汽车车身用钢板的材料性能

1、汽车车身用钢板的抗碰撞性能1.1.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-AVCULSAB-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 20042004 年出台的更为严格的碰撞标准要求。表1 1 列出新的 ULSAB-AVULSAB-AV（项目和以前的 ULSABULSAB 项目碰撞标准的比较。汽车碰撞时

2、，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。A 1碰撞塀准TJLSAB-AVC项目ULSAH项目US-NCAP(56kmAiEffiUS-NCA?(56 km/h正硼撞ffl)AMS.前部50%fl8移樹撞刚性樂+酣km/h正碰撞）邸kni/h（硬壁帼鐵撞-SLNCAP(62kni/h他链攔50km/h(96/27EC俯戟推）崩性喪）后匯撞的FMVSS 301后罐握FMVSS 301(56 k

3、m/h21vssrMVSS 216顶腿碰堰俑杆疲14（鱼径不包括在ULSAB项目中 杆睦SL32 kpiA）曲评悄同时，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 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 JodyJody ShawShaw 等人用 5 5 种类型的钢板进行了试验2 2。试验用钢的成分和性能列于表2 2。5 5 种钢板交货状态和经 2%,5%,10%2%,5%,10%勺预应变后再经烘烤处理后的屈服强度如图1 1（S

4、&BS&B 表示应变和烘烤）K I 莎种钢板的性绘比较从图 1 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，HSLAHSLA 钢种在 1010 炬变和烘烤后，其屈服强度比原始的屈服强度提高了约 30%30% （从 400400 MPaMPa 左右提高到约 530530 MPaMPa）, ,而双相钢 DP500YDP500Y 则提高了约 100%100%例脈种类钢板厚庄种类27tOF)GALW7GA440Rf HSLA1.373GA590Y(DP)1592CA$ycwi! r-ii i1.4J2GA沽t/MPu2 沁K/% inf I0

5、WM5%)1632S25400.232354455392.So.isn396471363.90.17033?6023300.165480眈281虽0J34ER 值/MPa妙囂収vx200loovx200looS2%SiB=_-=一一一二二-一一二二兰S.SS.S=_=_=力学件能o-9 J20il.O勞通飯IFC-MHHSLA DP59OY三=疋=_.=_二75=_75=_|一_5（从 350350 MPaMPa 提高到约 700700 MPaMPa）。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。II- C-Mfi HSJ.A DP590Y E-B2 崎种钢扳静

6、态和动态拉伸池得的抗拉强度5 5 种钢材动态拉伸与静态拉伸测得的抗拉强度如图2 2。动态拉伸时抗拉强度有所提高。从图 1 1 和图 2 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。WolfgangWolfgang BieckBieck 等人对软钢 DC04,DC04,高强度钢 ZStE340ZStE340, DP6OOQP8O0DP6OOQP8O0 DP1000DP1000 3 3 种双相钢和一种 TRIPTRIP 钢进行了不同应变速度的拉伸试验 33，应变速度分别

7、为 5x1-35x1-3、1 1、 3.53.5、100100 和约 200200 s-15s-15 种速度（双相钢没有进行 3.5S-13.5S-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 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 3。从图 3 3 看出，在所有应变速度下，TRIPTRIP 钢

8、在高速变形时吸收的能量最高3.3.用模拟汽车零件形状的样品进行撞击试验義/ 试醴购换的化孳成分、相的丼栈分戴和力卑注礎1晶牌大彳/|M馆的怡积介敷力学性能CSiMnPSAl_炊秦悴;H氏曲真氏埠|轶景悴|耳氏悴讯氏世奥氏毕AlPa|/%DC040.0500.012rt 19卩.咖 ffi.OW 0.04722.01-TH11565l2沁ZS1E340 0.0860.092 41 0.06500()8004?T.0二1-_37214631JOF6000 I4Rom_07止0,05210.no?N*)4V：0,0155.54.1 J76 |241_3I 03 5elOOs1 2000DCQ4图SD

9、PSOO DPI 000TRIP粥种&种钢板在号料应变速癢下吸收能量情况20205 5 O OZSIE34O DP600的情况。封闭帽形槽样品形状及尺寸如图4 4。帽形槽样品用弯曲成形和冲压拉深成形种方法制造，以考虑加工硬化程度不同对撞击时吸收能量的影响囲4 4封闭韬形槽样品形號及尺寸落锤装置如图 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。200kg

10、 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。图占落锤藩權陆虫200200碾-1111400400 m m图 6 6 中，“ DD表示帽形槽样品用弯曲法加工；“B B”表示帽形槽样品用冲压拉深成形加工； 2525 表示冲撞速度为 2525 km/hkm/h ; 5050表示冲撞速度为 5050 km/hkm/h。从图 6 6 看出，5 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 C -Mn-Mn （440W44

11、0W 钢和低合金高强度（HSLA4408HSLA4408）更次之，而 IFIF 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 7图 9 9。图 6 5 帥铳扳吸收能鼻对比109109 $ $ 7 7 6 6 5 5【00300500* 屈凰.強J7 屈眾强度与啜收能的关系80800 0團抗拉强度斤/SlPnS 抗拉强蛊与吸牧能畳的关系图 9 动态抗拉强歲与吸收能楚的关乗由图 7 7图 9 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

12、 钢种不同，吸收能量情况也有差别。YoshifamiYoshifami OjimaOjima 等人用 4 4 种 TRIPTRIP 钢(RA(RA)、2 2 种。戸钢(DP和 2 2 种析出硬化 钢(PHPH 模拟汽车零件前侧梁(front-sidefront-side membermember )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 4。4李恵霁利方学性儷（卿Mb強电桩1etcflCJnSMnw看忙加丁班it后A4IJ1,54Q.W9。脚14W4JV7BW1訓bTHIKft広151.54妙0.00945&4&|4681071229

13、J0 127COJ1.07L(M0.012O.OOl47147$42n碗30.10.120D0.101,03I0,001468474)462134.Qa 107DPEDM0,14r.n0005匍1413W5；曲I24,6540TRIP钢5F啊屈眼軽度尺WMPRrv宝挈孕諮團16屈服强度与暧收能量的关杀w 4W 4S0 500 52(? 540 屈赧强度 fU/MPn-ixa.GE星0.09 -1-1- -246S 101214应愛前残余臭氏体盘皿團 18 丹值和应变前残余奥氏体最的关系转变的典氏体的 H (0.2 10%应变圉炒 用值和转变的砲氐体的关系-10-50510图 20 方柱形拝晶斐

14、形后不同部位的应变抗拉强度与吸收能量的关系如图15,TRIP15,TRIP 钢吸收能量比其他钢材约高 10%10%屈服强度与吸收能量的关系如图1616,吸收能量基本上与屈服强度成比例，但是钢种不同，其1010a(営一強.5疤口 Q数值不同，残余奥氏体数量多而且稳定性低的B.CB.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 n 值）与屈服强度的关系如图 1717,屈服强度相同时，B,B, C C 钢的 n n 值高，n 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,CB,C 钢）的 n n 值高、吸收能量多（如图 18,18,图 1919）。加工硬化性能好（n 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2020。从图 2020 看出，TRIPTRIP 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