高强度钢对汽车轻量化的影响范文

《新材料产业杂志》2014年第八期

一、高强度钢在汽车轻量化和安全件上的应用

研究表明[1-4]高强度钢和先进高强度钢是保证汽车轻量化、提升汽车安全性且性价比高的现代汽车制造基础材料，其他材料难以替代。由于汽车轻量化和安全技术的发展，汽车用钢的强度水平一直呈上升趋势，高强度钢和先进高强度钢的用量在持续增加。国际上出现了一系列轻量化工程，包括由美国钢铁协会组织的“新一代汽车合作计划（PNGV）”，其轻量化目标是减重30%，其技术路线是钢铁材料和多种材料的应用；由欧洲钢铁协会组织的超轻汽车计划（SuperLIGHT-Car）减重目标是40%，技术路线也是多种材料的应用；国际钢铁协会组织的高级汽车概念（ULSAB-AVC）轻量化项目，减重目标是20%，符合2004年的碰撞法规，其技术路线是全部采用高强度钢，白车身采用高强度钢为36%，超高强度钢达到64%；阿赛洛钢公司也组织了“轻量化车身项目ABC”，减重目标为30%，技术路线采用高强度钢。最近，阿赛洛米塔尔公司进一步推出了新的轻量化项目S-inmotion,在这一轻量化项目中，大量采用了先进高强度钢和热冲压成形钢。以C级车为例，该项目通过优化整车43个零件的质量，可使车身质量较传统技术生产的车身减重17%，使整车生命周期减少了14%的碳排放；蒂森克虏伯也推出了轻量化车身项目NSC，减重目标20%，技术路线采用高强度钢和先进高强度钢；韩国机械院、冶金企业和汽车厂联合开展了韩国国产品牌汽车轻量化工程项目，轻量化目标为减重10%；德国新能源汽车项目在轻量化工程和车身设计中投入近10亿欧元。近年来，每年一届的欧洲车身会议都展示集轻量化、汽车安全性和高强度钢应用的先进设计实例。可以看出，钢铁材料是既可轻量化又保证安全性、性价比高并难以替代的汽车制造基础材料。图4和图5示出了2010年欧洲车身会议的典型车型沃尔沃S60[5]、Sharan[6]应用高强度钢的情况。

沃尔沃S60以安全著称，主要安全件A柱、B柱、门槛等都用了1500MPa的热冲压成形钢，同时一般结构件也大量应用普通高强度钢，低碳软钢和普通高强度钢的用量仍然占有较高的比例。2011年韩国现代汽车首次参加欧洲车身会议，设计的全钢轻量化车身i40以高的性价比、高的汽车安全性而获得当年车身会议的金奖,其用钢情况见图6[7]。最近，超高强度钢还用于制作运钞车、防暴车的防弹板，中国汽车工程研究院股份有限公司等[8]开发了超高强度轻量化的防弹钢板，分别将A级、B级、C级的防弹板从原进口板的3.0mm、2.5mm、4.0mm减薄为2.85mm、2.3mm、3.7mm,这类钢板的力学性能指标见表1，板材枪击时的计算机模拟和枪击试验典型结果见表2。

二、高强度钢和先进高强度钢的发展

为满足汽车轻量化发展以及前述汽车板的各种性能要求，高强度和先进高强度钢近年来发展很快。目前已有普通高强度钢、第1代先进高强度钢、第2代先进高强度钢，第3代先进高强度钢等。各类高强度钢和先进高强度钢的延性和强度见图8所示。其中，普通高强度钢的强塑积为15000～20000MPa•%，包括无间隙原子钢（IF钢）、高强度无间隙原子钢（HSIF）、各向同性钢（IS）、烘烤硬化钢（BH）、低碳软钢（Mild）、碳锰固溶强化钢（CMn）和高强度低合金钢（HSLA）；第1代先进高强度钢，其强塑积为20000MPa•%，包括双相钢（DP）、复相钢（CP）、相变诱发塑性钢（TRIP）、马氏体级钢（MART）、热冲压成形钢（HPF）；第2代先进高强度钢，其强塑积60000MPa•%，该类钢为高锰的孪晶诱发塑性钢（TWIP）；第3代先进高强度钢，其强塑积为30000～40000MPa•%，包括中锰的马氏体+奥氏体钢（BCC+FCC）、包含有δ铁素体的相变诱发塑性钢（δ-TRIP）、淬火分配处理钢或称马氏体基的相变诱发塑性钢（Q-P）、淬火-回火分配处理钢或称回火马氏体基的相变诱发塑性钢（Q&PT）、超级贝氏体钢,又称纳米贝氏体钢（SuperB）。在以上3代先进高强度钢中，目前应用较多的仍然是第1代先进高强度钢，在第1代先进高强度钢中应用较多的是双相钢，此外，超高强度的热冲压成形钢最近几年发展很快，用量可能会有较大的上升。第3代先进高强度钢目前仍在发展中，其工艺、强化原理和应用技术均有待于进一步实验研究和发展，目前宝钢已率先进行了Q-P钢的产业化生产。

三、结语

汽车轻量化是实现汽车节能减排最直接和最有效的手段。既轻量化又保证安全促使了高强度钢和先进高强度钢的应用。正是因为汽车工业的广阔市场促进了高强度钢迅速发展，先后出现了普通高强度钢、第1代先进高强度钢、第2代先进高强度钢、第3代先进高强度钢。目前在汽车工业得到广泛应用、产品较成熟、质量较稳定、批量生产、性能一致性好的高强度钢仍然是普通高强度钢和第1代先进高强度钢；深入研究高强度钢的应用技术，解决和提升成形性、回弹、切边、连接技术等问题，扩大高强度钢的应用，为汽车轻量化和节能减排作出贡献。

作者：马鸣图吴娥梅单位：中国汽车工程研究院股份有限公司重庆新材料工程中心