當前汽車行業(yè)正經歷百年未有之變局，電動化、智能化、網聯化、共享化與綠色化成為核心發(fā)展方向，推動產業(yè)生態(tài)全面重構。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”轉向“全生命周期優(yōu)化”，通過材料創(chuàng)新（第三代AHSS、熱成形鋼、非調質鋼等）、工藝革新（激光拼焊、一體化成形等）和綠色轉型（綠鋼生產、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。為展示近年來汽車用鋼研發(fā)與應用技術的最新成果，本報特組織該專題，以饗讀者。
1引言
為了實現碳中和，汽車產業(yè)正加速推進電動化轉型及新型能源適配。隨著動力源的這一變革，汽車車身各部件所承擔的功能隨之改變，同時也出現了新的部件類型，部分傳統部件則逐漸被淘汰。在車身領域，此前為滿足各國日益嚴格的碰撞安全與燃油效率標準，已通過采用高強度鋼、鋁合金等材料推進車身輕量化。在此背景下，提出了將先進高強度鋼板與結構、施工方法相結合，以提升汽車整體附加值。
通常來說，普通乘用車的重量約為1噸，其中鋼鐵材料占比達70%。輕量化可通過減薄汽車用材料的板厚實現，但同時需確保車身的碰撞安全性與剛度。此外，汽車由眾多部件構成，不同部件功能各異，因此，對鋼板性能的要求也因應用部件的不同而存在差異?；诖?，以車身輕量化為目標的汽車用鋼板性能提升，也需根據各部件的特性需求逐一推進。本文將闡述鋼鐵作為汽車材料的特點，介紹各部件對材料的性能要求以及相應開發(fā)的汽車用高強度鋼板，并對未來相關技術發(fā)展趨勢進行展望。
2鋼鐵作為車身材料的特點
影響汽車車身重量的主要因素是碰撞安全性與剛度，而決定這兩項因素的材料關鍵特性分別為強度與彈性模量。另一方面，近年來在碳中和評估中，全生命周期評估（LCA）的重要性日益凸顯，材料生產及廢棄過程中產生的含二氧化碳在內的溫室氣體排放量（以下簡稱“二氧化碳排放量”），也成為材料選擇的重要考量因素。以下將從強度、彈性模量及二氧化碳排放量三個維度，將鋼鐵材料與其他材料進行對比，闡述汽車應用鋼鐵材料的優(yōu)勢，并介紹相關評估結果。
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度與延伸率之間的關系。比強度是用抗拉強度除以密度得到的指標，可在質量等效的條件下對材料強度進行比較。目前，汽車用鋼板已實現從270MPa級到2.0GPa級的廣泛強度等級應用。從圖中可見，抗拉強度超過980MPa的高強度鋼板，其比強度優(yōu)于鋁合金，在輕量化方面具備出色潛力。另一方面，材料的延伸率會隨強度提升而下降，但在相同比強度下，鋼材的延伸率高于鋁合金與鎂合金。以雙相鋼（DP鋼）、相變誘導塑性鋼（TRIP鋼）為代表的高強度鋼板，通過優(yōu)化成分體系與制造工藝實現了高延伸率，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，高強度鋼板是兼顧碰撞安全性與輕量化的理想材料。
車身的實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。也就是說，從剛度角度來看，鐵與鋁合金具有同等的輕量化潛力。
在實際汽車部件中，除抗拉性能外，還需具備承受彎曲等不同變形模式的強度。已知彎曲變形強度與板厚的n次方（n≈2）成正比，因此，對于密度較高的鋼材，若通過減薄板厚實現輕量化，會對彎曲性能產生不利影響。要充分利用鋼材的高比強度與比剛度實現輕量化，需構建能夠沿板面承受力的結構（如封閉截面結構、連續(xù)框架結構），并配套相應的施工工藝。
2.2溫室氣體減排潛力
在碳中和評估中，對從車身制造到廢棄全生命周期內的二氧化碳排放量進行評估的工作正受到越來越多的重視。以往對汽車的關注多集中于行駛過程中的二氧化碳排放，重點是通過車身輕量化改善燃油效率，減少排放量，但從全生命周期評估角度來看，還需考慮材料生產及廢棄過程中的排放量。
圖2展示了鋼材與鋁合金車身在材料制造、車身制造及行駛全生命周期內二氧化碳排放量的評估結果。采用高爐法生產1t鋼材時，約排放2t二氧化碳，但相較于需要電解工藝的鋁合金精煉，鋼材在材料生產階段的排放量明顯更低。這表明，從全生命周期視角評估時，選擇材料需充分考慮其生產階段的環(huán)境負荷。隨著燃油效率標準趨嚴及電動化推進，行駛階段的環(huán)境負荷逐漸降低，全生命周期內的減排重要性將進一步提升。此外，鋼材在汽車報廢后易于回收再利用，從全生命周期評估角度來看，屬于環(huán)境負荷較低的材料。以往材料選擇多側重價格與性能，而從碳中和視角出發(fā)，未來材料生產階段的二氧化碳排放量、可回收性等綜合環(huán)境負荷，也將成為重要的選擇指標。
3先進高強度鋼板的開發(fā)
要實現輕量化車身，開發(fā)具備卓越特性的先進高強度鋼板不可或缺。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發(fā)進展。
3.1車身骨架部件對材料的性能要求
圖3-圖5從強度與成形性（或碰撞時的變形能力）兩個維度，梳理了面向車身骨架部件的高強度鋼板的發(fā)展歷程。材料強度與車身碰撞安全性（以沖擊吸收為代表）相關，提升強度不僅可提高碰撞安全性，還能為車身輕量化提供支持。另一個維度則體現了材料在沖壓成形過程中的延伸率、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。第一類是以保險杠為代表的、注重碰撞時高承載能力的部件（懸架部件），這類部件廣泛應用熱成形技術，強度提升最為顯著。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，其強度提升進度僅次于懸架部件。除熱成形鋼板外，抗拉強度超過980MPa的冷軋及冷軋鍍層鋼板也已應用于這類部件，近期有報道稱，2.0GPa級熱成形鋼板已應用于中立柱，1470MPa級冷軋鋼板已應用于前立柱。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，需通過軸向壓潰變形或彎曲變形產生大位移，從而實現碰撞能量吸收功能。因此，這類部件不僅要求材料具備高強度，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。
3.2熱成形鋼板
高強度鋼板在冷成形過程中，會面臨伴隨延性下降出現的板材斷裂、形狀固定性變差、沖壓負荷升高等問題。熱成形技術作為解決這些問題的手段之一，已實現實用化。該技術是將鋼板加熱至奧氏體單相區(qū)（約900℃），隨后進行熱沖壓成形，同時利用沖壓模具快速冷卻實現淬火，得到馬氏體組織，進而制造高強度部件。由于在高溫下成形，沖壓負荷較?。磺彝ㄟ^模具內淬火，可降低殘余應力，形狀固定性優(yōu)異。熱成形后的鋼板強度不受成形前強度影響，而是由淬火后的馬氏體組織決定。如圖6所示，淬火馬氏體的強度隨碳含量增加呈單調上升趨勢，硅、錳等其他元素影響較小。因此，熱成形鋼板的強度大致由碳含量決定，2.0GPa級熱成形鋼板的碳含量需超過0.3mass%。隨著熱成形鋼板強度的提升，在實際部件應用中，碳含量增加導致的韌性與焊接性能下降成為主要問題。對于1.8GPa級熱成形鋼板，碳含量增加帶來了性能問題。針對這些問題，目前通過細化原始奧氏體組織，確保了韌性、焊接性能等必要特性。此外，不僅從材料層面，還從應用技術層面采取應對措施，以實現更高強度，目前正推進強度超過2.0GPa的熱成形鋼板開發(fā)（圖3）。
為擴大熱成形鋼板的應用部件范圍，還在致力于改善其壓潰時的變形能力。圖7展示了將熱成形鋼板沖壓成帽形部件后的彎曲試驗結果。壓潰試驗中的開裂行為與彎曲性能存在相關性，日本汽車工業(yè)協會（JAMA）標準化的彎曲試驗標準VDA238-100中規(guī)定的VDA彎曲角，常被用作彎曲性能的評價指標。普通2.0GPa級熱成形鋼板的VDA彎曲角為48°，比1.5GPa級低約10°，在部件彎曲試驗中出現開裂；而高彎曲性能型2.0GPa級熱成形鋼板，通過優(yōu)化成分與工藝條件，實現了與1.5GPa級熱成形鋼板相當的VDA彎曲角，有效抑制了部件彎曲試驗中的開裂現象。此外，熱成形后強度低于1.3GPa的低強度熱成形鋼板也已實現實用化，為擴大應用部件范圍提供了支持。
熱成形過程需在非氧化性氣氛中加熱，但從加熱爐到沖壓輸送過程中，無法避免鋼板氧化，會形成氧化鐵皮。這些氧化鐵皮在成形時脫落并堆積在模具內，不僅會增加模具磨損，若殘留在部件表面，還需通過噴丸處理去除。為解決這些問題，將合金化熱浸鍍鋅、熱浸鍍鋁的熱成形鋼板實現商品化。熱浸鍍鋁過程中會形成鐵-鋁金屬間化合物，可抑制氧化鐵皮生成，且可進行點焊與化學轉化涂裝；同時，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用于客艙周邊骨架部件，目前已開發(fā)出以DP鋼、TRIP鋼為代表的高成形性高強度鋼板，其中1180MPa級產品已實現實用化。這類鋼板由軟質鐵素體、硬質馬氏體、貝氏體以及加工過程中發(fā)生馬氏體相變的殘余奧氏體等多種組織構成，可通過控制各組織的比例與尺寸，滿足不同的強度與加工性能需求。對于強度等級在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級冷軋鋼板已實現實用化，目前正推進1760MPa級鋼板的開發(fā)（圖4）。
與熱成形鋼板相同，冷軋鋼板及冷軋鍍層鋼板在強度提升過程中，也面臨韌性、焊接性能、抗氫脆性能等方面的問題。此外，鍍鋅鋼板還存在一個特有問題，即點焊過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，延性顯著下降的現象。近年來有報道稱，高強度鋼板在點焊過程中會出現LME開裂。點焊過程中LME開裂的產生與三個因素相關：應力-應變、液態(tài)鋅以及材料敏感性，三者疊加時便會引發(fā)開裂。因此，要抑制高強度鋼板的LME開裂，需針對各影響因素采取相應措施，目前已開展考慮LME開裂敏感性的材料開發(fā)。此外，還有研究報道利用有限元分析（FEM）對焊點模擬進行分析，從引發(fā)LME開裂的應力-應變角度，評估了電極壓力、電流值等因素的影響。
對于前縱梁/后縱梁等沖擊吸收部件，除成形性外，還要求其在大變形時不發(fā)生斷裂導致變形進程中斷（即具備穩(wěn)定的壓潰性能），因此這類部件目前僅應用590-780MPa級的高強度鋼板。為實現這類部件的高強度化，除探討應用成形性優(yōu)異的TRIP鋼外，還開發(fā)了能量吸收性能（EA：EnergyAbsorption）優(yōu)異的鋼板。圖8展示了980MPa級EA鋼板的性能示例。該鋼板的特點是，與傳統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中，也未發(fā)生斷裂，表現出優(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，通過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，通過優(yōu)化部件形狀及推進1180MPa級、1470MPa級EA鋼板的開發(fā)，有望進一步實現這類部件的輕量化（圖5）。
3.4熱軋鋼板
熱軋鋼板主要應用于汽車車架、底盤部件等。由于這些部件屬于重要安全部件，除強度與剛度外，對鋼板的疲勞耐久性、耐腐蝕性等可靠性要求也較高。因此，在汽車部件中，這類部件的高強度化進程相對滯后，此前以440MPa級、590MPa級為主流，目前抗拉強度超過780MPa的高強度鋼板應用正逐步推進。
圖9從強度與加工性能維度梳理了高強度熱軋鋼板的發(fā)展歷程。各類車架等部件對加工性能的要求低于底盤部件，因此，高強度熱軋鋼板在這類部件中的應用進展較快。舉例來說，中大型卡車的防撞裝置已應用以馬氏體組織為主的1180MPa級熱軋鋼板。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，采用軟質鐵素體與硬質相構成的復合組織；同時，通過固溶強化、細小析出物強化鐵素體，并選擇貝氏體作為第二相以減小組織間的強度差異，從而提高拉伸凸緣性。基于這一組織控制思路，在實現高延性與高拉伸凸緣性平衡的基礎上，780MPa級、980MPa級熱軋鋼板已實現實用化，這類鋼板在電弧焊接性能、彎曲性能、疲勞特性等方面表現優(yōu)異。如前所述，抗拉強度超過980MPa的高強度鋼板，從比強度角度來看，有望實現優(yōu)于鋁合金的輕量化效果，因此，目前正推進具備優(yōu)異延性與拉伸凸緣性的1180MPa級熱軋鋼板的開發(fā)。
此外，由于底盤部件長期處于嚴苛的腐蝕環(huán)境中，部分場景會采用熱鍍鋅鋼板。為滿足這一需求，通過在整合熱軋工序與熱鍍鋅工序熱履歷的一體化流程中進行組織控制，減小組織間的強度差異，并實施熱鍍鋅處理，開發(fā)出了高彎曲性能型590MPa級、780MPa級鋼板。
4結論
鋼鐵材料在高強度化方面潛力巨大，從碳中和視角來看也是性能優(yōu)異的材料，通過合理應用鋼鐵材料，有望為全生命周期內二氧化碳排放量的削減做出貢獻。隨著強度提升，不僅成形性，部件應用中涉及的韌性、焊接性能、抗氫脆性能等技術門檻也會相應提高。從長遠來看，除材料開發(fā)以外，還將推進加工、焊接等應用技術的研發(fā)，以攻克這些難題，為可持續(xù)社會發(fā)展貢獻力量。
