UL SAC的目标是通过采用液压成形框架结构，汽车内板部件最佳化及高强钢板的应用，使门窗结构减重25%，车顶棚和前后盖板减重30%;UL SAS的目标是基于结构分析，对悬挂件(suspension)形式进行最佳化设计，并进行强度与成形性的最佳材料选择，达到与铝制超连接悬挂件的重量基本相等，使成本降低20%，其他钢制悬挂件基本不增加成本，车重减轻20%～30%[2]。
而UL SAB2AVC(UL SAB2advanced vehicle concept)项目则主要是通过灵活运用UL SAB2 UL SAS的成果及先进钢铁材料，不仅在车体，而且包括外板件、车轴和驱动系统等进行整车综合全面采用轻量化设计方案。UL SAB2AVC是对到2004年达到实用化的C2Class(相当于1.5L级别)和PN GV2Class(相当于2.5L级别)车采用先进钢铁材料的轻量化设计方案，对1999年的2个级别代表车型实现整车减重20%～30%的目标[3]。在UL SAB2AVC的材料中，双相钢DP500、DP600、DP700、DP800、DP1000所占比例最大，超过80%, DP800、DP1000所占比例超过70%。还采用了约4%的抗拉强度达到1200M Pa和1520M Pa超高强度马氏体钢。
而在实际车体制造方面，近年来高强钢板的应用也在不断提高。在2007年欧洲获奖轿车车型中，采用高强度钢板比例最高的已达到74%(Mercedes C2class)。到2014年日本汽车车体上所用高强度钢板中，抗拉强度590～980M Pa及以上级别的高强和超高强度钢板将有较大比例增加，而抗拉强度260～270M Pa级软钢所占比例由60%下降到40%以下。
7 前景展望
在现实中，在先进高强钢(A HSS)的开发和应用上，还存在着来自客户和加工制造方面的挑战。
1)A HSS的开发应用—面临客户的挑战。
从保证驾乘人员安全及舒适性出发，近年来对车辆碰撞性能的要求在不断提高，从而促使车辆的总重量在增加而白车身的重量在不断地减轻，这主要是由于汽车附加系统的应用和车辆尺寸的增加所致。为了在市场上更具竞争性，只减重而不同时改善碰撞性能、驾驶性能和噪声振动是不可能的。
因此，使用先进高强钢将解决部分问题(与最终客户有关的)，但是会给制造带来很大的挑战，挑战是零件数目(零件制造周期)和更高的成本。选择正确的材料级别用在正确的位置是满足客户和汽车公司制造要求的最佳办法。
2)A HSS在成形加工方面的挑战。
为了更好地应用先进高强钢，对于材料的力学性能、回弹行为、所要求的冲压力、微观结构、焊接特性和应变速率行为等方面的信息和测试结果的了解非常必要。对于冷冲压成形工艺，冲压零件的公差精度是制造时的一个焦点。相对于软钢和传统高强
・
5
・
发布评论