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高强度钢板发展趋势
一百多年来, 钢铁一直是汽车工业的基础, 虽然汽车制造中塑料和铝镁合金 的用量不断增加, 但钢铁材料仍是汽车用材的主体。选择低厚度的高强度钢板取 代传统的低强度钢板是汽车轻量化的一个有效的方法。与铝、镁合金和复合材料 相比较, 高强度钢板的原材料和制造成本较低, 使其在汽车新材料的应用中更加 具有竞争力。
1.高强度钢的定义、分类与特点 1.1 定义与分类
对于高强度钢和超高强度钢, 目前并没有一个统一的定义。有人认为抗拉强 度超过 340MPa 的称为高强度钢。瑞典将钢板强度级别分为普通强度钢(MS、高 强度钢(HS和超高强度钢(EHS。
一般有两个分类的依据:屈服强度和抗拉强度。我们总结了目前对于高强度 钢板分类的几种方法和依据,如表 5-7所示。
表 5-7高强度钢板的分类方法
ULSAB — A VC 联合会认为对钢种分类的规范化非常重要,按习惯定义屈服 强度(YS和抗拉强度(TS,将钢种标记为 XX aaa/bbb。其中, XX 为钢种类型, aaa 为最低屈服强度(MPa, bbb 为最低抗拉强度(MPa。钢种的标志符号统一如 下: 传统钢种:低碳钢、无间隙原子钢、各向同性钢、烘烤硬化钢、碳-锰钢、低合金高强度钢。
先进高强度钢钢种:双相钢、复相钢、相变诱发塑性钢、马氏体钢。例如,钢种 DP500/800是指双相钢,其最低屈服强度为 500MPa ,最低抗 拉强度为 800MPa。按照 ULSAB 所采用的术语,将屈服强度为 210~550MPa 的 钢定义为高强度钢(HSS,屈服强度为 550MPa 的钢定义为超高强度锕(UHSS, 而先进高强度钢(AHSS的屈服强度覆盖于 HSS 和 UHSS 之间的强度范围。下图 给出了钢板的分类情况及其屈服强度和延伸率的对应关系。
1.22、高烘烤硬化性能;
3、能量吸收率较高;
4、高的疲劳强度和长的疲劳寿命;
5、高的防撞和抗凹性能。
尽管高强度钢有上述诸多优点,但其在其使用过程中也存在一定的瓶颈问 题。一是由于屈服强度高,增加了塑性变形的不均匀性,冲压成形性差,起皱、开裂、塑性变形不足等缺陷更难解决;二是由于高强度钢板屈服强度高, 致使高 强度钢板的冲压回弹量加大, 使零件的成形精度更加难以控制。有效地解决这两 个瓶颈问题的方法:一是传统的基于经验、类比的试冲和试做的方法。二是基于 冲压仿真技术的高强度钢板冲压成形性改进和成形精度控制方法, 由于其快速反 应和低成本日益成为板成形领域的研究热点。
IF – 无间隙原子钢 LC – 低碳钢 BH – 烘烤硬化钢 HSLA – 刚强低合金钢 DP – 双相钢
FB – 铁素体-贝氏体钢 TRIP – 相变诱导发塑性钢 MP – 复相钢
2.高强度钢板在汽车上的应用
目前, 国外汽车公司在相当比例的轿车零件上应用了高强度钢板, 日本五家 最大的汽车公司轿车零件高强度钢板的应用比例 80年代为 15%, 90年代超过 30%,在本世纪初新开发的车型高强度钢板使用比例最高达 52%。图 5-2为欧洲 和日本某汽车公司 1980~2000年高强度钢在白车身中的应用比例。由图可以看 出,两家公司所采用的高强度钢均呈现逐年上升的变化趋势。
1994年,由世界主要钢板制造厂家支持的 ULSAB-A VC(Ultra Light Steel Auto Body-Advance Vehicle Concept 项目启动,该项目是从整体上研究和开发 新一代钢铁材料的汽车结构车身。其更是把整个车身 90%的冲压件使用高强度钢 板和超高强度钢板作为目标,通过使用高强钢(HSS和先进高强钢(AHSS,向人 们展示了降低汽车重量的巨大潜力。ULSAB 项目除了研究高强度钢板在汽车上 的应用外还研究
了新的制造技术(如激光拼焊技术等 ,以便在汽车制造中灵活 地使用高强度钢。下图为 ULSAB-A VC 项目组统计出的未来汽车材料的组成结 构。
图 5-2 高强度钢在白车身中的比例
a 按屈服强度级别 b 按钢种
图 5-3 未来汽车材料的组成在日本, 车身零件实际应用高强度钢板始于 20世纪 70年代。二次石油危机 后, 高强度钢板的使用率越来越高。最早应用于车身外表件, 然后才用到内部零 件和结构件。目前,日本悬架结构件和支撑件的抗拉强度已达 800~1000MPa。抗拉强度 410MPa 的高强度钢板多用于内部件。日本 NKK 公司开发了汽车外壳 用 45kg 级高强度钢板,已在新车型上采用。该钢种是通过钢结晶微细化获得高 强度的。日本川崎制钢公司最近开发了 TS980MPa 级高强度钢板 CHLY980。该 公司对提高延伸率的金相组织进行了研究, 通过优化钢的成分、热轧和退火工艺, 生产出硬质低温相变组织为第二相、铁素体为主相的复合组织钢板.目前已应用 于挡泥板、冲击梁等高安全性要求的零件。日本神户制钢公司开发了双相组织的 590~780MPa 级合金化热镀锌钢板和 590MPa 级残余奥氏体钢板。
在欧洲,高强度钢板也得到广泛的应用。德国的欧宝(Opel、大众(V olkswagen、宝马(BMW ,法国的标致(Peugeot 等汽车厂家的产品都不 同程度用上了高强度钢板。
图 5-4 某款 VOLVO 的材料构成示意图
上图为欧宝某型汽车的高强度钢的应用情况。围绕高强度钢板的研发也在不 断地进行中,瑞典 SSAB 钢板有限公司开发出铁素体 +马氏体组织的特高强度冷 轧薄钢板,其屈服强度达到 700MPa。
目前,北美汽车工业和钢铁产业正在积极推进高强度钢(HSS和超高强度钢(UHSS的研究与应用。并在 ULSAB 的基础上,积极推进 ULSAB — A VC 计划, 成为与铝、镁轻金属合金分庭抗礼的一大亮点。近几年在 PNGV 计划的驱动下, 高强度钢在北美汽车用材中得到迅速发展。高强度钢的应用已由 1997年 6%的 比例上升到 2002年的 45%。预计在今后几年中将会得到更进一步的发展。北美
汽车零部件应用钢的趋势情况见 表 5-8。表 5-8 汽车零部件钢的应用趋势
随着国外轿车车身零件上的高强度钢板应用日益增加, 国内轿车车身零件应 用高强度钢板也呈现上升趋势。为了适应这种趋势, 近年来宝钢自主开发了一批 高强度钢板,三期工程又引进了一批高强度钢板品种,除 DP 钢、TRIP 钢等, 品种已相对比较齐全。在上海大众 POLO、一汽海南普利马、风神、长安铃木以 及天津丰田的一些零件也在应用高强度钢板。从这些车型的情况看, 高强度钢板 应在外覆盖件和内板件的梁、立柱、加强件等零部件上。根据目前国内外的汽车 高强钢板的现状,总结各类高强度钢板在汽车上的应用趋势大致如表 5-9所示。
为满足减轻车体重量和提高冲撞安全性能的需要, 扩大高强度钢板的使用无 疑是最佳的方法之一。由于先进高强度钢在强度、抗腐蚀具有一定的相对优越性 能, 随着先进高强度钢应用技术的进一步成熟, 其必将有利于进一步提高汽车的 安全性、环保性及节能性。因此, 先进高强度钢将会在部分汽车零部件上应用有 着比铝、镁合金更大的优势等。
材料工作的方向也将围绕“更安全、更节能、更环保”的造车理念展开。高 强度钢板使用将对提高整车安全性能、降低能耗和排放等方面都将有重要的意 义。
此外,随着公司的发展壮大,汽车结构将趋于合理,中、高级轿车的比例将 进一步增加, 高强度钢板的应用比例即将进一步提高。因此, 公司需加大对高强 钢板应用开发的投入, 积极联合高校和科研机构、原材料厂商和零部件厂商, 共 同开发,产生连锁效应,有利于集中力量攻克难关,节约开发成本,做必要的技 术储备,提高产品的市场竞争力。
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