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高强度钢对汽车轻量化的影响范文

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高强度钢对汽车轻量化的影响

夜上海论坛《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

夜上海论坛研究表明[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

夜上海论坛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

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