构成车身的部件大致分为面板部件、结构部件、行走部件及增强部件。这些部件对应不同的用途要求,具有不同的性能。例如,面板部件要求板材具有良好的成型性、强度、延伸性、抗凹陷性、耐腐蚀性等;结构部件要求板材具有良好的成型性、强度、碰撞能量吸收能力、疲劳耐久性、耐腐蚀性、焊接性;行走部件要求具有良好的成型性、刚性、疲劳耐久性、耐腐蚀性、焊接性;而优良的碰撞能量吸收能力、焊接性对增强部件来说特别重要。
虽然随着市场对汽车减重的需求越来越i强烈,但是由于汽车的强度需求和对司乘人员的安全考虑,目前主流轿车的结构件及部分面板还是在使用钢板。汽车用钢板从生产工艺特点划分为热轧钢板、冷轧钢板和涂镀层钢板;从强度角度可划分为:普通钢板(软钢板)、低合金高强度钢板(HSLA)、普通高强度钢板(高强度IF钢、BH钢、含磷钢和IS钢等)和先进高强度钢板(AHSS)等,根据其强度和延伸率具体分类如下图所示:
普通钢板是指碳含量在0.01-0.1%之间,其强度一般满足Rp0.2≤250MPa,Rm在250-350MPa之间,延伸率达到30%以上满足一般强度需求,一般对强度要求不高的零件上等。如St12、St13、St14等型号。
在IF钢的基础上,添加不同类型的强化元素(如固溶强化元素P、Mn、Si)和适当的轧制工艺控制(通过低温大压下量的热轧过程和轧后立即进行加速冷却,得到细晶的铁素体,以及大压下率冷轧和高温退火,得到需要的织构和高成形性能),使钢材在保证良好塑性和冲压性能的同时,拥有较高的强度,能满足复杂形状轿车冲压件性能要求。
低合金高强度钢是在碳素结构钢的基础上加入少量的Mn、Si和微量的Nb、V、Ti、Al等合金元素而发展起来,其屈服强度超过275MPa的一类工程结构用钢。所谓低合金是指钢中合金元素总量不超过3%。低合金高强度钢的研制原则是利用尽可能少的合金元素获得尽可能高的综合力学性能,以达到满足使用、成本低廉的目的。主要特点:屈强比高。强度级别按照屈服强度可分为260、300、340、380和420、460、500MPa。低合金高强度钢主要用于汽车结构件、加强件,主要在欧洲系列车型上使用较多,如:Q345,Q390。低合金高强度钢的合金化原理主要是利用合金元素产生的固容强化、细晶强化以及沉淀强化来提高钢的强度,同时利用细晶强化使钢的韧脆转化温度降低效应,来抵消钢中碳氮化物析出强化使钢韧脆转化温度升高这种不利的影响,使钢在获得高强度的同时又能保持较好的低温性能。
烘烤硬化钢是具有强度又具有较高的可成形性。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最终零件的强度。包括IF钢烘烤硬化钢板和低碳烘烤硬化钢板两种。主要侧重于IF烘烤硬化板,其型号如H180、H260。特点是钢板冲压成形前具有较低的屈服强度,通过冲压成形后的涂漆烘烤工艺使钢板的屈服强度增加。BH钢在具有良好的烘烤硬化性的同时,还必须保证在一定时间内具有常温非时效性,通常用时效指数AI表示,如果AI值小于30MPa,可认为钢板在3个月内不会出现自然时效。BH钢可在不影响成形件形状稳定性的同时,提高钢板的抗凹陷性,因此很适用于生产汽车外覆盖件。
DP钢是以Si、Mn为主要合金成分的低成本钢材。在连续退火过程中,首先加热到760-830℃的铁素体+奥氏体两相区,使其组织为一定比例的铁素体和奥氏体。此时令钢材淬火到马氏体点以下,则奥氏体转变为马氏体,导致所谓的“双相组织”。DP钢基体为软的铁素体,在其上分布硬质的马氏体,两者分别确定材料的低的屈服强度和高的抗拉强度。DP钢比传统的高强钢有更高的初始加工硬化率,所以有很低的屈强比,可以得到很大的延伸。DP钢中固溶较多的C,所以也是一种烘烤硬化钢,在经过烘烤涂漆后,屈服强度提高约100MPa。如代表型号DP590、DP780。DP钢在车辆冲撞的高速变形中,表现出比普通高强钢更高的强度,所以具有更大的冲击能吸收能力,有利于提高车辆的安全性。主要组织是铁素体和马氏体,其中马氏体的含量在5%~50%,随着马氏体含量的增加强度线性增加,强度范围为500~1200MPa。双相钢还具有低的屈强比、高的加工硬化指数、高的烘烤硬化性能、没有屈服延伸和室温时效等特点。一般用于需高强度、高的抗碰撞吸收能且成形要求也较严格的汽车零件,如车轮、保险杠、悬挂系统及其加强件等,随着钢种性能和成形技术的进步,DP钢也开始用于汽车的内外板零件。6、相变诱导塑性钢(TransformationInduced Plastic 简称TRIP)
TRIP钢是近10多年才商业化开发的钢种,主要成分是C、Si和Mn,包括热轧、冷轧、电镀和热镀锌产品。主要组织是铁素体、贝氏体和残余奥氏体,其中残余奥氏体的含量在5%~15%,强度范围为600~800MPa。代表型号如:TR590、TR780。TRIP钢具有高延伸率的本质是应变诱发残余奥氏体转变为马氏体,同时相变引起的体积膨胀伴随着局部加工硬化指数增加,使得变形很难集中在局部区域。同DP钢相比,TRIP钢的起始加工硬化指数小于DP钢,但是TRIP钢的加工硬化指数在很长的应变范围内仍保持较高,特别适合要求具有高胀形性能的情况。7、复相钢(ComplexPhase 简称CP,Multiphase)
复相钢钢同TRIP钢的冷却模式类似,但是需要对化学成分进行调整以形成强化马氏体和贝氏体的析出相,强度范围为800~1000MPa。其组织特点是细小的铁素体和高比例的硬相(马氏体、贝氏体),而且通过析出强化而得到进一步的强化,含有Nb、Ti等元素,具有高的冲击能量吸收能力和好的扩孔性能。适合于车门防撞杆、保险杠和B立柱等安全零件。8、马氏体钢(MartensiticSteels 简称MP)
钢的显微组织几乎全部为马氏体组织,马氏体钢具有较高的抗拉强度。马氏体钢通常需进行回火处理以改善其塑性,使其在如此高的强度下,仍具有足够的成形性能。钢种强度在800-1500Mpa。9、TWIP钢(TWinningInduced Plasticity,简称TWIP)
所谓TWIP,意即孪晶诱导塑性。TWIP钢是以Fe、Mn为主的纯奥氏体碳钢,采用Mn可以扩大奥氏体相区,添加C不仅可以稳定奥氏体,而且可以利用C固溶强化奥氏体。通过控制Mn(17-24%)和C(0.5-0.7%)的含量,可以得到最好的力学性能。nTWIP钢的最大特点是强塑积高,可以达到50000Mpa%,为TRIP钢的2倍以上。TWIP钢可以象DDQ级冲压板一样,冲压出复杂形状零件,但强度却要高出2~5倍;其抗拉强度与热处理钢相当,而塑性却较热处理钢高10倍以上。TWIP钢的塑性变形的主要机制是位错滑移。在变形过程中,非常细的孪晶在晶内发生,孪晶界和晶粒边界均成为位错滑移的壁垒,这会导致非常剧烈的加工硬化,其瞬时硬化率能保持较高的水平(>0.45)。这会抑制缩颈的发生,从而导致TWIP钢非常强的加工硬化能力和非常大的延伸率。这种性能即使在高应变速率下仍然保持着,因而在撞击等高应变过程中,可以保证汽车非常高的安全性。
随着强度的提高,钢板成形性能总体上呈下降趋势,形状冻结性变差,成形难度加大。同时材料成形力也增加,造成成形负荷增大,工具、模具的磨损和损坏严重。所以,近年开发了材料的热冲后进行热处理的新技术,以满足用户对进一步提高强度的迫切要求。这种技术应用于可以热处理强化的钢板,例如含B钢板,将其加热到900℃左右进行冲压成形,大幅度降低了成形抗力,提高了材料的成形能力。冲成零件后,立即利用余热进行淬火处理。目前处理后的抗拉强度可以达到1500Mpa左右。处理完的零件需进行喷丸处理,以去除氧化铁皮,改善表面质量。近年来生产上普遍采用的是带有Al-Si预涂层的钢板,可以在热冲压前的加热过程中避免氧化,热冲压后表面形成Fe-Al-Si合金化层,零件无须喷丸清理,可直接涂装,并且零件的形状精度较好。典型牌号有Mazda:SPHT-T ;Arcelor:Usibor 1500P 、22MnB5。
轿车车身钢板应用强度比例