高強度鋼對汽車輕量化的影響范文

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《新材料產業雜志》2014年第八期

一、高強度鋼在汽車輕量化和安全件上的應用

研究表明[1-4]高強度鋼和先進高強度鋼是保證汽車輕量化、提升汽車安全性且性價比高的現代汽車制造基礎材料，其他材料難以替代。由于汽車輕量化和安全技術的發展，汽車用鋼的強度水平一直呈上升趨勢，高強度鋼和先進高強度鋼的用量在持續增加。國際上出現了一系列輕量化工程，包括由美國鋼鐵協會組織的“新一代汽車合作計劃（PNGV）”，其輕量化目標是減重30%，其技術路線是鋼鐵材料和多種材料的應用；由歐洲鋼鐵協會組織的超輕汽車計劃（SuperLIGHT-Car）減重目標是40%，技術路線也是多種材料的應用；國際鋼鐵協會組織的高級汽車概念（ULSAB-AVC）輕量化項目，減重目標是20%，符合2004年的碰撞法規，其技術路線是全部采用高強度鋼，白車身采用高強度鋼為36%，超高強度鋼達到64%；阿賽洛鋼公司也組織了“輕量化車身項目ABC”，減重目標為30%，技術路線采用高強度鋼。最近，阿賽洛米塔爾公司進一步推出了新的輕量化項目S-inmotion,在這一輕量化項目中，大量采用了先進高強度鋼和熱沖壓成形鋼。以C級車為例，該項目通過優化整車43個零件的質量，可使車身質量較傳統技術生產的車身減重17%，使整車生命周期減少了14%的碳排放；蒂森克虜伯也推出了輕量化車身項目NSC，減重目標20%，技術路線采用高強度鋼和先進高強度鋼；韓國機械院、冶金企業和汽車廠聯合開展了韓國國產品牌汽車輕量化工程項目，輕量化目標為減重10%；德國新能源汽車項目在輕量化工程和車身設計中投入近10億歐元。近年來，每年一屆的歐洲車身會議都展示集輕量化、汽車安全性和高強度鋼應用的先進設計實例。可以看出，鋼鐵材料是既可輕量化又保證安全性、性價比高并難以替代的汽車制造基礎材料。圖4和圖5示出了2010年歐洲車身會議的典型車型沃爾沃S60[5]、Sharan[6]應用高強度鋼的情況。

沃爾沃S60以安全著稱，主要安全件A柱、B柱、門檻等都用了1500MPa的熱沖壓成形鋼，同時一般結構件也大量應用普通高強度鋼，低碳軟鋼和普通高強度鋼的用量仍然占有較高的比例。2011年韓國現代汽車首次參加歐洲車身會議，設計的全鋼輕量化車身i40以高的性價比、高的汽車安全性而獲得當年車身會議的金獎,其用鋼情況見圖6[7]。最近，超高強度鋼還用于制作運鈔車、防暴車的防彈板，中國汽車工程研究院股份有限公司等[8]開發了超高強度輕量化的防彈鋼板，分別將A級、B級、C級的防彈板從原進口板的3.0mm、2.5mm、4.0mm減薄為2.85mm、2.3mm、3.7mm,這類鋼板的力學性能指標見表1，板材槍擊時的計算機模擬和槍擊試驗典型結果見表2。

二、高強度鋼和先進高強度鋼的發展

為滿足汽車輕量化發展以及前述汽車板的各種性能要求，高強度和先進高強度鋼近年來發展很快。目前已有普通高強度鋼、第1代先進高強度鋼、第2代先進高強度鋼，第3代先進高強度鋼等。各類高強度鋼和先進高強度鋼的延性和強度見圖8所示。其中，普通高強度鋼的強塑積為15000～20000MPa•%，包括無間隙原子鋼（IF鋼）、高強度無間隙原子鋼（HSIF）、各向同性鋼（IS）、烘烤硬化鋼（BH）、低碳軟鋼（Mild）、碳錳固溶強化鋼（CMn）和高強度低合金鋼（HSLA）；第1代先進高強度鋼，其強塑積為20000MPa•%，包括雙相鋼（DP）、復相鋼（CP）、相變誘發塑性鋼（TRIP）、馬氏體級鋼（MART）、熱沖壓成形鋼（HPF）；第2代先進高強度鋼，其強塑積60000MPa•%，該類鋼為高錳的孿晶誘發塑性鋼（TWIP）；第3代先進高強度鋼，其強塑積為30000～40000MPa•%，包括中錳的馬氏體+奧氏體鋼（BCC+FCC）、包含有δ鐵素體的相變誘發塑性鋼（δ-TRIP）、淬火分配處理鋼或稱馬氏體基的相變誘發塑性鋼（Q-P）、淬火-回火分配處理鋼或稱回火馬氏體基的相變誘發塑性鋼（Q&PT）、超級貝氏體鋼,又稱納米貝氏體鋼（SuperB）。在以上3代先進高強度鋼中，目前應用較多的仍然是第1代先進高強度鋼，在第1代先進高強度鋼中應用較多的是雙相鋼，此外，超高強度的熱沖壓成形鋼最近幾年發展很快，用量可能會有較大的上升。第3代先進高強度鋼目前仍在發展中，其工藝、強化原理和應用技術均有待于進一步實驗研究和發展，目前寶鋼已率先進行了Q-P鋼的產業化生產。

三、結語

汽車輕量化是實現汽車節能減排最直接和最有效的手段。既輕量化又保證安全促使了高強度鋼和先進高強度鋼的應用。正是因為汽車工業的廣闊市場促進了高強度鋼迅速發展，先后出現了普通高強度鋼、第1代先進高強度鋼、第2代先進高強度鋼、第3代先進高強度鋼。目前在汽車工業得到廣泛應用、產品較成熟、質量較穩定、批量生產、性能一致性好的高強度鋼仍然是普通高強度鋼和第1代先進高強度鋼；深入研究高強度鋼的應用技術，解決和提升成形性、回彈、切邊、連接技術等問題，擴大高強度鋼的應用，為汽車輕量化和節能減排作出貢獻。

作者：馬鳴圖吳娥梅單位：中國汽車工程研究院股份有限公司重慶新材料工程中心