一、研究的背景与问题

随着环境问题和能源危机的加剧，汽车工业在安全性能升级的同时不断推进汽车轻量化。就新能源汽车而言，吉帕级汽车钢是实现车身轻量化设计、降低全生命周期碳排放的重要手段，但吉帕级钢材料件的制造和服役性能评价是其应用过程中待解决的关键问题。

由于汽车在运行过程中需要承受复杂的循环载荷，需要对汽车用材进行服役性能测试与评价。随着吉帕钢厚度的减薄，在进行疲劳性能测试时由于压向载荷会引起疲劳试样弯曲失稳、打弯形成瞬间断裂，给疲劳性能测试带来了行业级的技术难题。同时，汽车板在进行高速拉伸服役性能测试时，载荷振荡和速度波动是影响数据质量的主要因素。但因高速拉伸变形复杂，仅采用简单工具难以精确定位和标记应变片，因而无法进一步降低载荷振荡，目前行业内针对速度波动同样缺少行之有效的控制措施。吉帕钢的性能评价与其零部件的服役性的协同性一直是行业比较关注的问题，目前尚未建立系统的吉帕钢及其制造零部件服役性能的测试与评价体系。

除了服役性能尚未进行系统评估外，吉帕钢还由于缺乏有针对性的轻量化设计方法，严重制约着吉帕钢的市场应用价值。挖掘吉帕钢在新能源车身上的轻量化潜力，成为了行业内广泛关注的热点，这需要将零件厚度、截面形貌、三维空间拓扑结构等参数与车身质量最小化、结构性能最优化之间建立起有效的关联，才能推进吉帕级汽车用钢在新能源车身上的集成应用。传统的座椅骨架材料以低合金钢冷轧板为主，抗拉强度范围在350MPa-650MPa，兼顾结构性能及安全性能要求，座椅总成的重量在100kg左右。因此钢厂生产出的吉帕钢产品，如果能够用于制造座椅骨架件，可以实现10%-20%的轻量化效果，将对座椅轻量化技术的研究和探索有着非常重要的意义。

二、解决问题的思路与技术方案

为了使高强钢产品获得优异的应用性能，在研发吉帕级TBF钢过程中，采用低成本Si-Mn成分体系，发挥产线特有的水淬工艺及闪镀镍工艺技术，通过精细控制无碳化物贝氏体及残余奥氏体细分形貌，使得TBF钢具备高强度、高成形性及高表面质量；针对吉帕级汽车薄板（厚度小于2mm）疲劳性能测试易屈曲、动态性能测试波动大的行业技术难题，通过自主研发防屈曲板榫铆夹具和优化应力疲劳试样建立起吉帕钢服役性能表征与评价关键技术，载荷振荡幅度降低50%以上，速度波动幅度降低70%；通过动力学仿真分析和实况模拟试验获得6种吉帕级部件的疲劳和碰撞性能，形成了吉帕钢及其制造零部件服役性能的测试与评价体系。针对吉帕级零部件制造的难成形、易开裂等技术难题，分析材料参数波动对零件综合性能的影响，采用吉帕钢替代传统低合金钢生产座椅背板、边板等零部件，实现座椅骨架的轻量化，并应用于零部件公司座椅平台。为满足新能源汽车轻量化和安全性能的更高要求，创新开发了面向新能源汽车轻量化的选材、工艺和结构的整体解决方案，综合运用吉帕钢材料与先进成形、激光拼焊等工艺相结合，实现了典型零部件与小总成轻量化的商业化应用和示范，并应用到某新能源白车身轻量化设计以实现车身减重。

三、主要创新性成果

1、低成本、高成形性吉帕级TBF钢研制开发

突破TBF高合金成分设计，利用低成本Si-Mn成分体系，采用水淬工艺及闪镀镍技术，精细控制无碳化物贝氏体及残余奥氏体细分形貌，确保在保证板形的情况下，TBF钢具备高强度及高成形性，同时具备良好的表面质量。低成本、高成形性TBF980、1180MPa级产品进行力学性能检验和微观组织观察，TBF980针对不同零部件用途开发出两款高低的屈服产品，屈服强度强度分别达到600MPa、700MPa，抗拉强度达到1000MPa，延伸率分别可以达到20%和13%以上。TBF1180的屈服强度达到820-1100MPa，抗拉强度达到1180MPa，延伸率达到14%以上。针对复杂形状不易成型的零件，通过590→980、980→1180的TBF钢强度升级减薄后实现轻量化。

图1 TBF980 点焊工艺窗口?图2 TBF1180 点焊工艺窗口

图3 TBF980P-S-N 曲线 图4 TBF1180P-S-N 曲线

2、吉帕钢及其制造零部件服役性能的测试与评价体系研究

针对汽车薄板（厚度小于2mm）疲劳性能测试易屈曲、动态性能测试波动大的行业技术难题，通过自主研发防屈曲板榫铆夹具和优化应力疲劳试样建立起吉帕钢服役性能表征与评价关键技术，建立2项疲劳团体标准，填补国标技术空白，形成《一种汽车薄板应变疲劳试验装置及方法》专利。

(a) 圆弧形试样 (b) 10×b 等截面试样 (c) 10×b 等截面试样

图5 应力疲劳试样断后翘曲状态图

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图6?6种吉帕级钢种的应力疲劳

(a) 常规防屈曲装置 (b)?自主设计防屈曲装置

图7 应变疲劳常规和自主设计防屈曲装置试验对比

开发出一整套动态性能测试及数据处理的载荷振荡控制技术和速度波动控制技术，载荷振荡幅度降低50%以上，速度波动幅度降低70%，形成《一种用于高速拉伸载荷测试的应变片定位方法》、《一种准确控制高速拉伸试验速度的方法及装置》等多项专利。

(a)5m/s、未精确定位 (b)?5m/s、精确定位

图8?精确定位标记前后的载荷对比

(a)5m/s、未控制 (b)5m/s、控制

图9?对速度波动进行控制前后的速度对比

通过上述技术创新获得6种吉帕级部件的疲劳和碰撞性能，形成了吉帕钢及其制造零部件服役性能的测试与评价体系，形成《一种基于碰撞性能优化的汽车白车身轻量化设计方法》专利。

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图10 寿命评价总体思路

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图11 碰撞仿真模型示意图

3、新能源汽车座椅平台及整车轻量化设计

针对吉帕级零部件制造的难成形、易开裂等技术难题，提出了基于安全结构特性的吉帕钢零部件优化设计和应用规范，并在国内率先采用吉帕级汽车钢产品替代传统低合金钢生产出座椅背板、边板等零部件，同比市场主流骨架实现减重15%。为满足新能源汽车轻量化和安全性能的更高要求，创新开发了面向新能源汽车轻量化的选材、工艺和结构的整体解决方案，实现了典型零部件与小总成轻量化的商业化应用和示范，零件平均减重12%左右。

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图12?车身轻量化项目开展流程图

表1?优化车型与替换车型、基础车型的验证数据对比

四、应用情况与效果

本项目针对国家科技部“十三五”重点研发计划项目《项目编号 2017YFB0304400》“高性能超高强汽车用钢--高性能超高强汽车用钢的车身轻量化、服役性能与应用示范”对高性能吉帕级汽车用钢研究需求，对汽车轻量化用超高强度钢的强度提升塑性下降的矛盾，开展新能源汽车用吉帕级高强钢及部件、车身关键技术集成与创新，使新能源汽车关键零部件在“成本可控和被动安全不降低”的前提下实现减重，进而实现新能源汽车的“减重节能”，促进我国汽车用钢的升级换代。

该项目应用于鞍钢股份有限公司和鞍钢神钢高强冷轧汽车钢板有限公司，生产的汽车吉帕钢通过广汽乘用车、广汽丰田、奇瑞汽车、岚图汽车等主机厂认证，产品应用于广汽零部件座椅平台、新能源车身保险杠、防撞梁、门槛梁等核心部件，此外项目形成的新能源车身轻量化技术及轻量化方案应用于广汽、一汽等新车型的开发和设计中，获得良好的应用效果。项目形成两项团体标准，《T/CSTM 00790.2-2022 汽车用薄钢板第 2 部分：轴向力控制疲劳试验方法》和《T/CSTM 00790.3-2022 汽车用薄钢板第 3 部分：轴向应变控制疲劳试验方法》，其中T/CSTM 00790.2-2022获CSTM标准创新贡献奖，入选国家工信部百项团体标准应用推广典型案例，项目相关成果荣获全国发明展览会银奖。

信息来源：鞍钢股份有限公司