在将马氏体钢板冲压成形为汽车零部件的过程中，与超高强度钢螺栓或工具材料相比，马氏体基体承受的塑性变形更大。针对马氏体钢板冲压成形性的基础研究表明，240℃以下的回火处理能有效减少渗碳体的粗化析出，而大塑性变形过程中产生的裂纹往往起源于粗化的渗碳体。同时，与抗拉强度等级较低的高强度钢板相比，成形性较差的超高强度马氏体钢板要实现应用，除了开展材料研发外，还需开发无开裂、形状精度不足等缺陷的汽车零部件先进冲压成形技术。本文从汽车零部件用马氏体钢板的适用性角度，综述回火处理对其力学性能和氢脆的影响，介绍了一项旨在通过回火过程中马氏体基体内铜析出改善马氏体钢板延性的创新性研究并探讨马氏体钢板在汽车零部件领域扩大应用所面临的关键研发问题。

众所周知，回火温度对马氏体钢板的力学性能影响显著。回火过程中，马氏体基体内过饱和的碳会析出形成渗碳体，位错结构发生回复，残余奥氏体则会分解。在马氏体钢首次应用于高强度钢螺栓和工具材料时，优异的韧性是主要追求的力学性能，相关领域也开展了大量研究。而直到马氏体钢板开始应用于汽车零部件，其塑性变形行为才成为研究焦点。一般来说，随着回火温度升高，钢材的屈服强度和抗拉强度会下降，但其塑性变形能力的变化规律则更为复杂。

图1和图2展示了回火温度对不同马氏体钢板延伸率和弯曲性能的影响。在300℃至350℃的回火温度区间，钢板的延伸率和弯曲性能均出现明显劣化。这一劣化现象在以往的韧性研究中也已被发现，相关研究从原奥氏体晶界处的渗碳体析出角度对该现象进行了解释。在韧性测试中，试样的断口常表现出沿晶脆性断裂特征。这种力学性能的劣化现象即为350℃回火脆性。但在200℃至400℃回火温度区间，拉伸和弯曲试验试样的断口均表现出典型的微孔聚集型和剪切型韧性断裂特征。

在超高强度钢板冲压成汽车零部件的实际生产中，由于钢板成形性差、冲压成形力高，弯曲成形工艺的应用十分广泛。此外，弯曲变形过程中，钢板表面往往更容易出现塑性变形失稳现象。因此，对于汽车用马氏体钢板而言，优异的弯曲性能比延伸率更为重要。

为确定强度与弯曲性能平衡的最优条件，研究人员对不同化学成分的钢进行淬火和回火处理，并对其弯曲性能进行评价。图3清晰地展示了回火温度对钢的抗拉强度与弯曲性能平衡关系的影响。

抗拉强度与弯曲性能的平衡关系随回火温度升高显著劣化，且即便回火温度超过400℃，该平衡关系也无法恢复，而钢的韧性在400℃以上回火时则会得到恢复。

0.15%C-0.45%Si-1.5%Mn马氏体钢板在200℃、300℃和400℃回火后的弯曲试验可知，弯曲过程中的断裂主要由剪切作用引起，且回火温度越高的试样，断口处的微孔数量越多。

图4显示，碳含量较高的钢在较高温度回火时，会析出大量呈长条状的粗大渗碳体颗粒。对弯曲试验试样的横截面观察发现，裂纹会在长条状粗大渗碳体颗粒处萌生并扩展。由此可得出结论：回火温度超过400℃的钢板，其抗拉强度与弯曲性能的平衡关系劣化，原因是长条状粗大渗碳体颗粒的析出密度升高，导致裂纹更易萌生且扩展速度更快。

原奥氏体晶界处的渗碳体析出对钢的氢脆敏感性影响显著，这一点也已得到广泛证实。图5展示了不同碳、锰含量的钢板在100-350℃回火并调控至相同抗拉强度后，经充氢处理的四点弯曲测试试样断口形貌和碳化物形态。研究发现，350℃回火的试样中，原奥氏体晶界处析出的薄膜状渗碳体会加剧沿原奥氏体晶界的断裂。对碳、锰含量较高且在270℃至350℃回火的U型弯曲试样的研究发现，其断裂时间更短，这表明当U型弯曲使钢板产生塑性变形时，原奥氏体晶界处的渗碳体析出同样会加剧钢的氢脆敏感性。

过去20年间，汽车零部件用高强度钢板的抗拉强度从590MPa提升至1.5GPa。这一趋势的实现，不仅得益于高成形性高强度钢板的开发，也离不开冲压成形技术的进步。在高强度钢板应用初期，其试用于实际冲压生产时往往需要经过反复试错。

但这种经验性的试错过程通常耗时、成本高昂，有时甚至会以失败告终。在经历了这些技术难题后，钢铁企业开发了计算机辅助工程（CAE）系统，并将其应用于钢板冲压成形判据的预测。该系统的应用大幅减少了试错次数。此外，钢铁企业还能根据钢板的成形极限图（FLD）、加工硬化率、各向异性等力学性能对冲压成形条件进行微调，并开发原创的冲压成形技术，从而避免实际生产中预测到的缺陷。

以1.2GPa级超高强度钢板冲压复杂形状汽车零部件为例，传统冲压成形工艺经仿真预判容易出现断裂和起皱缺陷。预成形是在最终冲压成形前增加的一道专用冲压工序，其核心思路是使预测中产生集中应变区域周围的应变分布均匀化。对于成形性较差的高强度钢板，冲压过程中实现应变均匀分布能有效防止断裂。除预成形技术外，钢铁企业还开发了多种配套工艺对策，并已批量应用于实际汽车零部件生产。

在超高强度钢板冲压成形车身零部件的过程中，除成形性不足引发的断裂问题外，表面畸变、起皱、回弹等各类缺陷都会阻碍零部件批量稳定生产。回弹是由材料塑性变形特性引起，材料抗拉强度越高，冲压卸载后产生的回弹变形量越大。过大回弹会造成冲压件实际尺寸与设计轮廓偏差超标，直接降低整车装配精度与成品质量，回弹也因此成为高强钢冲压生产中最突出的技术瓶颈。行业针对回弹预测方法与控制方案开展了大量系统性研究。

依托Stress Reverse^TM应力反向冲压成形技术，全球首次将1.5GPa级马氏体超高强度钢板应用于汽车车顶中央加强件这一结构件。该零件量产阶段最核心的制约因素为尺寸精度难以管控：1.5GPa级超高强度钢板生产过程中抗拉强度波动范围显著大于低强度钢板，对应的回弹波动幅度会超出常规冲压工艺的修正补偿区间。应力反向冲压成形技术借助包申格效应，削弱材料抗拉强度对回弹变形程度的影响，从根源解决了该尺寸精度难题。

想要持续扩大马氏体超高强度钢板的整车应用范围，先进冲压成形技术的迭代研发必须持续推进。新工艺开发与工业化落地过程中，精准认知、完整掌控材料变形全过程的应力-应变曲线至关重要。基于这一需求，打通微观组织演化规律与板材宏观变形行为之间的关联，将成为未来核心研究方向，而数据科学则会成为支撑该方向研究的关键技术手段。

尽管马氏体钢在较高温度回火时延性会得到恢复，但由于抗拉强度大幅下降，其抗拉强度与延伸率的平衡关系并未得到改善。即便如此，从工业和学术双重视角来看，提升马氏体钢板的延性仍是一个极具吸引力的研究课题。

为实现强化目的，科研人员开发了铜含量1%-2%的铁素体单相ε-铜高强度钢，但关于马氏体钢中添加铜的研究却鲜有报道。

图6为0.19%C-1.5%Mn的钢板在淬火后于450℃时效过程中，铜添加量最高至4%时的硬度变化规律。研究发现，含铜钢的硬度下降明显延迟，且铜含量为4%的钢硬度下降延迟效应最为显著。

0.19%C-1.5%Mn-4%Cu的钢板在450℃时效60min后的透射电镜（TEM）图像和能量色散X射线光谱（EDX）分析结果，可观察到马氏体基体内分布着粒径小于10nm的铜颗粒。

研究人员还通过马氏体基体内固溶铜含量降低导致的晶格参数变化，对铜的析出量进行了评价。图7展示了0.19%C-1.5%Mn-4%Cu的钢板在450℃和550℃回火时效过程中铜的析出变化。随着时效时间延长，铜的析出量增加，且550℃时效时铜的析出速度更快，但在两种时效温度下，钢板硬度达到峰值时的铜析出量基本相同。

与铁素体基体内铜颗粒的沉淀硬化动力学相比，本研究中马氏体基体内铜的析出速度明显更快。研究估算出的马氏体基体内铜析出的激活能低于铁素体基体内铜扩散的激活能，这表明马氏体基体内的高位错密度加速了铜的析出过程。

尽管铁素体钢和马氏体钢在硬度峰值条件下，铜的析出量和析出相粒径基本相同，但马氏体钢的沉淀硬化效果远低于铁素体钢。通过对淬透性的修正评价可知，这种差异是由沉淀硬化和位错硬化的淬透性分量呈非线性叠加所致。

本研究最有趣的结果是铜添加对钢的抗拉强度与延伸率平衡关系的影响，如图8所示。无铜马氏体钢板的抗拉强度随时效温度升高而下降，延伸率则随之上升；而铜含量4%的马氏体钢板在时效过程中，抗拉强度基本保持稳定，延伸率却大幅提升。

铜含量4%的马氏体钢板在450℃时效后的延伸率与无铜马氏体钢板在相同温度时效后的延伸率相当，但其加工硬化行为却存在显著差异。图9显示，铜含量4%的马氏体钢板在较大的拉伸应变范围内仍能保持较高的加工硬化能力。目前该机制尚未明确，但软质铜颗粒可能与在铁素体基体内一样，在马氏体基体内也会发生塑性变形，且铜颗粒的持续存在可能会影响钢的加工硬化行为。目前尚无铁素体基体内弥散分布的铜颗粒提升延伸率的相关报道，因此本研究中钢材的延伸率提升，可能是铜颗粒弥散分布与回复态马氏体微观组织共同作用的独特结果。

氢脆和液态金属脆化（LME）是超高强度钢板在汽车零部件领域扩大应用面临的另外两个严峻问题。氢脆早已被认为是高强度钢螺栓面临的严重问题，大村等人已对相关基础研究进行了全面综述。尽管马氏体钢在汽车领域应用时出现的氢脆现象与高强度钢螺栓一致，但还需考虑冲压成形过程中引入的应变带来的影响，此外，汽车行驶过程中氢的吸脱附还表现出独特的行为规律。

研究以电流密度表征腐蚀过程中的氢吸收量，发现在雨天的湿滑路面行驶时，氢吸收量会急剧上升。因此，在高强度钢板的实际应用环境中，氢的吸脱附处于不稳定状态，需深入研究该行为对钢板断裂的影响。

液态金属脆化是另一大严峻问题，因为为提升车身的耐腐蚀性，镀锌超高强度钢板已被广泛应用于汽车零部件生产。在严苛的点焊工艺条件下，如焊枪电极头与钢板对中偏差，熔核周围会产生更大的拉应力，此时极易出现液态金属脆化裂纹，如图10所示。

钢板的抗拉强度越高，其承受的拉应力越大，液态金属脆化裂纹的出现频率也越高。因此，在采用超高强度钢板实现汽车车身轻量化的设计中，液态金属脆化问题受到了更多关注。由于钢板的液态金属脆化敏感性不仅受材料强度影响，还与化学成分和焊接条件相关，科研人员从现象机理和工业应对措施等两个角度开展了大量研究。与氢脆问题一样，要将汽车实际使用中液态金属脆化的风险降至可控水平，同样需要学术界和工业界开展积极的合作研究。

自马氏体组织被发现以来，经过对钢中马氏体的基础研究，马氏体钢的应用已在工业领域得到广泛推广。与高强度钢螺栓和工具材料的应用不同，马氏体早期在汽车零部件领域仅作为复相高强钢的辅助强化相。但随着CO2减排要求的不断提高，抗拉强度1.5GPa及以上的马氏体超高强度钢板（包括热冲压材料）在汽车零部件中的需求日益增加。结合钢板冲压成形过程中承受大塑性变形的实际情况，研究确定了240℃以下低温回火的优化工艺条件。在先进的冲压成形和焊接应用技术的支撑下，全马氏体组织的1.5GPa级超高强度钢板已成功应用于汽车结构件。