自1920年代以來，鋼材一直是全球汽車制造商的首選材料。如今，鋼鐵約占汽車平均重量的65％，是整車的基礎(chǔ)。平均每輛車使用900公斤鋼材。

為了增強(qiáng)乘客的安全性和車輛性能，減輕車輛的重量已成為當(dāng)今汽車行業(yè)的頭等大事。高級(jí)高強(qiáng)度鋼（AHSS）是當(dāng)今汽車工業(yè)中增長(zhǎng)最快的材料，并且是減少汽車質(zhì)量的關(guān)鍵材料[1]。

通常，AHSS是屈服強(qiáng)度高于550 MPa的鋼。它們具有獨(dú)特的低重量，高強(qiáng)度和優(yōu)化的可成型性，從而使汽車制造商可以使用更少的材料，從而大大減輕了車輛的重量。

鋼鐵發(fā)展

從上世紀(jì)1900年代的低碳鋼到1970年代后期的高強(qiáng)度低合金（HSLA）以及1990年代第一代高級(jí)高強(qiáng)度鋼（AHSS）的引入，鋼的性能在上個(gè)世紀(jì)得到了顯著改善。 ]。

在過去的二十年中，鋼鐵行業(yè)開發(fā)了不同的合金化和加工組合，以生產(chǎn)出具有更高強(qiáng)度的鋼微結(jié)構(gòu)，以減小鋼的截面尺寸和重量[2]。

高抗拉強(qiáng)度和延展性，精心選擇的化學(xué)成分以及AHSS的多相微結(jié)構(gòu)令人印象深刻的組合旨在幫助汽車行業(yè)滿足輕量化要求[3]。AHSS不會(huì)比傳統(tǒng)鋼材輕得多，但是它們的強(qiáng)度使汽車制造商可以制造非常薄的儀表，從而減輕了車輛的重量。

汽車用鋼的分類

目前，汽車行業(yè)使用大約30種鋼種，可以分為三種不同的名稱[1]：

• 冶金名稱

• 強(qiáng)度指定

• 可成型性指定

冶金名稱提供了有關(guān)鋼的成分，加工和顯微組織的信息。汽車工業(yè)用鋼可分為傳統(tǒng)低碳鋼，常規(guī)高強(qiáng)度鋼（HSS）和高級(jí)高強(qiáng)度鋼（AHSS）。

汽車行業(yè)的第二種重要分類方法是鋼的強(qiáng)度。術(shù)語HSS和AHSS通常用于表示所有更高強(qiáng)度的鋼。

有時(shí)將AHSS稱為抗拉強(qiáng)度分別超過780 MPa和1000 MPa的超高強(qiáng)度鋼或超高強(qiáng)度鋼。但是，由于新一代AHSS的不斷發(fā)展，全世界對(duì)高強(qiáng)度鋼進(jìn)行分類的術(shù)語差異很大。

鋼的可成型性定義為通過不同的制造工藝將其制成簡(jiǎn)單和復(fù)雜形狀的能力[1、2]。表征可成形性的重要參數(shù)是高加工硬化指數(shù)和總伸長(zhǎng)率。盡管較高的加工硬化指數(shù)說明了鈑金件在施加載荷的情況下拉伸和更均勻地分布應(yīng)變的能力，但總伸長(zhǎng)率決定了在斷裂之前可以拉伸鋼的體積。

傳統(tǒng)低碳鋼

低碳或低碳鋼是指抗拉強(qiáng)度為400 MPa，碳含量為0.05％-0.25％的鋼。低碳鋼的微觀結(jié)構(gòu)使其相對(duì)易延展且易于形成，由一相（通常為鐵素體）組成[4]。如圖1所示，低碳鋼通常用于車輛的車身結(jié)構(gòu)和行李箱蓋。

圖1.車輛中的鋼分布[5]

高強(qiáng)度鋼

高強(qiáng)度低合金（HSLA）鋼是汽車工業(yè)中最常用的高強(qiáng)度鋼[3]。這些鋼具有高達(dá)800 MPa的更高抗拉強(qiáng)度。它們并非滿足特定的化學(xué)成分，而是滿足特定的機(jī)械性能[4]。它們具有低的合金化和碳含量，以保持加工性和焊接性，與銅，鈦，釩，和鈮添加用于強(qiáng)化目的的[3]。如圖1所示，HSS鋼已用于車輛中能量吸收很重要的區(qū)域。

低合金鋼

低碳鋼

常規(guī)HSS和AHSS之間的主要區(qū)別在于它們的微觀結(jié)構(gòu)。AHSS是具有復(fù)雜組織的多相鋼，包含鐵素體，馬氏體，貝氏體和奧氏體等相[6]。

第一代AHSS

AHSS系列的第一代產(chǎn)品包括雙相（DP），復(fù)相（CP），馬氏體（MS）和規(guī)則的相變誘發(fā)塑性（TRIP）。

在相同的強(qiáng)度水平下，第一代比HSLA具有更高的可成形性。這是由于其多相微觀結(jié)構(gòu)，其中包含鐵素體相和馬氏體相，以在可成形性和強(qiáng)度之間取得平衡。獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)是通過特殊的熱處理[1，3]創(chuàng)建的。

• DP鋼的抗拉強(qiáng)度為590到1400 MPa，用于車輛的碰撞區(qū)域。

• CP鋼的顯微組織除了貝氏體 和馬氏體外，還包括貝氏體，這使它們比DP鋼更易成型。它們的抗拉強(qiáng)度為800到1180 MPa，通常用于汽車車架。

• TRIP鋼具有的拉伸強(qiáng)度范圍為590?1180兆帕。這些鋼的顯微組織與鐵素體和馬氏體一起，含有殘留的奧氏體，當(dāng)鋼變形時(shí)，它們會(huì)轉(zhuǎn)變成強(qiáng)馬氏體相，因此可以吸收大量的能量。它們通常用于車輛前后區(qū)域結(jié)構(gòu)中的能量吸收。

• MS鋼是AHSS系列中最硬的鋼種。它們的強(qiáng)度范圍從900?1700兆帕。這些鋼可能具有最高的強(qiáng)度，但是由于在顯微組織中馬氏體的形成量較高，因此它們的可成形性最低。它們用于必須限制變形的車身。

第二代AHSS

第二代AHSS包括新一代的相變誘發(fā)塑性（TRIP），熱成型（HF）和孿生誘發(fā)塑性（TWIP）鋼[1]。第一代和第二代AHSS均旨在滿足汽車行業(yè)某些零件的功能性能要求[6]

圖2顯示第一代AHSS的可成形性非常有限。第二代的可成形性明顯高于第一代，但是由于合金元素的高成本，它們非常昂貴[7]。因此，目前正在開發(fā)第三代AHSS。這些鋼的目的是要提高強(qiáng)度-延展率，并有望實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)重量減輕超過35％[2]。

圖2汽車工業(yè)用鋼的分類[1]。

由于與常規(guī)HSS相比，AHSS等級(jí)的冶金學(xué)仍是一個(gè)新領(lǐng)域，因此目前僅生產(chǎn)兩種類型的第三代AHSS。各種AHSS等級(jí)可在圖2中看到。

AHSS的意義

AHSS現(xiàn)在幾乎用于所有新車設(shè)計(jì)。預(yù)計(jì)它們將替代當(dāng)前使用的常規(guī)HSS的大約60％ [1]。

由于AHSS可以在非常薄的規(guī)格下制造并保持與低碳鋼相同的強(qiáng)度，因此設(shè)計(jì)人員可以輕松地用AHSS代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼[3]。用其他輕質(zhì)材料（例如鋁或纖維增強(qiáng)復(fù)合材料）代替鋼時(shí)，情況并非如此。這些有色金屬材料價(jià)格昂貴，與現(xiàn)有的制造工藝不兼容，并且具有較高的生產(chǎn)和制造成本[1]。

成本效益分析表明，鋼制零件比其他輕質(zhì)材料更堅(jiān)固，更便宜。與鋼競(jìng)爭(zhēng)的最流行的輕質(zhì)材料是鋁。盡管在汽車工業(yè)中使用的鋁一直在適度增長(zhǎng)，但是用鋁制造的車身結(jié)構(gòu)比鋼制造的成本高60％至80％[1]。

鑄鋁

鍛鋁

AHSS的未來

與傳統(tǒng)鋼相比，新等級(jí)的AHSS使車身結(jié)構(gòu)輕了25-39％。當(dāng)應(yīng)用于典型的五人座家用車輛時(shí)，車輛的總重量可以減少170至270 kg。減輕車輛重量是提高燃油效率的關(guān)鍵因素[1]。每輛車使用較少量的鋼材可以減少材料和燃料成本，從而有利于環(huán)境保護(hù)。簡(jiǎn)而言之，如果汽車制造商使用拉伸強(qiáng)度為1000 MPa而不是500 MPa的鋼，則鋼材消耗將減少一半。

圖3.到2023年，高級(jí)高強(qiáng)度鋼（AHSS）市場(chǎng)預(yù)計(jì)將比2017年增長(zhǎng)一倍以上。

最近的許多研究比較并預(yù)測(cè)了AHSS在汽車，建筑和其他應(yīng)用中的消耗[1，5]。毫不奇怪，在未來幾年，對(duì)AHSS的需求將增加，其中汽車行業(yè)將成為主要驅(qū)動(dòng)力。