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這個系統帶來的簡潔和舒適，無需贅言。可是日益嚴苛的碰撞安全法規和對燃油經濟性不斷提高的追求，打破了系統的舒適。繼續單一使用低碳軟鋼，則必須提高鋼板厚度來彌補材料強度的不足，增加了車身重量，導致油耗上升。

在汽車行業的驅動下，先進高強鋼得到了迅猛發展：高強度低合金鋼 (HSLA) 在80年代得到應用，雙相鋼（DP）自90年代后被廣泛應用，超高強度 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高強鋼在 2010 年代得到了逐漸使用。高強鋼以更薄零件厚度的形式代替了低碳軟鋼，達到了減重卻不犧牲碰撞性能的效果。

新鋼種的蓬勃發展為車身工程設計師提供了廣闊的選材和結構設計空間。似乎每一個新鋼種都在汽車結構上有它適用的地方，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，車身制造和系統管理在某些方面比以往任何時候都更加復雜了。合適的材料用在合適的地方，是一個典型的系統性事故：子系統熵減，卻讓整個系統的熵飆高。當今的鋼質白車身涉及數百個零部件，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。以下是系統熵增的部分事實：1. 多個鋼種的生產增加了鋼廠在化學冶金、夾雜物控制、物理冶金等多個工序上進行工藝參數最優化和訂單管理方面的難度；2. 多個鋼種的存在對汽車公司進行技術驗證和材料認證增加了相當大的工作量；3. 多個鋼種的存在使汽車制造中最經典的沖壓、焊接和涂裝環節變得極其復雜，工程師們幾乎要為每個厚度的每個鋼種制定相應的制造規范（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，其復雜程度不言而喻）；4. 報廢車身的廢鋼分揀/回收/再利用變成了挑戰。因此，每個從業者都在懷念使用單一低碳軟鋼的時代。

在如今“雙碳”背景下，汽車制造的低碳化（其實也就是系統的熵減）已經成為行業發展的重要議題。我們不禁會回想起，我們曾經也生活在低熵（使用單一低碳軟鋼）的時代。從材料生產到汽車制造的全產業鏈場景下重新思考，我們認為革新傳統汽車車身設計和制造的核心在于設計一個新的模式，回歸到以低碳軟鋼這種曾經的單一鋼種來體現低熵系統的所有優點。而這個模式的賦能者，在于開發出一種或一類新鋼種，其強度滿足汽車車身結構設計的所有需求，其可制造性適合用沖壓的方法來高效地生產絕大多數零件，其制造成本要足夠低，低到全球的主機廠都有動力來采用這樣的一個新方案。

針對這一行業發展的重大議題，通用汽車中國科學研究院、東北大學、南京理工大學、育材堂（蘇州）材料科技有限公司和香港大學的材料科學家們另辟蹊徑，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異的各種衍生鋼種。同樣是單一成分的鋼質白車身，UniSteel車身的性能將遠超過60年代的單一低碳軟鋼白車身。同時，UniSteel也解決了現今多鋼種車身制造的大多數系統性的問題，比如冗長的鋼種認證流程和材料/零件/子系統驗證等等。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的車身制造模式，通過鋼種的“素化”來降低鋼質白車身設計、采購、生產和制造等各個環節的復雜性。該成果最近發表在Science子刊Science Advances上，第一作者為通用汽車中國科學研究院高級研究員、東北大學客座教授盧琦博士，南京理工大學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研究院王建鋒院長，東北大學徐偉教授和香港大學黃明欣教授。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行大規模生產，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衍生鋼種之間應具有良好的電阻點焊性能。基于以上考慮，研究人員借鑒了若干目前主要先進高強鋼的設計理念，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鋼種對應的顯微組織，如圖2所示 。目前，UniSteel已經成功在中、美兩國的四個鋼廠分別進行了百噸級工業規模試驗，采用現有的汽車鋼生產工藝制造了若干厚度的熱軋和冷軋卷，累計試生產規模接近千噸。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化、固溶強化、細晶強化、相變強化以及殘余奧氏體相變增塑等機理，UniSteel的所有衍生鋼種都獲得了優異的機械性能；其抗拉強度范圍為 600 MPa 至 1680 MPa，相對應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械性能范圍。在相同強度水平下， UniSteel的HSLA、DP 和 PHS衍生鋼種的延伸率均高于其對應的同類商業化產品。此外，以 UniSteel 的 PHS鋼種為例，在生產線上通過常規熱沖壓工藝試制了前保險杠防撞梁，其抗侵入性能優于目前商用的熱成形鋼產品22MnB5，并且該熱成形鋼的可焊性也得到了初步驗證。

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

綜上所述，通過巧妙設計UniSteel的合金成分，單一成分的鋼種可以通過已有的成熟生產工藝獲得不同的顯微組織，從而提供比現有鋼種更加優異的機械性能，實現鋼質白車身的輕量化。UniSteel概念體現了一種嶄新的技術路徑，可以極大地簡化鋼質白車身的設計、制造與回收等系統性問題。UniSteel概念也從根本上挑戰了 “合適材料用于合適的零件”這個傳統認知。事實上，UniSteel提出的是“合適性能用于合適的零件”的理念，而巧妙的成分設計和傳統物理冶金百年知識的累積，完美地實現了“成分”和“性能”之間的“1和N”映射關系。本文的作者們希望， UniSteel 概念有望革新全球汽車行業的車身設計和制造模式，在車身輕量化的同時大幅度降低車身用鋼的碳排放，從而助力汽車行業早日實現碳中和。