熱成型鋼的案例
汽車用熱成型鋼板的加工工藝
在同等重量下，高強度鋼能很大程度上提升車身強度，改善碰撞安全性能。但是高強度鋼成形困難、回彈嚴重，導致工裝制造、調試難度非常高。熱成型鋼的出現完美解決了以上兩大難題。汽車用熱成型鋼的成分、性能及制造工藝介紹如下：
熱成型鋼板的成分和性能
高強鋼家族（右下的PHS為熱成型用鋼）
汽車上使用的熱成型鋼板我們又叫做硼鋼或B鋼，寶鋼的產品手冊當中也叫PH鋼（Press Hardening）。我們看一下熱成型鋼的化學成分，以常用的22MnB5為例：C 0.23%，Si 0.25%，Mn 1.2%，然后 B 0.003%，其他元素請查看下圖。B元素的主要作用是提高鋼板的淬透性。
下面以寶鋼熱成型用鋼HD950/1300HS為例，說明一下熱成型鋼的性能，HD950/1300HS熱處理前YS（屈服強度）為280-450MPa，TS（抗拉強度）大于450MPa，斷后延伸率20%，這幾項參數非常像HC340/590DP的性能參數。但是熱處理之后YS大于950Mpa，TS大于1300MPa，強度提升至少2.5倍。
白車身上使用熱成型鋼板的主要零部件有：A柱、B柱、C柱、上邊梁、門檻邊梁、中央通道、地板橫梁、前圍板等。這些車身關鍵骨架件使用熱成型件，能在碰撞事故中有效保證車身框架結構的完整性，從而保護乘客。
熱成型件制造工藝流程
熱成型鋼加工時間線
1.
展開 激光焊接在熱成形門環中的應用
為了達到小角度偏置碰的要求，最簡單直接的方法就是把A柱加強板和門檻加強板的材料都改為熱成型鋼，這是目前大多數車型的解決方案。
但是，熱成型鋼板電阻點焊的焊點強度是有限的。研究表明，焊點周邊的塑性環是應力集中區域，是點焊結構強度和疲勞強度的破壞區，也是點焊結構疲勞壽命的起裂點[3-4]。圖6（a）是熱成形鋼點焊金相圖，中間區域是焊點內核，白色邊界外偏黑的區域是塑性環。通過試驗數據可以看到，塑性環的硬度不到400HV，低于熱成型鋼基板的硬度（500HV），如圖6（b）所示。
而激光焊縫的硬度達到500HV左右，接近熱成型鋼基板的硬度，而且超過熱成型鋼的硬度標準的最低要求（410HV），如圖7所示。
熱成型板材的激光焊使用填絲焊工藝，其焊縫位置厚度要厚于基板的厚度。
展開 一種新型高強度低溫熱成型鋼
目前熱成形鋼的發展趨勢主要集中在提高延性上，同時，新鋼種的設計也克服了表面過度氧化，避免了沖壓模具冷卻系統的復雜性。這種新型鋼及相應的成形技術被稱為低溫熱成形或熱沖壓技術，克服了傳統熱成形鋼的缺點。本文研究了不同退火溫度后的微觀結構特性和力學行為。結果表明，其微觀結構和力學特性與退火溫度有很大的關系。這些結果表明，當罩退退火溫度在570-630℃之間時，鋼的抗拉強度超過1400MPa，總伸長率為9%。在690℃以上，拉伸強度和總伸長率明顯下降。這些惡化的力學性能可以歸因于先前的奧氏體粒尺寸和板條馬氏體分數的增加。
Keywords: Low temperature hot forming; Medium-Mn; Microstructure; Mechanical characteristics
1. Introduction
目前，由于汽車車身輕量化和提高被動安全性的需求，促使汽車行業持續開發新的材料和制造工藝。熱沖壓是一種結合了成型和淬火工藝，用以生產超高強度汽車結構件的創新且有效方法，如汽車A柱、B柱、車頂梁、保險杠等 [1,2]。在熱沖壓生產過程中，將硼鋼放到800-950℃的加熱爐中保溫3-10分鐘，使其充分奧氏體化，然后迅速轉移到模具中，成形和淬火同時進行，并最終獲得具有超高抗拉強度的全馬氏體組織構件[3,4]。22MnB5（抗拉強度在1300MPa以上）是近幾十年來在熱沖壓生產中最常用的硼鋼。近年來，一種抗拉強度超過1800 MPa的新型熱沖壓鋼被開發出來，用以取代部分傳統的熱沖壓鋼。
展開 南昌航空大學《JMST》：激光立體成型高強鋼的無量綱熱輸入影響
隨著增材制造(AM)技術的發展，基于激光熔覆和快速成型技術的快速修復技術逐漸發展起來，如激光立體成型(LSF)和直接能量沉積(DED)技術。激光立體成型(LSF)技術可以快速制造和修復性能優越的高強度鋼零件，但加工過程中的熱輸入難以量化，對零件的組織和力學性能有很大影響。精確控制熱輸入，探索熱輸入與組織和力學性能的關系，是提高低合金鋼零件成型效率和質量的有效途徑。為了實現零件的完美修復和再制造，準確地了解熱輸入與修復區和熱影響區組織和力學性能之間的關系非常重要。
南昌航空大學的研究人員采用LSF技術制造了34CrNiMo6高強鋼，用無量綱數反求出了LSF過程中所用的實驗參數。觀察了LSF零件的微觀組織差異；研究了熱處理前后硬度、強度、伸長率等性能的變化；闡明了熱輸入對高強鋼LSF的綜合影響。
展開 
汽車的A柱、B柱、C柱為什么要使用高強度熱成型鋼制作
一般汽車的B柱都使用超高強度的熱成型鋼來制作，它可以說是汽車上最堅硬的部分。
在某些車型上，采用了無B柱設計，比如大多數的兩門跑車、寶馬i3等，這些車型會重新優化車門與車身的結構設計，增強A柱的強度，增加防滾架等，總之要補償B柱缺失造成的缺陷。不過這樣的車型的側面碰撞試驗成績一般都不太好，駕駛員有胸部受傷的危險。
最后我們再來看看汽車的C柱。所謂的C柱，是指后風擋玻璃兩側的立柱。我們坐在汽車后排，頭枕兩邊的大柱子就是它。它的作用一方面是連接車頂與車身，另一方面也會在汽車后部碰撞中承擔一定的碰撞能量，保護乘員艙的結構安全。不過汽車后部結構件較多，需要C柱承擔的碰撞能量并不大，因此它一般只是用普通的高強度鋼制造，很少有使用熱成型鋼的。
展開 先進高強鋼鍍層技術發展方向
02 鍍鋁/鍍鋅熱成型鋼板
近幾年，熱成型鋼得到了快速發展，目前全球每年的熱沖壓部件需求超過10億件，我國熱沖壓生產線超過100條，年產熱沖壓部件超過1億件。一般情況下，熱成型鋼板無需進行表面處理，但為提高熱成型鋼的耐腐蝕性能和抗氧化性能，目前進行鍍層處理的熱成型鋼板不斷增加，鍍層熱成型鋼板已成為國內外鋼鐵公司研究的熱點。
據報道，在北美，Al-Si鍍層或裸板熱沖壓零件占40%，鋅基鍍層零件占60%。而且，據悉到2020年寶馬所采用的鋅基鍍層熱沖壓零件將達到其熱沖壓零件總量的62.5%。2016年，我國熱成型鋼板用量達46.8萬噸，其中，Al-Si鍍層的用量達38萬噸。目前，我國Al-Si鍍層熱浸鍍生產線主要有無錫中彩（2009年投產）、華菱安賽樂米塔爾汽車板有限公司（VAMA）（2015年投產）、寶鋼（2015年投產）、鞍鋼重慶（2016年投產）、馬鋼（2017年投產）、河鋼唐鋼（2017年投產）。
03 物理氣相沉積（PVD）技術
物理氣相沉積（PVD）技術，作為一種生態兼容性好和功能強大的沉積技術，可以靈活地進行鍍層設計，而且靶材及基材多樣化。PVD技術沉積的膜可以是單質金屬、化合物以及合成膜，也可以是復合膜、梯度膜或多層膜。其可用來制備單晶、多晶、非晶以及納米材料，也可研制用于光學材料、磁性材料和耐蝕材料等的功能膜。與電鍍、熱鍍以及有機涂層工藝相比，PVD技術更加綠色環保。
雖然鋅合金（鋅鎂和鋅鋁等）鍍層鋼板性能優異，但是采用常規的鍍覆方法存在一些問題，如熱鍍時，鎂和鋁在空氣中極易氧化，鍍鍋內面渣嚴重；電鍍時產生工業三廢，污染環境。另外，先進高強鋼熱鍍鋅時存在合金元素在退火爐內產生外氧化進而導致漏鍍等問題。
展開 汽車輕量化資料整理與搜集
-----------------僅用于學習交流，不用于營利
鋼鋁混合白車身重量，普通鋼材、高強度鋼、熱成型鋼、鋁合金在車身上的應用比例
汽車輕量化用鋼鐵材料的開發
圖１ 車輛沖撞時特性要求
近年來，在采用冷軋超高強度鋼的同時，還采用了“熱沖壓成型鋼”。熱沖壓成型鋼是將鋼板加熱后，對鋼板進行沖壓的同時進行淬火，使沖壓后的部件具有普通鋼板強度4～5倍的超高強度。采用熱沖壓成型鋼，即使鋼板減薄，部件強度也遠高于普通鋼板部件。
隨著熱沖壓工藝進行的改進，汽車B柱、搖桿等形狀復雜的部件也可使用高強度材料。過去第1代豐田普銳斯（プリウス）車采用的熱沖壓材料只有3%，第4代豐田普銳斯車采用的熱沖壓材料提升到19%，既保證了車體的安全性，又實現了輕量化。
組件裝置輕量化用鋼鐵材料的開發
1）活塞連桿輕量化
活塞連桿是將活塞和曲軸連接起來的部件，將活塞的往復運動轉變為曲軸的旋轉運動，因此類似于活塞連桿這樣的運動部件輕量化，不僅實現本身重量的減輕，而且對曲軸周邊部件輕量化和降低振動、噪音、摩擦損失都具有很顯著的效果。
活塞連桿承受燃料燃燒時產生的爆發力、沖擊力以及旋轉時的慣性力，所以要求活塞連桿具有高的壓屈強度和高的疲勞強度。根據鋼的強度和生產效率，活塞連桿用鋼的組織是鐵素體+珠光體。為了提高鋼的強度，針對軟質的鐵素體組織進行改進。一般采用提高珠光體比例的方法提高鋼的強度，但這種方法會導致鋼的切削性不良。
新開發的活塞連桿用鋼，通過優化C和V的含量，將鐵素體比例和硬度控制到不影響切削性的最佳程度，使開發鋼實現高強度化。用開發鋼制作的活塞連桿的桿體斷面小，重量約減輕17%（圖2）。
圖2 連桿輕量化事例
2）齒輪高性能化
裝有許多齒輪的變速箱和差速器是將發動機產生的動力傳遞到車輪的重要組件裝置。為了提高發動機的效率，不斷對齒輪提出高強度小型化的要求。
為此通過優化成分和工藝，開發出高硬度、冷鍛性好、抑制滲碳時晶粒粗大的疲勞強度高的齒輪用鋼。
展開 全鋁車身的材料、結構、連接工藝對比解析
下圖，為以上5款車型材的尺寸及重量和鋁合金比例的參數表
01
材 料
1、愛馳U5
愛馳U5下鋁上鋼是其設計的一大特點，其中愛馳U5全車共采用了21個熱成形零件。
A柱、B柱以及車頂縱梁均采用了1500MPa熱成形鋼，車門防撞梁更是創新地采用了2000MPa熱成形鋼，（熱成型鋼采用硼鋼）
愛馳U5材料分布圖
2、凱迪拉克CT6
在AB柱骨架、車門防撞梁、車身地板縱梁等部位都采用了高強鋼來提升車身強度，在防撞梁、前縱梁、前輪罩、后輪罩、車身橫梁等都采用了鋁合金材料來達到減重，CT6機艙基本由鋁合金組成，縱梁及前防撞梁都是鋁合金材質。
3、捷豹路虎XFL
捷豹路虎在全新捷豹XFL車身上共使用了多達五種不同型號的鋁合金材質，如AC170、AC300、AC600、RC5754和5182。
其中，RC5754高強度鋁合金，由諾貝利斯為捷豹路虎專屬定制，不僅是可回收材料，更在強度、耐腐蝕性、連接性及成型性等方面表現出眾，應用于加強件；
XFL材料分布圖
4、蔚來ES8
除了全鋁車身經常使用的5系6系鋁合金，還使用軍工級7系鋁合金（應用材料為7003-T6，抗拉強度350，屈服強度290）局部少量使用了一些鋼板。
5、Model S
Model S全車使用的鋁重量為410磅（190公斤）。
展開 汽車輕量化的“三駕材料馬車”
汽車輕量化材料的“三駕馬車”
超高強度鋼
在低碳鋼鋼板基礎上，采用不同強化機制得到高強度鋼板，并利用高強度特性，在保證車身 機械性能的前提下，減薄厚度，進而降低汽車質量。有研究表明: 當鋼板厚度分別減小 0. 05、0.1、0.15 mm 時，車身質量可分別減少 6%、12%、18%。
以沃爾沃為例，S60 長軸版在車輛 A、B、C 柱、側面防撞梁、底盤加強梁、后保險杠等這些 關鍵部位，使用了超高強度硼鋼（一種比普通鋼材強度高 4 倍，卻比普通鋼材更輕的材質），使用率為 37.6%，白車身重量僅為 321Kg，而在同尺寸車型中，白車身重量一般在 350~400Kg。
沃爾沃S60長軸版。
相比高強度硼鋼，熱成型鋼的使用更為主流，將鋼板經過 950°C高溫加熱之后一次成形，再迅速冷卻淬火，屈服度可達 1000Mpa 之高，車身重量保持不變時，承受力可提高 30%。 現在熱成型鋼板的使用已經下探到 10 萬級別以下車型中，多集中在 A、B 柱上，在更高價 格的汽車上，也逐漸應用于中通道、底盤橫梁、縱梁等部位。
熱成型鋼的伸長率與抗拉強度之間的關系。
考慮到成本及加工因素，高強度鋼雖不能顯著降低汽車車重，但其對傳統的汽車沖壓機焊接 工藝要求并不高，只需要對設備進行一定程度的改造，還能有效提高汽車安全性。雖不顯眼， 但反而是廠家最依賴的輕量化材料。
鋁合金
鋁合金密度小、比強度和比剛度高、彈性和抗沖擊性好還耐腐蝕，剛開始應用于發動機罩和行李箱蓋，后被廣泛用于汽車車身及底盤。按照使用區域來劃分，主要應用在車架及大型鋁合金型材件、前后防撞梁、車門外板等覆蓋件及底盤傳動部分零 部件全鋁化三個方向。
展開 2019年第四屆LS-DYNA中國用戶大會論文集
LS-DYNA板料成型，隱式計算應用專題
Parameters identification for wood material (*MAT_143) and its application on the modeling of a typical timber Nuki joint
Convergence improvements in LS-DYNA? metal forming material models
LS-DYNA? material model 263 and its application to earing predictions in cup-drawing
One-step Method for Tri-axial Carbon Fiber Reinforced Composites in LS-DYNA
基于LS_DYNA中損傷積累模型的22MnB5熱成型鋼斷裂行為研究
Composite Forming/Compression Molding Simulation with Introduction to J-Composites
基于 LS-DYNA 隱式算法下汽車擺臂的屈曲分析
E. LS-DYNA優化設計，前后處理技術專題
子系統仿真和參數識別技術在汽車碰撞分析上的應用
LS-PrePost 4.7 幾何相關新特征
LS-Prepost中二維三維曲線曲面可視化工具的應用
LS-PREPOST基于樹形結構的界面設計應用 - Solution Explorer
基于LS-OPT聚合物材料對標方法的研究
基于LS-OPT的虛擬路譜整車系統仿真和底盤參數識別
展開 
網絡課 | LS-DYNA材料失效模型—GISSMO模型專題
01、課程簡介
隨著汽車行業產品的不斷減重設計以及輕量化材料的大量應用，如高強度熱成型鋼、鋁鎂合金和碳纖維復合材料等，這些均對汽車零部件的結構力學性能提出了更高的強度要求，特別是在極限惡劣工況下出現的少量部件的失效破壞，而對于這些部件失效方式的準確預估越來越成為當前工程仿真的研究重點。
LS-DYNA中有多種材料失效模型本構，其中GISSMO模型是一種基于應力狀態增量累積的失效模式，它可以和任何其它材料本構進行組合使用，并能夠對復雜應力狀態下的失效模式進行精準預測，目前已在工程領域得到了快速普及和廣泛應用。
02、時間費用
2月25日（15:00-16:30）
限時19.9元/人（課程價值599元）
03、適用人群
汽車行業、沖壓成型行業，以及關心碰撞、沖擊和金屬成型等過程中材料失效破壞問題的仿真或設計工程師。
展開 混合多材料（鋼/塑/有機材料）車身A柱輕量化開發與驗證
鋁、鎂、鋼、塑料等不同材料的組合將更有針對性的實現性能的提升和重量的減輕。
對于需要承受高應力的碰撞結構件，純金屬結構已逐漸被淘汰。特別是對于新能源汽車，需要創新動力系統設計，以抵消電池帶來的整備質量增加，滿足碰撞安全要求，同時最大化電池安裝空間。為此，保時捷、德國Mitras、薩克森（德國）的輕量化設計中心（Leichtbau-Zentrum Sachsen，LZS）和德累斯頓技術大學的輕量化工程和聚合物技術研究所（ILK）聯合開展了“三維材料混合應用技術”項目，該項目由S?chsische Aufbaubank（SAB）贊助。旨在將先進的材料混合方案應用于車身結構件的開發中，例如圖1所示的混合材料車身A柱。
目前，行業已有將金屬型材與纖維增強復合材料兩種材料混合應用的案例，如圖2。第一種注塑成形部件截面穩定性較好，但整體結構穩定性較差；第二種結構擁有金屬邊緣，其優勢是可以通過點焊、鉚接等常見方式進行連接，但其截面穩定性較差；第三種纖維增強復合材料設計具有較好的穩定性，但整體的剛性較差。同時復合材料的設計需要采用膠粘連接，批量化生產時傳統裝配線需要進行較大的改動。基于三維材料混合技術開發的第四種結構，采用熱成型鋼或冷軋鋼板+有機纖維板局部增強+長纖維增強脊結構實現橫截面穩定。
將該結構應用于B柱的輕量化設計中，與傳統B柱相比，部件數量顯著減少，重量降低14%，能量吸收能力提升25%。
三維材料混合結構成型工具
為實現鋼板、玻纖增強有機板、長纖維模壓復合材料混合結構的加工，2013年Siebenwurst開發了一種用于沖擊擠壓加工的特殊模具，并在ILK工藝開發中心的項目中投入使用，如圖3。上部有多個氣動夾具，確保壓制過程中鋼板的可靠定位。
展開 汽車輕量化設計：為行業節能減排減負
例如車企可以通過采用鏤空前橋、耐高壓成型中冷器進氣管、過冷式冷凝器、非貫通式轉向器、旋壓式輪輞、真空胎等輕量化技術，降低車輛重量。
工藝輕量化中，目前主流的工藝技術有熱成型沖壓制造工藝、激光拼焊板工藝、輥壓成型工藝、激光焊、液壓等等。
其中激光拼焊技術的用途最為廣泛，幾乎所有知名汽車制造商都采用了這種技術，將不同材質、不同厚度、不同涂層的鋼材、不銹鋼材、鋁合金材等進行自動拼合和焊接而形成一塊整體板材、型材、夾芯板等，以滿足零部件對材料性能的不同要求。其中某些鋼鋁部件的結合，無形中就能降低車身的重量，實現輕量化的目的。
相比之下，熱成型沖壓制造工藝則是近年來出現的新技術，其主要用于汽車高強度鋼板沖壓成型件，但由于該工藝在我國發展起步較晚，因此面臨的主要問題是技術的提升與工藝的改進，進而導致在生產上還未形成有可觀的規模，無法應對當前我國汽車所需的大規模量產。
不過隨著越來越多廠家在這方面的重視，未來熱成形工藝制造技術必然是一個趨勢，并且還會成為實現汽車輕量化生產的關鍵技術工藝之一。
材料輕量化主要是指應用的是新材料，即運用輕量化材料與輕量化材料成型技術，以達到減輕零部件重量的目的，而這也是目前各大汽車生產商和材料生產廠家研發的重點。
眾所周知，目前大部分汽車的白車身、開閉件（四門兩蓋）和底盤（車架）使用的均為鋼材料。其中，非重要傳力件用普通鋼，與剛度相關的用高強鋼或先進高強鋼，與碰撞相關的用熱成型鋼，在汽車用鋼上逐步向高強度化方向發展，以減少鋼板厚度的方式來減輕車重，這也是當前車企“減重”的最主流方式。
展開 都在標榜輕量化，那汽車輕量化是否大勢所趨？
眾所周知，碳纖維、鋁合金熱成型鋼在質量上都比傳統的普通鋼要輕，而且強度與韌度性都顯優勢，以碳纖維為例，其強度是鋼的7-9倍，而且比鋼輕50%。因此，近年來，車企會在汽車的承載白車身、發動機蓋、懸掛等地方換用這些輕量化材質。
新一代寶馬7系的白車身就是采用了鋼、鋁合金以及碳纖維復合材料三種材質來打造車身，相對于上一代車型，車身重量減少了130公斤。此外，在懸掛系統、制動系統的配件上換用鋁合金材質。以全新BMW 740 Li為例，相比上一代車型，百公里綜合油耗降低16.7%。
雖然輕量化材料是車企實現汽車輕量化的常用方法，但并不是唯一。除此之外，在不影響性能和耐用性為前提下，利用輕量化結構也能實現汽車輕量化。
以全新科魯茲為例，借助CAE軟件的計算與實車測試，在設計時去掉那些不起作用反而增重的材料，如在發動機蓋上、車架上等運用減重孔、短凸緣、圓齒凸緣等技術減重，使科魯茲較上代減重120公斤，百公里油耗降至5.7L。
除此之外，先進的工藝也能達到輕量化的效果。就拿常見的輪轂和懸架擺臂來說，其制造工藝對重量有著極大影響。例如鍛造輪圈由于其材料更加致密的原因，輪輻結構更細更薄，重量自然就減下來了。
另外，車身和其他部件的連接工藝也會對車重產生影響。現今大部分車輛都會采用激光焊接的工藝來焊接車身，減少車身上柳丁的使用。這樣，沒有柳丁的外加重量，一體化的車身既美觀又能做到輕量化，而且是自動化的焊接，提高生產效益，車企何樂而不為。
除了以上幾種主流的輕量化方式，汽車工程師為了實現汽車輕量化還在其他方面進行專研。
大勢所趨
在過往，這些輕量化技術只用于F1、勒芒耐力賽等大型比賽的車型上，為應對賽車協會的要求。直到1994年，奧迪把鋁制車身用于A8上，令汽車輕量化技術在量產車型上得到普及。而現在，不管是豪華品牌還是合資品牌，都在使用輕量化技術。
展開 