簡説高強度鋼在汽車輕量化中的應用的論文

　　1 汽車輕量化的途徑及材料應用趨勢

1.1 汽車輕量化途徑

目前，全球中型乘用車平均質量約為1 200~1 400kg，發達國家力爭在2015年將中型乘用車整車質量減輕到1 000 kg以下。實現汽車輕量化主要有以下幾種途徑：一是採用輕質材料，如使用低密度的鋁及鋁合金、鎂及鎂合金、工程塑料或碳纖維複合材料等;二是使用高強度鋼替代普通鋼材，降低鋼板厚度規格;三是採用先進的製造工藝，如激光拼焊、液壓成形、鋁合金低壓鑄造及半固態成型技術;四是優化結構設計，即對汽車車身、底盤、發動機等零部件進行結構優化，採用前輪驅動、高剛性結構和超輕懸架結構等。

1.2 汽車材料的應用趨勢

近年來，輕質材料的應用逐漸增多，汽車內飾件業已塑料化;鋁、鎂合金主要以鑄件或鍛件的形式應用於汽車發動機、變速器等零部件上，以及豪華車和特種車輛的車身製造中。由於成本高、成型工藝複雜及焊接性差等原因，鋁、鎂合金在車身製造中尚未大規模應用。

高強度鋼在抗碰撞性能、加工工藝和成本方面較鋁、鎂合金具有明顯的優勢，能夠滿足減輕汽車質量和提高碰撞安全性能的雙重需要，從成本與性能角度來看，是滿足車身輕量化、提高碰撞安全性的最佳材料。除了疲勞強度外，高強度鋼在應用中的各個性能指標均正比於板厚和相應的材料性能的n 次方的乘積。如壓潰強度Ps∝tσb2n、撞擊吸能AE =t 2σb2n 等。

因此，高強度鋼板能夠大幅度增加零件的抗變形能力，提高能量吸收能力和擴大彈性應變區。高強度鋼應用於汽車零件上，可以通過減薄零件厚度來減輕車身質量;當鋼板厚度分別減少0.05、0.10、0.15 mm時車身可減重6%、12%、18%。車身用鋼向高強度化發展已經成為趨勢。

　　2 高強度鋼的強化機理與分類

2.1 高強度鋼的強化機理

高強度鋼的強化機制主要有固溶強化、析出強化、組織強化、烘烤硬化、細晶強化.

2.2 高強度鋼的主要種類

根據強度分類，屈服強度在210~550 MPa和抗拉強度在270~700 MPa的鋼為高強鋼(HSS)，而屈服強度大於550 MPa和抗拉強度大於700 MPa的鋼為超高強鋼(UHSS)。如果根據冶金學特徵進行分類，分為普通高強度鋼(C-Mn鋼、高強度IF鋼、BH鋼、IS鋼、HSLA鋼)和先進高強度鋼(DP、CP、TRIP、M、HF)。

(1)高強度鋼(IF)

高強度IF鋼屬於固溶強化鋼，在超低碳、鋁鎮靜鋼中添加P、Mn和Si等固溶強化元素來提高強度，抗拉強度可達450 MPa。高強度IF鋼具有良好的機械性能和抗二次加工脆性、化學處理性和合金化鍍鋅適應性。廣泛應用在車身結構件、開啟件上。

(2)烘烤硬化鋼(BH)

BH鋼金相組織以鐵素體為基體，主要以固溶強化來提高強度。其特點是添加的磷元素在鋼的冶煉過程中可以與碳、氮形成固溶強化。在鋼板衝壓過程中，基體(鐵素體)內“位錯”密度增加，碳、氮原子向“位錯”擴散的距離縮短，當BH鋼車身進入塗裝在烘烤爐中受熱時，便賦予了固溶體中碳、氮原子擴散的能量，使碳、氮原子在“位錯”處析出，從而提高了工件的屈服強度，故稱此類鋼為烘烤硬化鋼。

(3)低合金高強度鋼(HSLA)

在冶煉過程中添加一些微量元素，使鋼能析出一些細小的碳化物並使晶粒細化而提高鋼材的強度。

(4)雙相鋼(DP)

雙相鋼是以相變為基礎的新型高強度鋼，在微觀組織上，雙相鋼是以較軟的鐵素體加硬相馬氏體所構成。在力學性能上，同時具有高的強度和加工硬化指數、低屈強比的特點。雙相鋼由低碳鋼或低碳微合金鋼經兩相區熱處理或控軋控冷而得到，馬氏體以島狀分佈於鐵素體基體中,含量在5%-20%之間，鋼的強度隨馬氏體含量的增加不斷提高，強度範圍為500-1 200 MPa。DP鋼具有較高的伸長率以及較高的加工硬化率，抗疲勞性能好。目前，DP鋼的主要類型有DP450/DP600/DP780/DP980，主要用於汽車的結構件和安全件，如前內縱梁、後內縱梁、中支柱裏板、座椅橫樑等零件。法國阿塞洛、瑞典SSAB、日本新日鐵、神户制鋼等鋼廠可以生產多種規格的雙相鋼。國內寶鋼、武鋼、鞍鋼可以提供一些等級的DP雙相鋼。

　　3 高強度鋼在國內外的應用情況

為了達到汽車輕量化、安全化的.目的，應對鋁鎂行業的競爭，20世紀90年代，國際鋼鐵協會的35家主要鋼鐵公司開展了超輕鋼製車身(Ultra Light SteelAuto Body)ULSAB項目。其內容是通過大量採用高強度鋼板，並應用液壓成形、激光拼焊板等技術使汽車減重25%。2004年項目取得成功，整車減輕質量25%，車身靜態扭轉剛度提高了80%，靜態彎曲剛度提高了52%，汽車安全等級達到了歐洲NCAP五星級碰撞標準。ULSAB車體上高強度鋼板使用率為90%，其中DP雙相鋼超過70%，另外還採用了4%左右的抗拉強度為1 200 MPa的超高強度馬氏體鋼。最近幾年，歐美汽車公司在開發新款汽車時都部分或全部採用了ULSAB項目技術，高強度鋼大量使用在汽車車身、底盤、懸架和轉向的零部件上。

國內汽車合資企業的技術直接來源於國外母公司，高強度鋼應用水平與國外汽車企業保持了相近的水平。自主品牌汽車企業在高強度鋼的應用方面整體落後於國外汽車公司,正在快速追趕。最近兩年,國內自主品牌汽車開發的有些新車型，高強度鋼質量佔白車身質量的比例已經達到45%以上。近年來，國內鋼鐵企業積極開展了汽車用高強度綱的開發工作，目前寶鋼、武鋼、鞍鋼等可以生產一些等級的高強度IF鋼、DP雙相鋼、TRIP相變誘導塑性鋼、BH烘烤硬化鋼。國內鋼鐵企業已能提供多種規格的高強度鋼板，不過從品種與質量來看，與國外的先進水平相比還有較大的差距。

　　4 高強度鋼的發展趨勢

高強度鋼在汽車減重、降耗、安全性方面有着顯著優勢，但在應用時還存在一些問題，即隨着強度的增加，衝壓性能變差、回彈量大、尺寸難以控制、容易起皺開裂，這給衝壓成形工藝帶來新課題。另外，高強度鋼的可焊性比普通低碳鋼要差，焊接工藝參數存在較大差異。為了開發性能更好的高強度鋼，阿塞洛等鋼鐵公司正在研究開發孿晶誘導塑性鋼(TWIP)、具有誘導塑性的輕量化鋼(LIP)。這些鋼種具有非常優異的力學性能、高的應變硬化率及極高的塑性，被稱為第二代高強度汽車用鋼。目前，美國鋼鐵企業正在積極發展第三代高強度汽車用鋼，具有第一、第二代高強度鋼的微觀組織特點，充分利用晶粒細化、固溶強化、析出強化及位錯強化等手段來提高強度，通過應變誘導塑性、剪切帶誘導塑性及孿晶誘導塑性來提高材料的塑性和成形性能。

　　5 結束語

高強度鋼是汽車輕量化的關鍵材料之一，近年來隨着先進成形工藝與計算仿真技術的發展，高強度IF鋼、DP雙相鋼、TRIP鋼、熱成形鋼等在汽車部件中的用量越來越多。目前，國內鋼鐵企業的生產製造水平與國外的先進水平還有不小的差距，不少品種的高強度鋼尚需要進口，國內鋼鐵企業應加大研發力度，早日趕上國外先進水平，為國內汽車行業的輕量化做更多的貢獻。