第一篇：用鋁合金材料實(shí)現(xiàn)汽車輕量化

用鋁合金材料實(shí)現(xiàn)汽車輕量化

2011-7-6 15:55| 發(fā)布者: admin| 查看: 90| 評論: 0|原作者: admin|來自: 中國汽車材料網(wǎng)

杜明義（東北輕合金有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱150060）

摘要：介紹了鋁合金在汽車上應(yīng)用的實(shí)例，分析了汽車輕量化的發(fā)展趨勢，揭示了鋁合金材料在汽車上良好的應(yīng)用前景與應(yīng)用空間。

關(guān)鍵詞：汽車；鋁合金；輕量化

節(jié)能、環(huán)保、安全、舒適、智能和網(wǎng)絡(luò)是汽車技術(shù)發(fā)展的趨勢，尤其是節(jié)能和環(huán)保更是關(guān)系到人類可持續(xù)發(fā)展的重大問題。因此，降低燃油消耗、減少向大氣排出CO2和有害氣體及顆粒已成為汽車界主要的研究課題。減少汽車自身質(zhì)量（汽車輕量化）是汽車降低燃油消耗及減少排放的最有效措施之一。汽車輕量化的途徑有兩種：一是優(yōu)化汽車框架結(jié)構(gòu)；另一個是在車身制造上采用輕質(zhì)材料。而目前常用的輕質(zhì)材料為鋁合金。

目前，世界交通運(yùn)輸業(yè)用鋁為鋁產(chǎn)量的26%，而我國僅為5.7%。隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，對交通工具的需求越來越多，因此，鋁合金材料在我國交通運(yùn)輸業(yè)上的發(fā)展空間還很大。

現(xiàn)代轎車發(fā)動機(jī)活塞幾乎都用鑄鋁合金，這是因?yàn)榛钊鳛橹饕耐鶑?fù)運(yùn)動件要靠減重來減小慣性，減輕曲軸配重，提高效率，并需要材料有良好的導(dǎo)熱性，較小的熱膨脹系數(shù)，以及在350℃左右有較好的力學(xué)性能，而鑄鋁合金能符合這些要求。同時由于活塞、連桿采用了鑄鋁合金件，減輕了質(zhì)量，從而減少發(fā)動機(jī)的振動，降低了噪聲，使發(fā)動機(jī)的油耗下降，這也符合汽車的發(fā)展趨勢。

汽車車身約占汽車總質(zhì)量的30%，對汽車本身來說，約70%的油耗是用在車身質(zhì)量上的，所以汽車車身鋁化對提高整車燃料經(jīng)濟(jì)性至關(guān)重要。奧迪汽車公司最早于1980年在Audi80和Audi100上采用了鋁合金車門，然后不斷擴(kuò)大應(yīng)用。1994年奧迪公司斥資800萬歐元建立的鋁材中心（1994年～2002年），兩年前被更名為“奧迪鋁材及輕量化設(shè)計中心”。1994年開發(fā)第一代Audi A8全鋁空間框架結(jié)構(gòu)（ASF），ASF車身超過了現(xiàn)代轎車鋼板車身的強(qiáng)度和安全水平。但汽車自身質(zhì)量減輕了大約40%。隨后于1999年誕生的Audi A2，成為首批采用該技術(shù)的批量生產(chǎn)轎車。2002年，奧迪鋁材及輕量化設(shè)計中心又實(shí)現(xiàn)了第二代Audi A8的誕生。

在此期間，美國鋁業(yè)公司開發(fā)了全新的汽車生產(chǎn)技術(shù)。如今，鋁制車身制造的自動化操作程度已達(dá)80%，趕上了傳統(tǒng)鋼制車身生產(chǎn)的自動化水平。奧迪公司與美國鋁業(yè)公司一直保持著良好的合作關(guān)系，雙方合作的目標(biāo)是共同開發(fā)一款全新的可以批量生產(chǎn)的全鋁車身汽車。

美國鋁業(yè)公司為全球汽車制造商提供品種繁多、性能優(yōu)異的汽車部件和總成，包括車身覆蓋件的鋁板、壓鑄輪轂、配電系統(tǒng)、底盤和懸架部件，以及保險桿、發(fā)動機(jī)支架、傳動軸、車頂系統(tǒng)等總成；包括Audi A8的第二代ASF框架結(jié)構(gòu)、寶馬5和7系列的鋁制懸架、日產(chǎn)Altima的發(fā)動機(jī)罩和輪轂、法拉利612 － Scaglietti的全鋁車體結(jié)構(gòu)，以及捷豹XJ采用的真空壓鑄技術(shù)。美鋁公司的產(chǎn)品和解決方案使這些車型向著更輕量化、更技術(shù)化的方向發(fā)展。

目前，制約鋁合金在汽車上大量應(yīng)用的主要原因之一是其價格比鋼材的高，為了促進(jìn)鋁合金在汽車上的大量應(yīng)用，必須降低材料成本。除開發(fā)低成本的鋁合金和先進(jìn)的鋁合金成形工藝外，回收再生技術(shù)可進(jìn)一步降低鋁合金的生產(chǎn)成本。擴(kuò)大鋁合金應(yīng)用的另一個研究方向是開發(fā)新的各種連接技術(shù)，今后發(fā)展的多材料結(jié)構(gòu)轎車要求連接兩種不同類型的材料（如鑄鐵一鋁、鋼一鋁、鋁一鎂等），對這些連接技術(shù)以及對材料和零件防腐蝕的表面處理技術(shù)，是今后擴(kuò)大鋁合金在汽車上應(yīng)用的重要課題。

汽車廣泛應(yīng)用的鋁制輪轂是鋁合金在汽車上應(yīng)用的一個例子，鋁合金輪轂的優(yōu)點(diǎn)是：

（l）省油。平均每個鋁合金輪轂比相同尺寸鋼輪轂輕2 kg，一臺轎車用5個便節(jié)省l0kg質(zhì)量。根據(jù)日本試驗(yàn)，5座位轎車質(zhì)量每減輕l kg，－年約節(jié)省20L汽油，而美國汽車工程師學(xué)會發(fā)表的研究報告指出，鋁合金輪轂價格雖然比一般鋼輪轂的高，但每輛汽車行走2萬km，所節(jié)省的燃料費(fèi)便足夠抵回其增加的成本。

（2）增加發(fā)動機(jī)壽命。根據(jù)發(fā)動機(jī)負(fù)荷與功率曲線圖，當(dāng)負(fù)荷增大至某一程度后，其功率反呈降低趨勢，此邊際表示此時每一單位負(fù)荷發(fā)動機(jī)將特別耗油。發(fā)動機(jī)負(fù)荷減輕．自然減少故障，延長壽命。

（3）散熱好。鋁合金的傳導(dǎo)系數(shù)為鋼的3倍，散熱效果好，長途高速行駛時也能使輪胎保持在適當(dāng)?shù)臏囟?，使剎車鼓及輪胎不易老化，增加壽命，降低爆胎的機(jī)會。

（4）真圓度好。真圓度精度高達(dá)0.05mm，運(yùn)轉(zhuǎn)平衡性能好，有利于消除一般車身超長時方向盤抖動現(xiàn)象。

（5）堅固耐用。鋁合金輪轂之耐沖擊力、抗張力及耐熱能力較鋼輪的好。

（6）美觀。一般鋼輪轂因生產(chǎn)工藝所限，形式單調(diào)呆板。鋁合金輪轂則有各式各樣的設(shè)計，加上光澤、顏色效果好，從而提高了汽車的價值與美觀。

綜上所述，鋁合金在汽車行業(yè)上的應(yīng)用前景是很好的，但是碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料以其優(yōu)異的性能逐漸在航空工業(yè)上得到應(yīng)用，因此鋁合金材料在很多工業(yè)部門的應(yīng)用也將受到其他新型材料嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，必須不斷開發(fā)新的鋁合金品種，新的加工工藝，更加提高材料的性能，迎接新的挑戰(zhàn)。

第二篇：鋁合金材料的應(yīng)用與交通工具的輕量化

鋁合金材料的應(yīng)用與交通工具的輕量化

杜明義

（東北輕合金有限責(zé)任公司,黑龍江,哈爾濱）

摘要：本文通過鋁合金在汽車行業(yè)上的應(yīng)用，深入分析了交通工具的輕量化發(fā)展趨勢，揭示了鋁合金材料在交通運(yùn)輸領(lǐng)域良好的應(yīng)用前景與應(yīng)用空間。關(guān)鍵詞：鋁合金、輕量化

Application of aluminum alloy material and lightweight of the vehicle

DU Ming-yi(Northeast Light Alloy Co.,LTD, Harbin)Abstract: This paper introduced application of aluminum alloy material in the automobile industry.Analysed the development trend of vehicle lightweight deeply.Opening out favorable application foreground and application space of aluminum alloy material in the traffic and transportation field.Key: Aluminum alloy、lightweight

輕量化的研究是現(xiàn)代車身設(shè)計的一大主流。當(dāng)前，節(jié)能、環(huán)保、安全、舒適、智能和網(wǎng)絡(luò)是汽車技術(shù)發(fā)展的趨勢，尤其是節(jié)能和環(huán)保更是關(guān)系人類可持續(xù)發(fā)展的重大問題。因此，降低燃油消耗、減少向大氣排出CO2和有害氣體及顆粒已成為汽車界主要的研究課題。減少汽車自身質(zhì)量既汽車輕量化是汽車降低燃油消耗及減少排放的最有效措施之一。目前，汽車輕量化的途徑有兩種，一是優(yōu)化汽車框架結(jié)構(gòu)；一個是在車身制造上采用輕質(zhì)材料。而目前車身制造上常采用的輕質(zhì)材料為鋁合金材料。

目前，世界交通運(yùn)輸業(yè)用鋁為產(chǎn)量的26%，而我國僅為5.7%。隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，人們越來越追求生活質(zhì)量的提高，對交通工具的需求越來越大。因此，鋁合金材料在交通運(yùn)輸業(yè)上的發(fā)展空間還很大。而且，鋁合金是最常見的汽車用輕金屬，在汽車上使用較早，相對比較成熟?，F(xiàn)代轎車發(fā)動機(jī)活塞幾乎都用鑄鋁，這是因?yàn)榛钊鳛橹饕耐鶑?fù)運(yùn)動件要靠減重來減小慣性，減輕曲軸配重，提高效率，并需要材料有良好的導(dǎo)熱性，較小的熱膨脹系數(shù)，以及在350℃左右有較好的力學(xué)性能，而鑄鋁能符合這些要求。同時由于活塞、連桿采用了鑄鋁件，減輕了重量，從而減少發(fā)動機(jī)的振動，降低了噪聲，使發(fā)動機(jī)的油耗下降，這也符合了汽車的發(fā)展趨勢。

汽車車身約占汽車總重量的30%，對汽車本身來說，約70%的油耗是用在車身質(zhì)量上的，所以汽車車身鋁化對減輕汽車重量，提高整車燃料經(jīng)濟(jì)性至關(guān)重要。奧迪汽車公司最早于1980年在Audi80和Audi 100上采用了鋁車門，然后不斷擴(kuò)大應(yīng)用。1994年奧迪斥資800萬歐元建立的鋁材中心（1994-2002），兩年前被更名為“奧迪鋁材及輕量設(shè)計中心”。1994年開發(fā)了第一代Audi A8全鋁空間框架結(jié)構(gòu)（ASF）,ASF車身超過了現(xiàn)代轎車鋼板車身的強(qiáng)度和安全水平，但汽車自身重量減輕了大約40%。隨后于1999年在這里誕生的奧迪A2,成為首批采用該技術(shù)的量產(chǎn)車。2002年，奧迪鋁材及輕量設(shè)計中心又見證了第二代奧迪A8 的誕生。

在此期間，美鋁還開發(fā)了全新的汽車生產(chǎn)技術(shù)。如今，鋁制車身制造的自動化操作程度已達(dá)80%，趕上了傳統(tǒng)鋼制車身生產(chǎn)的自動化水平。

業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，這些令人振奮的全新發(fā)展動向表明了奧迪打算將鋁材料更廣泛地運(yùn)用于量產(chǎn)車的決心。此外，奧迪與美鋁一直保持著良好的合作關(guān)系，雙方合作的目標(biāo)是共同開發(fā)一款全新的可以量產(chǎn)的全鋁制車身汽車。

美鋁為全球汽車制造商提供品種繁多、性能優(yōu)異的汽車部件和總成，包括車身覆蓋件的鋁板、壓鑄輪轂、配電系統(tǒng)、底盤和懸架部件，以及保險桿、發(fā)動機(jī)支架、傳動軸、車頂系統(tǒng)等總成。包括奧迪A8的第二代ASF框架結(jié)構(gòu)、寶馬5和7系列的鋁制懸架、日產(chǎn)Altima的發(fā)動機(jī)罩和輪轂、法拉利612-Scaglietti的全鋁車體結(jié)構(gòu)和捷豹XJ采用的真空壓鑄技術(shù)，美鋁的產(chǎn)品和解決方案使這些車型向著更輕量化，更技術(shù)化的方向發(fā)展。

目前，鋁合金材料在現(xiàn)代汽車輕量已經(jīng)顯示出非常重要的重用。制約鋁合金在汽車上大量應(yīng)用的主要原因之一是其價格比剛材高，為了促進(jìn)鋁在汽車上的應(yīng)用，必須降低材料成本。除開發(fā)低成本的鋁合金和先進(jìn)的鋁合金成型工藝外，回收再生技術(shù)可進(jìn)一步降低鋁的成本。擴(kuò)大鋁合金應(yīng)用的另一個研究方向是開發(fā)新的各種連接技術(shù)，今后發(fā)展的多材料結(jié)構(gòu)轎車要求連接兩種不同類型的材料（如鑄鐵-鋁、鋼-鋁、鋁-鎂等），對這些聯(lián)接技術(shù)以及對材料和零件防腐蝕的表面處理技術(shù)是今后擴(kuò)大鋁在汽車上應(yīng)用的重要課題

汽車廣泛應(yīng)用的鋁制輪轂就是鋁合金在汽車上應(yīng)用中的一個例子，鋁合金輪轂的優(yōu)點(diǎn)是：

1、省油

平均每個鋁合金輪轂比相同尺寸的鋼輪轂輕2kg，一臺轎車用5個便省了10kg重量。根據(jù)日本實(shí)驗(yàn)，5座的轎車重量每減輕1kg，一年約節(jié)省20L汽油。而美國汽車工程師學(xué)會發(fā)表的研究報告指出，鋁合金輪轂雖然比一般鋼輪轂貴，但每輛汽車跑到2萬km是，其所節(jié)省的燃料費(fèi)便足夠抵回成本。

2、增加發(fā)動機(jī)壽命

根據(jù)發(fā)動機(jī)負(fù)荷與功率曲線圖，當(dāng)負(fù)荷增大至某一程度后，其功率反呈降低，此邊際將就表示此時每1單位負(fù)荷，發(fā)動機(jī)將更吃力（特別耗油），發(fā)動機(jī)負(fù)荷減輕，自然減少故障，延長壽命。

3、散熱好 鋁合金的熱傳導(dǎo)系數(shù)為鋼的3倍。散熱效果好，長途高速行駛之時，也能使輪胎保持在適當(dāng)?shù)臏囟?，使剎車鼓及輪胎不易老化，增加壽命，降低爆胎的機(jī)會。

4、真圓度好

精度高達(dá)0.05mm，運(yùn)轉(zhuǎn)平衡性能好，有利于消除一般車身超長及方向盤抖動現(xiàn)象。

5、堅固耐用

鋁合金輪轂之耐沖擊力、抗張力及熱力等各項(xiàng)強(qiáng)度較鋼輪轂要高。這也是鋁合金在國防工業(yè)、航空工業(yè)扮演重要角色的原因之一。

6、美觀

一般鋼輪轂因生產(chǎn)所限，形式單調(diào)呆板，缺乏變化；鋁合金輪轂則有各式各樣的設(shè)計，加上光澤、顏色效果好，從而提高了汽車的價值與美德。

綜上所述，鋁合金在汽車行業(yè)上的應(yīng)用前景是很好的，但是值得我們注意的是，據(jù)波音公司稱在夢幻飛機(jī)的用材中鋁材僅占飛機(jī)自身質(zhì)量的20%，碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料卻占到50%強(qiáng)。這是迄今為止鋁材用量最少而復(fù)合材料卻占到50%多的客機(jī)。碳纖維增強(qiáng)的航空復(fù)合材料的強(qiáng)度比鋼的還高，而其密度又比鋁的低，是制造航空航天器的良好材料，不過其價格目前比航空航天鋁材貴得多，就性價比來說不是在今后一段時間內(nèi)在全部的航空器制造中都具有替代鋁材的明顯優(yōu)勢，大多數(shù)客機(jī)鋁材用量仍占其自身質(zhì)量的70%左右，但鋁材受到的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)卻是顯然的，不可掉以輕心，必須開發(fā)新的合金，新的加工工藝，大幅度提高材料的性能，迎接挑戰(zhàn)。

總之，雖然在鋁材料短缺的背景下，目前一些公司開始用其它材料代替鋁材料，但新型替代材料不會完全代替鋁材料。在未來二三十年內(nèi)，鋁材料在同類材料中仍占第一位，鋁合金材料在交通運(yùn)輸行業(yè)上更是大有作為的。

參考文獻(xiàn)：

1、王金濤.張桂林 中國對鋁材需求將不斷增長,經(jīng)濟(jì)參考報，2005年10月15日

2、王祝堂.航空鋁材受到嚴(yán)峻挑戰(zhàn),中國有色網(wǎng)，2006年4月27日

3、連惠紅.身輕如燕—輕量化和鋁合金材料的應(yīng)用,車主之友，2005年10月21日

第三篇：先進(jìn)高強(qiáng)鋼和汽車輕量化

汽車輕量化項(xiàng)目主要包括超輕車身(U L SA B)、超輕覆蓋件(U L SA C)、超輕懸掛件(UL S AS)和在此基礎(chǔ)上的超輕概念車項(xiàng)目(ULS AB-AVC), 均是以使用鋼鐵為基礎(chǔ).除了利用先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板外 , 還大量采用了激光拼焊、激光焊接、液壓成型和計算機(jī)模擬等技術(shù)來進(jìn)行汽車的設(shè)計和制造。

AHSS 鋼主要包括雙相鋼(D P)、相變誘發(fā)塑性鋼(TRI P)復(fù)相鋼(CP)和馬氏體鋼(M)等 ,這類鋼是通過相變組織強(qiáng)化來達(dá)到高強(qiáng)度的 , 強(qiáng)度范圍 500 ～1500 MPa。具有高的減重潛力、高的碰撞吸收能、高的疲勞強(qiáng)度、高的成型性和低的平面各向異性等優(yōu)點(diǎn) D P鋼

DP 鋼板的商業(yè)化開發(fā)已近30，年包括熱軋、冷軋、電鍍和熱鍍鋅產(chǎn)品。主要組織是鐵素體和馬氏體 , 其中馬氏體的含量在 5 %～ 20 %, 隨著馬氏體含量的增加 , 強(qiáng)度線性增加 , 強(qiáng)度范圍為 500～ 1 200 MPa。除了AHSS 鋼的共性特點(diǎn)外 , 雙相鋼還具有低的屈強(qiáng)比、高的加工硬化指數(shù)、高的烘烤硬化性能、沒有屈服延伸和室溫時效等特點(diǎn)。DP 鋼一般用于需高強(qiáng)度、高的抗碰撞吸收能且成形要求 也較嚴(yán)格的汽車零件 , 如車輪、保險杠、懸掛系統(tǒng)及其加強(qiáng)件等.熱軋 D P 鋼的生產(chǎn)是通過控制冷卻來得到鐵素體和馬氏體的組織的 , 冷軋和熱鍍鋅 DP 鋼是通過鐵素體和奧氏體兩相區(qū)退火和隨后的快速冷卻來得到鐵素體和馬氏體組織的。D P 鋼的主要成分是 C和Mn , 根據(jù)生產(chǎn)工藝的不同可適當(dāng)添加Cr、Mo 等元素使C曲線右移 , 避免冷卻時析出珠光體和貝氏體等組織。

復(fù)相鋼

復(fù)相（Complex Phase: CP）鋼是指兩相在數(shù)量和尺寸上有相同的數(shù)量級，其組織特點(diǎn)是

細(xì)小的鐵素體和高比例的硬質(zhì)相如貝氏體、馬氏體，含有鈮、鈦等元素。復(fù)相鋼基本上是在Mn-Cr-Si合金成分體系的基礎(chǔ)上，通過馬氏體、貝氏體以及Ti、Nb和V等微合金元素的晶粒細(xì)化效應(yīng)和析出強(qiáng)化的復(fù)合作用，結(jié)合適當(dāng)?shù)木砣」に嚩a(chǎn)的，抗拉強(qiáng)度能夠達(dá)到800~1000MPa。具有很高的能量吸收能力和擴(kuò)孔性能，廣泛應(yīng)用于汽車車身中車門的防撞桿、保險杠與B立柱等提高汽車安全性能的部件。貝氏體鋼

貝氏體（Bainite: B）鋼的微觀組織為貝氏體，通過控制冷卻速度或者空冷可以得到貝氏體組織。貝氏體鋼的化學(xué)成分主要由碳和微量鉻、硼、鉬、鎳等合金元素組成，含碳量低于 0.05%。貝氏體鋼的韌性好、強(qiáng)度高（530~1500MPa），并且隨著貝氏體轉(zhuǎn)變溫度的降低，貝氏體鋼的強(qiáng)度增加，貝氏體鋼的成形能力和焊接性均很好，在航空航天、船舶與石油化工。馬氏體鋼

馬氏體鋼的微觀組織為少量的鐵素體和/或貝氏體均勻的分布在板條狀的馬氏體基體上。通過在連續(xù)退火線或者出料輥道上的快速冷卻作用，使奧氏體向馬氏體完全轉(zhuǎn)變從而得到馬氏體鋼。向馬氏體中加入碳元素能提高馬氏體的淬硬性，起到強(qiáng)化的作用；為提高馬氏體鋼的淬透性可以加入不同比例的 Mn、Mo、B、V、Ni、Si、Cr 等合金元素。馬氏體鋼是先進(jìn)高強(qiáng)鋼中抗拉強(qiáng)度最高的鋼種，最高能達(dá)到 1700MPa。

相變誘發(fā)塑性鋼

相變誘發(fā)塑性（TRIP）鋼是為了滿足汽車工業(yè)對高強(qiáng)度、高塑性鋼板的要求而開發(fā)研制的，微觀組織主要為鐵素體、貝氏體和殘余奧氏體（體積分?jǐn)?shù)一般為 10%~20%）。在冷成形過程中，殘余奧氏體向硬的馬氏體發(fā)生轉(zhuǎn)變（形變誘導(dǎo)相變）的同時發(fā)生塑性變形。這種硬化使得組織變形難以在局部集中并使應(yīng)變分散，導(dǎo)致了整個組織中的塑性變形分布比較均勻，這種現(xiàn)象稱為相變誘發(fā)塑性。TRIP 鋼具有強(qiáng)度高、延展性好、易沖壓成形和能量吸收率高等特點(diǎn)，可以大幅度地減輕車身自重，降低油耗，同時能夠抵御發(fā)生碰撞時的塑性變形，顯著提高汽車的安全性能，在汽車制造領(lǐng)域有著巨大的優(yōu)勢。

TRIP 鋼分為熱軋型 TRIP 鋼和熱處理型冷軋 TRIP 鋼。熱軋型 TRIP 鋼是通過控軋控冷獲得大量的殘余奧氏體組織。熱處理型冷軋 TRIP 鋼是在冷軋后采用臨界加熱，然后在下貝氏體轉(zhuǎn)變溫度范圍內(nèi)等溫淬火。快速加熱至臨界溫度，形成鐵素體-奧氏體混合組織。與雙相鋼的熱處理工藝最大的區(qū)別在于，為了在最終的組織中保留奧氏體，需要引入貝氏體等溫淬火保持階段（或緩冷）。通過碳在未轉(zhuǎn)變的奧氏體中的富集使馬氏體轉(zhuǎn)變溫度降至低于零度，但僅通過鐵素體形成時產(chǎn)生的碳富集是不夠的，因此，貝氏體形成時會造成更多的

碳富集。通過添加硅或鋁，不僅能起到固溶強(qiáng)化作用，而且還能阻止在貝氏體形成過程中碳化物析出。孿生誘導(dǎo)塑性鋼

孿生誘導(dǎo)塑性(TWIP)鋼是第二代先進(jìn)高強(qiáng)鋼的典型鋼種，又稱FeMn鋼、高錳鋼或現(xiàn)代輕質(zhì)鋼，成分特點(diǎn)是錳和鋁含量較高，具有高強(qiáng)度、高加工硬化速率和優(yōu)異的延展性（總延伸率可高達(dá)70%）。主要有Fe-Mn-C鋼、Fe-Mn-C-Al鋼及Fe-Mn-C-Al-Si鋼。研究結(jié)果表明FeMn-TWIP鋼加工硬化速率n值高且均勻，可承受局部應(yīng)變峰值并具有良好的應(yīng)變分布（抗頸縮），同時成形性能好，具有較好的能量吸收性能。由于這類鋼的處理工藝復(fù)雜、合金元素含量較高，雖然具有高強(qiáng)度和高韌性等良好的綜合性能，但目前為止還沒有商業(yè)化，在汽車工業(yè)上的應(yīng)用還很有限。

相同成分DP鋼和TRIP鋼部分力學(xué)性能的比較

對同一種鋼板進(jìn)行不同熱處理分別制成具有相同鐵素體含量的雙相鋼(DP鋼)和相變誘發(fā)塑性變形鋼(TRIP鋼)，并對其部分力學(xué)性能進(jìn)行對比。比較發(fā)現(xiàn)，鐵素體基體上不同的第二相使得材料力學(xué)性能產(chǎn)生巨大差異：馬氏體使DP鋼具有很高的抗拉強(qiáng)度，殘余奧氏體則賦予TRIP鋼優(yōu)良的伸長率；DP鋼擁有更加優(yōu)良的加工硬化能力，TRIP鋼則具有較為理想的烘烤硬化能力。試驗(yàn)表明，考察DP鋼和TRIP鋼的烘烤硬化能力時，除柯氏氣團(tuán)外，內(nèi)應(yīng)力的消除也應(yīng)該考慮其中。兩種材料的組織有相似之處：F為基體，其上分布著較硬的第二相，不同之處在于第二相的種類和數(shù)量。

單軸拉伸試驗(yàn)，得到的負(fù)荷-應(yīng)變曲線如圖。TRIP鋼具有明顯的屈服平臺，而DP鋼則呈現(xiàn)連續(xù)屈服的特點(diǎn)。對兩種材料的主要性能參數(shù)進(jìn)行比較，結(jié)果見表

DP鋼淬火過程中，臨界區(qū)保溫形成的奧氏體轉(zhuǎn)變成比容較大M，使周圍的F受到壓迫，在其內(nèi)部生成大量位錯，成為低應(yīng)力下可激活的位錯源因此其屈服強(qiáng)度(σ0.2)低于TRIP鋼。但是由于組織中存在40%M，其抗拉強(qiáng)度(σb)明顯高于以B為主要第二相的TRIP鋼。雖然σb 不及DP鋼，但TRIP鋼的δ是DP鋼的2.3倍，達(dá)到37%，TRIP鋼優(yōu)良的伸長率與形變過程中Ar轉(zhuǎn)變?yōu)镸有關(guān)，可從以下幾點(diǎn)解釋(1)拉伸變形時在最大變形部位首先誘發(fā)馬氏體相變, 使局部強(qiáng)度提高, 難以繼續(xù)變形, 變形向未發(fā)生馬氏體相變的其他部位轉(zhuǎn)移, 推遲了頸縮的形成。(2)拉伸變形時局部應(yīng)力集中因馬氏體相變而松馳, 推遲了裂紋的產(chǎn)生。(3)Ar與α呈共格關(guān)系, 高能界面不利于裂紋的擴(kuò)展。

可看出，在相同應(yīng)變下DP鋼的WH值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于TRIP鋼的，這與兩種材料的組織密切相關(guān)，可從以下幾點(diǎn)解釋：

(1)作為基體上的第二相,DP鋼中的M和TRIP鋼中的B起阻礙位錯運(yùn)動的作用。M硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于B硬度, 因此其對位錯具有更強(qiáng)的阻礙作用, 導(dǎo)致加工硬化很高。由于M和B含量很高, 因此這是導(dǎo)致兩種材料加工硬化值性能差異的最主要原因。

(2)變形過程中，TRIP鋼中的Ar逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镸 釋放了集中的內(nèi)應(yīng)力，降低了對位錯阻礙作用，導(dǎo)致WH值下降。

(3)雖然TRIP鋼中由A相轉(zhuǎn)變得來的M會在繼續(xù)變形時對位錯起到較為強(qiáng)烈的阻礙作用，但是由于其含量很低 因此對WH的貢獻(xiàn)也較低。

在較低應(yīng)變范圍內(nèi)(0%～2%)，DP鋼的加工硬化值很高(410MPa)，而在較高應(yīng)變范圍內(nèi)(>2%)給予相同應(yīng)變，WH值增量顯著降低。

原因：塑性變形之初，運(yùn)動位錯滑移到晶界處, 受到馬氏體的阻礙停止運(yùn)動, 強(qiáng)烈的阻礙作用使得必須產(chǎn)生新的位錯或開動相鄰晶粒中的滑移系才能保證塑變繼續(xù)進(jìn)行, 因此加工硬化值很高。隨著變形的進(jìn)行, 大量位錯在馬氏體顆粒前塞積, 塞積的位錯會對新產(chǎn)生的位錯形成一定阻礙作用,而這一作用顯著低于M的阻礙作用, 因此由其導(dǎo)致的WH增量明顯降低。

高強(qiáng)鋼的烘烤硬化能力

成型后的汽車覆蓋件在噴漆以后通常會置于170℃保溫一段時間，稱為烘漆。烘漆后鋼板屈服強(qiáng)度提高的現(xiàn)象稱之為烘烤硬化(BakeHardening)。烘烤硬化的機(jī)理是在烘烤過程中, 位錯應(yīng)力場中的碳(氮)原子受到熱激活向位錯偏聚, 形成柯氏氣團(tuán),從而對位錯起到釘扎作

用,使其再次受載時需要更大的力才能擺脫氣團(tuán)或拖曳氣團(tuán)一起運(yùn)動，宏觀上表現(xiàn)為屈服強(qiáng)度的提高。與固溶碳(氮)原子數(shù)目和位錯密度密切相關(guān)。

Trip隨著預(yù)變形量的增加,BH值先上升后下降。因?yàn)樗茏兂跗? 隨著變形增加, 材料中位錯密度增加，烘烤后被釘扎的位錯數(shù)目增加, 因此BH值上升；但是由于材料中固溶碳原子有限, 當(dāng)變形超過一定值后,形成的柯氏氣團(tuán)的飽和度下降，導(dǎo)致BH值降低。對于DP鋼的BH隨預(yù)變形量增加而下降(10%預(yù)應(yīng)變試樣的BH值為-380MPa)。DP鋼的烘烤硬化能力差與其組織中存在一定含量M有關(guān): 變形過程中,M強(qiáng)烈阻礙位錯的同時產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，內(nèi)應(yīng)力對阻礙位錯運(yùn)動也起到很大作用, 而烘烤會使內(nèi)應(yīng)力部分釋放，因此導(dǎo)致流變應(yīng)力下降。

鋼在奧氏體狀態(tài)下加工變形以后再進(jìn)行淬火,但為使鋼在奧氏體狀態(tài) 下變形而不發(fā)生相變或析出第二相,鋼中奧氏體應(yīng)具有良好的熱穩(wěn)定性及機(jī)械穩(wěn)定性這就需要在鋼中加入較多的合金元素如C r、N i 等實(shí)際也就提高了鋼的價格。較高的錳含量有利于保持奧氏體的穩(wěn)定性,而奧氏體的穩(wěn)定性正是保持相變塑性的最重要因素。很高的硅量可有效提高碳在滲碳體中的活度,抑制冷卻過程及過時效中貝氏體轉(zhuǎn)變期間滲碳體的析出使得奧氏體中碳含量 的降低和隨之而引起的穩(wěn)定性降低。鋼中大量的硅易與退火爐氣氛中的氧反應(yīng),生成二氧化硅附著于鋼板表面而使熱鍍鋅難以進(jìn)行。固溶的磷本身具有提高奧氏體穩(wěn)定性的作用磷還可提高碳在滲碳體中的活度系數(shù)，抑制滲碳體的析出和奧氏體中碳含量的降低，結(jié)構(gòu)鋼中磷的晶界偏聚可引發(fā)鋼的冷脆傾向。

Trip鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均隨應(yīng)變率提高而呈指數(shù)形式增大。均勻延伸率隨應(yīng)變率的提高總的趨勢是逐漸減小。因?yàn)闅堄鄪W氏體在 拉伸過程中會應(yīng)變誘發(fā)向馬氏體轉(zhuǎn)變，一方面有利于材料強(qiáng)度的提 高，另一方面松弛了塑性變形引起的應(yīng)力集中，延緩了微裂紋的形成，從而提高塑性。高應(yīng)變率變形的絕熱溫升提高了殘余奧氏體的穩(wěn)定性。

鐵素體基體析出強(qiáng)化型高強(qiáng)熱軋雙相鋼（14年參考文獻(xiàn)）

傳統(tǒng)雙相鋼以組織強(qiáng)化為主要強(qiáng)化方式，通過組織強(qiáng)化雖然可提高強(qiáng)度降低屈強(qiáng)比，但由于軟相鐵素體與硬相馬氏體的強(qiáng)度差較大，兩相塑性應(yīng)變不相容性加大，導(dǎo)致均勻變形能力降低不利于汽車零部件的成形，一定程度上限制了雙相鋼的應(yīng)用。因此，提高鐵素體相的強(qiáng)度，可減小鐵素體和馬氏體的塑性應(yīng)變不相容性，抑制在兩相界面萌生的微裂紋和空洞聚集，即推遲頸縮發(fā)生，提高均勻真應(yīng)變。

高強(qiáng)鋼主要通過添加微合金元素Nb、V、Ti，在鐵素體中析出細(xì)小的微合金碳氮化物，即析出強(qiáng)化的方式提高強(qiáng)度。相對Nb、V而言，Ti具有資源豐富、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ奈⒑辖鹪?。不少研究者已對Ti的析出強(qiáng)化機(jī)理進(jìn)行了研究，并開發(fā)出780 MPa級別的高強(qiáng)鋼。

鐵素體基體析出強(qiáng)化型熱軋雙相鋼的工藝過程原理：在析出強(qiáng)化型熱軋雙相鋼成分設(shè)計時，主要是在傳統(tǒng)熱軋雙相鋼的成分基礎(chǔ)上添加一定量的Ti，同時還應(yīng)調(diào)整Mn、Si、Cr等元素的含量，使得鐵素體相變的鼻尖溫度與TiC析出的鼻尖溫度相匹配。

由圖可知，鋼板熱軋后快速冷卻至鐵素體相變鼻尖溫度附近，然后在緩冷或保溫階段，奧氏體相變?yōu)殍F素體，同時TiC在鐵素體相變過程中相間析出或過飽和析出，最后再快冷至Ms以下溫度，未轉(zhuǎn)變奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，最終獲得存在納米級TiC析出相的鐵索體基體+彌散分布的馬氏體的熱軋雙相鋼。

通過向雙相鋼添加鈮元素能起到彌散強(qiáng)化的作用，一方面鈮元素能夠促進(jìn)馬氏體的均勻分布和鐵素體的細(xì)化，另一方面利用析出強(qiáng)化使馬氏體的體積分?jǐn)?shù)降低，從而使馬氏體和鐵素體之間由于強(qiáng)度差異而導(dǎo)致的應(yīng)力集中程度降低，提高了雙相鋼的綜合力學(xué)性能。

現(xiàn)代冷軋雙相鋼的生產(chǎn)采用連續(xù)退火工藝。先將冷軋鋼板加熱到鐵素體奧氏體兩相區(qū)所在的某個溫度，在加熱過程中發(fā)生冷塑性變形的組織會經(jīng)歷回復(fù)與再結(jié)晶過程。在保溫過程中，鋼板中的鐵素體產(chǎn)生不完全奧氏體化。在初始的緩冷過程中，少量的奧氏體重新轉(zhuǎn)化為鐵素體，同時合金元素大量的向殘余奧氏體中擴(kuò)散，提高了奧氏體的穩(wěn)定性。然后在急冷過程中使殘余奧氏體轉(zhuǎn)化為馬氏體組織，從而產(chǎn)生鐵素體與馬氏體的雙相組織。

一般來說，急冷后還需進(jìn)行等溫過時效，一是可以對淬硬的馬氏體島進(jìn)行低溫回火以改善其內(nèi)部畸變，二是可以可以改善鐵素體內(nèi)元素的固溶狀態(tài)。

第四篇：關(guān)于《汽車輕量化》有關(guān)文獻(xiàn)的閱讀報告

有關(guān)《汽車輕量化技術(shù)》文獻(xiàn)閱讀報告

引言：

汽車輕量化技術(shù)的內(nèi)涵是指：采用現(xiàn)代設(shè)計方法和有效手段對汽車產(chǎn)品進(jìn)行多種優(yōu)化設(shè)計, 或采用新材料在滿足汽車正常工作的各項(xiàng)要求前提下, 盡可能降低汽車產(chǎn)品的自身重量, 以達(dá)到降重減輕、節(jié)能減排、操控便捷、安全舒適等綜合指標(biāo)。汽車輕量化技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r

早在二十世紀(jì)初期，參與賽車運(yùn)動的賽車就由賽車運(yùn)動協(xié)會提出了重量上的限制，這也成為世界上最早的汽車輕量化事件。這項(xiàng)規(guī)定也為汽車輕量化以后的快速發(fā)展提供了一個良好的開端。自此，汽車零部件開始出現(xiàn)鋼板沖壓件，來替代以前經(jīng)常使用的圓管材料，底盤及車架、車身等零件的制造往往采用這些鋼板沖壓件。到了上世紀(jì)中葉第二次世界大戰(zhàn)后，德國大眾公司開始將輕量化措施大量應(yīng)用在汽車設(shè)計和制造上，特別是將鎂合金材料第一次使用在“甲殼蟲”車的發(fā)動機(jī)和變速箱殼體上，這一創(chuàng)舉為今后輕量化技術(shù)的發(fā)展開啟了歷史新紀(jì)元。

然而，當(dāng)時汽車輕量化技術(shù)還沒有得到人們足夠的重視。直到二十世紀(jì)70年代之后，隨著全世界范圍石油危機(jī)的爆發(fā)，也隨著汽車設(shè)計、制造工藝技術(shù)及汽車材料技術(shù)的發(fā)展，人們才開始逐漸重視汽車輕量化技術(shù)的研究，并開始逐步應(yīng)用在汽車產(chǎn)品上，汽車輕量化技術(shù)才得以長足發(fā)展。

時至今日，安全、節(jié)能、環(huán)保已成為提高汽車競爭力的一個永恒話題。輕量化是汽車技術(shù)發(fā)展的一個重要趨勢，受到越來越多的關(guān)注和重視。一方面，輕量化是節(jié)能減排的需要。轎車的自身質(zhì)量每減輕10％，燃油消耗可降低6％—8％。燃油消耗的減少，既能降低能耗，又能減少污染物的排放。另一方面，輕量化也是汽車技術(shù)發(fā)展的要求。日益苛刻的整車安全法規(guī)和消費(fèi)者對汽車越來越多的功能需求，要求汽車設(shè)計者不斷地增加各類附件，以滿足安全、排放、舒適性、可靠性、智能化等要求，并在零件數(shù)量不斷增加的同時減輕其質(zhì)量?？傊?，汽車輕量化技術(shù)已在汽車領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，已成為行業(yè)的共識，并且，汽車輕量化成果也日趨顯著。實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的措施

汽車輕量化要求在保證汽車整體質(zhì)量和性能不受影響的前提下,應(yīng)最大限度地減輕各零部件的質(zhì)量,努力謀求高輸出功率、低噪聲、低振動和良好的操縱性、高可靠性等，并盡量降低燃油消耗,減少排放污染。通過輕量化技術(shù)的內(nèi)涵可知,汽車的輕量化主要通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和使用新輕質(zhì)材料兩大措施來實(shí)現(xiàn)，此外還有先進(jìn)的制造工藝等。2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

目前國內(nèi)外汽車輕量化技術(shù)發(fā)展迅速,主要的輕量化措施之一是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。所謂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，是指設(shè)計者在全部可能的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案中，利用數(shù)學(xué)手段，選取其中最優(yōu)方案的一種設(shè)計方法。它包括拓?fù)鋬?yōu)化、尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化以及多學(xué)科優(yōu)化等。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計已經(jīng)融合到了汽車設(shè)計的各個階段。特別是在現(xiàn)代汽車工業(yè)中,人們將CAD /CAE /CAM 一體化技術(shù)運(yùn)用到汽車設(shè)計和制造的各個環(huán)節(jié)，大大改善了汽車的輕量化設(shè)計、制造。運(yùn)用這一技術(shù)不僅可以對汽車總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和優(yōu)化,來實(shí)現(xiàn)對汽車零部件的精簡、整體化和輕質(zhì)化，還可以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)車身實(shí)體結(jié)構(gòu)設(shè)計和布局設(shè)計,以便對各構(gòu)件的開頭配置、板材厚度的變化進(jìn)行分析,并可從數(shù)據(jù)庫中提取由系統(tǒng)直接生成的有關(guān)該車的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行工程分析和剛度、強(qiáng)度計算等。目前，具體合理結(jié)構(gòu)設(shè)計措施有以下3個方面:（1）通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,減小車身骨架及車身鋼板的質(zhì)量,對車身強(qiáng)度和剛度進(jìn)行校核,確保汽車在滿足性能的前提下減輕自重。

（2）通過結(jié)構(gòu)的小型化,促進(jìn)汽車輕量化,主要通過其主要功能部件在同等使用性能不變的情況下,縮小尺寸。

（3）采取運(yùn)動結(jié)構(gòu)方式的變化來達(dá)到目的。比如采用轎車發(fā)動機(jī)前置、前輪驅(qū)動和超輕懸架結(jié)構(gòu)等,使結(jié)構(gòu)更緊湊,或采取發(fā)動機(jī)后置、后輪驅(qū)動的方式,來達(dá)到使整車局部變小,實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的目標(biāo)。

2.2 使用新型輕質(zhì)材料

現(xiàn)在汽車輕量化設(shè)計中使用輕質(zhì)材料的方法主要包括采用輕量化材料和輕量化材料成形技術(shù)兩方面。輕量化材料是指用來減輕汽車零部件質(zhì)量的材料，當(dāng)前已應(yīng)用于汽車工業(yè)的輕質(zhì)材料可分為兩大類：一類是低密度輕質(zhì)材料，如鋁合金、鎂合金、鈦合金、塑料和復(fù)合材料等；另一類是高強(qiáng)度材料，如高強(qiáng)度鋼和高強(qiáng)度不銹鋼等。而輕量化材料成形技術(shù)是指為了滿足高強(qiáng)度材料的應(yīng)用，以及實(shí)現(xiàn)零件集成化設(shè)計需要所采用的技術(shù)。目前，應(yīng)用較為廣泛的有激光拼焊板技術(shù)（TWB）、熱壓成形技術(shù)（HPF）和液壓成形技術(shù)（HF）等。

每種輕質(zhì)材料各具特色，各有優(yōu)缺。如鋁合金材料機(jī)械性能強(qiáng)，耐腐蝕性、導(dǎo)熱性好，但它價格比較高，難于焊接加工；而鎂合金材料密度很低、強(qiáng)度與質(zhì)量比很高，但其鑄造性差，后處理工藝復(fù)雜,且鎂產(chǎn)量較低、成本高等。因此，為了更好的滿足現(xiàn)代汽車輕量化的要求，人們也在不斷地研究各種輕質(zhì)材料的性能，力求找到性能更優(yōu)異的輕質(zhì)材料來滿足當(dāng)今社會的需求。

2.3 先進(jìn)制造工藝

在大量采用高強(qiáng)度鋼、鋁鎂合金、塑料和復(fù)合材料等輕量化材料來實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的同時，與之相匹配各種先進(jìn)制造工藝也得到了廣泛應(yīng)用。所謂先進(jìn)制造工藝是指：采用新材料生產(chǎn)汽車零部件所需的特殊加工技術(shù)，主要有先進(jìn)的材料連接技術(shù)、零部件表面處理技術(shù)等。

如激光拼焊板技術(shù)實(shí)現(xiàn)同一板材不同處的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求不同，板材厚度也不同。既保證強(qiáng)度要求，又能節(jié)約板材，減少車身重量；用于高強(qiáng)度鋼板沖壓件的熱沖壓成形工藝；用于車身結(jié)構(gòu)連接的膠接和膠焊工藝等，另外，液壓成型技術(shù)（HPF）等也是車身輕量化先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展的新方向。汽車輕量化的評價指標(biāo)

就目前而言，對于汽車輕量化技術(shù)水平的評價尚沒有統(tǒng)一的評價指標(biāo)。各汽車廠家為了提高自身產(chǎn)品的市場競爭力，在滿足相關(guān)法規(guī)要求的前提下，不斷地減輕整車質(zhì)量、降低油耗、改善操縱性能，在車身設(shè)計方面，設(shè)計師們已經(jīng)開始對輕量化指標(biāo)進(jìn)行探索了。車身輕量化技術(shù)指標(biāo)能給車身開發(fā)提供一個方向性的指導(dǎo)，但在行業(yè)內(nèi)尚未形成一個高度認(rèn)同的指標(biāo)。目前應(yīng)用較為普遍的幾種車身輕量化指標(biāo)如下：

（1）車身輕量化系數(shù)（Light Weight Index）；

（2）車身最低屈服強(qiáng)度 ；

（3）制造車間關(guān)鍵指數(shù)（Key Bodyshop Figure）；（4）車身單位體積質(zhì)量。汽車輕量化技術(shù)的未來研究方向

4.1 在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方面 汽車結(jié)構(gòu)的尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化等技術(shù)已逐步發(fā)展成熟并得到廣泛應(yīng)用，但汽車結(jié)構(gòu)的多學(xué)科、多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計方法、離散桿系結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化等方法，還有待進(jìn)一步研究和完善。

4.2 在輕量化材料的應(yīng)用方面

變形鎂合金、新型塑料和纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有較大的應(yīng)用潛力；另外，由于單一材料難以最大程度地滿足汽車結(jié)構(gòu)的輕量化要求，研究多種材料混合結(jié)構(gòu)的設(shè)計理論、方法和相應(yīng)工藝，在汽車不同部位采用不同的材料，充分發(fā)揮各種材料的優(yōu)勢，可以實(shí)現(xiàn)選材與零部件功能的最優(yōu)組合，這種多材料一體化設(shè)計理論和方法將成為汽車輕量化技術(shù)的研究熱點(diǎn)。

4.3 在工藝研究方面

液壓成型、激光焊接等技術(shù)將得到更為廣泛的應(yīng)用，熱成形工藝的應(yīng)用將得到進(jìn)一步發(fā)展。此外，零部件的輕量化將得到重視。而且，各種輕量化技術(shù)是相輔相成的，充分發(fā)揮不同輕量化手段的優(yōu)勢，研究汽車材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝設(shè)計的系統(tǒng)化和集成化方法，即輕量化技術(shù)的系統(tǒng)化和集成化，也是未來汽車結(jié)構(gòu)輕量化技術(shù)的研究方向。總結(jié)

隨著人們對汽車安全性、舒適性、環(huán)保性以及經(jīng)濟(jì)性等要求的提高，汽車安裝空調(diào)、安全氣囊、隔熱隔音裝置、廢氣凈化裝置、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等越來越普及，這無形中增加了汽車的質(zhì)量、耗油量和耗材量，也導(dǎo)致了大量能源的消耗、汽車尾氣排放的增加等。而汽車輕量化技術(shù)對汽車工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，不僅關(guān)系到車輛的節(jié)能減排、安全、成本等諸多方面，同時也對世界能源、自然資源和環(huán)境具有深刻的影響，它已成為汽車設(shè)計和汽車材料應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的主導(dǎo)方向。但目前汽車輕量化技術(shù)還處于不完全成熟的階段，很多難關(guān)有待我們?nèi)スタ?，很多方面值得我們?nèi)ゲ粩嗵剿餮芯俊?/p>

主要參考文獻(xiàn)

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第五篇：汽車車身輕量化技術(shù)(精)（寫寫幫推薦）

汽車車身輕量化技術(shù)

[摘要]介紹了車身輕量化的重要意義和相關(guān)車身性能。從輕質(zhì)材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝3個方面闡述輕量化技術(shù)的主要途徑，并通過實(shí)例重點(diǎn)分析采用熱成型工藝的輕量化效果，最后對比3種輕量化技術(shù)的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍。

[主題詞]輕量化，車身，汽車

0 引言

安全、節(jié)能和環(huán)保已成為消費(fèi)者最關(guān)心的汽車性能指標(biāo)。如何開發(fā)出更安全、節(jié)能、環(huán)保的汽車也是當(dāng)今汽車廠商的重點(diǎn)技術(shù)發(fā)展方向。汽車安全的重要性不言而喻，涉及到人身安全；節(jié)能和環(huán)保，不僅影響到用戶的用車成本，也關(guān)系到可持續(xù)發(fā)展。目前，各國已有諸多安全和排放法規(guī)來強(qiáng)制規(guī)范汽車產(chǎn)品的安全和環(huán)保性能。

研究資料表明，汽車的燃油消耗與汽車的自身質(zhì)量成正比，汽車質(zhì)量每減輕1%，燃油消耗降低0.6%-1.0%，燃油消耗下降，排放也隨之減少。因此減少汽車自身質(zhì)量成為提高節(jié)能環(huán)保性能的有效途徑。而白車身作為車身骨架一般占整車質(zhì)量的22%—25%，其輕量化對降低整車質(zhì)量意義重大。因此，汽車車身輕量化技術(shù)成為現(xiàn)代汽車開發(fā)技術(shù)一個重點(diǎn)課題。車身輕量化的基礎(chǔ)

車身輕量化必須在保證汽車安全性的前提下，同時達(dá)到車身剛度、疲勞耐久性、操控穩(wěn)定性和振動舒適性等要求。

1.1 車身結(jié)構(gòu)安全

車身結(jié)構(gòu)安全屬于汽車的被動安全范疇，目的在于保護(hù)車內(nèi)乘員的安全。

自20世紀(jì)50年代起，許多國家陸續(xù)開始制定汽車被動安全法規(guī)。目前各國汽車被動安全法規(guī)有：美國聯(lián)邦機(jī)動車法規(guī)體系(FMVSS)和歐洲法規(guī)體系(ECE／EEC)。而我國強(qiáng)制性汽車被動安全標(biāo)準(zhǔn)(GB)主要是參考?xì)W洲法規(guī)體系。另外還有各國的新車評價體系(NCAP)全面地為消費(fèi)者提供汽車安全性能方面的信息。

車身結(jié)構(gòu)安全直接影響到汽車是否滿足這些被動安全法規(guī)。其包括正面碰撞、側(cè)面碰撞、后面碰撞、翻滾和低速碰撞等。車身結(jié)構(gòu)在設(shè)計上一般分為低速行人保護(hù)區(qū)，相容吸能區(qū)和乘員保護(hù)區(qū)。

1.2 車身剛度

評價車身結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的主要指標(biāo)是車身剛度，包括動態(tài)剛度和靜態(tài)剛度，靜態(tài)剛度又包含扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度兩個方面。在車身輕量化中，必須保證達(dá)到車身剛度的要求，這樣才能使汽車的疲勞耐久性和振動舒適性等不受影響。

1.3 車身輕量化系數(shù)

為了評價輕量化的效率，引申出了車身輕量化系數(shù)的概念，其可通過如下公式計算：

式中，Lq為輕量化系數(shù)；MBIW為白車身質(zhì)量；CT為白車身靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度；A為白車身投影面積，由整車軸距與輪距相乘獲得。輕量化系數(shù)Lq值越小，表示車身輕量化做得越好。車身輕量化的途徑

2.1 采用輕質(zhì)材料

2.1.1 超高強(qiáng)度鋼板

按照抗拉強(qiáng)度的不同，鋼材一般分為普通鋼、高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼?？估瓘?qiáng)度小于210MPa的稱為普通鋼；抗拉強(qiáng)度在210—550MPa之間的成為高強(qiáng)度鋼；抗拉強(qiáng)度超過550MPa的稱為超高強(qiáng)度鋼。

超高強(qiáng)度鋼主要有：相變誘導(dǎo)塑性鋼TRIP，雙相鋼DP，復(fù)相鋼CP，以及馬氏體鋼Mart等。由于馬氏體鋼抗拉強(qiáng)度約為1200MPa，其一般采用滾壓成型工藝制造，用于車門防撞桿和門檻加強(qiáng)板等零件。目前車身上使用的超高強(qiáng)度鋼，主要是稱為先進(jìn)高強(qiáng)度鋼(AHSS)的，其是利用金相組織強(qiáng)化得到的鋼種，具有強(qiáng)度、延伸和塑性的各方面優(yōu)良的綜合性，其抗拉強(qiáng)度范圍為500—1500MPa。另外還比較多地采用熱成型鋼，成型后零件的材料抗拉強(qiáng)度達(dá)到1800MPa。

圖1為目前某一較新車型的不同強(qiáng)度鋼材分布，可以看出，目前該車型的超高強(qiáng)度鋼比例已經(jīng)達(dá)到11%，高強(qiáng)度鋼比例為11%，普通鋼只占27%。而從保證車身碰撞安全性的角度來看，高強(qiáng)度鋼的用量將直接決定車身輕量化的水平。

2.1.2 鋁合金

鋁合金是在汽車輕量化中應(yīng)用相對成熟的輕質(zhì)材料。奧迪汽車公司最先在Audi80和Audi100兩款車型上采用了鋁車門。1994年開發(fā)了第一代全鋁空間框架結(jié)構(gòu)(ASF)。ASF車身超過了現(xiàn)代同類鋼板車身的車身剛度和被動安全性，但汽車自身質(zhì)量卻減輕了大約40%。

但是鋁材價格相對較高，是鋼材價格的3倍左右，且鋁制產(chǎn)品成型工藝相對復(fù)雜，這是制約鋁合金輕量化應(yīng)用的因素。除開發(fā)低成本的鋁合金和先進(jìn)的鋁合金成型工藝，發(fā)展回收再生技術(shù)以進(jìn)一步降低鋁的成本之外，擴(kuò)大鋁合金應(yīng)用的另一個研究方向是開發(fā)新的各種聯(lián)接技術(shù)，如鑄鐵—鋁連接、鋁—鋼連接、鋁—鎂連接等。

2.1.3 鎂合金

鎂合金是比鋁合金密度更小的輕質(zhì)材料。其耐熱耐壓耐腐蝕且易于回收利用。歐洲正在使用和研制的鎂合金汽車零部件有60多種。駛多飛集團(tuán)與德國大眾合作，準(zhǔn)備將其專利產(chǎn)品鎂合金MnE21替代某車型白車身上的多個鋼板零件，如前后保險杠、車頂橫梁和車門防撞桿等。如果替代成功，將大大減輕該車的車身質(zhì)量。

2.1.4 工程塑料

目前已有采用工程塑料的車身翼子板，其相比金屬可以實(shí)現(xiàn)40%的減重，且其能耐侵蝕和輕微碰撞，在低速碰撞的情況下無需維修，從制造角度相比金屬有更大的造型自由度提升，也便于零件集成，從滿足行人保護(hù)方面考慮，也是理想的選擇。

2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

利用有限元法和優(yōu)化設(shè)計方法可對結(jié)構(gòu)力學(xué)性能進(jìn)行分析和優(yōu)化設(shè)計。在車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中，通常采用的優(yōu)化方法有：拓?fù)鋬?yōu)化、形貌優(yōu)化、形狀和尺寸優(yōu)化。其中拓?fù)鋬?yōu)化在結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計階段應(yīng)用較多。形貌優(yōu)化可以對加強(qiáng)筋的形式、走向和位置深度等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，形狀和尺寸優(yōu)化可以對飯金件的型面和板厚進(jìn)行優(yōu)化。

一般優(yōu)化問題可以通過下列關(guān)系表述：

式中

在設(shè)定優(yōu)化變量時，可以通過車身鈑金零件的靈敏度分析，選擇對目標(biāo)函數(shù)貢獻(xiàn)較大零件尺寸參與優(yōu)化設(shè)計計算，作為優(yōu)化設(shè)計變量。變量的變化范圍則結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)中的零件尺寸限制而定。

在發(fā)動機(jī)艙蓋內(nèi)板和車門防撞桿的設(shè)計中，可以應(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化、形貌優(yōu)化和形狀優(yōu)化的組合，選擇更合理的內(nèi)板上開孔位置、筋的走向和深度，優(yōu)化車門防撞桿的型面。

為一個n維向量，XL和XU分別是設(shè)計變量的上限和下限。

2.3 制造工藝

2.3.1 熱成型

熱成型工藝中，是將材料加熱到再結(jié)晶溫度以上，使板料在奧氏體狀態(tài)時進(jìn)行成形，降低板料成形時的流動應(yīng)力，由此來提高成形性。把材料放在加熱爐加熱5+10min使其溫度達(dá)到900—950℃，之后進(jìn)行沖壓加工及冷卻。

通過熱成型工藝加工出的零件優(yōu)勢明顯，其具有很高的強(qiáng)度和延伸性，可以大幅的減輕零件重量，能保持高的形狀精度，沖壓時無回彈，可加工成復(fù)雜形狀。在車身中采用一定數(shù)量的熱成型零件后，可以大幅提高車身防撞安全性能。

圖2為某車型熱成型零件分布，該車型采用熱成型的零件有：前保險杠橫梁、前圍下框前地板橫梁、中央通道左右B柱加強(qiáng)板、左右A柱加強(qiáng)板。8個零件所在區(qū)域正是從充分滿足碰撞安全性要求而設(shè)計布置的，保險杠可增強(qiáng)正面碰撞和低速碰撞安全性，而其它7個零件其構(gòu)成乘員保護(hù)區(qū)，在側(cè)面碰撞和正面碰撞中都可以很好地保護(hù)車內(nèi)乘員。

如圖3和圖4所示，原方案采用B柱加強(qiáng)板和B柱加強(qiáng)內(nèi)板兩個零件組合，板厚均為2.5mm；而熱成型方案采用B柱加強(qiáng)板一個熱成型零件，板厚為1.85mm。左右兩側(cè)B柱都采用熱成型方案之后，可減重接近10kg。從設(shè)計選擇的過程可知，其輕量化效果十分顯著，采用更多的熱成型零件，尤其在乘員保護(hù)區(qū)采用熱成型零件，是車身輕量化設(shè)計的方向。

2.3.2 液壓成型

液壓成型，是指利用液體作為傳力介質(zhì)或模具使工件成型的一種塑性加工技術(shù)，也稱為液力成型。其按介質(zhì)可分為水壓成型和油壓成型兩種；按加工坯料分為管材液壓成型、板料液壓成型和殼體液壓成型。液壓成型與沖壓焊接工藝比較，其僅需要凸?；虬寄?，液體介質(zhì)作為凸模或凹模，當(dāng)液體作為凸?？梢灾圃旌芏鄤傂阅o法成型的復(fù)雜零件。且液體作為傳力介質(zhì)具有可控性，具有很高的工藝柔性。

車身結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較多的是板料液壓成型。采用液壓成型除了能實(shí)現(xiàn)輕量化，同時增強(qiáng)車身剛強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)安全性之外，還能減少零件數(shù)量，從而也減少了模具數(shù)量和費(fèi)用，減少了后續(xù)機(jī)加工和焊接等加工工序，降低了總制造費(fèi)用。因此，液壓成型工藝近年來得到快速發(fā)展。

目前車身中已有儀表板橫梁、散熱器支架、座椅骨架、保險杠橫梁、頂側(cè)框等零件采用了液壓成型工藝制造。

2.3.3 變截面板技術(shù)

在車身上應(yīng)用的變截面板有激光拼焊板(TWB)，連續(xù)變截面板(TRB)和搭接板(PB)。

TWB技術(shù)是指在零件沖壓成形前將兩塊或多塊具有相同厚度或不同厚度的相同鋼種材料或不同鋼種材料的板件通過激光焊接連接起來的一項(xiàng)新技術(shù)。

采用激光焊接板不僅是一種輕量化途徑，還可以減少汽車零部件的數(shù)量。車身結(jié)構(gòu)的精度可以得到很大提高，許多沖壓設(shè)備和加工工序可以得到縮減。另外，采用激光焊接板可以提高原材料利用率，通過在落料工序中采用排料技術(shù)，將型號和板厚不同的鋼板合理組合從而降低材料廢料率。

目前，國內(nèi)合資廠已有很多車型采用激光拼焊板，主要集中在上縱梁、前縱梁、前圍板、中央通道、后縱梁、前地板、前門內(nèi)板、B柱加強(qiáng)板、側(cè)圍內(nèi)板等零件。

如圖5為前縱梁，前面部分板厚為1.75mm，屬于車身結(jié)構(gòu)的相容吸能區(qū)，中間部分板厚為2.6mm，屬于車身結(jié)構(gòu)的乘員保護(hù)區(qū)，后面部分板厚為1.35mm，這樣的板厚分布既保證了碰撞安全性，又達(dá)到了輕量化的效果。同樣地，中央通道前部板厚為1.5mm，后部板厚為1.2mm，前部屬于乘員保護(hù)區(qū)。

TRB是通過計算機(jī)實(shí)時控制和調(diào)整軋輥的間距，以獲取沿軋制方向上按預(yù)先定制的厚度連續(xù)變化的板材。

與TWB相比，TRB成型性能更佳，有連續(xù)、光滑的表面，可作車身外覆蓋件。但受設(shè)備的限制，連續(xù)變截面板厚度變化有局限，而且不能把不同材料軋在一起。因此目前激光焊接板應(yīng)用更廣，將來連續(xù)變截面板的應(yīng)用也會越來越多。

PB是指將兩塊鋼板先搭接在一起然后一起放入模型進(jìn)行沖壓成型的工藝。目前在某車型的門檻加強(qiáng)板上也得到應(yīng)用，如圖6所示。這樣使車身具有更好的碰撞安全性，同時還節(jié)省了使兩個零件連接的焊接工序。結(jié)語

車身輕量化技術(shù)是輕質(zhì)材料、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和先進(jìn)制造工藝的集成應(yīng)用。得益于近年來新材料研究的迅速發(fā)展，輕質(zhì)材料可選范圍不斷擴(kuò)大，但是目前高強(qiáng)度鋼仍是最主要的應(yīng)用最多的輕質(zhì)材料。而結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計則要依托CAE的輔助，不斷采用更高效的仿真計算和優(yōu)化方法，創(chuàng)新設(shè)計出更輕量化的結(jié)構(gòu)是發(fā)展方向。而通過先進(jìn)制造工藝實(shí)現(xiàn)輕量化，對廠家的制造工藝水平要求較高，因此國外歐美汽車制造商和國內(nèi)合資廠運(yùn)用較多。如何實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化，達(dá)到最好的節(jié)能環(huán)保效果，應(yīng)該根據(jù)產(chǎn)品定位，優(yōu)化設(shè)計能力和制造工藝水平進(jìn)行整體考慮，同時考慮成本因素，在滿足車身剛度、結(jié)構(gòu)安全性、疲勞耐久性、操控穩(wěn)定性等前提下，選擇最合適的輕量化途徑，最終增強(qiáng)產(chǎn)品的競爭力。