先进高强钢：汽车制造商应对减排法规的新选择

1.先进高强度钢简介

随着对人类活动产生的温室气体排放的担忧日益加深，全球各地的立法者都在为未来10年设定雄心勃勃的减排目标，并通过将于2020年实施的更为严格的汽车排放法规。汽车制造商正在寻找新的材料和工程技术来应对这些影响深远的法规。例如，汽车结构材料必须具有高强度和相应的刚度，一般情况下只能使用较厚的材料，而通过减薄汽车零部件厚度来降低燃油经济性和废气排放。新型汽车设计采用复杂的几何形状来实现美观，但成型和连接困难，因此需要合理地减薄汽车材料以实现车身减轻重量。全球钢铁行业致力于开发新型牌号的先进高强度钢，这些先进高强度钢具有独特的微观组织和冶金性能，根据不同的强度和成型性分为不同牌号，以满足汽车制造商应对排放法规和设计现代多功能汽车的要求。

先进高强钢是一种具有复杂相结构的材料，通过严格控制加热和冷却过程，获得所需的化学成分和复杂相组织，并采用多种强化机制，以获得不同的强度、塑性、韧性和疲劳性能。先进高强钢包括双相钢、复杂相钢、铁素体+贝氏体钢（FB）、马氏体钢、相变诱导塑性钢、热成形钢和孪生诱导塑性钢。第一代和第二代先进高强钢都可以满足不同部件的使用要求。例如，在汽车的碰撞区域采用复杂相钢和相变诱导塑性钢，其能量吸收作用较大。对于客舱结构件，特别是采用马氏体钢和热成形钢等高强度钢，可以提高安全性能。

近来，对第三代先进高强度钢的研究和资金投入不断增加。这些钢通过合金成分和热处理工艺实现了比现有先进高强度钢更高的强度和延展性，并且以更低的成本实现了更高效的连接能力。在强度-延展性图中可以看到更多特性。

先进高强度钢的合金元素含量较高，组织为双相或多相。多相组织提高了钢的强度，这是单相组织所达不到的。例如，低合金高强度钢是通过合金强化和固溶强化实现高强度的，而先进高强度钢则是通过合金成分和精密的热处理工艺实现高强度的。

过去将抗拉强度超过550MPa的钢称为先进高强钢，将抗拉强度超过780MPa的钢称为超高强钢。但目前多相先进高强钢的最小抗拉强度为440MPa，强度已不再适合作为界定先进高强钢的标准。抗拉强度为1000MPa的先进高强钢也通常被称为1GPa钢。第三代先进高强钢有望以低成本实现同等或更优的性能。

2.先进高强度钢的力学性能

多年来，钢铁公司和冲压厂都收集了一些薄钢板力学性能的数据。个别公司记录了屈服强度、n值、r值等数据。

随着冲压厂引入新材料，他们开始讨论新的机械性能测试。目前，在冲压铝和双相钢的过程中出现了一些问题，但拉伸试验提供的典型值或标准值无法解释诸如边缘裂纹和回弹变化等问题，这可能会导致更多的废品、为去除零件边缘裂纹而进行的过度返工，甚至由于模具修复而增加停机时间。更复杂、更精密的材料的引入可能会严重影响冲压厂的生产效率，冲压厂的学习曲线可能会令人沮丧。

基于上述内容，冲压厂将受益于培训冲压工人了解材料的机械性能和技术诀窍，并开发出稳定的先进高强度钢冲压工艺。典型的拉伸试验提供屈服强度、极限拉伸强度、n值、均匀伸长率和总伸长率。通常还会进行应变分析并制作成形极限图以评估材料的成形性。然而，这些试验反映了材料的整体成形性能，无法解释特定条件下先进材料的局部成形性。我们需要了解典型的机械性能数据是否能够提供足够的信息并能够真正评估冲压操作的影响，或者如果典型的机械性能数据不能做到这一点，那么有哪些新的试验可以让我们更深入地了解这些材料对某些成形载荷的响应。

△典型应力-应变曲线

一个新的输出值是瞬态 n 值。瞬态 n 值表征应变梯度，即材料在首次接触模具几何形状时将如何加工硬化。如果您测量 10% 到 20% 之间的应变，并且只看标准 n 值，您将错过变形过程中加工硬化的增加。扩孔试验和三点弯曲试验现在是常见的试验。扩孔试验表征材料在剪切边缘的拉伸性能，三点弯曲试验通过材料可以实现的最小弯曲半径表征材料的拉伸性能。

△ 瞬时n值

就先进高强度钢而言，该材料具有多相结构，可提高成形性。先进高强度钢通过增加强度和减小厚度来提高耐撞性。根据我们目前对材料机械性能和相应成形行为的了解，我们鼓励冲压厂对先进高强度钢产品、测试和冲压技术进行培训。

3.先进高强度钢的应变硬化与应变梯度

目前用于钣金冲压的低碳钢的 n 值比高强度低合金钢和先进高强度钢要高。较高的 n 值表示材料具有较高的加工硬化指数，使钢更容易拉伸或成型。n 值描述了材料在施加应力时抵抗局部开裂的能力。在局部区域可以创建特征线和浮雕等高应变模式。这种应变模式会产生应变峰或应变梯度。这些应变峰比材料其余部分经历更高的塑性变形。由于形成特征线或浮雕，局部应变会导致材料变薄。模具几何形状不允许材料以拉伸或拉伸模式变形，这意味着材料在 FLD 图上处于平面应变变形模式。由于 FLC₀ 锚点的位置，这种变形模式具有最小的可成形性。

这对于冲压工艺意味着什么？低碳钢由于具有较高的 n 值，因此能够达到较高的应变梯度。高强度钢由于具有较低的 n 值和较低的拉伸性，因此无法达到较高的峰值梯度。这些高应变区域将更容易出现大面积变薄和/或开裂。

如果冲压工艺发生变化，例如减少润滑剂用量，部件的应变水平可能会增加，部件变薄的增加将容易受到早期腐蚀。此外，这些区域会影响耐撞性，并可能产生尺寸变化问题。通过正确了解受应变影响的区域并采用严格的过程控制方法，可以最大限度地减少这些问题。

了解应变梯度如何影响部件稳定性只是故事的一半。培训模具制造商识别和纠正这些区域将对因应变梯度峰值降低而导致的返工、停机和废品产生重大影响。使用 FLC₀ 和可成形性分析应确定冲压部件的锚点。确定故障区域后，应审查分析并与研发经理、模具制造商和质量人员一起制定纠正措施计划。该计划应具有具体且可衡量的方向，以支持和了解变更对现有流程的影响。

四

4.先进高强度钢边缘拉伸极限

每个冲压车间都会遇到一个常见问题，那就是修整毛刺。随着新材料的引入，可能需要特殊的修整断口（空隙）或进料。研究人员仍在努力了解这些新材料的边缘拉伸极限。边缘拉伸极限与切削操作导致的加工硬化指数（n 值）的降低直接相关。在切割、冲裁、修整或冲孔操作过程中切割材料时，剪切边缘的拉伸会降低剩余材料的可成形性。找到修整断口和修整边缘的正确条件至关重要。新的测试研究有助于钢铁生产商了解其生产材料的最大拉伸极限。

孔扩展测试 (HET) 是测量边缘拉伸极限的一种可接受形式。测试通过将锥形冲头向上推过扁平材料中心来执行，从而产生凸边（见图 1 和 2）。输出是孔的最终直径与孔的初始直径之比。使用边缘研磨、激光切割、EDM 和水射流可产生最佳结果。

在冲压操作中，修边或冲孔边缘的成形性降低可能等同于停机、报废或返工。由于使用电火花加工和水射流不切实际，我们将考虑当前可用的方法和材料。目标是为可能在任何一天处理此问题的车间人员提供信息。磨损或缺口的钢材、有问题的空隙和磨损的冲头需要维修和维护。新的先进高强度钢比低碳钢具有更低的成形极限，而磨损工具的引入将显著减少成形范围。使用粉末冶金或切削钢可以显著提高预防性维护间隔的命中率。一些表面处理也可以延长工具寿命，实现与传统低碳钢相同的相对工具磨损。

多相 (CP) 钢等新型钢种不仅强度高，而且由于在钢厂进行热机械处理以产生贝氏体相和晶粒细化，因此在边缘或凸面拉伸条件下也表现良好。然而，如图 3 所示，缺乏适当的工具维护可能会剥夺这些钢的性能优势。

了解工具磨损率、修边断裂、表面涂层和表面处理将减少停机时间、废品率，并延长修边和冲压模具之间的防护间隔。为模具制造商提供最新材料、模具组件和表面处理的培训将有助于他们对冲压模具进行更持久的修正。研究和工艺正在迅速变化，为成功冲压先进高强度钢提供了新方法、产品和信息。

来源：世界钢协高张力板三合一送料机使用视频