汽車輕量化是指在保證汽車的強(qiáng)度和安全性能的前提下，盡可能地減輕汽車的整車質(zhì)量，從而提高汽車的動(dòng)力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。汽車的快速發(fā)展方便了人們的生活，但同時(shí)帶來了金屬、石油等資源、能源的過量消耗，大氣嚴(yán)重污染，通過汽車輕量化實(shí)現(xiàn)降低排放和油耗成為汽車工業(yè)最具挑戰(zhàn)的目標(biāo)。有研究表明，當(dāng)鋼板厚度分別減小0.05mm、0.1mm和0.15mm時(shí)，車身減重分別為6%、12%和18%，可見增加鋼板強(qiáng)度的同時(shí)減小板厚是減輕車重的主要途徑。

　　高強(qiáng)鋼具有較高的強(qiáng)度，且成本較輕金屬低，汽車采用先進(jìn)高強(qiáng)鋼的主要效果有：高強(qiáng)鋼的使用降低了板厚使得汽車結(jié)構(gòu)輕量化、汽車的抗凹陷性、耐久強(qiáng)度和大變形沖擊強(qiáng)度安全性均得到提高。高強(qiáng)鋼的優(yōu)點(diǎn)使得其在汽車行業(yè)中得到快速發(fā)展及廣泛應(yīng)用，如1980年日本和歐洲的汽車公司，白車身中高強(qiáng)鋼用量分別為12%和5%，目前均上升到50%以上。高強(qiáng)鋼的應(yīng)用不僅為輕量化創(chuàng)造了更多的機(jī)遇，更有助于使汽車達(dá)到輕量化和提高安全性的統(tǒng)一。

一、高強(qiáng)鋼的種類

　　高強(qiáng)度鋼板的分類主要有按冶金特點(diǎn)、強(qiáng)化機(jī)理和生產(chǎn)工藝等幾種劃分方法。

1.按冶金特點(diǎn)分類

　　根據(jù)國際鋼鐵協(xié)會USL-AB項(xiàng)目的定義，屈服強(qiáng)度為210～550MPa及抗拉強(qiáng)度為270～700MPa的為高強(qiáng)度鋼（簡稱HSS）。普通高強(qiáng)度鋼為單一鐵素體組織，由于采用了以相變?yōu)橹鞯膹?fù)合強(qiáng)化方法，基體的強(qiáng)度和綜合性能得到提高。普通高強(qiáng)度鋼包括有微合金鋼、碳錳鋼、烘烤硬化鋼、各向同性鋼、高強(qiáng)度IF鋼和低合金高強(qiáng)度鋼等幾種。屈服強(qiáng)度大于550MPa及抗拉強(qiáng)度大于700MPa的則稱為先進(jìn)高強(qiáng)度鋼（簡稱AHSS）。AHSS的研究基于HSS朝2個(gè)方向發(fā)展，一個(gè)方向是強(qiáng)度基體不變，提高其塑性；另一個(gè)方向是塑性基體不變提高其強(qiáng)度。強(qiáng)度提高的鋼種包括復(fù)向鋼（CP）、馬氏體鋼（MS）等，塑性提高的鋼種包括有雙相鋼（CP）、相變誘發(fā)塑性鋼（TRIP）等。圖1為汽車用高強(qiáng)鋼按照強(qiáng)度分類示意圖。

圖1  汽車用高強(qiáng)鋼按照強(qiáng)度分類示意圖

2.按強(qiáng)化機(jī)理分類

　　按照鋼材的強(qiáng)化機(jī)理，高強(qiáng)度鋼可分為固溶強(qiáng)化形加磷鋼、彌散強(qiáng)化形的低合金高強(qiáng)度鋼、相變強(qiáng)化形的雙相鋼和烘烤硬化形鋼等。

3.按生產(chǎn)工藝分類

　　高強(qiáng)鋼的生產(chǎn)工藝有冷軋和熱軋2種形式。冷軋高強(qiáng)鋼主要用于車身零件，包括外板（車門、發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板）、內(nèi)板（車門、發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板）和結(jié)構(gòu)件。熱軋高強(qiáng)度鋼板在載貨汽車上用量很大，約占其熱軋鋼板總量的60%～70%，主要用于車架縱橫梁、車廂縱橫梁、車輪、剎車盤等受力結(jié)構(gòu)件和安全件。

二、高強(qiáng)鋼的成形技術(shù)

　　高強(qiáng)鋼的減薄和高強(qiáng)度2個(gè)優(yōu)勢使其在汽車輕量化的減重和安全方面得到了廣泛應(yīng)用，但高強(qiáng)鋼的成形范圍較窄，成形過程中遇到了較傳統(tǒng)鋼材更難解決的問題。因此許多先進(jìn)的加工工藝及方法不斷地應(yīng)用到汽車工業(yè)中。高強(qiáng)鋼的成形技術(shù)主要包括冷沖壓形、熱成形、液壓成形等。

1.高強(qiáng)鋼冷沖壓成形技術(shù)

　　高強(qiáng)鋼的冷沖壓成形技術(shù)與傳統(tǒng)鋼材冷沖壓相似，但高強(qiáng)鋼成形范圍有限，成形后容易產(chǎn)生回彈，且其回彈量遠(yuǎn)大于普通低碳鋼沖壓成形零件的回彈量，鋼材特性難以詳細(xì)描述，這就給回彈的預(yù)測及控制帶來了很大的困難；同時(shí)高強(qiáng)鋼在應(yīng)用時(shí)面臨著成形件的起皺和開裂等問題，這些特點(diǎn)都導(dǎo)致高強(qiáng)鋼在成形時(shí)尺寸和形狀精度不良。為了克服這些缺陷，歐美及日本等國家的鋼鐵公司及汽車制造商不斷開發(fā)出新形鋼板和高級潤滑油等。日本鋼鐵工程控股公司(日本JFE公司)研究應(yīng)用張力控制成形、數(shù)字化模擬優(yōu)化工具形狀等方法減少回彈及薄壁的翹曲。日本開閉器株式會社（日本NKK公司）開發(fā)了一種新的鋼板易沖壓技術(shù)來解決高強(qiáng)鋼板沖壓過程中開裂的問題，該技術(shù)通過從模具上的開孔注入潤滑油，使鋼板與模具之間產(chǎn)生數(shù)十微米的間隙，從而防止了沖壓過程中鋼板開裂的問題，且這種方法在普通沖壓機(jī)上稍加改動(dòng)就可實(shí)現(xiàn)。

　　根據(jù)高強(qiáng)鋼的性能、種類的不同，高強(qiáng)鋼在整車應(yīng)用部位也有顯著的區(qū)別。如高強(qiáng)度IF鋼和烘烤硬化鋼大多用在轎車車身覆蓋件上；590～980MPa的雙相鋼大多用在轎車車身結(jié)構(gòu)件、加強(qiáng)板上；800MPa的TRIP鋼主要用在轎車車身加強(qiáng)板、保險(xiǎn)杠和防沖柱上；屈服強(qiáng)度為650～700MPa大梁板和抗拉強(qiáng)度1 500MPa的彈簧鋼主要用在商用車當(dāng)中。

2.高強(qiáng)鋼熱沖壓成形技術(shù)

　　當(dāng)鋼強(qiáng)度超過1 000MPa時(shí)，一些形狀復(fù)雜的零件，常規(guī)的冷沖壓工藝難以成形，即使可以采用冷沖壓工藝，所需沖壓力大、成形件易開裂、回彈大，因此熱成形技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。熱沖壓成形技術(shù)是將硼鋼鋼板（初始強(qiáng)度為500～600MPa）加熱至奧氏體化狀態(tài)，快速轉(zhuǎn)移到模具中高速沖壓成形，在保證一定壓力的情況下，制件在模具本體中以大于27℃/s的冷卻速度進(jìn)行淬火處理，保壓淬火一段時(shí)間，以獲得具有均勻馬氏體組織的超高強(qiáng)鋼零件的成形方式 (如圖2) 。

圖2  熱沖壓高強(qiáng)鋼在汽車輕量化當(dāng)中的應(yīng)用

　　高強(qiáng)鋼熱沖壓技術(shù)通過將成形和強(qiáng)化分為兩個(gè)步驟來解決高強(qiáng)鋼強(qiáng)度與塑性的矛盾。該成形技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是：變形抗力小、塑性好、成形極限高、沖壓成形性好；回彈易于控制，成形零件尺寸精度高；沖壓機(jī)噸位要求降低；鋼材成形抗力低，模具單位壓力??；成形件生產(chǎn)周期短等。但熱沖壓技術(shù)也存在一些缺點(diǎn)，如設(shè)備投資大、模具設(shè)計(jì)和加工復(fù)雜、維護(hù)和保養(yǎng)成本高等[5]。近年來高強(qiáng)鋼板的熱沖壓成形技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于發(fā)達(dá)國家的汽車工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中，國內(nèi)由于受到技術(shù)和設(shè)備的限制，發(fā)展較為緩慢，但已經(jīng)得到了眾多鋼鐵和汽車企業(yè)的重視。高強(qiáng)鋼板熱沖壓技術(shù)主要用于生產(chǎn)A柱加強(qiáng)板、B柱加強(qiáng)板、前后保險(xiǎn)杠、側(cè)面防撞桿等零件。

3.高強(qiáng)鋼液壓成形技術(shù)

　　液壓成形技術(shù)主要是依靠高壓液體（水或油）作為傳力介質(zhì)或模具使工件成形的一種塑性加工技術(shù)(如圖3)。液壓成形過程中板材通過傳力介質(zhì)的壓力作用貼合凸?；虬寄３尚?，其成形技術(shù)為一種柔性加工工藝。液壓成形件主要為管材、板材和殼體。普通管材液壓成形要求介質(zhì)壓力一般在400MPa以上，采用液壓成形技術(shù)的主要有點(diǎn)包括：成形技術(shù)一次整體成形沿構(gòu)件軸線和截面有變化的空心構(gòu)件，且成形工藝節(jié)約材料；零件數(shù)量和模具成本都降低；成形零件精度得到提高，回彈也減小；將原有需要分割成輸個(gè)零件組合的部件改為單一的零件代替，同時(shí)增加車體的剛性，達(dá)到減輕質(zhì)量的目標(biāo)。

圖3  液壓成形的典形汽車零部件

　　目前液壓成形技術(shù)在先進(jìn)高強(qiáng)鋼制零件中得到廣發(fā)應(yīng)用，尤其是結(jié)構(gòu)件，例如汽車座椅骨架、側(cè)面撞擊橫梁、保險(xiǎn)杠、發(fā)動(dòng)機(jī)支架、散熱器支架、儀表板橫梁、散熱器支架和車頂橫梁等結(jié)構(gòu)件。

4.冷彎成形技術(shù)

　　冷彎成形是通過順序配置的多道次成形軋輥，把卷材、帶材等金屬板帶不斷地進(jìn)行橫向彎曲，以制成特定斷面形材的塑性加工工藝。該技術(shù)的主要特點(diǎn)是生產(chǎn)效率高、適合大批量生產(chǎn)、加工產(chǎn)品不受長度的限制、可實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)、成形產(chǎn)品表面質(zhì)量好、成形件尺寸精度高、生產(chǎn)線中可集成沖孔焊接等工藝、生產(chǎn)工藝較其他工藝節(jié)約材料15%～30%、生產(chǎn)過程噪音低污染小[8]。冷彎成形工藝廣泛應(yīng)用于前/后保險(xiǎn)杠、門檻、駕駛員座椅調(diào)整機(jī)構(gòu)的滑軌、車身B柱和底盤等高強(qiáng)度鋼板汽車部件的制造中。

5.激光拼焊技術(shù)

　　汽車輕量化技術(shù)的發(fā)展要求汽車不同位置采用不同的材料來實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的合理分布，但隨著高強(qiáng)鋼中合金元素添加量的增加，高強(qiáng)鋼與原有軟質(zhì)鋼材同等條件下的焊接變得困難，同時(shí)在大輸入熱量焊接的情況下，強(qiáng)化組織的破壞造成鋼板強(qiáng)度的降低，激光拼焊技術(shù)的產(chǎn)生解決了這一問題。激光拼焊技術(shù)的工藝過程為：先將不同或相同厚度、強(qiáng)度、材質(zhì)的冷軋鋼板切成合適的尺寸和形狀，然后用激光焊接成一個(gè)理想的整體，然后將拼焊板沖壓成特定的零部件來裝配汽車，圖4展示了該技術(shù)在汽車中的應(yīng)用。這種激光拼焊技術(shù)很好地 滿足了汽車生產(chǎn)廠商和消費(fèi)者提高汽車質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、減輕車重、減少油耗、保護(hù)環(huán)境等多種需求，在汽車生產(chǎn)過程中采用該技術(shù)后，可使零件質(zhì)量減輕24%，零件數(shù)量減少19%，焊點(diǎn)減少49%，生產(chǎn)實(shí)踐縮短21%。

圖4  激光拼焊板在汽車中的應(yīng)用

　　目前，幾乎所有的著名汽車制造商都采用了激光拼焊技術(shù)，采用激光拼焊版制造的結(jié)構(gòu)件有車身側(cè)框架、車門內(nèi)板、擋風(fēng)玻璃窗框、輪罩板、底板、中間支柱等。世界輕質(zhì)鋼制車身社會的最新統(tǒng)計(jì)顯示，50%新形的鋼制車身結(jié)構(gòu)中采用了激光拼焊版制造。

6.連續(xù)變截面板軋制（TRB）技術(shù)

　　連續(xù)變截面板軋制（TRB）技術(shù)由德國亞琛工業(yè)大學(xué)金屬成形研究所IBF開發(fā)出來。其核心技術(shù)是柔性軋制，其實(shí)質(zhì)類似于傳統(tǒng)軋制加工方法中的縱軋工藝，但TRB技術(shù)可以利用計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)控制來自動(dòng)連續(xù)地調(diào)節(jié)軋輥的間距，從而得到板材沿軋制方向預(yù)先設(shè)定好的變截面形狀。TRB技術(shù)的主要優(yōu)勢有：減重效果好，機(jī)械性能變化連續(xù)、適應(yīng)性強(qiáng)，厚度分布可根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)定，變截面板制造成本較低，后續(xù)加工成形可靠性高等。目前TRB技術(shù)廣泛應(yīng)用于與安全相關(guān)的車身零件、底盤零件等（如圖5）。

圖5 TRB在車身、底盤中的應(yīng)用實(shí)例

三、高強(qiáng)鋼成形技術(shù)在汽車輕量化過程中面臨的問題

　　在實(shí)際汽車生產(chǎn)制造過程中，高強(qiáng)鋼的應(yīng)用比在不斷提高，同時(shí)高強(qiáng)鋼在成形方面也面臨著越來越大的挑戰(zhàn)。雖然各種先進(jìn)成形技術(shù)已經(jīng)逐步應(yīng)用到高強(qiáng)鋼成形技術(shù)當(dāng)中，但對于高強(qiáng)鋼的基本材料屬性、高強(qiáng)鋼成形模具、成形過程的溫度、軋輥控制等方面扔不完善。

　　為了更好的應(yīng)用高強(qiáng)鋼，對于其材料的力學(xué)性能、回彈行為、沖壓力、微觀結(jié)構(gòu)、焊接特性和應(yīng)變速率等行為非常必要。對于冷沖壓成形工藝，需要重點(diǎn)關(guān)注沖壓零件的公差精度；對于復(fù)雜幾何形狀的零件，要關(guān)注沖壓力的計(jì)算及沖壓件的回彈行為；高強(qiáng)鋼成形過程中遇到的另一個(gè)問題是起皺和開裂，開裂主要受到切邊質(zhì)量（間隙、刀具和沖頭邊部質(zhì)量）的影響，起皺則需要合理的控制壓邊力和成形條件，因此成形中模具制造、調(diào)試難度較大、設(shè)計(jì)周期較長。熱沖壓成形過程除冷沖壓需要面臨的問題，還包括沖壓過程中升溫、保溫與降溫過程模具內(nèi)溫度的分布問題，要避免模具因溫度不均造成熱應(yīng)力破壞。由于高強(qiáng)鋼中含碳量和合金元素的增加，汽車用高強(qiáng)度鋼使用性能數(shù)據(jù)不足，特別是高速拉伸性能、疲勞性能數(shù)據(jù)嚴(yán)重不足，這就限制了高強(qiáng)鋼的廣泛應(yīng)用。

　　因此，為了更進(jìn)一步擴(kuò)大高強(qiáng)鋼在汽車輕量化中的應(yīng)用，需加強(qiáng)高強(qiáng)鋼使用的數(shù)據(jù)積累，優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)，研究高強(qiáng)鋼零件成形技術(shù)數(shù)字化建模技術(shù)，應(yīng)用成形過程模擬控制回彈。加強(qiáng)對高強(qiáng)度鋼板成形技術(shù)攻關(guān)，以此來解決高強(qiáng)鋼成形過程中的問題，同時(shí)科學(xué)分配高強(qiáng)鋼的使用，針對車身不同部位的不同需求來配備不同的材料、不同的結(jié)構(gòu)，在保證車身安全的同時(shí)兼顧成本控制。

四、結(jié)語

　　在現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)制造中，隨著輕量化、安全性與節(jié)能減排要求的提高，新車的設(shè)計(jì)也一直不斷地改善排放、安全性和燃油效率。高強(qiáng)鋼以其高強(qiáng)度、屈強(qiáng)比低、瞬時(shí)硬化能力好、疲勞和撞擊性能好等優(yōu)點(diǎn)，成為汽車輕量化的關(guān)鍵材料之一。同時(shí)高強(qiáng)鋼的特殊、復(fù)雜的成形性能又需要不斷地進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，高強(qiáng)鋼的發(fā)展總趨勢是高強(qiáng)度化和良好的成形性。隨著汽車結(jié)構(gòu)優(yōu)化、先進(jìn)成形工藝、模擬仿真等技術(shù)的快速發(fā)展，高強(qiáng)鋼以其優(yōu)勢特點(diǎn)逐步應(yīng)用于汽車制造過程當(dāng)中，高強(qiáng)鋼的開發(fā)與應(yīng)用將在汽車輕量化過程中發(fā)揮出的更大的作用。