聯合研發先進高強汽車鋼在國產中檔和高檔轎車上的應用

李 麟劉仁東

（1.上海大學材料科學與工程學院，上海 200072；2.鞍鋼集團鋼鐵研究院汽車與家電用鋼研究所，遼寧鞍山 114009）

聯合研發先進高強汽車鋼在國產中檔和高檔轎車上的應用

李 麟1劉仁東2

（1.上海大學材料科學與工程學院，上海 200072；2.鞍鋼集團鋼鐵研究院汽車與家電用鋼研究所，遼寧鞍山 114009）

為解決含鋁相變塑性鋼連鑄時堵水口問題，上海大學和鞍鋼聯合課題組經熱力學和動力學計算，成功預測了磷可以替代鋁的應變誘發相變作用。與鞍鋼經大量試驗證實后，在產線上成功生產并應用于一汽奔騰車型上，為其通過國家的C-NCAP碰撞測試并取得優異成績，作了貢獻。課題組依層錯熱力學計算，設計了具有孿晶誘發塑性＋相變誘發塑性的孿晶塑性鋼，并在國際上首創了轉爐冶煉高錳鋼，生產出的熱軋和冷軋孿晶塑性汽車鋼，性能國際領先，產品應用在一汽一款重點開發的有極重要用途的高級品牌車上。課題組在國際上首先發現了鋁在鋼中的熱力學數據有嚴重錯誤，在糾正了這些錯誤后通過計算發現鋁可大大提高鋼中奧氏體含碳量和相變塑性，由此生產的超高強度相變塑性鋼，當強度達1 023 MPa時，斷后伸長率為22%，這已是目前世界上低合金汽車鋼所達最高強塑積。

相變塑性 孿晶塑性 汽車用鋼 轉爐 熱力學

汽車工業是近數十年來發展最快的一種工業，隨著汽車制造技術的發展，對汽車用鋼板的要求也愈來愈高，其性能提升之快令其他鋼種不能望其項背。汽車用鋼在短短30余年來，由Mn-Si鋼始、進而實現了無間隙原子鋼（IF鋼）、雙相鋼（DP鋼）、相變誘發塑性鋼（TRIP鋼）、淬火配分鋼（QP鋼）及淬火配分回火鋼（QPT鋼）、馬氏體鋼（Martensitic鋼）、孿晶誘發塑性鋼（TWIP鋼）、輕質鋼（SL鋼）等一系列新型鋼種的爆發式研發和生產。所覆蓋的成分由低合金過渡到高合金，組織由單相組織過渡到復雜的多相組織，強度也從低強度過渡到高強度和超高強度。強化機制由單一的固溶強化而發展成相變強化、亞結構強化、第二相的微調和控制析出強化等。簡言之，汽車用鋼板已發展成一全新鋼種。本文介紹了上海大學和鞍鋼集團聯合課題組瞄準國際前沿，從基礎研究出發并將基礎研究成果成功與大生產結合，創新性地聯合研發了高性能的含磷相變塑性鋼、孿晶塑性＋相變塑性鋼和超高強度高塑性相變塑性鋼，并成功應用在國產中級和高級汽車上。

1 相變塑性鋼的研發及在奔騰汽車上的應用

早在20世紀30年代Wassermann［1］就曾發現在鎳的質量分數為50%的Fe-Ni合金中，經相變后該合金的斷后伸長率會大幅提高。Zackay［2］等在1967年描述了這種發生在奧氏體鋼中的因相變而引起的塑性增長，并將其定義為相變誘發塑性（transformation induced plasticity），簡稱為TRIP。具有相變塑性的高強鋼同時也具有好的塑性，達到了強韌性的很好配合。而同時具備高強度、高塑性是結構材料的非常誘人的性質，所以相變誘發塑性鋼（簡稱相變塑性鋼）一當誕生便引起了汽車工業界的關注。相變塑性的工業應用始于高合金鋼中，但由于價格昂貴和技術上的一些困難未能大幅推廣。在1987年Matsumumura［3］等指出，在0.4%C-1.5%Si-0.8%Mn的低合金鋼中也存在相變塑性。該鋼中既無昂貴金屬，合金Mn含量也少，這就為相變塑性鋼在量大面廣、對性價比要求甚高的汽車工業的應用開辟了道路。

但Matsumumura［3］等提出了TRIP鋼中含有高硅以阻止碳化物析出，而保持高的奧氏體穩定性和相變塑性。高硅的相變塑性鋼極易在表面形成附著力極強的氧化物，稱之謂“紅銹”，使鋼的鍍覆性能大大下降。De Meyer等［4］因此提出了以鋁代硅制造可被熱鍍鋅的相變塑性鋼。繼De Meyer等［4］之后，含較高鋁的相變塑性鋼投入了生產。但由于較高鋁的加入，依當時的冶金技術，在連鑄時易析出氧化鋁堵水口而不能正常生產。這使得國際上對相變塑性鋼研發的興趣大減，并影響到企業對相變塑性鋼的開發。上海大學和鞍鋼聯合課題組［5］在研制新型590、780 MPa級相變塑性鋼時，從設計成分開始便注意避開傳統的相變塑性鋼因硅量高而焊接性能差和表面質量不合格熱鍍鋅性能差的欠缺，將硅量大大降低。在降低硅量的同時，為防止滲碳體析出而降低殘奧穩定性，添加了可顯著提高碳在滲碳體中活度系數的磷。磷一方面有阻止滲碳體析出并降低析出動力學的長處，但另一方面較高含量的磷在晶界的偏聚也會形成冷脆，引起性能下降。因此需通過偏聚熱力學和動力學計算，來估算磷偏聚的可能。上海大學和鞍鋼聯合課題組成員［5］曾在平衡偏聚理論創始人Guttmann［6］三元系平衡偏聚熱力學的基礎上導出了適用于復雜鋼鐵材料的多元系偏聚熱力學［7－8］，用此計算以磷代硅，發現會發生磷的晶界偏聚。由于在實際生產時，在易產生偏聚的溫度下等溫時間很短，鋼內各元素遠未達平衡，因此用Mclean［9］的動力學方程估算在實際工況下磷元素的偏聚量，得到其在晶界上的摩爾分數約為0.051%，此值很小，所以含磷相變塑性鋼經短時熱處理不會引起回火脆。經雙方在不同地點的大量試驗驗證后，此鋼在鞍鋼集團的產線上投入了生產，徹底解決了連鑄時堵水口的嚴重生產問題。其產品在日本豐田汽車集團的試驗基地進行冷脆試驗，結果顯示即使在－60℃下沖擊，也毫無冷脆發生。由此進行了國際上獨創的含磷相變塑性鋼的生產。由于將原來作為雜質處理的磷用為合金元素，該鋼價格大為下降。鞍鋼生產的TRIP鋼成功應用于國產奔騰中檔轎車上的側圍加強板等安全件和結構件上，該車在C-NCAP碰撞評價中取得優異的成績。

2 孿晶塑性＋相變塑性鋼的研發及在紅旗轎車上的應用

Frommeyer［10］和Grassel［11］等在21世紀初發現高錳鋼具有好的成型性、中等的抗拉強度（約600 MPa）和極高的斷后伸長率（大于80%）［10－11］。該鋼極高的塑性來自孿晶誘發塑性，孿晶的形成改變了晶體的位向，使原本受阻的滑移系重新開動，孿生與滑移的交替進行，使材料塑性大增，故稱為孿晶塑性鋼。對目前高檔汽車用材而言，Frommeyer等［10－11］提出的孿晶塑性鋼的強度600 MPa還偏低甚多。為此重新設計其合金成分和工藝，使其既具有孿晶塑性，又可引入相變來增高強度，使抗拉強度達到1 000 MPa以上，以滿足高檔汽車的需求。

著名物理冶金學家Olson和Cohen［12］指出，可用以下的熱力學模型計算層錯能：

式中，γSF為層錯能值，ρA為面心立方晶體面密度，ΔGγ→ε為γ→ε相變軀動力，σγ→ε為相界面結合力。

應用Allain等［13］和Dumay［14］給出的熱力學參數計算，進行了材料成分設計。設計前研究了大量文獻，將以往各作者的工作進行了總結，得出：層錯能＜12 mJ／m2易誘發馬氏體相變，層錯能＞18 mJ／m2時易產生孿晶，只有當層錯能為12～18 mJ／m2時，既能產生孿晶，又可誘發馬氏體相變。因此調整所設計的孿晶塑性＋相變塑性鋼中的Mn、Si、C、Al的質量分數，既要盡量少地應用合金元素以降低成本，又要使其層錯能數值保持在12～18 mJ／m2范圍內。對Fe-Mn-Si-C系的計算結果如圖1所示。可見對于Fe-18Mn-0.3Si-C系統，碳質量分數范圍為0.44%～0.6%時，奧氏體層錯能為12～18 mJ／m2，有望誘發ε-馬氏體相變以提高強度。中試完成后，在上海大學和鞍鋼集團又進行了大量應用性能試驗如高強鋼的延遲斷裂，異、同種高強鋼材的焊接性能等。由于此類性能在材料設計的初始階段已予充分考慮，故應用性能均佳。

圖1 Fe-Mn-Si-C系層錯能估算結果Fig.1 Calculated stake fault energy of Fe-Mn-Si-C system

圖2 采用自主研發數據庫計算的Fe-Mn-Al-C鋼和Fe-Mn-C鋼的相圖Fig.2 Phase diagrams of Fe-Mn-Al-C and Fe-Mn-C calculated with self-made database

經驗證后上述孿晶塑性＋相變塑性鋼在鞍鋼集團投入大生產。由于高錳鋼導熱性很差且粘滯性極強，鑄造時難度很大。鞍鋼集團不但克服了這些困難還在國際上首創了轉爐生產，這比國外鋼廠浦項等采用的電爐生產可大為節省能耗和大大降低鋼材價格，但控制技術難得多。生產的熱軋孿晶塑性＋相變塑性鋼的抗拉強度達1 000 MPa，斷后伸長率達60%～70%。冷軋孿晶塑性＋相變塑性鋼的抗拉強度達1 085 MPa，斷后伸長率達80%，強塑積達86 800 MPa%，此值是冷軋鋼板世界頂尖水平。因為鞍鋼生產的孿晶塑性＋相變塑性鋼優異的力學性能，產品應用在一汽一款重點開發的有極重要用途的高級品牌車的安全件和結構件上，取得良好的安全效果。

3 超高強高塑性相變塑性鋼的研發

相變塑性鋼投入生產后，當其強度達980～1 000 MPa時，斷后伸長率總較低，且無兼具高強度高塑性的特點，例如韓國的浦項鋼廠，當強度達980 MPa時，斷后伸長率也僅為14%。但課題組成員在研究含鋁相變塑性鋼時首先在國際上發現［15］，目前所用的鋁在鋼中的熱力學數據全是錯誤的，并推出了新的鋁在鋼中的熱力學數據［16］，依這些數據計算所得相圖揭示（如圖2所示）：在Fe-1.5%Mn-0.2%C鋼中若加入1.2%Al，在780℃等溫時，鋼中奧氏體碳的質量分數將由0.29%增大至0.76%，這樣就大大增加了奧氏體的穩定性和通過相變誘發塑性的能力。

因在目前技術條件下，含鋁量為1%Al鋼的冶煉已不再是難題。依上述所發現的原理，上海大學和鞍鋼集團聯合研發了低合金的含鋁相變塑性鋼。不需特殊設備條件，在普通連退線上生產的低合金相變塑性鋼，當強度為1 023 MPa時，斷后伸長率為22%，比代表國際先進水平的浦項鋼廠同類產品的斷后伸長率14%高出了50%，已為當前國際上超高強度低合金汽車用鋼的最好性能。

4 總結

上海大學和鞍鋼集團聯合攻關，始終奉行創新精神，瞄準國際頂尖水平，將基礎研究和現代化大生產有機結合，攻克了重重技術難關，歷時十余年，終于研制出一系列先進汽車用高強鋼，達到世界領先水平。這些鋼種被成功應用在國產中檔和高檔汽車上，為輕量化作出實際的貢獻。

致謝：

本文受973項目（2010CB630802）、國家自然科學基金（50934011）和鞍鋼集團資助，謹此致謝！

［1］SAUVEUR A.What is steel？—Another a answer［J］.Iron Age，1924，113：581-583.

［2］ZACKAY V F，PARKER E R，FAHR D，et al.The enhancement of ductility in high strength steels［J］.Trans.ASM，1967，60：252-258.

［3］MATSUMUMURA O，SAKUMA Y，TAKECHIA.Enhancement of elongation by retained intercritical annealed O.4C-1.5Si-0.8Mn austenite in steel［J］.Trans.ISIJ，1987，27（7）：570-579.

［4］DE MM，VANDERSCHUEREN D，DE COOMAN B C.The influence of the substitution of Si by Al on the properties of cold rolled C-Mn-Si TRIP steels［J］.ISIJ Intern.，1999，39（8）：813-822.

［5］LIL，DE COOMAN B C，LIU R D，et al.Design of trip steel with high welding and galvanizing performance in light of thermodynamics and kinetics［J］.J Iron and Steel Research Inter.，2007，14（6）：37-41.

［6］GUTTMANN M，MCLEAN D.Grain boundary segregation in multicomponent systems［M］／／JOHNSON WC，BLAKELY J M.Interfacial Segregation［M］.Ohio：ASM，Metals Park，1979.

［7］LI L，DELAEY L，WOLLANTS P，et al.Thermodynamic analysis of segragation in multi-component steels［J］.J.Chim.Phys，1993，90（2）：305-311.

［8］LI L，DELAEY L，WOLLANTS P，et al.Thermodynamic calculation of the segragation in multi-component steels［J］.J.Mater.Sci.＆Technol，1996，12（3）：238-240.

［9］MCLEAN D.Grain boundaries in metals［M］.Oxford：Clarendon Press，1957.

［10］FROMMEYER G，BRUX U，NEUMANN P.Supra-ductile and high-strength manganese-TRIP／TWIP steels for high energy absorption purposes［J］.ISIJ International，2003，43（3）：438-446.

［11］GRASSEL O，KRUGER L，FROMMEYERG，et al.High strength Fe-Mn-（Al，Si）TRIP／TWIP steels developmentproperties-application［J］.International Journal of Plasticity，2000，16（10-11）：1391-1409.

［12］OLSON G B，COHEN M.A generalmechanism ofmartensitic nucleation：Part I.General concepts and the FCC→HCP transformation［J］.Metall.Trans.A，1976，7（12）：1897-1904.

［13］ALLAIN S，CHATEAU JP，BOUAZIZ O，et al.Correlations between the calculated stacking fault energy and the plasticity mechanisms in Fe-Mn-C alloys［J］.Mater.Sci.Eng.A，2004，387-389（1）：158-162.

［14］DUMAY A，CHATEAU J P，ALLAIN S，et al.Influence of addition elements on the stacking-fault energy and mechanical properties of an austenitic Fe-Mn-C steel［J］.Mater.Sci.Eng.A，2008，483-484（7）：184-187.

［15］L?UW，LI L，WANG L，et al.Thermodynamic assessment and experimentl investigation of Fe-Al-C system［J］.J.Mater.Sci.Technol.，2008，24（5）：771-774.

［16］LI L，HUANG S G，WANG L，et al.Thermodynamic reassessment of the Fe-Al-C system based on the Fe-rich experimental data［J］.Front.Mater.Sci.，2009，3（1）：33-37.

收修改稿日期：2016-05-06

Application of Advanced High Strength Steel in Middle and High Grade Automobiles by Cooperative Development

Li Lin1Liu Rendong2
（1.School of Materials Science and Engineering，Shanghai University，Shanghai200072，China；2.Automobile＆Home Appliance Steel Institute，Iron＆Steel Research Institute of Ansteel Group，Anshan Liaoning 114009，China）

In order to prevent clogging in the continuous casting process for TRIP steel containing Al at the end of 1900’s，P which exhibits the function of inducing phase transformation，was proved to be the successful substitute for Al after thermodynamic and kinetic calculation by SU and Ansteel.The TRIP steel containing Pwasmanufactured in Ansteel and assembled in“benteng”car which

the first class prize in China C-NCAP contest.Based on stake fault energy calculation，new type of TWIP steelwith both TWIP＋TRIP effectwas designed.This steelwas firstly manufactured in converter in the worldwide scope and its products including hot rolling sheet and cold rolling sheetwere used in themost luxury mode automobile for their superiormechanical properties.Big error of thermodynamic database of Al in steel，which has ever been adopted worldwide，was discovered and new databasewas obtained through optimization.Impressive functions of Al to increase carbon content in austenite soaking in the two phase field and to enhance the TRIP effect were then found after calculation of the steelwith the new database.Based on the discovery stated above，TRIP steelwith extra high strength 1 023 MPa and high elongation rate 22%，reaching the highestquality of low alloy automobile steel，was successfully produced in Ansteel plant.

TRIP，TWIP，automobile sheet steel，converter，thermodynamics

973項目（No.2010CB630802）、國家自然科學基金（No.50934011）

李麟，男，教授，從事汽車鋼研發和材料熱力學研究