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1、汽车车身用钢板的抗碰撞性能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-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2004 年出台的更为严格的碰 撞标准要求。表1列出新的ULSAB-AVC项目和以前的ULSAB项目碰撞标准的比较。舉1碰撞标准的比较ULSAR-劉C项目项甘US-1NCAP（56 km/h 正碰
2、US-CVCAP（56 km/h 正碰歐洲NCAP（40%*,W移 M3前部50%偏移理撞， 刚性壁*64 km/h氏碰撞）55 kiMh（碇壁）侧碰撞-SINCAP （62 kmA侧碰螺 50 km/h （96/27EC侧碰拽）刚性壁）后域撞-US FMVSS 301 后碰撞FMVSS 301 （4R km/h,移动壁）（56 km/h动劈）顶盖碰撞/翻滚与FMVSS2厲相似）帯址大载荷侧轩琏撞（直杆碓撞*32 km/h）US FMVSS 216顶盖碰權不包括在ULSAB项目中 的评怙汽车碰撞时，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
3、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。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. 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Jody Shaw等人用5种类型的钢板进行了试验2。试验用钢的成分和性能列于表 2。衰2试監舉板的力学世能一-/能p-i 門WA佰7J1Xffipa703GA316MO232O4071543
4、5543982.80RE0.9.0733.S4;A&93633.9701().)2.02GA83326033O56O312l.4iGA,8340,5.05种钢板交货状态和经2%,5%,10%的预应变后再经烘烤处理后的屈服强度如图1 （S&B表示应变和烘 烤）。钢村种类图1 5种钢板的性能比较g2%S&B5沖钢扳静态和动态拉伸测得的抗拉强痰=H=二壬 M一1洱= =頁 三！ :咛、图一MBsm童 雷一$二V民頤怎泻从图 1 看出，钢板交货状态的性能与经一定量的预应变和烘烤后（近似成品零件）的性能有很大区别， HSLA 钢种在 10%应变和烘烤后，其屈服强度比原始的屈服强度提高了约30%（从400
5、 MPa 左右提高到约530 MPa）,而双相钢DP500Y则提高了约100% （从350 MPa提高到约700 MPa）。这种加工硬化和烘烤硬化的特 点，使制成零件在强度和碰撞时吸收能量方面具有优势。5 种钢材动态拉伸与静态拉伸测得的抗拉强度如图2。动态拉伸时抗拉强度有所提高。从图1 和图2 看出，不同的钢板交货状态的强度性能（静态）与加工成零件在动态受力时的性能是完 全不同的，因此可以推断，零件碰撞时吸收的能量受零件加工过程中的变形量和碰撞时受力速度的影响。Wolfgang Bleck 等人对软钢 DC04,高强度钢 ZStE340, DP600,DP800、DP1000 3 种双相钢和一
6、种 TRIP 钢进行了不同应变速度的拉伸试验3，应变速度分别为5x1-3、1、3.5、100和约200 s-15种速度（双 相钢没有进行3.5S-1应变速度的试验）的试验，测定力学性能（强度和塑性），了解应变速度对它们的 影响。试验用钢的化学成分、晶粒大小、相的体积分数和力学性能如表3。D04 ZSiE34O DP600DP800 DPlOOO TRIP据种團3石种钢梅在$种应变速度下吸收能规情况应变速度0.005 J1 81015*100 60 200 0誤3 试暑钢扳的址学曲分、相的直和讨黴和力学性陡化学我分/%晶竝丈小/挺的休积分致/恋力学性傩/fflntCSiMnPSA1其他铁累低筠氏
7、体马氏惮贝氏斡黑氏悴魯:门血VCO40.0500.0120.19H.009p.04722.0 =一15659249.2玄戏任340也0召0.0920.4!0.0650.008卩,0477.037244631.71.2DF600DJ4S0.1960540.0520.0030.Q450.015154,1二一76243465327.4DP800D.156 .0.482L58D.0690.0124,44,0-54464718462?. 7L6DPIOOO0J83 0.5191.5?0.0140.004 -0.0452.031695951M7 1处L6TRIP0 1401,740 1.490.032一1
8、54340|243272031.91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。从图3看出，在所有应变速度下，TRIP钢 在高速变形时吸收的能量最高。3. 用模拟汽车零件形状的样品进行撞击试验 用高速拉伸试验测定的钢材强度和塑性指标及根据应力-应变曲线下的面积计算的能量消耗指标，虽 然在一定程度上可以判断钢板制成零件后在碰撞时吸收能量的情况，但是数据仍不够准。为了更确切地评 价汽车车身零件碰撞的吸收能
9、情况Jody Shaw等人用表2所列的5种钢板制成封闭帽形槽样品进行落锤试 验，了解各种钢板吸收能量的情况。封闭帽形槽样品形状及尺寸如图4。帽形槽样品用弯曲成形和冲压拉深成形2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。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.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。200 kg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
10、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。10图6 5种钢扳吸收能址对比唱理奔罢图6中，“D”表示帽形槽样品用弯曲法加工；“B”表示帽形槽样品用冲压拉深成形加工；25 表 示冲撞速度为 25 km/h； 50表示冲撞速度为 50 km/h。从图6看出，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-Mn (440W)钢和低 合金高强度(HSLA 4408)更次之，而IF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图9。” 屈服强愷日7屈服强度与吸收能的
11、关希抗拉强度/?yMpa&抗拉强屋烏圾收能蜃的关系由图 7图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，由于钢种不同，吸收能量情况也有差别。Yoshifami Ojima等人用4种TRIP钢(RA)、2种DP钢(DP)和2种析出硬化钢(PH)模拟汽车零件 前侧梁(front-side member)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 此学成労和R学牲紙弓盹航阳S3取扳、Dp化事咸曲卉4Sip鹹打工勰笄出硼好 E呦矶船仙仆值.M.54Q mo.141.W
12、H H M H-5 .003.OG3:00XMJ38459746478 2 446鈕47I 362663 Bn- oo.7-2p02930346 424.24.7 o 7 4 c2 J o 2 11J 1o.o.o.o.aC0.09ft02.42OXEO0.OT65Q!53453HQ01.2813600320.00545345?4393561721.90.077664924.6OJQS方形柱状样品如图10。碰撞试验装置如图11。枣緊砥盘塗出擀煤糜12图揄伸应变/%应变前殘余 奧氏体址 （体积百分 数）族! 钢A11钢B10A钢C12钢D4拉诩磁变与残余奥氏休体积变化的关系4 种 TRIP 钢的
13、残余奥氏体含量不同，在不同的拉伸应变量后其数量的变化（说明其稳定性）也不同（图12）。A钢残余奥氏体数量多,D钢的少，但是应变后其残余的量多，说明残余奥氏体转变成马氏体的量少, 即稳定性较高，B和C钢残余奥氏体数量多，但是变形后，其残存的量少，说明其稳定性差。碰撞试验后，方柱形样品有规律的起皱，没有发现断裂和焊点剥离（如图13）。测量的行程位移和负 荷的关系如图 14，计算行程为 150 mm 的吸收能量（相当于汽车实际碰撞时的吸收能量），吸收能量用负 荷-位移下的面积积分求得。图13肓柱膨样品战樓试验后外砸TRIP 钢 DP钢析出硬牝钢。固溶强化钢42468101214应变前残余奧氏休鐵蕊图辭M
