60年前，汽車車身幾乎只使用單一鋼種來制成：低碳軟鋼。單一而廣泛地使用低碳軟鋼給汽車行業(yè)這個(gè)系統(tǒng)帶來的簡潔和舒適，無需贅言。可是日益嚴(yán)苛的碰撞安全法規(guī)和對燃油經(jīng)濟(jì)性不斷提高的追求，打破了系統(tǒng)的舒適。繼續(xù)單一使用低碳軟鋼，則必須提高鋼板厚度來彌補(bǔ)材料強(qiáng)度的不足，增加了車身重量，導(dǎo)致油耗上升。

在汽車行業(yè)的驅(qū)動(dòng)下，先進(jìn)高強(qiáng)鋼得到了迅猛發(fā)展：高強(qiáng)度低合金鋼 (HSLA) 在80年代得到應(yīng)用，雙相鋼（DP）自90年代后被廣泛應(yīng)用，超高強(qiáng)度 AlSi 鍍層熱成形鋼 (PHS) 在2000 年后得到快速普及，而后以淬火-分配鋼(Q&P)為代表的第三代先進(jìn)高強(qiáng)鋼在 2010 年代得到了逐漸使用。高強(qiáng)鋼以更薄零件厚度的形式代替了低碳軟鋼，達(dá)到了減重卻不犧牲碰撞性能的效果。

新鋼種的蓬勃發(fā)展為車身工程設(shè)計(jì)師提供了廣闊的選材和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)空間。似乎每一個(gè)新鋼種都在汽車結(jié)構(gòu)上有它適用的地方，因此人們很自然地喊出了“合適的材料用在合適的地方”這樣的口號。可是，車身制造和系統(tǒng)管理在某些方面比以往任何時(shí)候都更加復(fù)雜了。合適的材料用在合適的地方，是一個(gè)典型的系統(tǒng)性事故：子系統(tǒng)熵減，卻讓整個(gè)系統(tǒng)的熵飆高。當(dāng)今的鋼質(zhì)白車身涉及數(shù)百個(gè)零部件，這些零部件由十多種不同成分搭配十多種不同厚度的鋼板制成。以下是系統(tǒng)熵增的部分事實(shí)：1. 多個(gè)鋼種的生產(chǎn)增加了鋼廠在化學(xué)冶金、夾雜物控制、物理冶金等多個(gè)工序上進(jìn)行工藝參數(shù)最優(yōu)化和訂單管理方面的難度；2. 多個(gè)鋼種的存在對汽車公司進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證和材料認(rèn)證增加了相當(dāng)大的工作量；3. 多個(gè)鋼種的存在使汽車制造中最經(jīng)典的沖壓、焊接和涂裝環(huán)節(jié)變得極其復(fù)雜，工程師們幾乎要為每個(gè)厚度的每個(gè)鋼種制定相應(yīng)的制造規(guī)范（特別是異種材料的焊接問題，每一次焊接都是不同材料混合的一次小型冶金過程，其復(fù)雜程度不言而喻）；4. 報(bào)廢車身的廢鋼分揀/回收/再利用變成了挑戰(zhàn)。因此，每個(gè)從業(yè)者都在懷念使用單一低碳軟鋼的時(shí)代。

在如今“雙碳”背景下，汽車制造的低碳化（其實(shí)也就是系統(tǒng)的熵減）已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展的重要議題。我們不禁會(huì)回想起，我們曾經(jīng)也生活在低熵（使用單一低碳軟鋼）的時(shí)代。從材料生產(chǎn)到汽車制造的全產(chǎn)業(yè)鏈場景下重新思考，我們認(rèn)為革新傳統(tǒng)汽車車身設(shè)計(jì)和制造的核心在于設(shè)計(jì)一個(gè)新的模式，回歸到以低碳軟鋼這種曾經(jīng)的單一鋼種來體現(xiàn)低熵系統(tǒng)的所有優(yōu)點(diǎn)。而這個(gè)模式的賦能者，在于開發(fā)出一種或一類新鋼種，其強(qiáng)度滿足汽車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的所有需求，其可制造性適合用沖壓的方法來高效地生產(chǎn)絕大多數(shù)零件，其制造成本要足夠低，低到全球的主機(jī)廠都有動(dòng)力來采用這樣的一個(gè)新方案。

針對這一行業(yè)發(fā)展的重大議題，通用汽車中國科學(xué)研究院、東北大學(xué)、南京理工大學(xué)、育材堂（蘇州）材料科技有限公司和香港大學(xué)的材料科學(xué)家們另辟蹊徑，提出了以單一鋼鐵合金成分取代已有繁多的汽車鋼種成分，即UniSteel概念。UniSteel可以靈活通過熱處理獲得性能優(yōu)異的各種衍生鋼種。同樣是單一成分的鋼質(zhì)白車身，UniSteel車身的性能將遠(yuǎn)超過60年代的單一低碳軟鋼白車身。同時(shí)，UniSteel也解決了現(xiàn)今多鋼種車身制造的大多數(shù)系統(tǒng)性的問題，比如冗長的鋼種認(rèn)證流程和材料/零件/子系統(tǒng)驗(yàn)證等等。UniSteel 概念是盧柯院士等提出的“材料素化”具體案例，有望革新全球汽車行業(yè)的車身制造模式，通過鋼種的“素化”來降低鋼質(zhì)白車身設(shè)計(jì)、采購、生產(chǎn)和制造等各個(gè)環(huán)節(jié)的復(fù)雜性。該成果最近發(fā)表在Science子刊Science Advances上，第一作者為通用汽車中國科學(xué)研究院高級研究員、東北大學(xué)客座教授盧琦博士，南京理工大學(xué)賴慶全副教授為共同第一作者；通訊作者為通用汽車中國科學(xué)研究院王建鋒院長，東北大學(xué)徐偉教授和香港大學(xué)黃明欣教授。論文的作者還包括育材堂（蘇州）材料科技有限公司的熊小川博士和易紅亮教授，以及徐偉教授課題組的兩位博士研究生柴志松和魏曉蓼。

▲圖 1. UniSteel 概念成為鋼質(zhì)白車身制造的可行材料解決方案所需要滿足的要求

UniSteel概念需要滿足一系列的系統(tǒng)性能要求，如圖 1 所示。首先，UniSteel必須是低成本并且易于回收。其次，它必須可以通過目前的成熟鋼鐵工藝來進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，包括煉鋼、連鑄、熱軋、酸洗、冷軋和退火。然后，UniSteel零件必須可以利用已有的熱處理和機(jī)械加工工藝獲得到所需組織和性能。最后，Unisteel衍生鋼種之間應(yīng)具有良好的電阻點(diǎn)焊性能。基于以上考慮，研究人員借鑒了若干目前主要先進(jìn)高強(qiáng)鋼的設(shè)計(jì)理念，選擇低成本的碳 (C)、錳 (Mn)、硅 (Si) 和鉻 (Cr) 作為主要合金元素，并且使用鈮 (Nb) 作為微合金元素添加。通過成熟的熱處理工藝，靈活組合了鐵素體、馬氏體、奧氏體和納米碳化物等物相，從而得到了Unisteel衍生的HSLA、DP、Q&P和PHS鋼種對應(yīng)的顯微組織，如圖2所示 。目前，UniSteel已經(jīng)成功在中、美兩國的四個(gè)鋼廠分別進(jìn)行了百噸級工業(yè)規(guī)模試驗(yàn)，采用現(xiàn)有的汽車鋼生產(chǎn)工藝制造了若干厚度的熱軋和冷軋卷，累計(jì)試生產(chǎn)規(guī)模接近千噸。其中，有兩家鋼廠采用的是基于電爐煉鋼的短流程鋼鐵生產(chǎn)工藝，使用了大概50%左右的廢鋼，從而大幅度地降低了噸鋼的碳排放。

▲圖2 Unisteel衍生的HSLA、DP、Q&P和PHS鋼種的顯微組織

UniSteel 衍生鋼種（HSLA、DP、Q&P 和 PHS）的拉伸性能如圖3所示。通過合理地利用析出強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、相變強(qiáng)化以及殘余奧氏體相變增塑等機(jī)理，UniSteel的所有衍生鋼種都獲得了優(yōu)異的機(jī)械性能；其抗拉強(qiáng)度范圍為 600 MPa 至 1680 MPa，相對應(yīng)的斷裂延伸率范圍為 25% 至 9%，表明UniSteel可以獲得比較寬廣的機(jī)械性能范圍。在相同強(qiáng)度水平下， UniSteel的HSLA、DP 和 PHS衍生鋼種的延伸率均高于其對應(yīng)的同類商業(yè)化產(chǎn)品。此外，以 UniSteel 的 PHS鋼種為例，在生產(chǎn)線上通過常規(guī)熱沖壓工藝試制了前保險(xiǎn)杠防撞梁，其抗侵入性能優(yōu)于目前商用的熱成形鋼產(chǎn)品22MnB5，并且該熱成形鋼的可焊性也得到了初步驗(yàn)證。

▲圖 3. (a) 使用 UniSteel衍生的 HSLA、DP、Q&P 和 PHS 的白車身設(shè)計(jì)。(b) UniSteel衍生鋼種的拉伸性能。(c) UniSteel衍生鋼種和一些現(xiàn)有商業(yè)鋼種的抗拉強(qiáng)度和延伸率的比較

綜上所述，通過巧妙設(shè)計(jì)UniSteel的合金成分，單一成分的鋼種可以通過已有的成熟生產(chǎn)工藝獲得不同的顯微組織，從而提供比現(xiàn)有鋼種更加優(yōu)異的機(jī)械性能，實(shí)現(xiàn)鋼質(zhì)白車身的輕量化。UniSteel概念體現(xiàn)了一種嶄新的技術(shù)路徑，可以極大地簡化鋼質(zhì)白車身的設(shè)計(jì)、制造與回收等系統(tǒng)性問題。UniSteel概念也從根本上挑戰(zhàn)了 “合適材料用于合適的零件”這個(gè)傳統(tǒng)認(rèn)知。事實(shí)上，UniSteel提出的是“合適性能用于合適的零件”的理念，而巧妙的成分設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)物理冶金百年知識的累積，完美地實(shí)現(xiàn)了“成分”和“性能”之間的“1和N”映射關(guān)系。本文的作者們希望， UniSteel 概念有望革新全球汽車行業(yè)的車身設(shè)計(jì)和制造模式，在車身輕量化的同時(shí)大幅度降低車身用鋼的碳排放，從而助力汽車行業(yè)早日實(shí)現(xiàn)碳中和。