為了應對環境及車輛安全的挑戰，汽車制造商正在不斷提升高強度輕量化材料在汽車車身及結構件方面的應用，這些材料包括鋁合金、錳合金以及先進高強度鋼（AHSS）等。AHSS板材的抗拉強度在500到800MPa之間，因其與其他輕量化材料包括鋁合金和錳合金相比具有較低的成本而被認為是用于底盤結構件制造的一種潛在替代性材料。 

       一些大型汽車制造商在白車身和底盤結構件上采用的抗拉強度超過590MPa的先進高強度鋼占所有鋼用量的比例甚至超過60%。 

       對大多數采用熱軋鋼板的底盤零部件來說，提高AHSS的用量才有望實現減重。比如說，大眾公司采用了抗拉強度為780MPa的熱軋鋼來制造最新款帕薩特和高爾夫車型的前下控制臂（FLCA）。

       現代制鐵研究人員開發了抗拉強度為780MPa的先進高強度鋼，具有較高的擴孔率，并將其用于前下控制臂的制造。為了對材料的性能展開評估，現代制鐵與其供應商一起對材料的可靠性和強度展開了分析。雙方做了一個前下控制臂樣品，并對其可靠性和強度展開了測試。據研究人員透露，兩個指標都取得了令人滿意的結果。

        

高擴孔鋼 

      一般來說，高擴孔鋼的擴孔率都比較高。舉列來說，540MPa級高擴孔鋼的擴孔率要高于95%，而590MPa和780MPa級鋼的擴孔率分別為55%和85%。 

      單相顯微組織從理論上說是到目前為止對高擴孔鋼來說一種最佳的組織。包含兩個相位的鋼顯微組織具有較高的擴孔性能，這是因為兩個相位組織之間的顯微硬度的相差較小。 

      現代制鐵所研發出的540/590MPa級高擴孔鋼的原理為：在鐵素體基體中形成15%的貝氏體，這種組織結構與其他雙相組織（比如鐵素體/貝氏體雙相鋼FB和孿晶誘導塑性鋼TWIP）相比在顯微硬度方面相差不大。眾所周知，鐵素體和貝氏體組織具有較為出色的擴孔性能。 

      生產鐵素體/貝氏體雙相鋼，熱軋鋼板的冷卻速度應該控制在單相鐵素體范圍內。這樣，在鐵素體基體中就可以形成約15%的貝氏體。 

      雖然取得較高的抗拉強度和出色的擴孔性能異常關鍵，但是對冷卻方式的控制也非常困難。現代制鐵另覓蹊徑開發了新的材料，其做法是采用普通的冷卻方式將精細的納米級金屬顆粒析出到單相鐵素體基體中。 

      這種高強度、高擴孔鋼的化學組成與日本JFE鋼鐵公司開發的鋼材非常相似。不同的是，JFE公司的研究方向是鈦析出物，而現代制鐵研究重點是鈦和鈮析出物。高擴孔鋼的基體為軟性鐵素體，包含精細的鈦和鈮析出相。 

      研究人員準備了四個實驗用鋼錠對其展開測試。鋼錠首先放入1200℃高溫熔爐中，然后鍛造成50mm厚的鋼板。 

      鋼板然后再切割成200mm寬、120mm長的鋼片。鋼片再加熱到1250℃，然后熱軋成厚度為4.0mm的片材。熱軋結束時溫度控制在900℃。在熱軋工藝后，鋼板在室溫下冷卻，然后在高溫爐中保持600℃，用于模擬熱卷工藝，然后保持在爐中在室溫下冷卻。抗拉強度測試采用JIS 5號樣品以橫向方式進行，擴孔率根據標準規則進行對比測試。 

     測試結果顯示，實驗用材料的抗拉強度為800MPa，擴孔率為65%。熱帶軋機上產品預備材料的抗拉強度為839MPa，擴孔率亦為65%。

         

用于汽車件 

      現代制鐵開發了一款全新的高擴孔TS/780MPa熱軋先進高強度鋼，平衡了延伸率（EL）、擴孔率（λ）和降伏比（YS/TS）等參數，并將該材料應用于一款中型車輛底盤上的前下控制臂。 

      該部件由現代制鐵與其供應商聯合開發。之前車型采用的是一塊3.5mm厚、抗拉強度為590MPa的主板，外加一塊2.3mm厚、440MPa級的加強板。不過，如果在新款車型上采用厚度為3.5mm、抗拉強度為780MPa的材料，現代制鐵研究人員認為可以放棄使用加強板。如果這樣的話，整個部件的重量可以降低8%，從4.2kg減到3.9kg。 

      研究人員還進行了CAE耐久性分析。第一步是有限元模型準備和線性仿真。有限元模型由面板部分的一階2D矩形元素和三角元素組成。球頭連接部件為一階3D四面元素。襯套的橡膠部分在分析模型中被忽略，顯示為單維剛性元素。有限元模型包含了19,585個節點和40,392個元素。線性分析采用ABAQUS Solver工具。

          

      第二步為疲勞破壞及生命周期測試。在線性分析結果的支持下，研究人員采用載荷分布圖和材料屬性對材料的疲勞壽命進行了評估。抗疲勞分析集中于基體金屬和焊接區域，采用的工具是FE-SAFE。對基體金屬的耐久性分析來說，還需要低周期疲勞屬性，但是現代制鐵在測試時還沒有這些數據。 

      在仿真方面，研究人員采用類似的780MPa級材料疲勞屬性作為分析數據之用。研究人員進行了多次仿真，為了確保最佳設計，在仿真之前還做了許多咨詢和研究工作。 

      與上一代車型相比，新車型橫截面在G襯套和球頭部分朝上增加了2mm。此外，球頭凸緣的主板朝外拓展了3mm。此外還額外增加了輪緣造型部分，用于支撐球頭凸緣和G襯套橫截面中間部分的負荷。這些改進有望提升部件的強度。 

      對前下控制臂來說，由剎車和加速產生的前后方向的負荷是不同負荷條件中最主要的負荷形式。鑒于此，前后方向負荷作為耐久性分析的重點。 

      之前車型在加強板和主板焊接區域存在問題，沒有達到OEM在耐久性方面的要求。樣品在測試中也遇到了耐久性問題，同樣沒有達到要求。新車型在耐久性分析方面情況不同，因為加強板取消了。新車型主板和A襯套焊接區域是重點部分，整個零件也滿足了OEM的要求。 

      當車輛通過凹凸不平的地面時，下控制臂可能因為輪胎承受的瞬間載荷而受損。針對這種情況，現代制鐵針對下控制臂進行了案例對照性屈曲分析，來確定在一些負載條件下如通過凹凸不平路面時，下控制臂是否會受損。 

      屈曲現象在上一代車型上出現在加強板的末端，在新車型上出現在額外增加的輪緣造型附近。雖然出現的位置不同，但是屈曲強度對兩者來說都是一樣的。

                

       可成形性分析是采用AUTOFORM商業軟件進行的。在進行仿真時，研究人員將材料屬性輸入軟件中，摩擦系數設置為0.15。分析結果顯示A襯套部分最大厚度減少了60%。G襯套擴孔部分的厚度減少了29%。整個部件有好幾處都顯示了厚度減少的現象。 

樣品和測試結果 

      現代制鐵采用的產品預備期鋼材被用于產品的試制，樣品的試制采用了原型模具。在樣品的試制過程中沒有出現成形問題。 

      前下控制臂安裝在車輛的前橫梁上。為了對其耐久性進行評估，向球頭處施加了作用力。在耐久性和強度測試中，下控制臂固定在試驗臺上，并施加作用力。在耐久性試驗中，對車輛的前后部分施加了負荷。為了確保測試的可靠性，前后共采用了三個樣品。測試結果顯示所有的樣品都滿足OEM的耐久性要求。 

      對測試和仿真結果進行對比發現，樣品的變形形狀非常相似。通過仿真和測試結果，研究人員發現球頭區域強度較低，需要進一步優化以取得更好的性能。現代制鐵將繼續對存在的問題展開研究，希望可以提升車輛的乘駕性能，同時降低零部件產生的噪音和震動。 

     雖然還要進行進一步的優化，但是8%的減重效果值得期待。（轉）