李 琦，陽(yáng) 林，賀紹華

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510006）

1 引言

汽車輕量化是指在滿足汽車動(dòng)力性、舒適性、安全性等基本性能不變的情況下，盡可能地減少汽車質(zhì)量，以改善其燃油經(jīng)濟(jì)性，減少排放，是緩解環(huán)境矛盾，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代汽車節(jié)能減排的重要方向。尤其對(duì)新能源汽車延長(zhǎng)其續(xù)駛里程有著重大意義。要實(shí)現(xiàn)汽車輕量化，其基本途徑主要有以下四種：一是選擇合適的低密度材料，如鋁合金、鎂合金和鈦合金等替代鋼材料，雖然效果明顯，但是成本較高；二是選用更高強(qiáng)度的鋼板即高強(qiáng)度鋼，通過增加其強(qiáng)度來減小鋼板的厚度；三是采用先進(jìn)的加工工藝和焊接手段，減少冗余材料、焊點(diǎn)等；四是采用先進(jìn)的CAD/CAE軟件對(duì)汽車零部件及車身框架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善零部件結(jié)構(gòu)，減少零件數(shù)量。

其中，由于高強(qiáng)度鋼比汽車傳統(tǒng)車用鋼材有更高的強(qiáng)度，且成本較輕金屬低，通過減小構(gòu)件厚度實(shí)現(xiàn)輕量化，效果良好。有研究表明，當(dāng)鋼板厚度分別減少0.05 mm、0.10 mm和0.15 mm時(shí)，車身減重分別為6%、12%和18%[1-2]。另外，采用先進(jìn)高強(qiáng)度鋼，還增加了車輛的安全性，降低了噪聲和振動(dòng)，提高了燃油效率。目前汽車的碰撞安全性能凡是達(dá)到U—NCAP碰撞4星或5星級(jí)水平的汽車都在一些安全件中（如A、B、C三柱和保險(xiǎn)杠防撞梁，門防撞桿，保險(xiǎn)杠防沖柱等）采用了熱成型技術(shù)成型的抗拉強(qiáng)度為1 500 MPa、屈服強(qiáng)度為1 200 MPa的馬氏體鋼?？傮w來說，通過提高高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用比例，成本沒有增加多少，而加速性、安全性能卻有了較大的改善。

根據(jù)國(guó)際鋼鐵協(xié)會(huì)USL-AB項(xiàng)目的定義，屈服強(qiáng)度為210～550 MPa及抗拉強(qiáng)度從270～700 MPa的為高強(qiáng)度鋼（簡(jiǎn)稱HSS），而屈服強(qiáng)度大于550 MPa及抗拉強(qiáng)度大于700 MPa的則稱為先進(jìn)高強(qiáng)度鋼AHSS（也叫超高強(qiáng)度鋼）[3]。先進(jìn)高強(qiáng)鋼（AHSS）主要包括雙相（DP）鋼、相變誘發(fā)塑性（TRIP）鋼、馬氏體級(jí)（M）鋼、復(fù)相（CP）鋼、熱成型（HF）鋼和孿晶誘發(fā)塑性（TWIP）鋼。

2 先進(jìn)高強(qiáng)度鋼種類及其特性

先進(jìn)高強(qiáng)鋼（AHSS）作為多相組織鋼，含有馬氏體、貝氏體或殘余奧氏體，采用了以相變強(qiáng)化為主的復(fù)合強(qiáng)化方法，其強(qiáng)度與高強(qiáng)度鋼相比有了很大的提高，特別是加工硬化指數(shù)高，有利于提高沖撞過程中能量的吸收，所以其在減重和安全性方面具有雙重優(yōu)勢(shì)。因此，先進(jìn)高強(qiáng)鋼成為汽車公司進(jìn)行普通汽車輕量化設(shè)計(jì)的首選材料，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)。

2.1 雙相鋼

雙相鋼又叫DP鋼（Dual Phase Steels），是一種由馬氏體或奧氏體與鐵素體基體兩相組織構(gòu)成的鋼。一般將鐵素體與奧氏體相組成的鋼稱為雙相不銹鋼，而將由鐵素體與馬氏體相組成的鋼稱為雙相鋼。其顯微組織如圖1所示[3]，軟質(zhì)的鐵素體之間相互連續(xù)，硬質(zhì)的馬氏體則呈島狀分布，這種結(jié)構(gòu)使其具有良好的塑性。在加工變形時(shí)，應(yīng)變集中在鐵素體周圍的馬氏體相上，表現(xiàn)出良好的加工硬化特性。隨著硬質(zhì)馬氏體相體積分?jǐn)?shù)的增加，雙相鋼的強(qiáng)度也隨之增強(qiáng)。

根據(jù)得到雙相組織的方法不同，雙相鋼可以分為熱處理雙相鋼和熱軋雙相鋼。在汽車用鋼中，熱軋雙相鋼應(yīng)用比較廣泛，它是通過先將鋼坯加熱到1 200℃左右，待其完全奧氏體化后進(jìn)行第一階段的軋制，單道次壓下量大于20%，第一階段壓下量大于70%，實(shí)現(xiàn)再結(jié)晶細(xì)化奧氏體晶粒；待溫到950℃以下進(jìn)行第二階段的軋制，第二階段壓下量為80%左右，終軋溫度控制在800℃～850℃，低溫區(qū)軋制誘導(dǎo)析出抑制再結(jié)晶發(fā)生，奧氏體加工硬化可提高鐵素體相變驅(qū)動(dòng)力并細(xì)化晶粒；軋后緩冷約 15 s，在鐵素體(α)和奧氏體（γ）的兩相區(qū)（α+γ）停留一定時(shí)間有α相大量析出，剩余γ相的碳濃度增加，而后采取快速冷卻至370℃以下，以防止珠光體和貝氏體相變的發(fā)生，使奧氏體組織轉(zhuǎn)化為馬氏體組織，從而得到鐵素體和馬氏體雙相組織。

由于雙相鋼中馬氏體是以島狀的形式分布在鐵素體之間，因此，DP鋼具有低屈強(qiáng)比、無屈服點(diǎn)和連續(xù)屈服、高延伸及初始硬化速率快的特性。在沖壓成型時(shí)，利于材料的均勻變形，能避免在深度拉伸和深沖壓加工時(shí)可能出現(xiàn)的局部頸縮及斷裂現(xiàn)象，從而得到大量應(yīng)用。它主要應(yīng)用在汽車的邊梁、側(cè)面構(gòu)件、橫梁、支柱、底盤加強(qiáng)件、油箱支架及車體的結(jié)構(gòu)件、加強(qiáng)件和防撞件中。

2.2 相變誘發(fā)塑性鋼

相變誘發(fā)塑性鋼即是TRIP鋼（Transformation-Induced Plasticity Steel），它是在鐵素體的基質(zhì)上嵌入殘余奧氏體，且殘余奧氏體的含量在5%左右。而硬質(zhì)相的馬氏體和貝氏體的含量則可以在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)變化，其顯微組織如圖2所示[3]。在應(yīng)力應(yīng)變作用下，其結(jié)構(gòu)中殘余的奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，從而誘發(fā)相變塑性，同時(shí)也提高了鋼的強(qiáng)度。與DP鋼不同的是，TRIP鋼的組織中還存在一定量（5%～15%）的殘余奧氏體。TRIP鋼就是通過相變誘發(fā)塑性效應(yīng)使鋼板中的這些殘余奧氏體在塑性變形作用下，誘發(fā)馬氏體的生核及形成，并產(chǎn)生局部硬化，繼而變形不再集中在局部，使相變均勻擴(kuò)散到整個(gè)材料，以提高鋼板的強(qiáng)度和可塑性，一定程度上解決了強(qiáng)度和塑性的矛盾。為此，TRIP鋼體內(nèi)的殘余奧氏體必須具有足夠的穩(wěn)定性，以實(shí)現(xiàn)漸進(jìn)式的轉(zhuǎn)變，達(dá)到強(qiáng)度與塑性同步增長(zhǎng)的目標(biāo)。因此，TRIP鋼在動(dòng)態(tài)拉伸過程中，其強(qiáng)度可以得到進(jìn)一步的加強(qiáng)，而其韌性不會(huì)減弱。

TRIP鋼主要用來制作汽車的擋板、底盤部件、車門沖擊梁等，例如韓國(guó)浦項(xiàng)已經(jīng)成功開發(fā)出的800 MPa和1 000 MPa級(jí)的TRIP鋼，其成型性能非常好，可以加工成復(fù)雜形狀的汽車部件。阿塞洛生產(chǎn)的4個(gè)（TRIP600、TRIP700、TRIP800和 TRIP1000） 冷軋品種和 1個(gè)（TRIP800）熱軋品種可用于汽車的座椅結(jié)構(gòu)件、橫梁、縱梁、中后強(qiáng)化件、擋板和防護(hù)強(qiáng)化件等[4]。

2.3 馬氏體鋼

馬氏體鋼簡(jiǎn)稱M鋼（Martensitic Steel），其生產(chǎn)是在出料輥道上或連續(xù)退火線的冷卻區(qū)快速冷卻，使熱軋或退火時(shí)存在的奧氏體幾乎全部轉(zhuǎn)變成馬氏體。其微觀組織是在板條狀的馬氏體基體上分布著少量的鐵素體和／或貝氏體[3]。在多相鋼家族中，馬氏體鋼具有最高的抗拉強(qiáng)度，可達(dá)1 700 MPa。在受到驟冷回火后可以提高其韌性，即使在最高強(qiáng)度下也能提供良好的塑性。

馬氏體鋼，隨著碳含量的增加，其淬透性與強(qiáng)度都會(huì)得到加強(qiáng)，另外，錳、硅、硼、鉻、鉬、釩、鎳等元素可以通過不同的組合來提高其淬透性。由于受成型性的限制，只能用滾壓成型生產(chǎn)或沖壓形狀簡(jiǎn)單的零件，故主要用于成型要求不高的車門防撞桿等零件代替管狀零件，減少制造成本[3]。

2.4 復(fù)相鋼

復(fù)相鋼即CP鋼（Complex Phase Steels）是過渡到最高抗拉強(qiáng)度鋼中的典型鋼種。其顯微組織是在鐵素體/貝氏體的基質(zhì)上包含有少量的馬氏體、殘余奧氏體、珠光體等多種金相組織。它主要是在Mn-Cr-Si合金成分的基礎(chǔ)上，依靠鈦、鈮、釩等元素微合金化產(chǎn)生的晶粒細(xì)化效應(yīng)和析出強(qiáng)化效應(yīng)，并結(jié)合適當(dāng)?shù)木砣」に嚩a(chǎn)。與DP鋼相比，CP鋼在同等抗拉強(qiáng)度（比如800 MPa）下具有更高的屈服強(qiáng)度，較高的吸收性能和擴(kuò)孔性能。因此，特別適用于汽車的車門防撞桿、保險(xiǎn)杠和中立柱等安全結(jié)構(gòu)件[3]。

2.5 孿晶誘發(fā)塑性鋼

孿晶誘發(fā)塑性鋼即TWIP鋼（Twining-Induced Plasticity Steel），其含錳量高達(dá)17%～24%，因此，在室溫下就可以完全奧氏體化。由于在形變孿晶的成型過程中會(huì)誘發(fā)較大的變形量，故這種變形模式因此而得名。TWIP鋼的最大抗拉強(qiáng)度在1 000 MPa以上，不僅具有較高的強(qiáng)度，也具有較好的延展性。在孿晶形成過程中，其顯微組織變得越來越細(xì)，從而使得TWIP鋼具有較高的瞬時(shí)硬化指數(shù)（即n值）。當(dāng)工程應(yīng)變達(dá)到30%以上時(shí)，其n值可達(dá)0.4并保持恒定，直到總伸長(zhǎng)率達(dá)到50%。

3 先進(jìn)高強(qiáng)度鋼成型技術(shù)

如圖3所示，先進(jìn)高強(qiáng)度鋼（DP鋼、CP鋼、TRIP鋼、M鋼）隨著強(qiáng)度的提高，其總伸長(zhǎng)率（塑性）下降，導(dǎo)致其加工成型困難。相比普通高強(qiáng)度鋼而言，先進(jìn)高強(qiáng)度鋼在加工成型時(shí)，容易產(chǎn)生裂縫、回彈、表面撓曲褶皺，從而導(dǎo)致其尺寸和形狀精度不良，要達(dá)到理想的沖壓成型性能實(shí)屬不易。為擴(kuò)大先進(jìn)高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用范圍，提高其應(yīng)用比例，許多先進(jìn)的加工工藝及方法不斷地應(yīng)用到汽車工業(yè)中。

3.1 液壓成型技術(shù)

1）液壓成型技術(shù)原理。液壓成型技術(shù)主要是指依靠高壓液體（水或油）作為傳力介質(zhì)，代替剛性的凹模或凸模，使坯料在傳力介質(zhì)的壓力作用下貼合凸?；虬寄３尚偷囊环N柔性加工工藝[5]。如圖4所示。先將管坯放入下模腔內(nèi)，在液壓缸的作用下，將柱塞沖頭壓入管件兩端，使管件腔密封，然后通過沖頭內(nèi)的液體通道將液體介質(zhì)注入管件腔；此時(shí)，上模向下移動(dòng)，與下模共同形成封閉的模腔，最后高壓泵與閥門控制液體壓力不斷增大，沖頭向內(nèi)推動(dòng)管件，管壁變形并逐漸與模具內(nèi)壁貼緊，最終得到所需形狀的零件[6]。

2）液壓成型技術(shù)特點(diǎn)及其應(yīng)用。液壓成型件主要為管材、板料和殼體三種。板料和殼體的成型壓力低，而普通管材液壓成型要求的介質(zhì)壓力一般為400 MPa以上，故管材液壓成型又稱為內(nèi)高壓成型技術(shù)。通過采用管材液壓成型技術(shù)，可以一次整體成型沿構(gòu)件軸線截面有變化的空心構(gòu)件，與傳統(tǒng)工藝相比[7]:

①節(jié)約材料，減輕質(zhì)量。圖5所示的空心軸類內(nèi)高壓成型件與機(jī)加工件相比可以減輕重量40%～50%，節(jié)約材料可達(dá)75%。

②減少了零件數(shù)量，也減少模具成本。通過液壓成型技術(shù)一次成型所需零件，沖壓成型的多個(gè)零件連接可以合成為一個(gè)單獨(dú)完整的零件。不僅提高了零件的強(qiáng)度與剛度，尤其是疲勞強(qiáng)度，而且減少了焊點(diǎn)和后續(xù)機(jī)加工。如散熱器支架的組成零件由17個(gè)減少到10個(gè)，而強(qiáng)度在垂直方向提高39%，水平方向則提高50%。

③成型零件的精度提高。成型零件的尺寸精度從原來的IT14提高到IT10。

由于先進(jìn)高強(qiáng)度鋼與普通高強(qiáng)度鋼相比其強(qiáng)度得到提高，但總伸長(zhǎng)率下降，導(dǎo)致成型困難，因此，AHSS管材液壓成型所需壓力較高，可達(dá)到600～1 000 MPa。一步成型比較困難。為提高成型精度，一般要分三步成型：首先是預(yù)彎曲，將管材彎曲成最終成型的大概形狀；其次是液壓成型；最后是修剪，主要是端部激光剪切。

目前，液壓成型技術(shù)在先進(jìn)高強(qiáng)度鋼制零件中得到廣泛應(yīng)用，尤其是結(jié)構(gòu)件，例如汽車座椅骨架、側(cè)面撞擊橫梁、保險(xiǎn)杠、發(fā)動(dòng)機(jī)支架、散熱器支架、儀表板橫梁、散熱器支架和車頂橫梁等結(jié)構(gòu)件。

3.2 熱成型技術(shù)

當(dāng)鋼強(qiáng)度超過1 000 MPa時(shí)，一些形狀復(fù)雜的零件，常規(guī)的冷沖壓工藝幾乎無法成型。因此，需要采用新型的加工工藝。而熱成型技術(shù)正是一項(xiàng)專門用于極高強(qiáng)度鋼板沖壓件的新成型技術(shù)。

1）熱成型技術(shù)原理。熱成型工藝過程：首先將常溫下強(qiáng)度為500～600 MPa的硼合金鋼板加熱到880℃～950℃，使之均勻奧氏體化，然后送入內(nèi)部帶有冷卻系統(tǒng)的模具內(nèi)沖壓成型，最后快速冷卻，將奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，從而使沖壓件硬化，大幅度提高強(qiáng)度。圖6的這個(gè)過程被稱為“沖壓硬化”技術(shù)[8]。

2）熱成型技術(shù)特點(diǎn)及其應(yīng)用。為解決先進(jìn)高強(qiáng)度鋼強(qiáng)度與塑性的矛盾，可以通過將成型和強(qiáng)化分為兩個(gè)步驟來解決。熱成型技術(shù)正是這樣一種新工藝。為提高所得零件的尺寸精度，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，需注意如下幾點(diǎn)：

①鋼材的選擇。并不是任何鋼材都適用熱成型技術(shù)，目前普遍采用硼鋼進(jìn)行加工，主要是因?yàn)槲⒘康呐鹪乜梢杂行岣咪摰拇阃感裕沽慵谀＞咧幸赃m當(dāng)?shù)睦鋮s速度獲得所需的馬氏體組織，從而保證零件的高強(qiáng)度水平。

②鋼的表面鍍層。在成型過程中，由于與空氣接觸，容易導(dǎo)致氧化皮的產(chǎn)生。因此，必須在鋼的表面進(jìn)行鍍層處理，使其具備抗高溫和耐腐蝕的能力。

③模具的選擇。在熱成型過程中，鋼板及模具都要經(jīng)過從室溫到900℃以上的溫度變化，并且模具集板料成型與冷卻淬火過程于一身，所以模具設(shè)計(jì)是熱成型技術(shù)的另一個(gè)難點(diǎn)。模具材料不僅要求其具有良好的熱強(qiáng)度、熱硬度、高的耐磨性和疲勞性能，而且要能保證成型件的尺寸精度，同時(shí)要能夠抵抗高溫板料對(duì)模具產(chǎn)生的強(qiáng)大熱摩擦、脫落的氧化層碎片及顆粒在高溫下對(duì)模具表面的磨損效應(yīng)，并且能夠穩(wěn)定地在劇烈的冷熱交替環(huán)境下工作。另外，模具的凸凹模尺寸需要考慮到熱脹冷縮效應(yīng)，才能保證成型零件的精確度。為保證模具在快速的冷熱交替過程中防止迅速冷卻導(dǎo)致模具開裂，可以采用模具內(nèi)通過冷卻水的方式對(duì)成型后的零件進(jìn)行冷卻[9-11]。

通過將強(qiáng)化與成型的分離，熱成型技術(shù)可以成型強(qiáng)度高達(dá)1 500 MPa的馬氏體鋼沖壓件，而且在高溫下成型幾乎沒有回彈，具有成型精度高、成型性能好等優(yōu)點(diǎn)。因此，引起業(yè)界的普遍關(guān)注并迅速成為汽車制造領(lǐng)域的熱門技術(shù)。

4 結(jié)論

隨著先進(jìn)高強(qiáng)度鋼成型技術(shù)的發(fā)展，克服了先進(jìn)高強(qiáng)度鋼塑性不足、成型困難的缺點(diǎn)，使得先進(jìn)高強(qiáng)度鋼在汽車輕量化中得到廣泛的應(yīng)用。其最大的優(yōu)勢(shì)是：大幅度地提高了材料的強(qiáng)度，在所要求性能不變或略有提高的前提下，減薄板材構(gòu)件的厚度，降低構(gòu)件的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化目標(biāo)。

1）液壓成型技術(shù)適合于雙相鋼、復(fù)相鋼、TRIP鋼等多種鋼材，應(yīng)用范圍比較廣泛。但是對(duì)極高強(qiáng)度鋼，由于所需的成型壓力增大，導(dǎo)致成型設(shè)備成本加大，加工工藝復(fù)雜，回彈比較大。因此，適合于強(qiáng)度在1 000 MPa以下的高強(qiáng)度鋼材。

2）熱成型技術(shù)通過將零部件成型與強(qiáng)化分步實(shí)現(xiàn)，故對(duì)成型鋼材料的要求較低，是生產(chǎn)超高強(qiáng)度鋼構(gòu)件的新型成型技術(shù)。目前主要使用硼鋼作為成型鋼材，通過“沖壓硬化”技術(shù)可以得到強(qiáng)度高達(dá)1 500 MPa的馬氏體鋼結(jié)構(gòu)件。

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