幾年來熱成形制造零件應(yīng)用越來越廣泛

1、幾年來熱成形制造的零件的應(yīng)用越來越廣泛。在最近的一款大眾汽車模型中，熱成形的部分占據(jù)了整個(gè)車身重量的15。典型的模壓硬化鋼(PH鋼)22MnB5是利用Ti和B微合金化的。鋼板在沖壓前加熱到950°C附近，然后在一個(gè)水冷模具中加壓。這種材料的熱成形性非常好，而且由于模具淬火，最終的零件的強(qiáng)度可以達(dá)到大眾汽車提到的1500MPa。在豐田汽車公司提到的另一種工藝中，零件是經(jīng)過恢復(fù)性退火的冷軋材料通過冷變形得到的，然后在經(jīng)過感應(yīng)加熱和淬火使得沖壓后的零件局部淬硬。馬氏體最終的強(qiáng)度是由鋼中的含碳量水平和沖壓后的冷卻速率決定的。為降低汽車自重，正越來越多地采用鋁合金或非金屬材料，這對(duì)鋼鐵材料構(gòu)成

2、了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，從上世紀(jì)90年代中期開始，世界范圍內(nèi)的鋼鐵企業(yè)紛紛聯(lián)手應(yīng)對(duì)，其中以ULSAB系列項(xiàng)目最為著名，該項(xiàng)目的試驗(yàn)成功，通過材料開發(fā)及相關(guān)工藝技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用，使鋼鐵材料在汽車工業(yè)中的龍頭地位得以穩(wěn)固。1  汽車高強(qiáng)度鋼板的定義和分類對(duì)于高強(qiáng)度鋼板，目前尚無統(tǒng)一的定義和分類方法，以下是部分國家和組織對(duì)于高強(qiáng)度鋼板的定義和分類。1.1  國內(nèi)國內(nèi)對(duì)汽車用高強(qiáng)度鋼板傾向于分為兩類：普通高強(qiáng)度鋼板  抗拉強(qiáng)度或屈服強(qiáng)度相對(duì)較低，或采用傳統(tǒng)工藝或傳統(tǒng)工藝少許改進(jìn)即能生產(chǎn)出來高強(qiáng)度鋼板。如烘烤硬化鋼板、含磷鋼板、高強(qiáng)度IF鋼板以及HSLA鋼板

3、等。先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板  需要采用先進(jìn)設(shè)備及工藝方法才能生產(chǎn)出來的鋼板，如雙相鋼板（DP鋼板）、復(fù)相鋼板（CP鋼板）、相變誘發(fā)塑性鋼板（TRIP鋼板）和馬氏體鋼板（M鋼板或Mart鋼板）等。1.2  日本將抗拉強(qiáng)度不低于340MPa的冷軋鋼板和抗拉強(qiáng)度不低于490MPa的熱軋鋼板通稱為高強(qiáng)度鋼板（HSS）。1.3  德國（BMW）高強(qiáng)度鋼板（HSS）  屈服強(qiáng)度高于180MPa（包括180MPa），低于300MPa的鋼板。先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板（AHSS）  屈服強(qiáng)度高于300MPa（包括300MPa），低

4、于600MPa的鋼板。超高強(qiáng)度鋼板（UHSS）  屈服強(qiáng)度高于600MPa（包括600MPa）的鋼板。1.4  ULSAB組織ULSAB組織將高強(qiáng)度鋼板分為兩類：屈服強(qiáng)度為210550MPa的鋼板定義為高強(qiáng)度鋼板（HSS）；屈服強(qiáng)度大于550MPa的鋼板定義為超高強(qiáng)度鋼板（UHSS）。1.5  國際鋼鐵協(xié)會(huì)（IISI）把高強(qiáng)度鋼板從定性概念上定義為高強(qiáng)度鋼板（HSS）和先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板（AHSS）。2  高強(qiáng)度鋼板的品種介紹2.1  普通高強(qiáng)度鋼板（1）高強(qiáng)度IF鋼板  是在I

5、F鋼的基礎(chǔ)上，添加不同類型的強(qiáng)化元素（如固溶強(qiáng)化元素P、Mn、Si）和適當(dāng)?shù)能堉乒に嚳刂?，使鋼材在保證良好塑性和沖壓性能的同時(shí)，擁有較高的強(qiáng)度，滿足復(fù)雜形狀轎車沖壓件性能要求。（2）烘烤硬化鋼板（BH鋼）  包括IP鋼烘烤硬化鋼板和低碳烘烤硬化鋼板兩種。特點(diǎn)是鋼板沖壓成形前具有較低的屈服強(qiáng)  度，通過沖壓成形后的涂漆烘烤工藝使鋼板的屈服強(qiáng)度增加。（3）含磷鋼板  利用磷在鋼中的固溶強(qiáng)化作用進(jìn)行強(qiáng)化。含磷鋼板可以用來沖制一些形狀比較復(fù)雜的汽車沖壓件。（4）超低碳含磷鋼板  特點(diǎn)是具有良好的深沖性、塑性和韌性，P、Mn

6、、Si等元素的固溶強(qiáng)化作用保證了其強(qiáng)度。（5）各向同性鋼板（IS鋼）  冷軋各向同性鋼屬于低碳微合金鋼，主要用于汽車外板，目前在歐洲已商品化，產(chǎn)品大類分為冷軋普板、電鍍鋅、熱鍍鋅和熱鍍鋅合金化產(chǎn)品，這類產(chǎn)品主要在歐洲系列車型上使用較多，日系汽車很少使用。（6）低合金高強(qiáng)度鋼板  汽車用熱軋低合金高強(qiáng)度鋼板，也稱為FP型低合金高強(qiáng)度鋼板，在現(xiàn)代熱軋低合金高強(qiáng)度鋼板中，藉助添加合金元素而使鋼得以強(qiáng)化的主要機(jī)制有晶粒細(xì)化、析出強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化甚至相變強(qiáng)化等。2.2  先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板（AHSS）（1）雙相鋼  DP鋼基體為軟

7、的鐵素體，在其上分布硬質(zhì)的馬氏體，兩者分別確定材料的低的屈服強(qiáng)度和高的抗拉強(qiáng)度。雙相鋼還具有低的屈強(qiáng)比、高的加工硬化指數(shù)、高的烘烤硬化性能、沒有屈服延伸和室溫時(shí)效等特點(diǎn)。一般用于需高強(qiáng)度、高的抗碰撞吸收能且成形要求也較嚴(yán)格的汽車零件，如車輪、保險(xiǎn)杠、懸掛系  統(tǒng)及其加強(qiáng)件等，隨著鋼種性能和成形技術(shù)的進(jìn)步，DP鋼也大量用于汽車的內(nèi)外板零件。（2）貝氏體鋼板  熱軋貝氏體鋼有貝氏體雙相鋼（FB）和貝氏體鋼（B）。其主要添加元素為Si、Mn、Nb、Cro其重要特性是具有優(yōu)良的翻邊性能，很適合沖壓汽車支撐部件類要求厚度較大、尤其是翻邊性能良好的部件。（3）相變誘

8、導(dǎo)塑性鋼  TRIP鋼具有高延伸率的本質(zhì)是應(yīng)變誘發(fā)殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，同DP鋼相比，TRIP鋼的起始加工硬化指數(shù)小于DP鋼，但是TRIP鋼的加工硬化指數(shù)在很長的應(yīng)變范圍內(nèi)仍保持較高，特別適合要求具有高脹形性能的情況。（4）復(fù)相鋼  CP鋼的組織特點(diǎn)是細(xì)小的鐵素體和高比例的硬相（馬氏體、貝氏體），而且通過析出強(qiáng)化而得到進(jìn)一步的強(qiáng)化，含有Nb、Ti等元素，具有高的沖擊能量吸收能力和好的擴(kuò)孔性能，特別適合于車門防撞桿、保險(xiǎn)杠和B立柱等安全零件。（5）馬氏體鋼  馬氏體鋼的生產(chǎn)是通過高溫的奧氏體組織快速淬火轉(zhuǎn)變?yōu)榘鍡l馬氏體組織，其最高強(qiáng)度

9、可達(dá)1500MPa，是目前商業(yè)化高強(qiáng)度鋼板中強(qiáng)度級(jí)別最高的鋼種。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。2.3  近幾年發(fā)展起來的鋼板新品種（1）熱沖壓鋼板  近年開發(fā)了材料的熱沖后進(jìn)行熱處理的新技術(shù)。這種技術(shù)應(yīng)用于可以熱處理強(qiáng)化的鋼板，例如含B鋼板，將其加熱到900左右進(jìn)行沖壓成形，大幅度降低了成形抗力，提高了材料的成形能力。沖成零件后，立即利用余熱進(jìn)行淬火處理。目前處理后的抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到1500MPa左右。處理完的零件需進(jìn)行噴丸處理，以去除氧化鐵皮，改善表面質(zhì)量。近年來生產(chǎn)上普遍采用的是帶有Al-Si預(yù)涂層的鋼板，可以在熱

10、沖壓前的加熱過程中避免氧化，熱沖壓后表面形成FeA1Si合金化層，零件無須噴丸清理，可直接涂裝，并且零件的形狀精度較好。典型牌號(hào)有Arcelor的Usibor 1500P和預(yù)涂層的22MnB5等。（2）TWIP鋼  TWIP鋼的最大特點(diǎn)是強(qiáng)塑積高，可以達(dá)到50000MPa，為TRIP鋼的2倍以上。TWIP鋼可以象DDQ級(jí)沖壓板一樣，沖壓出復(fù)雜形狀的零件，但強(qiáng)度卻要高出25倍；其抗拉強(qiáng)度與熱處理鋼相當(dāng)，而塑性卻較熱處理鋼高10倍以上。TWIP鋼的塑性變形的主要機(jī)制是位錯(cuò)滑移，這會(huì)導(dǎo)致非常劇烈的加工硬化，從而導(dǎo)致TWIP鋼非常強(qiáng)的加工硬化能力和非常大的延伸率。這種性能即使在高應(yīng)

11、變速率下仍然保持著，因而在撞擊等高應(yīng)變過程中，可以保證汽車非常高的安全性。3  高強(qiáng)度鋼板在汽車上的應(yīng)用情況在日本，高強(qiáng)度鋼板應(yīng)用比例的提升已經(jīng)成為新車型規(guī)劃的重要內(nèi)容（新車型推出周期為23年），在新車型籌劃階段開始即對(duì)相應(yīng)的高強(qiáng)度鋼品種進(jìn)行充分試驗(yàn)，以保證在新車型推出時(shí)，同步實(shí)施高強(qiáng)度鋼板在各類  零件上的應(yīng)用。在2000年前后，日本的汽車公司已經(jīng)將DP和TRIP鋼用于量產(chǎn)汽車。寶馬汽車公司為滿足歐洲被動(dòng)安全法規(guī)要求，在2005年推出的新車型中大幅度提高了高強(qiáng)度鋼板的應(yīng)用比例，圖1（a）、（b）為1999和2005年投產(chǎn)車型用材強(qiáng)度的變化情況。圖2為F

12、IAT最新開發(fā)車型高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用部位及比例，其熊貓車型高強(qiáng)度鋼應(yīng)用比例從2003年的52提高到2005年的67。為適應(yīng)日趨嚴(yán)格的安全法規(guī)的要求，歐洲和美國有越來越多的加強(qiáng)類零件采用熱沖壓成形制造。致使熱成形用鋼板的需求量快速增加，2004年，歐洲熱沖壓成形用鋼板的用量為68萬噸，預(yù)計(jì)20082009年，這一數(shù)字將增加到30萬噸。美國和日本也有同樣的趨勢(shì)。預(yù)計(jì)20042009年間，世界范圍內(nèi)將新建20條以上的熱沖壓生產(chǎn)線。熱沖壓成形工藝非常適合于制造加強(qiáng)梁、防撞桿及保險(xiǎn)杠等在發(fā)生沖撞時(shí)能夠起到約束變形作用的被動(dòng)安全件。專家預(yù)測(cè)，這種零件的應(yīng)用將不斷增加，圖3為可利用熱沖壓成形工藝成形的汽車零件。

13、4  結(jié)語與國外汽車高強(qiáng)度鋼板的應(yīng)用相比，國內(nèi)自主開發(fā)的車型，無論在高強(qiáng)度鋼板的應(yīng)用強(qiáng)度級(jí)別，還是應(yīng)用比例方面，都存在著較大的差距，當(dāng)然，在高強(qiáng)度鋼板的研制和生產(chǎn)方面，差距也是比較明顯的，這就需要汽車企業(yè)與上游的鋼鐵企業(yè)共同努力，加強(qiáng)更具長效和實(shí)效機(jī)制的技術(shù)合作，以下游需求帶動(dòng)上游開發(fā)，以上游開發(fā)促進(jìn)下游應(yīng)用，上下*業(yè)攜手共進(jìn)，必將有力推動(dòng)兩個(gè)行業(yè)的發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，使高強(qiáng)度鋼板在汽車上的應(yīng)用效果和比例邁上一個(gè)新的臺(tái)階。20世紀(jì)90年代以來，汽車環(huán)保、安全和節(jié)能技術(shù)法規(guī)的日益嚴(yán)格和用戶對(duì)汽車產(chǎn)品要求的不斷提高，成為當(dāng)今汽車產(chǎn)品技術(shù)進(jìn)步的基本動(dòng)因。作為最常用的汽車車身結(jié)構(gòu)材料，

14、鋼鐵材料的地位不論在整個(gè)車身還是專門用途方面，都受到了鋁、塑料、鎂等低密度材料的巨大挑戰(zhàn)。而這種挑戰(zhàn)也促使了鋼鐵行業(yè)開發(fā)出新型鋼種，使汽車更輕、更安全，且使用性能更好，在低成本的車身結(jié)構(gòu)材料競(jìng)賽中與低密度材料競(jìng)爭。2005年12月，巴西礦冶公司（CBMM）與TMS在巴西Araxa市共同組織召開了"汽車用鈮微合金化薄鋼板國際研討會(huì)"，在這次國際研討會(huì)上，世界各大汽車制造商闡述了為滿足輕量化的同時(shí)保持或提高車輛全面的安全性要求，在白車身上使用先進(jìn)鋼鐵材料的趨勢(shì)，突出了現(xiàn)代高強(qiáng)度鋼在最近的輕型車身上的大量使用，不僅得到了適宜的車身重量，同時(shí)還降低了成本，達(dá)到了排放控制、安全性、駕

15、駛性能和使用壽命的要求。本次會(huì)議所有闡述的用來生產(chǎn)汽車車身的高強(qiáng)度鋼中，含鈮高強(qiáng)度微合金鋼的應(yīng)用最為廣泛。因?yàn)樗軌蛲ㄟ^鹽浴退火和連續(xù)退火來生產(chǎn)，其機(jī)械性能的公差很小。微合金高強(qiáng)度鋼對(duì)所有的表面處理都非常適合，例如電鍍鋅和退火鍍鋅。此外，這些鋼種可以達(dá)到最大范圍的厚度規(guī)格和寬度規(guī)格。一些最先進(jìn)的車身結(jié)構(gòu)已經(jīng)采用了高達(dá)45的微合金高強(qiáng)度低合金鋼。研究表明，鈮微合金化是鋼性能優(yōu)化的最有效途徑之一：Nb的基本作用通過細(xì)化晶粒提高強(qiáng)度的同時(shí)又改善塑韌性；低合金理念對(duì)焊接過程是有利的；晶粒細(xì)化同樣會(huì)產(chǎn)生更均勻的微觀組織，改善成形行為，尤其是在成形過程中出現(xiàn)應(yīng)力集中，像彎曲成形和拉伸翻邊等過程；通過促進(jìn)或

16、阻礙特定相的形成，Nb可以對(duì)相變行為產(chǎn)生重要影響，利用這一點(diǎn)可開發(fā)出更好的控制工藝，并且在生產(chǎn)復(fù)相鋼時(shí)優(yōu)化其性能；在生產(chǎn)烘烤硬化鋼或高強(qiáng)度無間隙原子鋼時(shí)，NbC沉淀的形成可以使超低碳鋼的鐵素體基體中的碳部分或全部地被凈化。2005年歐洲汽車生產(chǎn)中，每輛車按純Nb計(jì)總消耗在60100g之間，其中包括了剪切廢料中的損失。這表明在整個(gè)白車身中Nb的成本消耗不到兩美元?？梢詳喽?，鋼的鈮微合金化是車身減重技術(shù)中成本最優(yōu)化的方法之一。眾所周知，中國的汽車工業(yè)的發(fā)展自上個(gè)世紀(jì)80年代以來發(fā)展迅速，進(jìn)入本世紀(jì)后，發(fā)展勢(shì)頭更加強(qiáng)勁，成為繼美國、日本、德國之后的世界第四大汽車生產(chǎn)國。而隨著中國入世，中國汽車工業(yè)與

17、國際汽車工業(yè)的融合不斷深化，跨國公司開始全面進(jìn)入中國汽車產(chǎn)業(yè)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)，目前排名世界汽車工業(yè)前15名的國際轎車生產(chǎn)商已全部在中國合資或合作。中國汽車市場(chǎng)目前占據(jù)了世界汽車市場(chǎng)120的份額。按10年增長率計(jì)算，預(yù)計(jì)到2010年，中國汽車年產(chǎn)量將達(dá)到600萬輛，占世界汽車市場(chǎng)的110。隨著汽車產(chǎn)量和保有量的迅速提高，中國已經(jīng)成為世界汽車市場(chǎng)的重要組成部分。在伴隨中國汽車工業(yè)發(fā)展的同時(shí)，我國鋼鐵業(yè)也不斷適應(yīng)要求，汽車用鋼的國產(chǎn)化比例不斷提高。從20世紀(jì)80年代之后開發(fā)出許多品種的含鈮鋼板，如熱軋含鈮鋼板主要有汽車結(jié)構(gòu)用鋼QSTE340TMQSTE500TM（NbTi），汽車大梁鋼板420L510L

18、（Nb），滾形車輪用鋼RCL420（Nb），雙相鋼板RS50、490SXR、540SXR（Nb）及汽車傳動(dòng)軸管用鋼440QZR、480QZR（Nb）等。通過Nb的細(xì)晶強(qiáng)化及沉淀強(qiáng)化，含鈮熱軋鋼板具有較高的強(qiáng)度，較好的延展性和穩(wěn)定的性能。自90年代起中國汽車工業(yè)廣泛應(yīng)用含鈮熱軋汽車板。而目前以寶鋼、鞍鋼、武鋼為代表的國內(nèi)鋼鐵企業(yè)緊緊跟隨汽車工業(yè)用鋼的發(fā)展趨勢(shì)，開發(fā)出一大批符合需求的鈮微合金化汽車用鋼板。在近代轎車生產(chǎn)中，多種高強(qiáng)度鋼種被廣泛的引進(jìn)來替代低碳鋼種?，F(xiàn)在，低碳鋼在整個(gè)車身結(jié)構(gòu)中所占的比例通常低于50，在更高級(jí)的車輛中甚至低于30。因此，高強(qiáng)度鋼的比例在顯著上升。最近幾年，復(fù)相鋼（雙相

19、鋼DP，復(fù)相鋼CP，相變誘發(fā)塑性鋼TRIP）成為了焦點(diǎn)，它們一般占現(xiàn)代車輛車身重量的1020，其余的部分主要是由微合金鋼（高強(qiáng)度低合金鋼HSLA）、高強(qiáng)度無間隙原子鋼（無間隙原子鋼IFHSS）、烘烤硬化鋼（BH）、磷硬化鋼（P）等鋼種制造。熱軋高強(qiáng)度鋼種對(duì)底盤部分和車輪非常重要。熱成形鋼已經(jīng)變得越來越重要，在很多的現(xiàn)代汽車中也占有一席之地，而這些領(lǐng)域要求有良好的成形性和最高強(qiáng)度的綜合性能。汽車加工鏈主要包括成形、裝配和噴漆。每個(gè)過程對(duì)材料的特性都有特殊的要求。但是，對(duì)一個(gè)過程最優(yōu)的材料特性未必適合另一個(gè)。因此，必須綜合考慮，而這些大部分基于合金設(shè)計(jì)和材料的顯微結(jié)構(gòu)。汽車板的合金設(shè)計(jì)主要建立在C

20、和Mn的基礎(chǔ)上。按照特定級(jí)別要求，加入Si、P、Al、Cr、Mo等合金元素。所謂的“微合金元素”Nb、Ti、V、B等有特殊的影響。微合金化意味著這些元素的含量非常低，一般含量小于01。盡管如此，微合金元素，特別是Nb對(duì)材料性能的影響卻是非常大。合金成分設(shè)計(jì)與鋼廠工藝流程共同決定了材料的顯微組織以及最終性能。在20世紀(jì)90年代初期，幾乎所有的用于汽車車身結(jié)構(gòu)的鋼種的顯微組織以鐵素體為主。因此，當(dāng)時(shí)的顯微組織不是汽車工程師必須關(guān)注的變量。隨著新型高強(qiáng)度鋼的引進(jìn)，這種情形被徹底地改變，因?yàn)樵谶@些鋼種中，鐵素體、珠光體、貝氏體、馬氏體和奧氏體以單相、雙相或者多相的形式出現(xiàn)。在汽車制造過程中，這些顯微組

21、織的變化帶來的復(fù)雜性必須得到很好的掌握?，F(xiàn)代車身設(shè)計(jì)在新型的車身設(shè)計(jì)循環(huán)中，一開始就要做出很多主要的決定，包括車身的理念，所應(yīng)用的制造工藝以及使用的材料等。因?yàn)檫@些主要部分之間緊密相關(guān)，所以工藝周期后期的偏差和大的改變通常意味著巨大的損失。工藝周期的中心環(huán)節(jié)是對(duì)可行性和成本的嚴(yán)格控制。未來車身的材料理念1994年，奧迪公司推出首款采用Al空間框架車身技術(shù)的汽車奧迪A8，鋼材在汽車車身結(jié)構(gòu)制造材料中的主導(dǎo)地位遭到了質(zhì)疑。這種全鋁車身的重量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于與其相競(jìng)爭的用鋼材生產(chǎn)的汽車。但是，當(dāng)時(shí)所采用的鋼材大多為低碳鋼，對(duì)穩(wěn)定性和安全性的要求是通過提高鋼板的厚度和額外的加固部分達(dá)到的，而這樣也就加重了整

22、個(gè)車身的重量。面臨全鋁空間框架車身技術(shù)的挑戰(zhàn)，全世界鋼鐵行業(yè)在1995年推出超輕鋼車身項(xiàng)目(ULSAB)作為反擊，這個(gè)項(xiàng)目的目的在于創(chuàng)造出一種最合適的車身理念，能夠大幅度地減輕車身的重量而又不會(huì)降低其駕駛性能以及碰撞性能。實(shí)現(xiàn)的方式就是大規(guī)模采用高強(qiáng)度鋼以及嘗試新型的制造技術(shù)，如拼焊板技術(shù)和液壓成形技術(shù)。在超輕車身工程的發(fā)展階段，經(jīng)濟(jì)上可行的鋼種領(lǐng)域或多或少地限制在微合金高強(qiáng)度低合金鋼、磷強(qiáng)化鋼和烘烤硬化鋼。那時(shí)只有一些特定的鋼廠可以生產(chǎn)超高強(qiáng)度鋼。直到最近，所有的汽車鋼板的主要生產(chǎn)商開發(fā)出一系列完整的所謂新型高強(qiáng)度鋼以后，這種情形才徹底改變了（如圖1）。尤其重要的是，其中還包括屈服強(qiáng)度在35

23、0MPa以上的復(fù)相鋼。這些鋼種的實(shí)用性在超輕車身工程新型汽車?yán)砟睿║LSABAVC）中體現(xiàn)出來，此工程顯示出新型高強(qiáng)度鋼的主導(dǎo)地位而不再是低碳鋼。世界汽車行業(yè)接受了超輕鋼車身工程產(chǎn)生的大量理念，在隨后的汽車生產(chǎn)中采用了輕量化工程，使用高強(qiáng)度鋼以及新型高強(qiáng)度鋼。在現(xiàn)代的汽車大生產(chǎn)中，傳統(tǒng)的高強(qiáng)度鋼的比例上升到了60，新型高強(qiáng)度鋼的比例也達(dá)到了30。很明顯，相對(duì)于傳統(tǒng)的鋼鐵車身，全鋁車身具有最高的減重效果，但同時(shí)成本增加也最高。相反，新型鋼車身能夠?qū)④嚿碇亓繙p輕1020，同時(shí)在同等程度上降低車身成本?；旌宪嚿砝砟?，如鋁制車頭而其他部分采用新型鋼理念（如BMWE60），使減重和成本之間均衡。通常汽車

24、生產(chǎn)商愿意在車頭和車頂?shù)臏p重上投入更多，從而達(dá)到駕駛性能和操作性能的最優(yōu)化。而在其他部分，除非整個(gè)車身重量能夠大幅度地減輕，否則成本增加不能被接受，或者是完全不能被接受。在空間框架或者單片式車身的理念基礎(chǔ)上，高檔車中的一些小容量車是采用Al來制造的。這部分的高邊際成本表明其成本較高。通常情況下這些汽車都是新材料和技術(shù)的試驗(yàn)品，小生產(chǎn)量使得生產(chǎn)力問題不那么尖銳。但是，對(duì)成本敏感的貨車零件，車身結(jié)構(gòu)材料現(xiàn)在還是而且將來也會(huì)是鋼鐵。在第一代模型以后，試圖確立全鋁汽車在這個(gè)部分的地位的想法遭到了舍棄。而另一個(gè)二代汽車模型（雷諾Espace）曾經(jīng)用塑料制作的殼體也在第三代時(shí)被鋼鐵取代，以便于提升產(chǎn)量。進(jìn)

25、一步的假定顯示在這兩類車中鋼占到車身的至少80。Al在保護(hù)件如車門、發(fā)動(dòng)機(jī)罩和行李艙蓋上的應(yīng)用最為明顯。圖2給出每車平均Al用量。塑料件一般用于外殼件如擋泥板，從而能被擰或鉚接到著漆的主車體結(jié)構(gòu)上。高強(qiáng)度鋼帶來的重量降低鋼鐵車身的減重是一種冗長的試驗(yàn)，因?yàn)樗芏嗉?xì)小的環(huán)節(jié)。車身重量最優(yōu)化的關(guān)鍵是要建立在動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模擬的基礎(chǔ)上才行。通過這種方法，車身工程師可以從維修或者碰撞試驗(yàn)中確定一個(gè)部件的強(qiáng)度等級(jí)。在這些分析的基礎(chǔ)上所用鋼的強(qiáng)度等級(jí)就可以被確定了。一旦強(qiáng)度等級(jí)確定下來，沖壓和焊接工程師就必須估定該部件的生產(chǎn)是否可行，以及哪種特定的鋼種最為合適。正如前面所提到的，現(xiàn)在可用的鋼的種類很多，而且

26、對(duì)于給定的屈服強(qiáng)度或抗拉強(qiáng)度，通常很多冶金學(xué)理念都可以采用，并且可以提供有關(guān)成形性和焊接性的選擇。這就要求汽車制造商與鋼材制造商之間密切合作，而且，最好還要將材料性能和生產(chǎn)工藝相互配合。大致上說，新型高強(qiáng)度鋼的使用為已確立的生產(chǎn)技術(shù)和設(shè)備提供了更廣泛的應(yīng)用。但是，有關(guān)零件設(shè)計(jì)和成形、焊接方法的專業(yè)知識(shí)還有待掌握。高強(qiáng)度鋼的成形主要的爭議沖壓工程師習(xí)慣于用給定的技術(shù)參數(shù)來確定材料，如屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率和加工硬化系數(shù)（n值）、Lankford參數(shù)（r值）。其中沖壓模擬采用材料的拉伸曲線作為輸入。但經(jīng)驗(yàn)表明，這種方法可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的或意想不到的結(jié)果，尤其是用復(fù)相鋼作試驗(yàn)時(shí)。此外，在數(shù)字模擬不能

27、預(yù)測(cè)的成形過程中，復(fù)相鋼的特殊微觀組織特征也會(huì)導(dǎo)致失敗。汽車板成形方法通常包括一系列獨(dú)立的成形工藝。對(duì)于這些特殊的成形方法來說，僅僅有應(yīng)力應(yīng)變曲線是不足以來選擇最合適的材料的。每一種成形方法都會(huì)對(duì)r值、n值以及擴(kuò)孔率（值）等特定機(jī)械參數(shù)有額外要求。這些參數(shù)和材料的微合金特性有密切的關(guān)系，這樣，鈮微合金化再加上一些適當(dāng)?shù)奶幚頃?huì)對(duì)它們?cè)斐珊艽蟮挠绊憽Ｒ虼?，下面主要闡述的是Nb對(duì)不同類型鋼的影響。高強(qiáng)度無間隙鋼與烘烤強(qiáng)化無間隙原子鋼在冷軋無間隙原子鋼中剩余的固溶碳和Ni（采用真空脫碳后每項(xiàng)都少于30ppm）的穩(wěn)定性是通過加入Ti或Ni或兩者兼有來達(dá)到的。無間隙原子鋼良好的冷成形性與其高的r值和適當(dāng)?shù)?/p>

28、n值有關(guān)。高強(qiáng)度無間隙原子鋼主要基于Nb（002）的強(qiáng)化。與同一級(jí)別的Ti相比，鈮強(qiáng)化的無間隙原子鋼具有更小的晶粒尺寸，進(jìn)而具有更高的屈服強(qiáng)度。這些源于熱軋板帶中的更細(xì)的晶粒尺寸。因?yàn)镹b的原子尺寸比較大，具有拖曳作用，在終軋階段能夠阻礙奧氏體的再結(jié)晶。此外，奧氏體中固溶鈮同樣能夠阻礙鐵素體轉(zhuǎn)變，這也有進(jìn)一步細(xì)化晶粒的作用。但是，值得注意的是，同Ti強(qiáng)化鋼相比，鈮強(qiáng)化鋼在冷軋后需要較高的退火溫度才能完全的再結(jié)晶。與傳統(tǒng)的超低碳合金鋼的設(shè)計(jì)相對(duì)比，兩種新型的冶金學(xué)方法都將Nb的含量顯著提高了，或者形成固相的Nb，或者在同時(shí)提升C含量的情況下形成細(xì)微的NbC沉淀。兩種方法都可以得到細(xì)化的晶粒，因此

29、提高了強(qiáng)度，并且在保持一個(gè)適當(dāng)?shù)膔值的情況下對(duì)材料的二次冷加工脆性有了改善。通過一種特定的穩(wěn)定的超低碳鋼冶金方法同樣也可以生產(chǎn)烘烤硬化鋼。正如Voestalpine所描述的，這種烘烤硬化的超低碳鋼比傳統(tǒng)的烘烤硬化低碳鋼更具優(yōu)勢(shì)。ThyssenKrupp大致描述了一種典型的通過加入Nb和欠化學(xué)當(dāng)量的Ti引起的硬化，而且加入Nb是最有效的方式。510ppm的C的溶解量就可以獲得至少30MPa的烘烤硬化效果，并且不會(huì)產(chǎn)生過早的時(shí)效。在只有鈮強(qiáng)化的鋼中，C的溶解量比較容易確定。這樣，烘烤硬化鋼機(jī)械性能的分散性也降低了，從而改善了最終的零件性能的再加工能力。烘烤硬化鋼非常適合做外側(cè)板，因?yàn)樗哂辛己玫某?/p>

30、形性，而且在噴烤漆后增強(qiáng)了其耐沖擊性，從而具有更高的強(qiáng)度。除此之外，鈮強(qiáng)化超低碳烘烤鋼的r值也就是各向同性很低，這對(duì)拉伸成形是很有利的。微合金化的高強(qiáng)度低合金鋼微合金化的高強(qiáng)度低合金鋼是第一批用于汽車結(jié)構(gòu)生產(chǎn)的高強(qiáng)度鋼之一。在一些現(xiàn)代客車中它們占了車身總重的40。這些鋼種的特點(diǎn)就是屈服率高和由此產(chǎn)生的低加工硬化潛能。這樣便于確定零件的最小屈服強(qiáng)度，因?yàn)榫植康那?qiáng)度對(duì)成形過程中導(dǎo)致的變形程度相當(dāng)?shù)拿舾小８邚?qiáng)度低合金鋼的其他特性包括各相同性以及良好的抗疲勞強(qiáng)度。高強(qiáng)度低碳鋼適合用于生產(chǎn)低等或中等幾何復(fù)雜度的部件，如：構(gòu)成件，緩沖梁和底盤部件等。高強(qiáng)度低合金鋼可以是熱軋材料，也可以是冷軋材料?，F(xiàn)有

31、的冷軋廠都可以通過加熱和連續(xù)退火生產(chǎn)冷軋板帶。因此，這種材料在全世界都有廣泛的應(yīng)用，并且由于合適的晶粒尺寸及經(jīng)過了表面處理具有很強(qiáng)的韌性。高強(qiáng)度低合金鋼的生產(chǎn)依賴于Nb的微合金化以及熱軋廠中的熱軋工藝。這種處理能夠得到細(xì)化的晶粒和均勻的微觀組織，尤其是滲碳體顆粒的細(xì)化有利于成形行為的改善。理想的強(qiáng)度級(jí)別是由Nb的含量(002005)以及Mn、Si等固溶強(qiáng)化決定的。鈦微合金化能夠使屈服應(yīng)力高于400MPa。對(duì)于給定的化學(xué)成分，熱軋材料通常具有相對(duì)于冷軋材料更高的強(qiáng)度值。最近一種生產(chǎn)550MPa屈服強(qiáng)度的熱軋板的方法就是降低C含量至大約004wt，并且將Nb含量提升到009wt以上。這樣不僅可以得

32、到非常好的細(xì)晶微觀組織，同批鋼卷的機(jī)械性能的離散程度也很低。顯然，屈服強(qiáng)度的低離散性對(duì)終軋部分保持小的公差是有利的。由于是鐵素體貝氏體組織，在機(jī)械剪切以后板材的邊部十分的光滑。此外，當(dāng)采用激光拼焊技術(shù)時(shí)，相當(dāng)?shù)偷暮珻量同樣也可以防止邊部硬化。因此，在板材邊部產(chǎn)生高的環(huán)應(yīng)力的成形方法中，這種鋼無疑非常適合。雙相鋼通過在軟的鐵素體基體中形成硬的馬氏體相，雙相鋼的強(qiáng)度與韌性之間得到了很好的協(xié)調(diào)。強(qiáng)度高低主要是由硬的馬氏體相的比例來決定的，其變化范圍為530。這種類型的鋼特點(diǎn)是低屈服強(qiáng)度，高拉伸強(qiáng)度，以及由此產(chǎn)生的高加工硬化。現(xiàn)在的強(qiáng)度水平高達(dá)600MPa冷軋雙相鋼商品很少用鈮合金化，然而在DP800

33、和DP1000中Nb有利于形成細(xì)晶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化。理論和實(shí)踐都表明雙相鋼細(xì)小的微觀組織也會(huì)帶來良好的加工硬化率。這樣，在細(xì)小鐵素體基體上均勻彌散的馬氏體島使強(qiáng)度和成形性達(dá)到了最優(yōu)化的結(jié)合?；ハ噙B接的馬氏體聚結(jié)會(huì)導(dǎo)致材料在彎曲成形時(shí)過早的失效，因此，應(yīng)當(dāng)盡量避免。冷軋雙相鋼的細(xì)晶均勻組織是建立在熱軋板已有的合適的微觀組織基礎(chǔ)上，而這一點(diǎn)可以通過鈮微合金化和低的奧氏體區(qū)終軋溫度來達(dá)到。600°C的卷曲溫度最適合Nb的碳化物的析出。但是，當(dāng)達(dá)到630°C時(shí)就會(huì)出現(xiàn)較多的帶狀組織，從而使n值和屈強(qiáng)比下降。在熱軋雙相鋼中，Nb的微合金化引起明顯的晶粒細(xì)化，進(jìn)一步導(dǎo)致強(qiáng)度的明顯升高。鈮

34、微合金化、高冷卻速率、再加上200°C以下的卷曲溫度使鐵素體晶粒的平均尺寸在2m以下。這時(shí)抗拉強(qiáng)度要明顯高于沒有鈮微合金化的粗大晶粒的材料。所以，鈮微合金化的材料可以在馬氏體含量很低的情況下達(dá)到要求的強(qiáng)度水平，而低的馬氏體含量對(duì)保證低屈強(qiáng)比和高延伸率都是很有利的。在成形過程中，低的屈服強(qiáng)度使沖壓時(shí)金屬更容易開始塑性流動(dòng)，而雙相鋼的高應(yīng)變強(qiáng)化能力也增強(qiáng)了應(yīng)變?cè)俜峙?，可以防止局部的減薄。由于成形方法的不同，最終成品的實(shí)際屈服強(qiáng)度會(huì)因變形程度的不同而在局部有所差別，這種差別會(huì)影響零件的抗沖擊性能。在彎曲成形或拉伸翻邊時(shí)，鐵素體和馬氏體強(qiáng)度的巨大差異會(huì)導(dǎo)致局部的應(yīng)力集中，從而削弱雙相鋼的性能

35、。鈮微合金化和少量的貝氏體有利于微觀組織的細(xì)化，提高控制這方面性能的值。相變誘發(fā)塑性鋼最近研制的相變誘發(fā)塑性鋼實(shí)現(xiàn)了在很高強(qiáng)度的同時(shí)有高的延伸率。優(yōu)良性能的完美結(jié)合的機(jī)制是在應(yīng)變作用下亞穩(wěn)的奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變。經(jīng)證明，相變誘發(fā)塑性的效果發(fā)揮的程度取決于微觀組織中殘余奧氏體的量及其穩(wěn)定性。在熱軋相變誘發(fā)塑性鋼中加入Nb進(jìn)行微合金化可以穩(wěn)定殘余的奧氏體。神戶制鋼加入少量的Nb使殘余奧氏體的比例有了顯著的提高。而且，鐵素體基體的晶粒也得到了細(xì)化，這一點(diǎn)有助于得到較高的強(qiáng)度。Nb的這兩種功能相互協(xié)調(diào)，使材料的能量吸收能力有了顯著的提高。在冷軋相變誘發(fā)塑性鋼的生產(chǎn)中，人們發(fā)現(xiàn)低卷曲溫度(500

36、6;C)和Nb的微合金化一起作用時(shí)會(huì)顯著降低馬氏體出現(xiàn)的溫度。在冷軋后的臨界區(qū)退火中，以非常細(xì)小粒子形式溶解的Nb的沉淀物可以控制晶粒的尺寸，并保證微觀組織的均勻性。經(jīng)過模擬發(fā)現(xiàn)，細(xì)晶粒的微觀組織對(duì)貝氏體的形成有滯后作用，這樣可以解釋為什么在試驗(yàn)中只發(fā)現(xiàn)少量的貝氏體。與雙相鋼相似，相變誘發(fā)塑性鋼因其顯著的加工硬化行為和高度均勻的延伸變形，在拉伸狀態(tài)下有非常好的表現(xiàn)。另外值得注意的是，相變誘發(fā)塑性鋼還顯示了良好的深沖性。這是因?yàn)樵谑湛s翻邊狀態(tài)下轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的奧氏體較少，而在模壁附近平面變形時(shí)較多。因此，較硬的模壁附近的部分會(huì)將較軟的凸緣附近的部分拉入模具中而不發(fā)生斷裂。這種機(jī)制的潛力在加入鈮微合

37、金化時(shí)會(huì)得到加強(qiáng)，因?yàn)槟菢涌梢蕴岣咪撝袏W氏體的殘余量。雙相鋼和相變誘發(fā)塑性鋼成形時(shí)應(yīng)該注意的一個(gè)主要問題就是各部分的尺寸精度。沖壓后的高殘余應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致反彈、扭曲、卷曲等形式的部分變形。彌補(bǔ)這些影響的措施就是調(diào)整零件的設(shè)計(jì)、優(yōu)化沖壓方法。這些措施通用汽車公司、福特公司、尼桑公司和菲亞特公司有更詳細(xì)的描述。鐵素體貝氏體鋼和貝氏體鋼對(duì)底盤和車輪部分來說，主要的成形方式有拉伸翻邊、彎曲、擴(kuò)孔和電火花成形。這些成形方式要求材料具有較高的值。這些零件要求高的硬度和疲勞強(qiáng)度。局部的硬度可以通過楊氏系數(shù)和厚度來確定，而疲勞強(qiáng)度由拉伸強(qiáng)度和厚度決定。綜合所有的要求，高強(qiáng)度的鐵素體貝氏體軋熱鋼或貝氏體熱軋鋼是可選

38、用的。低CMnSi鐵素體貝氏體鋼的微觀結(jié)構(gòu)達(dá)到了性能的最優(yōu)結(jié)合，抗拉強(qiáng)度高達(dá)600MPa，且其離散程度最低。在這些鋼里，Nb是標(biāo)準(zhǔn)的微合金化元素。相對(duì)于傳統(tǒng)的340MPa的材料，600MPa級(jí)的鋼種在理論上的減重潛能大約為20。然而，對(duì)于800MPa的材料，其減重潛能會(huì)提高至30以上。在這方面，住友公司闡述了生產(chǎn)車輪用的700MPa和800MPa的熱軋鋼的發(fā)展。可以達(dá)到目標(biāo)強(qiáng)度的化學(xué)成分為低C，Si，Mn，Cr以及Nb和Ti微合金元素。通過調(diào)整卷曲溫度，可以調(diào)整鋼的微觀組織來獲得更好的擴(kuò)孔率或延伸率。日本的幾個(gè)鋼廠在發(fā)展過程中遇到的一個(gè)重要的問題就是對(duì)半鎮(zhèn)靜鋼種的設(shè)計(jì)，所謂的半鎮(zhèn)靜鋼結(jié)合了高的

39、擴(kuò)孔率和高的延伸率。這一點(diǎn)通過對(duì)微觀組織的控制和避免微觀組織中出現(xiàn)大的強(qiáng)度梯度來實(shí)現(xiàn)的。馬氏體鋼目前，部分馬氏體鋼或全馬氏體鋼給車身和底盤部分提供了最高的強(qiáng)度。熱軋或冷軋的這些鋼具有高于1000MPa抗拉強(qiáng)度。當(dāng)然，其成形性很有限，而且只能用來生產(chǎn)外形相對(duì)簡單的零件。顯微組織的細(xì)化對(duì)成形性是有利的，因此，正如奧鋼聯(lián)和SSAB公司中描述的那樣，Nb通常用來對(duì)這些鋼進(jìn)行微合金化。幾年來熱成形制造的零件的應(yīng)用越來越廣泛。在最近的一款大眾汽車模型中，熱成形的部分占據(jù)了整個(gè)車身重量的15。典型的模壓硬化鋼(PH鋼)22MnB5是利用Ti和B微合金化的。鋼板在沖壓前加熱到950°C附近，然后在一個(gè)水冷模具中加壓。這種材料的熱成形性非常好，而且由于模具淬火，最終的零件的強(qiáng)度可以達(dá)到大眾汽車提到的1500MPa。在豐田汽車公司提到的另一種工藝中，零件是經(jīng)過恢復(fù)性退火的冷軋材料通過冷變形得到的，然后在經(jīng)過感應(yīng)加熱和淬火使得沖壓后的零件局部淬硬。馬氏體最終的強(qiáng)度是由鋼中的含碳