引言

2003年4月日本JFE公司成立,并提出了“信守承諾和對未來新機遇永恒的追求”的發(fā)展宗旨。遵循這一宗旨,JFE公司迅速發(fā)展并開發(fā)了各類汽車先進高強度鋼,如孿生誘發(fā)塑性（TWIP）鋼、納米強化高強度（NANO-HITEN）鋼等,同時產(chǎn)量也迅速增加,憑借高質(zhì)量的產(chǎn)品逐漸占領(lǐng)世界汽車板的高端市場。為強化應(yīng)用技術(shù)研究和客戶服務(wù),JFE公司基于對用戶需求的深刻理解,秉承滿足用戶需求為導(dǎo)向的先進理念,采用同時工程（simultaneous engineering,SE）的實施策略,不斷與用戶合作開發(fā)并應(yīng)用具有競爭力的新產(chǎn)品,如NANO-HITEN鋼以及在水淬連退生產(chǎn)線上開發(fā)的雙相（DP）鋼和多相（CP）鋼。該公司還建立了世界上先進的應(yīng)用研究實驗室,支持用戶制定新產(chǎn)品的應(yīng)用規(guī)范,由此形成了初期的供應(yīng)商早期介入（early vendor involvement,EVI）產(chǎn)品開發(fā)模式與鋼鐵新產(chǎn)品的銷售模式,為新材料研發(fā)和推廣應(yīng)用的EVI模式奠定了基礎(chǔ)[1]。 

2008年,韓國POSCO公司召開了全球首屆EVI論壇[2],正式提出EVI模式。該模式就是材料企業(yè)針對用戶開發(fā)新產(chǎn)品用材需求的早期介入模式,起源于材料生產(chǎn)企業(yè)的技術(shù)服務(wù)體系以及客戶開發(fā)產(chǎn)品所提供的用材支持系統(tǒng),之后進一步發(fā)展成為通過技術(shù)合作,從對用戶開發(fā)新產(chǎn)品（如汽車新車型）進行先期介入,進而逐步形成EVI的工作流程和模式[3]。截至2018年,POSCO公司共召開了6屆全球EVI論壇,由此形成了韓國POSCO公司在各類新鋼種開發(fā)、銷售和技術(shù)服務(wù)方面的特有模式。 

1999年,寶鋼技術(shù)人員前往美國專門針對汽車的EVI模式進行考察,并首次將汽車工業(yè)新產(chǎn)品開發(fā)的EVI模式引入國內(nèi)。2011年,寶鋼于上海召開了首屆寶鋼EVI會議,在會上系統(tǒng)介紹了一系列與汽車輕量化應(yīng)用相關(guān)的新產(chǎn)品,并與用戶交流了在高強度鋼應(yīng)用方面的經(jīng)驗和案例；同時寶鋼還提出了在安全和輕量化約束下追求成本最優(yōu)的車型開發(fā)理念和方法,展示了寶鋼的EVI合作與服務(wù)模式；2018年,陸匠心在《鋼鐵》期刊上發(fā)表了題為“寶鋼汽車板技術(shù)服務(wù)的EVI工作模式”的文章,對寶鋼在汽車板技術(shù)服務(wù)領(lǐng)域的EVI工作模式進行了系統(tǒng)總結(jié)。 

中國汽車工程研究院馬鳴圖等相關(guān)團隊一直致力于在汽車輕量化研究和先進高強度鋼的應(yīng)用中推廣EVI模式。他們曾發(fā)表多篇論文,探討了EVI的內(nèi)涵和意義,并著重論述了在汽車輕量化中EVI模式的應(yīng)用和需求,強調(diào)了應(yīng)用研究在材料開發(fā)和應(yīng)用全過程中的重要意義,賦予了EVI新的認識[3-6]。該團隊還提出將EVI融入整車的開發(fā)流程,涵蓋項目的初始方案階段、性能確定階段、性能分解階段、零件功能的實現(xiàn)與驗證階段以及整車功能的預(yù)測、試驗驗證和實車應(yīng)用試驗結(jié)果分析等環(huán)節(jié)。EVI既是一種思維、一種理念、一種模式、一套流程,也是一種試驗結(jié)果的分析和認識方法以及一種技術(shù)的展示。 

目前,在國內(nèi)外知名的材料生產(chǎn)企業(yè)中,特別是鋼鐵企業(yè),EVI模式已經(jīng)成為滿足用戶需求的集成解決方案。例如：韓國POSCO公司每兩年舉辦一屆全球EVI論壇；德國蒂森克虜伯公司通過對同一零件采用不同選材和不同工藝,對比最終的成本、輕量化效果和二氧化碳排放量等指標,為汽車零部件企業(yè)在選材方面提供更多的選擇。2024年3月,德國蒂森克虜伯公司針對EVI服務(wù)中常用的制作概念車的相關(guān)問題,在重慶召開了數(shù)字車身平臺及其用鋼解決方案的研發(fā)成果發(fā)布會,為汽車廠和零部件廠開發(fā)新產(chǎn)品提供了新的思維和方便快捷的方法。Arcelor Mittal公司運用S-in motion選材方法,基于成本、效益和二氧化碳排放的全壽命周期評估（life cycle assessment,LCA）分析方法以及超高強度鋼零件的集成設(shè)計和制造工藝（如門環(huán)的熱成形技術(shù)）等,展示了不同公司EVI模式的特色。 

2018年,中信微合金化技術(shù)中心和中國汽車工程研究院股份有限公司聯(lián)合組織召開了中國汽車EVI暨高強度鋼氫致延遲斷裂國際會議。迄今為止,該會議已經(jīng)成功舉辦3屆,這對汽車EVI模式和氫脆研究起到了較強的推動作用,同時也使人們對EVI模式和氫脆具有更深入的認識。 

在EVI這一模式的推動下,國內(nèi)外先進高強度鋼得到迅速發(fā)展。EVI在推動技術(shù)進步和新材料應(yīng)用中的作用和意義已經(jīng)超出EVI模式本身。在已召開的“EVI和氫脆”的國際會議相關(guān)報告和論文集中、POSCO全球EVI論壇上的相關(guān)技術(shù)報告和會議資料中,以及國內(nèi)外各大公司關(guān)于EVI成果的展示中,EVI的作用和意義均得到充分的展示和體現(xiàn)[3-6]。 

為了給相關(guān)人員深刻理解EVI模式提供全面而系統(tǒng)的參考內(nèi)容,作者全面介紹了國內(nèi)外一些知名公司的EVI活動和特點,以及鞍鋼蒂森克虜伯汽車鋼有限公司（TAGAL）關(guān)于數(shù)字車身平臺及其用鋼解決方案新近發(fā)布的成果,論述了EVI模式在新開發(fā)車型中推廣應(yīng)用新型材料時所發(fā)揮的作用,提出了企業(yè)推廣應(yīng)用EVI模式應(yīng)具有的條件,闡明了EVI模式對“雙碳”戰(zhàn)略的重要意義以及有關(guān)企業(yè)推廣EVI活動取得的進展。 

EVI的發(fā)展背景和內(nèi)涵

早期EVI來源于客戶的支持系統(tǒng)。材料生產(chǎn)企業(yè)為使客戶高效地運用所開發(fā)的新材料,提出了一種新的銷售理念：首先了解用戶開發(fā)新產(chǎn)品對材料的需求,然后解決用戶在使用新材料過程中所產(chǎn)生的問題。這一做法使得材料生產(chǎn)企業(yè)從簡單的材料供應(yīng)商變?yōu)榻鉀Q用戶各種問題的合作伙伴,將新材料的試制和開發(fā)與用戶對新材料應(yīng)用的需求有機結(jié)合,達到雙方共贏的效果。材料生產(chǎn)企業(yè)需結(jié)合用戶的產(chǎn)品開發(fā)過程,與用戶合作開展分析、模擬和優(yōu)化設(shè)計工作,為產(chǎn)品的制造提供新材料及其應(yīng)用工藝技術(shù)的解決方案,這便是EVI的方案和模式?；诖?EVI活動可以分為4個階段。第一階段：開發(fā)用戶所需要的各種材料,包括普通高強度鋼以及一、二、三代先進高強度鋼。第二階段：材料企業(yè)在汽車零部件和相關(guān)產(chǎn)品的制造中先期介入,與用戶共同對所開發(fā)的零部件進行優(yōu)化設(shè)計、計算機模擬和分析；通過材料性能和零部件功能的預(yù)測和評估,提出零件用材和成形工藝的建議,以達到零部件的尺寸形狀優(yōu)化和輕量化的目標,同時在確保零件高性價比的前提下,保證用材和工藝均滿足批量生產(chǎn)的要求。第三階段：解決材料用戶如何迅速地應(yīng)用新產(chǎn)品的問題,將材料產(chǎn)品的開發(fā)與構(gòu)件產(chǎn)品開發(fā)有機結(jié)合,使材料企業(yè)新產(chǎn)品開發(fā)的目標更明確,雙方借此達成深度合作,實現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展。第四階段：將材料企業(yè)由材料的供應(yīng)商轉(zhuǎn)變?yōu)榻鉀Q問題的合作伙伴[7]。綜上,EVI的內(nèi)涵可以概括如下：首先,協(xié)同用戶選擇產(chǎn)品開發(fā)所需的合適材料；其次,為用戶提供包括成形技術(shù)、焊接技術(shù)、涂裝技術(shù)、零件評價等應(yīng)用技術(shù)支持；再次,在用戶產(chǎn)品投產(chǎn)后,由材料供應(yīng)商為材料應(yīng)用方提供商務(wù)支持,涵蓋及時供貨、物流成本控制、優(yōu)質(zhì)商務(wù)技術(shù)服務(wù)以及必要的公益支持等；最后,通過收集全球網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、限額投資、零件開發(fā)和產(chǎn)品供應(yīng)等相關(guān)工業(yè)信息,密切融合材料生產(chǎn)企業(yè)和材料用戶的關(guān)系。 

目前,EVI的概念和模式已被拓展到建筑、能源、重型機械、電力和電子等領(lǐng)域。在這些拓展的領(lǐng)域內(nèi),材料和應(yīng)用的集成解決方案包括各種功能材料、有色合金、特種超高強材料等的開發(fā)和應(yīng)用研究,通過計算機模擬和電磁仿真等對成形、涂層、焊接、熱處理等工序進行檢測與評價,在材料應(yīng)用時提供商業(yè)支持。 

EVI模式對高強度鋼發(fā)展的作用

EVI活動一般與汽車輕量化密切相關(guān)。依據(jù)拇指法則,為實現(xiàn)大部分汽車沖壓構(gòu)件的輕量化,必須應(yīng)用高強度鋼,而EVI活動促進了高強度鋼和先進高強度鋼的發(fā)展。目前已發(fā)展的和正在發(fā)展的一般高強度鋼和先進高強度鋼斷后伸長率和抗拉強度的關(guān)系,已在文獻[8-9]中明確論述。一般高強度鋼包括無間隙原子鋼（IF鋼）、高強度無間隙原子鋼（HSIF鋼）、低碳鋼（Mild鋼）、各向同性鋼（IS鋼）、烘烤硬化鋼（BH鋼）、碳錳固溶強化鋼（C-Mn鋼）、高強度低合金鋼（HSLA鋼）等。先進高強度鋼包括第一代、第二代和第三代先進高強度鋼。第一代先進高強度鋼的強塑積為20 000 MPa%,包括雙相鋼（DP鋼）、復(fù)相鋼（CP鋼）、相變誘發(fā)塑性鋼（TRIP鋼）、馬氏體鋼（MART鋼）、熱沖壓成形鋼（HPF鋼）。第二代先進高強度鋼的強塑積為60 000 MPa%,包括超高強先進高強度鋼（U-AHSS鋼）,又稱孿晶誘發(fā)塑性鋼。第三代先進高強度鋼的強塑積為40 000 MPa%,又稱新一代或特殊先進高強度鋼（X-AHSS鋼）,主要包括中錳鋼、淬火配分處理鋼（Q&P鋼）、淬火配分回火處理鋼（Q&P.T.鋼）、超級貝氏體鋼（Super B鋼）和δ-TRIP鋼等。其中：中錳鋼通過奧氏體逆轉(zhuǎn)變獲得體心立方（BCC）＋面心立方（FCC）組織,從而獲得優(yōu)異強韌性；淬火配分處理鋼通過淬火配分處理獲得馬氏體＋殘余奧氏體組織,利用TRIP效應(yīng)保證鋼的強韌性匹配；淬火配分回火處理鋼在淬火回火過程中實現(xiàn)配分處理,得到回火馬氏體＋殘余奧氏體組織,通過TRIP效應(yīng)改善鋼的強韌性匹配；超級貝氏體鋼通過貝氏體轉(zhuǎn)變并控制碳擴散,使碳在貝氏體板條間富集,得到呈條狀分布在貝氏體板條之間的殘余奧氏體組織,通過TRIP效應(yīng)提高其強韌性；δ-TRIP鋼[10]則是在一般低合金鋼中加入質(zhì)量分數(shù)3%~4%的鋁,并經(jīng)臨界區(qū)處理和淬火處理得到由δ鐵素體、珠光體、殘余奧氏體以及回火馬氏體組成的組織,其強塑積約為30 000 MPa%。然而,由于δ-TRIP鋼在冶金工藝性能和熱處理工藝性能方面仍存在一些尚需改進的問題,該鋼的工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用還較少。先進高強度鋼在汽車輕量化領(lǐng)域的應(yīng)用是一種經(jīng)濟、有效的解決方案,在全生命周期評估方面展現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢,相較于其他材料,該材料具有更低的二氧化碳排放量。 

目前,應(yīng)用最廣泛的是第一代先進高強度鋼中的雙相鋼以及熱沖壓成形鋼,第三代先進高強度鋼正在開發(fā)和完善中。文獻[8,11]詳細論述了材料性能與零件功能之間的關(guān)系,強調(diào)了材料性能并不等于零件的功能。事實上,工業(yè)制造所追求的是具有高功能的零件,基于這一點,對于以相變誘發(fā)塑性為基礎(chǔ)的第三代高強度鋼的開發(fā)工作,應(yīng)秉持慎重的態(tài)度。這是因為鋼中的殘余奧氏體在未進行加工成形前對鋼的強韌性匹配以及成形性是有利的,但是一旦該鋼經(jīng)過冷變形后,殘余奧氏體就會轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體,從而使該鋼中的延性相變成脆性相,這對成形后零件的強韌性匹配和抗氫脆能力產(chǎn)生不利影響。因此,在開發(fā)第三代高強度鋼時,應(yīng)結(jié)合零件的加工成形工藝及其應(yīng)用場所進行慎重分析。當應(yīng)用第三代高強度鋼實現(xiàn)汽車輕量化時,更應(yīng)考慮零件的剛度、壓潰吸能特性、膨脹失穩(wěn)抗力與零件厚度之間的關(guān)系,即當依靠提升強度對零件進行減薄來實現(xiàn)輕量化時,必須考慮零件減薄帶來的功能變化,如剛度的降低、膨脹失穩(wěn)抗力的減弱等。因此,輕量化是有限度的。在進行Benchmark工作對材料進行反求,在開展零件失效分析并提出相應(yīng)預(yù)防措施,在利用加工工藝強化手段充分發(fā)揮材料潛力,在進行材料數(shù)據(jù)庫的建設(shè)及應(yīng)用,以及在材料生產(chǎn)單位開展EVI服務(wù)時,均必須考慮材料性能與零件功能的關(guān)系[11]。 

基于EVI模式對熱沖壓成形工藝流程的分析,開發(fā)了有熱鍍鋅層的熱沖壓成形板,即GA板；這類鍍層板在加熱時具有良好的氧化抗力,在熱沖壓時具有良好的減摩效果,同時賦予零件良好的耐腐蝕性能。目前,GA板已成功用于直接熱成形和預(yù)熱成形零件,與傳統(tǒng)的Al-Si鍍層板相比,其價格更加低廉,但是GA板在應(yīng)用時應(yīng)嚴格控制加熱溫度,點焊時應(yīng)格外注意液態(tài)金屬脆性問題。為提升超高強熱成形鋼的強韌性和氫致延遲斷裂抗力,應(yīng)用EVI模式開發(fā)了Nb-V復(fù)合微合金化熱成形鋼；針對零件在加熱時易出現(xiàn)的表面氧化問題以及在使用過程中的腐蝕問題,應(yīng)用EVI模式開發(fā)了抗氧化和耐環(huán)境腐蝕的熱成形鋼；為滿足空心輕量化彈性穩(wěn)定桿和扭力桿的制造需求,通過Nb-V復(fù)合沉淀強化以及對奧氏體晶粒進行細化,開發(fā)了高強度輕量化、強韌性匹配好且氫脆抗力高的彈簧鋼,這種彈簧鋼的開發(fā)不僅提高了彈簧的設(shè)計應(yīng)力水平,實現(xiàn)了彈簧的輕量化,而且還延長了彈簧的使用壽命。 

EVI模式對用戶需求的集成解決方案

為實現(xiàn)EVI模式為用戶服務(wù)的目標,一些現(xiàn)代大型材料生產(chǎn)企業(yè)建立了專門的材料應(yīng)用服務(wù)中心,部分生產(chǎn)汽車板的鋼廠將其設(shè)立的相關(guān)機構(gòu)命名為汽車板應(yīng)用中心。寶鋼的用戶研究所作為中國鋼鐵行業(yè)最早成立并開展EVI服務(wù)的機構(gòu),與用戶進行了有機融合,共同開展新鋼種的應(yīng)用技術(shù)研究以及零件的制造、試驗檢測和評價；通過將相關(guān)的應(yīng)用研究成果進行系統(tǒng)集成,形成了一套材料用戶應(yīng)用新材料的集成解決方案,實現(xiàn)了對用戶選材的集成創(chuàng)新支持。POSCO公司根據(jù)多年在EVI服務(wù)領(lǐng)域的體會,總結(jié)了在EVI活動中具有自身特色且重要的理念構(gòu)成和操作方法[2]：其一是同時工程,即提出優(yōu)化材料應(yīng)用建議的同時,在EVI模式實施中開發(fā)所需的新型鋼種；其二是價值工程（value engineering,VE）,即通過運輸和物流體系的改進來降低材料的供應(yīng)成本；其三是價值創(chuàng)新（value innovation,VI）,即通過材料的優(yōu)選、成分微調(diào)和性能優(yōu)化來降低材料的應(yīng)用成本；其四是零件和用材的建議（part proposal,PP）,即當車輛運行條件發(fā)生改變時,及時對零件用材進行更新和優(yōu)化并提出建議。POSCO公司將這些理念進行集成,形成了一套針對用戶需求的集成解決方案。

在目前國內(nèi)外EVI模式的核心展示中,許多材料生產(chǎn)企業(yè),特別是鋼廠將新材料開發(fā)、新成形技術(shù)開發(fā)以及新設(shè)計理念和新材料應(yīng)用技術(shù)融入到概念車中,借助概念車的制作過程展示這些研究成果在汽車輕量化和概念車設(shè)計中所產(chǎn)生的應(yīng)用效果。 

新車開發(fā)中的EVI模式

各公司新車開發(fā)的EVI活動各具特色,現(xiàn)以兩家公司為例進行說明。首先是韓國POSCO公司提出的新車開發(fā)中的EVI活動[12],其所展示的新車開發(fā)過程以及各階段中EVI模式的相關(guān)工作包括項目的立項及計劃、項目的優(yōu)化設(shè)計、車型的原型制造以及量產(chǎn)四個方面。在項目的立項及計劃階段,POSCO公司的EVI活動是向汽車廠提供詳細的材料信息,以及新鋼種應(yīng)用的優(yōu)勢和可能；在項目的優(yōu)化設(shè)計階段,EVI活動包括提供詳細的材料數(shù)據(jù),與汽車廠共同進行成形模擬,進一步對材料進行優(yōu)化選擇,提供合理的材料價格信息以預(yù)測新車型的性價比,為車型開發(fā)單位提供詳細的白車身相關(guān)性能、試驗材料的供應(yīng)和支持；在車型原型制造階段,其EVI活動是對該車型所用模具的開發(fā)進行支持,包括車型原型功能的試驗和評價；在量產(chǎn)階段,EVI活動是進一步優(yōu)化材料供應(yīng)和材料應(yīng)用工藝,以獲得最好的性價比。EVI服務(wù)和解決問題的模式就是EVI程序+鋼材供應(yīng),即從車型零件設(shè)計到試產(chǎn)量產(chǎn)時的技術(shù)支持。 

國際鋼協(xié)的未來鋼制汽車（future steel vehicle,FSV）項目在新車型開發(fā)的EVI活動中堅持從開發(fā)定位、概念設(shè)計到車型的詳細設(shè)計、材料與工藝設(shè)計直到性能驗證的全方位合作和服務(wù)[13]。開發(fā)定位包含減重目標和輕量化效果,該過程是白車身的計算機輔助工程（computer aided engineering,CAE）,其工作內(nèi)容包括分析和優(yōu)化設(shè)計、材料工藝設(shè)計、材料選擇和應(yīng)用、白車身的性能測試等4個方面。減重目標和輕量化效果基于不同年代鋼制汽車的總質(zhì)量和鋼制車身結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量范圍,以及二者之間的關(guān)系分析進行確定；未來鋼制白車身的減重目標為35%,質(zhì)量比超輕鋼車身和鋁合金車身輕。當減重目標被確定后,隨即進入FSV白車身EVI開發(fā)流程中的概念設(shè)計階段,該階段包括總體方案的確定、車身尺寸的設(shè)計以及通過流場分析和風阻分析優(yōu)化車身的外觀造型以及通過多目標的靜態(tài)拓撲優(yōu)化方法對白車身的剛度和強度、白車身的模態(tài)進行分析計算并進行簡化的碰撞性能模擬[13-14]。通過對整車外觀造型的CAE分析,以完成車型流場風阻等造型優(yōu)化設(shè)計,最終完成概念設(shè)計階段的白車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案。在概念設(shè)計階段,還需要考慮綠色環(huán)保和未來法規(guī)的要求以及確保材料的可回收利用等要求和因素。在成本方面,要求白車身的價格能夠與原來的標桿車持平或有所降低。在生產(chǎn)環(huán)節(jié)方面,當確保批量投產(chǎn)時,可按原來的生產(chǎn)周期和流程進行連續(xù)生產(chǎn)。 

FSV白車身EVI開發(fā)流程中的詳細設(shè)計階段包括提出和進行多種拓撲設(shè)計方案。這一階段將根據(jù)性能目標的要求,對多種拓撲方案進行優(yōu)化和優(yōu)選,同時對車輛的動態(tài)性能,包括NVH（噪聲、振動和聲振粗糙度）性能、動態(tài)剛度、強度、疲勞性能、碰撞時載荷傳遞路徑等進行模擬分析,最終確定拓撲優(yōu)化的設(shè)計方案[15-16]。 

在FSV白車身EVI開發(fā)流程的材料工藝與設(shè)計階段,通過深入分析每個子系統(tǒng)的零件功能,并將開發(fā)車型的總體減重目標與典型零件減重目標相結(jié)合,確定了白車身與標桿車相比需要減重35%或102 kg。為實現(xiàn)這一減重目標,制定了具體的用材方案：DP500和DP600鋼的占比為11.8%,DP800鋼、DP1000鋼、TRIP1000鋼、TWIP1000鋼、CP800鋼、CP1000鋼、MS1500鋼的占比分別為9.5%,10.0%,9.5%,2.3%,9.5%,9.3%,1.3%,再加少量高強度低合金鋼和烘烤硬化鋼。通過輥壓成形、沖壓成形、激光拼焊以及差厚板熱沖壓成形和激光拼焊燒烤硬化熱沖壓成形制造相關(guān)零件。在考慮白車身性能和制造工藝時,必須考慮白車身的連接方式。根據(jù)不同部位的結(jié)構(gòu)特點和性能要求,對點焊連接、激光焊接連接、粘膠連接等連接方式進行優(yōu)化分析和試驗研究,確保合適的材料通過合適的工藝應(yīng)用在合適的部位,從而實現(xiàn)車身的輕量化目標,并提升開發(fā)車型的整體安全性。 

FSV白車身EVI開發(fā)流程中的性能驗證階段包括白車身剛度、強度和疲勞性能的測定,白車身的模態(tài)分析,前撞、后撞、側(cè)撞、柱撞、頂部壓潰、翻滾等測試。在完成所有檢測項目后進行性能評定,若各項指標均符合要求,則可以進行試制和量產(chǎn)。 

FSV項目具備以下5個特點。其一,采用先進的設(shè)計理念,在FSV設(shè)計過程中,先進的鋼鐵材料和應(yīng)用技術(shù)與先進的設(shè)計理念相結(jié)合,形成了結(jié)構(gòu)優(yōu)化和用材合理的完美解決方案。為形成最佳的設(shè)計方案,在一個白車身系統(tǒng)中,根據(jù)不同部位的功能要求,應(yīng)用多個CAE工具進行優(yōu)化。其二,車身材料所應(yīng)用的先進高強度鋼的占比高達97%,其中千兆鋼（GIGA鋼）的占比大于50%,所用的鋼鐵材料能夠滿足車身用材的高強度、良好成形性能、輕量化和良好碰撞性能的要求。其三,應(yīng)用先進的成形技術(shù),包括熱成形、液壓成形、激光拼焊、輥壓成形等,同時通過改善鋼種的加工硬化特性,提高成形性能并增加碰撞安全性。其四,根據(jù)板材的規(guī)格、性能特征、成形方法以及對成形后零件功能的預(yù)測,優(yōu)化產(chǎn)品的集成方案,同時應(yīng)用成本分析軟件模擬評估零件的成本和性價比以及零件全壽命周期的二氧化碳排放量。其五,開展全壽命周期的技術(shù)評估,即進行生產(chǎn)、使用、回收全流程的二氧化碳排放量和能耗的評估,以最大限度地減少能耗和全壽命周期的二氧化碳排放量,使其完全符合綠色環(huán)保的要求以及未來法規(guī)的規(guī)定,同時考慮材料的回收利用效益。 

對于新能源汽車的輕量化,POSCO公司提出了獨具特色的EVI解決方案,其第一代電動車（PBC-EV）開發(fā)過程如下：首先選定標桿車,確定參考質(zhì)量和減重目標,并根據(jù)POSCO公司產(chǎn)品的特點,確定采用全車速下具有高安全性的全鋼結(jié)構(gòu),減重目標基于2001—2003年鋼制白車身和鋁制白車身的質(zhì)量,并參考多材料白車身的質(zhì)量以及2004—2008年前十位鋼制白車身的質(zhì)量綜合分析而定[15]；然后確定直流電機的功率、電池包的容量和續(xù)駛里程以及最高車速,并確保車輛滿足8項碰撞安全法規(guī)要求?；谟嘘P(guān)指標,確定用材方案以及加工制造工藝技術(shù)。白車身的下部空間采用空間桁架結(jié)構(gòu),上部采用單體式全承載式結(jié)構(gòu)。同時,參考超輕鋼汽車車身（ultra light steel auto body,ULSAB）結(jié)構(gòu),將白車身的下部桁架和電池包相融合。在整車造型方面,充分考慮空氣動力學特征和風阻的靈敏性。在保證乘員倉安全的前提下,通過優(yōu)化設(shè)計使乘員倉頂部空間得以最大化。前懸架采用MacPherson（麥弗遜）懸架,后懸架采用扭力梁懸架。應(yīng)用來自加利福尼亞大學圣芭芭拉分校的相關(guān)軟件,對車輛的碳排放情況與標桿車進行對照評估,并合理控制白車身的成本。在第一代電動車開發(fā)過程中,其特征參量均經(jīng)過準確的設(shè)計計算確定。根據(jù)所選定的標桿車,確定整車的尺寸為長4.32 m、寬1.83 m、高1.55 m,參考的白車身質(zhì)量為296.6 kg,而開發(fā)的白車身質(zhì)量目標設(shè)定為218.1 kg,減重目標為78 kg。該車型計劃配備100 kW永磁直流電機、30 kW鋰離子電池包,續(xù)駛里程為160 km,最高車速為150 km·h−1。在安全方面,該車型需滿足8項碰撞安全法規(guī)要求,即頂部壓潰（FMVSS 216&IIHS）、側(cè)碰（FMVSS 214D&IIHS）、側(cè)邊柱碰（FMVSS 214P&EURONCAP）、正碰（USNCAP）、偏置碰（EURONCAP&IIHS）、后碰（FMVSS 301）、低速碰（RCAR&IIHS）、行人保護（EU PED-PRO Phase 2）等。該車型的用材方案為先進高強度鋼占比65.0%、抗拉強度大于1 GPa的超高強度鋼占比45.4%、鎂板占比2.0%,按照具體材料牌號的方案為軟鋼占比2.5%、鎂板占比2.0%、熱成形鋼（包括1 470 MPa和2 000 MPa級別）占比8.2%、復(fù)相鋼（CP1180鋼）與馬氏體鋼（M1470鋼）的組合占比10.3%、POSCO專用馬氏體成形鋼占比3.9%、孿晶誘發(fā)塑性鋼（TWIP980鋼）占比10.4%、相變誘發(fā)塑性鋼（TRIP980鋼和1180鋼）占比3.3%、相變誘發(fā)塑性鋼（TRIP590鋼）占比1.6%、雙相鋼（DP980鋼）占比9.3%、雙相鋼（DP490鋼,590鋼,780鋼）占比15.6%、電工鋼占比0.53%、其他電工產(chǎn)品用鋼占比32.9%。在制造工藝技術(shù)方面,沖壓成形、激光拼焊、液壓成形、熱成形、滾壓成形等多種工藝得到廣泛應(yīng)用。在沖壓成形技術(shù)中,根據(jù)零件的性能要求,一方面可采用相同的材料,通過對零件不同部位進行不同的加熱工藝或冷卻工藝,使零件不同部位獲得不同的強度；另一方面,也可以針對同一零件應(yīng)用不同材料,通過激光拼焊連接,在相同的加熱冷卻工藝下使零件不同部位獲得不同的強度。對AZ31B鎂合金零件,宜采用溫成形工藝制造。在整車造型方面,充分考慮空氣動力學特征和風阻靈敏性,應(yīng)用計算機模擬流體動力學以及風阻系數(shù)（0.28）的影響。通過優(yōu)化設(shè)計,不僅實現(xiàn)了乘員倉頂部和電池包空間的最大化,同時也將電動車發(fā)動機和控制系統(tǒng)安置在縮短的子框架內(nèi)。經(jīng)過前碰、后碰、偏置碰等測試后,第一代電動車安全碰撞標準達到了五星級,并且在各種碰撞測試后電池均未發(fā)生損壞。白車身的靜態(tài)彎曲剛度為15 857 N·mm−1,扭轉(zhuǎn)剛度為16 644 N·m·rad−1,動態(tài)彎曲時的振動頻率為51.2 Hz,扭轉(zhuǎn)振動頻率為47.4 Hz。全壽命周期二氧化碳排放量為12 328 kg,白車身制造成本為1 018美元。 

在第一代電動車的開發(fā)以及所取得的成效基礎(chǔ)上,2014年P(guān)OSCO公司開發(fā)了第二代電動車。此次開發(fā)旨在進一步提高車輛的舒適性和安全性,尤其是針對四輪驅(qū)動（4WD）的高端車輛,對其懸架結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化,以提高輕量化效果和舒適性。懸架采用熱處理后的超高強彈簧鋼,其抗拉強度達到2 000 MPa,減重20%以上[3]。選用抗拉強度1 500 MPa的熱成形鋼和吉帕級的先進高強度鋼,以及成形性良好的DP590和DP780先進高強度鋼制造30~60 kW·h的電池包托盤；電池包殼的上蓋采用深沖性能良好的軟鋼,以保證電池包的安全性,與鋁制電池包相比,減重5%以上[3]。第二代電動車的碰撞安全性達到五星級,小角度碰撞也取得了較好的效果。POSCO公司開發(fā)的全鋼電動車車身在輕量化、安全性方面都取得了很好的效果[15]。 

此外,美國的新一代汽車合作伙伴計劃（the partnership for a new generation of vehicles,PNGV）計劃,歐盟的超輕汽車（super light car,SLC）計劃,國際鋼協(xié)的ULSAB計劃、超輕鋼汽車懸架（ultralight steel auto suspension,ULSAS）、超輕鋼汽車覆蓋件（ultralight steel auto cover,ULSAC）、超輕汽車車身-先進汽車概念（ultralight steel auto body-advanced vehicle concepts,ULSAB -AVC）等,蒂森克虜伯公司的新型全鋼車身項目,Arcelor Mittal公司的車身概念項目（S-in motion）,美國的關(guān)于商用車輕量化的21世紀卡車項目,以及美國能源部指定的重型商用車輕量化目標等相關(guān)項目,都是以鋼鐵材料為主的汽車輕量化項目,并都取得了良好效果[14]。 

國內(nèi)外企業(yè)典型的EVI活動

韓國POSCO公司的EVI活動

韓國POSCO公司是繼日本JFE公司之后較早提出EVI概念,并在國際上率先開展EVI活動的企業(yè)。在2008年于韓國松島召開的全球首屆EVI論壇上,POSCO公司的代表首先論述了EVI的模式和內(nèi)涵,并將SE、VE、VI、PP作為EVI模式的核心,對EVI的模式進行了詳細說明和論述[2,16],并以開發(fā)用戶所需要的產(chǎn)品為主題,展示和論述了普通高強度鋼、先進高強度鋼以及一代、二代、三代高強度鋼的性能以及相關(guān)應(yīng)用前景；參會的汽車行業(yè)代表展示了輕量化的發(fā)展和需求。為了做好EVI工作,POSCO公司專門成立了汽車鋼應(yīng)用中心,與用戶共同開發(fā)新鋼種的相關(guān)應(yīng)用技術(shù),滿足用戶對新鋼種應(yīng)用的需求。POSCO公司秉承用戶第一的理念,分專題介紹了滿足用戶需求所開發(fā)的一些新產(chǎn)品,例如：多相烘烤硬化鋼（MP-BH Steel）,烘烤后該鋼具有更高的屈服強度,烘烤硬化量高達80 MPa,有效增加了零件的凹痕抗力,已應(yīng)用于前擋泥板的制造；超級TRIP鋼和DP鋼,這兩種鋼利用分布于晶界的微合金化碳氮化物阻擋金屬硅、錳等合金元素沿晶界擴散,控制了鋼材表面的氧化物形成,改善了退火氧化物的形態(tài),提高了鋼材表面的抗氧化性能；結(jié)合汽車廠輕量化需求開發(fā)超級和特級先進高強度鋼,包括馬氏體TRIP鋼、超級貝氏體TRIP鋼、孿晶誘發(fā)塑性鋼等；與意大利菲亞特公司合作開發(fā)TWIP鋼,該鋼被用于制作菲亞特車輛保險杠,通過改進TWIP鋼的翻邊延性,使其能夠用于制造車輪,在應(yīng)用中取得了良好效果。 

為改善板材的表面性能、摩擦性能、耐腐蝕性能和涂層的均勻性,以適用于制造車身的外板結(jié)構(gòu)件等,新開發(fā)的以靜電氣溶膠涂層固化的熱浸鍍鋅鋼板（GI coating solidified with aerosols charged with electrostatic,GI-ACE板）鍍層的鋅花尺寸由原來的1 000~2 000 μm細化到50~60 μm,改善了鋼板的表面形貌、成形性能、耐腐蝕性能以及涂裝后的清潔性能、光鮮性和均勻性。為改進合金化熔融鍍鋅鋼板（GA板）的表面潤滑性能,在其表面增加了潤滑薄膜,改進后的摩擦因數(shù)較原GA板降低了20%。與GI板相比,POSCO公司開發(fā)的鋅鎂（Zn-Mg）涂層板的涂層結(jié)合力與焊接電極壽命相當,成形性能、表面形貌、激光焊接性和腐蝕抗力得到改善,但價格上漲15%[2]。POSCO公司還開發(fā)了用于熱成形的有機納米涂層板,該涂層為有機和無機復(fù)合納米粒子填充的復(fù)合物,從而改善了鋼板加熱時表面的抗氧化性能、熱成形后零件的點焊性能以及室溫的預(yù)成形性能。表1給出了POSCO公司熱沖壓成形鋼系列烘烤前后的性能[17],烘烤后熱沖壓成形鋼具有更高的屈服強度。 

2010年P(guān)OSCO全球EVI論壇的主題為在汽車零件制造中如何對用戶進行幫助,包括如何使用先進的激光拼焊板、液壓成形技術(shù)、熱沖壓成形技術(shù),以及如何用好與這些成形技術(shù)相關(guān)的新的鋼種。在汽車制造中特別是高強度白車身的制造中,點焊技術(shù)是一項重要的制造技術(shù),通常一部汽車白車身的焊點數(shù)量超過4 000個。高強度板和新的涂層技術(shù)的發(fā)展對點焊條件也提出了新的要求。按照ISO18278-2：2016 Resistance welding—Weldability Part 2: Evaluation procedures for weldability in spot welding標準,對未涂層板進行點焊時的電極壓力為4.5 kN,熔化時間為3 s,焊接時間為130 s,冷卻時間為40 s,保持時間為300 s,電極為Cu-Cr電極,電極形式為模塊式的電極系統(tǒng),電極頭部直徑為0.8 mm,冷卻劑流量為4 L·min−1,點焊板材和沖壓零件的厚度在1.5~1.7 mm。當點焊抗拉強度為1 470 MPa的熱成形裸板時,其點焊電流為3.0~7.7 kA。對于抗拉強度為1 470 MPa的鋁硅涂層熱沖壓成形板,點焊電流為8.5~10.5 kA。對于抗拉強度為1 800,2 000 MPa的熱沖壓成形裸板,點焊電流分別為7.5~9.0,7.5~8.5 kA。這些數(shù)據(jù)表明對于熱成形的裸板,點焊電流偏低且范圍寬,而對于強度較低的鋁硅涂層板,點焊電流范圍也較寬,但其數(shù)值明顯提升；當裸板的強度級別提升時,點焊電流增大,但范圍變窄。表2列出了不同強度熱成形鋼點焊后接頭的拉伸剪切和十字拉伸試驗結(jié)果以及相關(guān)的延性比[18],可以看出,隨著板材強度的增大,點焊后接頭的強度以及延性比均下降,斷裂模式均為部分交界面分離。當點焊工藝適當時,焊點的承載能力（拉伸剪切和十字拉伸）都隨基體材料的強度增大而下降,延性比也基本呈現(xiàn)該變化趨勢[18]。 

2012年P(guān)OSCO全球EVI論壇的主題為如何使用戶快速使用新的鋼鐵產(chǎn)品,旨在將鋼鐵產(chǎn)品的開發(fā)與用戶汽車產(chǎn)品的開發(fā)有機融合在一起,推進EVI的深度合作,并且提出“用戶的成功就是我們的明天”的理念。為此,鋼鐵企業(yè)將新產(chǎn)品的性能進行全面的檢測并編制相關(guān)手冊,如POSCO公司編寫的《Automotive Steel Data Book 2011》,同時還將鋼鐵材料的各類數(shù)據(jù)嵌入到知名的設(shè)計與分析軟件中,這其中涵蓋新材料的力學性能、成形性能、焊接工藝和性能、涂裝性能（光鮮性和耐腐蝕性能）以及零件的抗疲勞性能等,并將其全面系統(tǒng)展示給用戶,根據(jù)用戶所開發(fā)的零件功能要求,為用戶推薦合適的材料,共同解決用戶應(yīng)用新材料時所遇到的任何問題和細節(jié)。因此,POSCO公司的EVI就是與用戶一起將相關(guān)材料制造成合適的零件,使其滿足零件功能的要求,同時提供相應(yīng)工藝技術(shù)和方法的合作開發(fā)經(jīng)營活動。 

2014年P(guān)OSCO全球EVI論壇的主題為從鋼材的供應(yīng)商到解決問題的合作伙伴。鋼材供應(yīng)商及時為用戶提供所需鋼材以及應(yīng)用技術(shù),包括成形、涂裝、焊接、零件的評價等相關(guān)技術(shù),同時為用戶提供商業(yè)支持,包括用戶用材的及時交付、物流成本的控制、下游商業(yè)關(guān)系的協(xié)調(diào)以及金融支持等。鋼材供應(yīng)商通過營銷和技術(shù)的有機融合,為用戶提供解決問題的軟硬件營銷策略,實現(xiàn)雙方的互利共贏。 

2016年P(guān)OSCO全球EVI論壇的主題為金融合作和建立合資企業(yè)[19]。POSCO公司為合資企業(yè)的建設(shè)提供產(chǎn)品開發(fā)資源、全球網(wǎng)絡(luò)、限額投資、零件開發(fā)、零件生產(chǎn)工藝等工業(yè)信息,極大拉近了材料生產(chǎn)企業(yè)和材料研發(fā)生產(chǎn)單位與用戶之間的關(guān)系。在該論壇上,在對道瓊斯可持續(xù)發(fā)展世界指數(shù)（the Dow Jones sustainability world index,DJSI）、健康安全與社會貢獻等方面與國際上知名鋼鐵公司進行評比后,POSCO公司位列榜首,其余參與公司依次為瑞鋼鋼板公司、蒂森克虜伯鋼公司、現(xiàn)代鋼鐵公司、Arcelor Mittal公司。在世界鋼動力對世界鋼鐵公司進行的世界級鋼鐵制造商排名中,POSCO公司仍穩(wěn)居第一,其余參與排名的鋼鐵公司排序為新日鐵住金株式會社、紐柯鋼鐵公司、美國鋼鐵動力公司、俄羅斯NLMK鋼公司、俄羅斯謝維爾鋼鐵、美國VOEST-ALPINE國際貿(mào)易公司、巴西蓋爾道鋼公司、日本鋼鐵控股公司、日本制鋼所。在技術(shù)創(chuàng)新、熟練生產(chǎn)工人、產(chǎn)品附加值3項上,POSCO公司仍拔得頭籌,其余參與公司的排序為新日鐵住金株式會社、紐柯鋼鐵公式、鋼鐵動力公司、俄羅斯NLMK鋼公司。這些排名展示了POSCO公司在國際上的競爭能力、產(chǎn)品的可信度和技術(shù)上的先進性。在該論壇上POSCO公司對應(yīng)用于汽車工業(yè)的GIGA鋼性能進行了系統(tǒng)展示,并針對其成形、焊接、疲勞等性能方面提供了解決方案。對于新開發(fā)的高錳鋼,展示了其用于制作液化天然氣容器儲罐的相關(guān)技術(shù),包括設(shè)計技術(shù)、分析技術(shù)、優(yōu)化設(shè)計的計算機模擬技術(shù)等。在建筑領(lǐng)域,展示了高強度的鋼絲和棒材以及基于這些材料所制造零件的功能分析,同時展示了POSCO公司的新技術(shù)創(chuàng)新和新材料應(yīng)用的EVI解決方案。在商業(yè)運作方面,POSCO公司提出共同建立合資公司的倡議,旨在大幅度降低運輸成本,聯(lián)手開發(fā)市場,提供資金支持,實現(xiàn)產(chǎn)品的快速配送。從硬件鋼鐵材料供應(yīng)到軟件的技術(shù)問題解決和方案的制定,再到商務(wù)支持（包括及時交貨、下游商務(wù)協(xié)調(diào)、資金協(xié)作、運輸成本控制、建立合資公司、參與市場開拓等方面）,這些合作模式和成果展示使得POSCO公司成為下游用戶未來最可靠的合作伙伴,此外通過這些論壇的成功舉辦,也在國內(nèi)外的用戶中樹立了良好形象。 

2018年P(guān)OSCO全球EVI論壇恰逢P(guān)OSCO建廠50周年[20],世界鋼鐵協(xié)會總干事Edwin Basson在該次會議上作了題為“鋼——未來最好的材料”的主旨報告[21],指出鋼鐵材料在資源利用、管理環(huán)境、低碳低能耗生產(chǎn)、循環(huán)再生等方面具有明顯的優(yōu)勢,同時鋼鐵材料還可以在復(fù)雜的結(jié)構(gòu)中作為一種框架,與所有的材料協(xié)同工作,形成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的有力支撐。不僅如此,鋼鐵材料的生產(chǎn)和應(yīng)用還具有節(jié)能減排的特點,每生產(chǎn)1 t鋁錠的碳排放量高達16.1 t,而每生產(chǎn)1 t鋼錠的碳排放量僅為1.866 t。高強度鋼和超高強度鋼的應(yīng)用有助于實現(xiàn)交通工具的輕量化,進而減少油耗,降低碳排放量。在此次論壇上,POSCO公司正式提出了GIGA鋼的概念,并將其作為汽車輕量化和安全性的解決方案和用材,同時深入論述了新能源汽車輕量化用材的發(fā)展趨勢。在應(yīng)用超高強鋼進行新能源汽車輕量化時,需要解決氫脆、液態(tài)金屬脆性、冷成形時零件回彈、模具磨損等諸多技術(shù)問題。而解決上述問題,則需要主機廠、材料生產(chǎn)和供應(yīng)企業(yè)、零件廠的共同合作,如此才能發(fā)揮出這一經(jīng)濟、環(huán)境友好的新型材料的優(yōu)勢。POSCO公司已成功應(yīng)用GIGA鋼制成了電池包殼,并在電池包中采用了高能量密度的鋰、鎳、鈷等可以快速充電的長壽命電池材料。POSCO公司還特別強調(diào)了EVI模式的拓展應(yīng)用,如將高性能的熱軋板、冷軋板應(yīng)用在智能化的高層建筑、橋梁、模塊化裝配式建筑等領(lǐng)域。在汽車制造領(lǐng)域,GIGA系列鋼材應(yīng)用于白車身,熱成形門環(huán),表面質(zhì)量、油漆光鮮性、耐腐蝕性能要求更高的汽車外板,保險杠,輕量化的空心車身安全穩(wěn)定桿,減重20%以上的懸架系統(tǒng),可作為高頻下低芯鐵損、高強度的電機材料,輕量化的風電能源材料,氫燃料電池包材料,可加工成高強度、高延遲斷裂抗力、零件性價比高、熱處理工藝簡單的線棒材等。 

蒂森克虜伯公司的EVI活動

蒂森克虜伯公司為汽車行業(yè)提供技術(shù)解決方案和EVI技術(shù)服務(wù),前后推出5款車身和平臺系統(tǒng),分別為1998年設(shè)計開發(fā)的ULSAB車身、2003年推出的NSB®車身、2009年的InCar®平臺、2014年的InCar*plus平臺和2019年的selectrify®平臺。 

Incar項目[22]是蒂森克虜伯公司為汽車行業(yè)所設(shè)計的創(chuàng)新性研發(fā)項目。該項目以客戶為導(dǎo)向,與汽車產(chǎn)業(yè)的合作伙伴共同確定研究方向,重點關(guān)注汽車的質(zhì)量、成本、功能以及二氧化碳排放的可持續(xù)性改進,研發(fā)成果中包括30多項關(guān)于車身、底盤和動力系統(tǒng)的創(chuàng)新性解決方案。該項目選取的標桿車是一個要求嚴格的高性能車型,其整體指標代表了2009年汽車技術(shù)發(fā)展水平,部分性能和技術(shù)更處于領(lǐng)先地位。該項目旨在超越標桿車的相關(guān)性能和結(jié)構(gòu),而相關(guān)的創(chuàng)新方案均以成熟度和可行性為依據(jù),以便快速地適應(yīng)客戶的個性化需求。借助第三方的數(shù)據(jù)庫,項目中的各項指標,尤其是二氧化碳排放指標,可媲美當前一流技術(shù)。項目的實施集成了蒂森克虜伯公司在材料開發(fā)、工程設(shè)計、零件制造、樣件試制和工裝設(shè)備制造等領(lǐng)域的相關(guān)團隊的技術(shù)優(yōu)勢,其合作模式也彰顯了蒂森克虜伯公司在百余年的發(fā)展歷史中一直與汽車領(lǐng)域用戶所建立的合作伙伴關(guān)系。項目中所提出包括車身、底盤、動力總成等方面超過30余項的創(chuàng)新解決方案,均經(jīng)過充分論證和時間驗證,成熟度很高。對于新開發(fā)零件的結(jié)構(gòu)以及碰撞、耐久性等性能,不僅進行了虛擬模擬分析,還開展了實件測試,甚至防腐性能和涂裝性能也進行了驗證,因而必然會給用戶帶來成功的體驗。汽車廠商在實現(xiàn)汽車減重、零件功能提升和成本下降等方面都能找到理想的方案。同時,項目通過構(gòu)建二氧化碳排放評估體系,全面且系統(tǒng)地展示了汽車開發(fā)中的環(huán)境保護措施以及所具備的透明度。Incar EVI模式的另一突出特點在于,對同一個零件的選材、生產(chǎn)流程和工藝進行了多種方案的對比。以汽車的B柱為例,其在成本、質(zhì)量、二氧化碳排放方面與標桿參考件的多種方案的比較結(jié)果見表3,標桿方案為DP-W®600不等厚激光拼焊冷沖壓成形板。 

在Incar項目的基礎(chǔ)上,2016年蒂森克虜伯公司繼續(xù)開展了Incar plus項目[22],該項目融合了公司內(nèi)部多學科專業(yè)知識,打造了多種零件,超過40個輕量化的獨立解決方案,可以在不影響車輛性能的前提下實現(xiàn)有效減重,白車身的輕量化指數(shù)降至2.7。 

TAGAL的EVI服務(wù)模式

TAGAL的EVI服務(wù)模式可追溯至2008年蒂森克虜伯鋼鐵中國應(yīng)用技術(shù)組的成立。2010年,該團隊整體并入TAGAL旗下。2012年,TAGAL將傳統(tǒng)的早期技術(shù)介入（early technology involvement,ETI）和先期工藝介入（early process involvement,EPI）相結(jié)合,提出了“ETI=EVI+EPI”的特色技術(shù)服務(wù)模式。2024年,TAGAL再次將EVI模式升級,推出了EVI-Pro,利用騰訊云基地（Tencent cloud base,TCB）數(shù)字化平臺和定制化可變車身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù),在客戶車身開發(fā)早期提供性能優(yōu)化、降本和輕量化等設(shè)計服務(wù),有效提高了EVI工程設(shè)計精度、開發(fā)效率和服務(wù)靈活性。通過持續(xù)引入最新鋼種、表面處理技術(shù)、冷/熱成形工藝技術(shù),為新能源車身及零部件提供EVI工程服務(wù),從而推進未來車身安全、輕量化、經(jīng)濟性和綠色發(fā)展。 

2024年的TCB數(shù)字化平臺,集成了TAGAL最新產(chǎn)品、技術(shù)和服務(wù)的新能源汽車用鋼一體化解決方案,可變?nèi)撝栖嚿硐到y(tǒng)以及多種成套工程技術(shù)解決方案和服務(wù)創(chuàng)新。TCB純電車身系統(tǒng)是TAGAL在引進蒂森克虜伯公司selectrify平臺基礎(chǔ)上,緊密結(jié)合中國新能源汽車市場需求,并充分借鑒在國內(nèi)多年為40余款整車車身提供EVI服務(wù)的經(jīng)驗,對電機、電池和底盤架構(gòu)進行升級迭代,進而采用專業(yè)車身工程技術(shù)及流程打造的數(shù)字化純電汽車平臺。該數(shù)字化平臺在設(shè)計上兼顧性能、質(zhì)量、成本和環(huán)保指標,采用全鋼制車身,通過新材料和新工藝技術(shù)的組合應(yīng)用設(shè)計,實現(xiàn)了卓越的靜態(tài)剛度（扭轉(zhuǎn)剛度高達37 266 N·m·rad−1）和動態(tài)碰撞安全性能（C-NCAP碰撞五星級）；相比同級別標桿車身,該平臺實現(xiàn)減重10%、降本15%的效果,同時還開展了零部件及整車車身LCA的碳排放評價,其中材料生產(chǎn)階段碳排放降低13.5%,零件制造階段降低0.6%,按行駛15×104 km計,使用階段降低85.5%,回收階段降低0.4%。2024年3月20日,TAGAL在重慶召開了數(shù)字化車身及其用鋼解決方案的成果發(fā)布會。此次發(fā)布會展示的成果摒棄了過去通過制造概念車進行EVI服務(wù)的模式,而是基于新格局、新需求、新驅(qū)動的理念,開發(fā)了數(shù)字化的白車身,并提出多種用鋼解決方案,這使得EVI的服務(wù)活動內(nèi)容更加豐富,用戶可選擇的方案更多,應(yīng)用更方便,開發(fā)產(chǎn)品的周期更短,從而開創(chuàng)了一種嶄新的模式；特別是發(fā)布會上展示的電動車白車身和電池包一體化的輕量化解決方案,不僅使輕量化的效果更顯著,而且為客戶提供更多的可選擇方案,具有更好的性價比,同時進一步豐富了EVI服務(wù)的內(nèi)容,提升了效率。這一系列新的思維和特點以及良好的效果使得這一新型的EVI模式有廣泛的發(fā)展前景。 

TAGAL的EVI服務(wù)可以根據(jù)客戶的不同需求,在產(chǎn)品開發(fā)的不同階段選擇不同的技術(shù)介入,積極構(gòu)建定制化的技術(shù)和服務(wù),切實解決實際的工程問題,其優(yōu)勢在于充分發(fā)揮從材料到車身的全流程中技術(shù)和工藝的融合和集成能力,涵蓋汽車開發(fā)的各個階段,包括車身概念開發(fā)、車身工程設(shè)計和開發(fā)、工裝制造和調(diào)試以及量產(chǎn)階段。TAGAL構(gòu)建了相應(yīng)的技術(shù)體系,并配備針對性的服務(wù),從而提供滿足主機廠在不同階段的EVI技術(shù)服務(wù)。 

TAGAL進行EVI服務(wù)的典型案例如下。（1）高強度輕量化外板的應(yīng)用。高強度輕量化外板的應(yīng)用助力構(gòu)件輕量化。以標桿車的發(fā)罩外板為例,其原來采用材料CR180BH、厚度0.65 mm的方案,經(jīng)過TAGAL優(yōu)化后其輕量化方案選用材料CR290Y490T-DP、厚度0.50 mm,實現(xiàn)了減重20%、降本13.8%的效果。標桿車的后門總成原用材料CR180BH、厚度0.65 mm的方案,而輕量化方案為材料CR290Y490T-DP、厚度0.50 mm,達到降本11.7%、減重18.3%的效果。（2）AS Eco熱成形鋼板的開發(fā)和推廣應(yīng)用。TAGAL的AS Eco熱成形鋼應(yīng)用了東北大學研發(fā)的薄Al-Si鍍層的專利,打破了國外專利的長期壟斷局面。這種熱成形鋼制成的構(gòu)件具有優(yōu)異的韌性,并且經(jīng)過多年的試驗測試和試制,總結(jié)出了可供穩(wěn)定生產(chǎn)的熱成形工藝加熱窗口。通過EVI模式已成功將該鋼應(yīng)用于汽車門環(huán)、B柱和門防撞梁,并取得了非?？捎^的降本效果。（3）網(wǎng)格型面模具技術(shù)的應(yīng)用。該技術(shù)不僅可以有效防止凸模上的油污積聚,而且還可以有效減少沖壓件的凸凹效果,該技術(shù)已應(yīng)用在頂蓋、前蓋、翼子板、側(cè)圍板等網(wǎng)格拉延模,以及前后門外板的修邊沖孔模具中。網(wǎng)格模具的引入使得零件返修率由10%~15%降低到2%以下,從而極大幫助了主機廠提高了生產(chǎn)效率,降低了生產(chǎn)成本。（4）TAGAL greenS低碳排放鋼的應(yīng)用。該鋼的應(yīng)用是實現(xiàn)汽車行業(yè)綠色發(fā)展的主要舉措之一。在原材料制備階段,采用“高爐+轉(zhuǎn)爐+大廢鋼比”和“電弧爐+全廢鋼”兩大工藝路徑,分別實現(xiàn)了噸鋼碳減排30%和60%以上的成效。同時,TAGAL將EVI服務(wù)與綠色低碳理念相結(jié)合,加快了汽車制造企業(yè)向綠色轉(zhuǎn)型升級的步伐。 

國際鋼協(xié)的EVI活動

國際鋼協(xié)在未來鋼汽車的項目中,對EVI活動進行了系統(tǒng)的展示,涵蓋了新車制造的工藝過程以及將EVI模式融入其中的方式,即從開發(fā)計劃的制定、概念設(shè)計的構(gòu)思、詳細設(shè)計的推進、原型試制的實施,直到小批量生產(chǎn)的開展以及零件功能的驗證[23]。相關(guān)內(nèi)容請參閱第4節(jié)新車開發(fā)中的EVI活動。 

Arcelor Mittal公司的EVI活動

Arcelor Mittal在EVI活動時將標桿車的收集、分析、研究和選定（Benchmark）以及展示作為重要的展示內(nèi)容,該公司收集了2010年的10多種款式C級標桿車,同時展示出這些車輛的質(zhì)量、價格和功能,并與同檔次車的相關(guān)指標進行比較,從而提出EVI方案的參考指標。Arcelor Mittal公司將所擁有的最新生產(chǎn)的標桿車的Benchmark信息,與歐洲同期生產(chǎn)的樣車基準及北美的樣車基準進行對照,再參照2010年北美車型的碰撞要求和材料構(gòu)成,提出用于EVI展示的C級概念車的制作方案,也就是該公司在2010年所開展的S-in motion項目。Arcelor Mittal運用了一系列的創(chuàng)新設(shè)計和思維對S-in motion概念車的制作實施過程進行綜合優(yōu)化,包括3個在全球范圍內(nèi)處于領(lǐng)先水平的前端模塊設(shè)計方案、4個適用于歐洲和2個適用于北美的后部模塊的解決方案、3個在歐洲和2個在北美處于領(lǐng)先水平的車身尾部的解決方案以及3個在全球范圍處于領(lǐng)先水平的車門模塊解決方案,使所開發(fā)的概念車減重效果最優(yōu),五星級碰撞效果最好,NVH效果達到當時Benchmark標桿車的前沿水平,從而形成S-in motion的EVI方法論和解決方案。具體而言,針對不同零件,采用包括先進高強度鋼、熱沖壓成形鋼、激光拼焊板、管材、線棒材等在內(nèi)的60種鋼鐵材料,使得C級概念車的白車身減少73 kg或減重19%,車輛使用時的二氧化碳當量排放量減少13.5%,同時并未增加成本。 

在Arcelor Mittal的EVI方案中,憑借該公司擁有的鋁硅涂層熱成形鋼板的專利壟斷優(yōu)勢,展示了熱沖壓成形門環(huán)技術(shù)及其解決方案,并將應(yīng)用范圍擴大到其他零件,從而顯著提高了輕量化效果、安全性和剛性。 

中國寶鋼的EVI活動

寶鋼是在我國較早開展EVI活動的企業(yè)之一,在其EVI活動時通過制造白車身的方式展示出寶鋼新鋼種研發(fā)的最新成果和先進的工藝技術(shù)。寶鋼開展的EVI活動流程呈現(xiàn)出全程系統(tǒng)化和個性化的特點,更能為用戶開發(fā)新產(chǎn)品提供全方位的支持內(nèi)容,寶鋼EVI活動的流程、支持內(nèi)容和項目如圖1所示[3],所制概念車的白車身的各項指標見表4,超輕型白車身概念車（BCB）與其他相關(guān)車型概念車指標的比較見表5[3]。BCB概念車曾在全國主要汽車制造企業(yè)進行巡回展示,并取得了良好的效果。寶鋼曾于2011年召開了國內(nèi)首屆EVI會議,此后又召開多次此類會議,持續(xù)不斷地為用戶提供全流程系統(tǒng)化的EVI模式支持。在材料技術(shù)方面,寶鋼提出了選材優(yōu)化技術(shù)。在工藝技術(shù)方面,結(jié)合自身鋼材生產(chǎn)的特點,融入了各種先進的冶煉、軋制等制造技術(shù),同時現(xiàn)場開展了零件制造工序優(yōu)化以及成形和模具裝備配置優(yōu)化。在產(chǎn)品設(shè)計方面,應(yīng)用先進的設(shè)計軟件,根據(jù)零件的工況對其進行模擬分析、優(yōu)化設(shè)計,借助先進的分析軟件對零件成形性和輕量化進行模擬與敏感性分析,構(gòu)建了一攬子先進的高功能零件的解決方案和相關(guān)的知識儲備。2015年制造的BCB概念車應(yīng)用了寶鋼的各種先進材料和成形技術(shù),在實現(xiàn)輕量化的同時提升了白車身的相關(guān)功能,在國內(nèi)取得良好的示范效果。2023年4月在EVI和氫脆國際會議召開前,寶鋼和武鋼聯(lián)合重組的寶武在“產(chǎn)業(yè)合作與創(chuàng)新”一文中提出了寶武汽車板發(fā)展的理念,該理念強調(diào)了不僅滿足用戶要求,而且還不斷超越用戶的滿意度。寶鋼EVI模式已成為鋼鐵行業(yè)開發(fā)和應(yīng)用汽車新材料的典范。在與汽車廠EVI的合作中,寶鋼等材料生產(chǎn)企業(yè)也更加深刻理解了EVI的內(nèi)涵[4]。1999年寶鋼成立用戶技術(shù)中心,是國內(nèi)鋼鐵行業(yè)首個用戶技術(shù)中心。多年來寶鋼在成形、連接、涂裝三大應(yīng)用技術(shù)上取得了一系列的創(chuàng)新研發(fā)成果。繼2015年寶鋼推出了首個BCB概念車之后,2021年又推出了超輕型高安全純電動車的白車身BCB EV,在成本可控的條件下減重16%,有力推動新能源汽車輕量化的發(fā)展。寶鋼還堅持EVI創(chuàng)造價值的理念,積極走國際化開放道路,參與國際ULSAB、FSV項目和先進高強度鋼的使用指南編制,以及白車身LCA等級評估等活動,始終將“堅持用戶的標準、用戶的計劃、用戶的利益”作為寶鋼的追求理念。2021年,寶鋼又緊跟中央的“雙碳”戰(zhàn)略部署,及時制定寶鋼產(chǎn)品達到“雙碳”要求的時間表,計劃于2023年實現(xiàn)碳達峰,2025年實現(xiàn)碳中和,與用戶共同開展汽車產(chǎn)品全生命周期的碳足跡評價。2023年3月27日,作為國內(nèi)首個量產(chǎn)供貨的低碳排放汽車板產(chǎn)品（BeyondECO®-30%）在寶山基地1550電鍍鋅機組正式下線,該產(chǎn)品作為寶鋼新能源車整體解決方案品牌SMARTeX的重要成果,以寶鋼汽車板QCDDS為品牌基因,賦能汽車用戶,是低碳綠色鋼生產(chǎn)制造的重大突破,標志著寶鋼汽車板在低碳冶金研發(fā)領(lǐng)域取得顯著成效,實現(xiàn)了低碳化設(shè)計、低碳化制造、低碳化產(chǎn)品生產(chǎn)及低碳化應(yīng)用,同時通過EVI與“雙碳”目標相結(jié)合,助力鋼鐵和汽車行業(yè)早日實現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標。 

圖  1  寶鋼EVI活動的流程、支持內(nèi)容和項目示意[3]

Figure  1.  Process, supporting content, and project diagram of Baosteel EVI display[3]

目前,EVI模式已在我國大型鋼鐵企業(yè)中得到廣泛應(yīng)用,成為技術(shù)服務(wù)和產(chǎn)品推廣的重要手段。這一模式不僅獲得鋼鐵材料生產(chǎn)單位的有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)與相關(guān)人員高度認可,而且也在新產(chǎn)品開發(fā)和技術(shù)服務(wù)中被付諸實踐和應(yīng)用。 

中信金屬的EVI活動

在一些應(yīng)用EVI模式進行技術(shù)服務(wù)和新產(chǎn)品開發(fā)的企業(yè)中,中信金屬的EVI工作具有一定的特色。首先,針對高強度鋼和超高強度鋼在汽車中應(yīng)用時存在強韌性不足、氫致延遲斷裂抗力偏低、成形性差、焊后韌度和耐久性不足等問題,結(jié)合該公司在微合金化元素鈮對汽車用鋼性能和加工工藝影響方面的初步研究成果,聯(lián)合用戶以EVI模式為指引開展大量研究。在此過程中,探討了鈮對汽車用鋼性能影響和改善的機理,進而指導(dǎo)用戶用好鈮微合金化高強度和先進高強度鋼,并將研究成果編輯成書或論文集,與用戶共享。中信金屬依據(jù)EVI服務(wù)相關(guān)的內(nèi)容和發(fā)展過程,形成了EVI 1.0至EVI 5.0的發(fā)展歷程,具體見表6[24]。 

中信金屬與有關(guān)科研單位聯(lián)合開發(fā)了車身材料的智能選材系統(tǒng),即正向選材系統(tǒng)[24-26],其網(wǎng)頁版和軟件版1.0版已于2020年的EVI與氫脆大會上對外發(fā)布。該軟件基于高強度材料失效斷裂卡片以及汽車車身安全的環(huán)狀結(jié)構(gòu),堅持將合適的材料匹配至合適部位的理念,構(gòu)建了首個考慮輕量化、成本、安全、制造工藝4個維度及9個子維度的選材體系,進一步完善了常用汽車板的材料數(shù)據(jù)測試成果,為實現(xiàn)材料的合理選材提供了一款更加便捷有效的工具。 

中信金屬的EVI模式基于服務(wù)對象、研發(fā)內(nèi)容、技術(shù)領(lǐng)域、基礎(chǔ)研究的變化,將其應(yīng)用研究分為3個階段：第一階段為汽車鋼鐵材料的開發(fā)階段,研發(fā)出的鋼鐵材料包括微合金化高強度低合金鋼、先進高強度鋼、特殊烘烤硬化鋼,以及各類專業(yè)用鋼,如大梁鋼、車輪鋼、齒輪鋼、彈簧鋼、耐磨鋼等；第二階段為零件的開發(fā)階段,所開發(fā)的零件為汽車產(chǎn)品中有代表性的零件,如B柱、保險杠橫梁、車輪、車架、高應(yīng)力輕量化少片變截面板簧、新型不銹鋼的排氣系統(tǒng)、新能源汽車用的高轉(zhuǎn)速齒輪鋼等；第三階段為總成及整車的開發(fā)階段,該階段主要研發(fā)各類特殊用途且追求輕量化的商用車,以及和主機廠、材料生產(chǎn)廠聯(lián)合開發(fā)的典型概念車,在此過程中構(gòu)建了新型高功能零件和特殊品種整車的材料技術(shù)解決方案以及整車的集成技術(shù)解決方案,并通過中信金屬與相關(guān)的合作研發(fā)團隊的對外交流,將這些成果進行拓展。中信金屬在整個過程中注重行業(yè)共性難題的研究及解決,如氫致延遲斷裂、沖壓過程剪切邊緣開裂、材料關(guān)鍵性能-斷裂卡片-碰撞安全的關(guān)系、汽車材料的低碳再生等問題,從而推動解決應(yīng)用問題背后的科學問題,同時促進行業(yè)的技術(shù)進步和企業(yè)自身的發(fā)展。中信金屬還通過對鈮微合金化鋼研究與開發(fā)項目的資金支持,推動行業(yè)共性技術(shù)的發(fā)展。同時,借助對國外新車的Benchmark和整車性能的技術(shù)研討,及時了解國外相關(guān)技術(shù)的進展,推動行業(yè)技術(shù)進步。未來中信金屬將進一步強化服務(wù)意識,深入認識EVI模式的內(nèi)涵,拓展EVI模式應(yīng)用的廣度,逐步形成中信金屬EVI模式獨有的特色。 

通用汽車中國科學研究院的EVI活動

通用汽車中國科學研究院王建鋒等根據(jù)多年的實踐經(jīng)驗,借鑒生物學中的生態(tài)系統(tǒng)提出了多尺度生態(tài)系統(tǒng)框架下的技術(shù)創(chuàng)新理念,旨在加速先進高強鋼在汽車輕量化上的應(yīng)用；同時闡述了在汽車車身用鋼研發(fā)、量產(chǎn)、應(yīng)用過程中,汽車產(chǎn)業(yè)鏈上各環(huán)節(jié)與材料生產(chǎn)單位以及各個企業(yè)之間緊密的合作關(guān)系和高度的相互依賴關(guān)系。該研究院強調(diào)以市場需求引導(dǎo)技術(shù)創(chuàng)新,并以市場反饋檢驗技術(shù)價值,將汽車零件的輕量化追求、安全性能提升、成本合理控制以及車身流線銳度的外觀設(shè)計等多方面有機融合,使材料研發(fā)單位和材料應(yīng)用單位實現(xiàn)利益共享、風險共擔,從而突破傳統(tǒng)意義上的材料、零件、供應(yīng)商、主機廠之間的簡單供求模式,構(gòu)建一種新型的EVI模式；同時,明確提出輕量化與超高強度鋼應(yīng)用密切相關(guān),為提升零件的安全性,必須提升超高強鋼的強韌性匹配和氫致延遲斷裂抗力。在汽車行業(yè)內(nèi)的相關(guān)企業(yè)中,從鋼廠到主機廠都是汽車產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的重要成員和利益共同體。對于新鋼種的開發(fā)和量產(chǎn)應(yīng)用,良好的材料性能是基礎(chǔ),更關(guān)鍵的是要滿足市場需求,有效解決用戶的關(guān)注問題和技術(shù)商務(wù)風險點。這就要求在這一生態(tài)系統(tǒng)中,各成員之間相互溝通,緊密合作,通過新型EVI模式齊心協(xié)力實現(xiàn)新型高強度材料和先進成形工藝在汽車輕量化領(lǐng)域中的應(yīng)用。此外,通用汽車中國科學研究院還特別注重知識產(chǎn)權(quán)轉(zhuǎn)化和投資事宜。得益于專業(yè)投資人員的介入,對內(nèi)部和外部知識產(chǎn)權(quán)實現(xiàn)有效、高效的評估。根據(jù)通用汽車的產(chǎn)品需求,不僅可以快速實現(xiàn)內(nèi)部知識產(chǎn)權(quán)的轉(zhuǎn)化,還能夠引進外部知識產(chǎn)權(quán)的投資,進而更加深入地整合和利用上下游高品質(zhì)技術(shù)資源,這也充分體現(xiàn)了其EVI模式的獨特性。 

鞍鋼的EVI活動

鞍山鋼鐵公司（銨鋼）作為我國的一家大型鋼鐵企業(yè),在開展EVI活動時,不僅遵循EVI活動的基本規(guī)則、內(nèi)容和要求,更在滿足用戶需求方面展現(xiàn)出更深刻的理解。公司經(jīng)常安排負責新產(chǎn)品開發(fā)的領(lǐng)導(dǎo)親自帶隊走訪用戶和汽車企業(yè),了解這些企業(yè)對新產(chǎn)品開發(fā)的需求,同時向用戶介紹鞍鋼新開發(fā)產(chǎn)品的特點,使用戶了解鞍鋼新產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)的相關(guān)情況,以此制定出基于用戶需求的鞍鋼新產(chǎn)品的研發(fā)計劃。鞍鋼在國內(nèi)率先生產(chǎn)出大型構(gòu)件熱成形產(chǎn)品所需的熱軋板,盡管目前用戶數(shù)量不多,但這一舉措體現(xiàn)了鞍鋼對用戶技術(shù)進步和特殊用材需求的關(guān)注和支持。鞍鋼與蒂森克虜伯和金固攜手組建金蒂安公司,聯(lián)合開發(fā)車輪用熱成形鋼,并聯(lián)合建立鋼材剪裁配送中心和車輪用熱軋板表面處理的金屬表面無酸清潔技術(shù)（eco pickled surface,EPS）生產(chǎn)線。這一生產(chǎn)線的建立解決了在不需要酸洗條件下熱軋板表面質(zhì)量提升的難題,使鋼廠與用戶之間的合作關(guān)系實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍,更進一步將材料研發(fā)、生產(chǎn)與材料應(yīng)用單位有機密切地結(jié)合在一起。許多材料應(yīng)用單位紛紛反饋,鞍鋼的EVI服務(wù)讓用戶感受到了真誠、親切、周到和溫暖的體驗,這可能也是鞍鋼在EVI服務(wù)中的一大創(chuàng)新性亮點。 

首鋼的EVI活動

首鋼因搬遷和廠區(qū)新建,其汽車板的開發(fā)和生產(chǎn)進程較寶鋼和鞍鋼稍晚,但首鋼汽車板的開發(fā)以及EVI活動的開展同樣取得了較好的成果。為了打開汽車板的應(yīng)用市場,首鋼采取一系列更積極的EVI活動。首先,將所試制的汽車板進行全面的性能測試；隨后主動與用戶聯(lián)系,攜手用戶共同針對新產(chǎn)品進行應(yīng)用試驗。首鋼在價格上給予用戶更多的優(yōu)惠,同時采取措施控制產(chǎn)品的質(zhì)量并提供更多的技術(shù)服務(wù),使汽車板在生產(chǎn)和應(yīng)用方面取得了較快的進步。首鋼加大研發(fā)隊伍的建設(shè)力度,強化以科技為先導(dǎo)的理念,將大量人力、物力、財力投入到汽車板的研發(fā)工作和性能提升的細節(jié)方面,從而使首鋼汽車板的用量逐步擴大,產(chǎn)量也迅速增長。首鋼結(jié)合車輪鋼的開發(fā)創(chuàng)新了一種新的EVI模式；購置了國內(nèi)首個商用車車輪的雙軸疲勞試驗機并安置到興民智通車輪企業(yè)中；與興民公司共同組建汽車車輪聯(lián)合研發(fā)機構(gòu),利用所購置的六分力測試系統(tǒng)開展車輪材料和結(jié)構(gòu)的EVI活動。在實際操作中,六分力測試系統(tǒng)提供了精確的路譜采集功能,這為汽車及其零件在實驗室內(nèi)的測試提供全面的路譜信息。利用六分力測試系統(tǒng)所采集的車輛路面載荷可對車體模型中各個部件可承受的載荷進行計算,以預(yù)測相關(guān)部件的疲勞壽命。目前,首鋼在車輪用鋼的開發(fā)和銷售方面取得了長足的進步,尤其是在高強度車輪用鋼的銷售方面,已處于國內(nèi)領(lǐng)先地位,車輪用鋼的產(chǎn)銷占有率高達70%,這促進了中國輕量化商用車車輪的開發(fā)應(yīng)用進程,更為其產(chǎn)品的出口創(chuàng)匯作出了重要貢獻。而這種獨特的EVI模式對首鋼車輪用鋼業(yè)務(wù)的持續(xù)發(fā)展發(fā)揮了促進和引導(dǎo)作用。 

馬鋼的EVI活動

馬鋼始終高度重視產(chǎn)品開發(fā)中的EVI模式,并較早地進行了簡單的概念車展示。為了積極響應(yīng)和滿足汽車工業(yè),特別是電動車輕量化的發(fā)展需求,同時充分展示先進鋼鐵材料在汽車輕量化中的應(yīng)用前景,以及闡述如何使用先進高強度鋼來解決新能源電動車輕量化所面臨的難題和方法,馬鋼于2018年聯(lián)合中國汽車工程研究院、中信金屬等啟動了馬鋼電動概念車（Masteel concept electric vehicle,MCEV）開發(fā)項目。在項目實施過程中選取一款全球先進的A級電動車為標桿,并結(jié)合行業(yè)電動車的先進技術(shù)水平,開發(fā)一款基于馬鋼汽車用鋼體系的集輕量化、高性能、高安全與經(jīng)濟性為一體的A級電動概念車。這款MCEV白車身質(zhì)量為265 kg,與標桿車相比降低了10.9%,輕量化系數(shù)為2.62；整車在正碰、柱碰、移動障礙變形障礙測試（moving barrier deformable barrier,MPDB）的碰撞性能達到C-NCAP 五星水平；在25%重疊率的偏置碰以及頂壓性能測試中更是達到中保研汽車碰撞安全指數(shù)（C-IASI）優(yōu)秀水平。此外,白車身（帶玻璃）的扭轉(zhuǎn)剛度不低于23 000 N·m·rad−1,彎曲剛度不小于15 000 N·mm−1,白車身（帶玻璃）的扭轉(zhuǎn)模態(tài)不小于36 Hz,彎曲模態(tài)不小于52 Hz,各項指標均彰顯出白車身較高的安全性。MCEV采用全鋼車身設(shè)計理念,在材料運用上遵循“將合適的材料應(yīng)用于合適的部位”原則,并進一步提升高強鋼的應(yīng)用比例,其白車身用高強度低合金鋼占比為16.37%,普通高強度鋼占比為48.08%,先進高強度鋼占比為22.33%,熱沖壓成形鋼占比為13.22%（其中含鈮高強鋼占比61%）。在前橫梁、頂蓋、中橫梁、外門環(huán)、門檻梁等關(guān)鍵安全部件上,馬鋼采用了自主研發(fā)的1 500 MPa級、1 800 MPa薄鍍層、高冷彎、抗延遲開裂熱成形鋼,輕量化效果明顯[26]。馬鋼還結(jié)合汽車行業(yè)熱成形產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求積極開發(fā)熱沖壓成形鋼以及薄鍍層的熱成形鋼。通過采用EVI模式,與汽車行業(yè)的科研單位和產(chǎn)業(yè)單位合作,共同致力于提升熱沖壓成形鋼的強韌性和氫致延遲斷裂抗力；同時巧妙地運用薄的鋁硅鍍層技術(shù)成功規(guī)避了Arcelor Mittal公司的專利限制,從而促進了熱沖壓成形產(chǎn)業(yè)和用鋼的發(fā)展。 

 中國汽車工程研究院的EVI活動

中國汽車工程研究院在早期便與韓國POSCO公司開展技術(shù)合作,在中國汽車行業(yè)中積極推廣應(yīng)用EVI模式。一方面,積極配合材料生產(chǎn)企業(yè)開展高強度鋼、先進高強度鋼的各種性能以及所制零件功能的評價檢測；另一方面,專注于高強度鋼和先進高強度鋼斷裂卡片的制作,借助EVI模式積極推動高強度鋼和其他輕量化材料更廣泛的應(yīng)用。中國汽車工程研究院還積極倡導(dǎo)在材料研發(fā)中注重加強應(yīng)用技術(shù)的研究,全力開展新材料的合金設(shè)計工作,深度探討材料的強化機理以及共性應(yīng)用技術(shù)研究。該院將材料開發(fā)、性能檢測評價和推廣應(yīng)用融為一體,為中國汽車輕量化合理選材提供了指導(dǎo),積極推動汽車用材強度的提升和輕量化技術(shù)的發(fā)展。近期,中國汽車工程研究院在商用車輕量化、大件熱沖壓成形的推廣應(yīng)用中開展EVI模式的探索與實踐,并從大件熱沖壓成形裝備、模具、特殊用材等方面開展相關(guān)的EVI活動,從而為高強度鋼和超高強度鋼在這一新領(lǐng)域的推廣應(yīng)用,開拓了新的思維,提出了新的路徑,為推動EVI活動在商用車領(lǐng)域的發(fā)展做出了新的貢獻。 

近年來,中國在乘用車應(yīng)用高強度鋼和超高強度鋼實現(xiàn)汽車輕量化的發(fā)展已經(jīng)取得了很大的進展。高強度鋼和先進高強度鋼在中國鋼鐵行業(yè)已經(jīng)形成完善的產(chǎn)品系列,并在汽車行業(yè)獲得了廣泛的應(yīng)用。然而,商用車輕量化以及結(jié)構(gòu)鋼（如彈簧鋼、齒輪鋼、調(diào)質(zhì)鋼和非調(diào)質(zhì)鋼）在應(yīng)用EVI模式進行推廣應(yīng)用和產(chǎn)品質(zhì)量提升方面尚處于起步階段,這也正是今后需要認真研究并全力開展的工作領(lǐng)域。 

“雙碳”戰(zhàn)略背景下的EVI活動

2021年3月15日,中央提出：我國力爭2030年前實現(xiàn)碳達峰,2060年前實現(xiàn)碳中和,這是事關(guān)中華民族永續(xù)發(fā)展和構(gòu)建人類命運共同體的重大戰(zhàn)略決策。為此,工業(yè)領(lǐng)域要推進綠色制造,建筑領(lǐng)域要提升節(jié)能標準,交通領(lǐng)域要加快發(fā)展綠色低碳運輸方式,旨在為早日完成“雙碳”戰(zhàn)略目標提供綠色低碳且科學有效的供給體系。汽車輕量化是節(jié)能減排最直接、最有效的手段之一,超高強度鋼的應(yīng)用則是一種既可輕量化又可提升汽車安全性,與“雙碳”戰(zhàn)略密切相關(guān)的技術(shù)。超高強度鋼在交通領(lǐng)域的應(yīng)用將從以下三個方面為“雙碳”戰(zhàn)略提供支持：一是輕量化可以減少汽車制造用鋼量,據(jù)世界鋼鐵協(xié)會2021年的數(shù)據(jù)統(tǒng)計,每少用1 t的鋼材將減少2.332 t的碳排放量；二是將超高強度鋼用于交通運輸構(gòu)件可以有效地實現(xiàn)輕量化目標,進而減少燃油消耗并降低二氧化碳排放量,對于乘用車,其質(zhì)量每減少10%,燃油消耗可減少6%~8%,同時相應(yīng)地減少碳排放,而對于商用車,每減重1 t,燃油可節(jié)省6%~8%,同時也可以提高運輸效率；三是輕量化可降低運動構(gòu)件的使用負荷,從而延長構(gòu)件的使用壽命,間接實現(xiàn)節(jié)能減排和成本節(jié)約。然而鋼強度的提升造成其成形困難,而熱沖壓成形技術(shù)的出現(xiàn)既可以獲得超高強度零件,又合理解決了成形困難的相關(guān)問題,特別是由中新超高強材料研究院提出的商用車輕量化和熱沖壓成形的應(yīng)用方案,成功將商用車輕量化提升到國際領(lǐng)先水平。目前,該院與新富集團攜手合作,解決了大型構(gòu)件的加熱裝備和成形所需要的大型熱成形壓機問題,掌握了獨具特色的超大型模具的用材選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造技術(shù)、大型工件的傳輸技術(shù)、大型構(gòu)件的功能檢測評價技術(shù)、大型構(gòu)件的熱沖壓成形用鋼和抗氧化技術(shù),從而開啟了大型構(gòu)件熱成形輕量化的新時代。例如：22.5英寸×9英寸（1英寸=25.4 mm）的熱沖壓成形商用車車輪減重效果接近于鍛造鋁合金車輪；礦用自卸車和城市渣土車用的翻斗車上裝部件的減重效果達50%；倉柵式的長途運輸車上裝部分減重效果為20~30%。為了滿足大型和超大型構(gòu)件熱成形的工藝要求,熱沖壓成形用鋼需要具有高的淬透性、高的強韌性匹配、高的抗氧化性、高的耐腐蝕性、高的氫致延遲斷裂抗力、高的防子彈侵徹能力以及高的性價比等,以滿足商用車、船舶、高速公路護欄、集裝箱、裝配式建筑、軍工等領(lǐng)域中對于熱沖壓成形材料和構(gòu)件的特殊要求。在這些領(lǐng)域推廣應(yīng)用熱沖壓成形技術(shù)和超高強度零件,可以有效實現(xiàn)節(jié)能減排,推動國家“雙碳”戰(zhàn)略的預(yù)期實現(xiàn)。鑒于這類材料的用量大,在合金化設(shè)計中將采用多元少量的微合金化理念,以確保熱沖壓成形構(gòu)件具有合理的性價比。對于大型構(gòu)件的EVI和輕量化的實施工作,需要將合適的材料用到合適的地方,而且目前該工作尚處于起步階段,需要根據(jù)零件的要求和使用功能進行輕量化的優(yōu)化設(shè)計,并選用合適且先進的工藝流程。完成這一復(fù)雜的EVI工作,需要整合多專業(yè)、多種材料、多種技術(shù)的優(yōu)勢,通過產(chǎn)、學、研、用的聯(lián)合體充分發(fā)揮各方的優(yōu)勢,才能取得如期效果。 

汽車用材強度的提升,特別是高強度鋼和超高強度鋼的應(yīng)用,除了會出現(xiàn)韌性不足的問題外,還會伴隨氫致延遲斷裂抗力的下降,也就是所謂的氫脆問題[27-28]。因此,在近年來的EVI模式中,高強度鋼的氫脆問題成為一項重要的研究內(nèi)容和業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點話題[27-32]。從合金設(shè)計到生產(chǎn)應(yīng)用,都在探討氫脆產(chǎn)生的機理,探索高強度鋼氫脆抗力測試評價方法,研究提升氫脆抗力的各種方法和手段,同時綜合提升材料的氫脆抗力和發(fā)生延遲斷裂抗力的預(yù)測能力。 

應(yīng)用EVI模式的條件

在應(yīng)用EVI模式時,企業(yè)必須擁有其研發(fā)的新材料,這些新材料不僅能夠充分滿足用戶需求,還能向用戶全方位展示其各類優(yōu)良性能,且能夠穩(wěn)定地實現(xiàn)批量生產(chǎn),同時具有完整的、符合用戶需求的材料性能數(shù)據(jù)庫,具體如圖2所示[3]。這些性能包括基本力學性能、成形性、成形零件的功能、材料的疲勞性能、構(gòu)件的疲勞性能以及零件的先進成形工藝所需的各種性能。此外,企業(yè)還應(yīng)積累各類材料在不同應(yīng)用場景下的實際案例,并可以向用戶提供成形和碰撞性能的斷裂卡片。制備斷裂卡片需要開展大量的試驗,是一項在多種應(yīng)變模式下的材料性能測試的系統(tǒng)工作。這些試驗包括準靜態(tài)下的力學性能測試、不同應(yīng)變速率下的力學性能測試（尤其是高應(yīng)變速率下的力學性能測試）以及不同應(yīng)力或應(yīng)變狀態(tài)下的力學性能測試,包括純剪切試驗、拉剪試驗、中心孔試樣的拉伸試驗、缺口半徑為10 mm和5 mm的缺口拉伸試驗、雙向拉伸試驗、直角開槽板狀拉伸試驗、斜角45°圓孔開槽拉伸試驗、4點彎曲試驗、孔脹試驗以及圓頂沖頭的延展試驗和杯突試驗,其目的在于滿足材料成形或碰撞時計算機模擬對相關(guān)材料特征力學性能數(shù)據(jù)的需求。用于測量這些數(shù)據(jù)的試驗裝備應(yīng)具有完善的數(shù)據(jù)記錄與數(shù)據(jù)處理功能,能夠?qū)υ囼灁?shù)據(jù)提出本構(gòu)方程擬合,并得出本構(gòu)方程的擬合結(jié)果,進而給出不同應(yīng)變速率下材料的塑性變形硬化曲線、不同應(yīng)力狀態(tài)下材料的屈服面和屈服軌跡以及不同應(yīng)變速率下和不同應(yīng)變狀態(tài)下的斷裂曲線。同時,為準確描述材料的斷裂行為,試驗裝備還應(yīng)該配備極限尖冷彎應(yīng)力狀態(tài)下的極限應(yīng)變測量裝置,最終能準確給出材料在各種狀態(tài)下的力學性能表征,并求出以應(yīng)力三軸度為橫坐標、斷裂塑性應(yīng)變?yōu)榭v坐標的以MMC（Modified Mohr-Coulomb Model）為基礎(chǔ)的二維失效曲線。在計算機仿真時應(yīng)用這一曲線可以預(yù)測不同應(yīng)力狀態(tài)下試樣或工件的斷裂行為。有關(guān)試驗方法和表征可參考《國內(nèi)理化檢驗標準匯編》[33]以及相關(guān)文獻[8]。制作斷裂卡片需要大量的試驗,其中部分試驗方法尚未形成統(tǒng)一規(guī)范,有待進一步制定相關(guān)的試驗標準,以使所得試驗結(jié)果具有更強的可比性。目前,眾多鋼鐵企業(yè)為推廣應(yīng)用所開發(fā)的先進高強度鋼,都在各自進行相關(guān)斷裂卡片的制作工作,其中存在不少重復(fù)性勞動。因此,相關(guān)單位有必要統(tǒng)一規(guī)范各類先進高強度鋼的性能指標和應(yīng)用規(guī)范,這將更有利于鋼種的批量生產(chǎn)、質(zhì)量管理和推廣應(yīng)用,同時還能節(jié)省推廣應(yīng)用過程中的工作量和大量斷裂卡片制作的工作量。若要推行EVI的新產(chǎn)品開發(fā)推廣應(yīng)用模式,材料企業(yè)還應(yīng)在技術(shù)、人才、物力等方面具備堅實的實力。此外,材料研發(fā)企業(yè)、生產(chǎn)企業(yè)和材料應(yīng)用企業(yè),對于材料研發(fā)應(yīng)用的全過程都應(yīng)有充分的理解和認識。 

圖  2  結(jié)構(gòu)材料性能數(shù)據(jù)庫[3]

Figure  2.  Structural material performance database[3]

對于一種新材料或者經(jīng)高新技術(shù)改造后的傳統(tǒng)材料而言,其研發(fā)工作大體分為4個方面。其一為化學成分、工藝、組織和性能的研究；其二是材料的冶金工藝性能研究和材料試制；其三為材料的應(yīng)用工藝性能研究和零件試制；其四為材料所制零件的使用性能研究。這4個方面構(gòu)成材料研發(fā)的全過程,缺一不可。大家必須深刻認識到材料應(yīng)用企業(yè)和生產(chǎn)企業(yè)之間合作的重要性,牢固樹立“用戶第一”的思想。用戶的成功,就是材料生產(chǎn)企業(yè)的明天。盡管這一思想看似簡單,然而在實際操作中真正踐行卻很不容易,特別是當產(chǎn)品出現(xiàn)問題或是與生產(chǎn)企業(yè)利益發(fā)生沖突時,很多企業(yè)不是去認真地解決產(chǎn)品所出現(xiàn)的問題,而是選擇推諉責任、避重就輕,將“用戶第一”的思想拋諸腦后,對于產(chǎn)品出現(xiàn)的問題,長期擱置不理,拖延不解決。這種現(xiàn)象在國內(nèi)市場時有發(fā)生,而這就是在推廣應(yīng)用材料研發(fā)的EVI模式時應(yīng)當格外留意并著力避免的關(guān)鍵問題。 

深入開展EVI活動的重要意義

EVI活動作為材料企業(yè)對下游相關(guān)企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)的一種先期介入模式,充分體現(xiàn)了材料生產(chǎn)企業(yè)和應(yīng)用企業(yè)之間所構(gòu)建的全新關(guān)系以及共贏的合作模式。EVI活動不僅推動了材料生產(chǎn)企業(yè)新產(chǎn)品的開發(fā),同時也促進了材料應(yīng)用企業(yè)產(chǎn)品的技術(shù)進步和更新?lián)Q代。開展EVI活動的重要意義有以下幾點。其一,EVI活動引發(fā)了材料生產(chǎn)企業(yè)在產(chǎn)品銷售理念和方法上的重大變化和更新,過去簡單的產(chǎn)品推銷模式已逐漸被摒棄,取而代之的技術(shù)合作模式,旨在實現(xiàn)產(chǎn)品功能的提升。POSCO公司舉辦的6次全球EVI論壇的主題就表明這種模式的變化,即從初期專注于開發(fā)滿足用戶需求的產(chǎn)品,逐步發(fā)展為協(xié)助用戶采用先進的技術(shù)生產(chǎn)出高功能的零件。通過系統(tǒng)的應(yīng)用研究,材料生產(chǎn)企業(yè)能夠確保其新開發(fā)的產(chǎn)品得以在用戶端迅速得到應(yīng)用,實現(xiàn)了從簡單的原材料供應(yīng)商向解決材料應(yīng)用中各種問題的合作伙伴的角色轉(zhuǎn)變。在此過程中,雙方建立了涵蓋新材料開發(fā)、產(chǎn)品加工工藝技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化所需資金的籌措以及最終產(chǎn)品共同銷售等環(huán)節(jié)的親密合作關(guān)系。其二,EVI活動是材料生產(chǎn)企業(yè)實力和技術(shù)進步的展示。其三,EVI活動推動了材料企業(yè)在新材料和材料應(yīng)用行業(yè)產(chǎn)品方面的技術(shù)進步與更新?lián)Q代。其四,EVI活動體現(xiàn)了各種專業(yè)、各種先進技術(shù)、各種材料及應(yīng)用研究成果的深度融合,最終推動制造業(yè)的技術(shù)進步和產(chǎn)品的提升。 

結(jié)束語

早期,為推廣應(yīng)用材料新產(chǎn)品并占領(lǐng)中國和亞洲汽車工業(yè)快速發(fā)展而興起的用材市場,JFE率先提出了EVI的概念。此后,上海寶鋼于1999年赴美國考察EVI活動,并在此基礎(chǔ)上,于2011年在中國召開了首屆寶鋼EVI大會。韓國POSCO公司于2008年在韓國首爾召開了首屆全球EVI國際論壇,正式提出EVI的概念和工作模式,此后該論壇每兩年召開一屆,截至2018年,共成功舉辦了6屆；這一系列活動使得EVI模式在韓國得以不斷發(fā)展和完善,并在韓國及國際上產(chǎn)生了良好且深遠的影響。隨后德國蒂森克虜伯、Arcelor Mittal、國際鋼協(xié)、鞍鋼、馬鋼、中信金屬、中國汽車工程研究院、通用汽車中國科學研究院等國內(nèi)外知名公司和鋼鐵企業(yè)也相繼開展了EVI活動,并用各種概念車的制作和展示介紹了各自開展EVI活動的特點。通過應(yīng)用這一模式,不僅為國內(nèi)外先進汽車用鋼的研究、生產(chǎn)和應(yīng)用提供了強大的助力,而且也為中國汽車用材領(lǐng)域的發(fā)展做出了重要貢獻。2024年3月20日德國蒂森克虜伯舉行了一場數(shù)字車身平臺及技術(shù)解決方案的成果發(fā)布會,這一舉措使得EVI服務(wù)與平臺實現(xiàn)了重大飛躍,此次發(fā)布會省去了概念車的制作和展示環(huán)節(jié),而以更形象的數(shù)字化制作平臺展示了EVI模式在高強度鋼,尤其是在電動車輕量化推廣應(yīng)用中所取得的相關(guān)成果,這使得EVI的技術(shù)服務(wù)和新產(chǎn)品的推廣應(yīng)用達到了全新的高度,這是一項極具方向性和價值的創(chuàng)新工作。 

材料生產(chǎn)企業(yè)開展EVI活動所涉及的條件、基本要求、性能測試特點、應(yīng)用成效以及開展EVI活動對國家實施“雙碳”戰(zhàn)略的重要意義,有助于深化對EVI模式的認識。目前,EVI模式已在各類新材料的研發(fā)推廣應(yīng)用中獲得了廣泛的認可和接受,并呈現(xiàn)出向汽車用材以外的眾多領(lǐng)域迅速拓展的良好態(tài)勢。EVI活動的開展不僅體現(xiàn)了材料生產(chǎn)企業(yè)的技術(shù)水平和研發(fā)能力,同時也體現(xiàn)了材料企業(yè)和制造業(yè)相結(jié)合、多種技術(shù)和多種專業(yè)相互融合來推動產(chǎn)品提升和創(chuàng)新的先進理念。EVI活動的開展,將會給我國材料產(chǎn)業(yè)和制造業(yè)帶來新的發(fā)展機遇和動力。為迅速推廣新材料研發(fā)和EVI模式推廣應(yīng)用中所取得的成果,必須加強新材料研發(fā)中標準化和系列化的工作,以節(jié)省材料各種性能測試的工作量和時間。 

EVI進一步的發(fā)展將會加強產(chǎn)學研用相關(guān)單位之間的聯(lián)合,發(fā)揮相關(guān)單位的優(yōu)勢,通過應(yīng)用智能化的軟件成果和豐富的數(shù)據(jù)手段,將材料的研發(fā)、材料的表征、材料的應(yīng)用技術(shù)等方面的工作做得更加深入快捷,數(shù)據(jù)更加完善,并以此促進材料研發(fā)和應(yīng)用水平的進一步提升,同時會有更多專業(yè)領(lǐng)域的研發(fā)人員參加到這一團隊中來,通過多專業(yè)、多學科、多種技術(shù)的深度融合,將我國EVI的服務(wù)水平、制造業(yè)的輕量化和智能化水平提升到一個新的高度。

文章來源——材料與測試網(wǎng)