楊鴻智，蘇彥芳，尹小文，朱迎五，蒯振

北京汽車研究總院有限公司 北京 101300

自卡爾·本茨1886年發(fā)明汽車的100多年來，車身無論是外觀還是結(jié)構(gòu)再到用材都經(jīng)歷了很大的變化。車身在外觀上已經(jīng)趨于同質(zhì)化，但是用材上仍然存在多種形式。從材料上劃分，分鋼制車身、鋼鋁混合車身、全鋁車身及多種材料復(fù)合車身。

車身的分類

鋼制車身是相對(duì)于鋁車身和復(fù)合式車身來區(qū)分的。鋼制車身用材主要為鋼板，分為低碳鋼（DC系列）、低合金高強(qiáng)鋼、先進(jìn)高強(qiáng)鋼、超高強(qiáng)鋼以及熱成形鋼。鋼板通過沖壓、熱成形、輥壓等成形方式制成零部件，再通過點(diǎn)焊、弧焊、螺栓聯(lián)接等連接而制成車身。鋼制車身相對(duì)來說，車身設(shè)計(jì)難度較低，制造精度更高，車身較重，碰撞性能及可靠性更好，同時(shí)其成本相對(duì)鋁合金車身、鋼鋁混合車身和多材料復(fù)合式車身來說更低。

鋼鋁混合車身由鋼制部件加部分鋁合金部件組成。鋁合金主要用在四門和發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋、行李艙蓋或者尾門部位，以及前縱梁和前、后減振器安裝部位等。鋼和鋁合金之間通過點(diǎn)焊或自沖鉚、流鉆焊等方式進(jìn)行連接，中間輔以金屬結(jié)構(gòu)膠以增加連接強(qiáng)度。鋼鋁混合車身的典型特點(diǎn)為設(shè)計(jì)難度、成本、性能及質(zhì)量的平衡性。相對(duì)鋼制車身說，鋼鋁混合車身質(zhì)量更輕，性能特別是扭轉(zhuǎn)剛度更高，同時(shí)其成本增加幅度不是特別大。但是其連接難度相對(duì)較大，特別是鋼鋁之間的連接和電化學(xué)腐蝕防護(hù)等。

全鋁車身，顧名思義是指整個(gè)車身全部是鋁合金經(jīng)過沖壓、擠壓、鑄造成型后的零部件連接而成的車身，但是在實(shí)際應(yīng)用中基本上很難100%采用鋁合金。因?yàn)殡S著安全法規(guī)越來越嚴(yán)，對(duì)車身的碰撞性能要求越來越高，以及在部分重要部位為了滿足可靠性及耐久性要求，全鋁車身會(huì)在A柱、B柱等區(qū)域采用熱成形部件或者強(qiáng)度等級(jí)較高的高強(qiáng)鋼。全鋁車身采用的連接方式有自沖鉚、流鉆焊、冷金屬過渡焊、無鉚連接、螺栓聯(lián)接及激光焊接等輔以金屬結(jié)構(gòu)膠。經(jīng)典的全鋁車身有奧迪公司的鋁合金空間框架（ASF）結(jié)構(gòu)、捷豹汽車公司的沖壓式鋁合金車身及特斯拉、蔚來汽車的沖壓加擠壓復(fù)合式鋁合金車身。

多種材料復(fù)合車身是指車身由鋼、鋁合金、鎂合金、碳纖維及工程塑料等多種材料經(jīng)過點(diǎn)焊、鉚接、螺栓聯(lián)接、弧焊及金屬結(jié)構(gòu)膠等方式連接而成。

在目前的銷量中，20萬元價(jià)位以下的車型占比最大，而由于成本的限制，絕大多數(shù)主機(jī)廠都會(huì)采用全鋼車身的技術(shù)路線。按照歐洲車身組織對(duì)車身用鋼材的劃分，車身用鋼分為軟鋼、高強(qiáng)鋼、先進(jìn)高強(qiáng)鋼、奧氏體不銹鋼、超高強(qiáng)鋼和熱成形鋼，其中車身用奧氏體不銹鋼很少使用，本文針對(duì)除奧氏體不銹鋼的其他材料典型牌號(hào)的金相和化學(xué)成分進(jìn)行分析。

各個(gè)元素的作用

成分是鋼板性能優(yōu)劣的基礎(chǔ)，為了理解成分在不同鋼種中的作用，對(duì)各個(gè)元素的作用作簡要說明。

碳（C）：碳是鋼中最一般的強(qiáng)化元素，碳使強(qiáng)度增加，塑性下降，但是對(duì)沖壓成形用鋼而言，需要的是低的屈服強(qiáng)度、高的均勻伸長率和總伸長率。由此可知，希望沖壓用鋼的含碳量低一些，一般沖壓鋼的碳含量小于0.1%，常用的碳含量不大于0.08%，IF鋼碳含量則不大于0.003%。

硅（Si）：硅的脫氧能力比Mn強(qiáng)，可以防止形成FeO，改善鋼質(zhì)；硅可溶于鐵素體提高鋼的強(qiáng)度、硬度和彈性，但使鋼的塑性和韌性降低。當(dāng)硅作為少量雜質(zhì)存在時(shí)，對(duì)碳鋼的性能影響也不顯著。

錳（Mn）：錳的脫氧能力較好，可消除有害氣體，能防止形成FeO；錳還能與硫化合成MnS，以減輕硫的有害影響。在室溫下，錳可溶入鐵素體形成置換固溶體，使鋼強(qiáng)化；錳還能增加珠光體的相對(duì)量，使組織細(xì)化；但是錳作為少量雜質(zhì)存在時(shí)對(duì)碳鋼力學(xué)性能的影響并不顯著。

磷（P）：磷對(duì)鋼一般總是一種有害的元素，會(huì)增加鋼的脆性，但是磷又是一種可以提高鋼強(qiáng)度最有效的元素，對(duì)于低碳鋼適當(dāng)?shù)丶尤肓?，可以生產(chǎn)成形性優(yōu)良的深沖高強(qiáng)度鋼。研究發(fā)現(xiàn)，在低碳鋼中加入適量的磷，對(duì)成形性的影響不大，但可大大提高鋼的強(qiáng)度。

硫（S）：硫在深沖鋼中是有害元素，應(yīng)盡量降低。硫通常在鋼中形成硫化物如MnS、TiS、Ti-Nb-S等。

氮（N）：氮在鋼中一般使屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度增加，硬度值上升，r值下降并引起時(shí)效。對(duì)于沖壓用鋼板，氮的作用和碳元素一樣，主要是造成屈服效應(yīng)和應(yīng)變時(shí)效。另外，如果工藝上控制不當(dāng)，氮會(huì)和鈦、鋁等形成帶尖角的夾雜物，這對(duì)于沖壓也是不利的。因此，沖壓用鋼總是要降低氮含量，使其盡量低。

鋁（Al）：鋁在優(yōu)質(zhì)沖壓鋼中一般是作為脫氧劑加入的，作用主要是去除吹氧冶煉時(shí)溶在鋼液中的氧。另外作為定氧劑，抑制氮在鐵晶體內(nèi)的固溶，消除應(yīng)變時(shí)效，提高低溫塑性。

氧（O）：氧是煉鋼中不可缺少的元素，但是氧與其他許多元素親和力強(qiáng)，易于在鋼中形成各種夾雜物，這對(duì)鋼的性能不利。

鈦（Ti）、鈮（Nb）、釩（V）：它們均為強(qiáng)碳化物形成元素，與碳的親和力強(qiáng)，首先形成特殊碳化物，而當(dāng)其含量太多時(shí)，也可以溶于鐵素體。特殊碳化物，特別是間隙碳化物，比合金滲碳體具有更高的熔點(diǎn)、硬度和耐磨性，而且更穩(wěn)定、不易分解，能顯著提高鋼的強(qiáng)度、硬度和耐磨性。其次，它們都具有細(xì)化晶粒的作用。

軟鋼

軟鋼可以分為普通低碳鋼（DC01/DC03）和無間隙原子鋼（DC04-DC07），微觀組織為鐵素體，而普通低碳鋼可能還會(huì)含有少量珠光體。軟鋼強(qiáng)度低、硬度低，沖壓與焊接性能良好。特別是無間隙原子鋼，適合沖壓復(fù)雜深沖零件，比如車身側(cè)圍外板、門內(nèi)板、地板及油箱等零件。在汽車制造沖壓成形件中，對(duì)于一些成形性能和強(qiáng)度要求不高的內(nèi)板或支架等部件，從材料成本考慮，DC01使用占比很大。

無間隙原子鋼是指在普通的低碳鋼中加入足夠量的Ti[wTi＞4（wC+wN）]，鋼中的C和N原子完全析出成Ti（CN），此時(shí)該鋼具有優(yōu)異的深沖性能。隨著冶金技術(shù)的發(fā)展，采用底吹轉(zhuǎn)爐和改進(jìn)的RH處理可以經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)出wC≤0.002%的超低碳鋼。IF鋼的重要特征是無時(shí)效。

在軟鋼中選取了DC01和DC04兩個(gè)典型牌號(hào)（見表1），標(biāo)準(zhǔn)值選用寶鋼《Q/BQB 408-2023 冷成形用冷軋低碳鋼板及鋼帶》中的數(shù)值，典型值是實(shí)際使用中測(cè)試的含量。從化學(xué)成分來看，DC01的碳含量遠(yuǎn)高于DC04的碳含量，這是因?yàn)镈C04是IF鋼，碳含量低才有優(yōu)異的深沖性能；DC04的鈦含量遠(yuǎn)超DC01，這是因?yàn)樾枰銐蛄康拟伖潭ㄌ己偷印慕鹣嗌蟻砜矗ㄒ妶D1和圖2），二者微觀組織均為鐵素體，但是DC01的晶界清晰，而DC04的晶界模糊，這是由于DC04的碳含量低的原因。

圖1 DC01的金相

圖2 DC04的金相

表1 DC01和DC04的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

高強(qiáng)鋼

在車身常用的高強(qiáng)鋼是烘烤硬化鋼（BH）、低合金高強(qiáng)度鋼（HSLA）和無間隙原子高強(qiáng)度鋼（HSIF）。

烘烤硬化鋼板是以低碳鋼或超低碳鋼為基礎(chǔ)，通過添加微合金元素鈮、鈦或釩而制成的烘烤硬化冷軋鋼板，也是兼有優(yōu)良深沖性能和高的烘烤硬化性能的優(yōu)質(zhì)汽車用薄板。BH鋼板的強(qiáng)化通過固熔強(qiáng)化實(shí)現(xiàn)。由于在鋼中存在固溶碳或氮，經(jīng)沖壓成形時(shí)產(chǎn)生錯(cuò)位，在約170℃左右涂漆烘烤處理過程中，固熔碳與錯(cuò)位相互作用，使鋼板強(qiáng)度上升，產(chǎn)生人工應(yīng)變時(shí)效硬化的效果。其原理與過去在低碳鋼中產(chǎn)生的室溫時(shí)效劣化現(xiàn)象相同。BH鋼板的特點(diǎn)是沖壓成形前較軟、易成形加工，通過沖壓成形后的涂漆烘烤過程使屈服強(qiáng)度增加，因此很適合于汽車外板等覆蓋件。

低合金高強(qiáng)度鋼是在低碳鋼中通過單一或復(fù)合添加鈮、鈦、釩等微合金元素，形成碳氮化合物粒子析出進(jìn)行強(qiáng)化。同時(shí)，通過微合金元素的細(xì)化晶粒作用，以獲得較高的強(qiáng)度。該鋼種具有良好的焊接性能。

無間隙原子高強(qiáng)度鋼是通過控制鋼中的化學(xué)成分來改善鋼的塑性應(yīng)變比（r值）和應(yīng)變硬化指數(shù)（n值）。通常是在低碳鋼和超低碳鋼的基礎(chǔ)上加入磷元素，超低碳、微合金化和鋼質(zhì)純凈使含磷高強(qiáng)IF鋼的深沖性、塑性和韌性得到大幅度提高，磷元素的固熔強(qiáng)化保證了IF鋼的高強(qiáng)度。由于鋼中元素的固熔強(qiáng)化和無間隙原子的微觀結(jié)構(gòu)，這種鋼即具有高強(qiáng)度又具有非常好的冷成形性能，通常用來制作需要深沖壓的復(fù)雜部件。

在高強(qiáng)鋼中選取了HC180B、HC340LA和HC260Y（見表2），標(biāo)準(zhǔn)值選用寶鋼《Q/BQB 419-2023 冷軋普通高強(qiáng)鋼鋼板及鋼帶》中的數(shù)值，典型值是實(shí)際使用中測(cè)試的含量。HC180B和HC260Y都是以超低碳鋼為基礎(chǔ)開發(fā)，HC260Y加了磷元素以提高強(qiáng)度，HC340LA添加了微量元素鈮以提高強(qiáng)度。HC180B和HC220Y的金相組織均為鐵素體，HC340LA為鐵素體+珠光體，如圖3、圖4和圖5所示。

圖3 HC180B的金相

圖4 HC340LA的金相

圖5 HC260Y的金相

表2 HC180B、HC340LA和HC260Y的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

先進(jìn)高強(qiáng)鋼

雙相鋼是一種由軟基體（鐵素體）和硬質(zhì)相（主要是馬氏體）組成的“復(fù)合材料”，馬氏體組織以島狀彌散分布在鐵素體基體上。由這種雙相顯微組織產(chǎn)生優(yōu)良的力學(xué)性能，如低的屈服強(qiáng)度、高的加工硬化、高的抗拉強(qiáng)度和良好的均勻伸長率。雙相鋼的合金成分比較簡單，一般都采用C-Si-Mn合金系，對(duì)于抗拉強(qiáng)度在800MPa級(jí)以下的冷軋雙相鋼，依靠碳元素來實(shí)現(xiàn)不同的強(qiáng)度，碳含量在0.07%～0.14%。錳元素則主要提供雙相鋼在退火過程中的淬透性。研究表明，錳含量應(yīng)大于1.5%。硅元素的添加則主要提高碳在鐵素體中的化學(xué)勢(shì)，從而增加碳元素向奧氏體中擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力，因而對(duì)提高奧氏體的淬透性以及改善鐵素體的純凈度有重要作用，裸板供貨的冷軋雙相鋼，其硅含量一般在0.3%～0.6%。

在先進(jìn)高強(qiáng)鋼中選取了HC340/590DP 和HC420/780DP（見表3），標(biāo)準(zhǔn)值選用寶鋼《Q/BQB 419-2023 冷軋普通高強(qiáng)鋼鋼板及鋼帶》中的數(shù)值，典型值是實(shí)際使用中測(cè)試的含量。HC340/590DP和HC420/780DP都采用C-Si-Mn合金系，HC420/780DP的碳含量和錳含量都大于HC340/590DP，所以其強(qiáng)度高后者一個(gè)等級(jí)。從金相中看，如圖6和圖7所示，它們都是鐵素體和馬氏體雙相組織，但是HC420/780DP的馬氏體體積分?jǐn)?shù)大于HC340/590DP。

圖6 HC340/590DP的金相

圖7 HC420/78DP的金相

表3 HC340/590DP和HC420/780DP的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

超高強(qiáng)鋼

復(fù)相鋼主要為以貝氏體和（或）鐵素體組織為基體，并且通常分布少量的馬氏體、殘余奧氏體和珠光體組織，并且還存在微合金元素的析出強(qiáng)化。添加一定量的碳、錳、鉻、鉬等合金元素，以保證奧氏體穩(wěn)定性、淬透性，晶粒細(xì)小，同時(shí)添加一定量的鈮、鈦等微合金元素，以獲得細(xì)晶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化作用來獲得更高的規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度。與同等抗拉強(qiáng)度的雙相鋼相比，其屈服強(qiáng)度明顯高很多，同時(shí)具有較高的彎曲性能和擴(kuò)孔性能。這種鋼具有較高的能量吸收能力和較高的殘余應(yīng)變能力。

馬氏體鋼是由冷軋連續(xù)退火后淬火得到大量馬氏體組織，從而具有非常高的強(qiáng)度，適合生產(chǎn)強(qiáng)度高而形狀簡單的零件。其基本成分體系為C-Si-Mn，碳是強(qiáng)度的基礎(chǔ)，提高馬氏體鋼的強(qiáng)度主要靠提高碳含量來實(shí)現(xiàn)，而錳等合金元素則保證淬透性，其最終強(qiáng)度是由鋼中的含碳量水平和沖壓后的冷卻速率決定的。

在先進(jìn)高強(qiáng)鋼中選取了HC570/780CP和HC700/980MS（見表4），標(biāo)準(zhǔn)值選用寶鋼《Q/BQB 418-2023 冷軋先進(jìn)高強(qiáng)鋼鋼板及鋼帶》中的數(shù)值，典型值是實(shí)際使用中測(cè)試的含量。HC570/780CP的金相是由鐵素體、貝氏體、馬氏體和少量的殘余奧氏體組成，如圖8所示，HC700/980MS的金相為全馬氏體，如圖9所示。

圖8 HC570/780CP的金相

表4 HC570/780CP和HC700/980MS的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

熱成形鋼

熱成形用鋼是將坯料加熱到奧氏體化溫度以上，并保溫一定時(shí)間，然后模壓淬火形成馬氏體組織，實(shí)現(xiàn)零件的高強(qiáng)、高韌性，有效提高零件的抗碰撞性能。在化學(xué)成分上，碳可與微合金元素結(jié)合起到析出強(qiáng)化的作用。錳和鉻可顯著的提高淬透性。鎳在控制軋制過程中抑制奧氏體再結(jié)晶，可細(xì)化原奧氏體晶粒。鈮和釩能細(xì)化晶粒，使馬氏體板條束更為細(xì)短，提升強(qiáng)度，而且能提高淬透性。鈦的碳氮化合物析出強(qiáng)化可顯著提高熱成形鋼強(qiáng)度。微量的硼會(huì)在奧氏體晶粒邊界處發(fā)生偏析，從而延緩鐵素體和貝氏體形核速度，提高淬透性，大大提升鋼的強(qiáng)度。鈮和釩能細(xì)化晶粒，使馬氏體板條束更為細(xì)短，提升強(qiáng)度，其次能提高淬透性。熱成形用鋼主要應(yīng)用于車身結(jié)構(gòu)件特別是防止侵入的安全結(jié)構(gòu)件上。

在熱成形鋼中選取了HC950/1300HS（1.5GPa）和HC1200/1800HS（2GPa）（見表5），標(biāo)準(zhǔn)值選用寶鋼《Q/BQB 409-2023 熱沖壓用冷軋鋼板及鋼帶》中的數(shù)值，典型值是實(shí)際使用中測(cè)試的含量。從化學(xué)成分分析，2GPa的碳含量要高于1.5GPa，其次Ti+Nb+V的含量，2GPa的同樣高于1.5GPa，尤其是釩含量，可知該熱成形鋼主要是通過釩強(qiáng)化的。從金相分析，二者均為全馬氏體。

表5 HC950/1300HS和HC1200/1800HS的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

圖10 HC950/1300HS的金相

圖11 HC1200/1800HS的金相

結(jié)語

本文對(duì)鋼制車身常用的軟鋼、高強(qiáng)鋼、先進(jìn)高強(qiáng)鋼、超高強(qiáng)鋼以及熱成形鋼的典型牌號(hào)金相和化學(xué)成分進(jìn)行了分析，說明了各個(gè)牌號(hào)的金相組織和化學(xué)成分中重點(diǎn)元素的作用，為從事汽車鋼板研究的人員提供參考。