2022年汽車車身用鋼板的材料性能

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汽車車身用鋼板的抗碰撞性能

1.前言

近年來，為了提高汽車的抗碰撞性能，車身的質(zhì)量在不斷地增加。同時(shí)，為了降低油耗、減少有害氣體的排放及減輕汽車的質(zhì)量，要求汽車工業(yè)與冶金工業(yè)共同研發(fā)滿足減重和改善抗碰撞性能兩個(gè)互相矛盾要求的新材料。

超輕鋼制汽車車身-先進(jìn)汽車概念〔ULSAB-AVC〕工程的目標(biāo)是在減輕自重、減少油耗和排放的前提下，通過使用先進(jìn)的高強(qiáng)度鋼材和最新的制造技術(shù)，提高車體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，滿足2004年出臺(tái)的更為嚴(yán)格的碰撞標(biāo)準(zhǔn)要求。表1列出新的ULSAB-AVC工程和以前的ULSAB工程碰撞標(biāo)準(zhǔn)的比較。

汽車碰撞時(shí)，車身承受高速的負(fù)荷，其抗碰撞性能受材料在高速應(yīng)變情況下吸收能量的影響。各種材料在高速拉伸〔高應(yīng)變速度〕時(shí)的性能與靜拉伸〔低應(yīng)變速度〕時(shí)的性能是不同的。因此，采用高速拉伸試驗(yàn)方法來測(cè)定鋼材的性能從而判斷不同鋼材在高速應(yīng)變情況下吸收能量的性能。整理文本整理文本..整理文本.

同時(shí)，為了解鋼材在碰撞時(shí)吸收能量的情況，很多研究者又用模型進(jìn)行模擬試驗(yàn)或用有限元方法來判斷不同材料碰撞時(shí)能量吸收的情況。

2.鋼材在高速拉伸時(shí)的性能

鋼板在交貨狀態(tài)和經(jīng)過應(yīng)變?cè)俳?jīng)烘烤處理后的性能是不同的，在靜態(tài)拉伸和動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)時(shí)所測(cè)得的強(qiáng)度也是不同的。對(duì)此,JodyShaw等人用5種類型的鋼板進(jìn)行了試驗(yàn)[2]。試驗(yàn)用鋼的成分和性能列于表2。

5種鋼板交貨狀態(tài)和經(jīng)2%,5%,10%的預(yù)應(yīng)變后再經(jīng)烘烤處理后的屈服強(qiáng)度如圖1〔S&B表示應(yīng)變和烘烤〕。整理文本整理文本..整理文本.

從圖1看出，鋼板交貨狀態(tài)的性能與經(jīng)一定量的預(yù)應(yīng)變和烘烤后〔近似成品零件〕的性能有很大區(qū)別，HSLA鋼種在10%應(yīng)變和烘烤后，其屈服強(qiáng)度比原始的屈服強(qiáng)度提高了約30%〔從400MPa左右提高到約530MPa),而雙相鋼DP500Y那么提高了約100%〔從350MPa提高到約700MPa〕。這種加工硬化和烘烤硬化的特點(diǎn)，使制成零件在強(qiáng)度和碰撞時(shí)吸收能量方面具有優(yōu)勢(shì)。

5種鋼材動(dòng)態(tài)拉伸與靜態(tài)拉伸測(cè)得的抗拉強(qiáng)度如圖2。動(dòng)態(tài)拉伸時(shí)抗拉強(qiáng)度有所提高。

從圖1和圖2看出，不同的鋼板交貨狀態(tài)的強(qiáng)度性能〔靜態(tài)〕與加工成零件在動(dòng)態(tài)受力時(shí)的性能是完全不同的，因此可以推斷，零件碰撞時(shí)吸收的能量受零件加工過程中的變形量和碰撞時(shí)受力速度的影響。整理文本整理文本..整理文本.

WolfgangBleck等人對(duì)軟鋼DC04,高強(qiáng)度鋼ZStE340，DP600,DP800、DP10003種雙相鋼和一種TRIP鋼進(jìn)行了不同應(yīng)變速度的拉伸試驗(yàn)[3]，應(yīng)變速度分別為5x1-3、1、3.5、100和約200s-15種速度〔雙相鋼沒有進(jìn)行3.5s-1應(yīng)變速度的試驗(yàn)〕的試驗(yàn)，測(cè)定力學(xué)性能〔強(qiáng)度和塑性〕，了解應(yīng)變速度對(duì)它們的影響。

試驗(yàn)用鋼的化學(xué)成分、晶粒大小、相的體積分?jǐn)?shù)和力學(xué)性能如表3。

本文未列出應(yīng)變速度對(duì)幾種鋼板強(qiáng)度和塑性的影響數(shù)據(jù)，只列出應(yīng)變速度對(duì)各種鋼吸收能的情況。采用應(yīng)力開始下降前的應(yīng)力一應(yīng)變曲線下面積的積分作為吸收能量的數(shù)值，為了排除樣品幾何尺寸的影響，總吸收能量的數(shù)值轉(zhuǎn)換成單位質(zhì)量的吸收能量值，結(jié)果如圖3。

從圖3看出，在所有應(yīng)變速度下，TRIP鋼在高速變形時(shí)吸收的能量最高。

3.用模擬汽車零件形狀的樣品進(jìn)行撞擊試驗(yàn)

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用高速拉伸試驗(yàn)測(cè)定的鋼材強(qiáng)度和塑性指標(biāo)及根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積計(jì)算的能量消耗指標(biāo)，雖然在一定程度上可以判斷鋼板制成零件后在碰撞時(shí)吸收能量的情況，但是數(shù)據(jù)仍不夠準(zhǔn)。為了更確切地評(píng)價(jià)汽車車身零件碰撞的吸收能情況JodyShaw等人用表2所列的5種鋼板制成封閉帽形槽樣品進(jìn)行落錘試驗(yàn)，了解各種鋼板吸收能量的情況。

封閉帽形槽樣品形狀及尺寸如圖4。帽形槽樣品用彎曲成形和沖壓拉深成形2種方法制造，以考慮加工硬化程度不同對(duì)撞擊時(shí)吸收能量的影響。整理文本整理文本..整理文本.

落錘裝置如圖5。沖擊有效行程限定為150mm后，落錘質(zhì)量由擋塊承載。落錘試驗(yàn)對(duì)以下2種情況進(jìn)行研究：a一個(gè)200kg的重錘從11m高度下落沖擊帽形槽樣品，速度為50km/h;b.一個(gè)400kg重錘從2.5m的高度下落沖擊帽形槽樣品，速度為25km/h。200kg的重錘從Hm高度下落的能量是400kg的重錘從2.5m的高度下落的能量的2倍。盡管如此，這些重錘的下落能量可以將所有試樣的150mm的長(zhǎng)度壓潰，對(duì)各種鋼板吸收能量的情況如圖6。整理文本整理文本..整理文本.

圖6中，“D〞表示帽形槽樣品用彎曲法加工；“B〞表示帽形槽樣品用沖壓拉深成形加工；"25"表示沖撞速度為25km/h；"50"表示沖撞速度為50km/h。

從圖6看出，5種鋼板中，雙相鋼板的吸收能量最高，鐵素體-貝氏體鋼次之，C-Mn〔440W〕鋼和低合金高強(qiáng)度〔HSLA4408〕更次之，而IF鋼最差。材料的強(qiáng)度對(duì)吸收能量有明顯的影響，落錘試驗(yàn)中吸收能量與屈服強(qiáng)度、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度的關(guān)系分別如圖7~圖9。

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由圖7~圖9看出，用屈服強(qiáng)度難以預(yù)測(cè)能量吸收，用抗拉強(qiáng)度預(yù)測(cè)能量吸收更合理些，而用動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度預(yù)測(cè)不同鋼種的相對(duì)能量吸收能力最正確。強(qiáng)度相同時(shí)，由于鋼種不同，吸收能量情況也有差異。

YoshifamiOjima等人用4種TRIP鋼(RA〕、2種DP鋼〔DP〕和2種析出硬化鋼〔PH〕模擬汽車零件前側(cè)梁〔front-sidemember〕形狀的方形柱狀樣品也進(jìn)行碰撞試驗(yàn)，以了解鋼板吸收能量的情況。鋼板成分和性能如表4。整理文本整理文本..整理文本.

方形柱狀樣品如圖10。碰撞試驗(yàn)裝置如圖11。

4種TRIP鋼的剩余奧氏體含量不同，在不同的拉伸應(yīng)變量后其數(shù)量的變化〔說明其穩(wěn)定性〕也不同〔圖12)。A鋼剩余奧氏體數(shù)量多,D鋼的少，但是應(yīng)變后其剩余的量多，說明剩余奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體的量少，即穩(wěn)定性較高，B和C鋼剩余奧氏體數(shù)量多，但是變形后，其殘存的量少，說明其穩(wěn)定性差。整理文本整理文本..整理文本.

碰撞試驗(yàn)后，方柱形樣品有規(guī)律的起皺，沒有發(fā)現(xiàn)斷裂和焊點(diǎn)剝離〔如圖13〕。測(cè)量的行程位移和負(fù)荷的關(guān)系如圖14，計(jì)算行程為150mm的吸收能量〔相當(dāng)于汽車實(shí)際碰撞時(shí)的吸收能量〕，吸收能量用負(fù)荷-位移下的面積積分求得。

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抗拉強(qiáng)度與吸收能量的關(guān)系如圖15,TRIP鋼吸收能量比其他鋼材約高10%。屈服強(qiáng)度與吸收能量的關(guān)系如圖16，吸收能量根本上與屈服強(qiáng)度成比例，但是鋼種不同，其數(shù)值不同，剩余奧氏體數(shù)量多而且穩(wěn)定性低的B.C鋼〔在應(yīng)變量低時(shí)，多量的奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體〕吸收能量高。加工硬化指數(shù)〔n值〕與屈服強(qiáng)度的關(guān)系如圖17，屈服強(qiáng)度相同時(shí)，B,C鋼的n值高，n值高的鋼吸收能量高。剩余奧氏體量多而且穩(wěn)定性低的鋼〔如B,C鋼〕的n值高、吸收能量多〔如圖18,圖19〕。

加工硬化性能好〔n值高〕有利于應(yīng)變的擴(kuò)展而使其均勻分布，因?yàn)榕鲎沧冃魏蟮膽?yīng)變量難于測(cè)量，所以測(cè)定變形后的硬度分布情況轉(zhuǎn)換成應(yīng)變量數(shù)值，方柱形樣品碰撞變形后不伺部位的應(yīng)變分布情況如圖20。從圖20看出，TRIP鋼與強(qiáng)度相同的其他鋼相比應(yīng)變量大，說明其具有優(yōu)良的應(yīng)變擴(kuò)展而使應(yīng)變分布均勻的特性，即有良好的加工硬化性能從而使其在碰撞時(shí)吸收較多的能量。

4.結(jié)束語

汽車行駛發(fā)生碰撞時(shí)，車身吸收能量的特性將影響其平安性。碰撞時(shí)吸