乘用車車身常用汽車用鋼金相和成分研究

楊鴻智，蘇彥芳，尹小文，朱迎五，蒯振

北京汽車研究總院有限公司 北京 101300

自卡爾·本茨1886年發(fā)明汽車的100多年來，車身無論是外觀還是結構再到用材都經歷了很大的變化。車身在外觀上已經趨于同質化，但是用材上仍然存在多種形式。從材料上劃分，分鋼制車身、鋼鋁混合車身、全鋁車身及多種材料復合車身。

車身的分類

鋼制車身是相對于鋁車身和復合式車身來區(qū)分的。鋼制車身用材主要為鋼板，分為低碳鋼（DC系列）、低合金高強鋼、先進高強鋼、超高強鋼以及熱成形鋼。鋼板通過沖壓、熱成形、輥壓等成形方式制成零部件，再通過點焊、弧焊、螺栓聯(lián)接等連接而制成車身。鋼制車身相對來說，車身設計難度較低，制造精度更高，車身較重，碰撞性能及可靠性更好，同時其成本相對鋁合金車身、鋼鋁混合車身和多材料復合式車身來說更低。

鋼鋁混合車身由鋼制部件加部分鋁合金部件組成。鋁合金主要用在四門和發(fā)動機艙蓋、行李艙蓋或者尾門部位，以及前縱梁和前、后減振器安裝部位等。鋼和鋁合金之間通過點焊或自沖鉚、流鉆焊等方式進行連接，中間輔以金屬結構膠以增加連接強度。鋼鋁混合車身的典型特點為設計難度、成本、性能及質量的平衡性。相對鋼制車身說，鋼鋁混合車身質量更輕，性能特別是扭轉剛度更高，同時其成本增加幅度不是特別大。但是其連接難度相對較大，特別是鋼鋁之間的連接和電化學腐蝕防護等。

全鋁車身，顧名思義是指整個車身全部是鋁合金經過沖壓、擠壓、鑄造成型后的零部件連接而成的車身，但是在實際應用中基本上很難100%采用鋁合金。因為隨著安全法規(guī)越來越嚴，對車身的碰撞性能要求越來越高，以及在部分重要部位為了滿足可靠性及耐久性要求，全鋁車身會在A柱、B柱等區(qū)域采用熱成形部件或者強度等級較高的高強鋼。全鋁車身采用的連接方式有自沖鉚、流鉆焊、冷金屬過渡焊、無鉚連接、螺栓聯(lián)接及激光焊接等輔以金屬結構膠。經典的全鋁車身有奧迪公司的鋁合金空間框架（ASF）結構、捷豹汽車公司的沖壓式鋁合金車身及特斯拉、蔚來汽車的沖壓加擠壓復合式鋁合金車身。

多種材料復合車身是指車身由鋼、鋁合金、鎂合金、碳纖維及工程塑料等多種材料經過點焊、鉚接、螺栓聯(lián)接、弧焊及金屬結構膠等方式連接而成。

在目前的銷量中，20萬元價位以下的車型占比最大，而由于成本的限制，絕大多數主機廠都會采用全鋼車身的技術路線。按照歐洲車身組織對車身用鋼材的劃分，車身用鋼分為軟鋼、高強鋼、先進高強鋼、奧氏體不銹鋼、超高強鋼和熱成形鋼，其中車身用奧氏體不銹鋼很少使用，本文針對除奧氏體不銹鋼的其他材料典型牌號的金相和化學成分進行分析。

各個元素的作用

成分是鋼板性能優(yōu)劣的基礎，為了理解成分在不同鋼種中的作用，對各個元素的作用作簡要說明。

碳（C）：碳是鋼中最一般的強化元素，碳使強度增加，塑性下降，但是對沖壓成形用鋼而言，需要的是低的屈服強度、高的均勻伸長率和總伸長率。由此可知，希望沖壓用鋼的含碳量低一些，一般沖壓鋼的碳含量小于0.1%，常用的碳含量不大于0.08%，IF鋼碳含量則不大于0.003%。

硅（Si）：硅的脫氧能力比Mn強，可以防止形成FeO，改善鋼質；硅可溶于鐵素體提高鋼的強度、硬度和彈性，但使鋼的塑性和韌性降低。當硅作為少量雜質存在時，對碳鋼的性能影響也不顯著。

錳（Mn）：錳的脫氧能力較好，可消除有害氣體，能防止形成FeO；錳還能與硫化合成MnS，以減輕硫的有害影響。在室溫下，錳可溶入鐵素體形成置換固溶體，使鋼強化；錳還能增加珠光體的相對量，使組織細化；但是錳作為少量雜質存在時對碳鋼力學性能的影響并不顯著。

磷（P）：磷對鋼一般總是一種有害的元素，會增加鋼的脆性，但是磷又是一種可以提高鋼強度最有效的元素，對于低碳鋼適當地加入磷，可以生產成形性優(yōu)良的深沖高強度鋼。研究發(fā)現，在低碳鋼中加入適量的磷，對成形性的影響不大，但可大大提高鋼的強度。

硫（S）：硫在深沖鋼中是有害元素，應盡量降低。硫通常在鋼中形成硫化物如MnS、TiS、Ti-Nb-S等。

氮（N）：氮在鋼中一般使屈服強度和抗拉強度增加，硬度值上升，r值下降并引起時效。對于沖壓用鋼板，氮的作用和碳元素一樣，主要是造成屈服效應和應變時效。另外，如果工藝上控制不當，氮會和鈦、鋁等形成帶尖角的夾雜物，這對于沖壓也是不利的。因此，沖壓用鋼總是要降低氮含量，使其盡量低。

鋁（Al）：鋁在優(yōu)質沖壓鋼中一般是作為脫氧劑加入的，作用主要是去除吹氧冶煉時溶在鋼液中的氧。另外作為定氧劑，抑制氮在鐵晶體內的固溶，消除應變時效，提高低溫塑性。

氧（O）：氧是煉鋼中不可缺少的元素，但是氧與其他許多元素親和力強，易于在鋼中形成各種夾雜物，這對鋼的性能不利。

鈦（Ti）、鈮（Nb）、釩（V）：它們均為強碳化物形成元素，與碳的親和力強，首先形成特殊碳化物，而當其含量太多時，也可以溶于鐵素體。特殊碳化物，特別是間隙碳化物，比合金滲碳體具有更高的熔點、硬度和耐磨性，而且更穩(wěn)定、不易分解，能顯著提高鋼的強度、硬度和耐磨性。其次，它們都具有細化晶粒的作用。

軟鋼

軟鋼可以分為普通低碳鋼（DC01/DC03）和無間隙原子鋼（DC04-DC07），微觀組織為鐵素體，而普通低碳鋼可能還會含有少量珠光體。軟鋼強度低、硬度低，沖壓與焊接性能良好。特別是無間隙原子鋼，適合沖壓復雜深沖零件，比如車身側圍外板、門內板、地板及油箱等零件。在汽車制造沖壓成形件中，對于一些成形性能和強度要求不高的內板或支架等部件，從材料成本考慮，DC01使用占比很大。

無間隙原子鋼是指在普通的低碳鋼中加入足夠量的Ti[wTi＞4（wC+wN）]，鋼中的C和N原子完全析出成Ti（CN），此時該鋼具有優(yōu)異的深沖性能。隨著冶金技術的發(fā)展，采用底吹轉爐和改進的RH處理可以經濟地生產出wC≤0.002%的超低碳鋼。IF鋼的重要特征是無時效。

在軟鋼中選取了DC01和DC04兩個典型牌號（見表1），標準值選用寶鋼《Q/BQB 408-2023 冷成形用冷軋低碳鋼板及鋼帶》中的數值，典型值是實際使用中測試的含量。從化學成分來看，DC01的碳含量遠高于DC04的碳含量，這是因為DC04是IF鋼，碳含量低才有優(yōu)異的深沖性能；DC04的鈦含量遠超DC01，這是因為需要足夠量的鈦固定碳和氮原子。從金相上來看（見圖1和圖2），二者微觀組織均為鐵素體，但是DC01的晶界清晰，而DC04的晶界模糊，這是由于DC04的碳含量低的原因。

圖1 DC01的金相

圖2 DC04的金相

表1 DC01和DC04的化學成分（質量分數） （%）

高強鋼

在車身常用的高強鋼是烘烤硬化鋼（BH）、低合金高強度鋼（HSLA）和無間隙原子高強度鋼（HSIF）。

烘烤硬化鋼板是以低碳鋼或超低碳鋼為基礎，通過添加微合金元素鈮、鈦或釩而制成的烘烤硬化冷軋鋼板，也是兼有優(yōu)良深沖性能和高的烘烤硬化性能的優(yōu)質汽車用薄板。BH鋼板的強化通過固熔強化實現。由于在鋼中存在固溶碳或氮，經沖壓成形時產生錯位，在約170℃左右涂漆烘烤處理過程中，固熔碳與錯位相互作用，使鋼板強度上升，產生人工應變時效硬化的效果。其原理與過去在低碳鋼中產生的室溫時效劣化現象相同。BH鋼板的特點是沖壓成形前較軟、易成形加工，通過沖壓成形后的涂漆烘烤過程使屈服強度增加，因此很適合于汽車外板等覆蓋件。

低合金高強度鋼是在低碳鋼中通過單一或復合添加鈮、鈦、釩等微合金元素，形成碳氮化合物粒子析出進行強化。同時，通過微合金元素的細化晶粒作用，以獲得較高的強度。該鋼種具有良好的焊接性能。

無間隙原子高強度鋼是通過控制鋼中的化學成分來改善鋼的塑性應變比（r值）和應變硬化指數（n值）。通常是在低碳鋼和超低碳鋼的基礎上加入磷元素，超低碳、微合金化和鋼質純凈使含磷高強IF鋼的深沖性、塑性和韌性得到大幅度提高，磷元素的固熔強化保證了IF鋼的高強度。由于鋼中元素的固熔強化和無間隙原子的微觀結構，這種鋼即具有高強度又具有非常好的冷成形性能，通常用來制作需要深沖壓的復雜部件。

在高強鋼中選取了HC180B、HC340LA和HC260Y（見表2），標準值選用寶鋼《Q/BQB 419-2023 冷軋普通高強鋼鋼板及鋼帶》中的數值，典型值是實際使用中測試的含量。HC180B和HC260Y都是以超低碳鋼為基礎開發(fā)，HC260Y加了磷元素以提高強度，HC340LA添加了微量元素鈮以提高強度。HC180B和HC220Y的金相組織均為鐵素體，HC340LA為鐵素體+珠光體，如圖3、圖4和圖5所示。

圖3 HC180B的金相

圖4 HC340LA的金相

圖5 HC260Y的金相

表2 HC180B、HC340LA和HC260Y的化學成分（質量分數）（%）

先進高強鋼

雙相鋼是一種由軟基體（鐵素體）和硬質相（主要是馬氏體）組成的“復合材料”，馬氏體組織以島狀彌散分布在鐵素體基體上。由這種雙相顯微組織產生優(yōu)良的力學性能，如低的屈服強度、高的加工硬化、高的抗拉強度和良好的均勻伸長率。雙相鋼的合金成分比較簡單，一般都采用C-Si-Mn合金系，對于抗拉強度在800MPa級以下的冷軋雙相鋼，依靠碳元素來實現不同的強度，碳含量在0.07%～0.14%。錳元素則主要提供雙相鋼在退火過程中的淬透性。研究表明，錳含量應大于1.5%。硅元素的添加則主要提高碳在鐵素體中的化學勢，從而增加碳元素向奧氏體中擴散的驅動力，因而對提高奧氏體的淬透性以及改善鐵素體的純凈度有重要作用，裸板供貨的冷軋雙相鋼，其硅含量一般在0.3%～0.6%。

在先進高強鋼中選取了HC340/590DP 和HC420/780DP（見表3），標準值選用寶鋼《Q/BQB 419-2023 冷軋普通高強鋼鋼板及鋼帶》中的數值，典型值是實際使用中測試的含量。HC340/590DP和HC420/780DP都采用C-Si-Mn合金系，HC420/780DP的碳含量和錳含量都大于HC340/590DP，所以其強度高后者一個等級。從金相中看，如圖6和圖7所示，它們都是鐵素體和馬氏體雙相組織，但是HC420/780DP的馬氏體體積分數大于HC340/590DP。

圖6 HC340/590DP的金相

圖7 HC420/78DP的金相

表3 HC340/590DP和HC420/780DP的化學成分（質量分數）（%）

超高強鋼

復相鋼主要為以貝氏體和（或）鐵素體組織為基體，并且通常分布少量的馬氏體、殘余奧氏體和珠光體組織，并且還存在微合金元素的析出強化。添加一定量的碳、錳、鉻、鉬等合金元素，以保證奧氏體穩(wěn)定性、淬透性，晶粒細小，同時添加一定量的鈮、鈦等微合金元素，以獲得細晶強化和析出強化作用來獲得更高的規(guī)定塑性延伸強度。與同等抗拉強度的雙相鋼相比，其屈服強度明顯高很多，同時具有較高的彎曲性能和擴孔性能。這種鋼具有較高的能量吸收能力和較高的殘余應變能力。

馬氏體鋼是由冷軋連續(xù)退火后淬火得到大量馬氏體組織，從而具有非常高的強度，適合生產強度高而形狀簡單的零件。其基本成分體系為C-Si-Mn，碳是強度的基礎，提高馬氏體鋼的強度主要靠提高碳含量來實現，而錳等合金元素則保證淬透性，其最終強度是由鋼中的含碳量水平和沖壓后的冷卻速率決定的。

在先進高強鋼中選取了HC570/780CP和HC700/980MS（見表4），標準值選用寶鋼《Q/BQB 418-2023 冷軋先進高強鋼鋼板及鋼帶》中的數值，典型值是實際使用中測試的含量。HC570/780CP的金相是由鐵素體、貝氏體、馬氏體和少量的殘余奧氏體組成，如圖8所示，HC700/980MS的金相為全馬氏體，如圖9所示。

圖8 HC570/780CP的金相

表4 HC570/780CP和HC700/980MS的化學成分（質量分數）（%）

熱成形鋼

熱成形用鋼是將坯料加熱到奧氏體化溫度以上，并保溫一定時間，然后模壓淬火形成馬氏體組織，實現零件的高強、高韌性，有效提高零件的抗碰撞性能。在化學成分上，碳可與微合金元素結合起到析出強化的作用。錳和鉻可顯著的提高淬透性。鎳在控制軋制過程中抑制奧氏體再結晶，可細化原奧氏體晶粒。鈮和釩能細化晶粒，使馬氏體板條束更為細短，提升強度，而且能提高淬透性。鈦的碳氮化合物析出強化可顯著提高熱成形鋼強度。微量的硼會在奧氏體晶粒邊界處發(fā)生偏析，從而延緩鐵素體和貝氏體形核速度，提高淬透性，大大提升鋼的強度。鈮和釩能細化晶粒，使馬氏體板條束更為細短，提升強度，其次能提高淬透性。熱成形用鋼主要應用于車身結構件特別是防止侵入的安全結構件上。

在熱成形鋼中選取了HC950/1300HS（1.5GPa）和HC1200/1800HS（2GPa）（見表5），標準值選用寶鋼《Q/BQB 409-2023 熱沖壓用冷軋鋼板及鋼帶》中的數值，典型值是實際使用中測試的含量。從化學成分分析，2GPa的碳含量要高于1.5GPa，其次Ti+Nb+V的含量，2GPa的同樣高于1.5GPa，尤其是釩含量，可知該熱成形鋼主要是通過釩強化的。從金相分析，二者均為全馬氏體。

表5 HC950/1300HS和HC1200/1800HS的化學成分（質量分數） （%）

圖10 HC950/1300HS的金相

圖11 HC1200/1800HS的金相

結語

本文對鋼制車身常用的軟鋼、高強鋼、先進高強鋼、超高強鋼以及熱成形鋼的典型牌號金相和化學成分進行了分析，說明了各個牌號的金相組織和化學成分中重點元素的作用，為從事汽車鋼板研究的人員提供參考。