汽車車身高強度鋼的應用發展及挑戰

李軍 劉鑫 曹廣祥 張林陽

（1.中國第一汽車股份有限公司材料與輕量化研究院，長春130011；2.中國第一汽車股份有限公司蔚山工廠，長春130000）

1 汽車車身用材的競爭

長期以來，汽車車身材料以鋼為主。近年來隨著汽車輕量化的推進，鋁鎂合金、塑料等輕質材料由于降重效果顯著，在汽車上的用量不斷增加，與汽車用鋼形成了激烈的競爭[1]。奧迪A8輕量化全鋁車身的出現，讓鋁合金一度被視為車身用材的主流方向，但隨著新一代奧迪A8車身由全鋁改為鋼鋁混合，車身鋁合金占比由93.1%降低到58%，鋼在車身上的應用出現反彈。現階段，輕量化材料應用已成為實現汽車輕量化的有效途徑。材料技術的發展為汽車的輕量化開發和生產創造了有利條件，每年一次的歐洲車身會議（EuroCarBody）展示的車身先進材料及先進工藝技術已成為行業發展的風向標[2]，通過分析歷年車型用材情況總結車身的選材趨勢。參照文獻[3]的大數據統計方法，利用公式（1）得出2010～2019年歐洲車身會議車身用材變化趨勢圖，如圖1所示。由圖1可得出如下結論。

圖1 2010-2019年歐洲車身會議車身用材變化趨勢

a.歐洲車身會議上的車身用材主要為鋼和鋁，其他材料如鎂、塑料等在車身中的占比極低；

b.鋼和鋁呈現出明顯的此消彼長的交替變化關系[4]。

雖然鋼的輕量化效果不如鋁、鎂、塑料等輕質材料，但依然是車身用材的主要選擇，鋼的優勢如下[3]。

a.機械性能范圍廣。鋼的抗拉強度覆蓋270～2 000 MPa，能夠為車身各部位不同性能的設計要求提供合理的選材方案。

b.成本低。汽車用鋼的成本要遠低于鋁鎂合金和碳纖維，而且鋼的加工成本更低(原材料成本幾乎占到整個零件成本的70%以上)，因此，應用高強度鋼無疑是成本最優的輕量化材料解決方案。圖2所示為不同輕量化材料方案降重比例與成本增加的關系[2]。

圖2 不同材料降重比例與成本增加的關系

c.維修容易。鋼相比于鋁合金具有更優良的塑韌性，在發生碰撞后，大多數情況下可通過鈑金工藝來修復，成本較低。

d.生命周期排放低。文獻[5]研究結果表明，鋁鎂合金、碳纖維等輕質材料在全生命周期的CO2等效排放遠高于鋼，僅在材料生產環節的排放就為鋼的5～20倍。提高高強度鋼的應用比例有助于減少CO2排放[6]。

車身用材的變化，說明了輕量化材料的應用不再以單獨追求減重為目標，反映了車身輕量化設計在性能、質量、成本之間平衡的考慮[4]。車身輕量化用材呈現出多材料混合使用的趨勢，高強度鋼的應用依然是車身用材的主要選擇。

2 汽車車身高強度鋼的應用現狀及發展

2.1 高強度鋼的分類

高強度鋼的分類方法有多種，可按強度、冶金原理、強塑積等進行分類。

歐洲車身會議將高強度鋼具體分為高強度鋼、先進高強度鋼、超高強度鋼和熱成形鋼，對應鋼種如表1所示。

表1 歐洲車身會議高強度鋼分類

隨著高強度鋼材料的發展，強塑積成為了一個表征高強度鋼強塑性綜合性能的分類指標，按強塑積將高強度鋼分為第1代、第2代和第3代高強度鋼，如圖3所示。

圖3 高強度鋼的強塑積[7]

a.第1代高強度鋼的合金元素一般在3%以內，材料抗拉強度覆蓋了300～2 000 MPa，強塑積一般在5～20 GPa%。

b.第2代高強度鋼的強塑積遠高于第1代高強度鋼，可達50 GPa%以上，表明第2代高強度鋼具有高強度和優良塑性等綜合性能。代表鋼種為TWIP鋼，典型成分為Fe-25%Mn-3%Al-3%Si-0.03%C。相比第1代高強度鋼，第2代高強度鋼合金元素的含量高，導致成本高且冶煉、軋制等工藝控制難度大，不利于工業化大生產[7]，所以未廣泛應用。

c.第3代高強度鋼的強塑性能位于1代和2代之間，強塑積在20～40 GPa%。第3代高強度鋼開發的目標為高性價比、相對低的成本和優良的強塑積[8]。典型代表有強塑積可達30GPa%的QP鋼、超細晶貝氏體鋼以及中國鋼鐵研究總院開發的中錳鋼。

2.2 高強度鋼的應用現狀

提高車身高強度鋼的用量能夠很好地應對汽車輕量化和高安全性的需求，先進高強度鋼和熱成形鋼（按歐洲車身會議的鋼種分類方法）的發展和應用鞏固了鋼在車身選材中的地位。國內外開展了多個汽車車身輕量化的研究項目，如國際鋼鐵協會的超輕鋼車身項目（ULSAB）、超輕鋼車身—先進的汽車概念計劃（ULSAB-AVC）、未來鋼制汽車（FSV）項目、蒂森克虜伯公司的新型輕量化汽車項目（InCarplus）、寶鋼的超輕車身項目（BCB）等，高強度鋼材料、結構優化設計和先進制造技術等的綜合應用滿足了汽車輕量化及安全性的需求。

2.2.1 冷成形先進高強度鋼

現階段，主要應用的先進高強度鋼有DP鋼、TRIP鋼、MS鋼、QP鋼、DH鋼，用量最大的是DP鋼，廣泛應用于車身碰撞吸能件及及門檻、防撞梁等安全件。一般來說，材料強度的提高將導致成形性能降低，應用難度提升，對于復雜形狀的零件，材料強度越高，常規的冷成形工藝解決回彈、起皺、開裂等難度越大，限制了冷成形高強度鋼的應用，目前1 180 MPa級冷成形鋼已有較多應用。第3代高強度鋼中的QP鋼具有高強度、高成形性能的特性，一定程度上提升了冷成形高強度鋼的應用潛力，目前已實現工業化應用的最高強度為1 180 MPa級。近幾年，在傳統DP鋼基礎上開發的DH鋼逐漸得到應用，相較于傳統DP鋼的鐵素體和馬氏體組織，DH鋼含有5%左右的殘余奧氏體，具有更優異的成形性能。車身主要應用的先進高強度鋼種類及強度級別見表2。

表2 車身主要應用的先進高強度鋼種類、強度級別和成形方式

2.2.2 熱成形鋼

熱成形技術的應用為鋼的強度與成形性能之間的相互限制與制約提供了很好的解決方案。主流應用的直接熱成形是將加熱至奧氏體化的材料在模具中進行成形并淬火形成馬氏體組織，強度可達2 000 MPa，圖4所示為熱成形鋼交貨態和淬火態的力學性能對比。熱成形具有成形過程中回彈小、尺寸精度高、可成形復雜形狀，成形后零件強度高等特點，目前已成熟應用。

圖4 熱成形前后力學性能對比

熱成形鋼在車身上應用廣泛，如A/B柱、車門防撞梁等碰撞安全件，并且熱成形鋼在車身的占比逐漸提高，圖5所示為2017～2019年歐洲車身會議部分車型的車身熱成形零件質量占比。由圖5可以看出，歐美車型的車身熱成形鋼用量較大，質量占比普遍達到20%以上，而日系車型熱成形鋼用量普遍較少。

圖5 2017-2019年歐洲車身會議部分參會車型的熱成形零件在車身的質量占比

熱成形在國內外汽車輕量化市場的前景廣闊，據Schuler的統計數據，截止2018年，全球市場的熱成形零件需求量約5.74億件，圖6為世界范圍內汽車行業對于熱成形零件的需求。近年來國內的熱成形迅猛發展，產線數量突破180條，隨著熱成形技術的成熟和用量的逐漸增大，熱成形零件的價格有望進一步下探，未來熱成形零件在車身的占比會進一步提高。

圖6 世界范圍內汽車熱成形零件的用量（資料來源：Schuler）

2.2.3 國內應用現狀

國內各大鋼鐵企業如寶鋼、首鋼、鞍鋼等都非常重視汽車用高強度鋼的開發，目前實現穩定供貨的冷成形先進高強度鋼最高強度牌號有DP1180、QP1180、MS1500；熱成形鋼方面，1 500 MPa級已成熟應用，1 800 MPa、2 000 MPa也已開發完成并少量應用。

隨著材料技術的發展和制造水平的提高，先進高強度鋼、熱成形鋼以及輕質材料普遍應用于汽車車身設計，車身輕量化水平不斷提高。國內部分車企的車身用材水平已與世界先進車企同步，如全鋁車身的蔚來ES8、鋼-鋁-塑料混合材料車身的奇瑞螞蟻eQ5，輕質材料的大量應用大幅降低了車身質量；表3中是中國輕量化車身會議展示的3款鋼質車身代表車型，車身高強度鋼應用比例最高已超過70%，車身輕量化水平提升。

表3 3款鋼質車身高強度鋼占比（質量分數） %

2.3 高強度鋼的新發展

隨著汽車輕量化和安全性需求的提高，促使高強度鋼向著高強度、高塑性/韌性發展，同時隨著汽車行業的競爭加劇，要求高強度鋼需有更具競爭力的性價比。

2.3.1 高強度

對零件進行等結構強度設計，兩種不同強度的材料厚度之間的關系可根據公式（2）進行估算[9]，通過提高材料強度，減薄材料厚度可實現零件降重。因此，高強度鋼輕量化應用的必然發展方向之一為材料的高強度。

式中，t1和t2為兩種材料的厚度；σ1和σ2為兩種材料的屈服強度；N為由變形形式決定的數值。

冷成形先進高強度鋼方面，SSAB開發的馬氏體鋼Docol 1400M具有優異的成形性能，能夠沖壓成形車門防撞梁，Docol 1700M用于輥壓成形的車頂縱梁；日本車企對于冷沖壓成形材料的應用技術非常先進，目前正在開發1 500 MPa級冷沖壓高強度鋼，國內的寶鋼也在進行1 500 MPa級高延伸率QP鋼的開發。

熱成形鋼方面，1 800 MPa和2 000 MPa熱成形鋼已在少數車型上開始應用，如應用1 800 MPa級熱成形鋼代替1 500 MPa級制造車門防撞梁，零件厚度可由1.6 mm降至1.4 mm，實現降重12.5%。

2.3.2 高強塑積

為了改善冷成形高強度鋼隨強度提高塑性下降而導致應用困難的難題，利用亞穩奧氏體在成形過程中的TRIP效應來進行增強增塑成為先進高強度鋼的重要發展方向之一，如TRIP鋼、QP鋼中都含有一定量的奧氏體組織。近年來，首鋼在傳統DP鋼基礎上開發出了含有約5%殘余奧氏體的DH鋼，相對于傳統DP鋼，成形性能明顯提升，現已穩定供貨的強度級別有590 MPa、780 MPa、980 MPa，DH鋼的開發為車身用材提供了一個新的選擇。

2.3.3 低成本

隨著汽車行業競爭的加劇，材料的高性價比成為汽車企業重點關注的指標，這就促使汽車用鋼向著低成本方向發展。對于高強度鋼的發展，微合金化已成為開發的方向，通過降低合金含量來降低原材料的成本；同時先進的生產工藝如薄板坯連鑄連軋技術（CSP）和無頭軋制技術（ESP）的應用[6]，有助于降低生產環節的成本。

2.3.4 新成形工藝技術

為適應新的高強度鋼材料的應用，不斷開發先進的成形工藝，如可用變截面梁類零件的輥沖技術、熱輥彎技術，結合強度分區設計和輕量化的熱成形一體門環技術，TRB技術等。

3 汽車車身高強度鋼應用面臨的挑戰

3.1 冷沖壓成形難題

a.回彈控制一直是高強度鋼應用的關鍵技術之一，回彈量的大小與材料的屈服強度成正比關系，與材料的彈性模量成反比關系，鋼的彈性模量接近，所以屈服強度越高的鋼，回彈量越大，如圖7所示。為得到零件良好的尺寸精度，需要加強對沖壓回彈的精準預測和補償，這就對沖壓仿真分析和模具設計能力提出了高要求，尤其是含殘余奧氏體組織的先進高強度鋼在沖壓過程中發生的相變行為，給沖壓回彈問題的解決增加了難度。

圖7 不同強度的DP鋼回彈狀態

b.隨著高強度鋼強度的提高，沖壓成形需要的載荷提高，對沖壓設備的要求提高；材料硬度高導致了模具表面的磨損加大，壽命降低。因此，高強度鋼的應用對沖壓設備、模具材料的要求都較高。

3.2 焊接技術難題

與普通軟鋼相比，高強度鋼材料通常具有更高的強度、碳當量以及電阻率，加之因防腐設計需要，車身零件多數會使用表面帶有防腐涂鍍層的鋼板，因而這將導致其材料本身焊接性的惡化，相應的其車身制件焊接質量的保證也越來越困難。當前，電阻點焊仍是車身用高強度鋼板的主流連接工藝。在現生產中，高強度鋼板電阻點焊連接過程中面臨的技術難題主要包括以下四大類：縮孔及凝固裂紋、組織淬化及軟化、焊接飛濺以及表面液態金屬脆性裂紋。目前，對于上述質量問題，一般均是借助先進的點焊連接設備并匹配以精細化的連接工藝設計來實現的。

目前，國內對車身用高強度鋼板電阻點焊連接技術的開發與創新要明顯滯后高強度鋼板材料的發展，這也是限制高強度鋼板應用的因素之一。對于高強度鋼板而言，其拉剪失效模式主要包括鈕扣撕裂、搭接面半剪開以及搭接面全剪開三種。按照現有的焊接質量評判標準，只有在發生鈕扣失效時才能被視為合格的前提條件之一，如圖8中的1#試樣所示。而事實表明，在焊點直徑滿足產品要求的前提下，對于更高等級的高強度鋼板而言，后兩種失效模式通常也是滿足產品要求的。因而，對于高強度鋼板電阻點焊而言，如何綜合評判車身焊點的失效模式、拉剪強度、直徑以及板材厚度組合與連接質量合格性之間的關系，并建立起一個有效的、全面的高強度鋼板點焊質量評價體系，將是未來一段時間內高強度鋼板應用亟待解決的一個關鍵共性技術難題。

圖8 2.0 mm DP780&DP780鋼板點焊試樣拉剪后的失效形式

3.3 延遲開裂

材料在內應力作用下，一段時間后突然發生脆性開裂的現象稱為延遲開裂[10]。隨高強度鋼的發展，延遲開裂現象逐漸受到關注并成為研究的熱點方向之一。對于高強度鋼的延遲開裂，行業里已形成以下共識：延遲開裂與材料中的氫有關，因此又稱為“氫脆”；延遲開裂敏感性與材料的組織有關系，馬氏體組織的延遲開裂敏感性高；延遲開裂敏感性與材料強度正相關，這與目前使用的先進高強度鋼和熱成形鋼含有的馬氏體組織有關。

對于延遲開裂的研究，汽車企業和鋼鐵企業一直在進行，常用的評價試驗方法有：U形彎曲試驗、彎梁試驗、拉深沖杯試驗、充氫慢拉伸試驗等。對于高強度鋼如何科學的進行延遲開裂評價國內外尚無統一的試驗方法，試驗評價如何合理的表征材料的實際服役狀況需要行業持續深入的研究。延遲開裂的評價已成為新的先進高強度鋼和更高強度的熱成形鋼開發及應用的研究熱點和難點之一。

3.4 斷裂韌性

材料的斷裂應變是CAE碰撞分析中判斷零件是否發生斷裂失效的重要指標，較高的斷裂應變有助于提升零件的碰撞性能。用于碰撞抗侵入的車身熱成形零件如A/B柱等，在碰撞發生時主要的變形形式為彎曲變形，文獻[11]表明，熱成形鋼零件的彎曲斷裂應變可以用通過VDA238-100三點彎曲試驗方法中的最大彎曲角來評價，較高的最大彎曲角代表著材料具有較高的彎曲斷裂應變，因此，如何提高熱成形鋼的最大彎曲角成為研究的熱點方向。圖9為1 500 MPa和1 800 MPa熱成形鋼的彎曲角試驗結果，可以看出，材料強度的提高導致了彎曲角的明顯降低，1 800 MPa及更高強度熱成形鋼的斷裂韌性的評價成為熱成形鋼評價的重要關注點之一。

圖9 1 500 MPa和1 800 MPa熱成形鋼的彎曲角對比

4 結論

a.高強度鋼具有高強度、低成本、易維修、環保等優勢，現階段是汽車車身輕量化用材的主要選擇。

b.高強度鋼的應用比例逐漸提高，先進高強度鋼和熱成形鋼的應用有望進一步擴大，其中熱成形鋼應用優勢更明顯。

c.高強度鋼向著高強塑積、微合金低成本化等方向發展。

d.高強度鋼的應用需要解決冷沖壓成形過程中的回彈控制、模具磨損、焊接等難題，還需要持續研究延遲開裂、斷裂韌性等性能評價方法。