先進高(gao)強鋼概述(shu)

Introduction to Advanced High Strength Steels

一、引言(yan)

歐(ou)洲(zhou)車身會(hui)議（ECB大會）對汽(qi)車用(yong)鋼板的(de)分(fen)類(lei)是(shi)按(an)照冶金學的(de)組織類(lei)型(xing)來分(fen)類(lei)的(de)，將(jiang)鋼種分(fen)為傳統軟鋼、高強(qiang)度鋼、先進高(gao)強度鋼和超高(gao)強度鋼等。

先進高強度鋼(gang)（Advanced High Strength Steels，AHSS），是具有復相組織的材料，通過嚴格控制加(jia)熱(re)和冷(leng)卻工藝達到所(suo)要(yao)的化學成分和復相微結構，并采(cai)用各(ge)種(zhong)強化機(ji)制來實現不同強度、延展(zhan)性、韌性和疲勞(lao)性能。

二、性(xing)能

在過(guo)(guo)去(qu)，鋼(gang)鐵的(de)抗拉強度超過(guo)(guo)550 MPa，可(ke)以(yi)歸為先(xian)進高強度鋼，而抗(kang)拉強度超過780 MPa歸為超高強度鋼(gang)(gang)，然而，當下多相先進(jin)高強度鋼(gang)(gang)的最低抗(kang)拉強度是440 Mpa，因此將強度作為界定先進高(gao)強鋼的標準不(bu)再適用(yong)。抗拉強度為1000 MPa的先進高(gao)強度鋼通常也稱之為1GPa鋼。第三代先進高強度鋼有(you)望(wang)在(zai)低成本前提下實(shi)現相當或更優的性能。

鋼(gang)種的強(qiang)度-延性圖(tu)

IF—無(wu)間隙原子鋼；Mild—低碳鋁鎮靜(jing)鋼(gang)；

IF-HS—高強度IF鋼；BH鋼—烘烤硬化(hua)剛；

CMn—碳錳(meng)鋼；HSLA—高強度低合金鋼；

DP—雙相鋼；CP—復(fu)相鋼；

TRIP—相變誘導塑性鋼；

MS—馬氏體鋼；TWIP—孿晶誘導塑性(xing)鋼

先(xian)進高強度鋼材料(liao)性能概覽（包含HSLA鋼）

三、分類

世界鋼協根據研(yan)發(fa)歷(li)史及其特點，將AHSS鋼分(fen)為(wei)三代：

（1）第(di)一代AHSS鋼以鐵素體為(wei)基的AHSS鋼(gang)的強塑積為15 GPa%以下，主要包括雙(shuang)相(xiang)( DP)鋼、多相( CP)鋼和相變(bian)誘(you)導塑性( TRIP)鋼，鐵(tie)素體貝氏(shi)體鋼（FB/SF），馬(ma)氏體鋼(gang)（MS/PHS）、硼(peng)鋼（HF）；

（2）第(di)二代AHSS鋼(gang)以(yi)奧氏(shi)體(ti)(ti)為基的AHSS鋼的強塑(su)積為50 GPa%以上(shang)，主要包括奧氏(shi)體孿(luan)晶誘導塑性( TWIP) 鋼（主要鋼種(zhong)）、誘導塑性(xing)輕鋼(L-IP) 和剪切帶(dai)強化(SIP)鋼；

（3）第三(san)代AHSS鋼以馬氏體、回火馬氏體、亞微米晶/納米晶組(zu)織(zhi)或沉淀強化的高(gao)強度BCC組(zu)織(zhi)，強塑積20 -40GPa%，主(zhu)要(yao)包(bao)括(kuo)TBF鋼（TRIP Aided Bainitic Ferrite steels），中錳(meng)鋼（medium Mn-Trip），Q&P鋼（Quenching-Partitioning Steel）。第三(san)代AHSS鋼以“多相、亞(ya)穩、多尺度(du)”為特征的組織調控理論的指導下，提出高強塑積第三代汽車鋼的超細晶基體與亞穩相的組織調控思路，采用新型中錳合(he)金化和逆轉變奧氏(shi)體（ART）退火的技術思路。

先進高強鋼的組織結構(gou)與性能關系(xi)分析(xi)總結

（上圖陰影區域是第三代先進(jin)高強(qiang)鋼強(qiang)塑積的(de)研發(fa)目標，

下圖紅色區(qu)域表明第三代先進高強鋼要含有30%~40%的亞穩奧氏體(ti)含量(liang)）

第一代先進高強鋼

3.1 DP鋼（Dual-Phase Steel）

3.1.1 顯(xian)微組(zu)織（Microstructure）

DP鋼(gang)的(de)顯(xian)微組織(zhi)主(zhu)要為鐵素體(ti)和(he)馬氏體(ti)，馬氏體組織以島(dao)狀彌散分(fen)布在鐵素體基體上(如圖2所(suo)示(shi))。鐵素體較(jiao)軟，使鋼材(cai)具(ju)備較(jiao)好(hao)的(de)(de)塑性。馬(ma)氏體較(jiao)硬，使鋼材(cai)具(ju)備較(jiao)高的(de)(de)強(qiang)度(du)。DP鋼的強度隨較硬(ying)的馬氏體(ti)所占比例提(ti)高而增強。

DP鋼的顯微組織

3.1.2 性能特點

（1）屈強比較低（一般為0.5～0.65），不僅易于加工，而且具有僅次于TRIP鋼的高延伸(shen)率；

（2）應(ying)變(bian)集中在(zai)低強度的(de)鐵素體相上，使其(qi)具有獨特的(de)高加工硬化率，尤(you)其(qi)在(zai)低的(de)應(ying)變(bian)區（2%～3%），屈服強度提高很快（140～220MPa）；

（3）無(wu)屈(qu)服延伸(shen)，無(wu)時效(xiao)；

（4）呈烘烤硬化特性（可達30～150MPa）；

（5）良好地碰撞能量(liang)吸收性能。

3.1.3 應用

雙相(xiang)鋼(gang)是先進高強度鋼(gang)中應用最為廣泛的一類鋼(gang)種。如表2所示，可看出雙相鋼C級車(che)上所應(ying)用(yong)部件的使用(yong)情(qing)況。雙(shuang)相鋼最適用(yong)于(yu)結構(gou)件及其加強件，在外板(ban)上也有廣泛的應(ying)用(yong)。雙(shuang)相鋼在C級車上占(zhan)到了(le)整(zheng)個結構(gou)用鋼的74%左右(you)。對于450/500MPa級別的雙相鋼常用(yong)于車門外(wai)(wai)板等外(wai)(wai)露件，比(bi)標(biao)準(zhun)鋼種的抗凹陷能力高(gao)20%，可(ke)有15%的減重潛能；而600/780/1000/1180MPa級別的雙相鋼則適用于生產各類結構(gou)件(jian)和(he)安全部件(jian)，常見的部件(jian)有縱梁、橫梁、車底(di)十字構(gou)架、防撞(zhuang)加強構(gou)件(jian)、前翼構(gou)件(jian)、車輪等(deng)。

DP鋼在汽車(che)部件中典型應用

3.1.4 缺點

雙相鋼的(de)沖壓(ya)回彈(dan)是該材(cai)料面臨的(de)最大挑戰。由于(yu)冷軋雙相鋼的(de)高(gao)強度級別，在沖壓(ya)成(cheng)形過程中，材(cai)料必(bi)然存在較(jiao)大的(de)內應力。成(cheng)形完成(cheng)從模(mo)具中取出時，材(cai)料的(de)高(gao)內應力使零件很(hen)容易產生回彈(dan)，造(zao)成(cheng)零件的(de)扭(niu)曲與翹曲。

雙相鋼的(de)沖壓開裂(lie)則(ze)是另(ling)一個較大的(de)挑(tiao)戰。開裂(lie)傾(qing)向主要是由于(yu)雙相鋼中的(de)鐵素(su)體和馬氏體兩種相之間的(de)力(li)(li)學性(xing)能差異(yi)巨大，成形(xing)過程中在兩相的(de)界面之間造(zao)成應力(li)(li)集中，從(cong)而(er)引(yin)起界面間的(de)開裂(lie)。

3.2 CP鋼（Complex Phase steel）

3.2.1 顯微組織

CP鋼的顯微組織以(yi)鐵素體(ti)/貝氏體(ti)為基體(ti)，含有少量的馬氏體(ti)、殘余奧氏體(ti)以(yi)及珠光體(ti)。通過再(zai)結晶(jing)和Ti/Nb等微量元素形成的析出(chu)相達到細化(hua)晶(jing)粒(li)的目(mu)的。

CP 800/1000 熱軋(ya)鋼的顯微(wei)組織

3.2.2 性能特點

 CP鋼(gang)具有非(fei)常高的抗拉強度，與同等抗拉強度的雙相(xiang)鋼(gang)相(xiang)比，其屈服強度明顯要(yao)高很多，且有較高的能(neng)力吸(xi)收能(neng)力和較高的殘(can)余應變(bian)能(neng)力，擴孔性(xing)能(neng)好。

3.2.3 應用

CP鋼在汽車部(bu)件中(zhong)典型(xing)應(ying)用

3.3 FB鋼（Ferritic-Bainitic steel）

3.3.1 顯微組織

FB鋼的(de)顯微組織由鐵素體和貝氏體組成。FB鋼(gang)是過冷奧氏(shi)體(ti)在珠(zhu)光體(ti)轉(zhuan)(zhuan)變和(he)馬氏(shi)體(ti)轉(zhuan)(zhuan)變之間的中溫區域內(nei)發生的轉(zhuan)(zhuan)變而形成。

FB450/600鋼(gang)的顯微(wei)組織

3.3.2 性能特點(dian)

FB鋼具有良(liang)好地(di)成型(xing)、焊接和(he)疲勞性能(neng)。FB鋼的最(zui)大特點是具有良好地延伸凸緣性（擴(kuo)孔性能）。

3.3.3 應(ying)用

FB鋼通常用于(yu)生(sheng)產沖壓(ya)大、中(zhong)型的激光對(dui)焊板坯(pi)或汽車底盤、車輪等載(zai)重件。

FB鋼在汽車部件(jian)中的應用

3.4 相變誘導塑性鋼（Transformation InducedPlasticity Steel，TRIP）

3.4.1 顯微組織

TRIP鋼(gang)的(de)顯微(wei)組織(zhi)以鐵素(su)體(ti)(ti)(ti)(ti)為(wei)基體(ti)(ti)(ti)(ti)，殘(can)(can)留奧氏體(ti)(ti)(ti)(ti)彌散(san)分布(bu)在(zai)鐵素(su)體(ti)(ti)(ti)(ti)上，也存在(zai)馬氏體(ti)(ti)(ti)(ti)和貝氏體(ti)(ti)(ti)(ti)。鋼(gang)中組織(zhi)的(de)合理配比、殘(can)(can)余奧氏體(ti)(ti)(ti)(ti)的(de)穩定性決(jue)定了TRIP鋼的(de)力(li)學性(xing)能。

TRIP 690鋼的顯微(wei)組織

3.4.2 TRIP效應(ying)

TRIP效應是TRIP鋼在變(bian)形過程中，殘余奧氏體轉變(bian)為高(gao)強度的(de)高(gao)碳馬(ma)氏體，同時(shi)伴隨(sui)著體積膨脹，因而抑制了(le)(le)塑性變(bian)形的(de)不(bu)穩定，增加了(le)(le)均勻延伸的(de)范圍，故使得強度和(he)塑性同時(shi)提(ti)高(gao)。

3.4.3 化學成分

TRIP鋼的成分(fen)以C-Mn-Si合金(jin)為主，根據具體情況添加少(shao)量(liang)的Cr、V、Ni等合(he)金元素。其(qi)成(cheng)分特(te)征是低碳、低合(he)金化、鋼質純凈。

TRIP鋼(gang)中(zhong)化學元素的作用

3.4.4 性能特點

成型性(xing)能：TRIP鋼具有(you)較(jiao)高的(de)平面應變(bian)特(te)征(zheng)點值，因此(ci)具有(you)較(jiao)好的(de)極限變(bian)形能力；在雙向拉伸變(bian)形區(qu)域，TRIP鋼的安全(quan)成型度(du)比DP鋼高，所(suo)以相同強度級別(bie)下的TRIP鋼的沖壓(ya)成(cheng)形性優于(yu)DP鋼。

焊接性能：Si和Mn元素的(de)加(jia)入使鋼板的(de)焊(han)接性(xing)能下降。

撞吸特性：TRIP鋼加工硬(ying)化速(su)率變化較平緩，隨應(ying)變呈線性(xing)下降(jiang)趨勢，因此在大變形階(jie)段(duan)，TRIP鋼的吸能特性顯著。

3.4.5 應(ying)用

TRIP鋼應用于防(fang)撞結構件。

TRIP鋼在汽車部件中典型應用

3.5 馬氏體鋼（Martensitic Steel）

3.5.1 顯(xian)微組織(zhi)

MS鋼的(de)顯(xian)微組織以(yi)馬氏(shi)體為基體，少量(liang)的(de)鐵素體或貝氏(shi)體彌散分布其中。馬氏(shi)體組織通(tong)過高(gao)溫奧氏(shi)體組織經熱(re)軋(ya)(ya)或冷(leng)軋(ya)(ya)連(lian)續退火(huo)后淬火(huo)形(xing)成(cheng)，具有非常高(gao)的(de)強度。

馬(ma)氏體(ti)鋼的顯微組織

3.5.2 性能特點

馬氏(shi)體鋼具有非常高的(de)強度(du)，抗拉強度(du)極(ji)限達到了(le)1700MPa。馬氏體(ti)鋼經等溫(wen)回(hui)火處(chu)理后可(ke)得到(dao)很好的成形性。

低(di)碳馬氏(shi)體鋼具(ju)有(you)良好地(di)強(qiang)度、塑性、韌性以及低(di)的品奧傾向，同時還具(ju)有(you)較低(di)的缺(que)口敏(min)感(gan)性，過熱(re)敏(min)感(gan)性、優(you)良的冷(leng)加工性、良好地(di)可(ke)焊性而且熱(re)處理變形較小(xiao)等(deng)一系列的優(you)點。

3.5.3 應用

馬氏體(ti)高強鋼(gang)在汽車領(ling)域(yu)主要(yao)應用于成形性(xing)要(yao)求不(bu)高的零(ling)件部分(fen)，如汽車前(qian)后左右門的防撞桿(gan)，A、B、C柱加強板，下邊地板通道(dao)，車(che)頂加強梁等。

MS鋼(gang)在(zai)汽車部件(jian)中的應用

3.6 硼鋼(gang)（Boronbased hot-forming steel）

3.6.1 顯微組(zu)織

熱(re)成形鋼的原始顯(xian)微組(zu)織(zhi)通常為(wei)鐵素體加珠光體組(zu)織(zhi)，以及少量的碳化物顆粒和貝氏體組(zu)織(zhi)。熱(re)成形后，顯(xian)微組(zu)織(zhi)主(zhu)要(yao)為(wei)全馬(ma)氏體組織，以及少量(liang)的鐵(tie)素體、貝(bei)氏(shi)體或殘(can)余奧氏(shi)體存(cun)在。

3.6.2 熱成形工藝原(yuan)理(li)

首(shou)先把常溫下強度為500~600MPa的高強度硼合金鋼板加熱到880~950℃，使(shi)之均(jun)勻奧(ao)氏體化(hua)(hua)，然后送入內(nei)部帶有冷(leng)卻系統的模(mo)具內(nei)沖壓(ya)成(cheng)型，之后保壓(ya)快速冷(leng)卻淬火(huo)，使(shi)奧(ao)氏體轉變(bian)成(cheng)馬氏體，成(cheng)形件(jian)因而得到強(qiang)化(hua)(hua)硬化(hua)(hua)，強(qiang)度大幅度提(ti)高。該工(gong)藝(yi)被稱(cheng)為“沖壓硬化(hua)”技術(shu)，分為直接(jie)工藝和間(jian)接(jie)工藝，兩種工藝大致相同。

3.6.3 化學成分

熱成形(xing)中使(shi)用(yong)最廣泛的22MnB5材料是一種低碳微合金含硼鋼，含有少量Ti、Cr、Mo、Cu、Ni等合(he)金元素。

B元素(su)可顯著提高鋼的淬透(tou)性，有(you)利于獲得高強度的全馬(ma)氏體組織，添加量一般為15~30 μg/g。B元素還(huan)可以提高過冷奧(ao)氏體(ti)(ti)的穩(wen)定性，降低(di)珠光體(ti)(ti)和貝氏體(ti)(ti)的轉變速(su)率，使過冷傲(ao)實體(ti)(ti)等溫轉變曲線右(you)移，避免(mian)鐵素體(ti)(ti)和珠光體(ti)(ti)的形成。B元素主要通(tong)過奧氏(shi)體(ti)化時(shi)在(zai)晶界的(de)偏析來影響鐵素體(ti)形(xing)核(he)，從而提高鋼(gang)的(de)強度。

3.6.4 性能(neng)特(te)點

熱(re)成形鋼屈服(fu)強度≥1000MPa，抗拉強度(du)≥1500 MPa，斷后伸長(chang)率≥5%，強(qiang)度、硬度高(gao)、耐(nai)磨性好(hao)，具有極高(gao)的(de)減重潛力(li)、高(gao)碰(peng)撞吸收(shou)能力(li)、高(gao)疲(pi)勞(lao)強(qiang)度、高(gao)成形(xing)性等(deng)優(you)勢。

3.6.5 應用

熱成形鋼(gang)被廣泛(fan)用于(yu)車身(shen)骨架的關鍵(jian)部位，例如A、B、C柱，車門防撞梁等安(an)全關鍵(jian)部位。

第二代先進高強鋼

3.7 孿(luan)晶誘導塑性鋼（Twinning Induced Plasticity，TWIP）

3.7.1 顯微(wei)組織(zhi)

TWIP鋼的顯微組織為單一的奧氏(shi)體組織(zhi)和少量退火孿晶組織(zhi)。

 經退火的(de)TWIP鋼的顯微組織

3.7.2 變形(xing)機(ji)制(zhi)

在(zai)外力(li)的作(zuo)用下，TWIP鋼的(de)(de)變(bian)(bian)(bian)形(xing)主要以(yi)孿生方(fang)式(shi)進行，這(zhe)是因為(wei)對于(yu)低層錯(cuo)能(neng)的(de)(de)奧(ao)氏(shi)體(ti)晶(jing)粒，微(wei)小(xiao)的(de)(de)變(bian)(bian)(bian)形(xing)就(jiu)能(neng)使其內部產生大量(liang)的(de)(de)位(wei)(wei)錯(cuo)與層錯(cuo)缺陷，在切應(ying)力(li)(li)作用下位(wei)(wei)錯(cuo)源所產生的(de)(de)大量(liang)位(wei)(wei)錯(cuo)沿滑(hua)移面運動(dong)時(shi)遇(yu)到了障礙，位(wei)(wei)錯(cuo)被釘扎造成位(wei)(wei)錯(cuo)的(de)(de)塞積和纏結，隨著應(ying)力(li)(li)的(de)(de)增大位(wei)(wei)錯(cuo)不斷堆(dui)集，應(ying)力(li)(li)集中(zhong)愈來愈大，滑(hua)移系很難再(zai)(zai)滑(hua)移運動(dong)，不能(neng)再(zai)(zai)通過(guo)滑(hua)移方(fang)式(shi)來繼(ji)續塑(su)性變(bian)(bian)(bian)形(xing)，當應(ying)力(li)(li)集中(zhong)在孿生方(fang)向達到臨界應(ying)力(li)(li)值(zhi)時(shi)，晶(jing)體(ti)就(jiu)開(kai)始進行孿晶(jing)變(bian)(bian)(bian)形(xing)。

隨著應(ying)變量(liang)(liang)的(de)(de)增(zeng)加，材料(liao)的(de)(de)顯微(wei)組(zu)織(zhi)中出現大(da)(da)量(liang)(liang)的(de)(de)高密度形變孿晶(jing)，并產(chan)生(sheng)二(er)次(ci)孿晶(jing)。初生(sheng)孿晶(jing)與次(ci)生(sheng)孿晶(jing)交互(hu)穿(chuan)越、切割基體，增(zeng)加運動(dong)的(de)(de)障礙，起到(dao)了細化晶(jing)粒(li)的(de)(de)作用，極大(da)(da)提高了TWIP鋼的(de)(de)強度。高應(ying)變(bian)(bian)區(qu)首先形成的(de)(de)孿晶界(jie)阻(zu)礙(ai)了該區(qu)滑(hua)移的(de)(de)進(jin)行(xing)(xing)(xing)，促使其它應(ying)變(bian)(bian)較低區(qu)域通過滑(hua)移進(jin)行(xing)(xing)(xing)形變(bian)(bian)直至(zhi)孿晶的(de)(de)形成，這使試樣發生(sheng)均(jun)勻變(bian)(bian)形，顯著推遲了縮頸的(de)(de)產生(sheng)。同時對位錯(cuo)運(yun)動(dong)的(de)(de)阻(zu)礙(ai)也在一定程度上減少了加工硬(ying)化(hua)現象的(de)(de)發生(sheng)，也使塑性變(bian)(bian)形能夠持續進(jin)行(xing)(xing)(xing)，獲得更大的(de)(de)延伸效果。圖10為TWIP鋼(gang)應力-應變(bian)曲(qu)線(xian)，其中存在的兩(liang)種(zhong)主(zhu)要的形變(bian)機制。

TWIP鋼應(ying)力-應(ying)變曲線中兩種(zhong)主要的形變機(ji)制

3.7.3 化學成(cheng)分

TWIP鋼的Mn含量很高（17~24%），并含有少量C (<1 %), Si (<3%)或 Al (<3 %)。

TWIP鋼中化學(xue)元素(su)的作用

3.7.4 性能特點(dian)

TWIP鋼不僅展現(xian)出奧(ao)氏(shi)體(ti)鋼所具有良好(hao)的耐磨性(xing)和耐蝕性(xing)，而且在塑(su)性(xing)變形的(de)過程中表現出卓(zhuo)越(yue)的(de)延展性(xing)、較高的(de)強(qiang)度(du)和良(liang)好的(de)成形性(xing)；同時(shi)具有高的(de)能(neng)(neng)量(liang)吸(xi)收(shou)能(neng)(neng)力(li)（是傳統高強(qiang)鋼的(de)2倍）。

3.7.5 應用

TWIP鋼用于改(gai)善汽(qi)車的碰撞安全性能；極(ji)高的翻(fan)邊成形性能，使之更(geng)容易制造出復雜形狀的零件。

表8  TWIP鋼在汽車部(bu)件中的應用

3.8 L-IP鋼（Light-Induced Plasticity Steel,誘導塑(su)性輕(qing)鋼）

在(zai)《Advanced High Strength Steels》（P369）定義L-IP鋼(gang)為(wei)carbon-free TWIP steels，即(ji)無(wu)碳(tan)或超低(di)碳(tan)TWIP鋼(gang)，其中以Fe-Mn-Si-Al系為代(dai)表，其中Mn含(han)量為25%~30%，Si含量為(wei)2%~4%，Al含量為2%~4%。

碳是奧氏體化穩定化元(yuan)素(su)，能顯著提高TWIP鋼的合(he)金系的層錯(cuo)能(neng)有利于TWIP效應。碳含量較高時(shi)會引起鋼(gang)板(ban)焊接(jie)時(shi)的(de)冷裂紋傾向，降低了(le)材料(liao)的(de)可焊接(jie)性病降低了(le)HAZ韌性，此外中高碳含量的TWIP鋼中不可避免(mian)地出現大量的碳化物(wu)，顯著降低材料(liao)的塑、韌性。

因此L-IP鋼的(de)思路是以(yi)少量的(de)強度降低(di)為代(dai)價，改善(shan)TWIP的焊接問題。而(er)為了保證TWIP效應，在無低碳(tan)或者超(chao)低碳(tan)TWIP鋼中通(tong)常會加(jia)入(ru)一定量的Si、Al元素，除(chu)調節合金系的層錯(cuo)能外(wai)，還可以強(qiang)化奧(ao)氏體(ti)基體(ti)。

L-IP鋼的顯微組織為全奧氏體組織。

近(jin)年(nian)來的(de)研究表(biao)明(ming)，超低碳鋼(gang)和無碳雙(shuang)相高錳TWIP鋼塑性變(bian)形時(shi)同時(shi)會或相(xiang)繼發生TRIP和(he)TWIP效應，兼具高強度和良好塑(su)性(xing)。

室(shi)溫下不同(tong)化(hua)學成分Fe-Mn-Al-Si TWIP鋼的(de)力(li)學性能(neng)

3.9 SIP鋼（Shear Band Induced Plasticity steel，剪切帶強化鋼(gang)）

高(gao)錳鋼的變形機(ji)制根據堆垛層錯(cuo)能(SFE)和相變的(de)吉布斯(si)自由能(neng)（△G）不同，可分(fen)為(wei)馬氏體(ti)相變(bian)、應變(bian)誘(you)發相變(bian)（TRIP效應）、應變誘發孿(luan)晶（TWIP效(xiao)應）和位錯滑移(yi)。變形機制如圖所示。

不同合金成(cheng)分和溫度下(xia)高錳鋼

變(bian)形機制隨(sui)層錯能的轉變(bian)圖

在Fe-Mn-Al-C系鋼中，隨著Al的大量添加，鋼的層錯能很高（~100 mJ/m²），在變形(xing)時不發生馬氏體(ti)相(xiang)變，也不發生機械孿生，而是出(chu)現大量均勻的剪(jian)切帶(dai)，剪(jian)切變形(xing)對總的塑(su)性有(you)重要(yao)貢獻，因(yin)此被稱為剪切帶誘發塑(su)性（Shear BandInduced Plasticity），簡稱SIP效應(ying)。因此這類(lei)鋼也被稱為SIP鋼。

這(zhe)類鋼(gang)的另(ling)一個特(te)點是(shi)在奧(ao)氏(shi)體(ti)(ti)(ti)基體(ti)(ti)(ti)上均勻分布著納米(mi)級(ji)碳(tan)化物，其間距很小，并(bing)與奧(ao)氏(shi)體(ti)(ti)(ti)基體(ti)(ti)(ti)共格，同時鋼(gang)中還有5%~15%的鐵素體。

SIP鋼具有優良(liang)的成形性和抗碰撞性能，且密度僅(jin)為6.5~7g/cm³，減重(zhong)效果好。

第三代先進高強鋼

3.10 TBF鋼（TRIP Aided Bainitic Ferrite steels）

TBF鋼為(wei)相變誘導塑性鐵貝氏(shi)體素體鋼，也稱為(wei)Carbide-free bainitic steels（無碳(tan)化物貝氏體(ti)(ti)鋼），TRIP with bainitic matrix（貝氏(shi)體基相變誘(you)導(dao)塑(su)性鋼）或super-bainitic TRIP（超(chao)級貝氏體(ti)基相變誘導(dao)塑(su)性鋼）。

3.10.1顯微組(zu)織(zhi)

TBF鋼的(de)組織特征(zheng)是精細規整的(de)無碳化物(wu)貝氏(shi)體(ti)鐵素體(ti)板條(tiao)束、分布在(zai)貝氏(shi)體(ti)鐵素體(ti)基體(ti)上板條(tiao)束間(jian)的(de)薄膜狀殘余奧(ao)氏(shi)體(ti)與塊狀殘余奧(ao)氏(shi)體(ti)，同時也(ye)存在(zai)有非常少量的(de)回火馬氏(shi)體(ti)。

TBF鋼的SEM顯(xian)微(wei)照片

（F–先共析鐵素(su)體，B–無(wu)碳化物貝(bei)氏體(ti)，A–殘余奧氏體）

3.10.2性能特點

TBF鋼中有亞穩態(tai)殘余奧氏(shi)體(ti)(ti)（體(ti)(ti)積分數約為10%-30%）的(de)存在，不僅(jin)具有較(jiao)(jiao)好(hao)的(de)超高強度(du)和塑性(xing)(xing)匹(pi)配(pei)，而且具有較(jiao)(jiao)高的(de)疲勞強度(du)、較(jiao)(jiao)好(hao)的(de)沖擊性(xing)(xing)能，翻邊擴孔性(xing)(xing)能和抗氫脆性(xing)(xing)能。

設(she)計(ji)目標(biao)：屈(qu)服強度達1.5GPa以上，抗拉強(qiang)度達1.77~2.2GPa，斷后伸長率達15%。

3.10.3化學成(cheng)分

TBF鋼中的C元素(su)為0.2~0.4%。

TBF鋼中化學(xue)元素的作用

3.10.4應用

如圖(tu)所(suo)示。

ArcelorMittal的TBF鋼使用(yong)示(shi)例(li)

3.11 Q&P鋼（Quenching-Partitioning Steel）

3.11.1 顯微(wei)組織

Q&P鋼(gang)的顯微組織為貧(pin)碳的板條(tiao)馬氏體(ti)和氟碳的殘余奧氏體(ti)（5~15%）。馬氏體組織保證了鋼的強(qiang)度，殘留奧氏體在變(bian)形過程中發(fa)生相變(bian)誘發(fa)塑性，從而提高(gao)鋼的塑性。

Q&P鋼的顯微組織

3.11.2 性能特(te)點

Q&P鋼具有較高的屈強比（YS/TS）、高(gao)強(qiang)度和(he)較高(gao)延伸率的新鋼種，設計抗拉強(qiang)度為(wei)800~1500MPa，伸長率15%~40%。

3.11.3 淬火(huo)配分(fen)工藝

設計思路：通過碳的配分，實現奧氏體富碳，從而穩定奧氏體。然后，利用室溫下奧氏體的TIRP效應獲得相對高塑性。

淬火配分(fen)工藝首先將鋼材加熱到Ac₃以上的(de)某(mou)一溫度，使其完全奧氏體化(hua)，該(gai)溫度稱之(zhi)為(wei)奧氏體化(hua)溫度A_T，然后以大于馬氏(shi)體(ti)轉變臨(lin)界冷速淬火到Ms和Mf之間的某一溫度Q_T，形(xing)成馬氏體和殘余奧(ao)氏體的混(hun)合組織；接著升(sheng)溫到低于(yu)Ms的配分溫度P_T保溫一定(ding)時間(jian)，使碳元素從過飽和馬氏體(ti)中的碳擴散到殘(can)余奧(ao)氏體(ti)中，增加(jia)奧(ao)氏體(ti)穩定(ding)性，從而在隨后的淬(cui)火(huo)過程(cheng)中保留至室溫。

Q&P工藝和(he)組織演變示意圖(tu)

3.12 中(zhong)錳鋼（Medium Mn-Trip）

3.12.1顯微組織

中錳(meng)鋼(gang)ART鋼的(de)顯微組(zu)織為(wei)馬(ma)氏(shi)體(ti)(ti)(ti)或(huo)回火(huo)馬(ma)氏(shi)體(ti)(ti)(ti)基體(ti)(ti)(ti)上含(han)有大量(liang)片狀殘留(liu)奧氏(shi)體(ti)(ti)(ti)或(huo)超(chao)細鐵素體(ti)(ti)(ti)。

中(zhong)錳ART鋼(gang)的顯微組織

3.12.2奧氏體逆轉變方法（Austenite reverted transformation, ART）

ART工藝首先將鋼淬火(huo)得到淬火(huo)馬氏體(ti)，然后(hou)在鐵素體(ti)+奧氏體兩相區(qu)保溫退火獲(huo)得逆生奧氏體，并伴(ban)隨(sui)溶質元(yuan)素在奧氏體中的富集及再配分活動，使殘余奧氏體穩(wen)定性提高保留到室溫。

3.12.3化(hua)學(xue)成分

由(you)于(yu)提(ti)高(gao)(gao)鋼中亞穩奧氏(shi)體的(de)含量是提(ti)高(gao)(gao)鋼的(de)強塑積的(de)關鍵因素，因此需要提(ti)高(gao)(gao)亞穩奧氏(shi)體的(de)含量。

Mn元(yuan)素可擴大奧(ao)氏體相區且(qie)有效促進奧(ao)氏體的形成(cheng)及組織超細(xi)化。因此Mn元素的置換(huan)擴(kuo)散與配分和奧氏體逆轉變是最終以多相和亞微(wei)米尺度的超細(xi)基體(ti)為特點(dian)的體(ti)心立方(BCC)的鐵素(su)體組織與面心(xin)立方（FCC）殘(can)余奧氏體(ti)復合(he)組織的關鍵。

實驗(yan)研究的(de)中錳鋼的(de)成(cheng)分設計為C的質量分數(shu)為0.15%-0.60%，Mn的質量分(fen)數(shu)為(wei)4%-10%，部分研究(jiu)人員在中(zhong)錳鋼中(zhong)加入了Si、Al，二者(zhe)的質量(liang)分數(shu)基本控制在(zai)1.5%-3.0%范圍內(nei)。此(ci)外，少數研究中添(tian)加了Mo和(he)微合金化元(yuan)素V，旨在提(ti)高晶界強度和細化基(ji)體(ti)晶粒尺寸(cun)。

四、先進高(gao)強鋼的發展趨勢及(ji)研究(jiu)熱點(dian)

下一(yi)代先進高強鋼(gang)的(de)開(kai)發(fa)應具備如下條件(jian)：低(di)碳(tan)（高的(de)焊接性）、低(di)成(cheng)本(ben)（低(di)合金(jin)量的(de)添加）、高成(cheng)形性、易于裝備和維修(xiu)。今后材料(liao)的(de)設計開(kai)發(fa)，應從全流(liu)程的(de)角(jiao)度來(lai)考(kao)慮。需(xu)求(qiu)會促進相關技(ji)(ji)術的(de)進步(bu)，技(ji)(ji)術的(de)進步(bu)同樣(yang)會刺激需(xu)求(qiu)的(de)提高。對(dui)于下一(yi)步(bu)先進高強鋼(gang)的(de)發(fa)展方向和研究議題，在大學和科研院(yuan)所等機構提出如下研究領域：

先進高強鋼的微觀組織和機械(xie)性能；

先(xian)進(jin)高強鋼的碳擴散過程；

先(xian)進高強(qiang)鋼(gang)的粒子(zi)尺寸及界面效應；

先進(jin)高強鋼中(zhong)納米針(zhen)狀鐵素體(ti)(ti)型雙(shuang)相(xiang)鋼；

高強(qiang)高塑(su)貝(bei)氏體鋼；

先進高(gao)強(qiang)鋼的(de)成形及回彈行(xing)為(wei)；

先進高強鋼的響應模型。

參考文獻：

1、《Advanced High-Strength Steels Application Guidelines Version 6.0》;

2、《Advanced High Strenght Sheet Steels-Physical Metallurgy, Design, Processing and  Properties》(2015);

3、國內外期刊及學位(wei)論文若干；

4、網(wang)頁資(zi)料(liao)整理。