在節能、環保、高安全、長壽命的要求日益嚴格的情況下，開發出超高強度的鋼材以滿足發展輕量化汽車和提高安全性的要求已刻不容緩。先進的高強度鋼（AHSS）在汽車工業的應用顯著減輕了重量，從而提高了燃油經濟性，而不犧牲安全性。目前，在AHSS中，熱沖壓鋼的極限抗拉強度（UTS）分別達到了2 GPa、1.5 GPa （22MnB5）和1.7 GPa （30MnB5）。2 GPa （38MnB5）熱沖壓鋼已廣泛應用于現代汽車零部件，并已實現工業化。在890 ~ 950 °C熱沖壓后，組織由完全馬氏體組成。盡管UST較高，但熱沖壓鋼的延展性一般較低，總伸長率低于8%，在沒有使用鋁硅涂層保護的情況下，熱沖壓過程中會發生嚴重的氧化。為了改善表面質量和提高抗氧化性能，設計了一種高鉻硅合金成分體系來控制氧化層的厚度。

我們的目標是獲得超細粒馬氏體，同時保證超高的強度和良好的伸長率。近年來，大量學者更加關注冷軋熱沖壓鋼，對淬火配分（Q-P）過程與調質（Q-T）過程的耦合進行了多項相關研究，從而提高了高強度鋼的性能。前人研究發現。優異的整體性能是由于TRIP效應發揮了殘余奧氏體的作用。因此，在QT和QP工藝控制下，開發的輕量化、微合金化超高強度冷軋熱壓鋼（>2000 MPa）比傳統的1500HS鋼具有更高的強度和更好的延性。然而，當前人們對熱軋鋼和熱沖壓鋼的性能研究還是不夠深入。

北京科技大學現代交通先進金屬材料與加工技術北京實驗室趙征志教授團隊設計了一種新型Cr-Si合金超高強度熱軋熱軋沖壓鋼，去掉了 B、Ti等化學成分，加入Cr，提高了熱軋鋼的表面質量，保證了淬透性。熱軋板材在740℃退火4小時。退火后的板材有利于最終熱沖壓前的切割和預冷成型。不同回火工藝，特別是170 °C保溫20分鐘后，超高強度鋼的總伸長率有較大提高。研究了高強度的新型熱軋熱沖壓鋼（UTS>2150 MPa，總伸長率較好（12%），抗氧化性能優異（氧化厚度為12.4 μm）。這為新型熱沖壓鋼的開發提供了動力。相關研究成果以題為A novel hot stamping steel with superior mechanical properties and antioxidant properties發表在Journal of Materials Research and Technology上。

鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2022.10.017

圖1

壓軋熱沖壓鋼的顯微組織。（a）膨脹曲線加熱和冷卻；（b）不同溫度下的平衡相分數；（c）熱軋過程的掃描電鏡圖像;（d）退火熱沖壓鋼的掃描電鏡圖像

圖2

拉伸性能對熱沖壓和回火工藝的影響。（b）極限拉伸強度（UTS）、屈服強度（YS）和總伸長率（TEL）對回火過程的影響；（c）回火后的加工硬化速率；（d）未回火/回火鋼中的RA組分

當回火溫度為170°C時，板條混合了馬氏體微觀結構，保留了奧氏體，大顆粒M23C6在熱軋熱沖壓鋼中觀察到（Nb，V）C沉淀的小顆粒。2000HS熱軋熱沖壓鋼表現出最佳的機械性能，屈服強度為1318 MPa，抗拉強度為2160 MPa，伸長率為12%。它明顯高于商用22MnB5鋼。

圖3

不同回火工藝后試樣的顯微組織。（a, c, e, g） SEM圖像;（b, d, f, h） EBSD波段對比圖像的相位分布，沿RD方向檢查。（a, b） Z740-A950， （c, d） Z740-A950- t170， （e, f） Z740-A950- t270， （g, h） Z740-A950- t370。磚紅色代表BCC相，淺藍色代表FCC相

圖4

典型處理工藝的EBSD組織（a-d）為Z740-A950、Z740-A950- t170、Z740-A950- t270、Z740-A950- t370）。（a1）-（d1）為EBSD反極圖圖像。（a2）-（d2）為晶界（淺色線0 ~ 15°為低角度晶界，紫色線15 ~ 50°為先驗奧氏體晶界，紅色線50 ~ 180°為高角度晶界）;（a3）-（d3）的KAM圖像。（RD為滾動方向，ND為法線方向）

隨著回火溫度的升高，馬氏體板條寬度顯著增加，板條束部分合并，但其板條寬度小于1 μm，呈現超細晶粒結構。M₂₃C₆的大顆粒連續生長和粗化（101.2 μm）和（Nb，V）C沉淀的小顆粒（17.5 μm）。然而，他們釘住錯位，并發揮了析出強化的重要作用。

圖

Z740-A950樣品TEM圖像。a）研究鋼中的馬氏體和奧氏體，b） M₂₃C₆碳化物的形貌和SAED模式（圖5a的放大視圖），c）M₂₃C₆碳化物的TEM-EDS元素分析，d） （Nb,V）C和M₂₃C₆在萃取復制試驗中的元素分析，e）（Nb,V）C析出相的能譜，f） （Nb,V）C析出相的平均直徑

圖6

Z740-A950-T170樣品的TEM圖像。a）研究鋼的馬氏體亞增益和奧氏體，b）馬氏體孿晶和SAED模式，c） M₂₃C₆碳化物的形貌和SAED模式，d） EDS1的TEM-EDS分析，e） EDS2的TEM-EDS分析，f） M₂₃C₆析出相的平均直徑，g） （Nb,V） c析出相的TEM-EDS分析，h） （Nb,V） c析出相的TEM-EDS分析，i） （Nb,V） c析出相的平均直徑

在變形過程中，殘余的奧氏體被大大轉化為馬氏體，M₂₃C₆碳化物，提高了總伸長率。更重要的是，無論任何淬火樣品或回火樣品，經過測試的鋼都保持了良好的伸長率。這主要是由于存在4∼6體積%的保留奧氏體和M₂₃C₆碳化物。

圖7

Z740-A950-T270試樣TEM圖像a） M₂₃C₆的HRTEM圖像及相應的FFT, b） M₂₃C₆的TEM-EDS分析，c） M₂₃C₆的平均直徑，d） （Nb,V）C的HRTEM圖像及相應的FFT, e） （Nb,V）C的TEM- eds分析，f） （Nb,V）C的平均直徑

圖8

Z740-A950-T370樣品的TEM圖像a） M₂₃C₆析出相的形貌，b） M₂₃C₆的HRTEM圖像及相應的FFT, c） M₂₃C₆的TEM- eds分析，d） M₂₃C₆的TEM- eds分析，e） （Nb,V）C的HRTEM圖像及相應的FFT, f） （Nb,V）C的TEM- eds分析，g） （Nb,V）C的平均直徑

Z740-A950-T270和Z740-A950-T370 TEM樣品的表征如圖7和圖8所示。沿馬氏體板條邊界分布有較大尺寸的析出相，同時還觀察到兩種類型的析出相。Z740-A950-T270樣品中較大、較細析出相的平均直徑分別為108 nm和18.2 nm, Z740-A950-T370樣品中較大、較細析出相的平均直徑分別為117 nm和18.6 nm。高分辨率透射電鏡（HRTEM）和相應的快速傅立葉變換（FFT）圖像以及TEM-EDS元素分析表明，大的析出相為立方結構的M₂₃C₆，而小的析出相為FCC結構的MX相合并，富含Nb和V。

圖9

熱沖壓鋼氧化層的厚度和基本分布圖。a） 1500HS, b） 2000HS經950°C浸泡5 min風冷處理

圖10

淬火和不同回火溫度下的錯取向分布

圖11

研究了回火溫度對M23C6和（Nb,V）C析出行為的影響

所研究的2000HS表面的氧化率為12.4 μm，比1500HS（23.6 μm）薄得多。熱沖壓過程中，設計鋼內Cr和Si含量的高比值與致密的Cr/Si合金化氧化層形成，從而防止了氧離子進入鐵基體時鋼的表面進一步氧化。