[轉(zhuǎn)] 汽車用超高強(qiáng)度鋼板研發(fā)進(jìn)展
近年來，隨著世界各國環(huán)保法規(guī)的日益嚴(yán)苛，汽車制造業(yè)最重要的工作就是如何進(jìn)一步提高燃料效率。在上世紀(jì)70年代的石油危機(jī)時(shí)期，美國為了節(jié)約能源，針對轎車制定了平均燃油經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)（CAFE），之后為了達(dá)到與地球溫室化問題相聯(lián)系的CO2減排要求，又進(jìn)一步進(jìn)行了提高燃料效率的技術(shù)開發(fā)。
提高燃料效率行動(dòng)不僅促進(jìn)了發(fā)動(dòng)機(jī)等各種驅(qū)動(dòng)部件能量損失的降低，而且促進(jìn)了混合動(dòng)力車和電動(dòng)汽車等新能源汽車的發(fā)展。車體輕量化是通過降低汽車行駛能耗從而提高燃料效率的重要措施。為此，在車體采用鋁合金、鎂合金和樹脂等低比重材料的同時(shí)，也在推進(jìn)提高鋼的強(qiáng)度和特性，實(shí)現(xiàn)車體材料薄板化。新型高強(qiáng)度鋼板在汽車中的應(yīng)用比例不斷增加，強(qiáng)度水平不斷提高。過去采用440MPa級鋼板的部位，為了提高抗沖撞性，已經(jīng)采用了590MPa級鋼板，最近又進(jìn)一步采用980MPa及更高強(qiáng)度級別的鋼板。2002年日本汽車材料共同調(diào)查研究會(huì)對汽車制造廠的用鋼情況進(jìn)行了調(diào)查，并根據(jù)調(diào)查結(jié)果對未來用鋼情況進(jìn)行預(yù)測。結(jié)果表明，5個(gè)汽車制造廠對汽車中柱等炕側(cè)面沖撞部件用鋼的期待強(qiáng)度平均值為1000MPa，中柱用鋼最大值為1200MPa。目前的情況是抗側(cè)面沖撞部件用高強(qiáng)度鋼強(qiáng)度是980MPa級，其中部門達(dá)到1180MPa級，這個(gè)現(xiàn)狀與10年前的預(yù)測完全一致。
在汽車鋼板高強(qiáng)度化的進(jìn)程中，在提高鋼板本身加工性的同時(shí)，彌補(bǔ)不可避免的沖壓成型性下降的方法是進(jìn)一步提高CAE（計(jì)算機(jī)分析工程）成型預(yù)測技術(shù)以及開發(fā)新型沖壓加工方法。此外，焊接技術(shù)進(jìn)步也十分重要。
1 汽車用高強(qiáng)鋼板的輕量化
不同汽車部件承擔(dān)的作用不同。其中沖撞安全性部件壓潰強(qiáng)度受鋼板強(qiáng)度的影響很大，因此這些部件利用高強(qiáng)度鋼板效果最好。
當(dāng)發(fā)生沖撞時(shí)，部件的應(yīng)變速度達(dá)到1000/s（約為JIS材料評價(jià)試驗(yàn)應(yīng)變速度的一百萬倍）。隨著應(yīng)變速度的增加，鋼材強(qiáng)度增加很大，所以，評價(jià)鋼材強(qiáng)度和應(yīng)變速度的依存關(guān)系十分重要。目前，已經(jīng)有多種高速變形特征的評價(jià)方法，其中IOS 26203-1，和IOS 26203-2分別于2010年和2011年達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化。
用落錘試驗(yàn)對帽形斷面試樣進(jìn)行軸向壓潰和彎曲壓潰試驗(yàn)可知，沖擊吸收能隨著鋼板強(qiáng)度的提高而增加（見圖1）。利用高強(qiáng)度鋼的這種作用可使鋼板薄板化，即部件輕量化。在高強(qiáng)鋼的應(yīng)用方面，除了實(shí)際部件和簡易形狀試樣的落錘試驗(yàn)，還開展了用CAE方法研究材料的置換效果和最佳形狀的工作，圖2是高強(qiáng)鋼用于壓潰部件的輕量化效果，可以看出剛強(qiáng)鋼應(yīng)用的良好效果。沖壓加工導(dǎo)入的應(yīng)變、沖壓時(shí)鋼板厚度變薄以及涂裝的烘烤硬化都對沖撞吸收能產(chǎn)生影響，因此，在進(jìn)行CAE研究時(shí)，需要有包括這些影響因素在內(nèi)的高精度材料模型。最近可以利用CAE技術(shù)對車體沖撞時(shí)的母材行為、點(diǎn)焊部位斷裂引起的車體變形行為和沖撞吸收行為的變化進(jìn)行研究。利用應(yīng)力成型極限圖（FLD）可以對母材的斷裂行為進(jìn)行預(yù)測，并且這種預(yù)測考慮到?jīng)_壓加工因素的影響。
此外，還開發(fā)出利用點(diǎn)焊區(qū)應(yīng)力集中系數(shù)描述點(diǎn)焊區(qū)沖撞斷裂行為的方法，該放大包含了鋼板材質(zhì)、厚板、焊接條件、部件形狀、部件負(fù)荷以及焊接周圍拘束情況等多項(xiàng)影響因素。這些沖撞特性解析和沖壓成型解析都是CAE技術(shù)應(yīng)用的成功范例。
2 汽車用高強(qiáng)度鋼板的沖撞安全性
車輛沖撞時(shí)，為保護(hù)乘員的安全，必須保證一定的乘坐空間和減少傳遞乘員的沖撞能。因此汽車設(shè)計(jì)時(shí)，對車體強(qiáng)化使之沖撞時(shí)不發(fā)生變形，并通過車身前后的結(jié)構(gòu)部件發(fā)生一定的塑性變形吸收沖撞能。為評價(jià)汽車的這種特性，產(chǎn)生了汽車的安全評價(jià)方法（如圖3），將評價(jià)結(jié)果進(jìn)行公布。
2.1 冷沖壓高強(qiáng)度鋼板
汽車鋼板幾乎都是經(jīng)沖壓加工制作成汽車部件，因此，鋼板高強(qiáng)度化的首要問題是沖壓成型性的下降。由于超高強(qiáng)度鋼不能進(jìn)行深沖成型，所以，擴(kuò)孔性和彎曲性是表示高強(qiáng)鋼板脹出成型性的重要指標(biāo)，其中擴(kuò)孔性是鋼板的延性和拉伸凸緣性指標(biāo)，彎曲性是鋼板脹出成型，部件角部達(dá)到要求曲率半徑能力的指標(biāo)。
應(yīng)用最多的沖壓成型性良好的高強(qiáng)鋼板是DP型鋼板。傳統(tǒng)的DP鋼通過兩相區(qū)急冷的方法得到鐵素體和馬氏體的兩相組織，但現(xiàn)在也將含有貝氏體、鐵素體和馬氏體鋼稱為DP鋼，有時(shí)也叫作多相鋼，DP鋼中的軟質(zhì)鐵素體使鋼具有良好的延性，硬質(zhì)馬氏體使鋼具有一定的強(qiáng)度。在DP鋼的早期研究階段，已經(jīng)知道鋼中有為轉(zhuǎn)變的奧氏體（殘留），并認(rèn)為殘留可以提高鋼的延性。但使這種殘留發(fā)揮更大作用的是低合金TRIP鋼。鋼中添加Si等元素，利用400℃左右的貝氏體轉(zhuǎn)變，使未轉(zhuǎn)變奧氏體穩(wěn)定化，再利用應(yīng)變誘發(fā)馬氏體轉(zhuǎn)變實(shí)現(xiàn)了大的均勻延伸。這種鋼的延性良好，但一般情況下，擴(kuò)孔性和彎曲性下降。使組織進(jìn)一步均勻化，可以提高擴(kuò)孔性，但延性下降。因此，延性和擴(kuò)孔性是互相矛盾的特性。在鋼板使用中，應(yīng)根據(jù)部件的形狀選用擴(kuò)孔性良好或延性良好的TRIP鋼。
上述DP鋼和TRIP鋼的思路可以用來提高超高強(qiáng)度鋼成型性，例如開發(fā)出3中不同特征的980MPa級冷軋鋼板（如圖4的O型標(biāo)記）。高延性鋼板是鐵素體和馬氏體混合組織鋼，可進(jìn)行脹出成型制造形狀較為復(fù)雜的部件，但擴(kuò)孔性等局部變形能力較差。當(dāng)要求擴(kuò)孔性時(shí)，組織均勻化是最有效的方法。處于高延性和高擴(kuò)孔性之間的是綜合型，通過提高軟組織的硬度、減少軟硬組織的硬度差，在保證延性的同時(shí)，提高了鋼的擴(kuò)孔性和彎曲性。以貝氏體為主相的低合金TRIP鋼是與上述方法不同的提高鋼的擴(kuò)孔性、彎曲性和延性的鋼類（圖4的口型標(biāo)記）。由于主相貝氏體的延性較差，不能保證鋼的高延性，但可用于同時(shí)要求延性、擴(kuò)孔性和彎曲性的部件成型。有研究報(bào)導(dǎo)，已經(jīng)開發(fā)出充分發(fā)揮低合金TRIP鋼特點(diǎn)以鐵素體+貝氏體為主相的980MPa級低合金TRIP型冷軋高強(qiáng)度鋼板，這種鋼板擴(kuò)孔性價(jià)差，但是延長率很好，達(dá)到20%（圖4的口型標(biāo)記）。有研究報(bào)告指出，對于980MPa鋼，增加鋼中碳含量可以進(jìn)一步提高鋼的延性。另一方面，為保證鋼板良好的點(diǎn)焊性，需要將鋼的碳含量控制在0.2%（重量）一下的低含量。在實(shí)際應(yīng)用上，980MPa級TRIP鋼的伸長率達(dá)到20%25%是可能的。冷軋超高強(qiáng)鋼板今后的開發(fā)方向如圖4所示，為此，應(yīng)進(jìn)一步研究延性和擴(kuò)孔性的支配因素，并將這些因素控制到最佳程度。
為保證防銹性能，車廂下的結(jié)構(gòu)件要求采用合金化熱鍍鋅（GA）鋼板。有研究報(bào)導(dǎo)，已經(jīng)開發(fā)出具有與高延性980Mpa級冷軋高強(qiáng)鋼板相同成型性的DP型GA鋼板。此外，對于延性更好的低合金TRIP型超高強(qiáng)度鋼板，為保證鋼中有足夠的延性組織穩(wěn)定殘留量，在鋼中添加了Si，但添加Si使鋼的Zn浸潤性和合金化能力下降，鋼板的GA化變得困難。為解決這個(gè)問題，通過合金元素的調(diào)整，開發(fā)出590Mpa級和780Mpa級低合金GA-TRIP鋼板，應(yīng)用在汽車后梁使部件減重10%。有研究報(bào)告報(bào)導(dǎo)了利用TRIP現(xiàn)象開發(fā)出了高延性GA980高強(qiáng)鋼，該鋼與高擴(kuò)孔性的GA980Mpa級高強(qiáng)度低合金TRIP鋼具有同等延性（圖4的標(biāo)記），由此可以看出，目前正在推進(jìn)防銹性和加工性良好的汽車?yán)滠堜摪宓拈_發(fā)。
彎曲性也是超高強(qiáng)度鋼的重要的成型性指標(biāo)。部件角部半徑R越小，吸收的沖撞能越多。彎曲性是鋼板的彎曲外表面產(chǎn)生裂紋的特性，除了力學(xué)性能，鋼的微觀組織和晶粒取向?qū)︿摪宓膹澢远加杏绊?。有研究?bào)導(dǎo)，GA980級鋼板90°V字形彎曲產(chǎn)生裂紋的極限半徑為1倍板厚，顯示了良好的彎曲性，并指出微曲硬度波動(dòng)小是良好彎曲性的一個(gè)原因。良好彎曲性超高強(qiáng)度鋼板的碳含量一般都控制得比較低，因此點(diǎn)焊性也比較好。
在汽車鋼板高強(qiáng)度化的進(jìn)程中，對提高延性的組織控制技術(shù)進(jìn)行了研究，開發(fā)出通過成分和工藝優(yōu)化將材料組織微細(xì)化到極限程度的高強(qiáng)鋼板制造技術(shù)，利用該技術(shù)開發(fā)出軟質(zhì)相。硬質(zhì)相最佳比例的1180MPa級多相組織高強(qiáng)鋼板。1180MPa級鋼板將利用冷沖壓加工制造汽車車體的汽車中柱等加強(qiáng)部件。由此看來，高強(qiáng)鋼板在汽車結(jié)構(gòu)部件的應(yīng)用開始達(dá)到GPa級。
TWIP鋼（孿生誘導(dǎo)塑性鋼）的開發(fā)思路與上述低合金鋼的開發(fā)略有不同。例如在0.6%-0.8%C（重量）鋼中添加12%-20%的Mn，通過塑性加工中產(chǎn)生孿晶引起的加工硬化，使鋼的強(qiáng)度達(dá)到1000MPa以上，并且伸長率達(dá)到50%以上，成為高延性高強(qiáng)度鋼。TWIP鋼在車體結(jié)構(gòu)的用量較少，但有用于保險(xiǎn)（放心保）杠使保險(xiǎn)杠輕量化的報(bào)導(dǎo)。TWIP鋼的缺點(diǎn)是Mn含量高，使制造成本增加和生產(chǎn)難度增大，最近開發(fā)出Mn含量降低到10%的高強(qiáng)度、高延性第三代汽車鋼板。
2.2 熱處理強(qiáng)化型高強(qiáng)度部件制造技術(shù)
在冷沖壓加工部件的情況下，部件用鋼高強(qiáng)度化會(huì)使成型性下降。但只通過新材料開發(fā)。改善材料性能并不一定能夠解決成型性下降的問題。高強(qiáng)鋼板冷沖壓成型中發(fā)生的問題有沖壓裂紋、部件起皺、形狀凍結(jié)性差。沖壓負(fù)荷增加以及模具壽命降低等。解決形狀凍結(jié)性差和沖壓成型，其工藝如圖5所示。將鋼板加熱到900℃左右，然后在沖壓機(jī)模具內(nèi)進(jìn)行沖壓并冷卻淬火，可以使部件得到由鋼板化學(xué)成分決定的馬氏體的強(qiáng)度。由于在高溫下進(jìn)行沖壓加工，所以沖壓負(fù)荷很小。由于在模具內(nèi)發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，所以沒有冷沖壓中過多的殘余應(yīng)力，部件的形狀凍結(jié)性很好。由于模具內(nèi)部件的各個(gè)部位不一定是均勻冷卻，所以為保證硬度均勻，鋼中添加了B。最初熱沖壓工藝鋼板的成型部件強(qiáng)度為1.5GPa，目前熱沖壓后不需除鱗的鍍層鋼板（鍍AI和Zn）也用于熱沖壓加工，最近強(qiáng)度為1.8GPa的熱沖壓成型部件也在汽車上使用。熱沖壓加工是在熱狀態(tài)下進(jìn)行的加工，鋼板強(qiáng)度低，因此部件的形狀自由度較高。由于在熱沖壓加工中部件與模具接觸的部位強(qiáng)度急劇升高，所以在成型中鋼板不發(fā)生流動(dòng)，因此，需要設(shè)計(jì)不同于冷沖壓的熱沖壓部件形狀。上述熱加工和淬火組合的技術(shù)在鋼管加工得到應(yīng)用，開發(fā)出鋼管三維熱彎淬火量產(chǎn)加工技術(shù)（3DQ），可制造出強(qiáng)度為1.5GPa的封閉斷面部件，已經(jīng)用于車架橫梁，取得了減重50%的輕量化效果。
3 高強(qiáng)度擴(kuò)大應(yīng)用的支撐技術(shù)
實(shí)現(xiàn)汽車部件的高強(qiáng)度化，不僅要提高高強(qiáng)度鋼本身的成型性，而且提高沖壓技術(shù)水平和裝配焊接技術(shù)水平，以及對高強(qiáng)度部件的可靠性評價(jià)技術(shù)都是不可缺少的。
3.1 沖壓技術(shù)
CAE技術(shù)導(dǎo)入沖壓工藝帶來的經(jīng)濟(jì)性好處是，減少了為實(shí)現(xiàn)沖壓工藝最佳化的反復(fù)實(shí)驗(yàn)操作次數(shù)，縮短了新工藝開發(fā)周期，以及模具修改次數(shù)等。在對CAE技術(shù)進(jìn)行研究時(shí)，各種鋼材的模型和FEM技術(shù)應(yīng)用是十分重要的。如沒有CAE技術(shù)，上述高強(qiáng)鋼的應(yīng)用是很困難的。
通過對各種變形模型的成型極限圖（FLD）和FEM得到的應(yīng)變進(jìn)行比較，可以對沖壓成型裂紋是否發(fā)生進(jìn)行判斷。但比例符合FLD不能直接用于沖壓成型路徑發(fā)生變化的情況和復(fù)雜形狀沖壓成型以及沖撞解析分析。為解決這些問題提出了應(yīng)力FLD方法，利用該方法可以對變形路徑變化時(shí)的沖壓裂紋進(jìn)行評價(jià)。
雖然利用經(jīng)驗(yàn)方法可以解決沖壓裂紋和部件起起皺問題，但高強(qiáng)化使形狀凍結(jié)性問題的解決增加了很大難度。形狀凍結(jié)不良有部件角度變化、部件側(cè)壁翹曲、以及三維缺陷（扭曲、棱線翹曲）等情況。解決形狀凍結(jié)不良的沖壓技術(shù)有：
通過控制模具與工件間隙和磨具肩部的R使部件在間隙內(nèi)產(chǎn)生反彎曲的方法；
利用可調(diào)壓邊筋在沖壓成型后期提高壓邊力（BHF）的方法對部件側(cè)壁附加張力；
利用穩(wěn)定壓力在板厚方向附加應(yīng)力；
降低抗拉強(qiáng)度的溫間成型；
冷彎折成型及冷彎折成型下死點(diǎn)前施加張力的二次延成型。
采用這些方法時(shí)，需要通過FEM計(jì)算預(yù)測回彈量。為此，在材料的數(shù)學(xué)模型中導(dǎo)入了Lemaitor-Chaboche模型和吉田―上森模型，這些模型考慮了包申格效應(yīng)和應(yīng)力消除時(shí)的表觀彈性模量降低現(xiàn)象，此外，還導(dǎo)入了描述材料微觀結(jié)構(gòu)變化和內(nèi)部狀態(tài)變化的Teodosiu模型，開發(fā)出高精度形狀預(yù)測和形狀對策技術(shù)。
最近開發(fā)出FEM和CAE結(jié)合的可制作汽車前柱、中柱等L形、T形部件的新成型方法，提高了成材率，降低了成型負(fù)荷，促進(jìn)了高強(qiáng)度鋼的擴(kuò)大應(yīng)用。
3.2 焊接技術(shù)
汽車車體大約由300個(gè)部件經(jīng)3500-5000電阻電焊構(gòu)成，此外，還采用激光焊接、粘接、機(jī)械咬合、摩擦焊接等工藝，從經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)和便于管理的角度，主要采用電阻點(diǎn)焊工藝。因此，電焊部位的質(zhì)量可靠性決定了車體的安全性。
鋼板點(diǎn)焊焊接接頭強(qiáng)度用剪切拉伸強(qiáng)度（TSS）和十字拉伸強(qiáng)度（CTS）來評價(jià)。鋼板高強(qiáng)度化，使這些點(diǎn)焊接頭強(qiáng)度也發(fā)生變化（如圖6）。鋼板強(qiáng)度升高，TSS增加，但鋼板強(qiáng)度升高到800MPa后，CTS有下降的趨勢。其原因是，隨著鋼板強(qiáng)度升高，焊核邊部應(yīng)力集中增加，延性和韌性降低。因此，可以理解在CTS控制部件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的情況下，即使鋼板高強(qiáng)度化，部件強(qiáng)度也沒有提高的現(xiàn)象。需要注意的是，在這些焊接接頭試驗(yàn)中，試樣會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)和撓曲。因此，TSS和CTS控制部件并不代表純剪切強(qiáng)度和純剝離強(qiáng)度。為減小試樣變形的影響，對部件實(shí)物結(jié)構(gòu)復(fù)合負(fù)荷疲勞強(qiáng)度進(jìn)行評價(jià)，提出了DC（double cup）試樣試驗(yàn)方法，并用公稱結(jié)構(gòu)應(yīng)力統(tǒng)一表示各種復(fù)合模式和疲勞試驗(yàn)結(jié)果。但這種試驗(yàn)方法難度大，沒有成為普遍采用的試驗(yàn)方法。對高強(qiáng)鋼板的電焊技術(shù)進(jìn)行了許多研究，其中一項(xiàng)提高CTS的技術(shù)是在焊核形成通電后進(jìn)行反復(fù)的通電―不通電操作。該方法提高CTS的重要原因是焊核邊緣P偏析減輕。
3.3 其他相關(guān)技術(shù)
在高強(qiáng)度鋼板使用中，除了成型性和焊接性問題，還有其他需要解決的問題。在部件結(jié)構(gòu)方面，高強(qiáng)鋼板薄板化導(dǎo)致部件剛性下降。為解決這個(gè)問題，需要對部件形狀、結(jié)構(gòu)以及接頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在今后進(jìn)一步輕量化研究中，應(yīng)考慮與其他材料組合使用的多元材料問題。此外，部件的安全可靠性、耐疲勞性、耐蝕性以及抗氫脆性等問題的重要性也在不斷增加。
關(guān)于螺栓的氫脆性評價(jià)和環(huán)境適應(yīng)性評價(jià)技術(shù)已經(jīng)開發(fā)，其開發(fā)思路可用于超高強(qiáng)度薄板。螺栓與汽車薄板的使用方法有很大差別，特別是在有無沖壓成型（塑性變形）方面差別更大，有研究提出了超高強(qiáng)度薄板氫脆行為的評價(jià)技術(shù)。目前，關(guān)于汽車車體結(jié)構(gòu)氫脆現(xiàn)象的信息積累得還不夠充分。車體各部件的實(shí)際應(yīng)力和氫滲透情況尚不明確。因此，為制定有效的車體氫脆標(biāo)準(zhǔn)，還需要進(jìn)一步積累氫脆評價(jià)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以及對車體各部位的實(shí)際應(yīng)力和氫滲透情況做進(jìn)一步調(diào)查。
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