当前汽车行业正经历百年未有之变局，电动化、智能化、网联化、共享化与绿色化成为核心发展方向，推动产业生态全面重构。为满足汽车行业需求之变化，汽车用钢研发正从“单一性能提升”转向“全生命周期优化”，通过材料创新（第三代AHSS、热成形钢、非调质钢等）、工艺革新（激光拼焊、一体化成形等）和绿色转型（绿钢生产、生物基涂层等），持续为汽车轻量化、安全性和可持续发展提供支撑。为展示近年来汽车用钢研发与应用技术的最新成果，本报特组织该专题，以飨读者。
1引言
为了实现碳中和，汽车产业正加速推进电动化转型及新型能源适配。随着动力源的这一变革，汽车车身各部件所承担的功能随之改变，同时也出现了新的部件类型，部分传统部件则逐渐被淘汰。在车身领域，此前为满足各国日益严格的碰撞安全与燃油效率标准，已通过采用高强度钢、铝合金等材料推进车身轻量化。在此背景下，提出了将先进高强度钢板与结构、施工方法相结合，以提升汽车整体附加值。
通常来说，普通乘用车的重量约为1吨，其中钢铁材料占比达70%。轻量化可通过减薄汽车用材料的板厚实现，但同时需确保车身的碰撞安全性与刚度。此外，汽车由众多部件构成，不同部件功能各异，因此，对钢板性能的要求也因应用部件的不同而存在差异。基于此，以车身轻量化为目标的汽车用钢板性能提升，也需根据各部件的特性需求逐一推进。本文将阐述钢铁作为汽车材料的特点，介绍各部件对材料的性能要求以及相应开发的汽车用高强度钢板，并对未来相关技术发展趋势进行展望。
2钢铁作为车身材料的特点
影响汽车车身重量的主要因素是碰撞安全性与刚度，而决定这两项因素的材料关键特性分别为强度与弹性模量。另一方面，近年来在碳中和评估中，全生命周期评估（LCA）的重要性日益凸显，材料生产及废弃过程中产生的含二氧化碳在内的温室气体排放量（以下简称“二氧化碳排放量”），也成为材料选择的重要考量因素。以下将从强度、弹性模量及二氧化碳排放量三个维度，将钢铁材料与其他材料进行对比，阐述汽车应用钢铁材料的优势，并介绍相关评估结果。
2.1轻量化潜力
图1以示意图形式展示了多种材料的比强度与延伸率之间的关系。比强度是用抗拉强度除以密度得到的指标，可在质量等效的条件下对材料强度进行比较。目前，汽车用钢板已实现从270MPa级到2.0GPa级的广泛强度等级应用。从图中可见，抗拉强度超过980MPa的高强度钢板，其比强度优于铝合金，在轻量化方面具备出色潜力。另一方面，材料的延伸率会随强度提升而下降，但在相同比强度下，钢材的延伸率高于铝合金与镁合金。以双相钢（DP钢）、相变诱导塑性钢（TRIP钢）为代表的高强度钢板，通过优化成分体系与制造工艺实现了高延伸率，从加工角度而言，也是比其他轻量化材料更易使用的材料。从该图中也可看出，高强度钢板是兼顾碰撞安全性与轻量化的理想材料。
车身的实际使用性能还依赖于刚度，因此，将弹性模量除以密度得到的比刚度，对轻量化同样重要。铁的密度约为7.87g/cm3，是铝合金的3倍左右，但铁的弹性模量约为205GPa，同样接近铝合金的3倍，因此，铁与铝合金的比刚度基本相当。也就是说，从刚度角度来看，铁与铝合金具有同等的轻量化潜力。
在实际汽车部件中，除抗拉性能外，还需具备承受弯曲等不同变形模式的强度。已知弯曲变形强度与板厚的n次方（n≈2）成正比，因此，对于密度较高的钢材，若通过减薄板厚实现轻量化，会对弯曲性能产生不利影响。要充分利用钢材的高比强度与比刚度实现轻量化，需构建能够沿板面承受力的结构（如封闭截面结构、连续框架结构），并配套相应的施工工艺。
2.2温室气体减排潜力
在碳中和评估中，对从车身制造到废弃全生命周期内的二氧化碳排放量进行评估的工作正受到越来越多的重视。以往对汽车的关注多集中于行驶过程中的二氧化碳排放，重点是通过车身轻量化改善燃油效率，减少排放量，但从全生命周期评估角度来看，还需考虑材料生产及废弃过程中的排放量。
图2展示了钢材与铝合金车身在材料制造、车身制造及行驶全生命周期内二氧化碳排放量的评估结果。采用高炉法生产1t钢材时，约排放2t二氧化碳，但相较于需要电解工艺的铝合金精炼，钢材在材料生产阶段的排放量明显更低。这表明，从全生命周期视角评估时，选择材料需充分考虑其生产阶段的环境负荷。随着燃油效率标准趋严及电动化推进，行驶阶段的环境负荷逐渐降低，全生命周期内的减排重要性将进一步提升。此外，钢材在汽车报废后易于回收再利用，从全生命周期评估角度来看，属于环境负荷较低的材料。以往材料选择多侧重价格与性能，而从碳中和视角出发，未来材料生产阶段的二氧化碳排放量、可回收性等综合环境负荷，也将成为重要的选择指标。
3先进高强度钢板的开发
要实现轻量化车身，开发具备卓越特性的先进高强度钢板不可或缺。以下将分别介绍面向车身骨架部件的冷轧钢板、冷轧镀层钢板、热成形钢板，以及面向底盘部件的热轧钢板的开发进展。
3.1车身骨架部件对材料的性能要求
图3-图5从强度与成形性（或碰撞时的变形能力）两个维度，梳理了面向车身骨架部件的高强度钢板的发展历程。材料强度与车身碰撞安全性（以冲击吸收为代表）相关，提升强度不仅可提高碰撞安全性，还能为车身轻量化提供支持。另一个维度则体现了材料在冲压成形过程中的延伸率、拉伸凸缘性、弯曲性等成形性能，或部件成形后承受大变形的能力。
在图3-图5中，从强度与变形能力角度出发，将适用部件大致分为三类。第一类是以保险杠为代表的、注重碰撞时高承载能力的部件（悬架部件），这类部件广泛应用热成形技术，强度提升最为显著。第二类是以中立柱为代表的客舱周边骨架部件及电池箱部件，其强度提升进度仅次于悬架部件。除热成形钢板外，抗拉强度超过980MPa的冷轧及冷轧镀层钢板也已应用于这类部件，近期有报道称，2.0GPa级热成形钢板已应用于中立柱，1470MPa级冷轧钢板已应用于前立柱。第三类是前纵梁/后纵梁等布置在客舱前后的冲击吸收部件，这类部件在正面及追尾碰撞时，需通过轴向压溃变形或弯曲变形产生大位移，从而实现碰撞能量吸收功能。因此，这类部件不仅要求材料具备高强度，还需具备足够的变形能力，确保在碰撞大变形下不发生断裂。以下将阐述适用于上述各类部件的热成形钢板、冷轧及冷轧镀层钢板的特点。
3.2热成形钢板
高强度钢板在冷成形过程中，会面临伴随延性下降出现的板材断裂、形状固定性变差、冲压负荷升高等问题。热成形技术作为解决这些问题的手段之一，已实现实用化。该技术是将钢板加热至奥氏体单相区（约900℃），随后进行热冲压成形，同时利用冲压模具快速冷却实现淬火，得到马氏体组织，进而制造高强度部件。由于在高温下成形，冲压负荷较小；且通过模具内淬火，可降低残余应力，形状固定性优异。热成形后的钢板强度不受成形前强度影响，而是由淬火后的马氏体组织决定。如图6所示，淬火马氏体的强度随碳含量增加呈单调上升趋势，硅、锰等其他元素影响较小。因此，热成形钢板的强度大致由碳含量决定，2.0GPa级热成形钢板的碳含量需超过0.3mass%。随着热成形钢板强度的提升，在实际部件应用中，碳含量增加导致的韧性与焊接性能下降成为主要问题。对于1.8GPa级热成形钢板，碳含量增加带来了性能问题。针对这些问题，目前通过细化原始奥氏体组织，确保了韧性、焊接性能等必要特性。此外，不仅从材料层面，还从应用技术层面采取应对措施，以实现更高强度，目前正推进强度超过2.0GPa的热成形钢板开发（图3）。
为扩大热成形钢板的应用部件范围，还在致力于改善其压溃时的变形能力。图7展示了将热成形钢板冲压成帽形部件后的弯曲试验结果。压溃试验中的开裂行为与弯曲性能存在相关性，日本汽车工业协会（JAMA）标准化的弯曲试验标准VDA238-100中规定的VDA弯曲角，常被用作弯曲性能的评价指标。普通2.0GPa级热成形钢板的VDA弯曲角为48°，比1.5GPa级低约10°，在部件弯曲试验中出现开裂；而高弯曲性能型2.0GPa级热成形钢板，通过优化成分与工艺条件，实现了与1.5GPa级热成形钢板相当的VDA弯曲角，有效抑制了部件弯曲试验中的开裂现象。此外，热成形后强度低于1.3GPa的低强度热成形钢板也已实现实用化，为扩大应用部件范围提供了支持。
热成形过程需在非氧化性气氛中加热，但从加热炉到冲压输送过程中，无法避免钢板氧化，会形成氧化铁皮。这些氧化铁皮在成形时脱落并堆积在模具内，不仅会增加模具磨损，若残留在部件表面，还需通过喷丸处理去除。为解决这些问题，将合金化热浸镀锌、热浸镀铝的热成形钢板实现商品化。热浸镀铝过程中会形成铁-铝金属间化合物，可抑制氧化铁皮生成，且可进行点焊与化学转化涂装；同时，铝形成的钝化膜还能为部件提供耐腐蚀性。
3.3冷轧钢板及冷轧镀层钢板
冷轧钢板及冷轧镀层钢板主要应用于客舱周边骨架部件，目前已开发出以DP钢、TRIP钢为代表的高成形性高强度钢板，其中1180MPa级产品已实现实用化。这类钢板由软质铁素体、硬质马氏体、贝氏体以及加工过程中发生马氏体相变的残余奥氏体等多种组织构成，可通过控制各组织的比例与尺寸，满足不同的强度与加工性能需求。对于强度等级在1470MPa及以上的钢板，与热成形钢板类似，其组织以马氏体为主。如前所述，1470MPa级冷轧钢板已实现实用化，目前正推进1760MPa级钢板的开发（图4）。
与热成形钢板相同，冷轧钢板及冷轧镀层钢板在强度提升过程中，也面临韧性、焊接性能、抗氢脆性能等方面的问题。此外，镀锌钢板还存在一个特有问题，即点焊过程中的液体金属脆化（LME）。液体金属脆化是已知的由固体金属与液体金属组合引发的现象，指高延性金属或合金与特定液体金属接触并承受载荷时，延性显著下降的现象。近年来有报道称，高强度钢板在点焊过程中会出现LME开裂。点焊过程中LME开裂的产生与三个因素相关：应力-应变、液态锌以及材料敏感性，三者叠加时便会引发开裂。因此，要抑制高强度钢板的LME开裂，需针对各影响因素采取相应措施，目前已开展考虑LME开裂敏感性的材料开发。此外，还有研究报道利用有限元分析（FEM）对焊点模拟进行分析，从引发LME开裂的应力-应变角度，评估了电极压力、电流值等因素的影响。
对于前纵梁/后纵梁等冲击吸收部件，除成形性外，还要求其在大变形时不发生断裂导致变形进程中断（即具备稳定的压溃性能），因此这类部件目前仅应用590-780MPa级的高强度钢板。为实现这类部件的高强度化，除探讨应用成形性优异的TRIP钢外，还开发了能量吸收性能（EA：EnergyAbsorption）优异的钢板。图8展示了980MPa级EA钢板的性能示例。该钢板的特点是，与传统DP钢相比，延伸率相近，但弯曲性能显著提升，VDA弯曲角从70°提高至95°；在模拟部件的轴向压溃试验中，也未发生断裂，表现出优异的能量吸收能力。研究表明，部件的能量吸收性能不仅受材料特性影响，还与部件形状密切相关，通过减小平面宽度与板厚的比值（Wp/t），可提升部件的能量吸收性能。未来，通过优化部件形状及推进1180MPa级、1470MPa级EA钢板的开发，有望进一步实现这类部件的轻量化（图5）。
3.4热轧钢板
热轧钢板主要应用于汽车车架、底盘部件等。由于这些部件属于重要安全部件，除强度与刚度外，对钢板的疲劳耐久性、耐腐蚀性等可靠性要求也较高。因此，在汽车部件中，这类部件的高强度化进程相对滞后，此前以440MPa级、590MPa级为主流，目前抗拉强度超过780MPa的高强度钢板应用正逐步推进。
图9从强度与加工性能维度梳理了高强度热轧钢板的发展历程。各类车架等部件对加工性能的要求低于底盘部件，因此，高强度热轧钢板在这类部件中的应用进展较快。举例来说，中大型卡车的防撞装置已应用以马氏体组织为主的1180MPa级热轧钢板。另一方面，作为典型底盘部件的下摆臂，因部件形状特殊，除延性外，还要求具备较高的拉伸凸缘性。为保证延性，采用软质铁素体与硬质相构成的复合组织；同时，通过固溶强化、细小析出物强化铁素体，并选择贝氏体作为第二相以减小组织间的强度差异，从而提高拉伸凸缘性。基于这一组织控制思路，在实现高延性与高拉伸凸缘性平衡的基础上，780MPa级、980MPa级热轧钢板已实现实用化，这类钢板在电弧焊接性能、弯曲性能、疲劳特性等方面表现优异。如前所述，抗拉强度超过980MPa的高强度钢板，从比强度角度来看，有望实现优于铝合金的轻量化效果，因此，目前正推进具备优异延性与拉伸凸缘性的1180MPa级热轧钢板的开发。
此外，由于底盘部件长期处于严苛的腐蚀环境中，部分场景会采用热镀锌钢板。为满足这一需求，通过在整合热轧工序与热镀锌工序热履历的一体化流程中进行组织控制，减小组织间的强度差异，并实施热镀锌处理，开发出了高弯曲性能型590MPa级、780MPa级钢板。
4结论
钢铁材料在高强度化方面潜力巨大，从碳中和视角来看也是性能优异的材料，通过合理应用钢铁材料，有望为全生命周期内二氧化碳排放量的削减做出贡献。随着强度提升，不仅成形性，部件应用中涉及的韧性、焊接性能、抗氢脆性能等技术门槛也会相应提高。从长远来看，除材料开发以外，还将推进加工、焊接等应用技术的研发，以攻克这些难题，为可持续社会发展贡献力量。
