1 高强度钢分类
1.1 按强度分类
国际钢铁协会依据屈服强度来进行分类，把屈服强度处于 210 到某个范围之间的钢称作高强度钢，把屈服强度高于某个值的钢称作超高强度钢。日系汽车通常按抗拉强度进行分类，将抗拉强度处于 340 到某个范围之间的钢定义为高强度钢，把抗拉强度高于某个值的钢定义为超高强度钢。
1.2 按强化机理分类
高强度钢依据强化机理的差异，可分成普通高强度钢与先进高强度钢。普通高强度钢的主要强化手段为固溶强化、析出强化以及细化晶粒等。普通高强度钢主要涵盖高强度无间隙原子钢、各向同性钢、烘烤硬化钢、低合金高强度钢、含磷高强度钢、碳锰钢等。先进高强度钢主要借助相变来实现强化，其组织中包含马氏体、贝氏体和残余奥氏体。先进高强度钢强塑积较高，轻量化潜力更大。汽车用的先进高强度钢主要包含双相钢、复相钢、相变诱发塑性钢、马氏体钢、孪晶诱发塑性钢、淬火配分钢、热冲压硼钢、中锰钢等。
1.3 按发展历程分类
先进高强度钢按照发展历程可分为第一代先进高强度钢，也可分为第二代先进高强度钢，还可分为第三代先进高强度钢。第一代先进高强度钢以铁素体为基体，其中包含双相钢、多相钢、相变诱发塑性钢以及马氏体钢等；第二代先进高强度钢以奥氏体为基体，包含孪晶诱发塑性钢、轻质诱发塑性钢和剪切带强化钢等；第三代先进高强度钢从多相化、亚稳化、多尺度化等方面对微观组织进行调控，包含淬火配分钢、中锰钢等。
2 高强度钢成形技术
2.1 冷冲压成形
冷冲压成形是在室温条件下进行的。它利用凸模对金属板料施加外力。这种外力能使板料按照预定的形状发生分离或塑性变形。它是一种传统的板料成形工艺[5]。分离工序包含落料、冲孔、剪切。成形工序包含弯曲、拉深、翻孔、翻边、胀形、扩口、缩口等。它还适用于地板等。冷冲压成形技术的发展趋势为：冲压材料从软钢和普通高强度钢拓展至先进高强度钢；冲压设备采用大型多工位压力机；自动化智能柔性冲压生产线替代了半机械化流水生产线[6]。与传统冷冲压相比较而言，高强度钢在冷冲压成形过程中存在冲压成形性不佳、回弹情况严重以及冲压模具受力状况恶劣等问题[7]。为了克服这些缺陷，一方面要对冷冲压成形工艺进行优化改进，另一方面还需要开发新的高强度钢成形技术。
2.2 热冲压成形
热冲压成形是这样一种技术：先将钢板加热，使其内部金相组织完全奥氏体化，接着进行高温冲压，然后在保温状态下用模具冷却，促使零件内部的奥氏体组织转变为马氏体，最终得到具有高抗拉强度的零件。热冲压成形的工艺原理如图 1 所示[8]，主要包含落料、加热、转移、热冲压、模具淬火等步骤。
图1 热冲压成形工艺原理
减重效果较为明显，使用热冲压件能使板材的厚度减少 30%以上[9]。
热冲压成形技术的发展趋势包含变厚度、变强度以及低温化。热冲压材料从等厚板开始向变厚板演进，变厚板涵盖轧制差厚板、激光拼焊板、补丁板等。热冲压零件的性能从等强度朝着性能梯度分布的方向发展，而实现热性能梯度分布热冲压成形技术的方式有控制钢板初始加热温度、模具冷却速度，以及改进模具材料和模具与成形件的接触面积等。性能梯度分布热冲压成形对精确成形有着重要作用，对轻量化有着重要作用，对高性能有着重要作用，对短流程有着重要作用，对低成本有着重要作用，对环境友好有着重要作用，是热冲压成形技术发展的重要方向[10]。
传统热冲压成形与之相比，低温预冷热冲压成形增添了预冷工序，就如在图 2 中所展示的那样。研究显示，运用钢进行低温预冷热冲压生产出的 B 柱，其零件厚度的分布情况、力学性能以及显微组织都要比传统热冲压工艺更为优越。并且，这样做还能够降低模具的淬火温度，以此来提升模具的寿命，同时也能够缩短冲压周期，进而提高生产效率[11]。
图2 低温预冷热冲压成形
中锰钢温成形技术在获得抗拉强度时，其加热温度能降低到 800℃，相比传统热冲压成形工艺降低了 150℃。它的微观组织明显细化，表面没有明显脱碳，塑性明显提高[12]，断后伸长率提高 30%以上，并且还能同时提高零件的表面质量[13]。
2.3 辊压成形
辊压成形是将卷材和带材进行加工的一种成形工艺。通过多组顺序配置且渐变的成形轧辊，不断对其进行横向弯曲，从而加工成所需的特定断面零件。辊压成形工艺原理如图 3 所示。其十，生产过程噪音低污染小。
图3 辊压成形工艺原理
辊压成形技术的发展方向包含：等截面辊压成形正朝着变截面柔性辊压成形的方向发展，传统冷辊压成形在向热辊压成形转变。变截面柔性辊压成形技术成功克服了等截面零件所存在的应用局限，能够生产出变截面的复杂零件，进而扩大了辊压成形技术的应用范围。其中，图 4 为三维柔性辊压设备，图 5 为变截面柔性辊压成形零件，该零件的截面尺寸在宽度和深度方向上是可以变化的[16]。
图4 柔性辊压设备
图5 变截面柔性辊压成形零件
热辊压成形工艺能够提升高强度钢纵截面形状的尺寸精度。从图 6 可以看出，室温 25℃冷辊压成形与 600℃热辊压成形的方管纵截面弯曲度存在变化对比。方管的长度是固定的，其标准高度为 40mm，两端最大翘曲处与标准高度之间的距离就是方管的弯曲度。25℃时进行冷辊压成形，方管两端的翘曲高度分别是 6.02mm 和 6.62mm；在 600℃下进行热辊压成形，方管两端位置的翘曲高度分别为 0.74mm 和 0.71mm，并且方管的纵截面弯曲度得到了显著的改善[17]。
图6 高强度钢方管纵截面弯曲度
2.4 液压成形
液压成形依据金属坯料的差异高强度钢材应用技术，能够分成管材液压成形、板材液压成形、壳体液压成形这三类。其中，管材液压成形通常又被称作内高压成形，它是以管材当作坯料，在内部压力以及轴向补料共同作用之下，把管材塑造成为所需形状的一种先进制造技术[18]。与冲焊件相比，它可减重 15%-30%，还可大幅提高零件的刚度和疲劳强度。
在高精度、复杂形状、薄壁曲面件的成形方面，板材液压成形显示出巨大潜力。板材液压成形新技术包含多种类型。其中有径向主动加压充液拉深。还有预胀充液拉深。以及正反向加压充液拉深。另外有双板成对液压成形[21]。也有板材充液热成形[22]。还有板材充液冲击成形等[23]。
图7 管材液压成形工艺过程
壳体液压成形需在封闭壳体内充满液体介质，然后通过加压系统向封闭壳体施加内压，这样能让壳体产生塑性变形并逐渐趋向于目标壳体，这是一种成形方法[24]。壳体液压成形又称为无模液压胀形，它不需要模具和压力机，属于高柔性、低载荷、低投入且高效率的成形技术。壳体液压成形先是从单层球形容器开始发展，接着发展到双层球壳，然后又发展到不等厚球壳，再发展到椭球壳，之后发展到环壳，最后发展到多面壳体等[25]。典型的壳体液压成形零件如图 8 所示[26]。
图8 壳体液压成形零件
2.5 变厚板
变厚板包含轧制差厚板、激光拼焊板、补丁板等种类。轧制差厚板是这样生产出来的：实时对轧机的轧辊缝隙进行调整，从而得到一种厚度连续变化的变截面钢板。轧制差厚板的工艺原理如图 9 所示[27]。轧制差厚板没有焊缝和焊点，其厚度变化均匀，表面质量较好，在厚度变化区的连接强度较高。轧制差厚板适用于某些零件，这些零件需要局部加强、厚度减薄以及提高材料等级。通过使用轧制差厚板，零件的重量能够显著降低。图 10 展示了五段式和三段式差厚仪表板管梁的示意图。五段式和三段式方案都能够满足仪表板管梁的性能要求。其中，五段式方案的轻量化效果最为优秀，减重幅度达到了 13.18%。而三段式方案便于进行轧制以及过程控制，其减重幅度为 8.1%[28]。
图9 轧制差厚板工艺原理
图10 五段式和三段式差厚仪表板管梁
激光拼焊板采用激光焊接技术，将不同表面处理、不同钢种、不同厚度的钢板组合成毛坯件[29]。起初是为了提供超大尺寸坯料，以解决市场现有钢板尺寸不足的问题。它可以具备不同的厚度、材质和表面涂层，能够减少零件数量，减轻零件质量，降低生产成本，提高材料利用率，增强结构的整体性和尺寸精度[30]。图11是采用激光拼焊板生产的一体式热冲压门环。
图11 激光拼焊一体式热冲压门环
补丁板通常通过点焊的方式，把两种形状尺寸不同的钢板进行焊接，然后再进行热冲压成形[31]。补丁板热冲压成形这项技术，一方面能够提升车身的性能，另一方面还可以降低重量和制造成本，是实现车身轻量化的一项先进技术。某车型前纵梁后段是采用补丁板热冲压成形技术生产出来的，如图 12 所示。
图12 前纵梁后段
3 高强度钢在车身轻量化上的应用
3.1 国际钢铁协会轻量化车身项目
国际钢铁协会为推进高强度钢在汽车上的应用，组织开展了多个项目。其中有超轻钢制车身（ULSAB）项目，还有先进概念车超轻钢制车身计划（ULSAB-AVC）项目以及未来钢制汽车（FSV）项目等。ULSAB 项目的主要目标包括减小车身质量，提高结构强度，提升安全性，简化制造工艺以及降低生产成本。ULSAB 的车身重量为 203kg，它与对标车相比减轻了 25%。其高强度钢的应用比例是 91%，冷冲压成形的应用比例为 42.8%，激光拼焊板的应用比例是 44.9%，液压成形比例为 9.3%。ULSAB-AVC 通过对车辆进行整体设计，从而实现了车身的轻量化，并且高强度钢的应用比例达到了 97%。在成形技术领域，有一部分零件采用了激光拼焊板，这部分零件占比在 30%以上；还有一部分零件采用了液压成形技术，其占比在 20%以上。
FSV 项目表明先进高强度钢具备达到碰撞安全五星评价要求的能力，还能降低车辆在整个使用周期内的总排放量，并且可以在不增加成本的情况下实现轻量化。FSV BEV 在车身结构方面大量运用高强度钢，其高强度钢的应用比例达到 97.4%，与对标车相比，重量减少了 25%。FSV 项目运用了热冲压成形这一技术，其应用比例为 59%；同时还运用了液压成形技术，应用比例为 59%；也运用了辊压成形技术，应用比例为 59%；并且运用了激光拼焊板技术，应用比例为 59%；另外还运用了变截面轧制差厚板技术，应用比例为 59%。
3.2 安赛乐米塔尔S-in 项目
S-in 通过先进高强度钢轻量化解决方案，能够在保持甚至提高碰撞安全性的同时实现减重，并且减重具有高性价比，以此来推广安赛乐米塔尔高强度钢在汽车上的应用。S 是 Steel 的英文首字母，意为钢铁材料能为汽车用户提供安全、轻量化、低成本且满足可持续发展的全面解决方案[32]。安赛乐米塔尔在汽车板领域的优势体现在激光拼焊板上。S-in 项目提供了多种车身轻量化解决方案，其中包括激光拼焊前纵梁、激光拼焊上纵梁以及激光拼焊一体式热冲压门环。车身材料选用了 DP780、DP980、CP800 等高强度钢。北美市场典型中高级轿车是个例子。对标车型的高强度钢应用比例是 68%。通过 S-in 解决方案，像图 13 展示的那样，高强度钢的应用比例提升到了 74%。这样就能实现 100kg 的车身减重。减重比例达到了 28%。
图13 S-in 轿车解决方案
3.3 蒂森克虏伯InCAR项目
表1 InCAR B柱解决方案与对标车对比
InCAR 项目是蒂森克虏伯的轻量化解决方案。该项目对车身、悬架、动力总成这 3 大系统的 16 个主要部件进行了轻量化设计。针对每一个部件，都给出了 1 种以上的解决方案。每一种解决方案都标明了对标车的用材和重量。用户可以根据应用目的、生产和工艺条件来选择不同的解决方案。同时，InCAR 解决方案的用材、重量、成本和排放情况也可供参考。表 1 是 InCAR 项目 B 柱解决方案与对标车的对比。对标车使用的是厚度为 2.2mm 和 2.0mm 的 DP-W600 钢。InCAR 提供了 6 种不同的 B 柱方案，每种方案所使用的用材不同，其减重、降本和减排的效果也不一样，用户能够依据自身的情况来选择使用。
3.4 浦项PBC-EV项目
浦项电动汽车概念车身项目是 PBC-EV。它通过采用先进高强度钢、优化工程设计以及先进成形技术来实现轻量化目标。PBC-EV 的白车身材料分布图如 14 所示[33]，其中高强度钢的应用比例为 65%，车身重量从 296kg 减轻到 218kg，减重比例达到 26.4%。PBC-EV 在实现轻量化的同时，也提高了安全性。
图14 PBC-EV白车身材料分布情况
3.5 宝钢超轻白车身项目
宝钢超轻白车身（Car Body，BCB），是宝钢依据汽车设计流程和规则，将新材料、新工艺以及新结构优化技术进行整合后完成的白车身高强度钢材应用技术，就如 图 15 所展示的那样。BCB 白车身的重量为 284kg，其轻量化系数是 2.7。车身材料全部采用宝钢的第一、第二代以及第三代先进高强度钢，其中包含了最新开发的一些新材料，高强度钢的应用比例达到 77%。采用激光拼焊板这种先进成形技术。
图15 宝钢超轻白车身
3.6 欧洲车身会议高强度钢应用
欧洲车身会议（ECB）是车身轻量化领域的顶级峰会。它展示了白车身的最新设计理念以及轻量化技术的应用成果，还代表着全球汽车车身的发展趋势。统计近十年（2009 - 2018 年）ECB 车身材料的应用情况，其中钢材的应用比例为 76.1%，铝合金的应用比例为 19.6%，其余材料的应用比例为 4.3%。由此可以看出，钢材是车身轻量化的主要材料。对钢材的应用情况进行进一步分析。在 2009 年到 2018 年期间，ECB 车身钢材的应用变化曲线如图 16 所呈现。软钢以及普通高强度钢的应用比例呈现出波动下降的态势。先进高强度钢的应用比例则呈现出波动上升的趋势。这说明高强度钢，尤其是先进高强度钢，在车身轻量化的应用方面具备很大的发展潜力。
图16 ECB车身钢材应用变化曲线（2009-2018）
4 结论
车身轻量化可以实现节能减排。高强度钢具有强度高、成本低以及疲劳耐久性和碰撞安全性高的特点，所以它成为了车身轻量化的主要材料。而高强度钢成形技术对于其在车身轻量化方面的应用起着关键作用。变厚板成形是高强度钢成形技术的重要方向。高强度钢及其成形技术在国内外多个轻量化项目中被广泛应用。它在减重降本方面有明显优势，能节能减排，还能提高安全性和可靠性。随着高强度钢新材料及先进成形技术的发展，高强度钢必然会在车身轻量化应用中发挥更大作用。
END
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