當(dāng)前汽車行業(yè)正經(jīng)歷百年未有之變局，電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化與綠色化成為核心發(fā)展方向，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)生態(tài)全面重構(gòu)。為滿足汽車行業(yè)需求之變化，汽車用鋼研發(fā)正從“單一性能提升”轉(zhuǎn)向“全生命周期優(yōu)化”，通過(guò)材料創(chuàng)新（第三代AHSS、熱成形鋼、非調(diào)質(zhì)鋼等）、工藝革新（激光拼焊、一體化成形等）和綠色轉(zhuǎn)型（綠鋼生產(chǎn)、生物基涂層等），持續(xù)為汽車輕量化、安全性和可持續(xù)發(fā)展提供支撐。為展示近年來(lái)汽車用鋼研發(fā)與應(yīng)用技術(shù)的最新成果，本報(bào)特組織該專題，以饗讀者。
1引言
為了實(shí)現(xiàn)碳中和，汽車產(chǎn)業(yè)正加速推進(jìn)電動(dòng)化轉(zhuǎn)型及新型能源適配。隨著動(dòng)力源的這一變革，汽車車身各部件所承擔(dān)的功能隨之改變，同時(shí)也出現(xiàn)了新的部件類型，部分傳統(tǒng)部件則逐漸被淘汰。在車身領(lǐng)域，此前為滿足各國(guó)日益嚴(yán)格的碰撞安全與燃油效率標(biāo)準(zhǔn)，已通過(guò)采用高強(qiáng)度鋼、鋁合金等材料推進(jìn)車身輕量化。在此背景下，提出了將先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板與結(jié)構(gòu)、施工方法相結(jié)合，以提升汽車整體附加值。
通常來(lái)說(shuō)，普通乘用車的重量約為1噸，其中鋼鐵材料占比達(dá)70%。輕量化可通過(guò)減薄汽車用材料的板厚實(shí)現(xiàn)，但同時(shí)需確保車身的碰撞安全性與剛度。此外，汽車由眾多部件構(gòu)成，不同部件功能各異，因此，對(duì)鋼板性能的要求也因應(yīng)用部件的不同而存在差異?；诖?，以車身輕量化為目標(biāo)的汽車用鋼板性能提升，也需根據(jù)各部件的特性需求逐一推進(jìn)。本文將闡述鋼鐵作為汽車材料的特點(diǎn)，介紹各部件對(duì)材料的性能要求以及相應(yīng)開(kāi)發(fā)的汽車用高強(qiáng)度鋼板，并對(duì)未來(lái)相關(guān)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。
2鋼鐵作為車身材料的特點(diǎn)
影響汽車車身重量的主要因素是碰撞安全性與剛度，而決定這兩項(xiàng)因素的材料關(guān)鍵特性分別為強(qiáng)度與彈性模量。另一方面，近年來(lái)在碳中和評(píng)估中，全生命周期評(píng)估（LCA）的重要性日益凸顯，材料生產(chǎn)及廢棄過(guò)程中產(chǎn)生的含二氧化碳在內(nèi)的溫室氣體排放量（以下簡(jiǎn)稱“二氧化碳排放量”），也成為材料選擇的重要考量因素。以下將從強(qiáng)度、彈性模量及二氧化碳排放量三個(gè)維度，將鋼鐵材料與其他材料進(jìn)行對(duì)比，闡述汽車應(yīng)用鋼鐵材料的優(yōu)勢(shì)，并介紹相關(guān)評(píng)估結(jié)果。
2.1輕量化潛力
圖1以示意圖形式展示了多種材料的比強(qiáng)度與延伸率之間的關(guān)系。比強(qiáng)度是用抗拉強(qiáng)度除以密度得到的指標(biāo)，可在質(zhì)量等效的條件下對(duì)材料強(qiáng)度進(jìn)行比較。目前，汽車用鋼板已實(shí)現(xiàn)從270MPa級(jí)到2.0GPa級(jí)的廣泛強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)用。從圖中可見(jiàn)，抗拉強(qiáng)度超過(guò)980MPa的高強(qiáng)度鋼板，其比強(qiáng)度優(yōu)于鋁合金，在輕量化方面具備出色潛力。另一方面，材料的延伸率會(huì)隨強(qiáng)度提升而下降，但在相同比強(qiáng)度下，鋼材的延伸率高于鋁合金與鎂合金。以雙相鋼（DP鋼）、相變誘導(dǎo)塑性鋼（TRIP鋼）為代表的高強(qiáng)度鋼板，通過(guò)優(yōu)化成分體系與制造工藝實(shí)現(xiàn)了高延伸率，從加工角度而言，也是比其他輕量化材料更易使用的材料。從該圖中也可看出，高強(qiáng)度鋼板是兼顧碰撞安全性與輕量化的理想材料。
車身的實(shí)際使用性能還依賴于剛度，因此，將彈性模量除以密度得到的比剛度，對(duì)輕量化同樣重要。鐵的密度約為7.87g/cm3，是鋁合金的3倍左右，但鐵的彈性模量約為205GPa，同樣接近鋁合金的3倍，因此，鐵與鋁合金的比剛度基本相當(dāng)。也就是說(shuō)，從剛度角度來(lái)看，鐵與鋁合金具有同等的輕量化潛力。
在實(shí)際汽車部件中，除抗拉性能外，還需具備承受彎曲等不同變形模式的強(qiáng)度。已知彎曲變形強(qiáng)度與板厚的n次方（n≈2）成正比，因此，對(duì)于密度較高的鋼材，若通過(guò)減薄板厚實(shí)現(xiàn)輕量化，會(huì)對(duì)彎曲性能產(chǎn)生不利影響。要充分利用鋼材的高比強(qiáng)度與比剛度實(shí)現(xiàn)輕量化，需構(gòu)建能夠沿板面承受力的結(jié)構(gòu)（如封閉截面結(jié)構(gòu)、連續(xù)框架結(jié)構(gòu)），并配套相應(yīng)的施工工藝。
2.2溫室氣體減排潛力
在碳中和評(píng)估中，對(duì)從車身制造到廢棄全生命周期內(nèi)的二氧化碳排放量進(jìn)行評(píng)估的工作正受到越來(lái)越多的重視。以往對(duì)汽車的關(guān)注多集中于行駛過(guò)程中的二氧化碳排放，重點(diǎn)是通過(guò)車身輕量化改善燃油效率，減少排放量，但從全生命周期評(píng)估角度來(lái)看，還需考慮材料生產(chǎn)及廢棄過(guò)程中的排放量。
圖2展示了鋼材與鋁合金車身在材料制造、車身制造及行駛?cè)芷趦?nèi)二氧化碳排放量的評(píng)估結(jié)果。采用高爐法生產(chǎn)1t鋼材時(shí)，約排放2t二氧化碳，但相較于需要電解工藝的鋁合金精煉，鋼材在材料生產(chǎn)階段的排放量明顯更低。這表明，從全生命周期視角評(píng)估時(shí)，選擇材料需充分考慮其生產(chǎn)階段的環(huán)境負(fù)荷。隨著燃油效率標(biāo)準(zhǔn)趨嚴(yán)及電動(dòng)化推進(jìn)，行駛階段的環(huán)境負(fù)荷逐漸降低，全生命周期內(nèi)的減排重要性將進(jìn)一步提升。此外，鋼材在汽車報(bào)廢后易于回收再利用，從全生命周期評(píng)估角度來(lái)看，屬于環(huán)境負(fù)荷較低的材料。以往材料選擇多側(cè)重價(jià)格與性能，而從碳中和視角出發(fā)，未來(lái)材料生產(chǎn)階段的二氧化碳排放量、可回收性等綜合環(huán)境負(fù)荷，也將成為重要的選擇指標(biāo)。
3先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板的開(kāi)發(fā)
要實(shí)現(xiàn)輕量化車身，開(kāi)發(fā)具備卓越特性的先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板不可或缺。以下將分別介紹面向車身骨架部件的冷軋鋼板、冷軋鍍層鋼板、熱成形鋼板，以及面向底盤部件的熱軋鋼板的開(kāi)發(fā)進(jìn)展。
3.1車身骨架部件對(duì)材料的性能要求
圖3-圖5從強(qiáng)度與成形性（或碰撞時(shí)的變形能力）兩個(gè)維度，梳理了面向車身骨架部件的高強(qiáng)度鋼板的發(fā)展歷程。材料強(qiáng)度與車身碰撞安全性（以沖擊吸收為代表）相關(guān)，提升強(qiáng)度不僅可提高碰撞安全性，還能為車身輕量化提供支持。另一個(gè)維度則體現(xiàn)了材料在沖壓成形過(guò)程中的延伸率、拉伸凸緣性、彎曲性等成形性能，或部件成形后承受大變形的能力。
在圖3-圖5中，從強(qiáng)度與變形能力角度出發(fā)，將適用部件大致分為三類。第一類是以保險(xiǎn)杠為代表的、注重碰撞時(shí)高承載能力的部件（懸架部件），這類部件廣泛應(yīng)用熱成形技術(shù)，強(qiáng)度提升最為顯著。第二類是以中立柱為代表的客艙周邊骨架部件及電池箱部件，其強(qiáng)度提升進(jìn)度僅次于懸架部件。除熱成形鋼板外，抗拉強(qiáng)度超過(guò)980MPa的冷軋及冷軋鍍層鋼板也已應(yīng)用于這類部件，近期有報(bào)道稱，2.0GPa級(jí)熱成形鋼板已應(yīng)用于中立柱，1470MPa級(jí)冷軋鋼板已應(yīng)用于前立柱。第三類是前縱梁/后縱梁等布置在客艙前后的沖擊吸收部件，這類部件在正面及追尾碰撞時(shí)，需通過(guò)軸向壓潰變形或彎曲變形產(chǎn)生大位移，從而實(shí)現(xiàn)碰撞能量吸收功能。因此，這類部件不僅要求材料具備高強(qiáng)度，還需具備足夠的變形能力，確保在碰撞大變形下不發(fā)生斷裂。以下將闡述適用于上述各類部件的熱成形鋼板、冷軋及冷軋鍍層鋼板的特點(diǎn)。
3.2熱成形鋼板
高強(qiáng)度鋼板在冷成形過(guò)程中，會(huì)面臨伴隨延性下降出現(xiàn)的板材斷裂、形狀固定性變差、沖壓負(fù)荷升高等問(wèn)題。熱成形技術(shù)作為解決這些問(wèn)題的手段之一，已實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。該技術(shù)是將鋼板加熱至奧氏體單相區(qū)（約900℃），隨后進(jìn)行熱沖壓成形，同時(shí)利用沖壓模具快速冷卻實(shí)現(xiàn)淬火，得到馬氏體組織，進(jìn)而制造高強(qiáng)度部件。由于在高溫下成形，沖壓負(fù)荷較?。磺彝ㄟ^(guò)模具內(nèi)淬火，可降低殘余應(yīng)力，形狀固定性優(yōu)異。熱成形后的鋼板強(qiáng)度不受成形前強(qiáng)度影響，而是由淬火后的馬氏體組織決定。如圖6所示，淬火馬氏體的強(qiáng)度隨碳含量增加呈單調(diào)上升趨勢(shì)，硅、錳等其他元素影響較小。因此，熱成形鋼板的強(qiáng)度大致由碳含量決定，2.0GPa級(jí)熱成形鋼板的碳含量需超過(guò)0.3mass%。隨著熱成形鋼板強(qiáng)度的提升，在實(shí)際部件應(yīng)用中，碳含量增加導(dǎo)致的韌性與焊接性能下降成為主要問(wèn)題。對(duì)于1.8GPa級(jí)熱成形鋼板，碳含量增加帶來(lái)了性能問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，目前通過(guò)細(xì)化原始奧氏體組織，確保了韌性、焊接性能等必要特性。此外，不僅從材料層面，還從應(yīng)用技術(shù)層面采取應(yīng)對(duì)措施，以實(shí)現(xiàn)更高強(qiáng)度，目前正推進(jìn)強(qiáng)度超過(guò)2.0GPa的熱成形鋼板開(kāi)發(fā)（圖3）。
為擴(kuò)大熱成形鋼板的應(yīng)用部件范圍，還在致力于改善其壓潰時(shí)的變形能力。圖7展示了將熱成形鋼板沖壓成帽形部件后的彎曲試驗(yàn)結(jié)果。壓潰試驗(yàn)中的開(kāi)裂行為與彎曲性能存在相關(guān)性，日本汽車工業(yè)協(xié)會(huì)（JAMA）標(biāo)準(zhǔn)化的彎曲試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)VDA238-100中規(guī)定的VDA彎曲角，常被用作彎曲性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。普通2.0GPa級(jí)熱成形鋼板的VDA彎曲角為48°，比1.5GPa級(jí)低約10°，在部件彎曲試驗(yàn)中出現(xiàn)開(kāi)裂；而高彎曲性能型2.0GPa級(jí)熱成形鋼板，通過(guò)優(yōu)化成分與工藝條件，實(shí)現(xiàn)了與1.5GPa級(jí)熱成形鋼板相當(dāng)?shù)腣DA彎曲角，有效抑制了部件彎曲試驗(yàn)中的開(kāi)裂現(xiàn)象。此外，熱成形后強(qiáng)度低于1.3GPa的低強(qiáng)度熱成形鋼板也已實(shí)現(xiàn)實(shí)用化，為擴(kuò)大應(yīng)用部件范圍提供了支持。
熱成形過(guò)程需在非氧化性氣氛中加熱，但從加熱爐到?jīng)_壓輸送過(guò)程中，無(wú)法避免鋼板氧化，會(huì)形成氧化鐵皮。這些氧化鐵皮在成形時(shí)脫落并堆積在模具內(nèi)，不僅會(huì)增加模具磨損，若殘留在部件表面，還需通過(guò)噴丸處理去除。為解決這些問(wèn)題，將合金化熱浸鍍鋅、熱浸鍍鋁的熱成形鋼板實(shí)現(xiàn)商品化。熱浸鍍鋁過(guò)程中會(huì)形成鐵-鋁金屬間化合物，可抑制氧化鐵皮生成，且可進(jìn)行點(diǎn)焊與化學(xué)轉(zhuǎn)化涂裝；同時(shí)，鋁形成的鈍化膜還能為部件提供耐腐蝕性。
3.3冷軋鋼板及冷軋鍍層鋼板
冷軋鋼板及冷軋鍍層鋼板主要應(yīng)用于客艙周邊骨架部件，目前已開(kāi)發(fā)出以DP鋼、TRIP鋼為代表的高成形性高強(qiáng)度鋼板，其中1180MPa級(jí)產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。這類鋼板由軟質(zhì)鐵素體、硬質(zhì)馬氏體、貝氏體以及加工過(guò)程中發(fā)生馬氏體相變的殘余奧氏體等多種組織構(gòu)成，可通過(guò)控制各組織的比例與尺寸，滿足不同的強(qiáng)度與加工性能需求。對(duì)于強(qiáng)度等級(jí)在1470MPa及以上的鋼板，與熱成形鋼板類似，其組織以馬氏體為主。如前所述，1470MPa級(jí)冷軋鋼板已實(shí)現(xiàn)實(shí)用化，目前正推進(jìn)1760MPa級(jí)鋼板的開(kāi)發(fā)（圖4）。
與熱成形鋼板相同，冷軋鋼板及冷軋鍍層鋼板在強(qiáng)度提升過(guò)程中，也面臨韌性、焊接性能、抗氫脆性能等方面的問(wèn)題。此外，鍍鋅鋼板還存在一個(gè)特有問(wèn)題，即點(diǎn)焊過(guò)程中的液體金屬脆化（LME）。液體金屬脆化是已知的由固體金屬與液體金屬組合引發(fā)的現(xiàn)象，指高延性金屬或合金與特定液體金屬接觸并承受載荷時(shí)，延性顯著下降的現(xiàn)象。近年來(lái)有報(bào)道稱，高強(qiáng)度鋼板在點(diǎn)焊過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)LME開(kāi)裂。點(diǎn)焊過(guò)程中LME開(kāi)裂的產(chǎn)生與三個(gè)因素相關(guān)：應(yīng)力-應(yīng)變、液態(tài)鋅以及材料敏感性，三者疊加時(shí)便會(huì)引發(fā)開(kāi)裂。因此，要抑制高強(qiáng)度鋼板的LME開(kāi)裂，需針對(duì)各影響因素采取相應(yīng)措施，目前已開(kāi)展考慮LME開(kāi)裂敏感性的材料開(kāi)發(fā)。此外，還有研究報(bào)道利用有限元分析（FEM）對(duì)焊點(diǎn)模擬進(jìn)行分析，從引發(fā)LME開(kāi)裂的應(yīng)力-應(yīng)變角度，評(píng)估了電極壓力、電流值等因素的影響。
對(duì)于前縱梁/后縱梁等沖擊吸收部件，除成形性外，還要求其在大變形時(shí)不發(fā)生斷裂導(dǎo)致變形進(jìn)程中斷（即具備穩(wěn)定的壓潰性能），因此這類部件目前僅應(yīng)用590-780MPa級(jí)的高強(qiáng)度鋼板。為實(shí)現(xiàn)這類部件的高強(qiáng)度化，除探討應(yīng)用成形性優(yōu)異的TRIP鋼外，還開(kāi)發(fā)了能量吸收性能（EA：EnergyAbsorption）優(yōu)異的鋼板。圖8展示了980MPa級(jí)EA鋼板的性能示例。該鋼板的特點(diǎn)是，與傳統(tǒng)DP鋼相比，延伸率相近，但彎曲性能顯著提升，VDA彎曲角從70°提高至95°；在模擬部件的軸向壓潰試驗(yàn)中，也未發(fā)生斷裂，表現(xiàn)出優(yōu)異的能量吸收能力。研究表明，部件的能量吸收性能不僅受材料特性影響，還與部件形狀密切相關(guān)，通過(guò)減小平面寬度與板厚的比值（Wp/t），可提升部件的能量吸收性能。未來(lái)，通過(guò)優(yōu)化部件形狀及推進(jìn)1180MPa級(jí)、1470MPa級(jí)EA鋼板的開(kāi)發(fā)，有望進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)這類部件的輕量化（圖5）。
3.4熱軋鋼板
熱軋鋼板主要應(yīng)用于汽車車架、底盤部件等。由于這些部件屬于重要安全部件，除強(qiáng)度與剛度外，對(duì)鋼板的疲勞耐久性、耐腐蝕性等可靠性要求也較高。因此，在汽車部件中，這類部件的高強(qiáng)度化進(jìn)程相對(duì)滯后，此前以440MPa級(jí)、590MPa級(jí)為主流，目前抗拉強(qiáng)度超過(guò)780MPa的高強(qiáng)度鋼板應(yīng)用正逐步推進(jìn)。
圖9從強(qiáng)度與加工性能維度梳理了高強(qiáng)度熱軋鋼板的發(fā)展歷程。各類車架等部件對(duì)加工性能的要求低于底盤部件，因此，高強(qiáng)度熱軋鋼板在這類部件中的應(yīng)用進(jìn)展較快。舉例來(lái)說(shuō)，中大型卡車的防撞裝置已應(yīng)用以馬氏體組織為主的1180MPa級(jí)熱軋鋼板。另一方面，作為典型底盤部件的下擺臂，因部件形狀特殊，除延性外，還要求具備較高的拉伸凸緣性。為保證延性，采用軟質(zhì)鐵素體與硬質(zhì)相構(gòu)成的復(fù)合組織；同時(shí)，通過(guò)固溶強(qiáng)化、細(xì)小析出物強(qiáng)化鐵素體，并選擇貝氏體作為第二相以減小組織間的強(qiáng)度差異，從而提高拉伸凸緣性?；谶@一組織控制思路，在實(shí)現(xiàn)高延性與高拉伸凸緣性平衡的基礎(chǔ)上，780MPa級(jí)、980MPa級(jí)熱軋鋼板已實(shí)現(xiàn)實(shí)用化，這類鋼板在電弧焊接性能、彎曲性能、疲勞特性等方面表現(xiàn)優(yōu)異。如前所述，抗拉強(qiáng)度超過(guò)980MPa的高強(qiáng)度鋼板，從比強(qiáng)度角度來(lái)看，有望實(shí)現(xiàn)優(yōu)于鋁合金的輕量化效果，因此，目前正推進(jìn)具備優(yōu)異延性與拉伸凸緣性的1180MPa級(jí)熱軋鋼板的開(kāi)發(fā)。
此外，由于底盤部件長(zhǎng)期處于嚴(yán)苛的腐蝕環(huán)境中，部分場(chǎng)景會(huì)采用熱鍍鋅鋼板。為滿足這一需求，通過(guò)在整合熱軋工序與熱鍍鋅工序熱履歷的一體化流程中進(jìn)行組織控制，減小組織間的強(qiáng)度差異，并實(shí)施熱鍍鋅處理，開(kāi)發(fā)出了高彎曲性能型590MPa級(jí)、780MPa級(jí)鋼板。
4結(jié)論
鋼鐵材料在高強(qiáng)度化方面潛力巨大，從碳中和視角來(lái)看也是性能優(yōu)異的材料，通過(guò)合理應(yīng)用鋼鐵材料，有望為全生命周期內(nèi)二氧化碳排放量的削減做出貢獻(xiàn)。隨著強(qiáng)度提升，不僅成形性，部件應(yīng)用中涉及的韌性、焊接性能、抗氫脆性能等技術(shù)門檻也會(huì)相應(yīng)提高。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，除材料開(kāi)發(fā)以外，還將推進(jìn)加工、焊接等應(yīng)用技術(shù)的研發(fā)，以攻克這些難題，為可持續(xù)社會(huì)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。
