截至2021年9月底，我國汽車保有量已達2.97億輛，擁有汽車駕照人數達4.39億[1]。隨著我國城鎮(zhèn)化水平的不斷提高，汽車已經進入千家萬戶，成為大家日常主要出行方式之一。一輛汽車的鋼鐵用量占總用料的80%~90%，在鋁合金、碳纖維等新興材料發(fā)展迅猛的今天，鋼鐵材料依舊是汽車制造的主要原料。汽車更高的安全性能與駕駛性能需求，也為汽車鋼的發(fā)展提供了方向。

1. 汽車鋼的發(fā)展與應用

將一臺汽車解剖開來，發(fā)現車身是由各種汽車鋼零件焊接而成，如圖1（a）所示。車身就如同人體的骨骼，起到基礎的支撐和防撞作用；在車身外部包覆的一系列覆蓋件鋼板，就如同人體的皮膚一樣，起到保護和裝飾的作用。汽車的“骨骼”與“皮膚”的總成被稱為“白車身”，也是汽車生產制造中汽車鋼使用的主要陣地，如圖1（b）所示。

1.1 第一代汽車鋼與第二代汽車鋼

目前，高強汽車鋼發(fā)展已經歷三次迭代，三代高強汽車鋼力學性能分布如圖2所示。第一代先進高強汽車鋼的代表產品有雙相鋼（DP鋼）、復相鋼（CP鋼）、馬氏體鋼（MART鋼）、相變誘導塑性鋼（TRIP鋼）和無間隙原子鋼（IF鋼）等[2]。第一代汽車鋼組織以鐵素體為基體，奧氏體含量較低（15%以下），強塑積在5~15 GPa·%。例如，DP鋼的組織為鐵素體+馬氏體（奧氏體的熱穩(wěn)定性在快速淬火情況下產生，而不是奧氏體的機械穩(wěn)定性在變形過程中產生），TRIP鋼的組織為鐵素體+貝氏體+殘余奧氏體（RA）。

第二代先進高度汽車鋼的特征是開始使用大量的合金元素[3]，通過微合金化手段提高鋼整體力學性能。代表產品有孿晶誘導塑性鋼（TWIP鋼）、輕質誘發(fā)塑性鋼（L-IP鋼）等。第二代汽車鋼是向鋼中加入大量的合金元素（主要元素為Mn），從而在常溫下獲得大量穩(wěn)定的奧氏體組織，在之后變形的過程中在應變誘導下產生對塑性變形有利的機械孿晶，因而獲得較高的應變硬化速率和優(yōu)異的力學性能，強塑積可達60 GPa·%。但同時大量合金元素的加入提高了生產成本，且在后續(xù)的加工過程中會出現一系列工藝問題，如屈服強度低、易發(fā)生延遲開裂等。

1.2 第三代汽車鋼

隨著人們對汽車輕量化和防撞安全性要求的提高，汽車鋼不斷向高強度和高塑性方向發(fā)展，強塑積成為衡量汽車鋼性能的重要指標。第一代汽車薄板鋼的強塑積一般為15 GPa·%，輕量化和安全性指標都較低；第二代汽車鋼的強塑積雖然達到了50 GPa·%，但由于合金元素含量高、工藝復雜，生產成本居高不下，不易被市場接受。在經過強韌性較差的第一代汽車鋼及生產較為困難的第二代汽車鋼的發(fā)展后，美國的Krupitzer和Heimbuch首先提出了以高強韌、低成本、輕量化為特點的第三代汽車鋼的概念。第三代汽車鋼是指輕量化和安全性指標高于第一代汽車鋼、生產成本低于第二代汽車鋼的高強高塑鋼。相關學者進行了大量成分體系與工藝設計等方面的探索工作，既實現了在不增加成本的情況下，提高材料的成形加工能力，獲得良好綜合力學性能，從而吸引了廣泛研究。目前主要包括中錳鋼、淬火配分（Q&P）鋼、熱沖壓成形鋼（HF）等。

第三代汽車鋼充分利用第一代（BCC硬相馬氏體基體提供強度）與第二代（FCC軟相奧氏體基體提供塑性）的微觀結構特點[4-5]，即采取高強度的硬相（如馬氏體、貝氏體、超細晶鐵素體和第二相粒子等）與大量高塑性的軟相（如奧氏體、亞穩(wěn)奧氏體和殘余奧氏體等）的多相復合組織。通過相變強化、位錯強化和細晶強化等多種強化手段相結合的方式來提高其強度，并利用TRIP及TWIP等多種增塑機制提高其塑性。分析表明，第三代汽車鋼主要通過在馬氏體或超細晶鐵素體基體上引入大量的亞穩(wěn)奧氏體來提高汽車鋼的強度和塑性，從而大幅度提高鋼的綜合力學性能，強塑積為30~40 GPa·%，最高可達70 GPa·%。第三代汽車鋼因其研發(fā)成本接近第一代汽車鋼而性能接近第二代，表現出突出的競爭優(yōu)勢和廣闊的發(fā)展前景。隨著對第三代高強鋼研究的不斷深入，部分鋼種，尤其是可應用于工業(yè)生產的鋼種，仍存在著強度有余而塑性不足的問題。如圖3所示，以980 MPa級別汽車鋼為例，常見的DP鋼斷后伸長率可達10%左右，Q&P鋼可達24%左右，中錳鋼（6Mn以上）可達30%以上，但較高的Mn含量難以實現工業(yè)化生產。QP1180能夠實現工業(yè)生產的斷后伸長率也不足15%。

2. 汽車鋼的沖壓成形工藝

沖壓是汽車鋼板制造中常見的一種制造工藝，靠壓力機和模具對汽車鋼板原料施加外力，使之產生塑性變形或分離，從而獲得所需形狀和尺寸的工件。車身各處的零部件通過沖壓工藝生產出來，再經過焊接或其他連接工藝，組成整個車身，這就是“白車身”的生產流程。

2.1 冷沖壓成形工藝

冷沖壓成形工藝是在室溫條件下對原料板進行沖壓成形，從而獲得成形件的一種生產工藝。利用沖壓模在壓力機上對板料或熱料施加壓力，使其產生塑性變形或分離從而獲得所需形狀和尺寸的零件[6]。在冷沖壓加工中，冷沖模就是沖壓加工所用的工藝裝備。沒有先進的冷沖模，先進的沖壓工藝就無法實現。一般來說，冷沖壓工藝由三大要素構成：①沖壓機：利用模具產生加工壓力的裝置；②沖壓模具：按照規(guī)定的尺寸精度做出制品形狀的工具，分為上模和下模；③被加工材料：制品的原料，如汽車鋼板。圖4為冷沖壓工藝示意圖與實際生產中的冷沖壓設備。

冷沖壓工藝擁有諸多優(yōu)點，如沖壓件質量穩(wěn)定，尺寸精度高；整體工藝省能、低耗、高效，因而沖件的成本較低；生產率高、操作簡便，易于機械化與自動化。用普通壓力機進行沖壓加工，每分鐘可達幾十件，用高速壓力機生產，每分鐘可達數百件或千件以上。

目前，汽車鋼的冷沖壓工藝主要生產汽車包覆件，這類鋼板強度不高且塑性較好，成形性能良好，如DP鋼。因此在室溫條件下對原料板進行沖壓，既能得到尺寸精度較高的成形件，又可以提高生產效率，降低成本。

2.2 熱沖壓成形工藝

熱沖壓工藝又稱為熱成形工藝，是在高溫狀態(tài)下對鋼板進行沖壓成形，并在模具內進行保壓淬火，從而獲得高強度成形件的一種成形工藝[7]。隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，對汽車用鋼板也提出了更高的要求，高強度薄板成為了汽車生產的一大訴求。高強度鋼薄板由于強度高、厚度小，采用傳統(tǒng)的冷沖壓成形工藝時，極易出現回彈變形、起皺開裂、尺寸精度差以及成形抗力大、模具壽命低等問題。熱沖壓成形技術利用了材料高溫狀態(tài)下良好的成形性，既可有效減少回彈，又能保證模具壽命，且成形淬火后的構件具有超高強度，同時價格合理，因此熱沖壓成形技術是實現汽車輕量化和安全性的先進成形技術。近年來熱沖壓成形用鋼得到了廣泛應用，主要應用于汽車A柱、B柱、C柱和防撞梁等碰撞關鍵部件[8]。以22MnB5為代表，現階段用量最多的熱成形零部件為1500 MPa級。為了進一步滿足汽車輕量化需求，強度級別更高的熱成形鋼材料，如1800、2000 MPa級熱成形鋼的應用也必將成為趨勢。圖5為熱成形工藝生產的汽車鋼零件。

熱沖壓的工藝包括奧氏體化處理、從加熱爐轉移到壓機、熱成形和淬火、剪邊處理[8]，見圖6。

奧氏體化處理在有保護氣氛的加熱爐中進行，板材被加熱到高于Ac3的溫度（通常 900～950 ℃）時保溫3~10 min，保溫時間根據板材的厚度而定。完全奧氏體化后，將材料從加熱爐轉移到熱成形的壓機中，該過程在空氣中進行，必須盡快完成，如果成形前材料溫度降到780 ℃以下，就可能形成鐵素體從而惡化熱成形零件的機械性能。材料在模具中成形，在該成形溫度下，材料有充分的延展性而易于成形復雜形狀的零件。熱成形鋼一般采用Al-Si鍍層、Zn或Zn合金鍍層等方法以避免成形過程中表面氧化。高溫成形后的零件在模具中快速冷卻（水冷）到馬氏體完成溫度以下（Mf~200 ℃），然后在空氣中自然冷卻到80 ℃左右從模具中取出，以保證后續(xù)空冷不變形。冷卻速度一般在40~100 ℃/s以保證零件的淬透性。因此，一套熱成形設備的產率為每分鐘2~3個零件。從模具中取出后用常規(guī)的方法進行剪邊處理和表面清理，最后熱成形零件用點焊的方式裝配到汽車車身上。

根據工序過程的不同，熱成形過程分為直接熱成形和間接熱成形兩種工藝，如圖7所示。直接熱成形中，板材不經過預成形，直接將平板加熱奧氏體化，然后放入模具中高速成形，一旦沖壓深度到達預定值，零件立即被淬火硬化。在間接熱成形中，材料首先在常規(guī)冷成形模具中成形到最終形狀的90%~95%，然后將預成形的零件加熱奧氏體化并熱成形和淬火硬化。間接熱成形工藝中，零件的預成形可以減小材料與模具之間的相對位移，從而減小模具表面在高溫下的磨損。

熱沖壓技術在國外應用較早，瑞典Plannja公司在1977年提出了熱沖壓技術[9]。最初目的是為了減小厚度超過8 mm的板料成形所需的變形抗力。隨著汽車技術的發(fā)展，為了獲得更薄、強度更高的汽車零件高強度鋼板開始廣泛應用熱沖壓技術。1984年瑞典薩博汽車公司研制出用于熱沖壓的硼鋼[5]。隨后，瑞典律勒歐理工大學采用Gleeble 1500熱模擬機對超高強度可淬火鋼22MnB5進行了高溫壓縮實驗與熱膨脹實驗獲得了材料熱力學性能數據[10]。伊朗Amirkabir大學的Naderi M等人[11]建立了22MnB5高溫下不同應變速率下的本構方程。德國紐倫堡大學系統(tǒng)地研究了硼鋼奧氏體化階段，軋制方向、溫度、應變速率等對鋼材流變性能的影響，研究表明軋制方向與奧氏體化基本無關，溫度越高真實應力降低，應變速率越高真實應力越高[12]。如今，熱沖壓成形技術已得到世界各國鋼鐵和汽車制造廠商的高度重視和較為廣泛的應用。目前全世界共有400條以上的熱沖壓生產線，中國占有130多條熱沖壓生產線和試模生產線[知識小貼士]（數據統(tǒng)計截至2018年）。

3. 汽車鋼的未來展望

隨著碳纖維、鋁合金、鎂合金等新型材料的出現，汽車鋼也迎來了新的挑戰(zhàn)。但就發(fā)展歷程和產業(yè)成熟度來說汽車鋼依舊是車身材料的主要選擇，因此汽車鋼未來發(fā)展的困境主要來源于自身。如何生產出同時具備高強度、高塑性并且輕量化的汽車鋼零件依舊是汽車鋼的重要發(fā)展方向，并且在提升性能的同時控制成本，實現批量生產。同時，我國作為制造業(yè)大國，伴隨著“去產能”以及我國“十四五”總體規(guī)劃的發(fā)展方向，綠色低碳同樣也將成為汽車鋼生產的重要目標，即在不斷提高汽車鋼強度減輕車身重量的同時，需重視從材料設計、生產、制造、加工、使用到回收利用等各個環(huán)節(jié)的成本、能耗以及排放，“綠色發(fā)展”對汽車鋼生產技術提出了更高的要求。此外，隨著計算機技術的高速發(fā)展，基于模擬軟件對汽車鋼生產工藝的指導目前已經得到較為廣泛的應用。在未來，也許可以構建更加貼合實際生產的數值模型，從而縮短研發(fā)周期，提高汽車鋼發(fā)展速度。

知識小貼士

試模生產線是一些企業(yè)為了確認生產線具體工作參數而進行小規(guī)模試制的小型生產線。

文章來源——金屬世界