汽车中轻量化与轻金属材料的采用

侯猛

摘 要：汽车轻量化在汽车生态设计中有着重要的作用，实现汽车轻量化最显著最重要的措施就是采用轻质材料替代传统的钢材，目前主要应用的轻质材料有轻金属、复合材料、工程塑料等。该文主要探索金属材料在汽车轻量化研究中的应用现状及发展趋势。

关键词：汽车轻量化 轻金属材料 合金材料

中图分类号：U465 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）08（a）-0078-02

随着汽车制造业的不断发展，汽车普及度越来越高，已逐渐成为一种社会化的产品。而严重的资源和能源危机要求汽车制造业在大规模生产的基础上，必须考虑高性能、高功能、轻量化和资源节约。因此，越来越多高性能材料和輕质合金应市场需求被开发出来，极大的促进了汽车轻量化的发展。

1 汽车轻量化发展现状

汽车工业是重要的基础工业之一，汽车工业的能源和资源消耗占据着很大比例，研究表明汽车质量每减少10%就能降低约6%～8%的燃油消耗，因此汽车轻量化对于节能减排有着极其重要的作用。材料轻量化是汽车轻量化最重要的手段，对于钢材其轻量化研究主要是高强度钢的开发，即通过增加材料单位厚度的强度来减少材料用量从而在满足性能的同时达到轻量化的目的；轻合金主要发展方向为铝合金和镁合金，钛合金只在顶级跑车上有一定的应用，该文不作讨论。

2 常见金属材料的应用和发展

2.1 高强度钢的应用

高强度钢板的强化机理主要为细晶强化、析出强化、烘烤硬化、析出强化、固溶强化等。屈服强度Rel>210 MPa的为高强度钢，Rel>550 MPa的为超高强度钢。按照冶金学特点可以分为先进高强钢和普通高强钢两种，常见的普通高强钢有高强度IF钢、C-Mn钢、BH钢、HSLA钢，先进高强钢有DP、CP、TRIP、马氏体钢、高锰钢等几类。当前应用较多是先进高强度钢（AHSS），由于其超高的屈服强度以及拥有更好的耐腐蚀性、抗碰撞性、疲劳性等，是当前钢材料轻量化研究的重点方向。

AHSS中最为常见的是双相钢（DP，Dual-Phase），基体组织为铁素体上分布岛状的马氏体相，铁素体赋予钢良好的塑性，马氏体提供了高强度。因此，该类钢具有良好的冲压性能和较高的强度等级。主要应用于汽车的安全部件和结构件，例如中支柱里板、座椅横梁、前后内纵梁等，我国武钢、鞍钢、宝钢等均能够提供该类钢材。另一种应用较多的是复相钢（CP），这种钢材的强度可以达到0.8～1.0 GPa，常用来制作汽车的防撞梁、中立柱、车门防撞杆等。相变诱导塑性钢（TRIP）具有更加优异的冲压性能和强度等级，尽管还未被广泛应用，但也是高强钢的一个研究热点。高强度钢的另一个重要种类是热成型钢，通过调整钢材的化学成分和成型工艺，其强度可达到1.5 GPa以上，是目前强度等级最高的高强钢。由于高温成型，钢的高温组织往往具有良好的塑性，因此能够制造形状较复杂的零部件，并且具有很好的成型精度，已经成为各大整车企业和钢厂重点发展的高强钢种。热成型钢一般用来做汽车的安全结构件，目前国内已经有部分厂家能够提供此类钢材，但是还未形成规模。

由于AHSS的延展性要低于传统的冲压钢板，因此其加工过程相比于传统钢材也有着很大的区别，主要的问题是其部件成型和碰撞过程常发生断裂现象，例如BMW研究中心的研究者就发现车身在剧烈撞击中根部发生了巨大的断裂现象。尽管AHSS的使用达到了轻量化的目的，但是也同样增加了断裂的几率，特别是成型过程会对其承载能力造成影响，而碰撞过程又进一步对结构进行了损坏，影响了汽车的安全性。所以AHSS在实际的使用过程中如何提高结构的稳定性减少断裂是汽车工业新材料研究的重点方向。一般来说人们会使用成形极限图来预测冲压工艺中的极限冲压，具体的原理是利用了金属材料两个方向的极限应变来实现，由于操作难度低且精度高获得广泛的应用，但是由于其实现过程和加载路径有一定关系，因此并不能完全模拟真实应用中的承载力。另外AHSS在使用过程还有一个重要的问题就是钢材的冲压性能降低、回弹量大、焊接难度大等问题，为了改善高强度钢的性能，国外已经开始研发新一代高性能钢材，例如诱孪晶诱导性塑性钢材，这些钢材在一定程度上改善了传统AHSS的弊病。

2.2 铝合金和镁合金

相比于钢铁来说铝合金具有很多优点，主要表现在更高的比强度以及便于加工上，是当前应用最多也是最为成熟的轻金属材料。调查显示2015年全世界平均每辆汽车上使用的铝合金为150 kg，而且这个数字还在不断增加，预计到2020年可能会达到180 kg。在汽车中使用最多的是铸铝、锻铝以及铝板材，正在研发中的新型铝合金材料有粉末冶金铝合金、快速凝固铝合金、铝基复合材料等。其中铸造铝合金的使用量占有绝对优势，约占到铝使用量的80%，主要应用的汽车部件有保险杠、发动机杠、缸盖、发动机缸体等。国外的高级轿车已经出现了全铝车身，例如奥迪A2和A8、法拉利360系列、本田NSX、捷豹XJ等，但是目前铝合金车身在汽车上的应用还主要限制在高档轿车或开发样车上，远没有普及，主要原因在于铝合金的材料成本和工艺成本较高，而且纯铝车身存在维修缺陷导致全铝车身的普及度并不高。所以采用铝合金、钢铁混合车身是很多厂商常使用的方案，例如宝马5系的前端就采用了铝合金，而其余框架部分多使用钢材。

镁合金是当前应用材料中最轻的一种金属，镁合金超高的比强度和比刚度使得其发展迅速，而且镁资源丰富也让镁合金成为轻金属材料研究的重点和热点。追溯镁合金的应用历史最早为1936年的甲壳虫汽车，其传动箱壳体就采用了镁合金。2000年末美国汽车研究委员会制定了一个15年的镁合金研究计划，推动镁合金在汽车上的普及。镁合金最大的特点就是变形后便于加工，具有较高的强度，并且吸震能力突出；其次由于特殊的力学结构其加工使用的压制和挤压工艺方式的制造成本很低，有着非常广阔的应用前景。随着制造工艺的不断成熟，镁合金的应用将获得很大的发展。相比于铝合金和钢材来说，镁合金的晶体结构方式为密排六方，变形机制为罕见的错位滑移，因此镁合金会出现压缩力学的特点，也就是拉压非对称性，在实际的应用过程中还有一定的技术难度，另外镁合金还有着显著的缺点就是更易断裂，所以更加高性能和更优力学性能的镁合金是当前研发的重点。

3 结语

汽车轻量化是目前汽车最重要的发展方向之一，是汽车制造走生态环保绿色发展的必要途径。轻量化材料在替代传统钢材的过程中仍面临很多技术难题和市场挑战，如成本问题、工艺问题以及新材料应用所带来的风险等。对于轻金属来说，应用过程中的制造工艺问题尤为突出，这是材料科学和制造业之间面临的矛盾，也是轻量化技术的核心环节之一。因此轻金属在汽车上的普及应用，汽车轻量化的发展，除了重视材料研发外，还需要不断改进创新材料的加工成型技术，如此才能在保障汽车轻量化的同时提高实用性、稳定性和安全性。

参考文献

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