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白车身新材料的应用(一)【致锋专业知识分享】

为提升自主品牌乘用车白车身结构设计水平及性能指标,分析近几年欧洲车身会议发布的白车身Benchmark数据,结合高强度钢、铝合金、复合材料及相应的制造工艺在白车身结构设计中的应用现状,总结了目前新材料、新工艺在白车身结构设计中的应用范围及目前存在的主要问题,提出白车身设计应适时适地提高铝合金、复合材料及高强度钢的应用比例,同时进一步开展新材料力学性能、连接技术、成形技术等方面的研究。

全球汽车保有量的持续高速增长对社会能源供给、环境保护带来了巨大的影响。一辆汽车约70%的油耗用于克服车身质量做功,车身质量每降低10%可节省燃料6.6%。降低汽车质量是降低汽车燃油消耗及减少排放的有效措施之一。普通轿车白车身质量约占整车自身质量的40%,白车身的轻量化对于整车的轻量化起着重要的作用,车身轻量化研究是现代车身设计的主要方向。实现车身的轻量化通常有两种途径:一是白车身结构设计优化,二是大量应用新型材料。随着材料科学技术的发展,车用铝合金、复合材料等新材料的不断涌现,为汽车轻量化开辟了广阔的发展空间。焊接是传统钢制白车身的主要连接工艺。在长期大批量生产中已形成了完善的质量保证体系。对于新材料白车身结构的连接,传统焊接技术遇到了难以实施等问题。近年来结构胶、自冲铆等连接工艺的成熟及推广,为新材料的大量应用提供了有力支撑。

高强度钢

欧洲车身会议将白车身上应用的钢材按国际钢铁协会ULSAB 项目组的定义分为5 类,即低碳钢(LSS)、普通高强度钢(HSS)、先进高强度钢(AHSS)、超高强度钢(UHSS)和热成型钢(PHS)。低碳钢(LSS)为碳含量低于0.25%的碳素钢,因其强度低、硬度低且软,故又称软钢,屈服强度一般在210 MPa 以下。低碳钢包括大部分普通碳素结构钢和一部分优质碳素结构钢,大多不经热处理应用于结构件,有的经渗碳或其他热处理应用于耐磨性要求较高的机械零件。其冷成形性良好,可采用卷边、折弯、冲压等方法进行冷成形,具有良好的焊接性能。屈服强度在210550 MPa范围内的钢被定义为高强度钢,屈服强度在550 MPa以上的钢被定义为超高强度钢(UHSS)。现在应用的高强度钢板在低碳钢内加入适当的微量元素,提高其深拉延性能,可轧制成很薄的钢板。根据强化机理的不同又把高强度钢分为普通高强度钢(HSS)和先进高强度钢(AHSS)。

车身上应用的普通高强度钢(HSS)主要包括无间隙原子钢(HSIF)、烘烤硬化钢(BH)和低合金高强度钢(HSLA)等。主要用作大部分车身骨架结构件。在HSIF钢中,由于CN含量低,再加入一定量的TiNb使钢中的CN原子被固定成为碳化物和氮化物,从而使钢中没有间隙原子的存在,故称为无间隙原子钢,即IF 钢。IF 钢板具有低屈服强度及屈强比、高伸长率、高塑性应变比、高加工硬化指数等深冲性能,且无时效性。BH钢是在IF钢种上发展而成,主要是由于NbTi不如IF钢种中的含量高,使得BH钢中含有一定数量的间隙原子,通过加工过程中的加工硬化和烤漆过程中的时效现象来获得*终零件强度。白车身从焊装车间出来后进入涂装车间进行喷漆和烤漆。在烤漆过程中,间隙原子会在烤漆温度下进行时效反映,使BH钢在烤漆过程中有一个固溶强化的过程。HSLA 钢是一类可焊接的低碳工程结构用钢。其含碳量通常小于0.25%,与普通碳素结构钢相比具有更高的屈服强度和屈强比,较好的冷热加工成形性,良好的焊接性,较低的冷脆倾向、缺口和时效敏感性,以及有较好的抗大气、海水等腐蚀能力。其合金元素含量较低,一般在2.5%以下,在热轧状态或经简单热处理(非调质状态)后使用。

车身上应用的先进高强度钢(AHSS)主要有双相钢(DP)、相变诱导塑性钢(TRIP)等。主要应用在车身底板的主要纵梁、横梁等结构件。铁素体与马氏体或贝氏体相组织组成的钢称为DP 钢。DP 钢是低碳钢或低合金高强度钢经临界区热处理或控制轧制后而获得,用于制造冷冲、深拉成型的复杂构件。这类钢具有高强度和高延性的良好配合,已成为一种强度高、成形性好的新型冲压用钢。

TRIP钢是由钢组织中逐步进行的马氏体相变过程导致塑性升高形成的超高强度钢。TRIP钢的奥氏体内含有细小弥散的合金碳化物和高密度的位错。在室温使用时,由于裂纹前端存在的应力集中会使裂纹前端区的奥氏体转变为马氏体,而这一过程需要消耗大量能量,从而使裂纹传播发生困难。这样在提高钢的强度同时也增强了断裂韧性。

车身上应用的超高强度钢(UHSS)主要包括复相钢(CP)、马氏体钢(MS)等。近年来在车身门槛梁、A柱上加强板等与正面碰撞、侧面碰撞相关关键结构件上的应用日渐普及。CP钢由细小的铁素体组织和体积分数较高的坚硬相组成,并且细小的沉淀使其强度进一步加强。抗拉强度值达800 MPa 或更高时,CP 钢表现出了相对更高的屈服强度。CP钢的典型特征是具有高的成形性、很高的能量吸收及残余变形能力。MS钢热轧或退火中存在的奥氏体在淬火及连续退火曲线中的冷却阶段全部转变成马氏体。该结构也会在成形后的热处理过程中形成。MS 钢具有非常高的强度,屈服强度可达1 200 MPa。马氏体钢经常需要用回火处理来提高其塑性,这样便能在具有极高强度的同时具有良好的成形性。热成形是指将钢板经过880950 ℃高温加热一次成形后迅速冷却,从而全面提升钢板强度的制造工艺。热成形钢(PHS)具有极高的材料强度及延展性。PHS 加热前抗拉强度就已达到500800 MPa,加热成形后则提高至1 3001 600 MPa,为普通钢材的34倍,其硬度仅次于陶瓷,但又具有钢材的韧性。同时PHS又具有很好的材料成形准确度,可消除材料回弹的影响,在实现复杂的形状的同时,更好地保证了零件尺寸精度,为下一步的车身焊接打下良好的基础。目前由于制造工艺和成本的限制,热成形钢(PHS)少量应用在白车身的A柱、B柱加强板及防撞梁等直接抵御碰撞冲击的部位,在同等质量下承受冲击的能力可提高约30%,极大地提高了车身的抗碰撞能力。

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