汽車中輕量化與輕金屬材料的采用

侯猛

摘 要：汽車輕量化在汽車生態(tài)設(shè)計(jì)中有著重要的作用，實(shí)現(xiàn)汽車輕量化最顯著最重要的措施就是采用輕質(zhì)材料替代傳統(tǒng)的鋼材，目前主要應(yīng)用的輕質(zhì)材料有輕金屬、復(fù)合材料、工程塑料等。該文主要探索金屬材料在汽車輕量化研究中的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：汽車輕量化 輕金屬材料 合金材料

中圖分類號(hào)：U465 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）08（a）-0078-02

隨著汽車制造業(yè)的不斷發(fā)展，汽車普及度越來越高，已逐漸成為一種社會(huì)化的產(chǎn)品。而嚴(yán)重的資源和能源危機(jī)要求汽車制造業(yè)在大規(guī)模生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，必須考慮高性能、高功能、輕量化和資源節(jié)約。因此，越來越多高性能材料和輕質(zhì)合金應(yīng)市場需求被開發(fā)出來，極大的促進(jìn)了汽車輕量化的發(fā)展。

1 汽車輕量化發(fā)展現(xiàn)狀

汽車工業(yè)是重要的基礎(chǔ)工業(yè)之一，汽車工業(yè)的能源和資源消耗占據(jù)著很大比例，研究表明汽車質(zhì)量每減少10%就能降低約6%～8%的燃油消耗，因此汽車輕量化對(duì)于節(jié)能減排有著極其重要的作用。材料輕量化是汽車輕量化最重要的手段，對(duì)于鋼材其輕量化研究主要是高強(qiáng)度鋼的開發(fā)，即通過增加材料單位厚度的強(qiáng)度來減少材料用量從而在滿足性能的同時(shí)達(dá)到輕量化的目的；輕合金主要發(fā)展方向?yàn)殇X合金和鎂合金，鈦合金只在頂級(jí)跑車上有一定的應(yīng)用，該文不作討論。

2 常見金屬材料的應(yīng)用和發(fā)展

2.1 高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用

高強(qiáng)度鋼板的強(qiáng)化機(jī)理主要為細(xì)晶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化、烘烤硬化、析出強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化等。屈服強(qiáng)度Rel>210 MPa的為高強(qiáng)度鋼，Rel>550 MPa的為超高強(qiáng)度鋼。按照冶金學(xué)特點(diǎn)可以分為先進(jìn)高強(qiáng)鋼和普通高強(qiáng)鋼兩種，常見的普通高強(qiáng)鋼有高強(qiáng)度IF鋼、C-Mn鋼、BH鋼、HSLA鋼，先進(jìn)高強(qiáng)鋼有DP、CP、TRIP、馬氏體鋼、高錳鋼等幾類。當(dāng)前應(yīng)用較多是先進(jìn)高強(qiáng)度鋼（AHSS），由于其超高的屈服強(qiáng)度以及擁有更好的耐腐蝕性、抗碰撞性、疲勞性等，是當(dāng)前鋼材料輕量化研究的重點(diǎn)方向。

AHSS中最為常見的是雙相鋼（DP，Dual-Phase），基體組織為鐵素體上分布島狀的馬氏體相，鐵素體賦予鋼良好的塑性，馬氏體提供了高強(qiáng)度。因此，該類鋼具有良好的沖壓性能和較高的強(qiáng)度等級(jí)。主要應(yīng)用于汽車的安全部件和結(jié)構(gòu)件，例如中支柱里板、座椅橫梁、前后內(nèi)縱梁等，我國武鋼、鞍鋼、寶鋼等均能夠提供該類鋼材。另一種應(yīng)用較多的是復(fù)相鋼（CP），這種鋼材的強(qiáng)度可以達(dá)到0.8～1.0 GPa，常用來制作汽車的防撞梁、中立柱、車門防撞桿等。相變誘導(dǎo)塑性鋼（TRIP）具有更加優(yōu)異的沖壓性能和強(qiáng)度等級(jí)，盡管還未被廣泛應(yīng)用，但也是高強(qiáng)鋼的一個(gè)研究熱點(diǎn)。高強(qiáng)度鋼的另一個(gè)重要種類是熱成型鋼，通過調(diào)整鋼材的化學(xué)成分和成型工藝，其強(qiáng)度可達(dá)到1.5 GPa以上，是目前強(qiáng)度等級(jí)最高的高強(qiáng)鋼。由于高溫成型，鋼的高溫組織往往具有良好的塑性，因此能夠制造形狀較復(fù)雜的零部件，并且具有很好的成型精度，已經(jīng)成為各大整車企業(yè)和鋼廠重點(diǎn)發(fā)展的高強(qiáng)鋼種。熱成型鋼一般用來做汽車的安全結(jié)構(gòu)件，目前國內(nèi)已經(jīng)有部分廠家能夠提供此類鋼材，但是還未形成規(guī)模。

由于AHSS的延展性要低于傳統(tǒng)的沖壓鋼板，因此其加工過程相比于傳統(tǒng)鋼材也有著很大的區(qū)別，主要的問題是其部件成型和碰撞過程常發(fā)生斷裂現(xiàn)象，例如BMW研究中心的研究者就發(fā)現(xiàn)車身在劇烈撞擊中根部發(fā)生了巨大的斷裂現(xiàn)象。盡管AHSS的使用達(dá)到了輕量化的目的，但是也同樣增加了斷裂的幾率，特別是成型過程會(huì)對(duì)其承載能力造成影響，而碰撞過程又進(jìn)一步對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了損壞，影響了汽車的安全性。所以AHSS在實(shí)際的使用過程中如何提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性減少斷裂是汽車工業(yè)新材料研究的重點(diǎn)方向。一般來說人們會(huì)使用成形極限圖來預(yù)測沖壓工藝中的極限沖壓，具體的原理是利用了金屬材料兩個(gè)方向的極限應(yīng)變來實(shí)現(xiàn)，由于操作難度低且精度高獲得廣泛的應(yīng)用，但是由于其實(shí)現(xiàn)過程和加載路徑有一定關(guān)系，因此并不能完全模擬真實(shí)應(yīng)用中的承載力。另外AHSS在使用過程還有一個(gè)重要的問題就是鋼材的沖壓性能降低、回彈量大、焊接難度大等問題，為了改善高強(qiáng)度鋼的性能，國外已經(jīng)開始研發(fā)新一代高性能鋼材，例如誘孿晶誘導(dǎo)性塑性鋼材，這些鋼材在一定程度上改善了傳統(tǒng)AHSS的弊病。

2.2 鋁合金和鎂合金

相比于鋼鐵來說鋁合金具有很多優(yōu)點(diǎn)，主要表現(xiàn)在更高的比強(qiáng)度以及便于加工上，是當(dāng)前應(yīng)用最多也是最為成熟的輕金屬材料。調(diào)查顯示2015年全世界平均每輛汽車上使用的鋁合金為150 kg，而且這個(gè)數(shù)字還在不斷增加，預(yù)計(jì)到2020年可能會(huì)達(dá)到180 kg。在汽車中使用最多的是鑄鋁、鍛鋁以及鋁板材，正在研發(fā)中的新型鋁合金材料有粉末冶金鋁合金、快速凝固鋁合金、鋁基復(fù)合材料等。其中鑄造鋁合金的使用量占有絕對(duì)優(yōu)勢，約占到鋁使用量的80%，主要應(yīng)用的汽車部件有保險(xiǎn)杠、發(fā)動(dòng)機(jī)杠、缸蓋、發(fā)動(dòng)機(jī)缸體等。國外的高級(jí)轎車已經(jīng)出現(xiàn)了全鋁車身，例如奧迪A2和A8、法拉利360系列、本田NSX、捷豹XJ等，但是目前鋁合金車身在汽車上的應(yīng)用還主要限制在高檔轎車或開發(fā)樣車上，遠(yuǎn)沒有普及，主要原因在于鋁合金的材料成本和工藝成本較高，而且純鋁車身存在維修缺陷導(dǎo)致全鋁車身的普及度并不高。所以采用鋁合金、鋼鐵混合車身是很多廠商常使用的方案，例如寶馬5系的前端就采用了鋁合金，而其余框架部分多使用鋼材。

鎂合金是當(dāng)前應(yīng)用材料中最輕的一種金屬，鎂合金超高的比強(qiáng)度和比剛度使得其發(fā)展迅速，而且鎂資源豐富也讓鎂合金成為輕金屬材料研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。追溯鎂合金的應(yīng)用歷史最早為1936年的甲殼蟲汽車，其傳動(dòng)箱殼體就采用了鎂合金。2000年末美國汽車研究委員會(huì)制定了一個(gè)15年的鎂合金研究計(jì)劃，推動(dòng)鎂合金在汽車上的普及。鎂合金最大的特點(diǎn)就是變形后便于加工，具有較高的強(qiáng)度，并且吸震能力突出；其次由于特殊的力學(xué)結(jié)構(gòu)其加工使用的壓制和擠壓工藝方式的制造成本很低，有著非常廣闊的應(yīng)用前景。隨著制造工藝的不斷成熟，鎂合金的應(yīng)用將獲得很大的發(fā)展。相比于鋁合金和鋼材來說，鎂合金的晶體結(jié)構(gòu)方式為密排六方，變形機(jī)制為罕見的錯(cuò)位滑移，因此鎂合金會(huì)出現(xiàn)壓縮力學(xué)的特點(diǎn)，也就是拉壓非對(duì)稱性，在實(shí)際的應(yīng)用過程中還有一定的技術(shù)難度，另外鎂合金還有著顯著的缺點(diǎn)就是更易斷裂，所以更加高性能和更優(yōu)力學(xué)性能的鎂合金是當(dāng)前研發(fā)的重點(diǎn)。

3 結(jié)語

汽車輕量化是目前汽車最重要的發(fā)展方向之一，是汽車制造走生態(tài)環(huán)保綠色發(fā)展的必要途徑。輕量化材料在替代傳統(tǒng)鋼材的過程中仍面臨很多技術(shù)難題和市場挑戰(zhàn)，如成本問題、工藝問題以及新材料應(yīng)用所帶來的風(fēng)險(xiǎn)等。對(duì)于輕金屬來說，應(yīng)用過程中的制造工藝問題尤為突出，這是材料科學(xué)和制造業(yè)之間面臨的矛盾，也是輕量化技術(shù)的核心環(huán)節(jié)之一。因此輕金屬在汽車上的普及應(yīng)用，汽車輕量化的發(fā)展，除了重視材料研發(fā)外，還需要不斷改進(jìn)創(chuàng)新材料的加工成型技術(shù)，如此才能在保障汽車輕量化的同時(shí)提高實(shí)用性、穩(wěn)定性和安全性。

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