2.1 常规高强度钢

常规高强度钢的主要组织为铁素体，碳（C）含量也比较低，其强化主要采用析出（Nb、V、Ti）、固溶（P）和细晶强化，主要包括烘烤硬化钢（BH）、析出强化钢（HSLA）、各向同性钢等。

2.1.1 烘烤硬化钢

烘烤硬化钢（BH）以铁素体作为基体组织，采用固溶强化原理。这些钢的一个独特的特点是通过成分和工艺设计，以保持碳在生产过程中固溶，然后使碳在烤漆的过程中或在室温下几周的时间里析出。这增加了成形零件的屈服强度和抗凹性，同时不损害成形性。

烘烤硬化钢板主要用途是汽车的外板，其强度级别按照屈服强度分为140MPa、180MPa、220MPa、260MPa和300MPa级别。烘烤硬化钢板根据生产工艺的不同，可分为冷轧普板、电镀锌和热镀锌三大类产品，相应的设计思路也有多种方案，如罩式炉方向的微碳设计和连续退火方向的超低碳设计等（表2-1）。

目前国内新一代轿车的外板多采用这一系列的电镀锌烘烤硬化钢板，屈服强度的级别主要是180MPa和220MPa。220MPa级别电镀锌烘烤硬化钢板冲压的发动机罩外板零件，经冲压烘烤后钢板的屈服强度在330MPa左右，具有较高的抗凹陷性能。

烘烤硬化值（BH值）是烘烤硬化钢的一项重要性能指标。烘烤硬化值的常用测量方法是将试样进行2%预拉伸变形，卸载后加热至170℃保温20min，重新加载至屈服，所得屈服强度与2%预拉伸变形的强度差值即为BH ₂ 值，计算示意如图2-2所示。

目前，广泛应用于外板件的BH钢通常为超低碳烘烤硬化钢（Ultra Low Carbon Bake Hardening steel，ULC-BH），是以高强度无间隙原子钢（IF）成分及工艺设计为基础的汽车用钢，其特点是加入微量Nb和/或Ti合金元素固定部分C、N元素，同时加入Si、Mn、P等固溶强化元素提高强度。因此ULC-BH钢既有高强度IF钢的深冲性能，也拥有烘烤硬化特性。

常温抗时效性是制约BH钢广泛使用的关键因素，自然时效后的钢板在冲压时表面会出现滑移线（橘皮）缺陷，因为钢中的间隙固溶碳原子会逐渐扩散在位错处形成钉扎，聚集形成柯氏气团，从而产生屈服平台现象。屈服点伸长率（Ae）的大小决定冲压是否产生滑移线缺陷，根据外板的实际使用情况通常Ae 在0.5%以内是可接受范围，超过1%后冲压产生缺陷的风险就极高。

典型ULC-BH钢的拉伸曲线、金相组织如图2-3和图2-4所示，其组织为纯净铁素体，组织及性能特点类似高强度IF钢，也存在二次脆性问题，可通过加入微量B元素改善冷加工脆性，通常二次加工脆性温度超过-60℃。典型牌号HC180B的高速拉伸曲线及可焊性工艺窗口示意图如图2-5和图2-6所示。

2.1.2 冷轧各向同性钢

冷轧各向同性钢（IS）属于低碳微合金钢，通过加入微合金元素获得细小的铁素体晶粒和弥散强化效果，从而提高钢板强度，微合金元素阻碍再结晶的进行，影响织构的发展，最终形成有利于各向同性的织构类型。其 Δr 值趋向零，一般为-0.15～+0.15。

各向同性钢深冲时各个方向变形一致，壁厚减薄均匀无制耳，适合于杯状物件冲压。该产品是于20世纪90年代开发的一种汽车板材新品种，多用于汽车外板。国内钢厂具备批量生产能力。

相较于烘烤硬化钢产品，各向同性钢产品成形性能略差，同时产品强度级别较高，并不适合复杂的外板零件冲压，同时各向同性钢也不保证烘烤硬化性能，现在应用很少。

2.1.3 高强度IF钢

高强度IF钢（HSS-IF）的高强度是通过添加一定量的固溶强化元素P来实现的，由于IF钢具有超深冲性能，因此高强度IF钢是一种超深冲的高强度钢，强度级别根据抗拉强度的不同主要分为340MPa、370MPa、390MPa和440MPa。高强度IF钢主要应用于要求有一定强度同时形状比较复杂的零件中，由于其强度的提高主要是通过P来实现的，而P容易偏聚在铁素体晶界引起二次加工脆性，因此在使用高强度IF钢前，需要特别关注其二次加工脆性的评估。

高强度IF钢的合金成分设计思路为通过冶炼和RH处理使钢中C、N、S等元素含量降至最低水平以保证钢质纯净，通过Ti和/或Nb处理固定钢种C、N间隙原子以保证其成形性，同时适当增加置换型固溶原子P、Mn、Si的含量，通过固溶强化来保证强度。因此，高强度IF钢具有以下特征：

1）具有较高的屈服强度和抗拉强度，其强度明显高于普通IF钢。

2）优异的深冲性能， r 值和 n 值较高，适用于拉深、胀形等成形复杂的零件。

3）良好的韧性与塑性。

4）非时效性。

典型高强度IF钢静态工程应力应变曲线如图2-7所示，其金相组织为纯净铁素体（图2-8），高速拉伸性能、疲劳性能、焊接工艺窗口以及二次冷加工脆性如图2-9～图2-12所示。在IF钢中由于无间隙原子存在，故而晶界很弱，在低温冲压变形时有出现脆裂的趋势，且随变形程度的加重，脆性转变温度提高。高强度IF钢中，低温脆性问题更加突出，原因是P极易在晶界偏聚导致晶界脆化，即冷加工脆性。抑制冷加工脆性的方法主要有以下四种：

1）加入适量的B。

2）控制退火钢中存在少量固溶C。

3）采用Ti-Nb复合成分。

4）钢中S的质量分数控制在0.002%以下。

近年来，汽车用钢板向高强度化方向发展，当钢板厚度分别减小0.05mm、0.10mm和0.15mm时，车身减重分别为6%、12%和18%，可见增加钢板强度、减小板厚是减轻车重的重要途径。另一方面，在一定范围内采用高强度钢板减小板厚，配合结构优化设计，可实现在不降低覆盖件抗凹陷性、耐久强度的情况下，提高零件的大变形冲击强度，提高了安全性。

高强度IF钢常用于“四门二盖”，即发动机舱盖、前后翼子板、行李舱盖及门外板等外覆盖件零件以及成形较为复杂的结构件，如横梁。

2.1.4 低合金高强度钢

低合金高强度钢（High-Strength Low Alloy Steel，HSLA）是在低碳钢成分的基础上添加Nb、Ti、V等合金元素，利用这些元素的弥散析出达到析出强化和细晶强化的效果，在提升钢强度的同时可获得较好的伸长率。

低合金高强度钢板目前无论是生产还是使用都已经比较成熟，品种也已经形成系列，按照最小屈服强度大体分为260MPa、300MPa、340MPa、380MPa、420MPa、460MPa、500MPa、550MPa、600MPa、800MPa等几个级别，按照生产工艺的不同可分为热轧、冷轧和热镀锌三大类产品。

析出强化是比较优良的一种强化方法，二相粒子除了具有析出强化作用外还可以细化晶粒，因此，在提高强度的同时基本不降低伸长率，有利于钢板的综合力学性能的改善。与同等强度的固溶强化钢相比，碳当量降低，加之二相粒子的细晶作用，可以有效减少焊接造成的晶粒粗大，有利于改善焊接性，常用的合金元素有Nb和Ti。

目前，各大主流汽车板材生产厂家基本具备500MPa及以下的低合金高强度钢生产能力，供货规格覆盖0.5～2.5mm不同厚度的产品。

1）强化机理。对于低合金高强度钢，强度的提升主要通过细晶强化和析出强化两种机制实现。通过在低碳钢成分的基础上添加Nb、Ti、V等合金元素后，微合金元素与钢中碳、氮形成多种化合物，起到析出强化作用。同时轧制过程中会在位错、亚晶界、晶界上析出碳氮化物阻碍奥氏体动态再结晶，细化晶粒，其中尤以Nb元素效果最为明显。

低合金高强度钢产品的性能与微合金元素化合物的数量、形态、尺寸息息相关，且其析出规律十分复杂。随着微合金元素含量、产品强度级别的提升，其性能波动也相应增加，性能稳定性控制成为低合金高强度钢生产过程中的一大难点。目前钢厂主要通过提高微合金元素的控制水平，减少Ti的烧损（保证有效Ti），热轧、冷轧一体化工艺设计以实现析出物、产品性能的稳定控制。

2）组织及力学性能。低合金高强度钢典型的金相组织为铁素体+珠光体，图2-13为低合金高强度钢H340LA产品典型的金相组织及力学性能曲线。

3）焊接、疲劳性能。图2-14为典型的低合金高强度钢HC340LA产品的可焊性工艺窗口，低合金高强度钢产品因合金元素含量低，焊接性能优良。

典型低合金高强度钢HC340LA疲劳寿命曲线如图2-15所示，疲劳性能如表2-2所示。

低合金高强度钢有较高的强度、良好的焊接性能和冷冲压成形性能，广泛应用于汽车的结构件及加强件，如汽车A柱上部加强件、内侧B柱、车门槛加长件、左右纵梁外板和底盘、座椅部件等领域，发展前景广阔。这些零件需要钢板有较高的强度，适中的伸长率和良好的点焊性，对成形性的要求相对较低。