自1920年代以來，鋼材一直是全球汽車制造商的首選材料。如今，鋼鐵約占汽車平均重量的65％，是整車的基礎。平均每輛車使用900公斤鋼材。

為了增強乘客的安全性和車輛性能，減輕車輛的重量已成為當今汽車行業(yè)的頭等大事。高級高強度鋼（AHSS）是當今汽車工業(yè)中增長最快的材料，并且是減少汽車質量的關鍵材料[1]。

通常，AHSS是屈服強度高于550 MPa的鋼。它們具有獨特的低重量，高強度和優(yōu)化的可成型性，從而使汽車制造商可以使用更少的材料，從而大大減輕了車輛的重量。

鋼鐵發(fā)展

從上世紀1900年代的低碳鋼到1970年代后期的高強度低合金（HSLA）以及1990年代第一代高級高強度鋼（AHSS）的引入，鋼的性能在上個世紀得到了顯著改善。 ]。

在過去的二十年中，鋼鐵行業(yè)開發(fā)了不同的合金化和加工組合，以生產出具有更高強度的鋼微結構，以減小鋼的截面尺寸和重量[2]。

高抗拉強度和延展性，精心選擇的化學成分以及AHSS的多相微結構令人印象深刻的組合旨在幫助汽車行業(yè)滿足輕量化要求[3]。AHSS不會比傳統(tǒng)鋼材輕得多，但是它們的強度使汽車制造商可以制造非常薄的儀表，從而減輕了車輛的重量。

汽車用鋼的分類

目前，汽車行業(yè)使用大約30種鋼種，可以分為三種不同的名稱[1]：

• 冶金名稱

• 強度指定

• 可成型性指定

冶金名稱提供了有關鋼的成分，加工和顯微組織的信息。汽車工業(yè)用鋼可分為傳統(tǒng)低碳鋼，常規(guī)高強度鋼（HSS）和高級高強度鋼（AHSS）。

汽車行業(yè)的第二種重要分類方法是鋼的強度。術語HSS和AHSS通常用于表示所有更高強度的鋼。

有時將AHSS稱為抗拉強度分別超過780 MPa和1000 MPa的超高強度鋼或超高強度鋼。但是，由于新一代AHSS的不斷發(fā)展，全世界對高強度鋼進行分類的術語差異很大。

鋼的可成型性定義為通過不同的制造工藝將其制成簡單和復雜形狀的能力[1、2]。表征可成形性的重要參數(shù)是高加工硬化指數(shù)和總伸長率。盡管較高的加工硬化指數(shù)說明了鈑金件在施加載荷的情況下拉伸和更均勻地分布應變的能力，但總伸長率決定了在斷裂之前可以拉伸鋼的體積。

傳統(tǒng)低碳鋼

低碳或低碳鋼是指抗拉強度為400 MPa，碳含量為0.05％-0.25％的鋼。低碳鋼的微觀結構使其相對易延展且易于形成，由一相（通常為鐵素體）組成[4]。如圖1所示，低碳鋼通常用于車輛的車身結構和行李箱蓋。

圖1.車輛中的鋼分布[5]

高強度鋼

高強度低合金（HSLA）鋼是汽車工業(yè)中最常用的高強度鋼[3]。這些鋼具有高達800 MPa的更高抗拉強度。它們并非滿足特定的化學成分，而是滿足特定的機械性能[4]。它們具有低的合金化和碳含量，以保持加工性和焊接性，與銅，鈦，釩，和鈮添加用于強化目的的[3]。如圖1所示，HSS鋼已用于車輛中能量吸收很重要的區(qū)域。

低合金鋼

低碳鋼

常規(guī)HSS和AHSS之間的主要區(qū)別在于它們的微觀結構。AHSS是具有復雜組織的多相鋼，包含鐵素體，馬氏體，貝氏體和奧氏體等相[6]。

第一代AHSS

AHSS系列的第一代產品包括雙相（DP），復相（CP），馬氏體（MS）和規(guī)則的相變誘發(fā)塑性（TRIP）。

在相同的強度水平下，第一代比HSLA具有更高的可成形性。這是由于其多相微觀結構，其中包含鐵素體相和馬氏體相，以在可成形性和強度之間取得平衡。獨特的微觀結構是通過特殊的熱處理[1，3]創(chuàng)建的。

• DP鋼的抗拉強度為590到1400 MPa，用于車輛的碰撞區(qū)域。

• CP鋼的顯微組織除了貝氏體 和馬氏體外，還包括貝氏體，這使它們比DP鋼更易成型。它們的抗拉強度為800到1180 MPa，通常用于汽車車架。

• TRIP鋼具有的拉伸強度范圍為590?1180兆帕。這些鋼的顯微組織與鐵素體和馬氏體一起，含有殘留的奧氏體，當鋼變形時，它們會轉變成強馬氏體相，因此可以吸收大量的能量。它們通常用于車輛前后區(qū)域結構中的能量吸收。

• MS鋼是AHSS系列中最硬的鋼種。它們的強度范圍從900?1700兆帕。這些鋼可能具有最高的強度，但是由于在顯微組織中馬氏體的形成量較高，因此它們的可成形性最低。它們用于必須限制變形的車身。

第二代AHSS

第二代AHSS包括新一代的相變誘發(fā)塑性（TRIP），熱成型（HF）和孿生誘發(fā)塑性（TWIP）鋼[1]。第一代和第二代AHSS均旨在滿足汽車行業(yè)某些零件的功能性能要求[6]

圖2顯示第一代AHSS的可成形性非常有限。第二代的可成形性明顯高于第一代，但是由于合金元素的高成本，它們非常昂貴[7]。因此，目前正在開發(fā)第三代AHSS。這些鋼的目的是要提高強度-延展率，并有望實現(xiàn)結構重量減輕超過35％[2]。

圖2汽車工業(yè)用鋼的分類[1]。

由于與常規(guī)HSS相比，AHSS等級的冶金學仍是一個新領域，因此目前僅生產兩種類型的第三代AHSS。各種AHSS等級可在圖2中看到。

AHSS的意義

AHSS現(xiàn)在幾乎用于所有新車設計。預計它們將替代當前使用的常規(guī)HSS的大約60％ [1]。

由于AHSS可以在非常薄的規(guī)格下制造并保持與低碳鋼相同的強度，因此設計人員可以輕松地用AHSS代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼[3]。用其他輕質材料（例如鋁或纖維增強復合材料）代替鋼時，情況并非如此。這些有色金屬材料價格昂貴，與現(xiàn)有的制造工藝不兼容，并且具有較高的生產和制造成本[1]。

成本效益分析表明，鋼制零件比其他輕質材料更堅固，更便宜。與鋼競爭的最流行的輕質材料是鋁。盡管在汽車工業(yè)中使用的鋁一直在適度增長，但是用鋁制造的車身結構比鋼制造的成本高60％至80％[1]。

鑄鋁

鍛鋁

AHSS的未來

與傳統(tǒng)鋼相比，新等級的AHSS使車身結構輕了25-39％。當應用于典型的五人座家用車輛時，車輛的總重量可以減少170至270 kg。減輕車輛重量是提高燃油效率的關鍵因素[1]。每輛車使用較少量的鋼材可以減少材料和燃料成本，從而有利于環(huán)境保護。簡而言之，如果汽車制造商使用拉伸強度為1000 MPa而不是500 MPa的鋼，則鋼材消耗將減少一半。

圖3.到2023年，高級高強度鋼（AHSS）市場預計將比2017年增長一倍以上。

最近的許多研究比較并預測了AHSS在汽車，建筑和其他應用中的消耗[1，5]。毫不奇怪，在未來幾年，對AHSS的需求將增加，其中汽車行業(yè)將成為主要驅動力。