汽车用新钢种的今天和明天
自从汽车实现工业化生产以来，钢铁与汽车就结下了不解之缘。早在1923年，大型冲压机就开始用于汽车车身板的成形。1975年，保时捷汽车率先采用镀锌板，成为汽车防腐技术的里程碑。目前，几乎所有汽车均采用经防腐处理的薄板进行制造，其能够保证汽车长达数年的耐腐蚀效果。上世纪80年代初，高强度钢首次用于汽车制造，旨在减轻车身重量。上世纪80年代中期，开始用激光焊接技术将车身板连接成大型坯件（又称定做坯件）。1994年，“铝制空间框架”概念给予钢种开发以新的刺激，此后开发出了一系列汽车用新钢种。“新型钢制车身”概念毫无疑问地表明，曾被怀疑过时的老材料———钢铁，远没有到扔进废钢堆的时候，新颖的钢种和汽车制造理念为轻型车身构造提供了巨大的潜力。
今天的汽车用钢
1980年时主要采用低碳深冲钢和结构钢，还采用类似于高强度钢的Ti和Nb微合金化钢。到1990年，无间隙（IF）钢概念转化为高强度钢，这些钢种的成形性明显高于微合金化钢，但强度受到限制。到1995年，又开发出一系列汽车用新钢种并进入工业化生产。它们包括用于制造微成形结构性部件的烘烤硬化钢，专用于拉伸成形的各向同性钢，尤其是大幅拓宽强度范围、同时成形性又明显优于已知高强度钢的双相钢。进入21世纪后，TRIP钢应用于汽车制造，它将强度和成形性结合到前所未有的水平。迄今为止，这些多相钢得到不断地开发和完善。例如，复相钢能提供理想的强度和足够的成形性。具有良好加工硬化特性的加工硬化钢特别适用于高拉伸成形的冲压部件。与传统的微合金化钢相比，这些材料具有更好的成形性和与强度相关的弹性后效。开发活动仍在继续，尤其是双相钢、TRIP钢和复相钢的开发工作，正朝着更高强度性能发展。
汽车制造对材料的要求是多方面的，而且常常互相矛盾，这就是仅为车身就开发和生产出那么多不同钢种的原因。首先，高强度用于减轻汽车重量和改善冲撞性能。但是，必须同时考虑到复杂结构件的成形和焊接。通过表面涂镀处理提供防腐保护也是一个必要条件。另外，钢种设计还必须考虑到使用期内汽车的维修方便。汽车报废后钢部件能够大量回收利用，与其他材料相比这是钢材的一个重要优势。同样重要一点是，钢材在全世界随处可得，使用钢材非常经济。
钢的一个特殊优点是可利用许多冶金机理来量身打造钢的性能。固溶硬化通过将合金元素（如Mn、Si、C等）添加到铁晶格中以提高强度。用这种方法可简单地提高强度，但同时会降低延展性和成形性。另一方面，利用微合金化元素的析出硬化作用具有两个实质性优势：第一，极小的添加量便可显著地提高强度；第二，将微合金化与适当的工艺控制相结合可明显地减小晶粒尺寸。这样，强度和延展性可同时得到改善。然而，随着强度增加，成形性不断下降，使极限强度受到制约。这就是过去几年间将钢的转变行为更多地用于影响材料性能的原因。于是，多相钢系列问世。烘烤硬化作用是另一个可利用的效应。具有烘烤硬化作用的钢材，在烤漆过程中强度进一步得到强化。
在高强度钢的开发中，微合金化元素起到非常重要的作用。即使极小的含量对钢的性能也产生长久的影响。高碳含量无益于高强度钢的性能，所以尽量使对焊接性能重要的碳当量保持在低水平。今天，热轧钢材已具有700MPa的屈服点。尽管是纯铁素体，碳含量也很低，但由于极细晶粒尺寸和5nm范围的超细析出物，该钢号的强度超过800MPa。即使在微合金化钢中成形性也随强度的增加而下降，所以在过去几年间开发工作主要围绕改善成形性。
多相钢的特点是不同硬度组元的定向混合体。铁素体非常软，易于成形，而马氏体却极其坚硬，成形性受限。贝氏体的强度和成形性位于这两个极端之间。双相钢有一个镶嵌着马氏体小岛的铁素体显微组织。通过增加马氏体组元，强度可得到大幅提高。除了具有很高的抗拉强度以外，双相钢还具有较低的屈服比和很强的加工硬化特性。在由铁素体和贝氏体-铁素体组成的TRIP钢中，镶嵌着残余奥氏体。在结构部件的成形过程中，该残余奥氏体被转变为马氏体。这样，除很高的抗拉强度以外，还获得了极高的均匀延伸值和优良的可成形性。
复相钢的显微组织是贝氏体附带少量的马氏体、珠光体和残余奥氏体。复相钢一般具有通过使用微合金化元素获得的极细的显微组织。部分马氏体钢的基本显微组织由镶嵌着马氏体的铁素体、加工硬化铁素体或贝氏体组成。
在多相钢中，微合金化元素也起到重要的作用。例如，复相钢用钛进行微合金化，以利用其析出硬化作用。铌可用于TRIP和DP钢，主要起到晶粒细化和稳定残余奥氏体的作用。将微合金化与热机械轧制相结合，可获得具有极佳材料性能的超细晶多相显微组织。
生产多相钢必须掌握有关转变行为的准确知识。转变行为可被钢的化学成分影响，可根据生产工艺进行调整。一些元素（如Al和Si）使转变加速，另一些元素（如C、Mn和Cr）则使转变减速。对不同相的影响可能有很大的差别。例如，就热轧工艺而言，精轧后的冷却策略决定即将形成的显微组织。双相钢被快速冷却到铁素体形成的温度，这一温度被保持到预定的铁素体量形成为止。然后继续快速冷却到马氏体形成温度以下的很低温度，以获得理想的马氏体比例。应尽量避免珠光体和贝氏体的形成。
许多汽车制造商根据屈服点来设计汽车。然而，如果将这一标准应用到多相钢，该钢系的许多重要性能便被忽略了。与传统钢号相比，其加工和烘烤硬化功效可获得明显更高的部件强度。参照钢号是一种初始屈服点与双相钢相同的微合金化钢。在所有试验区域该双相钢均具有更高的部件强度。可通过采用TRIP钢进一步增加部件强度。尽管具有更高的强度，但该部件仍可用这种钢制造。成形后的加工和烘烤硬化作用显著提高了部件强度，这对于冲撞性能也产生影响。
钢铁工业所做的不懈努力使不计其数的新钢种问世。目前双相钢的强度范围已达450MPa～1200MPa，甚至可以设想更高的强度。它们可经过冷轧或热轧加工及各种涂镀处理。
加速开发进程
残余奥氏体、复合相、部分马氏体和马氏体钢涵盖相同的强度范围。因此，有必要适时地建立起优先级。钢种开发必须适应市场需求，也就是说在开发工作开始前应先对市场潜力做出评估，以确定开发的优先顺序。开发部门估算从实验室到批量生产所需的时间周期，以此形成与客户沟通的基础。
为了将新产品尽快地引入到汽车生产，钢铁企业与汽车制造商建立良好的合作关系是必不可少的。理想的局面是在钢产品开发过程中双方就协商一致。在开发的不同阶段双方信息相互交流的密度是不同的。随着开发工作的深入，双方就汽车制造商的要求加强沟通。开始时，钢铁生产商有了一个新构想并将之放到实验室进行试验。最迟在第一批实际试验开始时，与汽车制造商的交流便开始了。这样，汽车制造商有足够的时间评估新钢材的应用潜力，并就需要改进的地方与钢铁生产商进行探讨。比较理想的情况是，当新车型进入设计阶段时，钢企的新产品也达到批量生产状态。只有这样，新材料才能被很快地引入到未来车型中。
汽车是用计算机设计的。例如OpelAstra新车型有26000个部件是以虚拟方式设计的，而且整体模拟完全替代了样机制作，这使得开发时间缩短了25%。但是，每一次电脑模拟都需要输入数据。因此，钢铁业比以往更需要精确地描述其材料，尤其是针对材料的成形性及部件性能。同时，这也意味着在适用的试验程序和必要参数的技术构成方面增加投资。
钢产品的开发由几个阶段组成。前面已经讲述了开发各阶段与汽车工业就材料数据开展合作，以使材料尽快应用到新车型。实验室开发阶段只有一个非正式的材料特性，拉伸性能方面的信息几乎没有。但到第一个试验钢卷时就必须提供大量的材料数据，到批量生产开始时材料数据应该完备。一旦批量生产开始，汽车制造商就应该持有材料的所有相关参数及合格值统计。这些数据的编辑方式应能方便地引入到汽车制造商的数据库中。用这种程序对TRIP700钢所做的首次试用取得了成功。
高速拉伸试验是一个新挑战。在速度为60km/h左右的碰撞试验过程中，最大应变率位于200s-1的范围。对宝马（BMW）车所做的碰撞模拟清楚地说明，最佳的汽车设计需要有关屈服点应变率依赖性方面的知识。如果汽车的设计没有考虑到应变率，模拟中的变形会大于现实中的变形。从这种不正确的模拟得出的错误计算可能导致过厚纵梁设计。
明天的汽车用钢
总而言之，除传统的高抗拉强度钢以外，现代汽车中多相钢的使用比例在上升，这一点已在OpelAstra、VWPolo和领跑者PorscheCayenne车型上得到证明。目前可用于车身的钢种，包括了抗拉强度高达1450MPa的超高强度热轧马氏体钢。所有这些钢均有一个完全或主体铁素体显微组织。对于奥氏体显微组织受控的调整，可生产出在强度和成形性方面全新的薄板材料。在过去几年中，开发了牌号为L-IP和X-IP的高锰钢，已完成实验室阶段的开发工作，目前蒂森克虏勃公司正与阿塞洛公司合作将X-IP概念引入到生产阶段，在Duisburg炼钢厂进行的首批生产试验取得了成功。然而，不能忽视的是，这种新产品常具有未知的性能组合，在生产和特性描述方面都会产生问题。钢铁业和汽车业均在努力探索未知领域。
作为一项科研活动，新钢种的开发需要一定的冶金背景、先进的分析和试验技术。由于大量使用计算机模拟技术，未来的钢种开发周期会更短。其中，汽车用新钢种的成功开发，是钢铁企业自身努力并与汽车制造商开展合作的结果。在钢种开发初期，客户的参与使双方的设计同步化，起到加速开发进程的效果。新材料在市场上的成功日益取决于相关参数对材料的全面定义。现代高强度钢正被市场广泛接受，并在新车型上得到越来越多的应用。（来源：中国冶金报）
