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1、重庆大学课程报告车身材料的发展与汽车轻量化学 生：石东博学 号：t学院：材料学院车身材料的发展与汽车轻量化1. 车身的发展1886年，德国工程师卡尔奔驰和戈特利勃戴姆勒分别发明的三轮和四轮汽 油机汽车，当时的轿车几乎没有车身。进入 20世纪，这一时期的轿车车身沿用 了马车车身结构，车身多为木结构形式。1915年福特生产的T型箱型轿车，它 确立了以后轿车的基本车身造型，其车身覆盖件开始采用了薄钢板冲压成型。20 世纪 20年代，由于材料和冶炼、成型、焊接等方面技术的进步，轿车 车身出现了整体式车身结构的设计思想，即用薄壁结构制成硬壳式金属整体车 身。汽车车身由以敞篷为主转变为以封闭的箱式车身为主
2、。 1925年，在整体式 车身结构的基础上发明了承载式车身，车身由钢板冲压成型的金属结构件和大型 覆盖件组成，这种金属结构的车身一直沿用至今。50年代70年代承载式轿车 车身得到广泛的应用并出现了“车身力学”这一新概念，为轿车车身设计开发研究 建立了较为完整的框架。很多新型材料应用于车身，诸如复合材料、铝合金材料 以及工程塑料等。车身内装饰已开始广泛采用人造材料，车身外表涂料则采用具 有弹性和高度光泽的合成涂料。随着高速公路的发展，车身空气动力学试验也逐 渐成为轿车车身设计的必要程序，轿车车身的安全性和人体防护问题也提到了议 事日程。 20世纪80年代以后，轿车车身各分支技术朝着更深入、更系统
3、的方向 发展。在车身材料方面，就金属材料而言，应用于轿车车身高韧性的超高强度钢 正在不断问世，并大量采用良好的防腐蚀性镀锌钢板。大量的非金属材料已广泛 应用于轿车车身并出现了全铝车身和全塑料复合材料车身等。相关的加工工艺方 法（如冷冲压、特种材料成型加工、各种形式的焊接、喷漆、电镀、塑料成形等） 也日新月异且不断完善。在轿车主动安全性和被动安全性的试验与计算机仿真、 轿车车身虚拟造型与图形显示、空气动力学试验与计算模拟、车身电子化设施与 装备、轿车车身刚度、强度、车身结构优化以及实验技术与装备等领域都取得了 长足进展。汽车问世相当长的一个历史时期内，节能并未引起人们足够的重视。早期人 们研究汽
4、车的注意力大多集中在提高动力性和车速上，至于汽车车身也只以尊重 人们的习惯为标准来选择合适的外形。但是，进入20世纪70年代以后，世界性 能源危机及其对全球经济的冲击，人们的节能目标开始迅速向汽车工程渗透，车 身随之越发讲究“轻、薄、短、小”了。改善车辆燃油经济性的主要措施有3个方 面：一是减少汽车整备质量；二是提高发动机效率；三是降低行驶阻力。车身是轿车的重要组成部分，它对车辆节能影响巨大，通常车身节能需要从 构造和形状变化来改进之外，生产应用材料的需求却是改善节能设计环节的重中 之重，在选材上既要充分考虑构件的强度要求，又要考虑倒车身总体重量和耐腐 蚀要求。2. 钢板材料在汽车车身上的应用
5、按照钢材碳含量的不同，金属的技术特性也会不同。碳含量越高，其抵抗撞 击的能力越强，但其成型和焊接加工性能就会越差，甚至镶板工作也会变得难以 进行。因此，汽车车身大多采用含碳量为0.1到0.4的低碳钢。近来有采用高抗拉强度钢材的趋势，尽管这种钢材要比常规软钢材薄许多，却可以提供相同的 强度等级。与软钢板相比，高抗拉强度钢板具有更高的抗拉强度，其强度超过 490Mpa，屈服点为290MPa，这种钢材在成型后能保持更好的冷作硬化特性而 其成型和焊接性能均不会受到影响。采用这种钢板可以降低车身总重。必要时， 可以采用具有优良耐腐蚀性能的镀锌钢板，以获得最优的耐腐蚀性能。车身部分的零件具有各种不同断面形
6、式。由于所有这些零件通常都由薄钢板 冲压而成，因而可以根据需要进行设计，使其具有不同的刚性，或者采用加强件 或设计成不同的厚度。图1高抗拉强度钢材和镀锌钢板零件的位置2.1钢板的制造工艺铁（Fe）与碳（C）的合金称为“碳钢”。与其它金属材料相比，碳钢容易实 现大规模生产，因而其价格也相对较低。因为可以通过添加其它元素或热处理手 段，按要求改变碳钢的特性，所以碳钢在各种工业领域获得了极为广泛的应用。 由碳钢锭轧制而成的钢板广泛地应用于汽车工业，这是因为它尤其适合采用冲压 工艺。一辆汽车上的碳钢用量大约占整车总重的 50以上。车身使用的钢板根据制造方法可以分为冷轧钢板和热轧钢板两类，车用热轧 板通
7、常在1.5mm8mm之间。热轧板的表面质量不是很好，其冷加工性能与冷 轧板相比要稍差一些，常使用在外观不需要很美观的部分，主要用于车身上较厚 板件的制作，如车架、骨架和梁等构件。热轧钢板是在高于正常重结晶温度800 至 900C 的状态下轧制而成的。为将钢板轧制成薄板，又需要进行冷轧，但钢板 会因轧制加工而硬化，所以又需要通过退火处理，使其易于成型，该过程被称为 冷轧钢板。车身外部板件常使用0.5mm1.2mm厚的板材，车架等车身结构件 多使用2mm-5mm厚的板材，某些重型车辆的车架使用厚度达8mm的钢板。在汽车车身部件中，载重车辆（如卡车和箱式货车）的车架和其它零件采用热 轧钢板，而冷轧钢
8、板则大多用于客车的单壳式结构车身。由于处板、纵梁板件有 耐腐蚀要求，所以冷轧镀锌板得到广泛应用。钢板厚度热轧加工过程中，存板必须在热态正进行轧制，轧制过程中，钢板 会冷却，无法轧制成薄平板；而另一方面，冷轧钢板的轧制可以在常温下进行， 因而可以加工出薄钢板。钢板表面由于热轧钢板在高温下轧制，所以钢板表面会出现黑色氧化皮（黑 皮钢板），钢板经氧化物浸洗处理后，表面呈灰色；相比而言，冷轧钢板的表面 平滑有光泽（通常称为光板），因为它在热轧加工后，经过了酸洗、冷轧、退火 以及调质轧制加工。加工过程的难易性及强度大部分车身零部件均采用冲压成 型，冲压加工的难易性由材料的技术参数所决定，而这些技术参数又
9、由材料的成 分以及调质轧制的程度所确定，如果按延伸试验取得的延伸率来比较冲压加工的 难易性，贝V热轧钢板（SPHC）的延伸率约为35%,而冷轧钢板的（SPCC）的延 伸率约为43%，由此表明冷轧钢板具有较好的冲压工艺性。如进行拉伸强度比较， 冷轧钢板（SPHC）的标称值为320Mpa，则热轧钢板（SPCC）为290Mpa,这表 明两者并无大的差异；但对高牌号材料而言，其拉伸强度贝降至 270Mpa。钢板中实际的含碳（C）量一般在0.03到0.1%的范围之内，尤其对深拉延 用钢板而言，其含碳量低于0.01%，但含碳量在此范围内时，淬硬和回火等热处 理不起作用。2.2 汽车车身的常用金属材料的种类
10、汽车车身的常用金属材料有：防锈钢板：为提高防锈性能，防锈钢板的表面采用镀锌、镀锡或铝处理，其 中，镀锌钢板的耐腐蚀性能最为可靠，所以这种钢板在耐腐蚀要求较高的汽车零 部件上的应用也最为广泛。人们熟知的镀锌钢板包括电镀锌钢板、熔化涂锌钢板 以及合金熔化涂锌钢板。镀锌钢板这是一种防锈钢板，其表面通过电镀工艺形成 高纯度的锌结晶，但其镀锌层厚度要比熔化镀锌钢板低，这种板比较适合采用冲 压成型、焊接和表面覆层工艺，因为其表面要平滑许多；但相对熔化涂锌钢板而 言，由于无法得到厚镀层，所以其耐腐蚀性能相对较差。镀锌合金锌钢板为弥补 电镀锌钢板和熔化涂锌钢板的不足，采用铁-锌及或镍合金涂于钢板表面，用 以改
11、善钢板的焊接和涂漆性能。热浸镀锌钢板：这种钢板是通过将钢板浸入熔化的锌中得到锌覆层的，相比 其它类型而言，这种钢板具有较好的耐腐蚀性能，但它在焊接和涂漆性能上要比 电镀锌钢板差。镀锌钢板：镀锌钢板分为两种：电镀锌板（EG）板和热镀锌钢板（GI）。高强度钢板：强度值超过550MPa的高抗拉强度钢板被用于重型车辆的车架 或其它零部件，但其屈服点和屈服率仍然过高，难以提供期望的冲压工艺性和焊 接强度，所以早已确定不将这种钢板用于汽车车身板件。但后来随着高抗拉强度 钢板的冲压性能的改进以及焊接工艺的发展!这种钢板目前已被用于骨架构件和 加强件，甚至还用作车身板件。高抗拉强度钢板能够提供同样的强度等级，
12、由于 它比常规的软钢板薄，所以可用来降低车身重量。高强度钢板技术特性：高抗拉强度;高屈服点（材料由弹性变为塑性时的点）; 高屈服率（屈服点与抗拉强度的比值）钢板的伸长与抗拉强度间的关系在冲压成型时，与冲压模具间贴合时的较低 阻力和较大的伸长率有利于进行较深的拉延。一般用途的钢板：使用这种材料的钢板使冲压加工易于进行，但如果为降低 重量而减小厚度，则在冲压强度高时会出现强度不足的情况。常规的高强度钢板：这种钢板具有较高的阻力，它无法与冲压模具贴合，如 果将其用于冲压加工，则在达到期望的伸长之前，即会发生断裂。新型高强度钢板：这种钢板具有较低的阻力，它能够较好地与冲压模具贴合，并 且具有一个比一般
13、用途钢板更高的强度，从而可以降低车身总重。深冲钢板：这类标准材料用于对强度没有特殊要求的部件，例如支架。但是， 那些因几何形状复杂或变形程度较大而无法使用高强度钢的部件也会使用这类 材料。这类标准材料可以用车身制造的普通方法和设备进行焊接，且焊接效果很 好。例：车顶、底板或行李箱底板。IF 钢：成型很复杂的零件制造时要承受深冲负荷及拉形负荷而且深冲深度 不同，所以应使用 IF 钢。这些合金的共同之处是碳和氮的含量很低。其冷变形 性和焊接性很好。IF钢的主要应用范围是不同深冲深度的深冲件和拉形件，例 如侧框架。各向同性钢板：基本上以拉形方式成型的部件大多数由各向同性钢制成。各 向同性钢可以用修理
14、厂采用的普通方法进行焊接和钎焊，例如：C柱加强件。烘烤硬化钢：在车辆上需具有高强度且成型困难的零件通常由 BH 钢制成。 车身制造时除了对所有钢种进行冷强化处理外，同时可以在成型期间再次通过烘 提高BH钢的强度（20分钟，170C下加压力约40 N/mm2）。BH钢的屈服 点范围为180-300 N/mm2，最大抗拉强度为500 N/mm2，断裂延伸率为30 %。 BH钢可用气体保护点焊设备和电阻点焊设备焊接且焊接效果较好。车身面板部 件尽管成型度高，但必须保证表面质量最佳且具有抗碰撞凹痕性能，因此使用 BH 钢制造，例如：车门外面板。微合金钢：微合金钢用于对强度和防撞要求较高的部件。但其成型
15、度不高。 微合金钢的屈服点范围为340-420 N/mm2，最大抗拉强度为620 N/mm2，断裂 延伸率为 20 %。这种类型的钢板可用气体保护点焊设备和电阻点焊设备焊接且 焊接效果较好，例：后部发动机支架和内部侧框架等。TRIP钢：TRIP （相变诱发塑性）钢（例如DP钢）用于发生碰撞时必须 吸收较多能量的高强度结构件。TRIP钢的屈服点范围为380-450 N/mm2，最大 抗拉强度为800N/mm2,断裂延伸率为25 %。TRIP钢可用气体保护点焊设备和 电阻点焊设备焊接，但焊接效果相对差一些。在受热区域和焊接区域会出现材料 硬化现象。使用铜基焊料的钎焊方法，MiG钎焊不适用于TRIP
16、钢。例：A柱内 部加强。多相位钢：需要很高强度且发生碰撞时必须吸收大量能量的结构件由 CP 钢制成。CP钢的屈服点范围为680-720 N/mm2,最大抗拉强度为1150 N/mm2, 断裂延伸率为 10 %。因 CP 钢在受热区域和焊接区域会出现材料硬化现象，所 以只能在一定条件下进行气体保护点焊和电阻点焊。 CP 钢与高强度钢种之间不 宜采用焊接方式实现连接。使用铜基焊料时，CP钢不能采用MiG钎焊。CP 钢用于后部发动机支架内的挡板。此外，B柱加强件也由多相位钢制成。马氏体相位钢：对防撞要求很高的部件（即在很短的碰撞变形行程内要吸收 大量的能量）由MS钢制成。MS钢的屈服点范围为750-1100 N/mm2，最大抗 拉强度为1400 N/mm2，断裂延伸率为5 %。MS钢制成的部件大多数用于损坏 时必须完整更新的螺纹件。例：侧面防撞保护件由MS钢制成。硼钢：对
