汽车车身用钢板的材料性能

汽车车身用钢板的抗碰撞性能 1.前言 近年来，为了提高汽车的抗碰撞性能，车身的质量在不断地增加。同时，为了降低油耗、减少有害气体的排放及减轻汽车的质量，要求汽车工业与冶金工业共同研发满足减重和改善抗碰撞性能两个互相矛盾要求的新材料。 超轻钢制汽车车身-先进汽车概念（ULSAB-AVC）项目的目标是在减轻自重、减少油耗和排放的前提下，通过使用先进的高强度钢材和最新的制造技术，提高车体的结构强度，满足2004年出台的更为严格的碰撞标准要求。表1列出新的ULSAB-AVC项目和以前的ULSAB项目碰撞标准的比较。 汽车碰撞时，车身承受高速的负荷，其抗碰撞性能受材料在高速应变情况下吸收能量的影响。各种材料在高速拉伸（高应变速度）时的性能与静拉伸（低应变速度）时的性能是不同的。因此，采用高速拉伸试验方法来测定钢材的性能从而判断不同钢材在高速应变情况下吸收能量的性能。 同时，为了解钢材在碰撞时吸收能量的情况，很多研究者又用模型进行模拟试验或用有限元方法来判断不同材料碰撞时能量吸收的情况。 2.钢材在高速拉伸时的性能 钢板在交货状态和经过应变再经烘烤处理后的性能是不同的，在静态拉伸和动态拉伸试验时所测得的强度也是不同的。对此,Jody Shaw等人用5种类型的钢板进行了试验2。试验用钢的成分和性能列于表2。 5种钢板交货状态和经2%,5%,10%的预应变后再经烘烤处理后的屈服强度如图1（S&B表示应变和烘烤）。 从图1看出，钢板交货状态的性能与经一定量的预应变和烘烤后（近似成品零件）的性能有很大区别，HSLA钢种在10%应变和烘烤后，其屈服强度比原始的屈服强度提高了约30%（从400 MPa左右提高到约530 MPa),而双相钢DP500Y则提高了约100%（从350 MPa提高到约700 MPa）。这种加工硬化和烘烤硬化的特点，使制成零件在强度和碰撞时吸收能量方面具有优势。 5种钢材动态拉伸与静态拉伸测得的抗拉强度如图2。动态拉伸时抗拉强度有所提高。 从图1和图2看出，不同的钢板交货状态的强度性能（静态）与加工成零件在动态受力时的性能是完全不同的，因此可以推断，零件碰撞时吸收的能量受零件加工过程中的变形量和碰撞时受力速度的影响。 Wolfgang Bleck等人对软钢DC04,高强度钢ZStE340，DP600,DP800、DP1000 3种双相钢和一种TRIP钢进行了不同应变速度的拉伸试验3，应变速度分别为5x1-3、1、3.5、100和约200 s-15种速度（双相钢没有进行3.5s-1应变速度的试验）的试验，测定力学性能（强度和塑性），了解应变速度对它们的影响。 试验用钢的化学成分、晶粒大小、相的体积分数和力学性能如表3。 本文未列出应变速度对几种钢板强度和塑性的影响数据，只列出应变速度对各种钢吸收能的情况。采用应力开始下降前的应力一应变曲线下面积的积分作为吸收能量的数值，为了排除样品几何尺寸的影响，总吸收能量的数值转换成单位质量的吸收能量值，结果如图3。 从图3看出，在所有应变速度下，TRIP钢在高速变形时吸收的能量最高。 3.用模拟汽车零件形状的样品进行撞击试验 用高速拉伸试验测定的钢材强度和塑性指标及根据应力-应变曲线下的面积计算的能量消耗指标，虽然在一定程度上可以判断钢板制成零件后在碰撞时吸收能量的情况，但是数据仍不够准。为了更确切地评价汽车车身零件碰撞的吸收能情况Jody Shaw等人用表2所列的5种钢板制成封闭帽形槽样品进行落锤试验，了解各种钢板吸收能量的情况。 封闭帽形槽样品形状及尺寸如图4。帽形槽样品用弯曲成形和冲压拉深成形2种方法制造，以考虑加工硬化程度不同对撞击时吸收能量的影响。 落锤装置如图5。冲击有效行程限定为150 mm后，落锤质量由挡块承载。落锤试验对下列2种情况进行研究：a一个200 kg的重锤从11m高度下落冲击帽形槽样品，速度为50 km/h ; b.一个400 kg重锤从2.5 m的高度下落冲击帽形槽样品，速度为25 km/h。200 kg的重锤从Hm高度下落的能量是400 kg的重锤从2.5 m的高度下落的能量的2倍。尽管如此，这些重锤的下落能量可以将所有试样的150 mm的长度压溃，对各种钢板吸收能量的情况如图6。 图6中，“D”表示帽形槽样品用弯曲法加工；“B”表示帽形槽样品用冲压拉深成形加工； 25 表示冲撞速度为25 km/h；50表示冲撞速度为50 km/h。 从图6看出，5种钢板中，双相钢板的吸收能量最高，铁素体-贝氏体钢次之，C -Mn （440W）钢和低合金高强度（HSLA 4408）更次之，而IF钢最差。材料的强度对吸收能量有明显的影响，落锤试验中吸收能量与屈服强度、静态和动态抗拉强度的关系分别如图7图9。 由图7图9看出，用屈服强度难以预测能量吸收，用抗拉强度预测能量吸收更合理些，而用动态抗拉强度预测不同钢种的相对能量吸收能力最佳。强度相同时，由于钢种不同，吸收能量情况也有差别。 Yoshifami Ojima等人用4种TRIP钢(RA）、2种DP钢（DP）和2种析出硬化钢（PH）模拟汽车零件前侧梁（front-side member）形状的方形柱状样品也进行碰撞试验，以了解钢板吸收能量的情况。钢板成分和性能如表4。 方形柱状样品如图10。碰撞试验装置如图11。 4种TRIP钢的残余奥氏体含量不同，在不同的拉伸应变量后其数量的变化（说明其稳定性）也不同（图12)。A钢残余奥氏体数量多,D钢的少，但是应变后其残余的量多，说明残余奥氏体转变成马氏体的量少，即稳定性较高，B和C钢残余奥氏体数量多，但是变形后，其残存的量少，说明其稳定性差。 碰撞试验后，方柱形样品有规律的起皱，没有发现断裂和焊点剥离（如图13）。测量的行程位移和负荷的关系如图14，计算行程为150 mm的吸收能量（相当于汽车实际碰撞时的吸收能量），吸收能量用负荷-位移下的面积积分求得。 抗拉强度与吸收能量的关系如图15,TRIP钢吸收能量比其他钢材约高10%。屈服强度与吸收能量的关系如图16，吸收能量基本上与屈服强度成比例，但是钢种不同，其数值不同，残余奥氏体数量多而且稳定性低的B.C钢（在应变量低时，多量的奥氏体转变成马氏体）吸收能量高。加工硬化指数（n值）与屈服强度的关系如图17，屈服强度相同时，B, C钢的n值高，n值高的钢吸收能量高。残余奥氏体量多而且稳定性低的钢（如B,C钢）的n值高、吸收能量多（如图18,图19）。 加工硬化性能好（n值高）有利于应变的扩展而使其均匀分布，因为碰撞变形后的应变量难于测量，所以测定变形后的硬度分布情况转换成应变量数值，方柱形样品碰撞变形后不伺部位的应变分布情况如图20。从图20看出，TRIP钢与强度相同的其他钢相比应变量大，表明其具有优良的应变扩展而使应变分布均匀的特性，即有良好的加工硬化性能从而使其在碰撞时吸收较多的能量。 4.结束语 汽车行驶发生碰撞时，车身吸收能量的特性将影响其安全性。碰撞时吸收能量的性能与汽车设计有关