材料课堂超强总结：汽车上都用哪些钢？你都知道吗？

设计爱好者

现代汽车制造业的核心是安全和环保，对车身要求“提高强度、减轻重量”。先进高强度钢在这种背景下蓬勃发展，大量应用于汽车车身的结构件、安全件上。

汽车用高强钢类型
1、双相钢
（DP钢，Dual Phase Steels）
2、复相钢
（CP钢，Complex Phase Steels）
3、相变诱导塑性钢
（TRIP钢，Transformation Induced Plasticity Steels）
4、马氏体钢
（MS钢，Martensitic Steels）
5、淬火延性钢
（QP钢，Quenching and Partitioning Steels）
6、孪晶诱发塑性钢
（TWIP钢，Twinning Induced Plasticity Steels）
7、硼钢
（PH钢或B钢，Press Hardening/Boron Steels）

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双相钢（DP钢）
性能特点：
无屈服延伸、无室温时效、低屈强比、高加工硬化指数和高烘烤硬化值。
典型应用：
DP系列高强钢是目前结构类零件的首选钢种，大量应用于结构件、加强件和防撞件。
如，车底十字构件、轨、防撞杆、防撞杆加强结构件等。


复相钢（CP钢）
性能特点：
晶粒细小，抗拉强度较高。与同级别抗拉强度的双相钢相比，其屈服强度明显要高很多。具有良好的弯曲性能、高扩孔性能、高能量吸收能力和优良的翻边成形性能。
典型应用：
底盘悬挂件，B柱，保险杠，座椅滑轨等。

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相变诱导塑性钢（TRIP钢）
性能特点：
组织中含有残余奥氏体，有良好的成形性能。在成形过程中残余奥氏体会逐渐转变为硬的马氏体，有利于均匀变形。
TRIP钢还具有高碰撞吸收能、高强度塑性积和高n值的特点。
典型应用：
结构相对复杂的零件，如B柱加强板、前纵梁等。


马氏体钢（MS钢）
性能特点：
屈强比高，抗拉强度高，延伸率相对较低，需要注意延迟开裂的倾向。
具有高碰撞吸收能、高强度塑性积和高n值的特点。
典型应用：
简单零件的冷冲压和截面相对单一的辊压成形零件，如保险杠、门槛加强板和侧门内的防撞杆等。

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淬火延性钢（QP钢）
性能特点：
以马氏体为基体相，利用残余奥氏体在变形过程中的TRIP效应，能实现较高的加工硬化能力，因此比同级别超高强钢拥有更高的塑性和成形性能。
典型应用：
适用于形状较为复杂的汽车安全件和结构件，如A、B柱加强件等。


孪晶诱发塑性钢（TWIP钢）
性能特点：
TWIP钢为高C、高Mn、高Al成分的全奥氏体钢。通过孪晶诱发的动态细化作用，能实现极高的加工硬化能力。TWIP钢具有超高强度和超高塑性，强塑积可达50GPa%以上。
典型应用：
TWIP钢具有非常优越的成形性能和超高强度，适用于对材料拉延和胀形性能要求很高的零件，例如复杂形状的汽车安全件和结构件。

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硼钢（PH钢或B钢）
性能特点：
超高强度（抗拉强度达1500MPa以上），有效提高碰撞性能，车身轻量化；零件形状复杂，成形性好；尺寸精度高。
典型应用：
安全结构件，如：前、后保险杠、A柱、B柱、中通道等。


汽车用钢的演化历程
自19世纪末期，即1885年德国工程师Karl Benz设计出第一台由内燃机驱动的汽车以来，钢开始在汽车制造过程中得到应用。在20世纪初，随着钢板/钢带生产技术的出现及其复杂成型加工技术的突破，汽车结构中的木质部件逐渐被钢板/钢带所取代。随后的百年历史中，钢板/钢带成为汽车制造过程中的主导材料。随历史时期的不同，结合相应的国家战略、消费需求及技术能力，演化出一系列的汽车用钢材料，具体如图1所示。首先在汽车中得到应用的是低碳钢（Low Carbon，LC）和无间隙原子钢（Interstitial Free，IF），在当时这两类低强钢能满足强度、成型性、成本和设计的需求。直到1970年左右北美石油危机事件，汽车工业为应对能源问题，开始开发高强度钢来实现减重节能。自此之后，便进入到汽车钢板强度级别不断提高的良性循环时段。特别是在目前全球汽车轻量化的大趋势下，钢铁业内工作者也在为之不断的努力。

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传统高强钢

传统高强钢以烘烤硬化钢（Bake Hardenable，BH）为主，其力学性能如图2所示。在冲压成型后的烤漆过程中实现强度的提高。冲压过程中的应变硬化程度，对后续烘烤过程中强度的提高有明显的影响。成型过程中的应变硬化，主要是基于形变引起的位错密度的提高。烘烤过程中强度的提高，是基于该过程中原子的扩散导致的对后续位错运动的阻碍。成型方式和成型过程引起的应变量的不同，均会对烘烤硬化效果产生一定的影响。

典型第一代先进高强钢及其控制技术

第一代先进高强钢以双相钢（Dual Phase，DP）和相变诱导塑性钢（Transformation Induced Plasticity，TRIP）为主。   

DP钢，故名思议是由两种相组成，可为铁素体+贝氏体或铁素体+马氏体，其组织示意图如图3所示。铁素体作为软相，保证其具有一定的塑性，易成型；贝氏体/马氏体作为硬相，使其具有合理的强度。

TRIP钢，其微观组织示意图如图4所示，由铁素体、马氏体（贝氏体）和残留奥氏体组成。汽车在碰撞过程中由于瞬间大的形变，在钢板内部形成一定的机械能，结合原残留奥氏体储存的内能，使之发生相变，部分残留奥氏体转变为马氏体，起到强化的作用。

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典型第二代先进高强钢及其控制技术

第二代先进高强钢以挛晶诱导塑性钢（Twinning Induced Plasticity，TWIP）为主。TWIP钢，是基于形变过程中由于奥氏体相的变化，形成的机械挛晶，如图5所示。由于挛晶的形成，可吸收碰撞过程中的能量。其基本成分为18%Mn-3%Si-3%Al，当然随不同部件对各相性能的关注点不同和生产过程中的瓶颈问题，该成分可做出适当的调整。

第三代先进高强钢的发展

第三代先进高强钢，是基于第一代与第二代高强钢区域之间的空白，开发具有高强高塑性的综合性能优良的品种，如目前国内外的研究热点Q&P（Quenching and Partition）钢。Q&P钢的室温组织为铁素体、马氏体和奥氏体，其设计原理是在淬火到一定温度形成相当数量的马氏体后，存在一个二次加热过程，如图6所示，在该过程实现马氏体内碳原子向残留奥氏体内的扩散，从而提高其稳定性。由此工艺生产的高强钢，其强塑积可远超第一代和第二代先进高强钢。

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汽车用钢的发展趋势及研究热点

通过高强钢的应用，车身各部件可以实现减薄的同时不损失强度。在欧美已达成一致，车身结构通过600MPa/40%到1600MPa/20%高强钢的应用，车身重量可以至少减少5-8%，这给此性能范围内各系列高强钢的发展带来了机遇。   

对于下一步汽车用钢的发展方向和研究议题，国际NSF组织（National Steel Fabrication）、美国DOE（Department of Energy）能源部、美国AISI钢铁协会（American Iron and Steel Institute）和A/SP（Auto/Steel Partnership），在大学和科研院所等机构提出如下研究领域：

       先进高强钢的微观组织和机械性能；
       先进高强钢的碳扩散过程；
       先进高强钢的粒子尺寸及界面效应；
       先进高强钢中的纳米针状铁素体型双相钢；
       高强高塑贝氏体钢；
       先进高强钢的成型性及回弹行为；
       先进高强钢的相应模型。

需求会促进相关技术的进步，技术的进步同样会刺激需求的提高。轻量化的大趋势，会促进钢铁界技术的不断进步，从而为更先进钢板的应用创造条件。下一步汽车用钢的发展方向，或者说在当今时期更为理想的汽车钢板材料，应具备如下条件：低碳（高的焊接性）、低成本（低合金量的添加）、高成型性、易于装配和维修。现如今各系列的车用高强钢，都普遍存在一定的局限性，成分差异大、表面质量不统一，都为最终的涂装等带来一定的难度。今后对各类材料的评价，应从全流程的角度来考虑，这样才能设计生产出既好又实用的产品。