汽車車身高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用發(fā)展及挑戰(zhàn)

李軍 劉鑫 曹廣祥 張林陽

（1.中國第一汽車股份有限公司材料與輕量化研究院，長春130011；2.中國第一汽車股份有限公司蔚山工廠，長春130000）

1 汽車車身用材的競爭

長期以來，汽車車身材料以鋼為主。近年來隨著汽車輕量化的推進(jìn)，鋁鎂合金、塑料等輕質(zhì)材料由于降重效果顯著，在汽車上的用量不斷增加，與汽車用鋼形成了激烈的競爭[1]。奧迪A8輕量化全鋁車身的出現(xiàn)，讓鋁合金一度被視為車身用材的主流方向，但隨著新一代奧迪A8車身由全鋁改為鋼鋁混合，車身鋁合金占比由93.1%降低到58%，鋼在車身上的應(yīng)用出現(xiàn)反彈?，F(xiàn)階段，輕量化材料應(yīng)用已成為實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的有效途徑。材料技術(shù)的發(fā)展為汽車的輕量化開發(fā)和生產(chǎn)創(chuàng)造了有利條件，每年一次的歐洲車身會議（EuroCarBody）展示的車身先進(jìn)材料及先進(jìn)工藝技術(shù)已成為行業(yè)發(fā)展的風(fēng)向標(biāo)[2]，通過分析歷年車型用材情況總結(jié)車身的選材趨勢。參照文獻(xiàn)[3]的大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法，利用公式（1）得出2010～2019年歐洲車身會議車身用材變化趨勢圖，如圖1所示。由圖1可得出如下結(jié)論。

圖1 2010-2019年歐洲車身會議車身用材變化趨勢

a.歐洲車身會議上的車身用材主要為鋼和鋁，其他材料如鎂、塑料等在車身中的占比極低；

b.鋼和鋁呈現(xiàn)出明顯的此消彼長的交替變化關(guān)系[4]。

雖然鋼的輕量化效果不如鋁、鎂、塑料等輕質(zhì)材料，但依然是車身用材的主要選擇，鋼的優(yōu)勢如下[3]。

a.機(jī)械性能范圍廣。鋼的抗拉強(qiáng)度覆蓋270～2 000 MPa，能夠?yàn)檐嚿砀鞑课徊煌阅艿脑O(shè)計(jì)要求提供合理的選材方案。

b.成本低。汽車用鋼的成本要遠(yuǎn)低于鋁鎂合金和碳纖維，而且鋼的加工成本更低(原材料成本幾乎占到整個(gè)零件成本的70%以上)，因此，應(yīng)用高強(qiáng)度鋼無疑是成本最優(yōu)的輕量化材料解決方案。圖2所示為不同輕量化材料方案降重比例與成本增加的關(guān)系[2]。

圖2 不同材料降重比例與成本增加的關(guān)系

c.維修容易。鋼相比于鋁合金具有更優(yōu)良的塑韌性，在發(fā)生碰撞后，大多數(shù)情況下可通過鈑金工藝來修復(fù)，成本較低。

d.生命周期排放低。文獻(xiàn)[5]研究結(jié)果表明，鋁鎂合金、碳纖維等輕質(zhì)材料在全生命周期的CO2等效排放遠(yuǎn)高于鋼，僅在材料生產(chǎn)環(huán)節(jié)的排放就為鋼的5～20倍。提高高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用比例有助于減少CO2排放[6]。

車身用材的變化，說明了輕量化材料的應(yīng)用不再以單獨(dú)追求減重為目標(biāo)，反映了車身輕量化設(shè)計(jì)在性能、質(zhì)量、成本之間平衡的考慮[4]。車身輕量化用材呈現(xiàn)出多材料混合使用的趨勢，高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用依然是車身用材的主要選擇。

2 汽車車身高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展

2.1 高強(qiáng)度鋼的分類

高強(qiáng)度鋼的分類方法有多種，可按強(qiáng)度、冶金原理、強(qiáng)塑積等進(jìn)行分類。

歐洲車身會議將高強(qiáng)度鋼具體分為高強(qiáng)度鋼、先進(jìn)高強(qiáng)度鋼、超高強(qiáng)度鋼和熱成形鋼，對應(yīng)鋼種如表1所示。

表1 歐洲車身會議高強(qiáng)度鋼分類

隨著高強(qiáng)度鋼材料的發(fā)展，強(qiáng)塑積成為了一個(gè)表征高強(qiáng)度鋼強(qiáng)塑性綜合性能的分類指標(biāo)，按強(qiáng)塑積將高強(qiáng)度鋼分為第1代、第2代和第3代高強(qiáng)度鋼，如圖3所示。

圖3 高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)塑積[7]

a.第1代高強(qiáng)度鋼的合金元素一般在3%以內(nèi)，材料抗拉強(qiáng)度覆蓋了300～2 000 MPa，強(qiáng)塑積一般在5～20 GPa%。

b.第2代高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)塑積遠(yuǎn)高于第1代高強(qiáng)度鋼，可達(dá)50 GPa%以上，表明第2代高強(qiáng)度鋼具有高強(qiáng)度和優(yōu)良塑性等綜合性能。代表鋼種為TWIP鋼，典型成分為Fe-25%Mn-3%Al-3%Si-0.03%C。相比第1代高強(qiáng)度鋼，第2代高強(qiáng)度鋼合金元素的含量高，導(dǎo)致成本高且冶煉、軋制等工藝控制難度大，不利于工業(yè)化大生產(chǎn)[7]，所以未廣泛應(yīng)用。

c.第3代高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)塑性能位于1代和2代之間，強(qiáng)塑積在20～40 GPa%。第3代高強(qiáng)度鋼開發(fā)的目標(biāo)為高性價(jià)比、相對低的成本和優(yōu)良的強(qiáng)塑積[8]。典型代表有強(qiáng)塑積可達(dá)30GPa%的QP鋼、超細(xì)晶貝氏體鋼以及中國鋼鐵研究總院開發(fā)的中錳鋼。

2.2 高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用現(xiàn)狀

提高車身高強(qiáng)度鋼的用量能夠很好地應(yīng)對汽車輕量化和高安全性的需求，先進(jìn)高強(qiáng)度鋼和熱成形鋼（按歐洲車身會議的鋼種分類方法）的發(fā)展和應(yīng)用鞏固了鋼在車身選材中的地位。國內(nèi)外開展了多個(gè)汽車車身輕量化的研究項(xiàng)目，如國際鋼鐵協(xié)會的超輕鋼車身項(xiàng)目（ULSAB）、超輕鋼車身—先進(jìn)的汽車概念計(jì)劃（ULSAB-AVC）、未來鋼制汽車（FSV）項(xiàng)目、蒂森克虜伯公司的新型輕量化汽車項(xiàng)目（InCarplus）、寶鋼的超輕車身項(xiàng)目（BCB）等，高強(qiáng)度鋼材料、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和先進(jìn)制造技術(shù)等的綜合應(yīng)用滿足了汽車輕量化及安全性的需求。

2.2.1 冷成形先進(jìn)高強(qiáng)度鋼

現(xiàn)階段，主要應(yīng)用的先進(jìn)高強(qiáng)度鋼有DP鋼、TRIP鋼、MS鋼、QP鋼、DH鋼，用量最大的是DP鋼，廣泛應(yīng)用于車身碰撞吸能件及及門檻、防撞梁等安全件。一般來說，材料強(qiáng)度的提高將導(dǎo)致成形性能降低，應(yīng)用難度提升，對于復(fù)雜形狀的零件，材料強(qiáng)度越高，常規(guī)的冷成形工藝解決回彈、起皺、開裂等難度越大，限制了冷成形高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用，目前1 180 MPa級冷成形鋼已有較多應(yīng)用。第3代高強(qiáng)度鋼中的QP鋼具有高強(qiáng)度、高成形性能的特性，一定程度上提升了冷成形高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用潛力，目前已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用的最高強(qiáng)度為1 180 MPa級。近幾年，在傳統(tǒng)DP鋼基礎(chǔ)上開發(fā)的DH鋼逐漸得到應(yīng)用，相較于傳統(tǒng)DP鋼的鐵素體和馬氏體組織，DH鋼含有5%左右的殘余奧氏體，具有更優(yōu)異的成形性能。車身主要應(yīng)用的先進(jìn)高強(qiáng)度鋼種類及強(qiáng)度級別見表2。

表2 車身主要應(yīng)用的先進(jìn)高強(qiáng)度鋼種類、強(qiáng)度級別和成形方式

2.2.2 熱成形鋼

熱成形技術(shù)的應(yīng)用為鋼的強(qiáng)度與成形性能之間的相互限制與制約提供了很好的解決方案。主流應(yīng)用的直接熱成形是將加熱至奧氏體化的材料在模具中進(jìn)行成形并淬火形成馬氏體組織，強(qiáng)度可達(dá)2 000 MPa，圖4所示為熱成形鋼交貨態(tài)和淬火態(tài)的力學(xué)性能對比。熱成形具有成形過程中回彈小、尺寸精度高、可成形復(fù)雜形狀，成形后零件強(qiáng)度高等特點(diǎn)，目前已成熟應(yīng)用。

圖4 熱成形前后力學(xué)性能對比

熱成形鋼在車身上應(yīng)用廣泛，如A/B柱、車門防撞梁等碰撞安全件，并且熱成形鋼在車身的占比逐漸提高，圖5所示為2017～2019年歐洲車身會議部分車型的車身熱成形零件質(zhì)量占比。由圖5可以看出，歐美車型的車身熱成形鋼用量較大，質(zhì)量占比普遍達(dá)到20%以上，而日系車型熱成形鋼用量普遍較少。

圖5 2017-2019年歐洲車身會議部分參會車型的熱成形零件在車身的質(zhì)量占比

熱成形在國內(nèi)外汽車輕量化市場的前景廣闊，據(jù)Schuler的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截止2018年，全球市場的熱成形零件需求量約5.74億件，圖6為世界范圍內(nèi)汽車行業(yè)對于熱成形零件的需求。近年來國內(nèi)的熱成形迅猛發(fā)展，產(chǎn)線數(shù)量突破180條，隨著熱成形技術(shù)的成熟和用量的逐漸增大，熱成形零件的價(jià)格有望進(jìn)一步下探，未來熱成形零件在車身的占比會進(jìn)一步提高。

圖6 世界范圍內(nèi)汽車熱成形零件的用量（資料來源：Schuler）

2.2.3 國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

國內(nèi)各大鋼鐵企業(yè)如寶鋼、首鋼、鞍鋼等都非常重視汽車用高強(qiáng)度鋼的開發(fā)，目前實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定供貨的冷成形先進(jìn)高強(qiáng)度鋼最高強(qiáng)度牌號有DP1180、QP1180、MS1500；熱成形鋼方面，1 500 MPa級已成熟應(yīng)用，1 800 MPa、2 000 MPa也已開發(fā)完成并少量應(yīng)用。

隨著材料技術(shù)的發(fā)展和制造水平的提高，先進(jìn)高強(qiáng)度鋼、熱成形鋼以及輕質(zhì)材料普遍應(yīng)用于汽車車身設(shè)計(jì)，車身輕量化水平不斷提高。國內(nèi)部分車企的車身用材水平已與世界先進(jìn)車企同步，如全鋁車身的蔚來ES8、鋼-鋁-塑料混合材料車身的奇瑞螞蟻eQ5，輕質(zhì)材料的大量應(yīng)用大幅降低了車身質(zhì)量；表3中是中國輕量化車身會議展示的3款鋼質(zhì)車身代表車型，車身高強(qiáng)度鋼應(yīng)用比例最高已超過70%，車身輕量化水平提升。

表3 3款鋼質(zhì)車身高強(qiáng)度鋼占比（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

2.3 高強(qiáng)度鋼的新發(fā)展

隨著汽車輕量化和安全性需求的提高，促使高強(qiáng)度鋼向著高強(qiáng)度、高塑性/韌性發(fā)展，同時(shí)隨著汽車行業(yè)的競爭加劇，要求高強(qiáng)度鋼需有更具競爭力的性價(jià)比。

2.3.1 高強(qiáng)度

對零件進(jìn)行等結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)，兩種不同強(qiáng)度的材料厚度之間的關(guān)系可根據(jù)公式（2）進(jìn)行估算[9]，通過提高材料強(qiáng)度，減薄材料厚度可實(shí)現(xiàn)零件降重。因此，高強(qiáng)度鋼輕量化應(yīng)用的必然發(fā)展方向之一為材料的高強(qiáng)度。

式中，t1和t2為兩種材料的厚度；σ1和σ2為兩種材料的屈服強(qiáng)度；N為由變形形式?jīng)Q定的數(shù)值。

冷成形先進(jìn)高強(qiáng)度鋼方面，SSAB開發(fā)的馬氏體鋼Docol 1400M具有優(yōu)異的成形性能，能夠沖壓成形車門防撞梁，Docol 1700M用于輥壓成形的車頂縱梁；日本車企對于冷沖壓成形材料的應(yīng)用技術(shù)非常先進(jìn)，目前正在開發(fā)1 500 MPa級冷沖壓高強(qiáng)度鋼，國內(nèi)的寶鋼也在進(jìn)行1 500 MPa級高延伸率QP鋼的開發(fā)。

熱成形鋼方面，1 800 MPa和2 000 MPa熱成形鋼已在少數(shù)車型上開始應(yīng)用，如應(yīng)用1 800 MPa級熱成形鋼代替1 500 MPa級制造車門防撞梁，零件厚度可由1.6 mm降至1.4 mm，實(shí)現(xiàn)降重12.5%。

2.3.2 高強(qiáng)塑積

為了改善冷成形高強(qiáng)度鋼隨強(qiáng)度提高塑性下降而導(dǎo)致應(yīng)用困難的難題，利用亞穩(wěn)奧氏體在成形過程中的TRIP效應(yīng)來進(jìn)行增強(qiáng)增塑成為先進(jìn)高強(qiáng)度鋼的重要發(fā)展方向之一，如TRIP鋼、QP鋼中都含有一定量的奧氏體組織。近年來，首鋼在傳統(tǒng)DP鋼基礎(chǔ)上開發(fā)出了含有約5%殘余奧氏體的DH鋼，相對于傳統(tǒng)DP鋼，成形性能明顯提升，現(xiàn)已穩(wěn)定供貨的強(qiáng)度級別有590 MPa、780 MPa、980 MPa，DH鋼的開發(fā)為車身用材提供了一個(gè)新的選擇。

2.3.3 低成本

隨著汽車行業(yè)競爭的加劇，材料的高性價(jià)比成為汽車企業(yè)重點(diǎn)關(guān)注的指標(biāo)，這就促使汽車用鋼向著低成本方向發(fā)展。對于高強(qiáng)度鋼的發(fā)展，微合金化已成為開發(fā)的方向，通過降低合金含量來降低原材料的成本；同時(shí)先進(jìn)的生產(chǎn)工藝如薄板坯連鑄連軋技術(shù)（CSP）和無頭軋制技術(shù)（ESP）的應(yīng)用[6]，有助于降低生產(chǎn)環(huán)節(jié)的成本。

2.3.4 新成形工藝技術(shù)

為適應(yīng)新的高強(qiáng)度鋼材料的應(yīng)用，不斷開發(fā)先進(jìn)的成形工藝，如可用變截面梁類零件的輥沖技術(shù)、熱輥彎技術(shù)，結(jié)合強(qiáng)度分區(qū)設(shè)計(jì)和輕量化的熱成形一體門環(huán)技術(shù)，TRB技術(shù)等。

3 汽車車身高強(qiáng)度鋼應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)

3.1 冷沖壓成形難題

a.回彈控制一直是高強(qiáng)度鋼應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一，回彈量的大小與材料的屈服強(qiáng)度成正比關(guān)系，與材料的彈性模量成反比關(guān)系，鋼的彈性模量接近，所以屈服強(qiáng)度越高的鋼，回彈量越大，如圖7所示。為得到零件良好的尺寸精度，需要加強(qiáng)對沖壓回彈的精準(zhǔn)預(yù)測和補(bǔ)償，這就對沖壓仿真分析和模具設(shè)計(jì)能力提出了高要求，尤其是含殘余奧氏體組織的先進(jìn)高強(qiáng)度鋼在沖壓過程中發(fā)生的相變行為，給沖壓回彈問題的解決增加了難度。

圖7 不同強(qiáng)度的DP鋼回彈狀態(tài)

b.隨著高強(qiáng)度鋼強(qiáng)度的提高，沖壓成形需要的載荷提高，對沖壓設(shè)備的要求提高；材料硬度高導(dǎo)致了模具表面的磨損加大，壽命降低。因此，高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用對沖壓設(shè)備、模具材料的要求都較高。

3.2 焊接技術(shù)難題

與普通軟鋼相比，高強(qiáng)度鋼材料通常具有更高的強(qiáng)度、碳當(dāng)量以及電阻率，加之因防腐設(shè)計(jì)需要，車身零件多數(shù)會使用表面帶有防腐涂鍍層的鋼板，因而這將導(dǎo)致其材料本身焊接性的惡化，相應(yīng)的其車身制件焊接質(zhì)量的保證也越來越困難。當(dāng)前，電阻點(diǎn)焊仍是車身用高強(qiáng)度鋼板的主流連接工藝。在現(xiàn)生產(chǎn)中，高強(qiáng)度鋼板電阻點(diǎn)焊連接過程中面臨的技術(shù)難題主要包括以下四大類：縮孔及凝固裂紋、組織淬化及軟化、焊接飛濺以及表面液態(tài)金屬脆性裂紋。目前，對于上述質(zhì)量問題，一般均是借助先進(jìn)的點(diǎn)焊連接設(shè)備并匹配以精細(xì)化的連接工藝設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)的。

目前，國內(nèi)對車身用高強(qiáng)度鋼板電阻點(diǎn)焊連接技術(shù)的開發(fā)與創(chuàng)新要明顯滯后高強(qiáng)度鋼板材料的發(fā)展，這也是限制高強(qiáng)度鋼板應(yīng)用的因素之一。對于高強(qiáng)度鋼板而言，其拉剪失效模式主要包括鈕扣撕裂、搭接面半剪開以及搭接面全剪開三種。按照現(xiàn)有的焊接質(zhì)量評判標(biāo)準(zhǔn)，只有在發(fā)生鈕扣失效時(shí)才能被視為合格的前提條件之一，如圖8中的1#試樣所示。而事實(shí)表明，在焊點(diǎn)直徑滿足產(chǎn)品要求的前提下，對于更高等級的高強(qiáng)度鋼板而言，后兩種失效模式通常也是滿足產(chǎn)品要求的。因而，對于高強(qiáng)度鋼板電阻點(diǎn)焊而言，如何綜合評判車身焊點(diǎn)的失效模式、拉剪強(qiáng)度、直徑以及板材厚度組合與連接質(zhì)量合格性之間的關(guān)系，并建立起一個(gè)有效的、全面的高強(qiáng)度鋼板點(diǎn)焊質(zhì)量評價(jià)體系，將是未來一段時(shí)間內(nèi)高強(qiáng)度鋼板應(yīng)用亟待解決的一個(gè)關(guān)鍵共性技術(shù)難題。

圖8 2.0 mm DP780&DP780鋼板點(diǎn)焊試樣拉剪后的失效形式

3.3 延遲開裂

材料在內(nèi)應(yīng)力作用下，一段時(shí)間后突然發(fā)生脆性開裂的現(xiàn)象稱為延遲開裂[10]。隨高強(qiáng)度鋼的發(fā)展，延遲開裂現(xiàn)象逐漸受到關(guān)注并成為研究的熱點(diǎn)方向之一。對于高強(qiáng)度鋼的延遲開裂，行業(yè)里已形成以下共識：延遲開裂與材料中的氫有關(guān)，因此又稱為“氫脆”；延遲開裂敏感性與材料的組織有關(guān)系，馬氏體組織的延遲開裂敏感性高；延遲開裂敏感性與材料強(qiáng)度正相關(guān)，這與目前使用的先進(jìn)高強(qiáng)度鋼和熱成形鋼含有的馬氏體組織有關(guān)。

對于延遲開裂的研究，汽車企業(yè)和鋼鐵企業(yè)一直在進(jìn)行，常用的評價(jià)試驗(yàn)方法有：U形彎曲試驗(yàn)、彎梁試驗(yàn)、拉深沖杯試驗(yàn)、充氫慢拉伸試驗(yàn)等。對于高強(qiáng)度鋼如何科學(xué)的進(jìn)行延遲開裂評價(jià)國內(nèi)外尚無統(tǒng)一的試驗(yàn)方法，試驗(yàn)評價(jià)如何合理的表征材料的實(shí)際服役狀況需要行業(yè)持續(xù)深入的研究。延遲開裂的評價(jià)已成為新的先進(jìn)高強(qiáng)度鋼和更高強(qiáng)度的熱成形鋼開發(fā)及應(yīng)用的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一。

3.4 斷裂韌性

材料的斷裂應(yīng)變是CAE碰撞分析中判斷零件是否發(fā)生斷裂失效的重要指標(biāo)，較高的斷裂應(yīng)變有助于提升零件的碰撞性能。用于碰撞抗侵入的車身熱成形零件如A/B柱等，在碰撞發(fā)生時(shí)主要的變形形式為彎曲變形，文獻(xiàn)[11]表明，熱成形鋼零件的彎曲斷裂應(yīng)變可以用通過VDA238-100三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)方法中的最大彎曲角來評價(jià)，較高的最大彎曲角代表著材料具有較高的彎曲斷裂應(yīng)變，因此，如何提高熱成形鋼的最大彎曲角成為研究的熱點(diǎn)方向。圖9為1 500 MPa和1 800 MPa熱成形鋼的彎曲角試驗(yàn)結(jié)果，可以看出，材料強(qiáng)度的提高導(dǎo)致了彎曲角的明顯降低，1 800 MPa及更高強(qiáng)度熱成形鋼的斷裂韌性的評價(jià)成為熱成形鋼評價(jià)的重要關(guān)注點(diǎn)之一。

圖9 1 500 MPa和1 800 MPa熱成形鋼的彎曲角對比

4 結(jié)論

a.高強(qiáng)度鋼具有高強(qiáng)度、低成本、易維修、環(huán)保等優(yōu)勢，現(xiàn)階段是汽車車身輕量化用材的主要選擇。

b.高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用比例逐漸提高，先進(jìn)高強(qiáng)度鋼和熱成形鋼的應(yīng)用有望進(jìn)一步擴(kuò)大，其中熱成形鋼應(yīng)用優(yōu)勢更明顯。

c.高強(qiáng)度鋼向著高強(qiáng)塑積、微合金低成本化等方向發(fā)展。

d.高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用需要解決冷沖壓成形過程中的回彈控制、模具磨損、焊接等難題，還需要持續(xù)研究延遲開裂、斷裂韌性等性能評價(jià)方法。