乘用车白车身选材中要求材料的物理性能、化学性能、力学性能和工艺性能(如屈服强度、抗拉强度、延伸率、刚度、耐蚀性、焊接性能、深冲和冷弯性能、经济性、可获得性等),需从应用、工艺和经济三方面来考虑。目前,在白车身上应用的材料主要有钢材、铝合金、镁合金、碳纤维、塑料以及其他复合材料。
钢铁材料具有良好的塑性和韧性,可以很容易地将其加工成不同部件所需要的形状,满足各零部件的需求。钢铁研究相对其他材料更成熟,形成了不同强度级别的汽车用钢,满足不同零部件的不同要求。
铝合金的密度为钢的1/3,具有重量轻、耐蚀性好、耐磨性好、比强度高及可回收等优点,已成为仅次于钢材的汽车用金属材料。用于汽车上的铝合金主要是铝合金铸件、铝合金板材和挤压铝型材。
镁的密度只有钢铁密度的1/4,它的阻尼性和抗冲击能力均优于钢铁和铝合金,是汽车行业采用的最轻的金属结构材料。镁合金主要用于仪表板骨架、油底壳等支架和壳体类零件上。使用镁合金结构件可在铝合金的基础上再减重30%,轻量化效果非常好。但因其易氧化燃烧、耐蚀性差、加工困难、成本高等问题,一直未能得到较大范围的应用。
碳纤维增强复合材料(CFRP)是在树脂中加入碳纤维而形成的一种新型材料。其疲劳强度、刚度和抗拉强度高,而且耐久性、导电导热性好。碳纤维密度小,被用于制造汽车车身、底盘等主要结构件。但碳纤维材料制造成本较高,目前主要用于赛车、高级轿车中。
2018年我国上市的140多款新开发车型中,80%以上车型车身选用以钢为主材料,国产品牌产品和合资品牌产品均如此,只是由于其面对的消费群体、成本控制要求和企业技术积累、研发能力、供应体系的差异,不同车企在选用汽车用钢种类、强度等级等方面略有不同。
从国际上看,总体而言,目前低价位车型仍然采用以钢为主的用材策略,随着车型档次和价位的提升,铝镁合金用量的占比逐步加大。而随着企业对碳纤维复合材料认识的不断深入,其应用更加趋于理性,碳纤维复合材料占主体的车型已不再受追宠,“恰当”成为汽车企业对碳纤维复合材料应用的核心思想。而从不同国家看,在各类材料的应用方面有其自身特点,这是由其自身工业体系所决定的。
建立汽车零件成形与钢板性能之间的对应关系,是汽车行业和钢铁行业共同追求的目标。然而,目前在开展实际工作时,对于钢板性能缺乏系统的评价指标和方法。汽车企业依据钢铁企业提供的基本性能参数,难以对零件进行恰当的选材和钢板订购;另一方面,钢铁企业在确定汽车用钢新产品开发的性能目标时,由于对汽车零件所需的钢板性能缺乏指标体系,难以准确评价,致使在新钢种开发时,无法直接针对钢板的应用要求进行新产品开发。
因此,分析汽车覆盖件的使用性能,提出一套系统的覆盖件用钢板性能评价及试验方法,对于指导覆盖件用钢板供应及零件选材、覆盖件用钢板新钢种开发等具有实用价值。根据车身覆盖件制造流程,覆盖件用钢板的性能评价,应分别考虑钢板的冲压性能、连接性能、涂装性能和防腐性能等。
汽车用钢板经过近60年的发展,已经形成了比较齐全的产品系列,涉及牌号近500个。根据不同维度可以把汽车用钢板分成不同的类别,常规的分法有以下几种:
(1)按照钢板的表面状态分类 可分为裸板和镀层板。
(2)按照钢厂的生产状态分类 可分为热轧(HR)、热轧酸洗(HR-P)、冷轧普冷(CR)、热镀纯锌(GI)、热镀锌铁合金(GA)、热镀铝硅(AlSi)、电镀锌(EG)和后处理表面涂层产品等。
(3)按照强度级别分类 可分为低碳软钢(Mild Steel)和高强度钢(HSS,抗拉强度≥340MPa)。高强度钢中抗拉强度(TS)≥780MPa的称为超高强度钢(UHSS),抗拉强度≥980MPa的称为吉帕钢。根据强化机理,高强度钢又可分为以析出固溶和细晶强化为主的常规高强度钢(CHSS)和以相变强化为主的先进高强度钢(AHSS)。常规高强度钢的牌号命名往往以抗拉强度或屈服强度为准,而先进高强度钢由于同样的抗拉强度可以有不同的屈服强度,因此其命名往往抗拉强度和屈服强度均标出,如DP 500/800表示最小屈服强度为500MPa和最小抗拉强度为800MPa的双相钢。
(4)按照冲压方式分类 可分为冷冲压和热冲压。
(5)按照冶金原理分类 可细化为低碳铝镇静钢(LC)、无间隙原子钢(IF,HSSIF)、碳锰钢(CMn)、各向同性钢(IS)、烘烤硬化钢(BH)、高强低合金钢(HSLA)、双相钢(DP)、高延伸双相钢(DH)、相变诱发塑性钢(TRIP)、相变诱发塑性贝氏体铁素体钢(TBF)、复相钢(CP)、孪晶诱发塑性钢(TWIP)、淬火配分钢(QP)、热冲压用钢(PHS)和特殊用途钢等。图2-1显示了冷轧各类汽车用钢板的强度和伸长率(EL)关系。
(6)按照钢板的强塑积的高低分类 可分为第1代、第2代和第3代先进高强度钢,第1代先进高强度钢的强塑积为10~20GPa%,第2代先进高强度钢的强塑积为20~50GPa%,第3代先进高强度钢的强塑积在50GPa%以上,详见图2-1。
图2-1 冷轧各类汽车用钢板的强度和伸长率关系