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構輕量化、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、強化機理和生產工藝等幾種劃分方法。

1.按冶金特點分類

　　根據國際鋼鐵協(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?，基體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.按生產工藝分類

　　高強鋼的生產工藝有冷軋和熱軋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）、內板（車門、發(fā)動機罩內板）和結構件。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、剎車盤等受力結構件和安全件。

二、高強鋼的成形技術

　　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用到汽車工業(yè)中。高強鋼的成形技術主要包括冷沖壓形、熱成形、液壓成形等。

1.高強鋼冷沖壓成形技術

　　高強鋼的冷沖壓成形技術與傳統(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，這就給回彈的預測及控制帶來了很大的困難；同時高強鋼在應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來解決高強鋼板沖壓過程中開裂的問題，該技術通過從模具上的開孔注入潤滑油，使鋼板與模具之間產生數(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)。

　　根據高強鋼的性能、種類的不同，高強鋼在整車應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構件、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

　　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，因此熱成形技術應運而生。熱沖壓成形技術是將硼鋼鋼板（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用

　　高強鋼熱沖壓技術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?。怀尚渭a周期短等。但熱沖壓技術也存在一些缺點，如設備投資大、模具設計和加工復雜、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已經廣泛應用于發(fā)達國家的汽車工業(yè)實際生產當中，國內由于受到技術和設備的限制，發(fā)展較為緩慢，但已經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主要用于生產A柱加強板、B柱加強板、前后保險杠、側面防撞桿等零件。

3.高強鋼液壓成形技術

　　液壓成形技術主要是依靠高壓液體（水或油）作為傳力介質或模具使工件成形的一種塑性加工技術(如圖3)。液壓成形過程中板材通過傳力介質的壓力作用貼合凸?；虬寄３尚危涑尚渭夹g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壓力一般在400MPa以上，采用液壓成形技術的主要有點包括：成形技術一次整體成形沿構件軸線和截面有變化的空心構件，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?。粚⒃行枰指畛奢攤€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

　　目前液壓成形技術在先進高強鋼制零件中得到廣發(fā)應用，尤其是結構件，例如汽車座椅骨架、側面撞擊橫梁、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構件。

4.冷彎成形技術

　　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。該技術的主要特點是生產效率高、適合大批量生產、加工產品不受長度的限制、可實現(xiàn)連續(xù)化生產、成形產品表面質量好、成形件尺寸精度高、生產線中可集成沖孔焊接等工藝、生產工藝較其他工藝節(jié)約材料15%～30%、生產過程噪音低污染小[8]。冷彎成形工藝廣泛應用于前/后保險杠、門檻、駕駛員座椅調整機構的滑軌、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

　　汽車輕量化技術的發(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，激光拼焊技術的產生解決了這一問題。激光拼焊技術的工藝過程為：先將不同或相同厚度、強度、材質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展示了該技術在汽車中的應用。這種激光拼焊技術很好地 滿足了汽車生產廠商和消費者提高汽車質量、降低生產成本、減輕車重、減少油耗、保護環(huán)境等多種需求，在汽車生產過程中采用該技術后，可使零件質量減輕24%，零件數(shù)量減少19%，焊點減少49%，生產實踐縮短21%。

圖4  激光拼焊板在汽車中的應用

　　目前，幾乎所有的著名汽車制造商都采用了激光拼焊技術，采用激光拼焊版制造的結構件有車身側框架、車門內板、擋風玻璃窗框、輪罩板、底板、中間支柱等。世界輕質鋼制車身社會的最新統(tǒng)計顯示，50%新形的鋼制車身結構中采用了激光拼焊版制造。

6.連續(xù)變截面板軋制（TRB）技術

　　連續(xù)變截面板軋制（TRB）技術由德國亞琛工業(yè)大學金屬成形研究所IBF開發(fā)出來。其核心技術是柔性軋制，其實質類似于傳統(tǒng)軋制加工方法中的縱軋工藝，但TRB技術可以利用計算機的實時控制來自動連續(xù)地調節(jié)軋輥的間距，從而得到板材沿軋制方向預先設定好的變截面形狀。TRB技術的主要優(yōu)勢有：減重效果好，機械性能變化連續(xù)、適應性強，厚度分布可根據需要進行設定，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技術廣泛應用于與安全相關的車身零件、底盤零件等（如圖5）。

圖5 TRB在車身、底盤中的應用實例

三、高強鋼成形技術在汽車輕量化過程中面臨的問題

　　在實際汽車生產制造過程中，高強鋼的應用比在不斷提高，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已經逐步應用到高強鋼成形技術當中，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。

　　為了更好的應用高強鋼，對于其材料的力學性能、回彈行為、沖壓力、微觀結構、焊接特性和應變速率等行為非常必要。對于冷沖壓成形工藝，需要重點關注沖壓零件的公差精度；對于復雜幾何形狀的零件，要關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量（間隙、刀具和沖頭邊部質量）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、調試難度較大、設計周期較長。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溫度的分布問題，要避免模具因溫度不均造成熱應力破壞。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)據不足，特別是高速拉伸性能、疲勞性能數(shù)據嚴重不足，這就限制了高強鋼的廣泛應用。

　　因此，為了更進一步擴大高強鋼在汽車輕量化中的應用，需加強高強鋼使用的數(shù)據積累，優(yōu)化模具結構，研究高強鋼零件成形技術數(shù)字化建模技術，應用成形過程模擬控制回彈。加強對高強度鋼板成形技術攻關，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、不同的結構，在保證車身安全的同時兼顧成本控制。

四、結語

　　在現(xiàn)代汽車設計制造中，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。隨著汽車結構優(yōu)化、先進成形工藝、模擬仿真等技術的快速發(fā)展，高強鋼以其優(yōu)勢特點逐步應用于汽車制造過程當中，高強鋼的開發(fā)與應用將在汽車輕量化過程中發(fā)揮出的更大的作用。