引言：中国汽车工业发展飞快，自2000年起产销量迅速增长，2020年达2500万辆左右。[1]带来的环境污染、能耗、安全等问题也日益暴露。因此轻量化是新一代汽车发展的必由之路。实现轻量化主要有两个途径：一是优化结构和框架，减轻车身骨架、发动机和车身钢板的质量。二是采用高强度低密度材料如高强度钢和制造车身。[2]采用高强度材料能够在实现汽车轻量化的同时保障汽车碰撞性能和安全性能，是未来汽车发展的重要途径和目标。在多种高强度材料中，先进高强度钢（工业上屈服强度超过700MPa）及超高强度钢（抗拉强度超过1500MPa）以兼具经济性和强度的特点具有良好的应用前景。
- 高强度汽车钢的发展背景和性能要求
20世纪90年代起，先进高强度钢（AHSS）在传统高强钢（HSS）的基础上逐渐发展。HSS钢种利用固溶强化、析出强化、晶粒细化等方式提高钢种的强度和韧性，[3]而AHSS在此基础上，强化途径更加多样。第一代AHSS以铁素体为基，通过相变进行强化，如双相（DP）钢、相变诱发塑性（TRIP）钢、复相（CP）钢、马氏体（M）钢等，强塑积通常在15%以下。而第二代AHSS强塑积达50%，利用添加的合金元素改变钢的Ms温度，使室温下奥氏体能够稳定存在而不发生转变。加载后出现机械孪晶，从而具有高碰撞吸能能力、高成形性和高应变硬化率。[4,5]如奥氏体孪晶诱导塑性（TWIP） 钢、诱导塑性轻（L-IP）钢和剪切带强化（SIP）钢。但由于其成本较高及冶炼、轧制的难度较大，导致其无法大批量投入生产。第三代AHSS组织为马氏体、回火马氏体、亚微米晶/纳米晶组织或沉淀强化的高强度BCC组织，性能和成本介于第一、二代之间，应用潜力巨大。
AHSS被广泛应用到汽车行业，为了有效地减轻车身质量和提高整车安全性，同时降低制造成本。而作为汽车用钢，需要其性能上既要有高强度和足够的刚度，还需要其具有较好的成形性和焊接性能。在AHSS的应用中，也暴露出各种问题，如结构件成形中的回弹、起皱、卡模、模具损伤等，如图1所示[6]。于是热成形（Hot stamping）的加工方式进入了研发者的视线，并且相应的诞生了PHS（Press Hardened Steel）。
图1 高强钢冷冲压存在问题
- PHS加工工艺、组织及性能介绍
热成形钢（PHS）是将钢板加热至奥氏体化温度以上（一般为900℃~950℃）并保温5min左右，利用其在奥氏体化时良好的成形性，在水冷模具中淬火，最终得到高屈服、高抗拉强度的马氏体组织的结构件,具体流程如图2所示[7]。在整个工艺过程中，关键步骤即在于加热奥氏体化、转移和热冲压。在转移过程中，板料会存在一定程度的温降，因此转移过程需要尽量迅速，既要避免钢板表面出现氧化脱碳，也避免降温后温度不足奥氏体化温度而形成非马氏体组织（铁素体、珠光体、贝氏体等扩散性相变产物）。同理，在淬火过程中也要保证冷速快于临界冷速，避免影响钢板的力学性能。最终钢板的力学性能取决于其碳含量。因此提高钢板的淬透性是很有必要的。在应用过程中，也暴露出其冷弯性能不足、碰撞吸能差、氢致延迟开裂等问题。[8]其中最大的问题就是韧性不足。针对这种问题，主要从三方面进行改善：一是从碳含量入手，但无法兼顾韧性和强度；二是通过细化晶粒提高韧性；三是调整成分，设计出适合淬火配分（Qamp;P）处理的新钢种。
图2 热成形工艺过程
本次研究的钢种中添加了Cr合金元素。Cr能抑制贝氏体相变，增加残余奥氏体量，[9]从而提高钢的淬透性和耐磨性，并且改善其抗腐蚀和抗氧化能力。同时，PHS作为高强度钢种，Cr可以提高其强度的同时，对塑性、韧性的影响并不大。[10]因此整体对PHS性能的改善作用良好。
- 薄板钢材的断裂韧性
为了更好地研究PHS的韧性，本次研究从其断裂韧性入手，测量并分析PHS钢板的断裂韧性。断裂韧性是试样或构件中有裂纹或类裂纹缺陷情形下发生以其为起点的不再随着载荷增加而快速断裂，即发生所谓不稳定断裂时，材料显示的阻抗值。这样的断裂韧性值，可用能量释放率g、应力强度因子K、裂纹尖端张开位移CTOD和J积分等描述裂纹尖端的力学状态的单一参量表示。[11]
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