通過超高強度薄片增強的車輛結構支撐構件的制作方法
【專利摘要】制造用于車輛的結構支撐構件的方法包括形成第一部分，形成第二部分，以及將第一部分和第二部分連接在一起。第一部分和第二部分可由鋁材料、鎂材料、可冷成型鋼材料、玻璃纖維復合材料或塑料材料中的一種形成。第一部分和第二部分連接在一起，從而第二部分響應施加到第一部分的沖擊負載而布置在拉伸負載狀態中。薄片層附連到第二部分。薄片層包括超高強度材料，其具有等于或大于五百五十（550）MPa的屈服強度。薄片層可包括，例如，鐵基玻璃狀金屬箔或鐵基玻璃狀金屬箔織物。
【專利說明】通過超高強度薄片增強的車輛結構支撐構件
【技術領域】
[0001]本發明大體涉及用于車輛的結構支撐構件，其通過超高強度薄片增強，且涉及制造結構支撐構件的方法。
【背景技術】
[0002]用于車輛的結構支撐構件可包括但不限于汽車結構，諸如A柱、B柱、門梁或車頂縱梁。為了減小結構支撐構件的總質量，可使用較輕密度材料，或可減小橫截面厚度。但是，對結構支撐構件的形狀和/或材料特性的改變通過結構支撐構件的所需強度和/或剛度而被限制。相應地，結構支撐構件的總幾何條件被優化，以提供所需水平的強度和/或剛度，同時最小化結構支撐構件的總質量。
【發明內容】
[0003]提供了一種制造用于車輛的結構支撐構件的方法。方法包括形成第一部分，形成第二部分，以及將第一部分和第二部分連接在一起。第一部分和第二部分連接在一起，使得第二部分響應施加到第一部分的沖擊負載而布置在拉伸負載狀態中。薄片層附連到第二部分。薄片層包括超高強度材料，其具有等于或大于一千五百(1500) MPa的屈服強度。
[0004]還提供了一種制造結構支撐構件的方法，其對于總幾何條件和最小質量被優化。方法包括形成第一部分和形成第二部分。第一部分和第二部分每個由鋁材料、鎂材料、可冷成型鋼材料、玻璃纖維復合材料或塑料材料中的一種形成。第一部分和第二部分連接在一起，使得第二部分響應施加到第一部分的沖擊負載而布置在拉伸負載狀態中。薄片層附連到第二部分。薄片層包括超高強度材料，其具有等于或大于一千五百(1500) MPa的屈服強度。用于形成第一部分和第二部分的特定材料，以及第一部分和第二部分的橫截面形狀和厚度，分別取決于薄片層的拉伸負載承載能力。
[0005]還提供了一種用于車輛的結構支撐構件。結構支撐構件包括第一部分和附連到第一部分的第二部分。第二部分響應施加到第一部分的沖擊負載而布置在拉伸負載狀態中。薄片層附連到第二部分。薄片層包括超高強度材料，其具有等于或大于一千五百(1500)MPa的屈服強度。
[0006]相應地，薄片層添加到結構支撐構件的第二部分，其是當沖擊負載施加到第一部分時布置在拉伸負載狀態中的部分。薄片層是超高強度材料，具有能夠有高拉伸負載承載能力的高拉伸強度。因為薄片層可承載沖擊負載導致的最終拉伸負載的大部分，結構支撐構件的第一部分和第二部分的所需強度和/或剛度需求可被減小。因為第一部分和第二部分的所需強度和/或剛度減小，第一部分和第二部分的所用的材料和/或幾何構造，諸如橫截面厚度，可改變，以最小化結構支撐構件的總質量。
[0007]本發明的上述特征和優勢及其他特征和優勢將從用于實施本發明的最佳模式的以下詳細描述連同附圖時顯而易見。【專利附圖】
【附圖說明】
[0008]圖1是車輛的示意透視圖；
[0009]圖2是用于車輛的結構支撐構件的示意性橫截面圖。
【具體實施方式】
[0010]具有本領域常規技術的人將認識到，諸如“之上”、“之下”、“向上”、“向下”、“頂部”、“底部”等的術語用來描述附圖，且不表示對本發明的范圍的限制，所述范圍如由所附的權力要求所限定的。
[0011]參考附圖，其中相同的附圖標記在幾幅圖中指向相同的部件，車輛在20處大致示出。參考圖1，車輛包括至少一個結構支撐構件，大體在圖2的22處示出。結構支撐構件22可包括但不限于A柱24、B柱26、車頂縱梁30、搖板支撐件32、框架構件34、鉸鏈柱(未示出)或門梁支撐件(未示出)。
[0012]參考圖2，結構支撐構件22在橫截面中示出為車輛20的B柱26。如圖2所示，結構支撐構件22包括至少第一部分38和第二部分40。第一部分38可包括外構件42或內構件44的任一個，第二部分40可包括外構件42和內構件44的另一個。如圖2所示，第一部分38被限定和顯示為外構件42，第二部分40被限定和顯示為內構件44。結構支撐構件22可還包括，但不要求包括，內拉伸構件46。拉伸構件46布置在外構件42和內構件44之間，并將外構件42和內構件44互連。
[0013]第一部分38和第二部分40被附連在一起，且可每個包括鋁材料、鎂材料、可冷成型鋼材料、玻璃纖維復合材料或塑料材料中的一種并由其制造。第一部分38和第二部分40可每個由相同材料制成。替換地,第一部分38和第二部分40可每個包括不同材料，并由其制成。第一部分38和第二部分40可以任何適當的方式附連到彼此，包括但不限于將第一部分38和第二部分40焊接到一起，將第一部分38和第二部分40連結或粘附到一起，形成鑲邊連接部以連接第一部分38和第二部分40，或以沒有在此描述的某其他方式連接第一部分38和第二部分40。
[0014]第二部分40相對于第一部分38定位，從而第二部分40響應沖擊負載而布置在拉伸負載狀態中，沖擊負載大體通過箭頭48指示，被施加到第一部分38。相應地，應該理解，如果沖擊負載48施加到內構件44，則內構件44將被限定為第一部分，外構件42將被限定
第二部分。
[0015]薄片層50附連到第二部分40，其是結構支撐構件22的響應沖擊負載48布置在拉伸負載狀態中的部分。薄片層50包括超高強度材料，該材料具有優選地等于或大于一千五百(1500)MPa的屈服強度。例如，薄片層50可包括但不限于，鐵基玻璃狀金屬箔、鐵基玻璃狀金屬箔織物或纖維或鐵基玻璃狀金屬增強聚合物中的一種。
[0016]鐵基玻璃狀金屬箔織物包括切割到適當寬度的鐵基玻璃狀金屬箔的帶，該寬度大致在0.25mm至IOOmm的范圍。然后將鐵基玻璃狀金屬箔的帶編織到一起，以形成鐵基玻璃狀金屬箔織物。
[0017]鐵基玻璃狀金屬箔在此可被理解為，優選地包括形成導致旋節玻璃基質微量成分(Spinodal Glass Matrix Microconstituents, SGMM)結構的展開的化學成分的那些玻璃，其可展示出相對明顯的延展性和高拉伸強度。旋節玻璃基質微量成分可被理解為通過并非成核控制的轉變機理形成的微量成分(即，晶體或玻璃相)。更基本地，旋節分解可理解為一種機理，通過該機理，合金的兩個或更多成分(例如，金屬組分)的溶液可分為具有明顯不同的化學組分和物理特性的不同區域(或相)。該機理與經典成核作用不同之處在于，相分離在材料中均勻地發生，而并不是僅在離散成核點處發生。相可包括一個或多個半晶體群或晶相，其可因此通過原子在局部水平的相繼擴散而形成，直到化學波動導致至少一個不同的晶相。半晶體群可在此理解為具有2nm或更小的最大線性尺寸，而晶體群可具有大于2nm的最大線性尺寸。需注意，在旋節分解的早期階段期間，形成的群可相對較小，同時它們的化學性質不同于周圍的玻璃基質，它們還沒有完全晶化，且還沒有獲得良好排序的晶體周期。附加的晶相可具有相同的晶體結構或不同的結構。此外，需指出，相可包括玻璃基質。玻璃基質可被理解為，包括可具有固相結構單元的聯系的微結構，其可隨機擠在一起。玻璃相的結構單元的精化水平或尺寸可以是埃量級范圍，即5A至100 A。
[0018]旋節玻璃基質微量成分形成與呈金屬性的玻璃的析晶明顯不同。呈金屬性的玻璃可具有金屬狀(因為它們可包括不定向金屬鍵、金屬光澤和相對較大的電和熱導性)和陶瓷狀(因為相對較高的硬度可通常被展示為與脆性和缺乏拉伸延展性結合)二者的特點。呈金屬性的可理解為，包括過冷液體，過冷液體在室溫下以固體形式存在，但其可具有類似于在液體中發現的結構(僅呈現短程有序)的結構。呈金屬性的通常可具有自由電子，呈現金屬光澤，且呈現類似于在傳統金屬中發現的金屬鍵合。呈金屬性的可理解為亞穩材料，且當加熱時，它們可通過晶化或析晶而變為晶體狀態。這樣的擴散可限制在室溫，足夠的熱(即，波爾茲曼能量)可被施加，以克服成核屏障，以導致可通過玻璃析晶引起的固-固態轉變。
[0019]在此優選的導致旋節玻璃基質微量成分結構的合金可具有可通過旋節玻璃基質微量成分(SGMM)實現的誘導剪切帶鈍化(ISBB)和剪切帶捕獲相互作用(SBAI)。ISBB可被理解為，通過與SGMM結構相互作用而鈍化和停止傳播剪切帶的能力。SBAI可理解為通過剪切帶/剪切帶相互作用的剪切帶捕獲，且可在初始或最初剪切帶通過ISBB鈍化之后發生。
[0020]盡管傳統材料可通過在晶體金屬中在特定滑移系統上移動的移位而變形，但ISBB和SBAI變形機理可涉及在旋節玻璃基質微量成分中的移動剪切帶(即，局部變形發生的間斷)，它們通過以下描述的局部變形感應變化(LDIC)而鈍化。通過增加的應力水平，一旦剪切帶鈍化，新的剪切帶可成核且然后與現有剪切帶相互作用，產生相對高的拉伸剪切帶密度和相對高的全局塑性水平的發展。由此，具有有利SGMM結構的合金可防止或減輕金屬帶拉伸傳播，其可導致相對明顯的拉伸延展性(>1%)并在拉伸測試期間導致應變硬化。在此設想的合金可包括能夠形成旋節玻璃基質微量成分的化學成分或由其構成，其中，旋節玻璃基質微量成分可按體積存在于5.0%至95%的范圍，包括玻璃相、半晶相和/或晶相。
[0021]形成可用于形成包括旋節玻璃基質微量元素結構的組分的化學物質的玻璃可包括一些形成合金的鐵基玻璃，其然后被處理以提供在此所指的SGMM結構。鐵基合金可包括以大于或等于45原子％的水平存在的鐵。另外，合金可包括元素鎳、硼、硅和可選地鉻。在一些實施例中，合金可主要包括或可僅限制于鐵、鎳、硼、硅和可選地鉻。在另外的實施例中，合金不包括鈷，鈷可以增加合金組分的相對成本。
[0022]在一些實施例中，合金可包括以45原子百分比至71原子百分比范圍存在的鐵、以4原子百分比至17.5原子百分比范圍存在的鎳、以11原子百分比至16原子百分比范圍存在的硼、以0.3原子百分比至4.0原子百分比范圍存在的硅、和可選地以0.1原子百分比至19原子百分比范圍存在的鉻。合金的組分可在上述范圍內的所有值以及增量上變化。
[0023]因此，鐵可從以下值選擇:45.0原子百分比(at.%)，45.lat.%、45.2at.%、
【權利要求】
1.一種制造用于車輛的結構支撐構件的方法，方法包括: 形成第一部分； 形成第二部分； 將第一部分和第二部分連接在一起；和 將薄片層附連至第二部分，其中，薄片層包括超高強度材料，所述材料具有等于或大于一千五百(1500) MPa的屈服強度。
2.如權利要求1所述的方法，其中，將第一部分和第二部分連接在一起還被定義為，將第一部分和第二部分連接在一起使得第二部分響應施加到第一部分的沖擊負載而布置在拉伸負載狀態中。
3.如權利要求1所述的方法，其中，結構支撐構件是汽車A柱、汽車B柱、汽車鉸鏈柱、汽車車頂縱梁、汽車搖板支撐件、汽車框架構件或汽車門梁支撐件中的一種。
4.如權利要求1所述的方法，其中，通過焊接工藝、連結或粘附工藝或機械結合工藝中的一種，薄片層可附連到第二部分。
5.如權利要求1所述的方法，其中，形成第一部分還被定義為，將第一部分由鋁材料、鎂材料、可冷成型鋼材料、玻璃纖維復合材料或塑料材料中的一種形成。
6.如權利要求1所述的方法，其中，形成第二部分還被限定為，將第二部分由鋁材料、鎂材料、可冷成型鋼材料、玻璃纖維復合材料或塑料材料中的一種形成。
7.如權利要求1所述的方法，其中，薄片層包括鐵基玻璃狀金屬箔、鐵基玻璃狀金屬箔織物或纖維或鐵基玻璃狀金屬箔增強聚合物中的一種。
8.如權利要求1所述的方法，其中，形成第一部分和形成第二部分包括，基于薄片層的拉伸負載承載能力，分別針對第一部分和第二部分的橫截面厚度選擇特定材料，且分別限定第一部分和第二部分的橫截面厚度，以最小化結構支撐構件的總質量。
【文檔編號】B62D25/00GK103921850SQ201410016494
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年1月14日 優先權日:2013年1月14日
【發明者】H.A.伊扎特, C.D.圖菲勒, M.R.坎農 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司, 納米鋼鐵股份有限公司