先进高强度钢应用手册

先进高强度钢应用手册国际汽车钢板研究组织2006.9湖南大学汽车车身设计与制造国家重点试验室译（第1版）2009.1前言近几年来，为了减轻汽车重量和提高汽车安全性，汽车钢板的开发技术、应用技术方面有了许多新的发展。

由国际钢铁公司资助的项目ULSAB （汽车车身轻量化技术）和USLAB-A VC(先进概念车）等，主要在车身上大量采用先进高强度钢，研究汽车的轻量化设计的一些理念。

先进高强度钢的应用，需要新的成形技术和连接技术。

这本指南是汽车钢铁研究组织的多位专家的合作成果。

其中，特别感谢以下专家：Dr Heiko BeenkenMr Willie BernertMr Klaus BlümelDr Björn CarlssonDr Jayanth ChintamaniMr Bart DePompoloMr Daniel ErikssonMr Peter Heidbüche…特别感谢Stuart Keeler博士，他是一位金属成形领域的著名专家。

他负责本书的编辑工作。

国际汽车用钢组织包括全球的下面钢铁公司:宝山钢铁公司……Edward G. Opbroek国际汽车用钢组织主席翻译感言偶然在网上搜索到这本《ADV ANCED HIGH STRENGTH STEEL APPLICA TION GUIDLINES》，当时非常高兴，这本书中包括了一些工厂中常遇到的一些问题，比如，先进高强度钢与传统钢的区别，DP钢与TRIP钢的区别，各种回弹机理。

当时只看了一些感兴趣的章节。

后面继续看这本手册，发现中间还包括很大的信息量，激起了翻译该本手册的兴趣。

翻译过程中，感觉收获比较多，比如局部延伸率，这在国内文献中很少看到。

本手册第一章介绍了先进高强度钢的微观结构、宏观力学性能等；第二章中介绍了先进高强度钢零件的设计、冲压和应用中的一些问题；第三章介绍了先进高强度钢的连接方法；第一章的知识用于解释第二章、第三章中的某些现象。

第四章是书中的一些专有名词及其解释，为了方便读者看英文版本，该章有中文和英文。

第五章是参考文献。

阅读本手册，可快速全面掌握先进高强度钢涉及到的问题，对这些问题有个初步的了解。

如果对其中某个问题很感兴趣，可以在第五章查找相关的文献，或在实践中研究相关问题。

相信该手册对先进高强度钢生产企业、汽车生产企业、模具企业、高校或研究所都有一定参考价值。

由于译者外语水平和知识有限，本文翻译中难免有一些错误之处，请大家批评指正。

同时建议读该文献原文，第四章中的词汇为中英文，对阅读原文可能有所帮助。

刘迪辉申光举译2009年1月30日目录前言 (I)翻译感言 (II)第1章先进高强度钢概述 (1)1.1 定义 (1)1.2 AHSS钢组织 (2)1.2.1 DP钢 (3)1.2.2 TRIP钢 (4)1.2.3 CP钢 (5)1.2.4 MS钢 (6)1.2.5 FB钢 (6)1.2.6 TWIP钢 (6)1.2.7 HF钢 (7)1.2.8 PFHT钢 (7)1.2.9 新的AHSS钢种 (8)1.3 HSS钢和低强度钢组织 (8)1.3.1 软钢 (8)1.3.2 IF钢 (8)1.3.3 BH钢 (8)1.3.4 各向同性钢（IS） (9)1.3.5 CM钢 (9)1.3.6 HSLA钢 (9)第2章成形 (10)2.1 概述 (10)2.2 成形仿真技术的发展 (10)2.3 薄板成形 (12)2.3.1 力学性能 (12)2.3.2 成形极限 (23)2.3.3 成形模式 (28)2.3.4 模具设计 (36)2.3.5 回弹 (39)2.3.6 落料、冲孔和修边操作 (52)2.3.7 压机要求 (54)2.3.8 多步成形 (59)2.3.9 应用要求 (60)2.4 管成形 (62)2.4.1 高频焊接管 (62)2.4.2 激光焊接钢管 (66)2.4.3 关键点 (67)第3章连接 (68)3.1 概述 (68)3.2 焊接过程 (68)3.2.1 电阻焊 (68)3.2.2 高频感应焊接 (77)3.2.3 激光焊接 (79)3.2.4 无涂层钢板的电弧焊 (81)3.3 钎焊 (82)3.4 粘接 (83)3.5 机械连接 (84)3.6 复合连接 (85)3.7 高强度钢零件维修和更换中的材料问题 (86)第4章词汇注解 (87)第5章参考文献 (98)第1章先进高强度钢概述先进高强度钢应用指南主要集中讨论采用先进高强度钢的车身覆盖件、结构件、外覆盖件的冲压成形、加工和连接技术等。

在车身零件中采用传统的高强度钢替代中低强度的钢时常遇到成形性变差的问题。

为了克服这个问题，进一步减轻车身重量，如何提升高强度钢的成形性能是这些年研究的关键问题。

先进高强度钢中的多相钢基本满足了高强度钢成形性的要求，这些材料既可具有高强度性能，也能够具有良好的成形性。

1.1 定义汽车用钢有多种分类方法。

一种是根据钢种划分，也就是按钢组织划分。

常用的钢包括低强度钢（包括IF钢，软钢），传统高强度钢（HSS钢，包括CM、HSLA、BH、HSSIF钢等），和新型先进高强度钢（包括：双相钢（DP）、相变诱导塑性钢（TRIP）、复相钢（CP）和马氏体钢（M）。

更高强度钢包括FB,TIP,Nano,热成形钢和成形后热处理用钢等。

一种是根据钢板的强度划分，汽车选材一般按强度选择。

与一般文献分类不同，本文把强度高的钢分为HSS和AHSS。

这种分类中，高强度钢HSS的屈服强度为210~550MPa，抗拉强度为270~700Mpa，超高强度钢(UHSS)的屈服强度在550MPa以上，抗拉强度在700MPa以上。

很多钢种可跨两个或多个强度等级。

第三种分类方法是根据钢板的机械性能或成形性能划分的，如延伸率、硬化系数n,扩孔系数等。

图1-1是一个各类钢的延伸率与成形性的关系，低强度钢用为暗灰色，传统高强度钢为亮灰色，早期的AHSS用彩色标出。

图1-1A和图1-1B显示了不同钢种所覆盖的大致强度等级。

图1-1A 钢的延伸率与强度的关系图1-1B 采用新的化学成分、工艺、微结构来取代更高性能和成形性传统的高强度钢HSS与先进高强度钢AHSS的根本区别在于微观结构。

HSS微观结构主要是单相铁素体，AHSS包括铁素体、马氏体、贝氏体，或残余奥氏体。

这些含量不同导致钢板有一些不同的特性，如一些AHSS钢比HSS钢具有较高的应变强化能力，一些AHSS 钢有超高的屈服应力和抗拉强度，并具有热烘烤强化特性。

为了使本文在全世界内都可使用，对钢板采用了复合定义方法，定义为：钢种+屈服极限（MPa）+抗拉强度（MPa）。

例如，DP500/800表示双相钢，最小屈服应力500MPa，最小抗拉强度为800MPa。

这种定义方法在ULSAB-A VC项目中采用过。

表1-1 ULSAB-A VC项目使用的AHSS钢板需要指出的是世界上不同钢铁公司的产能不同。

上面的钢覆盖了全世界大部分的AHSS钢，在准备使用高强度钢时需要同相应的钢铁公司联系，了解钢铁公司所生产钢板的具体参数和性能，包括：力学性能参数和范围，厚度和宽度，热轧钢板、冷轧钢板、表面镀层，化学成分等。

1.2 AHSS钢组织传统钢的组织在1.3中做简要的介绍，本节主要介绍AHSS钢的一些知识，说明不同的AHSS钢性能不同，原因是它们晶相组织不同、生产工艺不同。

所有的AHSS钢，主要控制钢的冷却速度，控制奥氏体向铁素体的转化过程。

1.2.1 DP钢DP钢第一相为铁素体晶格，第二相为马氏体，马氏体分布在铁素体晶格之间，可称为岛状马氏体。

增加马氏体的含量一般会提高材料的强度。

通过控制冷却过程，从奥氏体（热轧钢）或者从铁素体、马氏体、奥氏体（连续热处理冷轧钢或带涂层的钢）等中，先把部分奥氏体转换为马氏体，然后通过快速冷却把残余奥氏体转换为马氏体，这样可得到双相钢。

如果需要板料边缘有更强的抗开裂能力（一般又扩孔试验来检测），热轧钢组织中还有一定含量的贝氏体。

图1-2是双相钢的金相示意图，DP钢由铁素体和导状马氏体构成，铁素体一般是连续的，为材料提供了良好的塑性。

当材料变形时，主要是铁素体围着马氏体变形，使这种材料具有高应变强化性能。

图1-2 双相钢金相示意图（铁素体+岛状马氏体）与同样屈服应力的普通钢相比，DP钢的应变强化性能和高延伸率使材料具备更高的强度。

图1-3是HSLA和DP钢的工程应力应变曲线的对比。

与HSLA钢相比，DP钢有较大的小应变强化能力，高抗拉强度，低屈强比图1-3 DP350/600比HSLA 350/450有更高的屈服强度与传统钢相比的另一优势是DP钢和其它AHSS钢具备烘烤强化特性。

热烘烤强化特性，是指经过机械强化的板料，在烤漆温度条件下，材料的屈服强度有所增加。

AHSS的热烘烤强化特性的强度，取决于材料的化学成分，以及钢板受到的热处理过程。

其它关于热烘烤强化特性见2.3.1.7节。

在DP钢中，碳使在实际冷却速度下，使铁素体向马氏体转化，增加钢的强度。

锰、铬、钼、钒、镍等元素，单独或联合作用，增加材料的硬化能力。

碳、硅、磷等作为一个固溶强化物，增加了铁素体向马氏体的转化。

这些条件需要良好的平衡，才能达到良好的电阻焊接性能，并具备独特的力学特性。

但是，当更高强度等级的钢，如DP 700/1000),要根据实际焊接条件进行调整，才能得到比较好的焊接性能。

1.2.2 TRIP钢TRIP钢的在铁素体晶格中含有残余奥氏体，除了含量最少为5%的残余奥氏体外，还含有一些硬相，如马氏体、贝氏体。

TRIP钢一般需要在某个温度上保温一段时间，以产生一定贝氏体。

TRIP钢中碳硅含量比较大，也使结构中残余奥氏体的比例增加。

TRIP钢的金相示意图见图1-4所示。

图1-4 Trip钢金相示意图同DP钢一样，在变形中硬相围绕软相的变形模式，使材料具备高应变强化特性。

与DP钢不同的是，在应变增加时，材料中的残余奥氏体逐渐向马氏体转化，在高应变时，还会使材料进一步硬化。

在图1-5中表示了这种现象，图中有HSLA、DP、TRIP钢的应力应变曲线。

TRIP钢的初始应变强化特性比DP钢稍低，而在DP钢大应变强化能力消失时，TRIP钢还能继续强化。

图1-5 TRIP 350/600比DP350/600，HSLA350/450有更高的延伸率与传统HSS相比，TRIP钢的应变强化能力强，使材料有更强的延展性能。

设计者常利用材料的应变强化特性来使零件达到特定的力学性能，因此，应变强化特性（包括烘烤硬化特性）性能比较重要。

在高应变时还具有应变强化性能，使TRIP钢在极端的拉延条件下比DP钢具有一定优势。

TRIP钢的含碳量比DP钢要高，即使在常温时，TRIP钢中也具有一定的残余奥氏体。