高強(qiáng)板在汽車輕量化上的應(yīng)用

楊曉明　陳曉剛　張玉超　王昊

【摘 要】目前，汽車行業(yè)的發(fā)展非常迅速，尤其是轎車，中國已經(jīng)發(fā)展成為繼美國、日本之后的世界第三大汽車生產(chǎn)以及消費(fèi)國。汽車在給人們的出行帶來便利的同時也對環(huán)境和交通帶來了不利影響。因此，需要大力研發(fā)“環(huán)境友好型汽車”，而加強(qiáng)汽車輕量化的應(yīng)用則能有效地解決這些問題。本文將主要圍繞高強(qiáng)板在汽車輕量化上的應(yīng)用展開論述。

【關(guān)鍵詞】高強(qiáng)板；汽車；輕量化；應(yīng)用

1.關(guān)于汽車輕量化的思考

據(jù)測算，2016年世界汽車年產(chǎn)量增加到1億1千5百萬臺。而增加部分的一半多將來自中國。中國生產(chǎn)的汽車的節(jié)能減排水平將對世界汽車排放總量產(chǎn)生重大影響。中國汽車輕量化技術(shù)與世界水平的比較：乘用車重5-10%；商用車重17%左右。在影響車身重量主要因素重，汽車材料占70%的比重，而高強(qiáng)鋼板在相同力學(xué)性能條件下的板厚是傳統(tǒng)鋼板的65%，這樣就能在不增加成本，甚至降低成本的前提下，使用高強(qiáng)鋼板來減輕車身重量。以下我們就對此做簡要的闡述。

2.汽車用高強(qiáng)鋼板的分類

2.1雙相鋼

DP鋼板已經(jīng)有30年商業(yè)化開發(fā)歷史，具體包括熱軋、冷軋、電鍍以及熱鍍鋅產(chǎn)品。DP鋼板的組織是鐵素體與馬氏體，馬氏體在5%-20%范圍內(nèi)，隨著馬氏體含量的不斷增加，強(qiáng)度線性也隨之增加，強(qiáng)度的范圍為500-1200 MPa。雙相鋼不僅具有AHSS鋼的共性特點，同時還具有低屈強(qiáng)比、高加工硬化指數(shù)、高烘烤硬化性能、沒有屈服延伸以及室溫時效等優(yōu)點。DP鋼一般應(yīng)用在需高強(qiáng)度、高抗碰撞吸收能并且成型要求也非常嚴(yán)格的汽車零件，比如，車輪、保險杠、懸掛系統(tǒng)以及加強(qiáng)件等零件。隨著鋼種性能以及成型技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，DP鋼被廣泛地應(yīng)用在汽車的內(nèi)外板等零件上。DP鋼用途的擴(kuò)大促使生產(chǎn)產(chǎn)量的不斷增加，根據(jù)有關(guān)的數(shù)據(jù)資料統(tǒng)計顯示，2000年汽車使用DP鋼訂單比1996年的訂單量增加了20倍，并且有進(jìn)一步提升的趨勢。DP鋼的成分包括C和Mn等物質(zhì)，可以根據(jù)生產(chǎn)工藝的不同適當(dāng)?shù)卦黾覥r和Mo等元素，將C曲線向右移動，從而有效地避免冷卻時析出珠光體以及貝氏體等組織。目前雙相鋼的發(fā)展包括：開發(fā)應(yīng)用在汽車外板的低級別雙相鋼系列，雙相鋼的抗拉強(qiáng)度為450～600MPa；根據(jù)零件的具體要求，開發(fā)具有個性化的鋼種，比如，高可焊性DP鋼、高擴(kuò)孔型DP鋼以及高屈強(qiáng)比型的DP鋼等鋼種；開發(fā)800-1000MPa超高強(qiáng)度級別的熱鍍鋅DP；目前研究的重點是熱鍍鋅的可鍍性；研究采用CSP等新的工藝生產(chǎn)雙相鋼。

2.2 TWIP鋼

目前，國內(nèi)外研究的重點是TwIP鋼的高強(qiáng)度和高塑性鋼。TwIP鋼的主要成分一般是Fe，需要添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為159/6-309/6的Mn元素，并且需要加入一定量的Al元素和Si元素，有時也需要添加少量的Ni、V、Mo、Cu、Ti以及Nb等元素。TwIP鋼的強(qiáng)度能夠達(dá)到1000 MPa以上，伸長率也可以達(dá)到60-95。在使用TWIP鋼時，無外載荷，冷卻到常溫下的組織是穩(wěn)定的殘余奧氏體，但是增加了一定的外部載荷之后，由于受到應(yīng)變的影響產(chǎn)生了機(jī)械孿晶，也會產(chǎn)生大的無頸縮延伸，表現(xiàn)出了非常高的力學(xué)性能，并且具備較高的應(yīng)變硬化率、塑性以及強(qiáng)度。由于添加了大量的Al元素，鋼的密度逐漸降低。國外的研究從第一代的Fe-25Mn-3Ab3Si-0.03C系再到第二代的Fe-23Mn-0.6C系直到現(xiàn)階段的Fe-26Mn-11A1-1.1C以及Fe-6A1-0.05Ti-0.05Nb-0.002B系。目前，研究的不僅是TWIP鋼的成分體系，同時需要研究TWIP鋼的生產(chǎn)工藝以及使用技術(shù)。TwIP鋼的研究在歐洲以及韓國比較熱，而日本和美國則不看好TWIP鋼未來的發(fā)展前景，而寶鋼的高強(qiáng)度汽車板已經(jīng)發(fā)展成系列化，寶鋼600MPa以下級別的高強(qiáng)度鋼板已經(jīng)非常齊全。

2.3超高強(qiáng)度鋼板的熱成型

某些鋼板常溫下的強(qiáng)度不很高，抗拉強(qiáng)度僅有500～700MPa， 塑性、可成形性等性能也很好，而通過熱成形工藝的加熱、成形、冷卻后，成形件被淬火，微觀組織轉(zhuǎn)變成馬氏體，強(qiáng)度、硬度等指標(biāo)大幅度提高，屈服強(qiáng)度可以達(dá)到1000MPa以上，抗拉強(qiáng)度達(dá)到1500MPa，硬度可以達(dá)到50HRC。塑性指標(biāo)明顯下降，比如成形前這種高強(qiáng)度硼合金鋼板的伸長率一般在24%以上，而成形后零件的伸長率只有8%左右。

2.4相變誘發(fā)塑性（TRIP）鋼

近幾年，開始開發(fā)TRIP鋼這種商業(yè)化的鋼種，TRIP鋼具備高度的強(qiáng)塑積，其主要應(yīng)用與要求具備高碰撞吸收性能的零件，比如縱梁等。TRIP鋼具有高伸長率的特征，其本質(zhì)是應(yīng)對誘發(fā)殘余奧氏體逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，同時引起了體積膨脹，隨著局部的加工硬化指數(shù)的不斷增加，引發(fā)變形，并且很難集中在局部的區(qū)域，因此，出現(xiàn)了均勻而分散的變形，最終達(dá)到了強(qiáng)度與塑性高度統(tǒng)一的目的，妥善地解決了強(qiáng)度與塑性之間的矛盾。在生產(chǎn)TRIP鋼時，應(yīng)該在貝氏體區(qū)域等溫保持一段時間而形成貝氏體以及富C的奧氏體，其成分主要包括C、Si以及 Mn等物質(zhì)，Si物質(zhì)的主要作用是有效地抑制貝氏體轉(zhuǎn)變時析出滲碳體。隨著鋼板強(qiáng)度的不斷增加，需要添加一些微合金元素，比如Nb元素，Nb元素在細(xì)化鐵素體晶粒的同時也沒有對殘余奧氏體的穩(wěn)定性產(chǎn)生任何影響。殘余的奧氏體的量在達(dá)到一定值之后才能起到誘發(fā)塑性的效果，殘余的奧氏體的轉(zhuǎn)變不僅與應(yīng)變量有著密切的關(guān)系，同時也與溫度有著聯(lián)系。當(dāng)殘余的奧氏體的體積分?jǐn)?shù)為2.3%時，隨著溫度的不斷變化，鋼板伸長率的變化較小，當(dāng)殘余的奧氏體的體積分?jǐn)?shù)增高到6.5以及8.5 時，在-10℃-60℃的范圍內(nèi)，伸長率變化比較明顯。隨著應(yīng)變的增加以及溫度的降低，殘余的奧氏體的轉(zhuǎn)變量也在逐漸增加。

3.小結(jié)

綜上所述，汽車輕量化項目的相關(guān)研究結(jié)果顯示，鋼鐵行業(yè)通過技術(shù)的創(chuàng)新，尤其是先進(jìn)的高強(qiáng)度剛被你以及新加工技術(shù)的廣泛應(yīng)用，為汽車行業(yè)的生產(chǎn)安全、輕量、廉價以及環(huán)境友好的汽車創(chuàng)造出了合格的材料，并且需要擇優(yōu)選擇材料。 [科]

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