張楠 田志凌 潘輝 鄭江鵬 侯曉東

（1.鋼鐵研究總院，北京100081；2.首鋼技術研究院，北京100041；3.東莞材料基因高等理工研究院，東莞523808）

主題詞：鋼 輕量化 商用車 EVI

0 序言

近年來隨著商用汽車產業的快速發展，對于汽車承載能力、使用壽命、節約能源以及材料升級切換等方面的要求越來越高，熱軋汽車結構用鋼板的研究也在不斷創新中發展。商用半列掛車主要承載部件如縱梁、車橋以及車輪等，在車輛道路行駛過程中近乎承擔了車輛整備質量和道路運輸貨物的全部重量，其動載力學性能對商用半掛車道路行駛安全性和使役壽命極為重要[1-3]。近年來，憑借高強度和優良的綜合力學性能，熱軋汽車結構用高強鋼板的研發取得長足進展[4-5]，并成功躋身商用車用鋼市場。眾多鋼鐵企業以商用車重點動載結構件（如：縱梁、車輪、沖焊橋殼等）為切入點，從用戶設計需求中來，到用戶產品應用中去，期間為用戶提供全套新車型開發過程中新材料的選擇方案以及先進成形工藝，并給出具體部件優化設計和分析解析的“材料優選+技術支持”的全套技術支持[6]。目前，該全套技術支持方式已經成為鋼鐵產品打入商用車市場不可或缺的先期介入模式（Early Vendor Involvement），即EVI模式。從而鋼鐵企業陸續開發了不同規格的高強度低合金汽車結構鋼，尤其是近年來研發的屈服強度700 MPa 及以上高強度低合金鋼，在實現低成本生產高強度板材的同時還明顯減輕了車身質量，在商用車輕量化技術領域應用廣泛[7]。

1 商用半掛車用鋼的應用現狀

1.1 縱梁用微合金化高強度鋼

1.1.1 國內研發現狀

早在20 世紀50 年代末60 年代初，我國解放牌汽車上采用了普通低合金鋼16Mn 材料制造汽車大梁。在此后的20 年里，16MnL、10Ti、09SiV 和T52L 也逐步開發成功。伴隨國內汽車技術的發展及國外汽車技術的引進，汽車大梁板的需求不斷擴大，寶鋼在80年代末率先引進了日本和德國的鋼板制造技術，開發出SAPH 系列和QSTE 系列，并在90 年代初自主研發了含鈮熱軋大梁鋼B510L，在國內得到了廣泛應用。隨后，鞍鋼開發了含鈮A510L 及鈮-鈦復合QSTE 系大梁鋼；攀鋼根據其合金元素資源，開發含錳-釩的大梁鋼P510L。目前國內汽車大梁用熱軋低合金高強度鋼板有錳鋼、錳-稀土系、硅-釩系、錳-釩系、錳-鈦系、和錳-鈮系，但抗拉強度僅有390 MPa 級和500 MPa級。

截至2015年末，我國商用車廠商最常用的半掛車車架選用鋼板強度等級依舊以500 MPa 級為主，應用占比到達了60%～65%。相對載質量利用系數相近的歐美車型，主梁材料早已選擇強度等級700 MPa 的鋼板，甚至800 MPa 級別的鋼板也在某些車型上得到了應用。半掛車縱梁輕量化主要是通過高強度鋼材替換原有縱梁材料，以700 MPa 級微合金化高強汽車結構鋼替代原500 MPa 級常規鋼板，可實現49 t 滿載設計的半掛車車架縱梁質量降低160～280 kg，實現車架質量降低12%～18%，顯示了良好的減重效果。為實現半掛車車架的有效減重，國內眾多商用車企業開始嘗試以700 MPa 級微合金化高強鋼來切換原有材料，但在剪切下料和后續焊接時，普遍遇到了板帶下料的翹曲變形和焊后強度不足及疲勞失效的問題，這些均需要通過材料成分設計、軋制工藝優化、焊接成形工藝試驗以及車架的耐久性分析測試等來解決。

代表性的700 MPa級熱軋汽車結構用鋼采用微合金化技術思路，配合控軋控冷（TMCP）工藝，得到了貝氏體（B）+鐵素體（F）+M/A 的室溫組織，晶粒細小，其彎曲性能、低溫沖擊韌性、表面質量和板形良好，延伸率控制在18%～24%之間[8]。目前，國內鋼企已通過在生產中添加微合金元素以及TMCP 技術生產出系列700 MPa級熱軋汽車結構用鋼。寶鋼作為中國鋼鐵業的龍頭企業，早在2000年就在國內率先研發了熱軋新品種BS700MC。該鋼采用低碳設計，嚴控S 含量和P含量，配合加入Nb、Ti、Mo復合微合金元素，通過精軋后的快速水冷過程實現相變強化，在570～600 ℃卷曲后緩冷，實現析出強化并進一步提高鋼的強度。兩階段軋制配合Nb 的添加，可實現鋼坯在較高的溫度下進行再結晶區軋制以得到變形奧氏體的細小組織，同時在相對更高的溫度下進行非再結晶區軋制以累積奧氏體晶粒內的變形儲能，為后續卷曲的析出過程提供條件，最后得到的高強鋼具有強度高、韌性佳、冷成形性優良、焊接性好等諸多優點[9]。在高強鋼研究方面武鋼與北京鋼研院合作研制出屈服強度700 MPa級熱軋汽車大梁鋼WL700。其采用較低的C-Mn 成分設計，將Nb、Ti 微合金化技術和潔凈鋼生產技術及相變強化相結合，將溶解于奧氏體組織中能使C-N化合物在熱軋冷卻過程中被充分彌散析出來釘扎熱機械軋制過程中奧氏體的晶界，達到晶粒細化作用。該工藝生產的鋼不僅具有較高的強度和塑性的平衡，同時還具有良好的韌性[10]。目前已經批量應用于東風商用車、江淮汽車等廠家制造的重卡縱梁領域。鞍鋼也經過多年的技術攻關，在700 MPa 級熱軋汽車大梁鋼A700L 上取得了重大突破，該鋼種采用C-Si-Mn-Ti-Nb成分設計，精控S、P、O、N含量，通過較高的軋制溫度來得到大變形的奧氏體化組織，最后通過熱軋后的快速冷卻來實現相變強化和析出強化[11]。除此以外，太鋼、安鋼、珠鋼、包鋼、萊鋼、承鋼等國內鋼企先后開發 了 典型 牌 號為TH800[12]、AG700MC[13]、ZJ700MC[14]、BT700[15]、LG700L[16]、C700L[17]等大梁鋼產品，在一汽重卡、三門峽俊通車輛廠等商用車制造企業某車型上分別試制成功。

近年來，700 MPa 級析出強化高強鋼正在商用車大梁上的推廣應用證明了成形性、低溫沖擊韌性和焊接性是衡量熱軋汽車結構用鋼能否實現梁架制造的重要參量。隨著輕量化商用車市場需求的增大，越來越多的商用車制造企業認識到低成本析出強化高強鋼在商用車底盤減重方面的重要性。目前，我國在700 MPa 級析出強化高強鋼制造領域的技術能力和產品指標均已接近國外水平。國內研發的700 MPa 級析出強化高強鋼成分范圍和力學能力下限值見表1[18]。

表1 國內700 MPa級析出強化高強鋼成分范圍和力學能力下限值 (質量分數)%

從表1可見，多數國內鋼企在700 MPa級析出強化高強鋼添加微合金元素鈮（Nb），主要目的是提高汽車結構件的疲勞強度、降低部件質量，實現結構輕量化。其原理是在汽車鋼中的鈮元素通過細化晶粒、減緩帶狀組織、優化顯微組織、促進析出強化等作用來達到提高鋼材的屈服強度、低溫韌性、冷成形性、焊接性能以及疲勞性能的基本力學性能和使用性能，進而便于制造復雜的汽車承載構件，提高構件的慣性矩和剛度，并同時提高構件的結構強度，進而達到構件和總成質量減低的目的。鈮微合金化對鋼材性能的作用見圖1[19]。

1.1.2 國外研發現狀

發達國家在商用重型載貨汽車方面，以沃爾沃、戴姆勒和奔馳為例，早已普遍采用屈服強度為700 MPa級高強度鋼作為生產汽車大梁的主要材料，通過材料強度升級替換，達到車身減重的目的。未來屈服強度為600、700 MPa 級的汽車大梁鋼將成為歐美市場需求的主流，因其不僅有較高的屈服強度，還具有成形性好、韌性好、抗疲勞性能好的優點。

圖1 鈮微合金化對鋼材性能的作用[19]

芬蘭Ruukki公司是世界第2大特種鋼生產商，早在2002 年就開創了直接淬火工藝生產出屈服強度為700 MPa 級高強鋼Optim700MC。與傳統淬火工藝相比，在Optim700MC 生產過程中將軋制與快速冷卻相結合，鋼板熱軋之后隨即進行硬化，生產出來的鋼材不僅強度高，成形性和焊接性良好[20]。Optim700MC高強鋼后被率先應用在歐美市場的商務車領域，如芬蘭SiimetOy 公司生產的重載掛車自重減輕20%，同時提高20%承載能力；波蘭Pomot 公司在應用3 mm 厚Optim700MC 鋼板實現重卡底盤減重46%，大大減少了生產成本[21]。在此基礎上，奧鋼聯進一步開發了ALFORM700M高強鋼，其采用高溫奧氏體快速淬火得到細小的鐵素體和一定比例的馬氏體（M）組織，并在Optim700MC 的基礎上優化了微合金體系，利用V 的中溫析出機制進一步提升了ALFORM700M高強鋼的屈服強度。該鋼在商用車梁架制造領域中可顯著提升車架疲勞壽命，但焊接性不佳，多用于牽引車冷成形承載縱梁的制造[22]。

瑞典的SSAB 公司作為全球最早利用TMCP 技術研發析出強化高強鋼的企業，并參照EN10149-2標準將低C、低Si、Ti-Nb 復合析出強化高強度低合金汽車鋼板DOMEX700MC 推向市場化。DOMEX700MC 通過低Si 控制，改善了鋼板表面質量，有效避免了麻點缺陷，提高了大梁的動載疲勞服役性。由它制造的汽車大梁，整體結構的抗彎和抗扭強度極高，在板厚減至5～6 mm時，仍能保證近40 t載荷汽車大梁的安全，被廣泛應用于牽引車的承載主梁、普通半掛車車架大梁和載貨車大梁的制造[22]，后也被東風汽車公司引進使用[23]。同樣采取低Si控制的還有日本JFE公司。在生產中JFE通過在鋼中添加少量的Si、微量的C和Mo元素，平衡了C、Mo、Ti 等合金元素的比例，研制出了Nano Hiten 高強鋼板，該設計使得鋼中微觀組織避免了珠光體的生成，使產品具有單一相的結構特點，并將卷曲溫度設置為較高的600 ℃。該鋼具有較高的屈服強度（達734 MPa）、延伸率和彎曲性能，同時還具備極高的熱穩定性[22]，被廣泛應用于汽車動載結構部件和重卡車架大梁制造。

1.2 橋殼用高強度鋼

隨著中國物流經濟的發展與國內商用車市場需求向著多層次、多規格的方向發展。結合上節中分析的中國商用車未來市場對中重型載貨車的需求穩步上升，從而帶動了熱軋汽車用高強鋼的需求。出于商用車制造向輕量化發展和節能減重的需要，特別是對于支撐車架和后驅動橋，已大量使用熱軋鋼板制作沖焊橋殼體，取代了制作工藝復雜、生產效率偏低、笨重、成本較高的鑄造橋殼體[24]。由于沖壓橋殼是由鋼板沖壓成形半橋殼后，經半橋殼體組焊、橋包組焊、軸頭組焊后形成車橋外殼（見圖2），結合橋殼的形狀及其結構特點，要求鋼板強度高，冷彎及拉延成形性好并具有優良的焊接性和抗疲勞性。雖然國內外開發汽車高強汽車板鋼的思路基本相同，但鋼種的成分和工藝仍存在一定差別。

圖2 冷壓橋殼鋼成形工藝

橋殼鋼按沖壓方式主要分為2 種：一種為熱沖壓成型，這是目前橋殼最主要的一種沖壓成型方式，所使用的材料則為Q345、16MnL 等抗拉強度在500 MPa以下的鋼板，輔以少量的Q420和Q460結構鋼以及進口的SMn750，厚度為14 ～20 mm，但由于板料感應加熱過程中，材料失去了原有的狀態致使強度有所降低，需對熱沖壓成型件進行淬火才能達到橋殼鋼所需的強度要求[25]。此外，這些鋼板普遍存在的問題是帶狀組織比較明顯[26]，在沖壓加工及后續使用過程中存在褶皺、彎曲和開裂現象[27]。另一種為冷沖壓成型，但所需材料的強度在600 MPa 以上，可將橋殼的厚度由14～16 mm 降低至12 mm，此方式生產工藝簡單，材料利用率高、降低能耗及生產低成本等優點，可實現橋殼輕量化（可減重10%以上）和提高橋殼使用壽命[28]。為順應中重型商用汽車輕量化發展需求，開發高強度耐疲勞性冷成型用橋殼鋼成為大勢所需，目前國內鋼廠中只有寶鋼[29]、武鋼[30]、首鋼[31]和普鋼[32]等少數企業有專門600 MPa級橋殼鋼牌號。

作為一類高強度、高塑韌性的新型鋼種，賀信萊等人[33]最先提出的弛豫-析出控制相變（RPC）技術并成功應用在系列冷壓橋殼鋼的開發中，在此基礎上，張杰等[34]和房玉佩等[35]研究了快速回火不同溫度對Nb-Ti 及Nb-V 復合析出機制的影響；楊庚蔚[36]等研究了Ti-V 微合金化橋殼鋼的相變規律和組織性能，強調了卷曲溫度的重要性。隨著微合金化冷壓橋殼鋼鋼鐵冶煉水平和工藝的不斷提升，碳量可進一步控制在0.05%～0.09%，甚至更低水平[37]，因而削弱了碳對貝氏體/馬氏體韌性的不利影響[38]，改善了焊接性能的同時，拉延成形性也顯著提高，且通過添加微合金元素（Ti、Nb、V 等）進一步提升了鋼材的強度[39]，被逐步應用于汽車輕量化等對動載疲勞性能要求較高的制造領域[40]。作為車身的重要部件，橋殼鋼在使役過程中承擔著載貨負荷、路面隨機載荷、制動及轉向等附加應力作用[41]，疊加輕量化橋殼材料設計的不斷減薄，橋殼焊接接頭的焊接性[42-43]、斷裂韌性[44-45]、抗疲勞性[46-48]等方面還需在工程應用中進行檢驗。

目前，寶鋼已經在與山東蓬翔車橋廠進行合作開展抗拉強度為800～900 MPa 級重型貨車橋殼用鋼的開發和應用工作[19]。采用新的橋殼后，橋殼可實現減重50 kg，減重率達20%以上。此外，武鋼[49]和首鋼[50]也在積極與車橋廠合作開發抗拉強度600 MPa及以上級別橋殼用鋼，與原有500 MPa 級C-Mn 熱壓橋殼鋼相比，在提高橋殼強度和疲勞壽命的同時，實現車橋減重10%的目標[19]。但從焊后抗疲勞設計和冷壓橋殼鋼成分優化角度來進一步推動輕量化材料開發的相關技術尚未見針對性的報道。

1.3 車輪用高強度鋼

商用車鋼制車輪總成結構一般由輪輻和輪輞焊接而成，見圖3。較厚規格的輪輻一般采用旋壓成形技術來替代傳統沖壓成形技術，成型工序相對簡單，而輪輞的生產則主要包含了下料卷圓、閃光對焊、擴口、輥型、擴張精整等復雜工序。圖4 所示的輪輻和輪輞各生產工序均要求車輪鋼必須具備良好的塑性、強韌性、焊接性、冷成型性和抗疲勞特性。上世紀80 年代，因生產成本低廉，熱成形技術成熟，熱軋普碳鋼成為當時車輪用鋼的主要生產材料，到目前為止仍然是輪輞使用量最多的鋼材[51]，如330CL、380CL、440CL 等國內已實現批量生產和全規格覆蓋。隨著近年來車輪輕量化水平的不斷提高，車輪用鋼向著高強化水平發展而衍生出：低碳微合金鋼（如490CL、S550CL、540CL、S550CL 和590CL）、細晶鋼（如首鋼的SCX400）及高擴孔鋼（HR300/450HE、HR440/580HE）4 大類車輪鋼產品，具體成分和力學性能實物水平見表2 和表3[52]。在材料選擇方面，車輪輪輞材料主要涉及熱軋普碳鋼、低合金高強鋼、鐵素體-貝氏體（F-B）雙相鋼、鐵素體-馬氏體（F-M）雙相鋼以及全貝氏體鋼[53]。統計數據顯示，北美地區車輪生產商在車輪輪輞用鋼的選擇上偏重于采用熱軋普碳鋼，約占輪輞用鋼量的70%，且逐年呈降低趨勢，取而代之的是低合金高強鋼的應用逐漸擴大，抗拉強度接近600 MPa[54]。而在歐洲市場，熱軋普碳鋼的輪輞市場份額雖然占據主導地位，但正在逐步被雙相鋼擠占，截至2017 年底，2 者市場份額分別約占55%和45%。在同年水平上，我國車輪輪輞用鋼依舊以380CL 為代表的熱軋普碳鋼和低合金高強鋼為代表，市場占有率分別約占80%和20%。

圖3 車輪總成示意

圖4 重卡車輪生產流程

表2 汽車車輪用鋼化學成分[52] (質量分數)%

雖然我國在車輪鋼的強度級別和應用水平上與國外尚存一定差距，但在商用車輕量化的背景下，作為旋轉結構件的車輪在降低自重、降耗、減排方面的作用日漸凸顯。據分析，車輪旋轉件減重的節能效果相當于同車非旋轉件的1.2～1.3 倍[55-56]，因此，我國科研機構及眾多車輪制造商對低合金高強車輪鋼的研發和升級替代正在以380CL 為基礎加快研發和推進步伐[57]。繼河鋼的曾憲平等人[58]采用無硅低碳低合金技術路線成功研制出380CL、420CL系列車輪鋼之后，西華大學的蓋少飛等人[59]以380CL 車輪鋼為基礎，研究了影響車輪鋼板形表面質量的因素，通過對煉鋼工藝以及連鑄速度的合理改善，成功試制了490CL車輪鋼。東北大學的王寧等人[60]通過對380CL普碳鋼進行成分微調以及利用控軋控冷工藝在本鋼熱連軋生產線上開發研制了晶粒尺寸為4～6 μm，抗拉強度達550 MPa的低成本高強度商用車車輪鋼板，最終實現車輪質量減重10%的同時保持了車輪較高的疲勞壽命。武鋼研究院的劉永前等人[49]基于低碳380CL的基礎體系，通過Nb微合金化技術思路，成功研發了抗拉強度為450～590 MPa 級輪輞用低合金高強鋼系列，并在國內外商用車市場應用廣泛。重鋼的趙啟帆等人[61]近期正開展590CL的合金優化設計，軋制工藝設計以及二級參數優化調整等工作，在改善590CL帶鋼冷成型性及焊接性的同時，提出了800 MPa 級車輪鋼的研發設計思路。與此同時，上汽集團的陳少平等人[62]基于Abaqus 軟件對800 MPa 高強度鋼制車輪開展了動態彎曲應力先期分析工作，對數據分析所得車輪應力危險點部位進行曲面優化，最后完成了與彎曲疲勞臺架試驗結果的對比分析，但在車輪徑向疲勞壽命預測與驗證方面，劉建樹等人[63]進行了有益的補充。

表3 車輪鋼力學性能（一例）[52]

綜上分析可見，我國車輪鋼從高強化的鋼材研究、車輪結構優化到結構使役行為研究均取得了系列研究進展，但也不難看出，從車輪鋼的研究到結構的應用驗證，各環節的銜接相對獨立，未形成系統。中國汽車工程研究院有限公司[64]（簡稱：中汽研）以國內汽車底盤技術研發、性能評價和工程數據庫為基礎，是致力于底盤操穩、平順性、制動性及整車耐久性能的研究與開發的權威機構，擁有K&C 測試臺、車輪六分力傳感器、底盤性能客觀測試等專業評價系統。為此，本文作者借助中汽研的車輪應變傳感測試系統，與首鋼技術研究院肖寶亮等人[65]以最終車輪應用驗證為目標，在本文中通過先期介入車輪制造商的車輪結構仿真優化、定向材料研發以及配套焊接技術[66]等，為車輪企業提供了一款22.5×8.25型車輪的輕量化設計方案及最佳選材方案，成功正向研發了系列低合金高強度車輪鋼并在應用中實現車輪減重，同時實現了車輪從設計、特定鋼材研究、應用技術集成到結構應用驗證的系統性研發。目前，該型車輪質量約35 kg，若能實現車輪質量降低10%以上，整車24 個車輪（含2個備用輪）可實現減重84 kg 以上。本文通過對車輪強度和結構設計、疲勞仿真、輪輞閃光對焊工藝研究等技術工作提出微合金化方案，成功開發了380CL～590CL 系列車輪鋼，厚度由5.25 mm 降為4.50 mm，產品樣件質量達到了31.5 kg，減重效果顯著，從應用驗證角度也達到了設計要求，徑向疲勞壽命明顯提高。

1.4 廂體用高強度鋼

商用半掛車主要由車廂廂體所在的上裝結構件和車架所在的下裝結構件組成。作為半掛車上重要的也是質量最大的部件，在減輕半掛車總質量方面具有很大的空間。伴隨我國鋼鐵冶金技術、軋制技術的進步，對新型高強度鋼材的研究不斷發展，配合有限元精確解析的板形控制技術作為有力支撐，薄規格熱軋高強度鋼的強度級別不斷提高，為商用車車廂結構的整體輕量化提供了技術基礎。目前，我國商用半掛車自身重量大，載質量利用系數低，主要問題就存在于材料和結構優化2大方面。我國現存商用半掛車的廂板制造多采用Q345普碳鋼居多，使用700 MPa級以上低合金高強鋼（HSLA鋼）制造輕量化車廂又亟待解決鋼板韌性儲備問題和焊接軟化問題，其中后者對廂板連接強度至關重要。

HSLA 鋼的強化方法主要包括細晶強化、位錯強化、組織強化和析出強化4類，在商用車減重、節能等方面發揮著重要作用。其中，Ti、Nb 等微合金元素在板坯加熱過程中可與碳氮形成一次碳氮化物來降低原奧氏體晶粒尺寸；在TMCP 熱機械軋制過程中的組織變形又在HSLA 鋼晶粒內貢獻了大量的位錯儲能，具體而言，在TMCP過程中碳氮化物，特別是Nb(C,N)，能夠有效抑制奧氏體晶粒再結晶，軋機在精軋階段可為HSLA 鋼中的變形奧氏體提供更多的變形帶、位錯等固態相變組織形核點，2次細化軋后晶粒尺寸；隨后通過控制冷卻技術來控形控性低碳貝氏體組織，為HSLA 鋼提供了組織強化手段；在最冷至570～600 ℃的卷曲階段，固溶于基體中的Ti、Nb 等微合金元素2次形成彌散沉淀的納米級析出相[67]，并通過Orowan機制為主的析出強化作用再次提高HSLA鋼的室溫屈服強度。此外，HSLA 鋼的制造成本低廉也成為取代Q345普碳鋼制造廂板的最理想材料。

但制約HSLA鋼成功應用于廂板制造的2大技術問題，即韌性儲備低和焊接熱影響區軟化成為了近幾年的研究熱點[68-70]。盡管Ti、Nb 等微合金元素都能起到細晶強化與析出強化作用，但相關研究指出，鋼中的元素C和N會優先和加入的Ti、Nb形成強化作用較弱的液析大顆粒相，不僅對析出強化效果造成不利影響，同時降低了材料的韌性儲備[71-72]。因此，相關學者提出了低碳低氮的合金冶煉思路來降低了液析大顆粒相的數量和尺寸[73]，并成功研發了強韌性優良的商用車廂體鋼[74-75]。此外，哈爾濱工程大學的張中武等人[76]不僅詳盡闡述了HSLA 鋼的發展歷程、強化機制和韌性機制，還對焊接性能進行了闡述，研究認為HSLA 鋼具有良好的焊接性。但對于HSLA 鋼固有的焊接熱影響區（HAZ）的軟化行為并未提及。2019年，西安石油大學的王雷[77]等人系統分析了低碳微合金鋼經3 種不同焊接工藝（打底焊、間隙焊和連續焊）焊后熱影響區強度降低的原因，明確了焊后強度降低是由于存在焊接HAZ軟化區，其形成機制是在焊接熱循環作用下原HSLA鋼的形變強化組織發生回復與部分再結晶。從強化機制角度看，具體表現為原HSLA 鋼應變強化和細晶強化效應的降低，這與本課題立項之初的相關研究結果相吻合[78-83]，進一步證實了焊接HAZ 軟化是HSLA 鋼的固有特性，只可改善，不可消除。為此，本文作者嘗試在700 MPa 微合金高強鋼中進行硼的微合金化[84]，在相同焊接熱輸入條件下可有效緩解粗晶熱影響區（CGHAZ）的軟化傾向，為此種高強鋼在廂體制造中的進一步推廣應用提供了技術參考。

2 熱軋汽車結構用鋼的應用發展的新型模式—EVI

EVI（Early Vendor Involvement）意為供應商對企業開發新產品的先期介入模式[84]。目前在汽車制造領域，EVI已衍生為一種整車集成解決方案，涵蓋材料供應商為車企定向提供新車開發所需的各類先進材料和配套生產工藝的相關信息，從而根據車身設計指標，提出材料優選方案，并針對典型結構件，給車企提供結構設計優化和仿真分析方面的技術支持。汽車制造領域的EVI 模式充分體現了材料供應商和車企之間全新的關系和共贏的合作模式。未來隨著EVI活動的開展，將會給我國材料產業和制造業帶來新的發展機遇和動力。

EVI 活動帶動了汽車結構用高強度鋼的發展[85]。韓國浦項公司是最早提出EVI 概念并將EVI 活動進一步細化到乘用車中，包括：同時工程(CE—Concurrent Engineering：優化材料的建議和新鋼種的開發)、價值工程(VE—Value Engineering：運輸系統的改進使材料的供應成本下降)、價值創新(VI—Value Innovation：材料的改變降低成本)、零件和用材的建議(PPPart Proposal：在車輛運行條件改變時，及時對零件的用材提出建議)。蒂森公司在Incar項目中展示了該公司的EVI 活動能力，該項目的一個重要特點是：同一個乘用車零件在開發前期給出多種解決方案、重量和CO2排放水平估值。安賽樂·米塔爾公司在展示EVI活動時，為了區分歐洲和北美標桿車的不同要求和細微區別，獨立先期研發并形成了一套輕量化白車身Sin motion的解決方案和方法論。

相比之下，我國商用車EVI 技術剛剛起步，統一的商用車輕量化評價手段不及乘用車健全。在不斷地探索和實踐完善中，寶鋼以目標車型成本控制為導向的汽車EVI 活動更適合于中國發展模式。商用車EVI模式流程如圖5所示。寶鋼針對汽車廠的生產模式，在國內優先啟動了先進工程設計、車身結構仿真、材料及加工裝備設計和車型開發驗證與安全性評價各階段的技術介入，實施全流程個性化技術支持，為我國商用車輕量化關鍵用鋼的正向開發與EVI 應用技術研究探討了的新模式，打開了商用汽車制造商和鋼廠共贏的良好局面[6]。

圖5 商用車開發各階段的EVI模式[6]

3 應用問題

3.1 服役環境和制造工藝對熱軋高強鋼的新要求

商用車核心承載部件，如車輪、車橋及梁架多為焊接結構，在服役過程中受環境溫度、載荷量及路面狀態的影響，受力狀態復雜，單純從焊接質量保障角度出發已不能滿足承載構件的服役壽命要求，需以模型仿真優化、材料選配及配套生產技術相結合的方式，系統保障結構的安全性。

從商用車生產制造角度分析，梁架的制造對高強鋼板的板形及強韌性要求苛刻；受不同路況下的反作用力影響，車輪的疲勞載荷最為復雜，要求車輪鋼有優異的徑向疲勞或彎曲疲勞性能的同時，實現低碳當量控制，達到良好的焊接性能；熱沖壓橋殼強度降低，不能滿足輕量化設計要求，冷沖壓方式替代后，輕量化橋殼鋼除強韌性要求外，需具備一定的冷成形性能。

3.2 高強度鋼板開發存在的問題

國內多采用Ti析出強化思想，配合在線控軋控冷工藝，實現Q700 及以上高強度級別高強鋼的低成本生產，但板帶縱剪后的翹曲和鐮刀彎程度不能滿足商用車制造領域≤1.5 mm/m的要求；此外，隨著板材強度級別的提升，焊后接頭有軟化趨向嚴重，強度降低約50～150 MPa，影響焊接結構的疲勞承載能力。

高強度車輪鋼的開發必然伴隨碳當量的提高，焊接工藝窗口變窄。而各大車輪制造商的焊接產線生產工藝相對固化，往往造成車輪鋼產品，特別是輪輞閃光對焊后擴口開裂率居高不下，板材合標不合用的現狀。

高強度級別的橋殼鋼采用冷沖壓工藝，對材質的可成形性及結構優化設計提出了挑戰。同時，高強度級別橋殼鋼焊接熱影響區（HAZ）的脆化也影響結構的疲勞耐久性。

4 應用難點

首先，為實現最佳輕量化設計，“精確”建模分析至關重要，而模型邊界約束方式和加載條件直接影響仿真精度。目前，車輛模型分析多在剛性約束條件下開展不同載荷工況分析，忽略了阻尼系統對結構的柔化作用，必然降低了模型優化結果的置信度。因此，如何保證原始結構件的模型精度提高設計置信度成為主要難點。

其次，為達到輕量化目標值，需對“精確”模型進行參數化尋優或拓撲結構優化，從計算仿真層面給出了目標厚度條件下高強鋼的匹配方案。高強鋼的承載能力提高，對缺陷有較高的敏感度，如何提高板材的強韌性、均勻性和可制造性成為另一難點。

第三，焊接接頭作為缺陷綜合體，在疲勞載荷作用下裂紋優先萌生。為提高在復雜受力條件下焊接接頭的疲勞適應性，針對性地開展材料關鍵共性技術研究及生產裝備的引領與創新同樣成為技術難點。

5 結語

熱軋汽車結構鋼在我國輕量化商用車中將發揮重要作用，實現節能減排和減重的主要切入點應該是承載梁架、車輪、沖焊橋殼等大量應用熱軋板的結構件，對于提高整車的質量利用系數等輕量化指標具有重要意義。

未來熱軋汽車結構鋼將會通過現代冶金手段，輔以科學模擬計算、配套先進加工方法來保證材料的質量穩定性和成本控制，全方位融入車企的全制造流程，開啟商用汽車制造商和鋼廠良好的EVI共贏模式。

開發高強度熱軋汽車結構鋼必須關注商用車目標結構件的服役環境和制造工藝在熱軋高強鋼使役過程中出現的新問題，做好輕量化車型開發前的先期介入與技術支持。