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1 前言
在过去的几十年里，人们为开发先进高强钢做了大量的研究工作。当时研究的主要目的是为了满足汽车工业的需要，希望通过减轻车身重量来降低油耗，同时提高车内乘客的人身安全。随着监管日趋严厉，人们对汽车的抗冲撞能力和省油的期望也越来越高，先进高强钢已广泛应用于汽车车身结构。预计到2015年，先进高强钢在轻型车的车身盖上的重量百分比将提高到35%，而低碳钢的重量百分比将从2007年的55%降至29%。许多国内外的汽车制造商正在将高强钢的广泛应用列为汽车发展战略的一部分。
2 现代的先进高强钢钢种
目前正在应用和研发的先进高强钢有∶第一代先进高强钢一一双相(DP)钢 多相(CP)钢 和相变诱导塑性(TRIP)钢 ，以及第二代先进高强钢一一奥氏体孪晶诱导塑性(TWIP)钢、诱导塑性轻钢(L-IP)和剪切带强化(SIP)钢。这里没有考虑冲压硬化钢。图1(略)概括了先进高强钢与传统高强钢相比具有代表性的性能。第一代先进高强钢合金含量低，主要是以铁素体为主的多相显微组织。双相钢是目前使用最多的一种先进高强钢，除了强度高、成型性好外，还具有易于焊接加工的优点。TRIP钢兼具良好的强度和延伸性能，其残余奥氏体相通过应变诱导相变转化成马氏体相，从而提高了应变硬化指数。第二代先进高强钢机械性能优异，但因奥氏体钢的合金含量高，使得成本大大增加。此外，这些合金的加工难度非常大，而且TRIP钢还易于产生延迟裂纹。最新研究结果表明，加入铝可降低脆化敏感性，但具体的作用机理还在研究之中。
 从图1(略) 可清楚地看出，第一代和第二代先进高强钢在性能上存在着缺点。因此，目前正在研究如何通过改进处理工艺或采用新型处理工艺来弥补不足，同时应特别注意这些工艺的工业可行性及经济性。现在正在寻求一些解决办法，具体包括∶
*通过处理提高双相钢的性能；
* 改进传统的TRIP钢的处理方法；
*开发具有超细贝氏体显微组织的高强钢；
*采用新型处理工艺，包括淬火分配(Q&P) 以及超快速加热和冷却；
*开发高锰TRIP钢。
3 第三代先进高强钢设想
近来，利用一个简化了的复合模型对第三代先进高强钢的设想进行了讨论。考虑了马氏体/铁素体和马氏体/奥氏体显微组织。通过改变假想显微组织中的相体积分数得出的计算结果见图2 (略) ，从图2的显示结果可以看出，奥氏体非常稳定，也就是说，奥氏体在应变过程中没有发生相变。很明显，假想的马氏体/铁素体显微组织的预测抗拉性能与第一代先进高强钢所表现出的性能是一致的。马氏体/奥氏体混合体的性能介于第一代和第二代先进高强钢性能之间，即在第三代性能的期望范围内。
在第二步模拟测试中，亚稳奥氏体应变诱发了相变。假设有四种奥氏体稳定性(见图3 a ，略) 。在这四种稳定性下，预测强度/延伸率见图3 b ，(略) 。很明显，奥氏体稳定性对性能的预测值有很大的影响。奥氏体稳定性最低时，在低应变情况下可形成马氏体，其性能与第一代先进高强钢性能相同，表明奥氏体对提高性能作用不大。有大量相对稳定的奥氏体时，强度和韧性的预测值最高。在模型中作了一些简单的假设，现在正想办法开发一些更为精准的模型。不过，这种比较简易的方法让我们对各种成分的作用有了一个清楚的认识，并给我们以启示∶要获得新一代先进高强钢，离不开大量高强相一一可能是马氏体、贝氏体或超细晶粒铁素体组成的复合显微组织，同时还要韧性很高，稳定性可控制的奥氏体相，防止因应变而转变成马氏体。
4 新一代先进高强钢的开发技术路线
现在，先进高强钢的研究主要着眼于∶无需添加太多合金成分的情况下，使强度和/或韧性超过第一代先进高强钢；或将第三代先进高强钢的合金含量降低。本文将对其中几种方法进行讨论。表2(略)汇总了从文献中搜集到的针对不同处理工艺，提出的成分建议，所产生的拉伸性能见图4a (略) 一一总延伸率和抗拉强度曲线图。图中的实线和虚线分别代表图2中预测的马氏体/铁素体和马氏体/奥氏体的性能，可供参考。
4.1 增强型双相钢
通过调整碳含量和/或临界退火温度提高马氏体体积分数，这样就可以很容易地提高双相钢的强度。DP780和DP980就是这样开发出来的，而且目前市场上可以买到。通过特殊的热变形使组织细化，同样能提高双相钢的强度。一种采用变形诱导铁素体相变的方法如图5所示。变形诱导铁素体相变是指在25~50℃的温度下轧制时，通过应变诱导相变使奥氏体转变成铁素体。利用这种方法可成功获得晶粒为1μm左右的超细铁素体。对变形后的标准双相钢进行特殊的冷却处理，同样可以获得超细双相钢组织。另一种工艺一一在温度低于珠光体终轧温度时高应变下的热变形一一产生了超细晶粒的铁素体基体，上面均匀分散着球状渗碳铁颗粒。晶粒尺寸为1~2μm，且在后续的临界退火过程中仍然非常稳定。采用这种工艺产生的超细晶粒双相钢的抗拉强度为893MPa，延伸率为21%。但是，这些性能仍处于第一代先进高强钢的性能范围内，也就是说，双相钢组织细化并不能产生第三代先进高强钢的性能。有时，提高强度已不是重点关注对象，重要的是开发了多种双相钢组织，以满足良好的孔伸缩性和可弯性等特定要求，而不是为了提高拉伸性能。
4.2 改进型TRIP钢
早期对TRIP钢的研究主要是针对碳含量较高的钢种。从图4 (略) 可明显看出，碳含量高所产生的性能对第三代先进高强钢的目准性能具有参考价值。同时，人们还研究了如何通过添加微量合金元素使TRIP钢的晶粒细化。这样获得的抗拉强度高达1GPa，韧性约为总延伸率的20%，如图4 (略) 所示。此外，还通过改变热处理方法，即∶在完全奥氏体化后，在350~475℃的温度区间内进行等温保温，或在温度低于Ms(计算温度为417℃)时保温。降低保温温度可提高强度等级，但韧性随之降低，应变硬化则不太明显，分别如图6 a 、6 b (略) 所示。TRIP钢-双相钢分级淬火工艺也采用了在温度低于Ms时进行等温保温，所产生的性能见图4 (略) 。在这些组织中保留了大量由于贝氏体相变而产生的奥氏体。
4.3 超细晶粒贝氏体
近来，研究开发超细晶粒贝氏体组织的工作一直在进行。根据T0原理所做的理论计算找出了的细晶粒组织所需的合金含量，而且不存在可能会影响韧性的未发生相变的大块奥氏体。T0曲线是点轨迹，即具有相同化学成分的奥氏体和铁素体具有相同的自由能，正如温度和碳浓度关系曲线图所示。该组织是在热处理15天后获得的。通过添加Al和/或Co合金提高了贝氏体动力，将热处理时间缩短到了几个小时。这种钢的强度和韧性都非常高，与具有同等性能的马氏体高强钢相比，其成本明显降低，因此成为军用装甲首选材料之一。这种钢的抗拉强度为1700~2300 MPa，拉伸延伸率和韧性也很高。虽然这些材料的强度等级比较高，但都具有图1(略) 所示的第一代高强钢的综合性能特征。如果合金含量和碳含量比较高，在车辆的批量生产中可能很难使用这种方法，尽管在经济型合金中也获得了贝氏体组织。
4.4 淬火和分配工艺
最近提出了一种新型热处理工艺一一淬火分配工艺。利用这种工艺可提高马氏体钢中残留奥氏体的含量。该热处理工艺分两步进行(见图8a，略) 所示∶钢在等温后先淬火至Ms~Mf区间的一个预定温度(淬火温度QT) ，形成一定数量的马氏体和奥氏体相。第二步是分配，即∶减少马氏体相的碳，使碳元素转移到奥氏体相，形成富碳奥氏体相。从而，在最后冷却至室温后，碳稳定化后的奥氏体继续保留在显微组织中。碳分配可以采用两步淬火分配法，在高于淬火温度的条件下进行，也可以在淬火温度保温时进行，即采用一步淬火分配法。通过计算得出淬火温度，在淬火温度下，利用马氏体中存在的碳稳定尽可能多的奥氏体，见图8b (略) 所示。在计算过程中，采用Koistinen-Marburger关系式计算出达到淬火温度后形成的初始马氏体分数，然后再计算碳分配之后冷却至室温时形成的马氏体分数。添加钼元素可阻碍贝氏体相变动力，并已证实可提高残留奥氏体的体积分数；但是，如果用铝代替硅，则可加速贝氏体反应，降低残留奥氏体分数。可以肯定的是，提高残留奥氏体分数可改善钢的强度和塑性，如图4 (略) 所示。
4.5 快速加热和冷却
一种类似于感应淬火的快热和快冷工艺现已在薄板上得到了应用。这种工艺的加热冷却时间非常短，加热冷却速率也非常快。用这种快速加热冷却工艺处理过的AISI8620钢的微观结构表明，经过处理，这种钢的贝氏奥氏体和马氏体显微组织非常精细，且有大大小小分布均匀的碳化物。这些碳化物是先前组织中遗留下来的，因奥氏体化时间太短而没有溶解。在处理后的组织中还发现了非常细小的奥氏体晶粒。可能是因为在高于Ac3的温度条件下停留时间太短，导致碳在奥氏体中没有完全扩散和重新分配，从而使奥氏体分解成贝氏体和马氏体等各种相变产物。但有一点可以肯定这种方法可以保证强度。
4.6 低锰TWIP/TRIP钢
第二代奥氏体钢有各种各样的成分组成。目前进行的一些研究主要针对降低这些钢的合金含量。将Mn含量从25%降低到15%后对应力应变所产生的影响见图9 (略) 。影响非常明显的是真应变，超过了15%，其中15Mn钢的应变硬化明显增大，这肯定与马氏体相变有关。25Mn钢中既没有相变产物，也没有马氏体，应变硬化主要是由于孪生晶形成而产生的。20Mn钢则表现出孪生及相变诱发的应变硬化。
4.7 高锰TRIP钢
这种钢的锰含量比传统薄板中的锰含量高，但是比TWIP钢中的锰含量低很多。这种工艺采用的传统热轧、冷轧和罩式退火工艺。延长在峰值退火温度下的保温时间产生临界区退火，从而发生锰分配。在室温下获得了含有铁素体和高锰奥氏体的超细显微组织。在所选择的退火条件下，应变硬化明显增大。这种方法有利于降低合金成分，同时对于那些不具备连续退火或先进冷却能力的设备也有好处。
5 结论
本文回顾了近期文献中提到的发展先进高强钢的若干冶金处理方法，这些方法与模型结果所确定的方向大致相同。报导的发展战略中采用了各种方法，通过改变合金和/或处理工艺来保留奥氏体，提高强度。利用贝氏体及马氏体等低温相变产物，并采用一些新的方法使组织进一步细化，从而提高强度。通过使用奥氏体稳定剂，并采用处理工艺控制显微组织的大小和形态以及奥氏体的成分和稳定性，提高奥氏体含量。
通过回顾得出，利用一些合金和处理工艺完全可以生产第三代先进高强钢。但是，在处理过程中应小心控制合金元素及含量、处理时间和处理温度；而且，为满足特殊的工艺要求，可能还需要对设备进行改造。
本文主要关注的是如何提高强度/塑性综合指标，但是，随着基体强度进一步提高，边部拉伸、弯曲和剪切断裂、延迟裂纹等其它性能可能将在优化材料性能方面起到更重要的作用。
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