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高强度钢性能及其在车身中的应用

2018-09-28 17:21:00
陆启蒙
原创
3560
摘要:在汽车轻量化与提 高碰撞安全性能的基础上 ,首先简单介绍 了汽车常用钢和汽车用高强度钢种类.并简述 了几种常用高强度钢的强化机制和性能,概述了 2 种 高强度钢的成形工艺,指 出了其在成形时存在的问题以及改善其成形性的措施。介绍了高强度钢在汽车车身中的应用情况,展望了高强度钢在未来车身中的应用前景。大量采用高强度钢在加快汽车轻量化进程和提高汽车碰撞安全性能方面有重大作用。

        摘要:在汽车轻量化与提 高碰撞安全性 能的基础上 ,首先简单介绍 了汽车常用钢和汽车用高强度钢种类.并简述 了几种常用高强度钢的强化机制和性能,概述了 2 种 高强度钢的成形工艺,指 出了其在成形时存在的问题以及改善其成形性的措施。介绍了高强度钢在 汽车车身中的应用情况,展望了高强度钢在未来车身中的应用前景。大量采用高强度钢在加快汽车轻量化进程和提高汽车碰撞安全性 能方面有重大作用。

         随着世界能源与环境问题的13渐突出.人们对汽车碰撞安全性能要求的不断提高以及环保意识的逐渐增强,各国对碰撞安全性和环保法规 的管制也更加严格。“一高二低”( 即碰撞安全性能高、污染低和能耗低 )已成为汽车设计过程 中所要达到的主要 目标之一 l]。其 中降低 油耗是应对污染 和能耗问题的重要措施之一。汽车油耗除与发动机本身性能有关外,还和整 车质量密切相关 。 日本专家研究表明:汽车每 减 轻 10% .油 耗 可 减 少 8% ~10 % _2 ]。 由此得 出,在汽车上增加轻量化 材料的使用量 ,可以减轻汽车质量 ,从而达到节能减排的效果 ,但是,汽车轻量化与提高汽车碰撞安全性能两者之间相互矛盾。采用轻量化材料 ,材料 的强度降低 ,汽车碰撞安全性下降。车身设计 中采用高强度钢能够同时实现汽车轻量化和提高碰撞安全性两个目标。随着汽车碰撞安全性能的不断提升以及轻量化进程的推进.高强度钢已逐渐成为了许多新车型车身的主用材。由此可见,研究高强度钢在车身中的应用,对于汽车轻量化和提高碰撞安全性能具有重大意义。

        

1、车身常用钢板种类

目前国内汽车用钢板60%左右来自于宝钢,30%左右来自于首钢、武钢和鞍钢,还有一小部分则从国外采购。

常用车身钢板主要包括以下几种。

1) 冷 轧钢板 (D C 系列 ,SPCC ,SPCD ,SPCE 及Stl2 ,Stl3 ,Stl4 ,Stl5 ,Stl6 )。

2 ) 热轧钢板 (SPH C ,SPH D ,SPH E 及 SAPH 370 ,SA PH 440) 。

3 ) 加磷 高 强度 钢 (B 170P1 ,B210P1 ,B250P1,BP340 ,BP380) 。

4 ) 双相 高强钢板 (B240/390DP ,B280/440D P ,B 340/590D P ,B440/780D P ) 。

5 ) 烘烤硬化钢(B140H 1,B 180H 1,B H 340 )。

2、车身用高强度钢性能

目前汽车的车身材料主要以钢板为主。通常情况下.车身质量约占整车总质量的30% ~40%l4],因此.选择同时具备轻量化与高性能两种特质的高强度钢对降低汽车的生产成本,延长其使用寿命,降低油耗和提高碰撞安全性等有着重要影响。

2.1 常用高强度钢

国家已公布的汽车用高强度钢大致可分 2 类 :传统高强度钢(CH SS)和先进高强度 钢 (A H SS ) ,如
图 1 所示 。


图 l 各种钢板的屈服强度与拉伸率的关系
Fig .1 R elation betw een yield stren gth and elongation of steel

CHSS 通常是采用固溶强化、析出强化和细化晶粒强化等手段进行强化所得到的钢种,主要包括烘烤硬化钢板(BH )、高强度无间隙原子钢( H S—IF )、低合金高强度钢 (H SLA ) 、各向同性钢板 (IS )和碳锰钢(CM n)。AHSS则是指通过相变进行强化所得到的钢种 ,其组织中存在 2 种情况 :一种是包含有马氏体、贝氏体和残余奥氏体三相的组织;另一种是包含有马氏体和残余奥氏体的组织,通常包括双相钢(DP ) 、孪晶诱发塑性钢 (TRIP )、复相钢(cP )和马氏体级钢 (M art) 等[6]。 目前一般所说的高强度钢主要是指先进高强度钢。

2.2 常用高强度钢强化机制与性能

下面简单介绍常用 的 3 种高强度钢 。

1) 双相钢(DP 钢)。D P 钢的微 观组织为铁素体(F)和马氏体(M)。M 弥散分布在 F 基体上 ,形
成具有良好成形性和高强度的DP钢。其微观组织主要是通过亚温淬火等方法得到。DP钢的强度由M 的含量决定,M数量越多,DP钢的强度越高。DP钢的优点是:屈强比低 ,具有室温延迟时效性,加工硬化率和伸长率都较高 。这是由于奥氏体 (A )在转变成 M 时体积膨胀,产生了存在于 F 中的高密度非钉扎的位错所致。另外,双相钢的烘烤硬化性能较高,碰撞时能吸收很高的能量,其安全性比普通碳钢高50%。D P 钢常用于制备形状复杂的高强度结构件。D P 钢是目前所用高强度钢板中最常用的,通常用于车身上的各种防撞梁 、加强板 、连接板等。

2 ) 烘烤硬化钢 (BH 钢)。B H 钢的强化机制是残留于钢中的间隙固溶原子碳和氮产生的高温应变时效 。即溶解在 F 中的碳 、氮原子 聚集在应变产生的位错处 ,并被限制其运动。BH 钢的屈服强度低 、屈强 比低 、延展性较好和抗 凹性好 。主要用 于发动机盖板、门外板 、行李箱外板 、顶盖板 。

3 ) 马氏体钢(M 钢 )。钢的显微组织绝大部分为马 氏体组织 ,M 钢的抗拉强度较高 ,在 1000 M Pa
以上。M 钢通常需进行 回火处理以改变其塑性,使其在如此高的强度下 ,仍具有足够的成形性能。

2.3 高强度钢成形时存在的问题及解决措施

2 .3.1 高强度钢成形工艺

大多数高强度钢的成形采用冷冲压工艺,但是对于那些强度高、塑性差以及形状复杂等难成形的高强度钢,一般采用热冲压成形。冷冲压工艺成形的零件由于材料的塑性有限,在成形过程中零件很容易出现起皱、开裂 、回弹等问后 ,此骨架发挥了高强度钢抗冲击能力高的作用 ,并带动整个侧面车身零部件整体抵抗高速冲击载荷 。

从而大大降低 了碰撞时车身的侵入量 。对提高汽车碰撞安全性有重大作用。同理 ,顶盖横梁采用高强度钢 ,同样能提高汽车顶盖的冲击载荷 ,对提高汽车的安全性能有很大作用 。

纵梁类零件。纵 梁类零件与A ,B柱类 似,作为车身的侧面,同样需要起到保护作用,只是其保护的主体有所改变,主要保护机舱内部零部件 ,例如发动机,因此,其板料同样需要具有高强度和良好缓和碰撞中产生冲击的能力 。某车型车身中左前纵梁总成 中采用高强度钢 的零件示意如图 9 所示。

3、前景展望

前期大量研究结果表明,在汽车上应用高强度钢,能够很好的满足汽车轻量化的要求,满足轻量化的同时并未增加生产成本,这是高强度钢的应用能够不断推广的重要原因。

我国高强度钢的研究方 向主要从下面几个方面进行。

(1)提高高强度钢材料强度级别 。据宝钢相关资料介绍,其拥有国内唯一一条超高强度钢板专用生产线,可以生产最高强度达冷轧1500MPa,热镀锌1000MPa的材料。目前为止,980MPa及以下强度零件的冲压成形工艺已相对成熟 ;1200 M Pa B 柱零件的成形工艺 目前正在研究 中  。

(2)提高高强度钢的成形。目前,以宝钢、首钢、武钢、鞍钢为代表国内多家钢铁公司都在进行针对高强度钢的先进形成方法的研究。目前为止,比较有研究潜力的先进形方法是液压成型与内高压成型。

(3 ) 提高高强度钢在 车身中所占比例。通常情况下,高强度钢主要应用于骨架类零件,例如车身边梁、横梁、保险杆 、加强板 、边梁加强板等。随着高强度钢成形工 艺的不断提升,其在车身其他部位的应用也将不断扩大 ,例如 ,在前后地板上及机舱中的应用 。

由此 .在今后的研究 中对上述几方面进行深入探讨对于提高我国高强度钢的质量和扩大其应用范围具有重大意义。

4、结语

随着高强度钢成形技术的不断提升,其在汽车车身中的应用会更加广泛,发展前景非常乐观。目前为止 ,高强度钢大多应用于车身骨架类零件上 ,在不久的将来 。还会应用到整个 车身。大量采用高强度钢是实现许多车企所追求的造安全 、环保 、节能的好车这一 目标的重要措施之一。

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