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发布时间:2020-08-02 15:31:48

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作者:韩维建 等

出版社:机械工业出版社

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汽车材料及轻量化趋势

汽车材料及轻量化趋势试读:

前言

作为提高汽车燃油经济性的手段之一,轻量化并不是新鲜的技术名词。从20世纪70年代以来,汽车轻量化已经有了长足的发展。为了满足各国政府的安全法规、排放法规以及消费者对于个性化和舒适性的要求,各种零部件、子系统被逐步安装到汽车上。这导致在过去40年,汽车平均质量实际上在缓慢上升。近几年世界各地燃油经济性法规不断加严的趋势,使汽车公司和零部件供应商进一步大力开展汽车轻量化研究,各种新材料、新技术层出不穷。应该注意的是,汽车轻量化不只是单纯的减重,必须同时考虑性能、工艺、成本等因素。单一材料很难同时满足各种汽车零部件的不同要求。因此,汽车轻量化的发展趋势是多种材料的混合使用。为了确保在恰当的部位使用最合适的材料,工程人员有必要了解各种轻量化材料、加工工艺、相关的连接技术以及优化技术。

基于新颖、实用、系统的理念,本书第1章回顾了汽车用材料的组成与演变,以及汽车轻量化发展趋势,强调要系统地研发和推进轻量化。第2~6章覆盖了常用轻量化材料在汽车中的应用,包括高强钢、铝合金、镁合金、塑料和复合材料。由于这些材料必须连接在一起,因此各种连接技术是保证汽车结构整体性的关键。第7章介绍了多种用于汽车轻量化设计的连接技术。第8章讨论了优化设计技术在汽车轻量化中的应用。

参与本书编写的是一个比较“新”的博士团队,这一团队在汽车材料和轻量化方面累积了丰富的经验。除了韩维建、张瑞杰、郑江以外,参加编写的还有黄诗尧、马秋、包祖国、石燕栋和石磊。每个人都尽力把自己对轻量化的理解和经验反映在本书的内容里面。将汽车轻量化的一些基础知识介绍给高校相关专业的学生和从事汽车轻量化工作的工程师,以及所有对汽车轻量化感兴趣的人。由于时间仓促和作者们的阅历局限,本书的不足之处在所难免,欢迎读者提出批评和修改意见。韩维建第1章绪论1.1 汽车材料的发展历程

汽车自诞生100多年以来,其设计、制造工艺得到了巨大的发展。随着新材料开发、制造及加工水平的不断提高,现代汽车材料与100年前相比发生了巨大的变化。

早期的汽车是从马车演变来的。20世纪初期基于马车的制造经验,最初的车身是简单的木制“箱形”结构。随着金属制备技术的发展,金属在汽车上的用量逐渐增加。福特T型车(Model T,见图1-1)是汽车历史上非常著名同时也是获得了巨大成功的一款汽车。在亨利·福特改进了汽车生产工艺之后,T型车的生产、组装时间由12.5h降[1][2]到了93min,当时市面上50%的汽车由福特汽车公司生产。表1-1及图1-2是1915年款福特T型车所用材料及其用量。由表1-1可见,该车整备质量仅为545kg,远远低于现代汽车的平均质量。其中,铸铁和钢材是最主要的材料,其用量接近60%;木材的用量约为76.3kg,用于轮毂及某些骨架结构(如座椅骨架)等,其虽用量远不及钢铁,但大大超过了其他材料;铝合金在1915年款T型车上也得到了应用,主要用于车顶篷、变速器盖等部位,然而1916年款T型车顶篷又改用[3]了钢材,铝合金的应用在当时较为有限。图1-1 福特T型车图1-2 1915年款T型车所用材料及其用量表1-1 1915年款福特T型车所用材料及其用量

随着汽车制造技术的不断发展,特别是第二次世界大战以后,用户对舒适性需求的提高和汽车安全法规的不断完善,使得20世纪中后期汽车质量与汽车诞生初期相比大大增加。到了1975年,乘用车平均整备质量达到了1700kg以上,约为1915年款福特T型车的3倍。经过几十年的发展,更多的新材料被开发、应用到汽车制造中,表[4]1-2所列为1975年汽车制造中用到的材料及其平均用量。由表1-2可见,钢铁仍然是最主要的汽车材料,其总用量占汽车总质量的比例甚至比T型车还要高;而作为T型车主要材料之一的木材,因其易燃性较高,在20世纪70年代的汽车中已经消失不见;很多密度小的材料在汽车上得到了应用,如塑料、橡胶等。表1-2 1975年乘用车材料及其用量

进入20世纪90年代,钢铁公司开发出第一代先进高强钢,汽车材料发生了较大的变化,如图1-3所示。此时轻型汽车中钢材的用量仍占汽车总重的50%以上,虽然低碳钢仍占钢材用量的主导地位,但[5]先进高强钢已经迅速发展并得到广泛应用。铝合金的用量(质量而非占汽车总重的百分比)逐年提高,平均每辆车的铝合金用量为[6]100kg左右,其中80%为铸造铝合金。塑料等非金属材料在汽车总重中所占的比重显著提高,在北美市场中,非金属材料在汽车总质量中所占的比重超过20%。图1-3 1995年乘用车所用材料及其用量

在当今的汽车工业中,新型汽车材料不断被开发出来,汽车制造过程中使用的材料越来越丰富。以2013款福特Fusion为例,其制造过[7]程中用到的材料及其占汽车总重的比例见表1-3。Fusion用到的金属材料中,钢材占绝对主导地位,受益于先进高强钢的不断开发,制造商在对钢材的利用上也有了更多的选择。该车车身主要由钢材制成,在车身结构的承载部位大量使用了各种牌号的先进高强钢,普通低碳钢的平均用量较20世纪车型大幅降低,如图1-4所示。除先进高强钢外,当代汽车还采用铝合金、镁合金、工程塑料及复合材料等多种金属/非金属材料,以满足汽车对功能、安全、效率等多方面的需求。图1-5为100多年来汽车材料的发展趋势。表1-3 2013年款福特Fusion所用材料及其用量

①零件数总计不包括紧固件数量。图1-4 2013年款福特Fusion车身图1-5 汽车材料的发展趋势

自汽车诞生之日起,随着其功能的不断完善,汽车的质量是不断增加的。此外,第二次世界大战结束后的20多年间是汽车工业发展的黄金时期。战后初期,汽油价格低至25美分/加仑,汽车制造商们不必考虑任何与燃油经济性有关的问题,汽车设计的趋势是设计更大、更舒适、动力更强劲的大型车。

然而好景不长,爆发于1973年的第一次石油危机导致汽油价格暴涨,并彻底改变了全球汽车工业的格局。高昂的油价迫使制造商推出质量更小、油耗更低的小型车,乘用车的平均质量在石油危机之后的几年迅速降低。之后,各国政府纷纷推出了各种影响汽车工业的能源政策,如排放法规、燃油经济性法规以及油耗税等,这些政策以及[8][9][10]油价波动共同影响着汽车的轻量化进程。[1] Sandler,Martin.Driving Around the USA:Automobiles in American Life[C].Oxford University Press.2003.[2] Wheels for the world:Henry Ford,his company,and a century of progress,1903-2003[C]:Brinkley,Douglas,2003.[3] Cole G,S Bartosiewicz L,Alberts F E.Automotive Materials and Their Characterization:1916 to 1991,Metallography Past,Present,and Future(75th Anniversary Volume)[M].Pennsyl vania:ASTM STP 1165,1993.[4] Cole G,S Bartosiewicz L,Alberts F E.Automotive Materials and Their Characterization:1916 to 1991,Metallography Past,Present,and Future(75th Anniversary Volume)[M].Pennsyl vania:ASTM STP 1165,1993.[5] Ghassemieh E.Materials in Automotive Application,State of the Art and Prospects,New Trends and Developments in Automotive Industry[M].InTech,2011.[6] Ducker Worldwide.Aluminum Association Auto and Light Truck Group 2009 Update on Aluminum Content in North American Light Vehicles[J].Troy,Michigan,2008.[7] A2Mac1.com.2013My Ford Fusion SE 2.5 Material Report(by Family)[C].Automotive Benchmarking,2014.[8] Bureau of Transportation Statistics.Average Fuel Efficiency of U.S.Light Duty Vehicles[C].Washing ton:United States Department of Transportation,2014.[9] Center for Automotive Research.Automotive Technology:Greener Products,Changing Skills(Lightweight Materials&Forming Report)[C]funded Washington:U.S.Employment and Training Administration,2011.[10] Department of Transportation.2017 and Later Model Year Light-Duty Vehicle Greenhouse Gas Emissions and Corporate Average Fuel Economy Standards:Final Rule[N].Federal Register,Vol.77,No.199,Book 2 of 2 Books:62623-63200.1.2 汽车轻量化的驱动力及影响因素1.2.1 石油危机和油价

20世纪70年代发生了两次大的石油危机。在20世纪60年代,美[1]国逐渐关闭了其国内部分石油产能,使得石油逐渐依赖进口,进口[2]石油比例从1967年的19%上升至1973年的36%。1973年,阿拉伯国家和以色列的战争引发了第一次石油危机,导致美国石油及石化产品供应不足。随着美国介入该战争并支持以色列,中东产油国对美国石油出口量锐减。国际油价从5.4美元/桶提高到17美元/桶。为了抵消油价上涨的影响,尼克松总统还宣布将高速公路限速降低至55MPH(英里每小时),并出台政策鼓励公民拼车出行。这次石油危机直到1974年战争结束才得到缓解。

石油输出国组织(OPEC)在战后仍将石油价格控制在较高水[3]平,从而拖累了全球经济发展。1975年美国国民生产总值(GNP)下降约6%,失业率达到9%,而发展中国家由于难以承受高油价造成的经济影响更为明显。第二次石油危机是1978年在伊朗的沙阿政权倒台后石油出口暂停的背景下发生的。石油公司、制造商、政府的恐慌,使得该危机的影响明显扩大。1980年该次危机达到最严重的状

[4]态。2008年前后的油价上涨以及金融危机,造成整个汽车工业的重创和通用汽车公司的破产。从图1-6可以看到这几次国际原油的价格巨变。图1-6 国际原油价格的波动(1915~2015年)

由于石油危机和油价的影响,通常首先受到冲击的是大型豪华车。这迫使汽车制造商和进口商提高汽车的平均燃油经济性以保住市场地位。为达到这一目标,汽车制造商在努力改进发动机效率的同时,[5][6]也采用轻量化策略尝试降低车辆质量。根据EPA统计数据,图1-7给出了美国轻型车1975~2009年的质量变化趋势。由于石油危机的发生,加上政府开始实行致力于降低汽车油耗的法规,美国轻型车的平均质量在1975~1985年降低了25%。此后,汽车质量整体上呈缓慢增长的趋势,这主要与汽车在发展过程中要求不断提高的安全性、尾气排放和功能性等方面有关。图1-7 轻型车质量变化趋势(1975~2009年)

注:1磅≈0.4536千克。[1] Ikenberry,G John.Reasons of State:Oil Politics and the Capacities of American Government[M].Ithaca N.Y.:Cornell University Press,1988.[2] Hemmer,Christopher M.Which Lessons Matter American Foreign Policy Decision Making in the Middle East,1979-1987[M].Albany:State University of New York Press,2000.[3] Office of the Historian.Oil Embargo,1973-1974[C]:Washington:Bureau of Public Affairs,2013.[4] Skeet Ian.OPEC:Twenty-Five Years of Prices and Politics[M].Cambridge:Cambridge University Press,1988.[5] Cole G,S Bartosiewicz L,Alberts F E.Automotive Materials and Their Characterization:1916 to 1991,Metallography Past,Present,and Future(75th Anniversary Volume)[M].Pennsyl vania:ASTM STP 1165,1993.[6] Lutsey N.review of Technical Literature and Trends Related to Automobile Mass-reduction Technilogy.Institute of Transportation Studies,University of California,Davis.2010.1.2.2 燃油经济性法规

在石油危机的影响下,世界各国逐渐推出了燃油经济性相关法规,逐渐提高燃油经济性指标来降低汽车消耗的能源,并促进汽车工业在提高燃油效率方面的技术发展。1975年美国国会颁布了企业平[1]均燃油经济性(CAFE)标准。CAFE标准涵盖了所有车型,要求汽车制造商的车辆平均燃油效率高于标准值。由于国家在能源战略和环境问题方面给予的重视,燃油经济性标准值随之逐渐提高,对汽车制造商的要求也逐渐提高。

CAFE标准由美国交通部(DOT)的国家高速交通安全司(NHTSA)制定,其中平均燃油经济性指标和温室气体排放指标是由环境保护局(EPA)于1975年根据能源政策与储备法案(EPCA)计算制定的。在2007年,EPA依据能源独立和安全法案(EISA)以及清洁空气法案(CAA)对上述指标进行了修正。

根据2014年美国国家高速交通安全司发布的“燃油经济性概要”,可以得到1978~2014年乘用车和轻型卡车的CAFE燃油经济性标[2]准值和实际值,如图1-8所示。从图中可以看出,乘用车和轻型卡车的燃油经济性均高于同时期的CAFE值,且保持增长趋势。其中,乘用车的CAFE标准值在2011年后快速提高,给汽车制造商带来了巨大的压力。因此,如何满足CAFE燃油经济性标准是汽车制造商正面临的严峻问题。

近年来,随着气候变化和减少温室气体排放这一问题日益严峻的挑战,美国国家高速交通安全司制定了最新CAFE标准为“2017轻型[3]车温室气体排放及平均燃油经济性标准:终版”。标准涵盖的时间为2017~2021年,表1-4中列出了基于CAFE标准的平均汽车燃油经济性的预估值。CAFE规定到2025年以后,中轻型乘用车的燃油经济性将是54.5MPG,折合为每100km耗油4.3L。此外,欧盟、日本和中国都制定了类似的法规,如图1-9所示。其中,欧盟的燃油经济性法规最为严格,要求在2020年达到60MPG;而日本和中国将分别是55MPG和50MPG。新制定的高标准将降低传统内燃机车辆的石油消耗,提高新能源车的应用市场,并降低温室气体排放量,促进气候变化和空气质量的改善,以及汽车相关技术的发展。图1-8 汽车燃油经济性CAFE标准值及实际值(1978~2014年)表1-4 基于CAFE标准的平均汽车燃油经济性预估值

为了抑制高油耗汽车的生产和购买,许多国家对高油耗的车辆征收“油老虎”税。例如,美国国会从1978年的能源税法案中已开始[4]制定“油老虎”税。该税的征收对象是不满足燃油经济性指标的新车,税额取决于车辆的燃油经济性与销量,由汽车制造商和进口商承担。其测试方法与环境保护局(EPA)相同,即在实验室条件下测定新车的燃油经济性,不考虑实际路况及驾驶条件。因此,测试值通常高于实际值。当汽车的燃油经济性低于22.5MPG时,汽车制造商和进口商将被强制要求支付额外的油耗税。燃油经济性越差,油耗税率越高。最高的单车“油老虎”税可达8000美元。图1-10所示为美国自1991年1月以来实施的汽车“油老虎”税税率。图1-9 主要国家乘用车的燃油经济性法规

注:1英里≈1.6093千米。图1-10 1991年1月起实施的美国油耗税率与燃油经济性的关系[1] U.S.Department of Transportation.Corporate Average Fuel Economy(CAFE)Standards,1200 New Jersey Avenue,SE Washington,DC,2014.[2] U.S.Department of Transportation.Summary of Fuel Economy Performance(Public Version)[N].Washington:NHTSA,NVS-220,2014-12-15(3-4).[3] U.S.Department of Transportation.Summary of Fuel Economy Performance(Public Version)[N].Washington:NHTSA,NVS-220,2014-12-15(3-4).[4] United States Environmental Protection Agency.Gas Guzzler Tax Program Overview[C].Pennsylvania:Office of Transportation and Air Quality,2012.1.3 汽车轻量化趋势1.3.1 轻量化材料

降低车辆的平均质量可以通过设计开发更小的车型、优化车身设计和使用轻质材料来实现。尽管自第一次石油危机之后乘用车平均质量有了一定程度的降低,然而近几十年随着各种法规的不断完善以及用户对汽车可操作性、舒适性的更高要求,汽车的平均质量实际上在[1]不断增加。图1-11所示为1975年后汽车平均质量的变化趋势,很明显汽车轻量化还有很长的路要走。图1-11 1975年以来轻型车的平均质量

在满足对汽车性能、成本要求的前提下,采用轻量化材料替代传统材料是实现汽车轻量化的重要途径之一。目前常用的轻量化材料包括以先进高强钢和超高强钢为代表的各类钢材、铝合金、镁合金、工程塑料及复合材料等。

根据抗拉强度以及延伸率的不同,工业界将先进高强钢分为三代。第一代先进高强钢以铁素体为基体,包括双相钢、复相钢、TRIP钢和马氏体钢等。第一代先进高强钢的强度可以达到800MPa以上,然而其强度的提升是以牺牲塑性为代价的。第二代先进高强钢包括TWIP钢、奥氏体型不锈钢,它们在具有高强度的同时具有优异的塑性。但第二代先进高强钢中添加了较多贵金属,生产和使用成本较高,限制了其应用。目前,钢铁公司正致力于开发高强度、高塑性,同时成本较低的第三代先进高强钢,其在汽车结构设计中的应用也被提上了议事日程。本书第2章将对先进高强钢的基础知识、应用及发展前景进行具体介绍。

与汽车用钢铁材料相比,铝及其合金具有比强度高、耐蚀性能优良、适合多种成形方法、抗冲击性能好、较易再生利用等优点,轻量化效果十分显著。据统计,用铝合金代替传统的钢铁制造汽车,可以使整车质量减小30%~40%,用于制造发动机可减小30%的质量。近年来,铝合金的用量及其在汽车平均质量中所占的比重逐年上升,有机构预测到2020年,乘用车平均铝合金用量将达到394磅(1磅[2]=0.45kg)。目前铝合金主要以铸造铝合金的形式用于发动机缸[3]盖、缸体等部件,占铝合金总用量的80%以上;高性能铝合金板件目前还主要用于车身覆盖件,然而其在车身结构件中的应用有巨大的潜力;除此以外,铝合金挤压件、锻压件也有一定程度的应用。本书第3章将具体介绍铝合金在汽车工业中的相关应用。

与其他车用金属材料相比,镁合金密度更小、比强度和比刚度更高,使用镁合金零部件代替其他金属零部件可以显著降低汽车质量,[4]提高燃油经济性。然而,综合成本是阻碍镁合金零部件大规模应用[5]的一大因素。此外,镁合金原材料的产能远远落后于钢铁和铝合金。即便不考虑成本,镁合金目前还不具备在汽车工业上大规模应用的可能性。本书第4章将针对镁合金的应用进行介绍。

塑料具有密度小(平均密度只是铝的1/2)、比强度高(玻纤增强塑料可超过钢)等特点,使用轻量化工程塑料材料成为减小汽车质量的主要途径之一。20世纪90年代,发达国家汽车平均用塑料量为100~130kg/辆,占整车质量的7%~10%;2002年,发达国家汽车平均用塑料量达到300kg/辆以上,占整车质量的20%;预计到2020年,发达国家汽车平均用塑料量将达到500kg/辆以上。纵观汽车产业的发展历程,将塑料零部件应用在汽车中已经发展了很长一段时间。对于汽车用户而言,舒适性、环保性、低成本以及低油耗等要求是汽车工业对塑料零部件有较大需求量的主要原因,也为未来车用塑料的发展提供了方向。本书第5章将主要介绍各种塑料及其应用。

复合材料在汽车中应用的主要驱动力是减重和零部件集成化。目前,汽车中塑料和复合材料的平均用量约为8%,通常小尺寸节能车型中复合材料的使用比例比大尺寸车高,但后者的绝对质量更大。采用玻璃纤维增强复合材料作为结构件可减重20%~35%,而采用碳纤维复合材料的减重潜力为40%~65%。由于汽车轻量化的发展,汽车用复合材料的研究和开发受到了各公司的广泛关注。复合材料还兼具柔性设计、耐蚀、抗疲劳、力学性能优良等特点,这些优点已经为汽车工业界所认可。总体来说,复合材料目前主要用于次承力和非承力结构,其中大部分是玻璃纤维增强热固性复合材料。应用的部位主要是车体面板、悬架、转向机构、制动片和其他附件。但目前受限于材料成本高昂、生产率低下、可回收性等问题,复合材料产品在汽车中的大量应用还有待进一步的研究和开发。本书第6章将着重介绍复合材料的种类、性能及其在汽车中的应用现状及发展前景。[1] Lutsey N.review of Technical Literature and Trends Related to Automobile Mass-reduction Technilogy.Institute of Transportation Studies,University of California,Davis.2010.[2] Ducker Worldwide.Aluminum Association Auto and Light Truck Group 2009 Update on Aluminum Content in North American Light Vehicles[J].Troy,Michigan,2008.[3] Cheah L W.Cars on a Diet:The Material and Energy Impacts of Passenger Vehicle Weight Reduction in the U.S.[C].Massachusetts:Massachusetts Institute of Technology,2010.[4] Das S,Curlee T R,Schexnayder S M.Materials Used in New Generation Vehicles:Supplies,Shifts and Supporting Infrastructure,Technical Report ORNL/TM-13491[C].Tennessee:Oak Ridge National Lab,1997.[5] Bandivadekar A.,et al.On the Road in 2035:Reducing Transportation’s Petroleum Consumption and GHG Emissions[C].Massachusetts:Massachusetts Institute of Technology,2008.1.3.2 汽车轻量化系统工程

一辆汽车的制造涉及许多材料,如钢铁、铝、镁、铜、塑料、玻璃等。在过去的几十年,有相当多的材料已经被用于实现汽车的轻量化。一般说来,车重减少10%,其燃油经济性可以提高6%~8%。在轻量化设计中,在不牺牲结构整体性和其他性能的前提下,既要考虑材料“轻”的特点,还要考虑材料的安全性、可加工性、可回收性和经济性。如图1-12所示,汽车轻量化应当是一个设计体系,这个体系包括材料的研究、零部件制造工艺的开发、汽车整车性能的测试,以及这三方面产生的成本。材料的研究主要是通过金属的合金化和组织结构来达到最佳的材料性能。零部件制造工艺的开发集中在工艺的有效性和效率,以及与其相关的连接技术上。整车性能测试要验证新材料零部件对整车安全性、噪声、振动、耐久性等产生的影响。如果只研究材料,不从系统全面考虑,那么一个新的轻量化部件将很难得到应用。尤其是这一系统的三方面都需要资源和资金,使得一个新的汽车轻量化产品被接受和采用的关键在于其综合成本是否有竞争力。图1-12 汽车轻量化设计体系

汽车公司通常最终比较轻量化产品和被替代产品的综合成本。在过去二三十年,轻量化产品有明显成本优势的很快就被采用,有相当数量是在成本相当的前提下被应用的。由于材料成本和技术难度的增大,新材料的轻量化产品的综合成本要高于被替代产品的成本。即使在生命周期成本的基础上,有些新材料轻量化产品的成本也要高出很多。一般说来,超强钢的轻量化部件成本增加最少,其次是铝部件;工程塑料的复合材料,特别是碳纤维复合材料成本增加很多。随着相关法规的不断严格,汽车轻量化产品综合成本增高会逐渐成为“新常态”。图1-13所示是汽车轻量化零部件应用前景示意图。在单位减重1磅的前提下,成本增加1美元以下时,铝发动机和先进高强钢车身就可以投入大批量使用;镁铸件和工程塑料结构件处于新兴应用阶段。当成本增加2美元时,铝车身板件和增强塑料车身板件有可能批量应用;铝合金车身结构件可能进入新兴应用阶段。碳纤维复合材料车身件成本会增加5美元,仍然处于研发阶段。图1-13 汽车轻量化零部件的应用前景

不同的轻型材料都有自己的优点和局限性,很难有哪一种轻型材料能“包打天下”。汽车轻量化是多种轻量化材料并存的未来。轻量化成功的策略应当是“正确的材料用到正确的地方”,也就是说把不同材料的优点用到最需要的地方,同时又能避免它的缺点。近期内,实现汽车进一步轻量化的最主要材料仍然是超强钢,紧接着是铝,再后面才是碳纤维复合材料等其他材料。考虑不同车型轻量化的时候,对豪华车、越野车、皮卡车使用较多的铝部件更合理,因为大型车减重的潜力更大一些,对增加成本的承受力也大一些;而小型车轻量化材料的主要选择对象是超强钢,因为其减重的“潜力”比较小一些,对增加成本的承受力也小一些。处于中间的车型就需要对多种轻量化材料进行全方位的考虑,充分体现“正确的材料用到正确的地方”的策略。图1-14所示为一辆福特蒙迪欧样车,这辆车在2013年款蒙迪欧的基础上,对白车身、覆盖件、底盘、动力系统、内饰系统、电子系统进行了全面的轻量化设计。通过使用各种先进超强钢、铝板、铸铝、铸镁、强化玻璃、碳纤维复合材料等轻型材料,使整车质量从1559kg降低到1195kg,减重23.5%。这是一个汽车轻量化成功使用“正确的材料用到正确的地方”的案例。图1-14 使用多种材料减重25%的福特蒙迪欧样车第2章先进高强钢在汽车上的应用2.1 概述

钢是世界上最常用的金属材料。它具有强度高、成形性好和成本低等优点。自从汽车业诞生以来,钢就被应用于汽车的生产。

通常屈服强度为210~550MPa的钢被称为传统高强钢,屈服强度[1][2]大于550MPa的钢则被称为先进高强钢。钢的发展可以分为三个阶段:20世纪初期开发了低碳钢(mild steel,MILD);20世纪70年代开发了高强低合金钢(high strength low-alloy steel,HSLA);21世纪90年代开发了第一代先进高强钢(advanced high strength steel,AHSS)。2010年,汽车中使用的钢材占轻型汽车质量的60%,每辆轿车中使用的钢约1084kg。大量研究人员通过优化钢的微观组织开发出了高强钢,钢的成分、微观组织、加工工艺和性能均发生了较大[3]变化。图2-1所示为高强钢的发展历程。[4]图2-1 高强钢的发展历程

图2-2所示为汽车发展史上所采用过的各种钢的抗拉强度-延伸率[5]图。图中无间隙固溶原子钢(interstitial-free steel,IF)和低碳钢的强度低、硬度低、成形性能好,多用于生产汽车外板。图的中部是传统高强钢(conventional high strength steel,CHSS),包括高强无间隙固溶原子钢(interstitial-free high strength steel,IF-HS)、各向同性钢(isotropic steel,IS)、烘烤可硬化钢(bake hardenable steel,BH)和高强低合金钢。与传统钢相比,先进高强钢的强度更高、塑性更好。图的右端是先进高强钢(advanced high strength steel,AHSS),包括双相钢(Dual Phase Steel,DP)、马氏体钢(Martensitic Steel,MS)。这些钢具有很高的强度和优良的成形性能(马氏体钢除外),在汽车结构件上得到了应用。[6]图2-2 各种钢的抗拉强度-延伸率图

图2-2中不同等级的钢会有重叠区域,这为汽车部件设计者提供了更多选择。例如,部件设计要求所用材料的最低抗拉强度为1000MPa,则有六种等级的钢供设计者选择。图2-3所示为不同等级[7]和种类钢的抗拉强度-延伸率图。[8]图2-3 不同等级和种类钢的抗拉强度-延伸率图

随着对汽车燃油经济性和安全性能要求的不断提高,为了与其他材料竞争(如铝、镁和碳纤维材料),钢铁公司开发出了各种新型钢板。传统高强钢与先进高强钢的主要差别在于微观组织:传统高强钢是单相铁素体钢;而先进高强钢是双相或多相钢,包含铁素体、马氏体、贝氏体和残留奥氏体等。第一代先进高强钢是通过控制微观组织,而不是通过合金化来提高强度的。因此,其成本与传统高强钢相近。表2-1对比了不同类型钢的成本,其中奥氏体型不锈钢的成本相对较高,因为其含有较多的合金元素;而传统高强钢和第一代先进高强钢是低合金钢,因此其成本只略高于冷轧碳钢。[9]表2-1 各种钢的价格对比[1] B Zuidema,et al.New High Strength Steels Applied to the Body Structure of ULSAB-AVC[J].SAE:2001-01-3042:984-992.[2] J Galán,et al.Advanced High Strength Steels for Automotive Industry[J].REVISTA DE METALURGIA:2012,48:118-131.[3] K Siegert,M Vulcan.Tool and Die Design for Deep Drawing AHSS[C].Michigan:IFU Presentation at Great Designs in Steel Seminar,2005.[4] K Siegert,M Vulcan.Tool and Die Design for Deep Drawing AHSS[C].Michigan:IFU Presentation at Great Designs in Steel Seminar,2005.[5] “Advanced High Strength Steels Applications Guidelines”Version 5.0[J/OL].WorldAutoSteel,2014,5.www.worldautosteel.org.[6] “Advanced High Strength Steels Applications Guidelines”Version 5.0[J/OL].WorldAutoSteel,2014,5.www.worldautosteel.org.[7] M Y Demeri.Advanced High-Strength Steels-Science,Technology,and Application[J].ASM International:Materials Park,2013,16.[8] M Y Demeri.Advanced High-Strength Steels-Science,Technology,and Application[J].ASM International:Materials Park,2013,16.[9] N Fonstein.Advanced High Strength Steel Sheets:Physical Metallurgy,Design,Processing,and Properties[M].Berlin:Springer,2015.2.2 先进高强钢的发展

目前,大部分轿车和轻型卡车中,钢铁部件占总质量的70%。近年来钢铁替代材料的应用趋于稳定,寻找新型、低成本的替代材料变得越来越难。同时,各国新安全法规和新燃油经济性法规的颁布,迫使汽车公司寻找更有效的减重方法。这些压力促使汽车公司重新考虑其他替代材料应用的可能性,以及继续使用钢的可行性。

在过去约一个世纪的时间里,汽车板所用钢材并未发生大的变化。白车身和覆盖件主要采用成形性能好、修复性好、焊接性好、可喷涂的低碳钢。其屈服强度为180~200MPa,抗拉强度为330~350MPa,而这些汽车部件的厚度为1.5~2mm。

1975年的石油危机第一次为降低汽车油耗敲响了警钟。汽车业开始考虑通过采用高强钢降低部件壁厚,实现汽车轻量化,提高燃油经济性。虽然这次石油危机持续的时间不长,但是对钢板的发展产生了深远影响。

随后,钢铁业对于车用高强钢做了大量研究,但是能够真正得到商业应用的很少。而此时,属于第一代先进高强钢的退火高强低合金钢(屈服强度为280~300MPa,抗拉强度为450MPa)被成功开发出来。这种具有高强度、高塑性的双相钢立即引起了人们的注意,随后有了大量关于双相钢的研究。日本和美国进行了双相钢的工业试生产,生产出了抗拉强度为500~600MPa,延伸率为25%~30%的双相钢,并冲压出了一些部件,不过没有得到大规模的应用。

与双相钢相适应的连续退火设备和镀锌设备被引入钢铁业。为了解决连续回火过程中的时效问题,钢铁业开发了IF钢。IF钢具有很好的成形性能,但是强度较低。此时,高强钢由于以下问题,并未引起汽车公司的兴趣。(1)需开发耐磨性更高的模具。(2)需解决回弹和扭曲问题。(3)需调整焊接参数,要提高电流、压力。(4)在切边和冲孔时,对工具的要求更高。

汽车业对高强钢的冷淡态度浇灭了钢铁公司的热情,直至20世纪90年代早期,已经很少有关于双相钢的研究。1970~2000年,只开发了传统高强钢,如IF钢、BH-IF钢和抗拉强度为450~550MPa的回火HSLA钢。

随后,包括Inland Steel公司在内的几个高强钢的开拓者在之前研究的基础上开发了强度高达965MPa的双相钢,用于生产保险杠、门梁和辊压成形件。汽车公司之间的竞争促使它们采用强度更高的材料生产关键安全部件,但回火HSLA的抗拉强度无法超过550MPa。在20世纪90年代中期,本田公司要求其美国分公司利用高强双相钢在美国研发基础好的优势,实现DP590钢的本地供应,之后DP590钢在日本也得到大规模应用。这标志着双相钢的复兴。

此外,钢与其他低密度材料(如铝、镁和复合材料)之间的竞争越演越烈,为了更好地满足轻量化、燃油经济性和环保的要求,各钢铁公司不断开发出具有更高强度和优良成形性能的新型钢种。

汽车用钢的发展历史可以看出世界高强钢的发展历程。如图2-4a所示,到1990年,钢铁公司已经开发了大部分的低碳钢、高强IF钢和微合金化HSLA钢。然而,1994年奥迪公司向市场推出了采用铝框架结构的A8汽车,钢在汽车材料中的主导地位开始受到挑战。与采用传统钢质车身相比,A8全铝白车身的质量显著降低。同年,全球18个国家的35家钢铁公司组成了国际联盟,并发起了名为超轻钢质车身(ultra-light steel auto body,ULSAB)的项目,以设计一款满足包括安全性能在内的各种性能要求的钢质轻型车身结构。该项目委托保时捷工程服务机构(porsche engineering services,PES)设计一款D级车的轻型钢制白车身。该项目于1998年结束。PES研制出一款示范白车身,90%采用高强钢,在成本增加不到14%的前提下将车身减重25%,车身的扭转刚度和弯曲刚度分别提高了80%和52%,同时满足对结构合理性、安全性、可操作性和经济性等的要求。该项目开发的多项技术之后也被应用于汽车部件的生产,如越来越多的先进高强钢的应用、液压成形技术和激光焊接技术的应用。各种和各等级先进高强钢的成功开发是该项目的重要收获。

ULSAB概念后期发展成为先进汽车概念——ULSAB-AVC(Advanced Vehicle Concept),即白车身100%采用高强钢,其中80%为先进高强钢。该项目激发了钢铁业开发出多种具有更高强度和良好成形性能的新型钢种。

来自汽车公司和竞争对手的压力促进了双相钢的研发和应用。到1995年,双相钢不仅在日本,在美国和欧洲也实现了商业化应用,如图2-4b所示。双相钢具有强度高、塑性高、应变硬化率高、烘烤硬化效应高和疲劳强度高等优点。由于当时对涂层板和防腐板需求的增加,可镀层双相钢的开发变得非常重要,因而热镀锌生产线也在各钢铁公司得到应用。随着高强钢冲压和后续加工工艺的不断完善,对具有更高强度双相钢的需求急剧增加。人们在开发出DP590/600钢之后,又相继开发了DP780和DP980钢。[1]图2-4 车用冷轧钢的发展

汽车安全部件的形状复杂,在降低壁厚的同时要保证其刚度,这些均对先进高强钢的强度和成形性能提出了更高的要求。

虽然双相钢在先进高强钢中占有重要地位,但是汽车公司需要具有新的微观组织的高强钢,以满足对各种性能,尤其是安全性能的要求。TRIP钢应运而生,TRIP钢在整个均匀变形阶段都具有高的应变硬化率,使其在碰撞时能展现出极高的吸能性。2000年,含有残留奥氏体的TRIP钢第一次被用于商业化生产,如图2-4c所示。与屈服强度相同的传统高强钢和双相钢相比,TRIP钢具有更好的延展性、更高的吸能性和疲劳强度。

随着高强钢在汽车上的应用范围日益扩大,使得对其成形性的要求更高,尤其是凸缘性。研究表明,降低微观组织中各相的强度差异可提高胀孔性能。虽然没有发现延伸率和胀孔性之间有直接的关系,但是,大量研究表明用贝氏体替代或部分替代马氏体后,钢的凸缘性和胀孔性能将显著提高。因此,人们开发了微观组织包含铁素体-贝氏体-马氏体的复相钢(complex phase steel,CP)。根据这个原理,又开发了以贝氏体为基体的铁素体-贝氏体钢(ferritic bainitic steel,FB)、复相钢,同时添加Si元素,通过固溶强化或析出强化提高铁素体强度,降低贝氏体和铁素体之间的强度差,以获得更好的延展凸缘性。

为满足最大限度地提升抗侵入能力的要求,人们开发和应用了高屈强比的马氏体钢。

先进高强钢的强度水平决定了其减重潜力,而钢的微观组织决定了其强度、塑性、应变强化率和其他力学性能。具有优异吸能性能的双相钢和TRIP钢被用于生产安全部件,以提高汽车在碰撞时承载动力载荷的能力。而改良后的双相钢和马氏体钢一样具有高的屈强比,被用于那些需要高刚度、防侵入的安全部件,以抵抗大载荷冲击,保护司机和乘客。

先进高强钢的广泛应用要求其具有更好的成形性能,以适应各种成形工艺。高延伸率和高应变硬化率对于延展性非常重要。然而,随着强度的增加,钢的切边性能、凸缘性能和弯曲性降低。

到了21世纪,先进高强在汽车轻量化中扮演着至关重要的角色。除了高强度,优良的塑性也使它们的应用更加广泛。同时,为了满足汽车业的需求,各钢铁公司相继开发了多种不同等级的先进高强钢。为了开发具有不同综合性能的钢材,设计和采用了新的微观组织和加工工艺。开发者采用一种或多种强化机制来提高钢的强度(包括固溶强化、细晶强化、析出强化和应变时效强化),此外合金化和热机械加工等也被用于提高强度。

如图2-5所示,多个项目相继启动,以探索通过采用高强钢在提高安全性的同时,实现轻量化,增加燃油经济性。例如,超轻钢质汽车覆盖件项目(ultraLight steel auto closures,ULSAC),采用先进高强钢生产轻质发动机罩、车门和后备厢盖。超轻钢质车身先进汽车概念项目(ultraLight steel auto body advanced vehicle concepts,ULSAB-AVC)则进一步将先进高强钢和先进制造工艺相结合,以实现更大程度的减重。2008年,世界几个主要钢铁公司组成的世界汽车用钢联盟(World Auto Steel)发起了未来钢质汽车(future steels vehicle,FSV)项目。该项目使强度在GPa等级的先进高强钢在汽车上得到应用,最终该项目将先进高强钢的应用和结构优化相结合,使车身减重39%。与之前的项目相比,该项目在通过优化汽车结构适应新动力系统结构和新安全法规方面更具有前沿性。[2]图2-5 轻型钢质汽车开发项目

汽车/钢铁联盟(Auto/Steel Partnership,A/SP)也参与了车用先进高强钢的研发和应用。轻型前端结构(Lightweight Front End Structure)是其中的一个项目。该项目实现了在不降低碰撞性能的前提下减重32%的目标。未来客舱项目(Future Generation Passenger Compartment Project)是另外一个关于车用先进高强钢的重要项目。该项目通过采用先进高强钢和结构优化设计,在保持刚度、耐久性,

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