汽車車身用鋼板的材料性能

1、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-先進汽車概念（ULSAB-AVC）項目的目標是在減輕自重、減少油耗和排放的前提下，通過使用先進的高強度鋼材和最新的制造技術，提高車體的結構強度，滿足2004年出臺的更為嚴格的碰撞標準要求。表1列出新的ULSAB-AVC項目和以前的ULSAB項目碰撞標準的比較。汽車碰撞時，車身承受高速的負荷，其抗碰撞性能受材料在高速應變情況下吸收能量的影響。各種材料在高

2、速拉伸（高應變速度）時的性能與靜拉伸（低應變速度）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變情況下吸收能量的性能。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度也是不同的。對此,Jody Shaw等人用5種類型的鋼板進行了試驗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%的預應變后再經(jīng)烘烤處理后的屈服強度如圖1（S&B表示應變和

3、烘烤）。從圖1看出，鋼板交貨狀態(tài)的性能與經(jīng)一定量的預應變和烘烤后（近似成品零件）的性能有很大區(qū)別，HSLA鋼種在10%應變和烘烤后，其屈服強度比原始的屈服強度提高了約30%（從400 MPa左右提高到約530 MPa),而雙相鋼DP500Y則提高了約100%（從350 MPa提高到約700 MPa）。這種加工硬化和烘烤硬化的特點，使制成零件在強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)拉伸測得的抗拉強度如圖2。動態(tài)拉伸時抗拉強度有所提高。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

4、中的變形量和碰撞時受力速度的影響。Wolfgang Bleck等人對軟鋼DC04,高強度鋼ZStE340，DP600,DP800、DP1000 3種雙相鋼和一種TRIP鋼進行了不同應變速度的拉伸試驗3，應變速度分別為5x1-3、1、3.5、100和約200 s-15種速度（雙相鋼沒有進行3.5s-1應變速度的試驗）的試驗，測定力學性能（強度和塑性），了解應變速度對它們的影響。試驗用鋼的化學成分、晶粒大小、相的體積分數(shù)和力學性能如表3。本文未列出應變速度對幾種鋼板強度和塑性的影響數(shù)據(jù)，只列出應變速度對各種鋼吸收能的情況。采用應力開始下降前的應力一應變曲線下面積的積分作為吸收能量的數(shù)值，為了排除樣

5、品幾何尺寸的影響，總吸收能量的數(shù)值轉換成單位質量的吸收能量值，結果如圖3。從圖3看出，在所有應變速度下，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行撞擊試驗用高速拉伸試驗測定的鋼材強度和塑性指標及根據(jù)應力-應變曲線下的面積計算的能量消耗指標，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。為了更確切地評價汽車車身零件碰撞的吸收能情況Jody Shaw等人用表2所列的5種鋼板制成封閉帽形槽樣品進行落錘試驗，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

6、擊時吸收能量的影響。落錘裝置如圖5。沖擊有效行程限定為150 mm后，落錘質量由擋塊承載。落錘試驗對下列2種情況進行研究：a一個200 kg的重錘從11m高度下落沖擊帽形槽樣品，速度為50 km/h ; b.一個400 kg重錘從2.5 m的高度下落沖擊帽形槽樣品，速度為25 km/h。200 kg的重錘從Hm高度下落的能量是400 kg的重錘從2.5 m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150 mm的長度壓潰，對各種鋼板吸收能量的情況如圖6。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

7、沖撞速度為25 km/h；"50"表示沖撞速度為50 km/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）鋼和低合金高強度（HSLA 4408）更次之，而IF鋼最差。材料的強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度、靜態(tài)和動態(tài)抗拉強度的關系分別如圖7圖9。由圖7圖9看出，用屈服強度難以預測能量吸收，用抗拉強度預測能量吸收更合理些，而用動態(tài)抗拉強度預測不同鋼種的相對能量吸收能力最佳。強度相同時，由于鋼種不同，吸收能量情況也有差別。Yoshifami Ojima等人用4種TRIP鋼(RA）、2種DP鋼（DP）和2

8、種析出硬化鋼（PH）模擬汽車零件前側梁（front-side member）形狀的方形柱狀樣品也進行碰撞試驗，以了解鋼板吸收能量的情況。鋼板成分和性能如表4。方形柱狀樣品如圖10。碰撞試驗裝置如圖11。4種TRIP鋼的殘余奧氏體含量不同，在不同的拉伸應變量后其數(shù)量的變化（說明其穩(wěn)定性）也不同（圖12)。A鋼殘余奧氏體數(shù)量多,D鋼的少，但是應變后其殘余的量多，說明殘余奧氏體轉變成馬氏體的量少，即穩(wěn)定性較高，B和C鋼殘余奧氏體數(shù)量多，但是變形后，其殘存的量少，說明其穩(wěn)定性差。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荷的關系如圖14，計算行程為150

9、 mm的吸收能量（相當于汽車實際碰撞時的吸收能量），吸收能量用負荷-位移下的面積積分求得。抗拉強度與吸收能量的關系如圖15,TRIP鋼吸收能量比其他鋼材約高10%。屈服強度與吸收能量的關系如圖16，吸收能量基本上與屈服強度成比例，但是鋼種不同，其數(shù)值不同，殘余奧氏體數(shù)量多而且穩(wěn)定性低的B.C鋼（在應變量低時，多量的奧氏體轉變成馬氏體）吸收能量高。加工硬化指數(shù)（n值）與屈服強度的關系如圖17，屈服強度相同時，B, C鋼的n值高，n值高的鋼吸收能量高。殘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）有利于應變的擴展而使其均勻分布，因為碰撞變形后的應變量難于測量，所以測定變形后的硬度分布情況轉換成應變量數(shù)值，方柱形樣品碰撞變形后不伺部位的應變分布情況如圖20。從圖20看出，TRIP鋼與強度相同的其他鋼相比應變量大，表明其具有優(yōu)良的應變擴展而使應變分布均勻的特性，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安全性。碰撞時吸收能量的性能與汽車設計有關