侯猛

摘 要：汽車輕量化在汽車生態(tài)設計中有著重要的作用，實現(xiàn)汽車輕量化最顯著最重要的措施就是采用輕質材料替代傳統(tǒng)的鋼材，目前主要應用的輕質材料有輕金屬、復合材料、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用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。

關鍵詞：汽車輕量化 輕金屬材料 合金材料

中圖分類號：U465 文獻標識碼：A 文章編號：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化的產(chǎn)品。而嚴重的資源和能源危機要求汽車制造業(yè)在大規(guī)模生產(chǎn)的基礎上，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合金應市場需求被開發(fā)出來，極大的促進了汽車輕量化的發(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，對于鋼材其輕量化研究主要是高強度鋼的開發(fā)，即通過增加材料單位厚度的強度來減少材料用量從而在滿足性能的同時達到輕量化的目的；輕合金主要發(fā)展方向為鋁合金和鎂合金，鈦合金只在頂級跑車上有一定的應用，該文不作討論。

2 常見金屬材料的應用和發(fā)展

2.1 高強度鋼的應用

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

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，馬氏體提供了高強度。因此，該類鋼具有良好的沖壓性能和較高的強度等級。主要應用于汽車的安全部件和結構件，例如中支柱里板、座椅橫梁、前后內縱梁等，我國武鋼、鞍鋼、寶鋼等均能夠提供該類鋼材。另一種應用較多的是復相鋼（CP），這種鋼材的強度可以達到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。相變誘導塑性鋼（TRIP）具有更加優(yōu)異的沖壓性能和強度等級，盡管還未被廣泛應用，但也是高強鋼的一個研究熱點。高強度鋼的另一個重要種類是熱成型鋼，通過調整鋼材的化學成分和成型工藝，其強度可達到1.5 GPa以上，是目前強度等級最高的高強鋼。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)和鋼廠重點發(fā)展的高強鋼種。熱成型鋼一般用來做汽車的安全結構件，目前國內已經(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，特別是成型過程會對其承載能力造成影響，而碰撞過程又進一步對結構進行了損壞，影響了汽車的安全性。所以AHSS在實際的使用過程中如何提高結構的穩(wěn)定性減少斷裂是汽車工業(yè)新材料研究的重點方向。一般來說人們會使用成形極限圖來預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方向的極限應變來實現(xiàn)，由于操作難度低且精度高獲得廣泛的應用，但是由于其實現(xiàn)過程和加載路徑有一定關系，因此并不能完全模擬真實應用中的承載力。另外AHSS在使用過程還有一個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，主要表現(xiàn)在更高的比強度以及便于加工上，是當前應用最多也是最為成熟的輕金屬材料。調查顯示2015年全世界平均每輛汽車上使用的鋁合金為150 kg，而且這個數(shù)字還在不斷增加，預計到2020年可能會達到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、鋁基復合材料等。其中鑄造鋁合金的使用量占有絕對優(yōu)勢，約占到鋁使用量的80%，主要應用的汽車部件有保險杠、發(fā)動機杠、缸蓋、發(fā)動機缸體等。國外的高級轎車已經(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用還主要限制在高檔轎車或開發(fā)樣車上，遠沒有普及，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。

鎂合金是當前應用材料中最輕的一種金屬，鎂合金超高的比強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和熱點。追溯鎂合金的應用歷史最早為1936年的甲殼蟲汽車，其傳動箱殼體就采用了鎂合金。2000年末美國汽車研究委員會制定了一個15年的鎂合金研究計劃，推動鎂合金在汽車上的普及。鎂合金最大的特點就是變形后便于加工，具有較高的強度，并且吸震能力突出；其次由于特殊的力學結構其加工使用的壓制和擠壓工藝方式的制造成本很低，有著非常廣闊的應用前景。隨著制造工藝的不斷成熟，鎂合金的應用將獲得很大的發(fā)展。相比于鋁合金和鋼材來說，鎂合金的晶體結構方式為密排六方，變形機制為罕見的錯位滑移，因此鎂合金會出現(xiàn)壓縮力學的特點，也就是拉壓非對稱性，在實際的應用過程中還有一定的技術難度，另外鎂合金還有著顯著的缺點就是更易斷裂，所以更加高性能和更優(yōu)力學性能的鎂合金是當前研發(fā)的重點。

3 結語

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難題和市場挑戰(zhàn)，如成本問題、工藝問題以及新材料應用所帶來的風險等。對于輕金屬來說，應用過程中的制造工藝問題尤為突出，這是材料科學和制造業(yè)之間面臨的矛盾，也是輕量化技術的核心環(huán)節(jié)之一。因此輕金屬在汽車上的普及應用，汽車輕量化的發(fā)展，除了重視材料研發(fā)外，還需要不斷改進創(chuàng)新材料的加工成型技術，如此才能在保障汽車輕量化的同時提高實用性、穩(wěn)定性和安全性。

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