摘要
交通运输部门对于减少温室气体（GHG）排放至关重要。由于电气化进程缓慢以及需求不断增加，重型车辆（HDVs）的电动化仍面临挑战。使用先进的高强度钢（AHSS）和经过压硬处理的硼钢进行轻量化是一种可行的解决方案。与其他轻量化材料相比，这些材料结合了高强度、抗疲劳性、成本效益以及较低的环境影响。本研究评估了不同钢材和制造工艺在减轻HDV底盘部件重量方面的有效性，重点关注其抗疲劳性能和生命周期环境影响。将冷冲压热轧AHSS与压硬处理的22MnB5钢板进行比较后发现，压硬处理可以将重量减轻多达34%，尤其是在经过喷丸处理后。对纯电动汽车（BEV）、混合动力电动汽车（HEV）和插电式混合动力电动汽车（PHEV）配置的生命周期评估（LCAs）显示，使用压硬处理部件对环境的影响最大（占88%–99%）。特别是在HEV和PHEV场景中，这些部件可将全球变暖潜力及资源消耗减少21%–32%。这些发现强调了战略性轻量化和材料选择在实现交通运输部门气候目标中的重要作用。
缩写说明
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1 引言
1.1 重型车辆中的轻量化
交通运输部门在实现雄心勃勃的气候目标方面发挥着关键作用[1, 2]。目前，交通运输占温室气体排放总量的约32%，其中道路运输是主要贡献者，占比达73%。除了电气化之外，减少车辆重量是最重要的策略之一。这种方法符合循环经济和可持续资源管理的原则，旨在在未来几十年内实现零排放的碳中性系统[3。已经采取了许多措施来减少道路运输的温室气体排放。然而，随着乘用车排放量的减少，重型车辆（HDVs）和公交车的排放量预计不会以同样的速度下降。这是由于这些车辆的电气化存在挑战，以及预计到2050年其使用量将增加[4。为此，欧盟委员会提出了立法，要求到2040年重型车辆的平均排放量比2019年的水平降低90%。
近年来，轻量化工作主要集中在乘用车上。在众多材料中，先进高强度钢（AHSS）和压硬处理的硼钢已成为优化轻量设计的流行选择。这些材料在结构部件方面提供了机械强度和成本效益的最佳平衡。因此，它们已被广泛用于各种汽车零部件，尤其是在白车身（BiW）和封闭件中，使用冷轧钢板可节省约25%–35%的重量。白车身部件在重量优化方面取得了显著成效，同时提高了抗碰撞性能。
底盘部件约占车辆总重量的20%–25%，与白车身类似。因此，减轻底盘重量可以带来显著的整体质量节省。与白车身部件不同，底盘部件必须满足严格的抗疲劳要求。这限制了某些为白车身开发的轻量化解决方案的应用。铝合金不适合用于底盘部件，因为它们缺乏足够的刚度和抗疲劳性。钢材和碳纤维增强聚合物（CFRP）是更好的选择[5-10。目前，CFRP部件的成本、可回收性和制造效率在大量生产车辆方面无法与钢材竞争。此外，就原材料提取和制造过程而言，钢材部件对环境的影响最小。就二氧化碳足迹而言，引入更高强度的钢材等级（如AHSS系列）并不会显著增加材料本身的环境影响，而目前的CFRP则不然。因此，AHSS的冷成型和B钢的压硬处理是减轻底盘重量、提高耐用性并保持低成本和低环境影响的现实解决方案。
减轻卡车的重量与减轻乘用车的重量对减少温室气体排放的方式不同。对于卡车来说，重量减轻可以在不增加整车重量的情况下提高最大载荷。这意味着运输相同数量的货物所需的行程次数减少，从而提高运输效率。例如，卡车重量减少10%可以提升10%的运输效率。这一点在图1中有所说明。
1.2 重型车辆底盘部件的钢材等级选择
重型车辆的车厢和底盘都有机会减轻重量，这两部分合计占整车重量的60%–70%[11。车厢部件由冷轧钢板（厚度1–3毫米）制成，与乘用车的白车身部件类似。因此，乘用车材料的进步也有助于减轻车厢部件的重量。然而，重型车辆的底盘需要较高的刚度和抗疲劳性，这就需要使用较厚的热轧钢板（厚度6–10毫米）[12, 13]。因此，将乘用车的轻量化解决方案应用于重型车辆时必须考虑这些特定的载荷要求。此外，重型车辆的底盘部件有许多用于固定和组装的孔。重型车辆行业采用机械切割和冲压工艺，因为这些工艺能够实现高生产率并快速回收机械工具的成本。表面特性，如冷轧或热轧过程中形成的不均匀性、氧化坑以及在成型或剪切过程中产生的缺陷，会显著影响高强度钢板（HSSs）的抗疲劳性能[14-16]。
厚钢板的机械切割是一种高负荷的成型工艺，会导致表面缺陷和剪切边缘的残余应力，从而降低AHSS等级的抗疲劳性能[17-24]。残余应力对疲劳性能的影响比表面粗糙度和边缘缺陷更为严重[25, 26]。
