汽车车身用高强度钢及其加工性能的探讨

汽车车身用高强度钢及其加工性能的探讨
1 高强度钢板的应用现状和发展动向
迄今为止，根据用途的不同，采用不同的强化机制获得了多种汽车车身用高强度钢板。

图1显示了不同的强化机制下获得的几种高强度钢的强度和伸长率。

传统的汽车车身用钢主要是靠添加合金成分获得固溶强化（solid-solution hardened）或析出强化(precipitation hardened)型钢。

由图1可知，析出强化型钢虽然具有较高的强度，可是伸长率低的特性使其冲压成形性较差；而固溶强化型钢虽具有较好的延展性，但其强度却较低。

图1 各种高强度钢的强度和伸长率
对于用来制造汽车部件的钢板，既要确保其冲压成形性，又需对其碳当量加以控制以不妨害其焊接性。

在这种情况下，要获得高强度钢，通常钢的组织需保证有马氏体相。

但单纯马氏体相钢，如图1所示的回火马氏体（Tempered martensite）钢虽具有980~1480MPa超高强度，因其延展性很低而难以保证加工性，在汽车车身中的应用则受到限制，仅用于加强件。

于是，对提高延展性的组织控制型高强度钢进行了研制，并于20世纪末进入了实用化阶段。

最先实用化的组织控制型钢是抗拉强度为590MPa级的双相钢（Dual Phase Steel，以下称DP钢）。

DP钢室温组织主要由铁素体和马氏体构成，铁素体为基体相，岛状的马氏体分布于其上。

软的铁素体赋予DP钢较低的屈强比、较大的伸长率，具有优良的塑性；而硬的马氏体则赋予其高的强度。

鉴于此，综合性能较好的58 0MPa级DP钢取代了原来的440MPa级钢作为汽车车身结构件的主要材料。

随之研制的780MPa级DP钢，现在广泛应用于汽车结构件。

最近，通过控制马氏体的体积分数、分散状态和两相的硬度差，从而改善DP钢的伸长翻边性不足，研制出延展性和伸长翻边性兼备的980MPa级DP钢。

众所周知，汽车车身零件绝大部分是冲压成形件。

因此，为保证较复杂零件的冲制，需进一步提高汽车车身用高强度钢的延展性。

在这种情况下，成功开发了相变诱发塑性变形钢(Transformation Induce d Plasticity Steel，以下称TRIP钢)。

TRIP钢室温组织主要由铁素体、贝氏体及残余奥氏体三相构成。

与DP钢相似，作为基体的铁素体主要对塑性做贡献，作为主要第二相的贝氏体则主要提高材料的强度。

但与DP钢不同的是，TRIP钢的组织中还存在一定含量(5%~15%)的残余奥氏体。

TRIP钢也就是通过相变诱发塑性效应使钢板中这些残余奥氏体在塑性变形作用下诱发马氏体的生核及形成,并产生局部硬化，继而变形不再集中在局部，使相变均匀扩散到整个材料以提高钢板的强度和塑性，实现了强度和塑性较好的统一，解决了强度和塑性的矛盾。

TRIP钢与其他同级别的高强度钢相比，最大特点是兼具高强度和高延展性，可冲制较复杂的零件；T RIP钢还具有高的抗冲撞吸收功的特点，一旦遭遇碰撞，将通过自身形变来吸收能量，常用于汽车的保险杠、汽车底盘等防撞部位。

此外，这种钢还因其优良的高速力学性能和疲劳性能，受到现代汽车制造商的青睐，与DP钢一样主要用于汽车结构件。

见图2。

图2 590MPa级以上钢板应用部位
TRIP钢在加工时由于变态诱发塑性的效果可得到高延展性，但却和DP钢板同样具有伸长翻边性差的缺点。

随着其用途的扩大亦要求加工性进一步提高。

于是在TRIP钢基础上，又开发出延展性和伸长翻边性两者同时提高的980MPa级贝氏铁素体（BF: Banitic Ferrite）基相变诱发塑性变形钢（Transformation Induced Plasticity Aided Banitic Ferrite Steel，以下称TBF钢）。

TBF钢是以微细板条状BF为母相，微细残留奥氏体散布在板条BF间。

这种钢板因其综合性能良好被认为是继DP钢、TRIP钢之后又一种汽车车身结构主要用钢，具有极大的应用前景。

对于形状复杂、强度要求不高的汽车车身外板，主要采用具有极优异的深冲性能的无间隙原子钢（I nterstitial Free Steel；以下称IF钢）。

IF钢的特点是C、N含量很低，并在钢中加入Ti和Nb，形成Ti和Nb的C、N化合物，使钢中的C、N间隙原子得以消除，从而具有优越的深冲性能。

其实，IF钢早在1949年已研制成功，由于受到冶炼等技术的限制，直至20世纪80年代，冶炼技术进一步发展，采用底吹转炉和改进的RH(Ruhrstahl ＆ Heraeus)真空处理后经济地生产出C≤0.002%的现代IF钢。

图3显示了I F钢研制的变迁。

目前，伸长率和塑性应变比(r : Plastic strainratio)可达45%和2.0以上的IF钢已成为继沸腾钢、铝镇静钢之后第三代冲压用钢，它的生产已成为一个国家汽车用钢板生产水平的标志。

为了弥补IF钢强度的不足，提高车身外表零件抗凹陷性能，在IF钢的基础上又研发出具有极优异的深冲性能的烘烤硬化钢（Bake Hardening Steel，以下称BH钢）。

这种钢本身强度并不高，甚至略低于IF钢，通过加工过程中的加工硬化和烤漆过程中的时效现象来获得最终零件的强度。

其主要机理就是这种
钢中Nb和Ti含量比IF钢低，这使得BH钢中含有一定数量的间隙原子。

由于BH钢主要应用在汽车外壳上，在烤漆过程中，间隙原子会在烤漆温度下进行时效反应，使得钢在最后的过程中有一个固溶强化的过程，而最终提高零件的强度。

用BH钢冲压成的零件经油漆烘干后其强度提高显著，可达BH钢本身强度的120%左右，它代表了当今冲压用钢板发展的最高水平，是今后冲压用钢的发展方向。

图3 IF钢研制的变迁
2 高强度钢的加工性
汽车车身用高强度钢及其他材料主要是通过冲压成形、焊接组装成车身。

因此，高强度钢的冲压成形性、焊接性等加工性能也是评价汽车车身用高强度钢的主要依据。

在此，通过与普通低碳钢（Mild Ste el）对比，对强度较高、碳当量较高的两种具有代表性的汽车车身用高强度钢板（780MPa级DP钢和980M Pa级TRIP钢）的冲压成形性、焊接性进行分析与探讨。

（1）高强度钢板的冲压成形性
成形极限被认为是材料的成形性能指标。

图4显示了普通低碳钢、780MPa级DP钢、980MPa级TRIP 钢的成形极限曲线。

由图4可见，与普通低碳钢相比，两种高强度钢的成形极限相对较低，可其绝对值仍然较高。

由于在实际运用中，大部分成形复杂的拉伸件、胀形件一般采用IF钢或BH钢。

所以，这样的成形极限足可保证其具有良好的成形性。

图4 高强度钢板成形极限曲线
因为超高强度钢（590MPa级以上）的强度很高，导致出现冲压成形后回弹较大、零件精度较低的问题。

对此，日本等国家已经开发了新的工艺。

例如，在高强度钢弯曲成形时采用反回弹技术，即在设计、制造冲模时考虑材料的回弹量，使冲制的零件经回弹后达到所需尺寸。

最近，针对超高强度钢的复杂成形提出了温间冲制工艺，即含碳量约0.25%的超高强度钢板冲压成形时，进行900℃加热，等材料完全奥氏体化后再冲压成形，然后在冲模中冷却、淬火使其产生马氏体。

利用温间冲制工艺可获得1500MPa以上强度的尺寸合格的零件。

当然，随着1000t以上超大型压力机的使用，超高强度钢的冲压加工将会更加容易。

（2）高强度钢板的焊接性
电阻点焊是汽车车身焊装的主要焊接方法，所以汽车车身用高强度钢板的点焊性是其重要性能之一。

图5显示了1.0mm厚的普通低碳钢、780MPa级DP钢、980MPa级TRIP钢的可焊范围(Acceptable welding range)。

由图5可见，两种高强度钢与普通低碳钢一样，其可焊范围随焊接时间的变化较小，但是当焊接电流变化时其可焊范围却显示出不一致性；两种高强度钢几乎与普通低碳钢一样，当焊接电流大于14.5 k A时，因电极的主要成分铜与钢板发生冶金反应而造成电极头出现蚀坑、电极粘着（Pick-up）现象。

根据焊接标准，可焊参数范围的上限是点焊时发生飞溅（Expulsion）所使用的参数，下限则是获得5t1/2 mm（t 为钢板厚度）的最小可接受溶核直径(Nugget diameter)时的焊接参数。

由图5可知，虽然780MPa级DP钢板和980 MPa级TRIP钢板的可焊范围上限（约8.6kA）与普通低碳钢的可焊范围上限（约11kA）相比较低；可是由于受材料的比热、电阻率、热传导系数等物理性质的影响，两种高强度钢在较低的焊接电流（约5. 7kA）下能获得直径5mm的最小可接受溶核，使其可焊范围下限比普通低碳钢的低。

所以，就可焊范围宽度而言，两种高强度钢（5.7-8.6 kA）和普通低碳钢（8-11 kA）有着几乎相同宽度的可焊范围，显示出与普通低碳钢相同的焊接性。

图5 高强度钢的电阻点焊性（板厚1mm）
3 结束语
高强度钢板的使用，既可以保证汽车车身整体强度、安全性，又可以减轻汽车自身质量，节约能耗、降低排放并改善环境。

目前，为了充分发挥材料的性能，根据零部件使用性能的要求，已研制出多种汽车车身用高强度钢，并由此推动新技术、新材料、新工艺和新产品的研发。