曹广祥;张洋;李莹娜
【摘 要】介绍了屈服强度700 MPa级热轧微合金高强度钢典型材料的成分、强化机理、力学性能和焊接性能;以载货车车架纵梁和客车车身骨架等为例,说明了该钢种对商用车轻量化的作用;重点阐述了实际应用中存在的钢板剪切断面质量差、冲压开裂等问题,分析了问题产生的原因,并提出了相应的解决措施.
【期刊名称】《汽车工艺与材料》
【年(卷),期】2017(000)002
【总页数】5页(P60-64)
【关键词】屈服强度;700 MPa;高强度钢;商用车;轻量化
【作 者】曹广祥;张洋;李莹娜
【作者单位】中国第一汽车股份有限公司技术中心,长春130011;中国第一汽车股份有限公司技术中心,长春130011;中国第一汽车股份有限公司技术中心,长春130011
【正文语种】中 文
【中图分类】U465
汽车轻量化可以降低汽车自重，显著提高燃油经济性，是当今汽车技术主要发展方向之一。商用车使用频率高、能耗高，约占我国汽车总能耗的70%。最近20年，发达国家的商用车每10年降重10%～15%，国内自主商用车自重较国外高约10%～15%[1]；随着国家节能减排、绿环保政策法规的逐步实施以及治超限载力度的加大，商用车的轻量化势在必行。而高强钢的应用是商用车轻量化的有效途径之一，本文主要介绍屈服强度700 MPa级热轧微合金高强度钢板及高强度钢管在商用车轻量化方面的应用。
牌号有瑞典SSAB的DOMEX700MC以及国内宝钢的QStE700TM等，此外，常见的同等强度级别的材料牌号还有欧洲的S700MC、PAS 700和国内的HR700F等。
2.2 材料成分及强化机理
2.2.1 成分
表1为DOMEX700MC钢板和QStE700TM钢板的化学成分实测值。从中看出，两种材料的成分特点为低碳，适量高的锰，添加微量合金元素Nb、Ti、Mo。
2.2.2 强化机理
在钢中加入Nb、V、Ti等合金元素，可提高钢的再结晶温度，在较高温度下完成轧制的同时得
2.1 材料牌号
屈服强度700 MPa级热轧微合金高强度钢板典型的代表到储存大变形能的变形奥氏体组织，进而得到细小的相变组织，有效地细化了晶粒尺寸。利用Nb、V、Ti碳氮化物在钢中析出细小的碳氮化物粒子，还可以起到析出强化的作用。在细晶强化、析出强化和相变强化的综合作用下，在保证钢的强度的同时，满足塑性、焊接性及成形性的良好匹配要求[2]。图1为宝钢QStE700TM材料的金相组织，组织为铁素体+贝氏体+析出碳化物，晶粒度为12级。
2.3 材料性能
2.3.1 力学性能
表2为板厚8 mm的DOMEX700MC钢板和QStE700TM钢板的力学性能实测值及技术条件。可以看出，两种材料在拥有高强度的同时具有良好的塑性。
2.3.2 焊接性能
用于汽车零件制造的钢板需要进行焊接性能的评价，以卡车厂使用较多的热轧板CO2气体保护焊工艺对材料焊接性能进行试验。本次试验采用JM-58焊丝，试验材料为宝钢的QStE700TM，试验样件尺寸为500 mm×200 mm。在500 mm一侧开45°坡口后再对接焊到一起，焊道示意图见图2。焊接后，垂直于焊缝长度方向截取拉伸试验试样（图3）用于焊接接头的力学性能测试，焊接工艺参数和力学性能试验结果分别列于表3和表4。
本次试验中，焊接样件的抗拉强度低于母材的抗拉强度，主要原因是采用了低强匹配的JM-58焊丝，焊丝的抗拉强度低于母材强度。因此，焊缝处承受较大应力的关键部位建议使用更高强度的焊丝（如JM-110），以保证焊缝的力学性能与母材相匹配。
3.1 高强度钢的轻量化作用
汽车零部件除疲劳强度外，其它各性能（抗拉强度和流变应力等）均正比于板厚和材料性能n次方的乘积[3]。在等强度、等载荷设计条件下，采用高强钢可以减小料厚和减轻质量。对截面形状简单且承受弯曲力矩的零部件而言，可以采用如下经验公式[4]对高强钢材料壁厚进行粗略估算。
式中，t1为低强度钢板的厚度，mm；t2为高强度钢板的厚度，mm；ReL1为低强度钢板的屈服强度，MPa；ReL2为高强度钢板的屈服强度/MPa。
例如，原来使用8 mm厚的500 MPa级钢板，如果以700 MPa级钢板代替，则厚度可以减薄至6.8 mm，降重15%，轻量化效果显著。
700 MPa级高强钢有钢板和钢管两种轻量化应用形式。高强度钢板可用于车架上的冲压件及辊压件等，应用广泛；高强度钢管可应用于客车骨架等结构的轻量化，近几年的应用呈现爆发式增长。
3.2 载货车车架纵梁
载货车车架大量使用热轧钢板，是轻量化重要切入点之一。车架总成主要包括纵梁、横梁和
连接板等零部件，其中纵梁是屈服强度700 MPa级高强度钢板材料应用的典型零件。在欧美发达国家，奔驰、沃尔沃、曼、斯堪尼亚等重型载货车车架普遍采用厚度为8～9 mm、屈服强度＞650 MPa的单层结构纵梁，钢板主要采用瑞典的DO⁃MEX600-700MC、德国的QStE650TM-QStE690TM等[5]。
国内由于长期存在严重超载的情况，因此目前中、重型载货车车架纵梁总成普遍采用“8+N”结构，即厚度8 mm的纵梁加5 mm/6 mm/8 mm的内加强板。多数企业采用屈服强度500 MPa级高强度钢板，少数企业（如东风、江淮）的量产车型采用屈服强度650 MPa级高强度钢板。文献[5]介绍，在屈服强度700 MPa级高强钢应用于车架轻量化方面，重汽率先于2003年研发了材料屈服强度为700 MPa的单层梁车架，2005年研制出单层梁车架样车，2006年开始小批量生产，2007年采用宝钢为重汽研发的8 mm的ZQS700L批量化生产单层梁牵引车，平均每辆车用量约400 kg。一汽在2007～2008年开始研究屈服强度700 MPa级高强度钢板，使用SSAB的DOMEX700MC代替原屈服强度500 MPa级材料试制某车型车架纵梁并进行装车，将原来的双层梁结构改为单层梁，并将纵梁的腹面尺寸减小；2011年～2013年使用700 MPa级别的材料小批量生产某专用车型纵梁，纵梁总成实现降重25%。目前已有少数企业将屈服强度700 MPa级、6～8 mm的高强度钢板应用于制造量产车型的车架纵梁。
使用屈服强度700 MPa级高强度钢板进行车架轻量化，主要有以下方式。
a.单层梁设计，取消纵梁内加强板，这是目前已经应用的方式；
b.在保证车架纵梁局部强度要求的前提下，减薄纵梁材料厚度，例如将8 mm+5 mm的结构减薄为7 mm+5 mm或更薄；
c.通过合理的结构设计，将纵梁腹面宽度减小，比如将腹面宽度由300 mm减小到280 mm。
700 MPa级高强度钢板目前在车架上的应用主要是纵梁，由于材料强度高、塑性相对较差，所以优选辊压成型工艺。
东风商用车3.3 客车车身骨架
宝钢数据显示，2016年为客车行业生产的高强钢为1.8～2 万t，目前有5 家客车企业使用宝钢QStE700TM高强钢管，还有7家客车企业在试验阶段。图4为某款客车车身骨架的轻量化方案。使用QStE700TM高强度钢管代替原方案使用的Q345，可使车身骨架实现降重434 kg，降重比例约13%。轻量化设计的车身骨架总成经过有限元分析（图5），满足垂直、扭转、制动、转向工况的强度要求。 工况的强度要求。
3.4 扩展应用零部件
700 MPa级高强度钢板除应用于车架纵梁以外，还可扩展应用到车架横梁、一些结构简单的连接板类零件和车厢等；高强钢管可扩展应用到载货车驾驶室框架、载货车下防护横梁及一些钢管支架类零部件。
3.5 应用中存在的问题
屈服强度700 MPa级高强度钢特有的力学性能和冶金特点，使其加工和制造中存在一些工艺技术问题。
a.屈服强度700 MPa级高强度钢的加工载荷比现阶段普遍采用的屈服强度500 MPa级钢要大，所以对钢板加工设备关键部件的刚度和强度设计提出了新的要求。图6为在同一纵剪线使用相同刀具和工艺剪切的两种材料的断面，可以明显看出700 MPa级材料剪切后的断面质量差，局部出现了微裂纹。有文献[5]对宝钢700 MPa级钢板剪切断面开裂问题进行了研究，得出结论：钢板强度高是剪切开裂的内因，在有限的剪切能力下，高强度增加了开裂的可能性；剪切工艺是剪切开裂的外因。文献对不同的剪切间隙进行了试验，剪切间隙加大为高强
度钢板的剪切开裂提供了应力条件。在内因与外因的综合作用下，导致高强度钢板剪切断面发生开裂缺陷。因此，为保证剪切质量，需要对剪切设备和剪切间隙进行升级和调整，以匹配700 MPa级高强度钢板。
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