汽車輕量化是指在保證汽車的強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，但同時帶來了金屬、石油等資源、能源的過量消耗，大氣嚴重污染，通過汽車輕量化實現(xiàn)降低排放和油耗成為汽車工業(yè)最具挑戰(zhàn)的目標。有研究表明，當鋼板厚度分別減小0.05mm、0.1mm和0.15mm時，車身減重分別為6%、12%和18%，可見增加鋼板強度的同時減小板厚是減輕車重的主要途徑。

　　高強鋼具有較高的強度，且成本較輕金屬低，汽車采用先進高強鋼的主要效果有：高強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、耐久強度和大變形沖擊強度安全性均得到提高。高強鋼的優(yōu)點使得其在汽車行業(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，白車身中高強鋼用量分別為12%和5%，目前均上升到50%以上。高強鋼的應(yīng)用不僅為輕量化創(chuàng)造了更多的機遇，更有助于使汽車達到輕量化和提高安全性的統(tǒng)一。

一、高強鋼的種類

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

1.按冶金特點分類

　　根據(jù)國際鋼鐵協(xié)會USL-AB項目的定義，屈服強度為210～550MPa及抗拉強度為270～700MPa的為高強度鋼（簡稱HSS）。普通高強度鋼為單一鐵素體組織，由于采用了以相變?yōu)橹鞯膹秃蠌娀椒ǎw的強度和綜合性能得到提高。普通高強度鋼包括有微合金鋼、碳錳鋼、烘烤硬化鋼、各向同性鋼、高強度IF鋼和低合金高強度鋼等幾種。屈服強度大于550MPa及抗拉強度大于700MPa的則稱為先進高強度鋼（簡稱AHSS）。AHSS的研究基于HSS朝2個方向發(fā)展，一個方向是強度基體不變，提高其塑性；另一個方向是塑性基體不變提高其強度。強度提高的鋼種包括復向鋼（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為汽車用高強鋼按照強度分類示意圖。

圖1  汽車用高強鋼按照強度分類示意圖

2.按強化機理分類

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

3.按生產(chǎn)工藝分類

　　高強鋼的生產(chǎn)工藝有冷軋和熱軋2種形式。冷軋高強鋼主要用于車身零件，包括外板（車門、發(fā)動機罩外板）、內(nèi)板（車門、發(fā)動機罩內(nèi)板）和結(jié)構(gòu)件。熱軋高強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、高強鋼的成形技術(shù)

　　高強鋼的減薄和高強度2個優(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。因此許多先進的加工工藝及方法不斷地應(yīng)用到汽車工業(yè)中。高強鋼的成形技術(shù)主要包括冷沖壓形、熱成形、液壓成形等。

1.高強鋼冷沖壓成形技術(shù)

　　高強鋼的冷沖壓成形技術(shù)與傳統(tǒng)鋼材冷沖壓相似，但高強鋼成形范圍有限，成形后容易產(chǎn)生回彈，且其回彈量遠大于普通低碳鋼沖壓成形零件的回彈量，鋼材特性難以詳細描述，這就給回彈的預(yù)測及控制帶來了很大的困難；同時高強鋼在應(yīng)用時面臨著成形件的起皺和開裂等問題，這些特點都導致高強鋼在成形時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上稍加改動就可實現(xiàn)。

　　根據(jù)高強鋼的性能、種類的不同，高強鋼在整車應(yīng)用部位也有顯著的區(qū)別。如高強度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、加強板上；800MPa的TRIP鋼主要用在轎車車身加強板、保險杠和防沖柱上；屈服強度為650～700MPa大梁板和抗拉強度1 500MPa的彈簧鋼主要用在商用車當中。

2.高強鋼熱沖壓成形技術(shù)

　　當鋼強度超過1 000MPa時，一些形狀復雜的零件，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)運而生。熱沖壓成形技術(shù)是將硼鋼鋼板（初始強度為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的冷卻速度進行淬火處理，保壓淬火一段時間，以獲得具有均勻馬氏體組織的超高強鋼零件的成形方式 (如圖2) 。

圖2  熱沖壓高強鋼在汽車輕量化當中的應(yīng)用

　　高強鋼熱沖壓技術(shù)通過將成形和強化分為兩個步驟來解決高強鋼強度與塑性的矛盾。該成形技術(shù)的主要優(yōu)點是：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；沖壓機噸位要求降低；鋼材成形抗力低，模具單位壓力小；成形件生產(chǎn)周期短等。但熱沖壓技術(shù)也存在一些缺點，如設(shè)備投資大、模具設(shè)計和加工復雜、維護和保養(yǎng)成本高等[5]。近年來高強鋼板的熱沖壓成形技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于發(fā)達國家的汽車工業(yè)實際生產(chǎn)當中，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。高強鋼板熱沖壓技術(shù)主要用于生產(chǎn)A柱加強板、B柱加強板、前后保險杠、側(cè)面防撞桿等零件。

3.高強鋼液壓成形技術(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)的壓力作用貼合凸模或凹模成形，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零件組合的部件改為單一的零件代替，同時增加車體的剛性，達到減輕質(zhì)量的目標。

圖3  液壓成形的典形汽車零部件

　　目前液壓成形技術(shù)在先進高強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、保險杠、發(fā)動機支架、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/后保險杠、門檻、駕駛員座椅調(diào)整機構(gòu)的滑軌、車身B柱和底盤等高強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現(xiàn)汽車輕量化的合理分布，但隨著高強鋼中合金元素添加量的增加，高強鋼與原有軟質(zhì)鋼材同等條件下的焊接變得困難，同時在大輸入熱量焊接的情況下，強化組織的破壞造成鋼板強度的降低，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%，焊點減少49%，生產(chǎn)實踐縮短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)可以利用計算機的實時控制來自動連續(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，機械性能變化連續(xù)、適應(yīng)性強，厚度分布可根據(jù)需要進行設(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)用實例

三、高強鋼成形技術(shù)在汽車輕量化過程中面臨的問題

　　在實際汽車生產(chǎn)制造過程中，高強鋼的應(yīng)用比在不斷提高，同時高強鋼在成形方面也面臨著越來越大的挑戰(zhàn)。雖然各種先進成形技術(shù)已經(jīng)逐步應(yīng)用到高強鋼成形技術(shù)當中，但對于高強鋼的基本材料屬性、高強鋼成形模具、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)用高強鋼，對于其材料的力學性能、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，需要重點關(guān)注沖壓零件的公差精度；對于復雜幾何形狀的零件，要關(guān)注沖壓力的計算及沖壓件的回彈行為；高強鋼成形過程中遇到的另一個問題是起皺和開裂，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。由于高強鋼中含碳量和合金元素的增加，汽車用高強度鋼使用性能數(shù)據(jù)不足，特別是高速拉伸性能、疲勞性能數(shù)據(jù)嚴重不足，這就限制了高強鋼的廣泛應(yīng)用。

　　因此，為了更進一步擴大高強鋼在汽車輕量化中的應(yīng)用，需加強高強鋼使用的數(shù)據(jù)積累，優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)，研究高強鋼零件成形技術(shù)數(shù)字化建模技術(shù)，應(yīng)用成形過程模擬控制回彈。加強對高強度鋼板成形技術(shù)攻關(guān)，以此來解決高強鋼成形過程中的問題，同時科學分配高強鋼的使用，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兼顧成本控制。

四、結(jié)語

　　在現(xiàn)代汽車設(shè)計制造中，隨著輕量化、安全性與節(jié)能減排要求的提高，新車的設(shè)計也一直不斷地改善排放、安全性和燃油效率。高強鋼以其高強度、屈強比低、瞬時硬化能力好、疲勞和撞擊性能好等優(yōu)點，成為汽車輕量化的關(guān)鍵材料之一。同時高強鋼的特殊、復雜的成形性能又需要不斷地進行技術(shù)創(chuàng)新，高強鋼的發(fā)展總趨勢是高強度化和良好的成形性。隨著汽車結(jié)構(gòu)優(yōu)化、先進成形工藝、模擬仿真等技術(shù)的快速發(fā)展，高強鋼以其優(yōu)勢特點逐步應(yīng)用于汽車制造過程當中，高強鋼的開發(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。