奥迪A8轻量化全铝车身的应用现状和趋势分析

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摘要：通过对欧洲车身大会参会车型车身材料的统计，分析了钢、铝、塑料等材料在车身上的应用现状和趋势。 分析结果表明，以高强钢为主要成分、多材料复合应用是未来车身材料的发展趋势。 高强钢正在向更高强度和塑性、更好性价比的方向发展，其中热成型钢在车身中的用量将逐渐增加。 随着高强钢的发展，其应用也面临着一系列挑战，如冷冲压裂纹和回弹、焊接技术难点、延迟裂纹的科学评价、断裂韧性的优化和提高等，这需要不断研究，攻克难题。

关键词：轻质高强钢 延迟开裂 断裂韧性

01

汽车车身材料竞争

长期以来，汽车车身的主要材料是钢材。 近年来，随着汽车轻量化的推进，铝镁合金、塑料等轻量化材料因其减重效果显着，在汽车上的使用量不断增加，与汽车用钢形成了激烈的竞争[1]。 奥迪A8轻量化全铝车身的出现，使得铝合金一度被视为车身材料的主流方向。 不过，随着新一代奥迪A8车身由全铝改为钢铝混合，铝合金在车身中的比例从93.1%下降到58%，钢材在车身中的使用量有所回升。 现阶段，轻量化材料的应用已成为实现汽车轻量化的有效途径。 材料技术的发展为汽车轻量化开发和生产创造了有利条件。 一年一度的欧洲车身大会（EuroCarBody）上展示的先进车身材料和先进工艺技术已成为行业发展的标杆[2]。 通过对历年车型所用材料的分析，总结出汽车车身材料的选用趋势。 参考文献[3]中的大数据统计方法，利用公式（1）得到2010-2019年欧洲车身会议车身材料变化趋势图，如图1所示。可以得出以下结论由图1得出。

图1 2010-2019年欧洲车身会议车身材料变化趋势

A。 欧洲车身大会上的车身材料以钢和铝为主，镁、塑料等其他材料在车身中所占比例很低；

b. 钢和铝表现出明显的交替关系[4]。

虽然钢材的轻量化效果不如铝、镁、塑料等轻量化材料，但仍然是车身材料的主要选择。 钢材的优点如下[3]。

a.广泛的机械性能。 钢材的抗拉强度范围为270～2000MPa，可为车身各部位的不同性能设计要求提供合理的选材方案。

b. 低成本。 汽车用钢的成本远低于铝镁合金、碳纤维，钢材的加工成本更低（原材料成本几乎占整个零件成本的70%以上）。 因此，高强钢的应用无疑是最具性价比的轻量化材料。 量化材料解决方案。 图2显示了不同轻量化材料解决方案的减重比例与成本增加之间的关系[2]。

图2 不同材料减重率与成本增加的关系

C。 易于维护。 钢比铝合金具有更好的塑性和韧性。 发生碰撞后，大多数情况下可以通过钣金技术进行修复，成本较低。

d. 生命周期排放低。 文献[5]的研究结果表明，铝镁合金、碳纤维等轻量化材料在整个生命周期内的CO2当量排放量远高于钢材。 仅材料生产过程中的排放量就是钢铁的5至20倍。 提高高强钢的应用比例将有助于减少CO2排放[6]。

车身材料的变化说明轻量化材料的应用不再单纯以减重为目的，体现了轻量化车身设计中对性能、质量和成本之间平衡的考虑[4]。 车身轻量化材料呈现出多种材料混合使用的趋势，高强钢的应用仍然是车身材料的主要选择。

02

汽车车身用高强度钢的应用现状及发展

2.1 高强度钢的分类

高强钢的分类方法有多种，可按强度、冶金原理、强塑性制品等分类。

欧洲车身会议将高强度钢具体分为高强度钢、先进高强度钢、超高强度钢和热成型钢。 相应的钢种如表1所示。

表1 欧洲车身会议高强度钢分类

随着高强钢材料的发展，强塑性产品已成为表征高强钢综合性能的分类指标。 根据产品的强塑性，高强钢分为第一代、第二代和第三代高强钢。 钢，如图3所示。

图3 高强钢强塑产品[7]

IF: 无间隙原子钢 HSIF: 高强度 IF 钢 BH: 烘烤硬化钢 +P: 加磷高强度钢 HSLA: 高强度低合金钢 DP: 双相钢 CP: 复相钢TRIP: 相变诱导塑性钢 M : 马氏体钢 L-IP: 轻质诱导塑性钢 TWIP: 双诱导塑性钢 U1超细晶 B: 超细晶贝氏体钢 Q&P: 淬火碳分布钢

A。 第一代高强度钢的合金元素一般在3%以内，材料抗拉强度范围为300～2000MPa，强塑性产品一般在5～20GPa%之间。

b. 第二代高强钢的强塑积远高于第一代高强钢，达到50 GPa%以上，表明第二代高强钢具有以下综合性能：由于强度高、塑性优良。 代表钢种为TWIP钢，典型成分为Fe-25%Mn-3%Al-3%Si-0.03%C。 与第一代高强钢相比，第二代高强钢合金元素含量较高，导致成本较高，冶炼、轧制等工艺难以控制，不利于工业化生产[7]，因此应用并不广泛。

C。 第三代高强钢的强塑性介于第一代和第二代之间，强塑性积在20～40GPa%之间。 第三代高强钢的发展目标是性价比高、成本相对较低、具有优良的强塑性[8]。 典型代表有强塑性面积高达30GPa%的QP钢、超细晶贝氏体钢、中国钢铁研究总院研制的中锰钢等。

2.2 高强钢应用现状

增加车身高强钢的用量可以很好地满足汽车轻量化和高安全性的需求。 先进高强度钢和热成型钢（根据欧洲车身会议钢材分类方法）的开发和应用，巩固了钢材在车身中的作用。 在材料选择上的地位。 国内外开展了多项汽车车身轻量化研究项目，如世界钢铁协会超轻钢车身项目（ULSAB）、超轻钢车身-先进汽车概念项目（ULSAB-AVC）、和未来钢制车辆（FSV）。 ）项目、蒂森克虏伯新型轻量化汽车项目（InCarplus）、宝钢超轻车身项目（BCB）等，高强钢材料、结构优化设计和先进制造技术的综合应用，满足汽车轻量化的需求。 量化和安全要求。

2.2.1 冷成型先进高强钢

现阶段主要使用的先进高强钢有DP钢、TRIP钢、MS钢、QP钢、DH钢等。 用量最大的钢材是DP钢，广泛应用于车身碰撞吸能件、门槛、防撞梁等件。 一般来说，材料强度的增加会导致成型性下降，应用难度增加。 对于形状复杂的零件，材料的强度越高，常规冷成形工艺就越难以解决回弹、起皱、开裂等问题，从而限制了冷成形工艺。 对于成型高强钢的应用，目前1 180 MPa级冷成型钢的应用较多。 第三代高强钢中的QP钢具有高强度、高成形性的特点，在一定程度上提高了冷弯成型高强钢的应用潜力。 工业应用的最高强度已达到1180 MPa。 近年来，在传统DP钢基础上发展起来的DH钢已逐渐得到应用。 与传统DP钢的铁素体和马氏体组织相比，DH钢含有约5%的残余奥氏体，具有更好的性能。 成型性能。 主要用于汽车车身的先进高强钢品种及强度等级见表2。

表2 主要用于汽车车身的先进高强钢的品种、强度等级及成形方法

2.2.2 热成型钢

热成形技术的应用很好地解决了钢材强度与成形性能之间的相互限制和制约。 直接热成形的主流应用是将材料在模具中加热至奥氏体化并淬火形成马氏体组织，强度可达2 000 MPa。 图4为热成型钢的交货及淬火状态。 机械性能比较。 热成形具有成形过程中回弹小、尺寸精度高、能够成形复杂形状、成形后零件强度高的特点。 已被成熟使用。

图4 热成型前后力学性能对比

热弯型钢广泛应用于汽车车身，如A/B柱、车门防撞梁等碰撞安全件，且热弯型钢在汽车车身中的比例正在逐渐增加。 图5为2017年至2019年欧洲车身会议部分车型车身热成型件的质量比例。 从图5可以看出，欧美车型在车身中使用热弯型钢的量较大，质量比例一般达到20%以上，而日系车型普遍使用热弯型钢较少。

图5 2017-2019年欧洲车身大会部分参赛车型热成型件占车身质量的比例

热成型在国内外汽车轻量化市场有着广阔的前景。 据舒勒统计，截至2018年，全球市场热成型零件需求量约为5.74亿件。 图6显示了全球汽车行业对热成型零件的需求。 。 近年来，国内热成型发展迅速，生产线数量超过180条。随着热成型技术的成熟和用量的逐步增加，热成型零件的价格有望进一步下降。 未来，热成型零件在车身中的比例将会增加。 进一步完善。

图 6 汽车热成型零件的全球使用情况（来源：舒勒）

2.2.3 国内申请现状

国内各大钢铁企业如宝钢、首钢、鞍钢等都高度重视汽车用高强钢的发展。 目前已实现稳定供应的冷弯先进高强钢最高强度牌号有DP1180、QP1180、MS1500； 热成型钢方面，1 500 MPa级已成熟使用，1 800 MPa、2 000 MPa级也已开发并小批量使用。

随着材料技术的发展和制造水平的提高，先进的高强钢、热成型钢和轻量化材料广泛应用于汽车车身设计，车身轻量化水平不断提高。 国内一些车企的车身材质水平已经与世界先进车企保持同步，如全铝车身的蔚来ES8、钢铝塑混合车身的奇瑞蚂蚁eQ5等。 轻质材料的大量应用，使车身质量大大降低； 表3为中国轻量化车身大会上展示的三款具有代表性的钢制车身车型。 车身高强钢使用比例最高已超过70%，车身轻量化水平得到提升。

表3 三种钢制车体中高强钢比例（质量分数）%

2.3 高强钢的新发展

随着汽车轻量化和安全性要求的不断提高，高强钢正向高强度、高塑性/韧性方向发展。 同时，随着汽车行业竞争的加剧，要求高强钢具有更具竞争力的性价比。

2.3.1 高强度

在设计结构强度相等的零件时，可以根据公式（2）估算两种不同强度材料的厚度关系[9]。 通过增加材料的强度和减少材料的厚度，可以减轻零件的重量。 因此，高强钢轻量化应用的必然发展方向之一是材料的高强度化。

式中，t1、t2为两种材料的厚度； σ1和σ2是两种材料的屈服强度； N是由变形形式决定的值。

在冷弯成型先进高强钢方面，SSAB开发的马氏体钢Docol 1400M具有优异的成型性能，可冲压成型车门防撞梁。 Docol 1700M 用于滚压成型车顶纵梁； 日本车企对冷冲压成形材料的应用技术非常先进，目前正在开发1500兆帕级冷冲压高强度钢。 国内宝钢也在开发1500MPa级高延伸率QP钢。

热成型钢方面，1 800 MPa、2 000 MPa热成型钢已在少数车型上使用。 例如，采用1 800 MPa级热弯型钢替代1 500 MPa级热弯型钢制造车门防撞梁。 零件厚度可从 1.6 毫米减少至 1.6 毫米。 1.4毫米，实现减重12.5%。

2.3.2 高强度塑料制品

为了改善冷弯型高强钢因强度增加塑性下降而导致的应用难度，利用成形过程中亚稳奥氏体的TRIP效应来增强塑性已成为冷弯高强钢的重要发展方向之一。先进高强度钢，如TRIP钢和QP钢都含有一定量的奥氏体组织。 近年来，首钢在传统DP钢的基础上开发了含5%左右残余奥氏体的DH钢。 与传统DP钢相比，成形性能显着提高。 目前稳定供应的强度等级为590MPa和780MPa。 、980MPa，DH钢的发展为车身材料提供了新的选择。

2.3.3 成本低

随着汽车行业竞争的加剧，材料的性价比成为汽车企业的关键指标，促使汽车用钢向低成本方向发展。 对于高强度钢的发展，微合金化成为发展方向，通过降低合金含量来降低原材料成本； 同时，薄板坯连铸连轧技术（CSP）、无头轧制技术（ESP）等先进生产工艺的应用[6]有助于降低生产过程成本。

2.3.4 新型成形工艺技术

为适应新型高强度钢材的应用，不断开发先进的成形工艺，如可采用变截面梁件的辊冲技术和热辊弯技术，结合强度分区设计和轻量化热轧技术。一体成型门环技术、TRB技术等

03

高强钢在汽车车身应用面临的挑战

3.1 冷冲压成型存在的问题

A。 回弹控制一直是高强钢应用的关键技术之一。 回弹量与材料的屈服强度成正比，与材料的弹性模量成反比。 钢材的弹性模量接近，因此屈服强度越高，钢材的回弹量就越大，如图7所示。为了获得良好的零件尺寸精度，必须加强准确预测冲压回弹的研究和补偿，对冲压仿真分析和模具设计能力提出了很高的要求，特别是含有残余奥氏体组织的先进高强钢在冲压过程中发生的相变行为，使得冲压回弹的解决变得更加困难问题。

图7 不同强度DP钢的回弹状态

b. 随着高强钢强度的提高，冲压所需的载荷也随之增大，对冲压设备的要求也随之提高。 材料硬度高导致模具表面磨损增大，使用寿命缩短。 因此，高强度钢的应用对冲压设备和模具材料提出了更高的要求。

3.2 焊接技术问题

与普通低碳钢相比，高强度钢材通常具有更高的强度、碳当量和电阻率。 另外，由于防腐设计要求，大多数汽车车身部件均采用表面带有防腐涂层的钢板，这会导致其可焊性本身变差，保证其车身部件的焊接质量变得越来越困难。 。 目前，电阻点焊仍然是汽车车身用高强度钢板的主流连接工艺。 目前生产中，高强钢板电阻点焊过程面临的技术问题主要有以下四类：缩孔和凝固裂纹、组织淬火软化、焊接飞溅、表面液态金属脆性裂纹。 目前，上述质量问题一般借助先进的点焊连接设备并配合精细化的连接工艺设计来解决。

目前国内车身用高强钢板电阻点焊技术的开发和创新明显滞后于高强钢板材料的发展，这也是限制高强钢板应用的因素之一盘子。 对于高强度钢板，拉剪破坏模式主要有纽扣撕裂、搭接面半剪切和搭接面全剪切等。 根据现有的焊接质量评定标准，只有出现扣扣失效时，才能视为合格的前提条件之一，如图8中的1#样品。事实证明，在焊点直径满足要求的前提下，根据产品要求，对于更高等级的高强度钢板，后两种失效模式通常也能满足产品要求。 因此，对于高强钢板电阻点焊，如何综合评价车身焊点的失效模式、拉剪强度、直径、板厚组合与连接质量合格等关系，建立有效、全面的评价体系高强钢板点焊质量评价体系将是未来高强钢板应用中需要解决的关键共性技术问题。

图8 2.0 mm DP780&DP780钢板点焊试件拉剪后的失效模式

3.3 延迟破解

材料在一段时间后在内应力的作用下突然发生脆性开裂的现象称为延迟开裂[10]。 随着高强钢的发展，延迟裂纹现象逐渐引起人们的关注并成为热点研究方向之一。 对于高强钢的延迟开裂，业界已达成以下共识：延迟开裂与材料中的氢有关，故又称“氢脆”； 延迟开裂敏感性与材料的结构有关，马氏体结构的延迟开裂敏感性高； 延迟开裂敏感性与材料强度呈正相关，这与目前使用的先进高强钢和热成型钢中含有的马氏体组织有关。

汽车企业和钢铁企业一直在进行延迟裂纹的研究。 常用的评价试验方法有：U型弯曲试验、弯梁试验、深冲杯试验、充氢慢拉伸试验等。如何科学评价高强度材料的延迟开裂，国内外尚无统一的试验方法。强度钢。 如何通过试验评价合理表征材料的实际使用状况，需要行业持续深入的研究。 延迟裂纹评价已成为新型先进高强钢和更高强度热成型钢开发应用的研究热点和难点之一。

3.4 断裂韧性

材料的断裂应变是CAE碰撞分析中判断零件是否发生断裂失效的重要指标。 较高的断裂应变有助于提高零件的碰撞性能。 用于抗碰撞和抗侵入的车身热成型件，如A/B柱，在发生碰撞时，其主要变形形式是弯曲变形。 文献[11]表明，热成型钢件的弯曲断裂应变可按VDA238-100 III使用。 为了评价点弯曲试验方法中的最大弯曲角度，最大弯曲角度越大表示材料的弯曲断裂应变越高。 因此，如何提高热弯型钢的最大弯曲角度已成为研究热点。 图9为1 500 MPa和1 800 MPa热成型钢弯曲角度试验结果。 可以看出，材料强度的增加导致弯曲角度显着减小。 1 800 MPa及以上强度热成型钢断裂韧性评价已成为热成型钢评价的重要关注点之一。

图9 1 500 MPa和1 800 MPa热成型钢弯曲角度对比

04

综上所述

A。 高强度钢具有强度高、成本低、易于维护、环保等优点。 是目前汽车车身轻量化材料的主要选择。

b. 高强钢的应用比例逐步提高，先进高强钢和热弯型钢的应用有望进一步扩大，其中热弯型钢的应用优势更加明显。

C。 高强钢正向高强塑性堆积和低成本微合金化方向发展。

d. 高强度钢的应用需要解决冷冲压过程中的回弹控制、模具磨损、焊接等问题。 还需要继续研究延迟开裂、断裂韧性等性能评价方法。

参考：

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注：以下视频与上述文章内容没有直接关系。