先进高强钢应用优势及未来研究方向

先进高强钢应用优势及未来研究方向

当前，由于环保和节能的需要，汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。轻量化这一概念最先起源于赛车运动，车身减重后可以带来更好的操控性，发动机输出的动力能够产生更高的加速度。由于车辆轻，起步时加速性能更好，刹车时的制动距离更短。汽车的轻量化，就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染。

1轻量化意义

汽车的油耗主要取决于发动机的排量和汽车的总质量，在保持汽车整体品质、性能和造价不变甚至优化的前提下，降低汽车自身重量可以提高输出功率、降低噪声、提升操控性、可靠性，提高车速、降低油耗、减少废气排放量、提升安全性。有研究结果表明，若汽车整车重量降低10％，燃油效率可提高6％-8％；汽车整备质量每减少100公斤，百公里油耗可降低0.3—0.6升；若滚动阻力减少10％，燃油效率可提高3％；若车桥、变速器等装置的传动效率提高10％，燃油效率可提高7％。汽车车身约占汽车总质量的30％，空载情况下，约70％的油耗用在车身质量上。因此，车身变轻对于整车的燃油经济性、车辆控制稳定性、碰撞安全性都大有裨益。

2AHSS优势

高强钢、铝合金、镁合金和塑料是当前汽车轻量化的4种主要材料。高强度钢主要用于汽车外壳和结构件。铝合金最适用于产生高应力的毂结构件,如罩类、箱类、歧管等。镁合金具有良好的压铸成型性能,适应制造汽车各类压铸件。塑料及其复合材料通过改变材料的机械强度及加工成型性能,以适应车上不同部件的用途要求。钢铁材料在与有色合金和高分子材料的竞争中继续发挥其价格便宜、工艺成熟的优势，通过高强度化和有效的强化措施可充分发挥其强度潜力，迄今为止仍然是汽车制造中使用最多的材料。

随着安全性、燃油经济性和驾驶性能标准的不断提升，这对车用材料提出了更高的要求。为应对这一挑战，全球钢铁工业成功研发了具有突出冶金性能和高成形性的先进高强度钢（AHSS）。AHSS具有以下优点：

1）安全性：鉴于钢铁独特的冶金性能和灵活的加工工艺，AHSS产品可以被设计制造成任意特殊形状，为乘员安全提供最佳保护方案。

2）轻量化：工程师们将AHSS与新的先进制造工艺相结合，使用更加轻薄的钢材制造出轻质汽车零部件，不仅保持了原有部件的强度和其他性能，而且在一定程度上还有所提升。

3）可循环利用性：钢材可以100%回收循环利用，而且汽车的生命周期评估表明，与使用其他替代材料相比，AHSS车辆排放量最少。

4）成本合理：工程学研究表明，与传统车用材料相比，AHSS几乎不增加任何成本，而像铝这种低密度材料则需额外增加每磅$2.75以上的成本。同时，多数整车制造厂已配备钢部件加工生产线和技术，AHSS可直接生产应用，而不需额外投入昂贵的新的加工装备和制造工艺。

3AHSS车用情况

2013款雪佛兰Silverado和美国通用GMC1500 SIERRA皮卡在其驾驶舱中使用了超过70%比重的AHSS，这不但增加了车身结构强度，而且还减少了前车架

的质量。AHSS主要应用在了车架大梁、A柱、B柱、上边梁和车门槛板。

雪佛兰Silverado车身骨架用钢示意图

AHSS钢在第七代大众最畅销车型——2013款高尔夫上广泛应用，车身减重达220磅，同时还改善了安全性能和驾驶性能。2013款道奇1500公羊皮卡在车身骨架中使用了多种钢材牌号，包括一系列AHSS。在某些部件加工制造时，为了提升尺寸精度，需要采用液压成型工艺。

道奇1500底盘用钢示意图

4下一代AHSS研究方向

为了进一步提升汽车燃油经济性，同时降低温室气体排放，汽车制造商们需要获得强度更高，且更易成形的钢材，用于制造满足碰撞要求的轻量化汽车。由于钢具有易加工性和其他独特的性能，使得工程师们可以制造几乎无限种类的产品用以匹配未来的应用要求。钢铁业目前正在开发下一代AHSS，以满足汽车制造商和客户不断变化的需求，提供安全、经济和可持续的汽车用钢解决方案，同时实现高强度和高成形性的统一，轻量化和碰撞安全性的统一，高性能和低成本

的统一。

汽车用钢屈服强度与伸长率关系

正在开发中的第三代AHSS有望弥补已开发出的第一代和第二代AHSS的性能不足。国际钢协的未来钢质汽车（Future Steel Vehicle，FSV）项目现已开发出极具开拓性的20余种不同牌号的AHSS，预计将于2020年实现商业化应用。FSV 通过持续开发研究高强度钢材，不断丰富AHSS牌号，如今其抗拉强度已超过1000MPa。

钢铁业也正在致力于改进AHSS的加工工艺，采用具有高科技的独特方法生产制备这些新型钢材，例如感应加热方法和创新冷却系统。同时，工程师们在研究AHSS冲压、接合和成形技术，使得新型牌号钢材可以在现有的汽车冲压、接合和装配设备上直接加工。

钢铁业研发人员与汽车制造商正在进一步合作，研究材料的应变路径、疲劳、耐腐蚀和其他性能，用于提升成形性预测、制造性能和成本效益分析。在过去10年中汽车用钢取得不断创新，在很多汽车产品中已经降低了25％以上的车重。新的研究表明，通过应用第三代AHSS产品，在2017-2025年内有望实现减重35%-39%。与此同时，其他新的减重领域也在被不断地研究探索，例如钢制油箱、车轮和发动机部件等。