汽车用高强度高塑性TWIP钢的开发研究_张贵杰

探索与思考

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SCIENCE & TECHNOLOGY INDUSTRY OF CHINA

汽车用高强度高塑性

TWIP 钢的开发研究

■　河北理工大学冶金与能源学院 张贵杰 宋卓霞

摘　要：轻量化是汽车“减重节能”的需要，采用高强度钢板不但可以实现汽车的轻量化，同时还能提高汽车的被动安全性，因此高强度钢板在汽车上的使用日益增多。ＴＷＩＰ钢是最近几年国外正在进行研究的高强度、高塑性钢，由于其优良的强度和塑性的组合而得到研究者的重视。本文简要介绍了近年来国内外高强度钢板的发展和应用情况。

关键词：汽车用钢；高强度；ＴＷＩＰ钢

一、汽车用钢的国内外研究现状分析

近年来，世界汽车工业面临着能源、环境和安全三大严峻问题。减轻汽车自重，降低能耗、噪音，减少废气排放，成为各大汽车生产厂家提高竞争力的关键。在汽车轻量化的潮流中，虽然铝、镁和塑料等材料的使用比率正在逐渐增加，但以高强度钢材料为代表的钢材，因其所具有的优异特性、经济性、可再循环利用等特点，仍然是汽车用钢的主要材料，据粗略统计，生产一辆汽车的原材料中，钢材所占的比例约为７２％－８８％。

面对其他竞争材料的上升态势，１９９４年在国际钢铁协会的倡议下，包括我国在内的全世界１８个国家的３５个钢铁公司联手成立了超轻钢车体计划（ＵＬＳＡＢ：ｕｌｔｒａ　ｌｉｇｈｔ　ｓｔｅｅｌ　ａｕｔｏ

ｂｏｄｙ），以寻求开发用于汽车车身的钢铁材料以及能提高钢材性能的可能性。ＵＬＳＡＢ研究项目的目标是向世界表明，钢材在减轻车重、降低成本和提高安全性等方面仍是最合适的材料。

二、汽车用钢的发展

汽车用钢的发展是随着汽车工业和冶金技术的发展而发展的，汽车用钢中的板材（包括热轧钢板、冷轧钢板和镀层板）是生产汽车的最主要原材料。汽车钢板根据生产工艺的不同可分为热轧板和冷轧板；根据强度的不同可分为低强度钢和高强度钢系列。尽管汽车钢板的品种较多，但目前其主要的发展趋势是高强化和表面处理化。

传统上，在汽车制造中最经常使用的钢是低强度钢（如ＩＦ钢、软钢），

其抗拉强度为２００－３００ＭＰａ，有良好的成形性，生产成本低。采用超高强度薄钢板，是解决汽车车身自重大、噪音大、油耗高、回收利用率低、成本高等难题的有效途径之一。由于在超轻钢车体计划中主要采用的钢种是高强度钢和超高强度钢，所以先进高强度钢（ＡＨＳＳ：ＡｄｖａｎｃｅｄＨｉｇｈ　Ｓｔｒｅｎｇｔｈ　Ｓｔｅｅｌ），比如双相钢（ＤＰ）、相变诱发塑性钢（ＴＲＩＰ）、复相钢（ＣＰ）及马氏体钢（Ｍｓ）等已成为近年来汽车用钢的一大研究热点。由于环保和节能，需要减轻车体重量；为了安全和舒适，又会引起车重增加。为了解决这一对矛盾，需要同时提高材料的成形性和材料的强度，实现材料强度和延展性的平衡。近年开发的ＴＷＩＰ钢就是在这个方向上的一个重要进展。

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三、ＴＷＩＰ钢的研究现状

所谓ＴＷＩＰ，意即孪晶诱导塑性（ＴＷｉｎｎｉｎｇ　Ｉｎｄｕｃｅｄ　Ｐｌａｓｔｉｃｉｔｙ）。ＴＷＩＰ钢是以Ｆｅ、Ｍｎ为主的单一奥氏体碳钢，采用Ｍｎ可以扩大奥氏体相区，添加Ｃ不仅可以稳定奥氏体，而且可以利用Ｃ的固溶强化奥氏体。通过控制Ｍｎ（１７％－２４％）和Ｃ（０．５％－０．７％）的含量，可以得到最好的力学性能。与ＤＤＱ级冲压板相比，同样可以冲制各种形状复杂的零件，强度却要高出２－５倍；其抗拉强度与热处理钢相当，延展性却比热处理钢强１０倍。ＴＷＩＰ钢的塑性变形的主要机制是位错滑移。在变形过程中，非常细的孪晶在晶内发生，孪晶界和晶粒边界均成为位错滑移的壁垒，可导致非常剧烈的加工硬化，其瞬时硬化率能保持较高的水平（＞０．４５），会抑制细颈的发生，从而导致ＴＷＩＰ钢非常强的加工硬化能力和非常大的延伸率。这种性能即使在高应变速率下仍然保持着，因而在撞击等高应变过程中，可以保证汽车非常高的安全性。这是ＴＷＩＰ受到青睐的一个非常重要的原因。

图１　汽车车体常用钢材的强度和塑性比较

图１是现代汽车用钢主要钢种的强度和塑性分析，可以看到为满足高强度和高塑性的要求，最好的选择是ＴＷＩＰ钢。

四、Ｆｅ－Ｍｎ－Ｃ系合金的研究方法及结果

ＴＷＩＰ钢是Ｆｅ－Ｍｎ－Ｃ系合金中含

Ｍｎ量较高的一种，我们对一定Ｍｎ含量的Ｆｅ－Ｍｎ－Ｃ合金进行了大量的实验和模拟计算。在试验中，利用异步轧制技术，对高锰钢进行预变形处

理，可在其组织内部出现大量层错、滑移带、形变孪晶，晶粒明显细化，从而使基体得到了强化。由于异步轧制在形变过程中轧辊对试件有搓轧作用，与常规轧制相比，金属基体的强化程度更高。异步轧制高锰钢中组织演变的主要特征是，随着应

变量的加大，组织中晶粒开始滑移，又由高锰钢的加工硬化机制可知，由于高锰奥氏体的层错能很低，约为（２０－４０）×１０７Ｊ／ｃｍ２，因此当高锰钢受到外力时，在形变过程中很容易出现层错。高锰钢中出现层错对进一步的塑性变形形成一种阻力，这是因为层错能愈低，扩展位错宽度愈大，位错的束集也越困难，难以进行交滑移，限制了位错的运动和产生。当形变量达到一定程度时，导致高锰钢不得不采取孪生的方式进行塑性变形。组织中出现大量的高密度形变孪晶，孪晶之间以及孪晶与位错的相互作用，起到切割晶粒的作用。孪晶愈细愈多则切割晶体的作用愈显著，晶粒细化程度愈高，金属基体的强化程度也就愈高。并且实验还证明了，当变形量达到一个合适的量时，耐磨性、强度、塑性都会有大幅度的提高，符合汽车用钢的要求。在理论计算中采用了Ｍａ－

ｔｅｒｉａｌ　Ｓｔｕｄｉｏ材料模拟计算软件进行成分设计和层错能以及弹性系数的计算，为ＴＷＩＰ钢的进一步研究提供了理论基础。

五、结语

我国是一个汽车产销大国，汽车轻量化与先进高强度钢板的开发应用

对降低能耗和保护环境意义重大。我国钢铁工业应密切关注国外的发展动向，并及时地进行前期研究工作，研发出国产化的先进高强度钢，对提高

我国的汽车用钢板质量和提升国际竞争力具有积极作用。ＴＷＩＰ钢在国际上正处于实验室研究向产业应用转化阶段，目前ＴＷＩＰ钢的研究在欧洲和韩国较多，并取得了初步的成功，安赛乐米塔尔与蒂森克虏伯两家公司的研发团队正在合作开发。加强对该新

钢种的研究和开发，特别是加速成分优化设计和对ＴＷＩＰ效应的基础研究，可以实现在新型汽车结构钢领域的自主突破，为解决汽车工业发展中兼具高强度和优良成形性材料选择提供新的途径。

参考文献

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