路洪洲 馬鳴圖 郭愛(ài)民

（1.中信金屬股份有限公司，北京 100004；2.中信微合金化技術(shù)中心，北京 100004；3. 中國(guó)汽車工程研究院有限公司，重慶 200240）

1 前言

EVI（Early Vendor Involvement）指的是上游供應(yīng)商下游用戶產(chǎn)品研發(fā)的早期階段提前介入[1]，充分了解下游用戶需求和難點(diǎn)，從而為下游客戶提供高性能產(chǎn)品、個(gè)性化服務(wù)及整體解決方案的過(guò)程。EVI 模式最早由汽車原材料供應(yīng)商提出并付諸實(shí)踐，目前其他行業(yè)也逐步接受這一理念和模式?！昂线m的材料用在合適的地方”、“合適的工藝實(shí)現(xiàn)合適的零件制造”、“合適性價(jià)比的材料工藝方案滿足合適的整車性能”等是EVI 的最終目標(biāo)，但需要不斷地將上述目標(biāo)采用可量化的方法和手段，即解決方案來(lái)實(shí)現(xiàn)。隨著新能源汽車、“雙碳”、輕量化及安全、智能化要求和趨勢(shì)的發(fā)展，汽車原材料供應(yīng)商及零部件供應(yīng)商的EVI 也逐步從提供高性能及高性價(jià)比材料及零部件，向提供輕量化解決方案、開(kāi)裂解決方案、低碳排放解決方案、模塊化解決方案轉(zhuǎn)變，本文將詳述近年來(lái)，汽車金屬材料方面的EVI 技術(shù)進(jìn)展。

2 汽車EVI材料技術(shù)

2.1 高性能汽車金屬材料

2.1.1 熱成形鋼

熱成形鋼應(yīng)用及熱沖壓成形工藝是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化和安全的重要技術(shù)解決方案。韌性不足、存在氫脆問(wèn)題、模具損傷大是熱成形鋼存在的主要問(wèn)題[2-3]，為此，原材料企業(yè)及科研院所聯(lián)合進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，先后開(kāi)發(fā)了高強(qiáng)韌抗氫脆熱成形鋼、薄鍍層熱成形鋼以及抗氧化熱成形鋼，以滿足整車企業(yè)的應(yīng)用需求。

汽車碰撞時(shí)的熱沖壓成形零件存在開(kāi)裂現(xiàn)象，原因主要與熱成形鋼的韌性較低有關(guān)。熱成形鋼發(fā)生大變形后產(chǎn)生的斷裂失效模式屬于韌性斷裂[4]，韌性斷裂是金屬內(nèi)部微觀孔洞成核、聚集和長(zhǎng)大，即損傷積累的結(jié)果[5]。研究指出，金屬材料的韌性斷裂與應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)[6]，材料的應(yīng)力狀態(tài)常用應(yīng)力三軸度h 等表征[7]。研究表明，應(yīng)力三軸度（0.4～0.6）狀態(tài)下的臨界斷裂應(yīng)變可以衡量和模擬熱沖壓成形零件的開(kāi)裂程度，該應(yīng)力三軸度處于汽車碰撞過(guò)程的應(yīng)力狀態(tài)，因而在此應(yīng)力三軸度狀態(tài)下的臨界斷裂應(yīng)變?cè)礁叩牟牧?，其制造的零件越不容易碰撞開(kāi)裂。業(yè)內(nèi)同仁采用碰撞開(kāi)裂指數(shù)來(lái)衡量零件的抗斷裂能力[5-6]，實(shí)踐證明，熱成形鋼淬火后的延伸率值與碰撞開(kāi)裂指數(shù)沒(méi)有相關(guān)性，不能衡量熱沖壓成形零件的碰撞開(kāi)裂性能，但通常強(qiáng)度越高，碰撞開(kāi)裂指數(shù)越低，越容易碰撞開(kāi)裂。材料的極限冷彎角度值可以衡量該材料的碰撞韌性以及其制造的熱沖壓成形零件的抗碰撞開(kāi)裂能力，原因是極限冷彎測(cè)試的應(yīng)力狀態(tài)對(duì)應(yīng)0.4～0.6 的應(yīng)力三軸度。通過(guò)熱成形鋼的晶粒細(xì)化、帶狀組織降低、微米級(jí)析出控制，作者開(kāi)發(fā)的鈮微合金化以及鈮釩復(fù)合微合金化的高強(qiáng)韌熱成形鋼的極限冷彎角度值較同強(qiáng)度的熱成形鋼提升10%～20%，在與汽車碰撞相關(guān)的應(yīng)力三軸度下具有更高的斷裂應(yīng)變，零件碰撞斷裂指數(shù)顯著提高，并通過(guò)測(cè)量不同熱沖壓成形零件落錘試驗(yàn)的裂紋大小得到了驗(yàn)證。

無(wú)鍍層熱成形鋼制備的零件除耐腐蝕問(wèn)題，其加熱過(guò)程中表面還存在氧化，需拋丸處理。拋丸處理不環(huán)保且影響零件成形精度。針對(duì)上述問(wèn)題。1998 年及2006 年安賽樂(lè)米塔爾申請(qǐng)了鋁硅鍍層熱成形鋼專利[8]及熱沖壓成形零件和工藝專利[9]，解決了無(wú)鍍層熱成形鋼加熱過(guò)程中表面氧化問(wèn)題，取消了熱沖壓成形零件拋丸工序，提高熱成形模具壽命。2018 年?yáng)|北大學(xué)易紅亮教授申請(qǐng)高韌性鋁硅鍍層熱成形鋼專利[10]，通過(guò)降低鍍層質(zhì)量抑制熱成形過(guò)程中碳在鍍層與基體界面的富集，提高冷彎性能。2003 年奧鋼聯(lián)發(fā)布鍍鋅熱成形鋼專利[11]，鍍鋅熱成形鋼主要采用間接熱成形工藝，但該工藝存在液態(tài)鋅侵入奧氏體晶界造成的LME（液態(tài)金屬脆性）問(wèn)題。2017年Gestamp發(fā)布鍍鋅熱成形直接熱成形技術(shù)[12]，通過(guò)降低熱成形溫度解決了液態(tài)鋅致裂紋（Liquid Metal Embrittlement，LME）問(wèn)題。但測(cè)試表明，熱成形鋼或鍍鋁硅后，極限冷彎降低大幅度下降，造成了韌性不足的問(wèn)題，同時(shí)氫脆也更為嚴(yán)重，需要采用微合金化成分調(diào)控及奧氏體化爐內(nèi)的露點(diǎn)控制來(lái)降低氫脆。除鍍層技術(shù)外，另一種解決方案是免噴丸抗氧化熱成形鋼相關(guān)技術(shù)，通用中國(guó)科學(xué)研究院的盧琦等開(kāi)發(fā)了免拋丸熱成形鋼[13]，北理工重慶創(chuàng)新中心趙巖等開(kāi)發(fā)了高溫抗氧化的熱沖壓成形鋼[14]，上述技術(shù)通過(guò)Cr、Si 以及稀土成分設(shè)計(jì)，在鋼板表面形成一層亞微米級(jí)致密的氧化膜，防止表面進(jìn)一步氧化，達(dá)到了免拋丸的效果，同時(shí)采用微合金化提高韌性。

2.1.2 冷成形鋼

隨著整車企業(yè)輕量化的需求，要求冷沖壓成形鋼的強(qiáng)度不斷提高，零件結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，進(jìn)而達(dá)到零件厚度減薄但剛度和抗碰撞性能不降低的目的。這對(duì)高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)度塑性提出了更高的要求，冷沖壓成形鋼零件制造過(guò)程開(kāi)裂主要包括拉延開(kāi)裂和擴(kuò)孔及剪切邊緣開(kāi)裂，前者主要與均勻延伸率和總延伸率相關(guān)，后兩者主要與局部延伸率和總延伸率相關(guān)。為解決這一系列問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外的原材料供應(yīng)商先后開(kāi)發(fā)了QP 鋼、DH 鋼以及新工藝的DP 鋼。

Speer 等[15]于2003 年提出的QP 工藝，成為通過(guò)提升均勻延伸率和總延伸進(jìn)而解決復(fù)雜零件拉延開(kāi)裂的重要路徑。QP 鋼的高延伸率主要是依靠微觀組織中含有一定量的殘余奧氏體而引發(fā)相變誘發(fā)塑性（Transformation Induced Plasticity，TRIP）效應(yīng)實(shí)現(xiàn)，QP 鋼由于兼具較高的強(qiáng)度和較高的延伸率，依靠明顯優(yōu)于DP 鋼的拉延性能，受到大多主機(jī)廠的青睞，國(guó)內(nèi)相關(guān)鋼鐵企業(yè)[16]已經(jīng)開(kāi)出了980 MPa級(jí)別和1 180 MPa級(jí)別的QP鋼，并在形狀復(fù)雜的A、B柱加強(qiáng)件應(yīng)用。但QP鋼雖然合金添加較為簡(jiǎn)單，但對(duì)產(chǎn)線裝備及生產(chǎn)工藝要求較高，目前國(guó)內(nèi)僅有少部分鋼鐵企業(yè)具備QP 鋼的生產(chǎn)條件。另外徐祖耀先生2007年提出的強(qiáng)調(diào)碳化物析出強(qiáng)化的淬火-分配-回火（Q-P-T）鋼[17]，為QP 鋼的開(kāi)發(fā)提高了新的思路，近期上海交大等聯(lián)合團(tuán)隊(duì)[18-19]建立了同時(shí)考慮界面遷移和碳化物析出的碳化物/馬氏體/奧氏體雙界面遷移的QPT-LE 模型，提出了高強(qiáng)塑性馬氏體鋼的增塑策略，揭示了碳化物析出對(duì)碳分配影響的機(jī)制，成為高碳、中碳和低碳的Q-P-T 鋼與QP鋼工藝設(shè)計(jì)的普適模型，為Q-P-T 鋼與QP 鋼的工藝設(shè)計(jì)提供了重要的理論支持。

增塑型DP 鋼（DH）是提升均勻延伸率和總延伸進(jìn)而解決復(fù)雜零件拉延開(kāi)裂的另一個(gè)重要路徑，DH 鋼憑借優(yōu)于DP 鋼的拉延性能被認(rèn)為是DP鋼最佳替代產(chǎn)品。DH 鋼的組織構(gòu)成為在DP 鋼鐵素體+馬氏體雙相的基礎(chǔ)上引入少量貝氏體及殘余奧氏體相，依靠殘余奧氏體在變形過(guò)程中的TRIP 效應(yīng)延遲頸縮發(fā)生，提高鋼板塑性。DH 鋼的化學(xué)成分在DP 鋼的基礎(chǔ)上略有調(diào)整，不會(huì)引起因?yàn)榛瘜W(xué)成分的變化而對(duì)其生產(chǎn)工藝進(jìn)行大幅度的調(diào)整，不影響鋼板產(chǎn)品的制造成本。DH 鋼的化學(xué)成分主要是在C、Si、Mn、Cr、Al 的基礎(chǔ)上加入少量的Nb 和Ti。國(guó)內(nèi)相關(guān)鋼鐵企業(yè)采用硅元素或者鋁元素調(diào)控完成了DH590，DH780 以及DH980 的開(kāi)發(fā)，更高強(qiáng)度的DH 鋼也在開(kāi)發(fā)中[20]。以DH780鋼為例，其斷后延伸率（A50）可達(dá)19%以上，在不損失強(qiáng)度的基礎(chǔ)上大幅度提升了鋼板的拉延性能，其成形性能將明顯好于同級(jí)別DP 鋼，可勝任更多成形復(fù)雜的車身結(jié)構(gòu)件。

QP 鋼和DH 鋼提高了鋼材的拉延性能進(jìn)而提高沖壓合格率的同時(shí)，沒(méi)有解決零件局部成形開(kāi)裂問(wèn)題，即材料的擴(kuò)孔性能沒(méi)有提升，如局部脹形開(kāi)裂、翻邊開(kāi)裂以及剪切邊緣開(kāi)裂的解決材料具有需要高的擴(kuò)孔率，這需要QP 鋼和DH 鋼進(jìn)一步優(yōu)化組織。但傳統(tǒng)DP 鋼的擴(kuò)孔率提升則有較大的空間。通過(guò)退火工藝及微合金化實(shí)現(xiàn)鐵素體和馬氏體的組織調(diào)控，可以有效提升DP 鋼的擴(kuò)孔性能[21]，另外一個(gè)新路徑是在特定產(chǎn)線上，先將兩相區(qū)退火的雙相鋼帶冷制馬氏體，然后在鍍鋅過(guò)程對(duì)馬氏體再回火[22]，實(shí)現(xiàn)鐵素體+馬氏體+回火馬氏體的雙相鋼組織，通過(guò)微合金化對(duì)組織進(jìn)行調(diào)控，實(shí)現(xiàn)鍍鋅雙相鋼的擴(kuò)孔率提升，提高雙相鋼的局部成形性能。

2.1.3 新能源汽車用金屬材料

隨著新能源汽車的發(fā)展，三電系統(tǒng)對(duì)鋼鐵材料提出了新的要求，如作為新能源汽車的心臟的電機(jī)高轉(zhuǎn)速對(duì)硅鋼強(qiáng)度提出了更高強(qiáng)度的要求，新能源汽車變速箱的高瞬時(shí)扭矩對(duì)齒輪鋼也提出了高疲勞的要求。為滿足整車企業(yè)對(duì)無(wú)取向硅鋼的高強(qiáng)度要求，國(guó)內(nèi)多個(gè)鋼廠相繼完成了600 MPa級(jí)電機(jī)硅鋼的開(kāi)發(fā)，其中采用微合金化來(lái)制備高強(qiáng)度硅鋼是路徑之一[23]，驅(qū)動(dòng)電機(jī)高轉(zhuǎn)速?gòu)囊郧暗?0 000 r/mim 提高20 000 r/min，轉(zhuǎn)子的高速運(yùn)轉(zhuǎn)，一方面帶來(lái)轉(zhuǎn)子與定子間隙部位的溫度上升，且高轉(zhuǎn)速的離心力作用對(duì)材料的強(qiáng)度和疲勞性能提出更高的要求，傳統(tǒng)高牌號(hào)硅鋼的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)其強(qiáng)度最高達(dá)到450 MPa 左右，對(duì)高轉(zhuǎn)速定子的應(yīng)用存在一定的安全性問(wèn)題。由于轉(zhuǎn)子的損耗對(duì)電機(jī)總損耗來(lái)說(shuō)占比很低，可以綜合考慮鐵損和強(qiáng)度指標(biāo)，通過(guò)微合金化加入特定的合金元素，通過(guò)固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化綜合措施來(lái)提高硅鋼的強(qiáng)度，同時(shí)適當(dāng)降低電磁性能。電動(dòng)汽車變速箱的高瞬時(shí)扭矩是其固有特點(diǎn)，但其對(duì)齒輪的韌性和疲勞性能提出了更高的要求，高溫滲碳技術(shù)的應(yīng)用，細(xì)晶粒高性能齒輪鋼開(kāi)發(fā)和應(yīng)用成為今后重點(diǎn)發(fā)展方向。目前國(guó)外齒輪制造企業(yè)在960 ℃和1 050 ℃滲碳溫度時(shí)晶粒仍然在9 級(jí)和5級(jí)的水平，節(jié)能效果顯著。

2.2 斷裂卡片及正向選材

2.2.1 碰撞斷裂卡片

斷裂卡片是實(shí)現(xiàn)汽車零件碰撞精準(zhǔn)模擬的前提，近幾年來(lái)幾乎所有的整車企業(yè)都要求原材料企業(yè)提供高強(qiáng)度材料的斷裂卡片數(shù)據(jù)，因而需要開(kāi)發(fā)精準(zhǔn)的斷裂材料卡片，特別對(duì)于熱成形鋼更為重要。在有限元仿真中，常用斷裂失效模型對(duì)熱成形鋼的韌性斷裂進(jìn)行預(yù)測(cè)[24]。目前，常用的斷裂失效模型包含常應(yīng)變模型、Jonson-Cook 模型[25]、GISSMO 模型[26]和MMC 模型[27]，其中Jonson-Cook、GISSMO 和MMC 斷裂失效模型基于損傷理論發(fā)展起來(lái)，模型中考慮了應(yīng)力狀態(tài)對(duì)材料斷裂性能的影響，廣泛地應(yīng)用于熱成形鋼斷裂失效行為的有限元分析預(yù)測(cè)中。2007 年，Bai, Y 和Wierzbicki, T基于Mohr-Coulomb 斷裂機(jī)理[28]，采用應(yīng)力三軸度和Lode 角替換Mohr-Coulomb 模型中的相關(guān)參數(shù)，得到MMC 斷裂失效模型。在汽車碰撞過(guò)程中，汽車零部件應(yīng)變速率變化大，最大達(dá)到500 s-1[29]，且應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，不再是簡(jiǎn)單的拉應(yīng)力或剪應(yīng)力狀態(tài)。而熱沖壓成形零部件作為主要受力體，容易產(chǎn)生大變形，甚至斷裂。目前，針對(duì)熱沖壓成形零部件的變形及斷裂失效行為，常采用LS_DYNA 商用軟件進(jìn)行仿真模擬，用斷裂失效模型表征熱沖壓成形零部件的斷裂失效行為。在汽車碰撞過(guò)程中熱沖壓成形零部件應(yīng)力狀態(tài)變化范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)剪切、單向拉伸、R20-W5 缺口拉伸（缺口處寬度W為5 mm）、R5-W5 缺口拉伸及穿孔5 種試樣進(jìn)行斷裂性能測(cè)試，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力三軸度分別為0、0.333、0.387、0.431、0.666。作 者 對(duì) 比 了 不 含 鈮鍍層1 500 MPa 熱成形鋼及含鈮鍍層1 500 MPa 熱成形鋼的MMC 斷裂失效曲面，并將其作為仿真失效判定依據(jù)，通過(guò)碰撞仿真計(jì)算，不含鈮與馬鋼含鈮的防撞梁的最大塑性應(yīng)變分別為0.447 和0.587，這與兩種材料制備的熱成形防撞梁落錘開(kāi)裂對(duì)比結(jié)果一致。

2.2.2 剪切邊緣開(kāi)裂卡片

零件發(fā)生邊緣開(kāi)裂是金屬材料在沖壓成形過(guò)程中的一種典型的失效模式，其特點(diǎn)是發(fā)生在零件邊緣且承受單軸拉伸應(yīng)變狀態(tài)，其原因是由于落料工藝在料片剪切邊緣產(chǎn)生了機(jī)械損傷或毛刺，使得零件在成形過(guò)程中，沒(méi)有達(dá)到材料潛在的成形極限而提前發(fā)生失效的現(xiàn)象，是原材料企業(yè)通過(guò)EVI 技術(shù)支持的重要方向。目前業(yè)界達(dá)成共識(shí)如下。

a.傳統(tǒng)的V 字型成形極限圖（簡(jiǎn)稱V-FLD）不能預(yù)測(cè)先進(jìn)高強(qiáng)鋼的邊緣開(kāi)裂[30]；

b.提升材料擴(kuò)孔率或改善零件邊緣質(zhì)量，可以有效降低或解決先進(jìn)高強(qiáng)鋼邊緣開(kāi)裂的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)[31]；

c.現(xiàn)有擴(kuò)孔測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)存在不確定性和波動(dòng)性[32]，導(dǎo)致其測(cè)量結(jié)果的可重復(fù)性差，無(wú)法保證材料實(shí)際工程評(píng)價(jià)的客觀性。

為解決這一問(wèn)題，作者提出了“固定行程加載+裂紋有無(wú)判定”來(lái)測(cè)試材料擴(kuò)孔率，可以準(zhǔn)確測(cè)得材料的擴(kuò)孔率。由于材料擴(kuò)孔邊緣與零件邊緣開(kāi)裂位置的應(yīng)變路徑均為單軸拉伸應(yīng)變狀態(tài)[33]，孔外徑邊緣一周始終處于單軸拉伸狀態(tài)且變形為軸對(duì)稱，保證了整個(gè)外徑圓周處于均勻變形狀態(tài)，嚴(yán)格滿足擴(kuò)孔條件下的工程斷裂應(yīng)變，參考相關(guān)研究已經(jīng)證明將內(nèi)徑擴(kuò)孔率代入對(duì)數(shù)公式得到孔邊緣的真實(shí)斷裂應(yīng)變[34-35]的方法，將外徑擴(kuò)孔率帶入對(duì)數(shù)公式，可獲得帶邊緣損傷條件下的真實(shí)斷裂應(yīng)變，肖鋒等[36]在應(yīng)變空間中推導(dǎo)出了3 個(gè)主應(yīng)變?chǔ)?、ε2和ε3的數(shù)學(xué)表達(dá)式，最終得到了等效塑性應(yīng)變成形極限圖，形成了新的材料卡片，該卡片準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了相關(guān)主機(jī)廠的零件剪切邊緣開(kāi)裂，為合理選材和零部件及模具設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)，解決了高強(qiáng)度鋼冷成形的剪切邊緣開(kāi)裂問(wèn)題。

2.2.3 正向選材

“合適的材料放在合適的地方”一直是近年來(lái)汽車選材的主要思路，但在實(shí)際操作中并沒(méi)有一套系統(tǒng)的可操作的邏輯和流程，主要是基于經(jīng)驗(yàn)和對(duì)標(biāo)，不易保證選材的合理性。近年來(lái)，為推進(jìn)車身選材的EVI 服務(wù)，蒂森克虜伯推出了“WeKo-Ka”車身選材方法，對(duì)零件的功能要求進(jìn)行分析和打分，采用材料評(píng)估雷達(dá)圖和零部件評(píng)估雷達(dá)圖對(duì)零件選材進(jìn)行匹配，并結(jié)合材料數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)定義零件的材質(zhì)、板厚和鍍層信息。寶鋼開(kāi)發(fā)一款“寶鋼慧選材”的APP，詳細(xì)提供了各典型零件選材的材料信息。車身選材必須將材料特性與整車、車身及零部件的特性關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)定量或半定量的邏輯匹配，才能實(shí)現(xiàn)正向選材。本文作者在車身環(huán)狀結(jié)構(gòu)的框架上，在新斷裂卡片及成形卡片的基礎(chǔ)上，與上下游單位聯(lián)合開(kāi)發(fā)了“汽車車身的正向選 材 系 統(tǒng)（Material Intelligent Selection System，MISS）”[37]，該系統(tǒng)從零部件的抗侵入、吸能、剛度及耐久4 個(gè)性能需求維度，拉延、脹形、彎曲脹孔及剪切邊緣、回彈4 個(gè)成形維度以及1 個(gè)成本維度合計(jì)9 個(gè)維度，結(jié)合材料特性進(jìn)行材料推薦[38]，并可給出基于性能最優(yōu)、成本最低、輕量化及制造難度4 種選擇的車身材料方案。

2.3 低碳排放技術(shù)

隨著國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略的實(shí)施，汽車行業(yè)的“碳達(dá)峰、碳中和”提上了日程，汽車原材料的碳排放至關(guān)重要，如當(dāng)前新能源汽車材料生產(chǎn)階段排放將占汽車全壽命周期排碳45%，2040 年將占85%左右。因而，我國(guó)多個(gè)原材料企業(yè)和零部件企業(yè)緊跟國(guó)家的“雙碳”的戰(zhàn)略部署，及時(shí)制定了雙碳的時(shí)間表。以寶鋼為例，2023 年寶鋼將實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2025 年實(shí)現(xiàn)碳中和。實(shí)現(xiàn)從原材料端到生產(chǎn)制造端，再到使用端的深度協(xié)同降碳，積極開(kāi)展汽車產(chǎn)品全生命周期的碳足跡評(píng)價(jià)，滿足整車企業(yè)的低碳排放原材料要求。開(kāi)發(fā)和提供低碳足跡原材料及成套解決方法已成為EVI 的最新方向。

現(xiàn)將低碳排放汽車鋼及零部件的路徑簡(jiǎn)述如下。

a.采用氫冶金技術(shù)[39]減少化石燃料使用，降低碳排放；

b.通過(guò)短流程替代傳統(tǒng)鋼材制備工藝降碳；c.通過(guò)開(kāi)發(fā)高性能的鋼材來(lái)提高零件的成品率、使用壽命、材料利用率降低碳排放；

d.通過(guò)開(kāi)發(fā)高性能的鋼材及制造工藝實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步輕量化來(lái)減少鋼材使用、運(yùn)輸，進(jìn)而降低碳排放，同時(shí)輕量化降低汽車使用過(guò)程的碳排放；

e.采用鋼材及熱處理工藝優(yōu)化結(jié)合，降低材料及零件制備過(guò)程的碳排放，如高溫滲碳齒輪、TMCP 生產(chǎn)工藝、非調(diào)制鋼生產(chǎn)工藝等；

f.采用廢鋼循環(huán)再生制備鋼鐵。

低碳排放鋁合金材料碳排放降低路徑除了輕量化和鑄造工藝優(yōu)化[40]以外，主要是采用水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的綠電代替火電實(shí)施二次鋁或二次鋁與電解鋁混合制備汽車零部件，可降低碳排放50%～80%，但需要調(diào)控再生鋁合金中的雜質(zhì)，尤其是要降低鐵雜質(zhì)的有害作用，需要采用新型的細(xì)化劑或變質(zhì)劑。

3 EVI工藝技術(shù)創(chuàng)新

3.1 熱成形門環(huán)[41]

熱成形門環(huán)是指將車身A 柱、B 柱、門檻梁和車頂邊梁設(shè)計(jì)成一個(gè)封閉的整體式零件，進(jìn)而進(jìn)行熱沖壓成形。熱沖壓成形門環(huán)可提升汽車被動(dòng)安全性能，基于熱成形用鋼和激光拼焊技術(shù)的一體成形門環(huán)，在碰撞管理方面優(yōu)勢(shì)明顯。采用熱成形門環(huán)有利于提升安全性能，在發(fā)生碰撞事故后更能成功打開(kāi)駕駛室門。目前公開(kāi)使用門環(huán)的有2014 年本田謳歌MDX、2016 年克萊斯勒大捷龍Pacifica、2018 年的Acura RDX、2019 年道奇Ram 1500 車型等。謳歌MDX 熱成形門環(huán)通過(guò)坯料排樣優(yōu)化，材料利用率從53%提高至63%，并實(shí)現(xiàn)單車減重3.1 kg。Acura RDX 車型熱成形內(nèi)門環(huán)和外門環(huán)分別采用5 塊坯料和4 塊板料的TWB，內(nèi)外門環(huán)都包括門檻梁，通過(guò)使用熱沖壓門環(huán)，可以進(jìn)一步降低零件厚度并減輕質(zhì)量，相較于上一代車型實(shí)現(xiàn)減重19 kg，此門環(huán)系統(tǒng)還可被用于Pilot 和Odyssey 兩款車型中。但熱成形門環(huán)由于零件較大，若采用非涂層熱成形鋼，在拋丸工序時(shí)易造成零件的變形，影響尺寸精度。若采用涂層熱成形鋼，在激光拼焊工藝時(shí)，需進(jìn)焊縫位置的激光或機(jī)械剝離工藝，也會(huì)造成一定程度上的成本增加，這些也是原材料企業(yè)和零部件企業(yè)開(kāi)展EVI 的方向。

3.2 商用車熱成形上裝及熱成形車輪[2,41]

采用熱沖壓成形制備商用車上裝以及車輪可以實(shí)現(xiàn)有效減重，作為一個(gè)全新的技術(shù)，盡管存在零件及總成設(shè)計(jì)、熱成形裝備開(kāi)發(fā)、零件疲勞及氫脆問(wèn)題、焊縫強(qiáng)度低、鋼材的淬透性不足、及零件耐磨性需提高一系列技術(shù)難點(diǎn)，但得到商用車上下游的廣泛關(guān)注。作者參與開(kāi)發(fā)的熱成形倉(cāng)柵車上裝和自卸車上裝可實(shí)現(xiàn)減重20%～50%，制造成本不增加或在可以接受的范圍內(nèi)。另外，商用車熱成形車輪的開(kāi)發(fā)及驗(yàn)證也取得了進(jìn)展[42]，常規(guī)鋼制商用車車輪（22.5×9.00）質(zhì)量為44～46 kg，最輕冷成形高強(qiáng)度鋼制車輪質(zhì)量為34～36 kg。開(kāi)發(fā)的熱沖壓成形車輪質(zhì)量可降至26～28 kg，接近同型號(hào)鍛造鋁合金車輪的質(zhì)量（23～25 kg）。對(duì)于22.5×8.25的商用車車輪，同規(guī)格的鋼制車輪主流產(chǎn)品質(zhì)量是34.5 kg，最輕的冷成形高強(qiáng)度鋼制車輪質(zhì)量為31 kg，熱沖壓成形車輪質(zhì)量可減輕到23 kg。目前熱成形車輪已經(jīng)完成部分整車企業(yè)的搭載路試驗(yàn)證[42]，有望批量應(yīng)用。

3.3 鋁合金一體化下車體

采用鋁合金大型結(jié)構(gòu)件一體化成形技術(shù)集成產(chǎn)品，取代原有構(gòu)件沖壓及焊接結(jié)構(gòu)件，將多個(gè)零件集成設(shè)計(jì)成一個(gè)，減少工藝環(huán)節(jié)，提高制造效率及產(chǎn)品質(zhì)量一致性。特斯拉Model Y 實(shí)現(xiàn)了后車體70 個(gè)零部件壓鑄成1 個(gè)零部件工藝創(chuàng)新，將下車體總成質(zhì)量降低30%，與原設(shè)計(jì)方案對(duì)比其制造成本因此下降40%。目前一體化鋁合金下車體總成開(kāi)發(fā)和應(yīng)用已成為新能源汽車關(guān)注的重要方向，但仍需要注意一下問(wèn)題。

a.目前已在運(yùn)行及正在布局的一體化鑄造島已經(jīng)達(dá)20 臺(tái)套以上，均為6 000 t 以上，需避免產(chǎn)能過(guò)剩；

b.一體化鋁合金下車體替代原始鋁合金方案有較高的優(yōu)勢(shì)，但替代鋼制方案存在成本增加以及碳排放增加過(guò)高的問(wèn)題，需要開(kāi)展研究；

c.一體化鋁合金下車體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)難度較大，是零部件企業(yè)EVI 的重點(diǎn)。

4 超高強(qiáng)度鋼零件的氫脆

在近幾年，隨著980 MPa 以上的DP 鋼、Q&P鋼、DP 鋼的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，以及1 500 MPa 的熱成形鋼的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，1 000 MPa 以上的沖壓零件、緊固件等在汽車上應(yīng)用越來(lái)越多，這些零件的氫脆成為了共性問(wèn)題。到2016 年，關(guān)于氫致延遲斷裂論文已有近4 萬(wàn)篇，尤其是近年來(lái)，每年關(guān)于這一主題的論文都有數(shù)百篇，大量發(fā)表的論文也表證，氫致延遲斷裂的研究課題的復(fù)雜性。除了氫強(qiáng)化脫聚效應(yīng)（Hydrogen-Enhanced DEcohesion, HEDE）機(jī)制[43]、氫增強(qiáng)局部塑性變形（Hydrogen-Enhanced Local Plasticity,HELP 機(jī)制）[44]以及氫增強(qiáng)應(yīng)變誘發(fā)空位（Hydrogen Enhanced Strain Induced Vacancy,HESIV）機(jī)制[45]外，Xie DG 等[46]除了位錯(cuò)發(fā)射促進(jìn)氫在裂紋尖端形成小角度裂紋，鈍化裂紋尖端更容易沿著氫氣氛形成的小角度裂紋再次開(kāi)裂的機(jī)制，有助于氫致延遲斷裂的進(jìn)一步理解。本文作者結(jié)合抗氫脆熱成形鋼的開(kāi)發(fā)提出了氫增強(qiáng)局部塑性及氫強(qiáng)化脫聚效應(yīng)相結(jié)合的機(jī)制（HELP+HEDE）來(lái)解釋熱成形鋼的氫脆開(kāi)裂，并在此基礎(chǔ)上提出了超高強(qiáng)度鋼零件氫脆的四個(gè)觸發(fā)條件和解決方案[41]。

4.1 抗氫脆熱成形材料

熱沖壓成形零件的氫致延遲斷裂主要體現(xiàn)在零件成形后放置開(kāi)裂、零件抽樣加載檢測(cè)后放置開(kāi)裂、使用過(guò)程受外力開(kāi)裂，與材料制造和零件制造過(guò)程的氫進(jìn)入、原材料的成分及組織、以及使用工況等有關(guān)。為解決這一問(wèn)題，相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和鋼鐵企業(yè)先后開(kāi)發(fā)了鈮微合金化熱成形鋼[47-49]、鈮釩復(fù)合微合金化熱成形鋼[50-51]、釩微合金化熱成形鋼[52]、以及薄鍍層熱成形鋼[10]，包括冷軋、熱軋以及鍍層熱成形鋼，強(qiáng)度范圍在1 500～2 000 MPa 之間，在這些抗氫脆熱成形鋼的基礎(chǔ)上，通過(guò)鋼鐵冶煉及退火和軋制過(guò)程的氫含量控制、奧氏體化爐的露點(diǎn)控制、奧氏體化溫度及時(shí)間控制[41]實(shí)現(xiàn)熱沖壓成形零件氫脆傾向的最小化。隨著材料強(qiáng)度的不斷升高、使用工況不斷增加，此類零件的氫脆還需要深入的研究，如1 800～2 000 MPa 級(jí)熱成形零件在0.9 倍屈服強(qiáng)度預(yù)載荷下0.1 mol HCl 浸泡的恒載荷彎曲試驗(yàn)出現(xiàn)300 h 內(nèi)開(kāi)裂，1.1 倍屈服強(qiáng)度預(yù)載荷下0.1 mol HCl 浸泡10～20 h 開(kāi)裂，這是是鋼鐵企業(yè)開(kāi)展EVI 的重要方向之一。

4.2 抗氫脆冷成形材料

冷沖壓成形零件的氫脆主要表現(xiàn)在零件下料后成形過(guò)程開(kāi)裂、零件成形后放置開(kāi)裂、零件抽樣加載檢測(cè)后放置開(kāi)裂、服役過(guò)程受外力開(kāi)裂等，如1 000 MPa 以上鍍鋅鋼板下料后1～3 天沖壓成形，出現(xiàn)零件邊緣開(kāi)裂，這與1 000 MPa 以上鋼板沖孔后室溫停留48～72 h 進(jìn)行沖孔實(shí)現(xiàn)得到擴(kuò)孔率下降達(dá)30%～35%有關(guān)，說(shuō)明超高強(qiáng)度鋼板在受到外部載荷發(fā)生變形以及機(jī)械損傷后，存在氫致延遲開(kāi)裂現(xiàn)象。初步的解決方案如下。

a.優(yōu)化成分設(shè)置納米級(jí)氫陷阱；

b.在材料制備過(guò)程降低可擴(kuò)散氫含量；

c.優(yōu)化材料制備工藝，采用低溫回火工藝獲得回火馬氏體；

d.優(yōu)化零件制備工藝，采用低溫回火去氫；

e.縮短下料及成形間隔時(shí)間；

f.采用帶殘余奧氏體組織的超高強(qiáng)度鋼。這些問(wèn)題及方案還有待于原材料企業(yè)、零部件企業(yè)和整車企業(yè)共同開(kāi)展研究。

5 未來(lái)展望

隨著汽車市場(chǎng)需求的變化及汽車產(chǎn)品的更新?lián)Q代，整車企業(yè)對(duì)材料和工藝提出了更高的要求，需要原材料企業(yè)和零部件企業(yè)不斷開(kāi)發(fā)新材料和新工藝，并開(kāi)展EVI 服務(wù)支持下游的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，可以預(yù)見(jiàn)當(dāng)前和未來(lái)的EVI 重點(diǎn)主要側(cè)重在以下方面。

a.高強(qiáng)韌性抗氫脆熱成形鋼的開(kāi)發(fā)，以及解決零件碰撞、氫脆一系列問(wèn)題，并逐漸在熱成形門環(huán)、商用車上裝、商用車車輪應(yīng)用。

b.Q&P 鋼、DH 鋼等新鋼種的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用研究，以及1 000 MPa 及以上的鋼板，尤其是鍍鋅鋼板的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。

c.新能源汽車需求的高性能高強(qiáng)度硅鋼、齒輪鋼、螺栓鋼的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用研究。

d.高精度材料卡片的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用研究，尤其是斷裂卡片和成形卡片，進(jìn)一步提升汽車碰撞模擬以及成形模擬的精度。

e.低碳排放汽車鋼、低碳排放鋁合金材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用研究，尤其是一體化鋁合金下車體、再生鋁合金材料及零件、短工藝流程汽車鋼及零件的開(kāi)發(fā)等，并相應(yīng)開(kāi)展材料及零件的碳足跡測(cè)算。

f.在新材料新工藝以及高精度卡片的前提下的正向選材的研究，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)“合適的材料用在合適的地方”。