現(xiàn)代人買車時(shí)考慮的因素已不僅僅局限在外觀、價(jià)格和舒適性等方面，隨著交通安全事故的增加，汽車的安全性正在成為許多人購車時(shí)考慮的首要因素。國際上通用的評(píng)價(jià)汽車安全性能的測試是碰撞測試，這個(gè)測試國內(nèi)也有（C—NCAP），不過其參考意義不大，公信力較高的測試機(jī)構(gòu)有E—NCAP和IIHS（美國高速公路安全保險(xiǎn)協(xié)會(huì)），而每年的IISH碰撞測試結(jié)果公布后，獲得頂級(jí)安全評(píng)價(jià)（TSP+）的車型總是那些豪華車型。在經(jīng)過一番研究總結(jié)后，我們發(fā)現(xiàn)這些獲得TSP+的車型除了車身結(jié)構(gòu)穩(wěn)固外，均在車身關(guān)鍵部位采用了一種名為硼鋼的材料，那么硼鋼是一種什么樣的材料呢？

　　2015IIHS中級(jí)豪華車碰撞測試結(jié)果

　　首先來說下硼，硼是一種非金屬元素，硬度僅次于金剛石，可用于核反應(yīng)堆控制棒的制造，也可用于合金的制造，而硼鋼呢，顧名思義，就是以硼為主要合金化元素的鋼，也可以把它稱為硼處理鋼。硼處理之后的鋼淬透性非常高，因此硼鋼主要作為結(jié)構(gòu)鋼使用。下面是保時(shí)捷2015款，車身用料圖。

　　車身所用材料綜述

　　硼鋼的主要類型有合金結(jié)構(gòu)硼鋼、低合金高強(qiáng)度硼鋼和彈簧硼鋼等。不過由于硼鋼的加工工藝十分復(fù)雜，硼鋼的制造成本也非常高，所以硼鋼最早運(yùn)用于軍事、航空、核能等領(lǐng)域，后來隨著應(yīng)用領(lǐng)域的衍生，硼鋼在20世紀(jì)80年代起開始運(yùn)用于汽車制造。

　　硼鋼強(qiáng)度測試展示

　　與普通高強(qiáng)度鋼相比，硼鋼在受到碰撞擠壓的過程中，不僅能保持原形，還能造成較大的彎曲回彈，使得車身結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大大增加，從而提高車身的抗擠壓能力，進(jìn)而在發(fā)生碰撞時(shí)保護(hù)車內(nèi)乘員的生命安全。此外，硼鋼的強(qiáng)度雖然比普通鋼材的4~5倍，但重量卻比普通鋼材輕許多，而且硼鋼的體積比普通鋼材更薄，可以顯著減少汽車油耗。出于提高汽車安全性能的目的，很多豪華車型如寶馬、沃爾沃、保時(shí)捷等均在車身關(guān)鍵結(jié)構(gòu)處使用了硼鋼，這也是這些豪華車型在看似十分嚴(yán)重的車禍中為什么能保持駕駛艙結(jié)構(gòu)完整的重要原因。

　　圖中黃色結(jié)構(gòu)使用的就是硼鋼

　　近年來，隨著購車者對(duì)汽車安全性能的重視程度日益提高，很多非豪華車型也開始嘗試在車身關(guān)鍵結(jié)構(gòu)處運(yùn)用硼鋼，但是硼鋼居高不下的價(jià)格依舊讓很多汽車制造廠商望而卻步，畢竟制造成本是繞不過去的坎兒。不過在車身結(jié)構(gòu)已經(jīng)成熟的情況下，要想提高車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，只剩下使用高強(qiáng)度材料這一條路了，而硼鋼作為成熟可靠的高強(qiáng)度材料，無疑將成為眾多車商的選擇。

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　　一般汽車宣傳資料中的高強(qiáng)度鋼材指的是抗拉強(qiáng)度還是屈服強(qiáng)度？

　　1.一般汽車宣傳材料中的高強(qiáng)度鋼材都不標(biāo)明是抗拉強(qiáng)度還是屈服強(qiáng)度。

　　2. 不只在汽車行業(yè)，在幾乎所有涉及鋼材的機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域，強(qiáng)度評(píng)估都會(huì)涉及這兩個(gè)指標(biāo)。

　　但是首先要探討一下回答這個(gè)問題的前提，也就是：汽車鋼材是靠焊接在一起的，強(qiáng)度越高的鋼材，對(duì)焊接材料的要求、環(huán)境的敏感性就越高。對(duì)原始認(rèn)知的電流電壓的控制；到熱輸入量、焊接效率的相互影響都更苛刻。這里要先排除下焊接過程不良引起的對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，在實(shí)際的現(xiàn)象中也就是，要更相信有良知的企業(yè)使用高強(qiáng)度鋼材，不要相信一個(gè)沒有幾年汽車生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的企業(yè)告訴你，他使用了最高強(qiáng)度的鋼材就是安全。直白的說，焊接是一個(gè)人、設(shè)備、材料、方法、環(huán)境的綜合學(xué)科，對(duì)于高強(qiáng)度鋼材更是如此。就我從事的1000Mpa以下高強(qiáng)度鋼材焊接測試情況來看，沒有2－3年摸索，在材料、焊材及測試優(yōu)化是無法得到最佳效果的。

　　說正題，屈服強(qiáng)度是針對(duì)塑性材料的，對(duì)塑性材料更重要，在機(jī)械設(shè)計(jì)中主要以屈服強(qiáng)度校核；抗拉強(qiáng)度是針對(duì)脆性材料的，對(duì)脆性材料更重要，在機(jī)械設(shè)計(jì)中主要以抗拉強(qiáng)度校核；所以，汽車高強(qiáng)度鋼材屬于塑性材料還是脆性材料？

　　在外力作用下，雖然產(chǎn)生較顯著變形而不被破壞的材料，稱為塑性材料。相反在外力作用下，發(fā)生微小變形即被破壞的材料，稱為脆性材料。

　　工程上常將延伸率占>5%的材料稱為塑性材料，而將延伸率占<5%的材料稱為脆性材料。我們權(quán)且當(dāng)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是合適的，在可焊性較好的高強(qiáng)度鋼材中，以700Mpa（屈服強(qiáng)度）鋼材為例，在我統(tǒng)計(jì)過的幾百個(gè)鋼材到貨檢測記錄中，延伸率往往大于15%。就算材料強(qiáng)度超過1000Mpa（屈服強(qiáng)度），延伸率也不會(huì)低于5%。因此定義為塑性材料。

　　所以如果非得問汽車行業(yè)里面，哪個(gè)數(shù)值更重要。其實(shí)就是在問鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中哪個(gè)數(shù)值更重要，那是屈服強(qiáng)度。

　　3.這兩個(gè)數(shù)據(jù)差別是有些，就同一種材料的數(shù)值上而言，看一組700Mpa母材測試數(shù)據(jù)比例作為參照。

　　4. 許多廠商都會(huì)這么做，因?yàn)閺V義說材料強(qiáng)度，說哪個(gè)數(shù)值都沒有錯(cuò)。

　　說到這里看似回答完了你的問題，實(shí)質(zhì)上我想再討論下更具體的問題。因?yàn)闃侵鲉柕膯栴}實(shí)質(zhì)是：鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，怎樣才是最耐撞以及最耐用的。

　　（1） 耐撞的問題

　　說最耐撞，先簡單帶過下設(shè)計(jì)強(qiáng)度。這個(gè)在諸多文章中應(yīng)該出現(xiàn)很多了，大致就是在保證人員安全和車身有效安全空間上的權(quán)衡。太軟了生存空間都沒有，太硬了人和撞墻一樣。現(xiàn)今安全測試標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)給廠商都限定了標(biāo)準(zhǔn)。但有一點(diǎn)是必須的，A柱前的所有強(qiáng)度設(shè)計(jì)都是為了潰縮，A柱子與C柱間的強(qiáng)度設(shè)計(jì)是為了無論如何都不要太多潰縮。

　　主要詳細(xì)說下斷裂，當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)斷裂的時(shí)候，就玩完了。在焊接鋼結(jié)構(gòu)中，特別是高強(qiáng)度鋼材焊接過程中，為了保證焊縫強(qiáng)度足夠的韌性，往往低強(qiáng)度匹配（焊縫強(qiáng)度低于母材強(qiáng)度）。焊縫的最薄弱處也往往處于熱影響區(qū)（焊縫與母材接壤處）。良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)在焊縫的焊腳高度、焊縫的外觀形式進(jìn)行優(yōu)化，并且通過優(yōu)化設(shè)計(jì)讓焊縫及焊縫周邊不承受主要應(yīng)力。或者在必須承受主要應(yīng)力的情況下，讓受力值遠(yuǎn)低于熱影響區(qū)的屈服/抗拉強(qiáng)度（需要確認(rèn)承受的主要為拉應(yīng)力與否）。這又回到了上面提到的事情，不要相信一個(gè)沒有幾年汽車生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的企業(yè)告訴你，他使用了最高強(qiáng)度的鋼材就是安全。

　　當(dāng)然，還有激光焊接等優(yōu)秀的焊接方案，拆車坊雖不可全信，但關(guān)于里邊激光焊接更多的缺陷率也說明了高強(qiáng)度鋼材有好的焊接方案，而沒有好的焊接工藝多么可怕。

　　（2）耐用的問題

　　說到耐用，需要特別提醒一個(gè)問題。材料的強(qiáng)度和高頻率的振動(dòng)疲勞壽命并不存在必然的線性關(guān)系，甚至關(guān)系不緊密（不是強(qiáng)度越高，越能承受高頻疲勞）。因此只要保證焊縫/熱影響/母材在受力的過程中，低于測定的永久疲勞強(qiáng)度限定值，都是安全的，包括疲勞斷裂性能。

　　那是不是說明只要材料強(qiáng)度標(biāo)稱一樣，耐用就一致呢？吃個(gè)青菜都有農(nóng)家菜還是大棚菜，怎么可能沒有區(qū)別！更何況，鋼結(jié)構(gòu)性能是材料、焊縫、熔合區(qū)、設(shè)計(jì)能力的綜合體。但就材料和焊后特性而言，差異就已經(jīng)巨大。

　　首先鄙視下GB/T，其中許多針對(duì)鋼材的基礎(chǔ)控制指標(biāo)都非常的寬松，例如GB/T 222 鋼的成品化學(xué)成分允許偏差；GB/T 709 熱軋鋼板和鋼帶的尺寸、外形、重量及允許偏差，包括各類專用鋼板例如：GB/T 16270 高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)用調(diào)質(zhì)鋼板。我對(duì)比過EN、以及提供汽車鋼板的瑞典SSAB供板標(biāo)準(zhǔn)（AccuRollTech）。大致可以看到的是GB/T不如EN不如AccuRollTech。而在實(shí)際我們收到的同一強(qiáng)度高強(qiáng)度板材以及測試后的SEM圖片中（以700Mpa低合金高強(qiáng)度鋼板為例，汽車鋼板雖非同一鋼板，但描述意思相同）

　　l A廠商鋼材在焊縫中心組織上（沖擊韌性最弱區(qū)域）有著最好的機(jī)械性能（相比SSAB組織相對(duì)粗大，但是均勻性非常好），B廠商的焊縫中心組織相對(duì)細(xì)小，但組織中存在貝氏體。

　　l 而在熔合區(qū)，SSAB產(chǎn)品在SEM下觀察期晶粒粗大，組織均一性較差，金相顯微鏡下能觀察到白色塊狀相，A廠商產(chǎn)品在SEM下觀察其晶粒較小，組織均一性較好，但在金相顯微鏡下能觀察到基體上有黑色粒組織物；而B廠商組織均一性較差，晶粒大小不一，有上貝氏體生成或針狀鐵素體存在。

　　l 在熔合線偏離2-5mm處，SSAB沿晶界有黑色小團(tuán)狀組織析出；A廠商：組織均勻，粒度相對(duì)細(xì)小，過熱粗大晶粒微量；而B廠商：晶界較寬，熔合線組織粗大，大量的魏氏組織存在，存在針狀鐵素體（魏氏組織），表示過熱。

　　以上只是在說明，同一強(qiáng)度不同廠商生產(chǎn)的材料，相同焊材，在測試過程中都能表現(xiàn)出驚人的差異。你還相信簡單的強(qiáng)度宣傳么？當(dāng)然，不是國產(chǎn)的鋼材都不好，但起碼SSAB是瑞典的，買volvo也許就更多的SSAB鋼材，上海產(chǎn)的合資牌子也大多是寶鋼的材料，就怕小廠宣稱高強(qiáng)度鋼材，買了些一般的韓國貨以及三流的國產(chǎn)貨，慎買。

　　有人說明我們怎么看待汽車宣傳中的高強(qiáng)度鋼材參數(shù)，以及參數(shù)和車身鋼結(jié)構(gòu)如何才是耐撞以及耐用。其中耐撞在設(shè)計(jì)上老是有人糾結(jié)于日本韓國用低強(qiáng)度鋼材，美國歐洲用高強(qiáng)度鋼材。實(shí)質(zhì)上合理的潰縮以及低速碰撞維修經(jīng)濟(jì)型本來也互相矛盾，影響車身安全不是單一因素，不要再噴了。更何況還有那么多主動(dòng)安全差異。

　　結(jié)語：回到主題，汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中在意屈服強(qiáng)度，實(shí)質(zhì)上同一標(biāo)準(zhǔn)就是對(duì)比了抗拉強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度的比例也大致如此，最重要的是對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)一致。抗拉強(qiáng)度相對(duì)于屈服強(qiáng)度略高，所以容易成為噱頭。相對(duì)于拋開設(shè)計(jì)水平的鋼結(jié)構(gòu)性能對(duì)比，鋼材自身品質(zhì)、鋼材焊接質(zhì)量往往對(duì)車輛的耐用和耐撞性能影響巨大，不要盲目相信鋼材強(qiáng)度，更不要盲目相信少量的高強(qiáng)度鋼材。作為一個(gè)從事過鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估工作的技術(shù)人員，在面對(duì)廠商宣傳的時(shí)候，我個(gè)人覺得一個(gè)靠譜的廠商比一個(gè)高強(qiáng)度鋼材的宣稱顯得重要的多。因?yàn)橐粋€(gè)鋼材、焊材和工藝的選擇和使用純熟不是一個(gè)簡單過程。




 

責(zé)任編輯：王元

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