书城工业不可思议的新材料
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第16章 高强度钢材

钢铁材料是重要的基础材料,广泛应用于能源开发、交通运输、石油化工、机械电力、轻工纺织、医疗卫生、建筑建材、家电通讯、国防建设以及高科技产业,并具有较强的竞争优势。

新型钢铁材料发展的重点是高性钢铁材料。其方向为高性能,长寿命,在质量上已向组织细化和精确控制,提高钢材洁净度和高均匀度方面发展。

汽车用材在整个材料市场中所占的比例很小,但是属于技术要求高、技术含量高、附加值高的三高产品,代表了行业的最高水平。

汽车新材料的需求呈现出以下特点:轻量化与环保是主要需求发展方向;各种材料在汽车上的应用比例正在发生变化,主要变化趋势是高强度钢和超高强度钢、铝合金、镁合金、塑料和复合材料的用量将有较大的增长,汽车车身结构材料将趋向多材料设计方向。同时汽车材料的回收利用也受到更多的重视,电动汽车、代用燃料汽车专用材料以及汽车功能材料的开发和应用工作不断加强。

近几年,虽然塑料在汽车制造中的应用越来越广泛,然而钢材依然在汽车许多部件上具有不可替代性。一些新型钢材的高强度和高可成形性使其在不影响安全性、经济性和性能的同时可以用于制造更轻、更具有燃油经济性的车辆。

随着石油价格的不断攀升,汽车制造商面临着前所未有的挑战,努力寻找提高车辆燃油经济性的方法。但是与此同时,车辆安全性也是汽车设计和制造中同样非常重要的一个因素。为了权衡这两个方面,车辆轻量化技术起到了非常关键的作用——通过对材料使用和部件尺寸的优化来降低车辆的总体重量。

汽车制造商已经通过采用高强度材料来达到这两个方面的目标。与传统材料相比,这些新型材料使车身部件在重量方面得到了降低,但是同时也不会给车辆的整体性能带来影响。

数据显示,高强度钢在每辆车上的重量自1975年以来增加了134千克。最早的高强度钢屈服强度从210MPa到550MPa,包括碳锰钢板、BH钢板、高强度IF钢板以及高强度低合金(HSLA)钢板。今天,这些高强度钢在车辆的结构和外观应用方面已经得到广泛认可。

BH高强度钢主要应用在对抗凹性要求比较高以及可以提供足够成形性的地方,这样可以满足拉伸等的处理要求。宝马利用这种现象在新一代X5白车身上采用了BH钢,占整个车身的24%。

高强度钢和先进高强度钢对汽车安全车厢笼架的制造越来越重要,该安全笼架在车辆发生碰撞的时候可以不发生变形,从而保护驾驶员和乘客的安全。

根据美国高速公司安全保险协会统计,美国每年大约有10000人死于因车辆翻滚带来的事故中。汽车公司认为乘客保护是采用高强度材料的最重要原因,有些旅行车采用了高强度钢和先进高强度钢,占车身总重的60%。

有一种先进高强度钢在实际生产中得到了广泛的应用,这就是双相钢。双相钢由一种相对柔软易延展的铁素体以及一种坚硬的马氏体相组成的。由于具有几近连续的钛素体,这种钢具有相对较高的延展性和较好的成形性。这种钢还可以在涂装或其他表面处理时进行的热处理过程中强度进一步得到提升。

通用公司就在某车身上采用了一些新的双相钢部件。最终使车身重量和成本却得到了降低,同时性能也得到了提升。

2006年,本田公司推出的一款轿车,将高强度钢在车身上应用的比重提高到了整车重量的50%。一年后,本田再推出新一代轿车,采用了比例高达56.3%的高强度钢。碰撞测试结果表明这款车并没有因为车身重量下降而影响其安全性。

根据国际钢铁协会透露,更多的先进和超高强度钢(UHSS)都在积极的开发中。超高强度钢的屈服强度可以达到800MPa。目前,还有一些高强度钢在积极的开发之中,专家认为,短期内高强度钢和先进高强度钢在每辆车上的平均应用到2015年会达到183千克。他认为在这183千克的重量中有70%会在车身和覆盖件上,16%应用在悬挂系统上,9%应用在保险杠和挤出梁上,其余的5%应用在车轮、座椅和其他部件上。