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，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，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〕時的性能與靜拉伸〔低應(yīng)變速度〕時的性能是不同的。因此，采用高速拉伸試驗方法來測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，為了解鋼材在碰撞時吸收能量的情況，很多研究者又用模型進(jìn)行模擬試驗或用有限元方法來判斷不同材料碰撞時能量吸收的情況。

2.鋼材在高速拉伸時的性能

鋼板在交貨狀態(tài)和經(jīng)過應(yīng)變再經(jīng)烘烤處理后的性能是不同的，在靜態(tài)拉伸和動態(tài)拉伸試驗時所測得的強(qiáng)度也是不同的。對此,JodyShaw等人用5種類型的鋼板進(jìn)行了試驗[2]。試驗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，使制成零件在強(qiáng)度和碰撞時吸收能量方面具有優(yōu)勢。

5種鋼材動態(tài)拉伸與靜態(tài)拉伸測得的抗拉強(qiáng)度如圖2。動態(tài)拉伸時抗拉強(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)〕與加工成零件在動態(tài)受力時的性能是完全不同的，因此可以推斷，零件碰撞時吸收的能量受零件加工過程中的變形量和碰撞時受力速度的影響。整理文本整理文本..整理文本.

WolfgangBleck等人對軟鋼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[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〕的試驗，測定力學(xué)性能〔強(qiáng)度和塑性〕，了解應(yīng)變速度對它們的影響。

試驗用鋼的化學(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

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用高速拉伸試驗測定的鋼材強(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)。為了更確切地評價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，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撞擊時吸收能量的影響。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。落錘試驗對以下2種情況進(jìn)行研究：a一個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的長度壓潰，對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)度對吸收能量有明顯的影響，落錘試驗中吸收能量與屈服強(qiáng)度、靜態(tài)和動態(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)測能量吸收，用抗拉強(qiáng)度預(yù)測能量吸收更合理些，而用動態(tài)抗拉強(qiáng)度預(yù)測不同鋼種的相對能量吸收能力最正確。強(qiáng)度相同時，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，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.

碰撞試驗后，方柱形樣品有規(guī)律的起皺，沒有發(fā)現(xiàn)斷裂和焊點剝離〔如圖13〕。測量的行程位移和負(fù)荷的關(guān)系如圖14，計算行程為150mm的吸收能量〔相當(dāng)于汽車實際碰撞時的吸收能量〕，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，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，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，因為碰撞變形后的應(yīng)變量難于測量，所以測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吸收較多的能量。

4.結(jié)束語

汽車行駛發(fā)生碰撞時，車身吸收能量的特性將影響其平安性。碰撞時吸