高強度鋼性能及其在車身中的應用

        摘要：在汽車輕量化與提 高碰撞安全性能的基礎上 ，首先簡單介紹 了汽車常用鋼和汽車用高強度鋼種類．并簡述 了幾種常用高強度鋼的強化機制和性能，概述了 2 種 高強度鋼的成形工藝，指 出了其在成形時存在的問題以及改善其成形性的措施。介紹了高強度鋼在汽車車身中的應用情況，展望了高強度鋼在未來車身中的應用前景。大量采用高強度鋼在加快汽車輕量化進程和提高汽車碰撞安全性能方面有重大作用。

        隨著世界能源與環(huán)境問題的13漸突出．人們對汽車碰撞安全性能要求的不斷提高以及環(huán)保意識的逐漸增強，各國對碰撞安全性和環(huán)保法規(guī) 的管制也更加嚴格。“一高二低”( 即碰撞安全性能高、污染低和能耗低 )已成為汽車設計過程 中所要達到的主要 目標之一 l]。其 中降低 油耗是應對污染 和能耗問題的重要措施之一。汽車油耗除與發(fā)動機本身性能有關外，還和整 車質(zhì)量密切相關 。 日本專家研究表明：汽車每 減 輕 10％ ．油 耗 可 減 少 8％ ～10 ％ _2 ]。 由此得 出，在汽車上增加輕量化 材料的使用量 ，可以減輕汽車質(zhì)量 ，從而達到節(jié)能減排的效果 ，但是，汽車輕量化與提高汽車碰撞安全性能兩者之間相互矛盾。采用輕量化材料 ，材料 的強度降低 ，汽車碰撞安全性下降。車身設計 中采用高強度鋼能夠同時實現(xiàn)汽車輕量化和提高碰撞安全性兩個目標。隨著汽車碰撞安全性能的不斷提升以及輕量化進程的推進．高強度鋼已逐漸成為了許多新車型車身的主用材。由此可見，研究高強度鋼在車身中的應用，對于汽車輕量化和提高碰撞安全性能具有重大意義。

1、車身常用鋼板種類

目前國內(nèi)汽車用鋼板60％左右來自于寶鋼，30％左右來自于首鋼、武鋼和鞍鋼，還有一小部分則從國外采購。

常用車身鋼板主要包括以下幾種。

1) 冷 軋鋼板 (D C 系列 ，SPCC ，SPCD ，SPCE 及Stl2 ，Stl3 ，Stl4 ，Stl5 ，Stl6 )。

2 ) 熱軋鋼板 (SPH C ，SPH D ，SPH E 及 SAPH 370 ，SA PH 440) 。

3 ) 加磷 高 強度 鋼 (B 170P1 ，B210P1 ，B250P1，BP340 ，BP380) 。

4 ) 雙相 高強鋼板 (B240／390DP ，B280／440D P ，B 340／590D P ，B440／780D P ) 。

5 ) 烘烤硬化鋼(B140H 1，B 180H 1，B H 340 )。

2、車身用高強度鋼性能

目前汽車的車身材料主要以鋼板為主。通常情況下．車身質(zhì)量約占整車總質(zhì)量的30％ ～40％l4]，因此．選擇同時具備輕量化與高性能兩種特質(zhì)的高強度鋼對降低汽車的生產(chǎn)成本，延長其使用壽命，降低油耗和提高碰撞安全性等有著重要影響。

2．1 常用高強度鋼

國家已公布的汽車用高強度鋼大致可分 2 類 ：傳統(tǒng)高強度鋼(CH SS)和先進高強度 鋼 (A H SS ) ，如
圖 1 所示 。

圖 l 各種鋼板的屈服強度與拉伸率的關系
Fig ．1 R elation betw een yield stren gth and elongation of steel

CHSS 通常是采用固溶強化、析出強化和細化晶粒強化等手段進行強化所得到的鋼種，主要包括烘烤硬化鋼板(BH )、高強度無間隙原子鋼( H S—IF )、低合金高強度鋼 (H SLA ) 、各向同性鋼板 (IS )和碳錳鋼(CM n)。AHSS則是指通過相變進行強化所得到的鋼種 ，其組織中存在 2 種情況 ：一種是包含有馬氏體、貝氏體和殘余奧氏體三相的組織；另一種是包含有馬氏體和殘余奧氏體的組織，通常包括雙相鋼(DP ) 、孿晶誘發(fā)塑性鋼 (TRIP )、復相鋼(cP )和馬氏體級鋼 (M art) 等[6]。 目前一般所說的高強度鋼主要是指先進高強度鋼。

2．2 常用高強度鋼強化機制與性能

下面簡單介紹常用 的 3 種高強度鋼 。

1) 雙相鋼(DP 鋼)。D P 鋼的微 觀組織為鐵素體（F）和馬氏體（M）。M 彌散分布在 F 基體上 ，形
成具有良好成形性和高強度的DP鋼。其微觀組織主要是通過亞溫淬火等方法得到。DP鋼的強度由M 的含量決定，M數(shù)量越多，DP鋼的強度越高。DP鋼的優(yōu)點是：屈強比低 ，具有室溫延遲時效性，加工硬化率和伸長率都較高 。這是由于奧氏體 (A )在轉變成 M 時體積膨脹，產(chǎn)生了存在于 F 中的高密度非釘扎的位錯所致。另外，雙相鋼的烘烤硬化性能較高，碰撞時能吸收很高的能量，其安全性比普通碳鋼高50％。D P 鋼常用于制備形狀復雜的高強度結構件。D P 鋼是目前所用高強度鋼板中最常用的，通常用于車身上的各種防撞梁 、加強板 、連接板等。

2 ) 烘烤硬化鋼 (BH 鋼)。B H 鋼的強化機制是殘留于鋼中的間隙固溶原子碳和氮產(chǎn)生的高溫應變時效 。即溶解在 F 中的碳 、氮原子 聚集在應變產(chǎn)生的位錯處 ，并被限制其運動。BH 鋼的屈服強度低 、屈強 比低 、延展性較好和抗 凹性好 。主要用 于發(fā)動機蓋板、門外板 、行李箱外板 、頂蓋板 。

3 ) 馬氏體鋼(M 鋼 )。鋼的顯微組織絕大部分為馬 氏體組織 ，M 鋼的抗拉強度較高 ，在 1000 M Pa
以上。M 鋼通常需進行 回火處理以改變其塑性，使其在如此高的強度下 ，仍具有足夠的成形性能。

2．3 高強度鋼成形時存在的問題及解決措施

2 ．3．1 高強度鋼成形工藝

大多數(shù)高強度鋼的成形采用冷沖壓工藝，但是對于那些強度高、塑性差以及形狀復雜等難成形的高強度鋼，一般采用熱沖壓成形。冷沖壓工藝成形的零件由于材料的塑性有限，在成形過程中零件很容易出現(xiàn)起皺、開裂 、回彈等問后 ，此骨架發(fā)揮了高強度鋼抗沖擊能力高的作用 ，并帶動整個側面車身零部件整體抵抗高速沖擊載荷 。

從而大大降低 了碰撞時車身的侵入量 。對提高汽車碰撞安全性有重大作用。同理 ，頂蓋橫梁采用高強度鋼 ，同樣能提高汽車頂蓋的沖擊載荷 ，對提高汽車的安全性能有很大作用 。

縱梁類零件。縱 梁類零件與A ，B柱類 似，作為車身的側面，同樣需要起到保護作用，只是其保護的主體有所改變，主要保護機艙內(nèi)部零部件 ，例如發(fā)動機，因此，其板料同樣需要具有高強度和良好緩和碰撞中產(chǎn)生沖擊的能力 。某車型車身中左前縱梁總成 中采用高強度鋼 的零件示意如圖 9 所示。

3、前景展望

前期大量研究結果表明，在汽車上應用高強度鋼，能夠很好的滿足汽車輕量化的要求，滿足輕量化的同時并未增加生產(chǎn)成本，這是高強度鋼的應用能夠不斷推廣的重要原因。

我國高強度鋼的研究方 向主要從下面幾個方面進行。

（1）提高高強度鋼材料強度級別 。據(jù)寶鋼相關資料介紹，其擁有國內(nèi)唯一一條超高強度鋼板專用生產(chǎn)線，可以生產(chǎn)最高強度達冷軋1500MPa，熱鍍鋅1000MPa的材料。目前為止，980MPa及以下強度零件的沖壓成形工藝已相對成熟 ；1200 M Pa B 柱零件的成形工藝 目前正在研究 中  。

（2）提高高強度鋼的成形。目前，以寶鋼、首鋼、武鋼、鞍鋼為代表國內(nèi)多家鋼鐵公司都在進行針對高強度鋼的先進形成方法的研究。目前為止，比較有研究潛力的先進形方法是液壓成型與內(nèi)高壓成型。

（3 ) 提高高強度鋼在 車身中所占比例。通常情況下，高強度鋼主要應用于骨架類零件，例如車身邊梁、橫梁、保險桿 、加強板 、邊梁加強板等。隨著高強度鋼成形工 藝的不斷提升，其在車身其他部位的應用也將不斷擴大 ，例如 ，在前后地板上及機艙中的應用 。

由此 ．在今后的研究 中對上述幾方面進行深入探討對于提高我國高強度鋼的質(zhì)量和擴大其應用范圍具有重大意義。

4、結語

隨著高強度鋼成形技術的不斷提升，其在汽車車身中的應用會更加廣泛，發(fā)展前景非常樂觀。目前為止 ，高強度鋼大多應用于車身骨架類零件上 ，在不久的將來 。還會應用到整個 車身。大量采用高強度鋼是實現(xiàn)許多車企所追求的造安全 、環(huán)保 、節(jié)能的好車這一 目標的重要措施之一。