为提升汽车碰撞安全性并通过轻量化减少二氧化碳排放，目前正在探讨将高强度钢板应用于汽车零部件。在已采用1470MPa级钢板的零部件中，还期望实现更高强度。日本神户制钢利用水淬式连续退火设备开发的1700MPa级钢板，虽为低合金钢，却拥有马氏体单相组织，解决了因高强度化带来的诸如弯曲性、焊接性、抗延迟断裂性等应用性能劣化的难题。水淬时，快速冷却产生的热应变会导致钢板平直度恶化，不过通过强力拉伸矫直机矫正，平直度达到甚至优于1470MPa级钢板的水平。本文将介绍该产品的设计思路及钢板特性。
1前言
为提升汽车碰撞安全性并通过轻量化减少尾气排放，高强度钢板在汽车零部件中的应用愈发广泛。汽车零部件使用高强度钢板的成型方法，主要有以热冲压为代表的热成型，以及以辊压成型等为代表的冷成型。例如，保险杠加强件（以下简称“保险杠R/F”）、横梁、纵梁等部件，采用辊压成型的1470MPa级高强度钢板。另外，1470MPa级钢板在诸如前围板以及对尺寸精度要求严苛的车身骨架等压力成型零部件中的应用也在不断拓展。近年来业内迫切需要比1470MPa级强度更高的钢板。
为了顺应零部件不断高强度化的需求，日本神户制钢开发了1700MPa级马氏体组织钢。该开发钢利用连续退火生产线，配备高速冷却功能的水淬设备，在实现高强度化过程中，也保证了加工性、焊接性以及抗延迟断裂性等必要特性。本文将介绍该开发钢的设计思路、主要特性，同时着眼于车身应用，介绍了在改善影响零部件尺寸精度的平直度方面所做的工作。
2开发钢的设计思路
在保险杠R/F等通过辊压成型的部件中，需要对钢板进行多次辊压以逐步弯曲成型，从而加工成部件的断面形状，因此，钢板需具备良好的弯曲性能。此外，成型时部件产生的残余应力可能引发延迟断裂，所以在材料设计时，不能仅追求强度提升，还需兼顾上述特性。
为实现这些特性，采用低合金成分设计获得高强度的马氏体单相组织被认为是有效的方法。马氏体组织是在奥氏体均匀化处理后，通过快速冷却生成。神户制钢利用具备水淬设备的连续退火炉实现快速冷却，无需添加大量合金元素，就能抑制冷却过程中诸如铁素体和贝氏体等软质组织的混入。因此，可以减少对焊接性和延迟断裂性产生不良影响的元素添加量，实现有利于特性改善的成分设计。以下详细阐述神户制钢实现各项特性的设计思路。
2.1强度
在保险杠R/F等部件中，从碰撞时保护乘客的角度出发，要求部件在碰撞时不发生塑性变形，因此，除了需要1700MPa以上的抗拉强度，还需要较高的屈服强度。马氏体组织因碳在间隙位置过饱和固溶而非常坚硬，但淬火态的韧性和屈强比较低。在开发钢中，为确保韧性并实现高屈服强度，进行了较低温度的回火处理，获得了回火马氏体单相组织。
2.2弯曲加工性
回火引起的组织变化对弯曲加工性影响很大，因此，需要进行适当的处理。随着回火温度升高，针状长大的渗碳体数量密度增加，会导致弯曲加工性变差，故而在不会导致加工性恶化的温度区间进行回火处理，以确保弯曲性。此外，钢板表层的夹杂物会成为弯曲加工时的应力集中源，是裂纹萌生的起点，会恶化弯曲性，因此，通过优化成分设计来改善这一问题。
2.3延迟断裂性
延迟断裂是指材料在承受一定拉应力一段时间后突然发生断裂的现象，已知这是由氢脆引起的。其破坏过程一般认为包括①氢侵入、②氢扩散、③裂纹萌生、④裂纹扩展。因此，针对①-④各过程采取措施，被认为对抑制延迟断裂有效。
在开发钢中，除了通过添加在1470MPa级钢板中也使用的提高耐蚀性的元素来抑制①氢侵入，还通过提高回火温度生成的碳化物的氢陷阱作用来抑制②氢扩散，同时通过抑制合金碳化物形成导致的晶粒长大，细化晶粒，以此来抑制③裂纹萌生和④裂纹扩展。为确认这些改善抗延迟断裂性的效果，进行了实验室研究。
通过添加合金元素并调整制造条件，增加了表1中所示的回火碳化物的钢种A、B，以及细化了原奥氏体粒径的钢种B、C。采用图1所示的U型弯曲-盐酸浸渍法对这些钢种的延迟断裂性进行评估。将尺寸为150mm（垂直于轧制方向）×30mm（轧制方向）的带状钢板，将其端面进行机械加工处理，以弯曲棱线与轧制方向一致的方式，在弯曲半径为10mm的条件下进行U型弯曲加工，并通过螺栓紧固施加应力，制成试件。螺栓紧固施加的应力大小，通过将应变片测量的应变量乘以杨氏模量，使其达到预定应力值。将制作好的试件在0.1N盐酸溶液中浸渍200h，评估是否出现裂纹。结果如表1所示。试验在1500MPa和2000MPa两种应力下进行，每种条件下进行3次（N=3）评估，未出现裂纹记为“〇”，出现裂纹记为“×”。钢种B相较于钢种A，原奥氏体粒径更细小，相较于钢种C，碳化物含量更多。在延迟断裂性评估中，钢种B未出现裂纹，而钢种A和C出现了裂纹，结果表明钢种B的延迟断裂性更优。因此，通过增加回火碳化物和细化原奥氏体粒径，可以确认延迟断裂性得到了改善，并将这些成果反映在开发钢的设计中。
3开发钢的主要特性
3.1力学性能及合适的焊接电流范围
开发钢和传统钢的典型组织如图2所示。可以看出，开发钢呈现出细小的针状组织，为均匀的马氏体单相组织。与传统钢相比，开发钢组织更细小，从抗延迟断裂性的角度来看，达到了预期的组织形态。
表2展示了力学性能的评估结果。其中，拉伸性能通过制作JIS5号试件，按照JISZ2241标准规定的拉伸试验进行评估。为研究扩孔性能，依据JISZ2256标准规定的扩孔试验进行评估。弯曲性能则根据JISZ2248规定的90度V型弯曲试验进行测试，弯曲时以弯曲棱线与轧制方向一致为标准，以弯曲表面不产生裂纹的最小弯曲半径除以板厚得到的R/t作为指标。
开发钢与1470MPa级传统钢一样，具有高屈强比（YR）特性，除了1700MPa以上的抗拉强度外，屈服强度（YS）也较高，适合用于高强度零部件。此外，总延伸率（EL）、扩孔性能（λ）、弯曲性能（R/t）与1470MPa级钢基本处于同一水平。因此，对于已采用1470MPa级钢的零部件，从成型性角度考虑，使用开发钢不存在问题。
图3展示了合适的焊接电流范围。用于车身的开发钢需要具备点焊性能，因此使用板厚1.4mm的试样，按照表3所示的条件进行点焊，评估从熔核直径达到4√t（t为板厚）时的电流值到产生飞溅时的电流值范围。高强度化可能导致飞溅临界电流降低，但开发钢的焊接电流范围为7kA-10kA，范围较宽，与1470MPa级钢相当，这表明在相同焊接条件下，开发钢能够确保预定的熔核直径。
3.2延迟断裂性
延迟断裂会因塑性变形和残余应力而加剧，因此，在汽车零部件中，引入较大塑性变形的成型加工部位以及翻边加工时的切断端部，存在发生延迟断裂的风险。为确认开发钢在这些易发生延迟断裂部位的抗延迟断裂性能，对模拟汽车零部件成型加工部位的U型弯曲加工部位和剪切加工端部进行了评估。
U型弯曲加工部位的评估方法为：将尺寸为150mm（垂直于轧制方向）×30mm（轧制方向）的带状钢板，其端面经机械加工处理后，以弯曲棱线与轧制方向一致的方式，在弯曲半径为5mm的条件下进行U型弯曲加工，并通过螺栓紧固施加应力，制成试件。应力施加方式与之前相同，将制作好的试件在0.1N盐酸溶液中浸渍300h，评估是否出现裂纹。评估结果如表4所示。可以确认，在1700MPa的应力下未出现裂纹，即使施加超过弹性极限的更高应变，也不会产生裂纹。
剪切加工端部的抗延迟断裂性评估方法为：将试样沿垂直于轧制方向剪切成长度为15mm、宽度为30mm的尺寸，在0.1N盐酸溶液中浸渍24h后，通过目视或显微镜观察垂直于轧制方向的端面，确认是否有裂纹，以此进行评估。剪切加工的示意图如图4所示。评估的端面为垂直于轧制方向的端面，即剪切后被下刀片和压边圈夹住的钢板端部。剪切加工在剪切角为0°，间隙分别为5%、10%、15%、20%、25%的条件下进行。评估结果如表5所示。每种条件下进行3次（N=3）试验，结果表明，在所有条件下均未出现裂纹，确认开发钢具有良好的抗延迟断裂性能。
4钢板平直度改善
水淬制造的马氏体钢，由于快速冷却产生的热应力，钢板平直度会恶化。对于诸如立柱等车身部件，对尺寸精度要求较高，因此，平直度问题可能较为突出。因此，最后介绍一下神户制钢在平直度矫正方面的工作。
神户制钢引入了矫正能力强的拉伸矫直机，能够对退火后高强度钢板的平直度不良进行矫正。此前，针对尺寸精度要求严格的车身部件，在1470MPa级马氏体钢板上，已经确立了兼顾材料特性和良好平直度的矫正技术。由于预计1700MPa级钢板未来也将应用于车身部件，因此，将在1470MPa级材料上积累的矫正技术应用于1700MPa级材料，以改善其平直度。图5、图6展示了拉伸矫直机矫正前后平直度的变化以及矫正后的外观。平直度指标采用将钢板沿轧制方向切割成长度为500mm后，放置在平板上时的最大翘曲高度。通过拉伸矫直机进行形状矫正后，翘曲高度降低，获得了良好的平直度。开发钢和1470MPa级材料的平直度在纵向大致呈一定形状。此外，水淬时不仅会产生形状不良，还会在板面内形成较大的残余应力。这种残余应力会导致从钢卷上切割落料时发生较大变形。通过拉伸矫直机矫正，残余应力能够得到充分降低，所开发的1700MPa钢的特点是切割落料时变形较小。
5结语
为满足更高强度的需求，本文介绍了神户制钢新开发的1700MPa级马氏体钢板在成分、组织控制方面的设计思路、主要特性，以及在平直度改善方面所做的工作。该钢板不仅弯曲加工性和抗延迟断裂性良好，通过矫正还具备优异的平直度。
