高强、超高强汽车板的开发——日本制铁NSafe®-AutoConcept项目
01
车体骨架用高强汽车板
3.1车体骨架部件及所需性能
用于车体骨架的材料所必需的性能可分为两个方面。其一是强度。以冲击吸收为代表的车体强度性能可通过材料强度的提高而提高，且该性能的提高还有助于实现车体的轻量化。其二是轴向变形能。冲压等冷成型中，要求深冲性、胀形性、翻边成形性、弯曲性等与部件形状及加工方式相应的成形性，还需要制成部件后组装为结构后具有抵抗大的变形的变形能。用强度和变形能这两个指标表示出车体骨架用高强钢板的发展进程，如图3所示。
图3示出了多种材料，从强度和变形能角度适用的部件大致分为三类。分类之一称为悬挂部件，以保险杠为代表。这些部件是车体中高强度化发展最为先进的。随着热成型技术的大量应用，近年来1.8GPa级热成型钢板已投入实际应用。
分类之二是高强度化发展仅次于悬挂部件的用于驾驶室骨架的部件。1.5GPa级热成型钢板、1180MPa级冷成型用高强钢已经投入应用。NSafe®-AutoConcept项目中，通过综合考量材料、结构、加工方法，提出了将1470MPa级冷成型用高强钢应用在多种部件的方案。
分类之三是在驾驶室前后配置的部件（前/后侧构件等）。这些部件在前面或后面发生撞击时，由于轴向压溃变形及弯曲变形等发生大变形，具有吸收冲击能的功能。应用于这类部件的材料需要具有充分的强度实现轻量化和冲击吸收能的统一，以及大变形时不断裂且不会导致变形进度（主要是压曲进度）不连续性的充分的变形能。回顾目前为止的钢板高强度化发展历史可以看出，高强度材料首先应用于第一类的悬挂部件，其后是驾驶室用部件，最后向需要大变形冲击吸收能的部件推广。目前的汽车结构中，590-780MPa级钢板主要用于第三类部件。
3.2用于车体骨架部件的材料发展
为了得到1.5GPa级以上强度的部件，热成型技术投入实际应用。该技术回避了冷成型时面临的断裂及难以确保形状精度的问题，且同时能获得超高强度，加热到900℃对奥氏体钢板冲压成型，通过在模具内冷却完成淬火形成马氏体。由于热成型属于高温成型，因此冲击负荷小，且由于在模具内发生马氏体相变，可能引起形状不良的残余应力较小，因此可获得良好的形状精度。
除目前为止的1.5GPa级热成型用钢板，1.8GPa级热成型用钢板也投入了实际应用。热成型钢板主要通过利用马氏体来确保强度。虽然马氏体的强度可通过增加钢中碳含量实现，但会出现韧性不足，无法获得充分性能的情况。图4所示为实用化的1.8GPa级热成型用钢板和作为传统材料的1.5GPa级热成型钢板淬火后的显微组织。淬火后的组织均为马氏体。观察原奥氏体组织可以看出，1.8GPa级材料更细微。另外，拉伸试验后显示出延展性断面，凹坑也显示出更为细微的构造。确认该材料可在确保必要的1.8GPa级强度的同时，兼备韧性、焊接性、耐氢脆性等性能。如图3所示，目前正在开展进一步提高强度的2GPa级以上的热成型钢板的开发。
关于冷成型高强钢，有关通过采用复合组织强化的DP钢、TRIP钢提高延伸率（拉伸试验中的延展性）已有论述。当硬质组织和软质组织并存的情况下，变形错综复杂地分布在材料内部。图5所示为590MPa级DP钢边拉伸边实施激光显微镜观察的结果和数值分析结果。在腐蚀作用下，马氏体呈白色、铁素体呈黄铜色。应变为0.1时，塑性变形集中在马氏体的收缩部位，并开始出现破坏（破坏部分用红圈示出）。而应变为0.28时，在破坏部分增加的同时，还可在铁素体部位观察到表面凹凸，表明施加了大的变形。
因此可以认为，在拉伸变形的情况下，通过包围着硬质组织的软质组织的变形来补偿硬质组织的变形能而表现出优异的延伸率。然而，当变形集中的位置（例如弯曲）被特定时，如果在该部位存在硬质组织，则会过早发生破坏。从这个观点出发，在980MPa级钢中开发了可以根据用途选择不同组织类型的钢板，如以均匀组织为母相的弯曲型、以延展性良好的铁素体为基体并分散马氏体等的延展型等，并投入实际应用。
驾驶室骨架、大变形冲击吸收用的部件具有复杂的形状，需要在提高强度的同时兼备良好的成形性。这就需要利用软质的铁素体或显示出TRIP现象的残余奥氏体等。1180MPa级的高成形性冷成型用汽车板的显微组织如图6所示。可以看出，其显微组织由具有1μm以下构成要素的组织形成，是由铁素体、马氏体/贝氏体、奥氏体构成的组织，有报告指出，其具有高延展性和良好的拉伸凸缘性（延伸弯曲性）。这是通过最恰当的成分设计和生产工艺，将材料的组织细化到极致的结果。
关于大变形冲击吸收用部件，不仅要求成形性，还要求在大变形时不会发生断裂导致的变形发展的不连续化，高强钢的应用大多停留在590-780MPa级左右。对此，通过在结构层面上下功夫，可进一步提高强度。
图7所示为1180MPa级高强钢板成形为最佳断面后进行轴向压溃试验时的压曲状态。与使用590MPa级钢的模型部件（方筒形状）相比，重量减轻30%，且具有其1.6倍的能量吸收能。详细观察轴向压溃变形时的压曲部位发现，该变形为弯曲变形。因此，选择具有良好弯曲性的1180MPa级钢板是其能表现出良好的冲击吸收能的原因之一。如图2所示，虽然980MPa级以上的超高强度材料的延展性（延伸率）低于软钢的延展性，但通过适当提高所应用部件所需的功能/性能（如弯曲性），就可通过使用更高强度材料进一步减轻重量。
02
底盘用高强汽车板
底盘部件包括许多重要的安全部件，要求在强度、刚性、耐用性和耐腐蚀性等方面具有高可靠性。此外，还有一个特征是在厚度范围内经常使用热轧钢板。440MPa级是主流，但在某些情况下也有应用590MPa和780MPa级钢板，并在推进更高强度材料的开发。
用于底盘部件的高强热轧钢板大多要求胀形性（拉伸试验中与延伸率的相关性很高）和高的拉伸凸缘性。高延展性的软质铁素体和硬质组织的组合由于延伸翻边成形中大变形时硬质相的裂纹、硬质相界面发生开裂等导致拉伸凸缘性变差，如图5所示。为了提高拉伸凸缘性，显微组织的均匀化是一种有效的方法，选择适宜的成分和生产条件，以形成贝氏体单相或缩小铁素体与贝氏体复合组织中组织之间的硬度差。特别是粗大的渗碳体可造成拉伸凸缘性的大幅下降，因此大多选择使渗碳体细微分散或降低成分中碳的添加水平。
图8所示的780MPa级开发钢的性能，与传统钢相比，拉伸凸缘性指标——扩孔率更高，实现了延伸与扩孔性的并存。且本开发钢外观良好，确认具有充分的疲劳耐久性。
前文中提到应用980MPa级以上的钢板可达到与使用铝部件同等以上的轻量化目标。有一种用于框架的980MPa级钢，具有优秀的电弧焊接性、弯曲性和疲劳特性。此外，以与780MPa级相同的方式，通过控制显微组织和组织间的硬度差，开发了具有更高延伸率和扩孔性的热轧钢板（图8）。
本文为部分内容，全文请参阅《世界金属导报》35期B04。