北科大罗海文课题组：力学性能和抗氧化性均优异的新型三相轻质热成型钢

2025-01-07 11:04:16 作者：罗海文来源：材料科学和技术分享至：

第一作者：丁灿灿

通讯作者：罗海文/胡斌

通讯单位：北京科技大学

DOI: 10.1016/j.jmst.2024.02.020

01全文速览

为了解决常规热成型钢塑性差和抗氧化弱的长期问题，本文设计并制备了一种同时具有优越塑性和极好抗氧化性的新型三相轻质高强热成型钢。

02研究背景

22MnB5热成型钢是汽车轻量化主要选用材料，常被广泛用于制造汽车的防侵入部件，包括A/B柱加固件、保险杠和门梁、前后轨道等。虽然其拥有极高的强度（1500MPa），但其延展性相对较低（7.0%），碰撞性差。此外，22MnB5钢的抗氧化性极差，为抑制钢板表面氧化，需在热成形加热时涂镀Al-Si镀层保护，但随之带来大量Al消耗和高昂专利费，导致制造成本急剧增加。针对以上两点问题，本论文设计了一种具有优越的力学性能和良好抗氧化组合的低密度三相热成型钢，澄清了新型热成型钢的强塑化机制和抗氧化机理，该热成型钢是一种具有特殊竞争力的新替代产品。

03本文亮点

（1）提出了一种新型的Si-Al合金化热成型钢，其组织不同于传统的马氏体或马氏体+奥氏体双相设计，而是铁素体（α）-奥氏体（g）-马氏体（α¢）三相组织，其中铁素体和奥氏体提供塑性，而马氏体保证强度。

（2）新开发的热成型钢具有优越的强度-塑性（1620MPa和14%）、良好的抗氧化性（0.7μm厚氧化层）和较低的密度（7.55 g/cm³）组合，三者都显著优于22MnB5热成型钢。

04图文解析

图1 不同热成形工艺和烘烤工艺形成的显微组织。（a-c）SEM图像；（d-f）质量图与相图叠加的EBSD图像，BCC为红色，FCC为绿色。（a, d）H790-170，（b, e）H820-170，（c、f）H850-170。通过EBSD技术表征的新开发三相热成型钢的组织形貌，它们由马氏体（α¢）为基体、等轴铁素体晶粒（α）、残留奥氏体晶粒（g）组成，g晶粒通常位于α/α¢的界面附近马氏体中。

图2 （a）不同热成形工艺和烘烤工艺下开发钢的拉伸曲线与22MnB5钢拉伸曲线对比；（b）极限抗拉强度（UTS）、屈服强度（YS）和总伸长率（TE）与均热温度的关系；（c）不同热成形工艺和烘烤工艺样品的残奥分数与应变的关系；（d）烘烤和未烘烤样品残奥的C含量随均热温度的变化。

图3 H820（未烘烤）和H820-170（烘烤）试样拉伸断口的SEM图像。烘烤前H820试样和烘烤后H820-170试样的断口附近裂纹扩展方式，前者沿晶脆性断裂，后者穿晶韧性断裂。

图4 （a）HSiAl、22MnB5和其他热成型钢经过相同热成形工艺形成的氧化层厚度的比较；（b）与22MnB5、其他Si-Cr和Cr-Al合金热成型钢的强塑积-氧化层厚度比较。

05总结与展望

本文研究是利用Si-Al合金化重新设计了传统热成型钢，旨在提高拉伸性能和高温抗氧化性的同时降低密度。主要得出以下结论：

（1）本发明的Si-Al合金化三相热成型钢，其密度比22MnB5低3%，同时具有优越的强塑性和优异的抗氧化性。在820℃热成形条件下制备得到组织为马氏体基体+35%铁素体+9%残留奥氏体的三相热成型钢。该热成型钢烘烤后的强塑积高达23GPa·%，且表面仅有略微氧化，力学性能和抗氧化性能均明显优于22MnB5和其他抗氧化热成型钢。

（2）新开发三相热成型钢经烘烤后，马氏体中过饱和C原子析出或配分到铁素体和残奥中并偏析至几何必须位错（GNDs）上。导致铁素体硬化和马氏体软化，两相的硬度差减小，应变配分改善。此外，C偏析至γ/α¢界面附近γ晶粒的GNDs上，导致其力学稳定性增强，使TRIP效应延迟到更高应变，从而改善了加工硬化能力，延缓了颈缩。这两者都有助于提高热成型钢的塑性。

（3）本发明的Si-Al合金钢在热成形过程中表现出更优异的抗氧化性，即氧化层比22MnB5和其他Cr-Al或Si-Cr合金的热成型钢薄得多，因为Al和Si可以比Cr更快的被氧化，提前形成致密的Al₂O₃和SiO₂层，为早期保护提供了保障。

06课题组介绍

北京科技大学冶金学院罗海文教授，系国家高层次人才，在国内外高校科研院所从事先进钢铁材料品种开发逾20年，主要研究先进钢铁材料的设计与冶金制备工艺，以成分-工艺-组织-性能为主要研究内容。主持国家自然科学基金冶金和材料学科的重点项目和国际合作项目，在包括Science、Acta Materialia、JMST、Scripta Materialia以及科学通报、金属学报等国内外顶级金属材料期刊上发表数十篇高水平论文，是全球最早从事热点领域-高性能中锰钢的研发人员之一。

07引用本文

Cancan Ding, Haifeng Zhao, Bin Hu, Dechao Xu, Ru Ge, Chengyuan Deng, Zedong Xie, Hua Chen, Haiwen Luo, A novel tri-phase lightweight press-hardening steel exhibiting both excellent mechanical properties and outstanding oxidization resistance, J. Mater. Sci. Technol. 196 (2024) 171-182.