1、材料科學(xué)專業(yè)講座姓名：林存龍學(xué)號：1531508專業(yè)：無機系材料在汽車輕量化中的應(yīng)用及發(fā)展摘要：由于汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，汽車產(chǎn)量和保有量的增多，帶來了油耗、排放和安全三大問題。論述了汽車節(jié)能減排是汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢，輕量化是汽車節(jié)能減排的直接而有效的手段；介紹了汽車輕量化意義和輕量化工程的實施方法。采用輕量化材料，如高強鋼、鋁合金、鎂合金、塑料、復(fù)合材料等重點介紹了輕量化材料及先進的制造工藝在汽車輕量化中的應(yīng)用現(xiàn)狀，綜述了輕量化領(lǐng)域中新材料、新工藝的最新研究進展?？偨Y(jié)了目前國內(nèi)外研究的熱點、難點問題。基于目前的研究現(xiàn)狀，提出了未來汽車輕量化技術(shù)的發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞：汽車；輕量化TheAppl

2、icationandDevelopmentofMaterialsinAutomotiveWeightLightingAbstract:ThebriefconditionofdevelopmentofChinaautomotiveindustrywasreviewed.Threeproblem:oilconsumption,emission,safetywerebroughtaboutduetotherapiddevelopmentofautoindustry,theproductionoutputandvehiclestockinChina.Energysavingandemissionred

3、uctionisnecessarytrendofautoindustrydevelopment.AffectiveanddirectmethodandwayisAutolightweight.Theconcept,significanceimplementationmethodshavebeenintroduced.Usethelightweightmaterialsofhighstrengthsteel,aluminumalloy,plasticscomposites,etc.Basedontheaboveresearchstatus,thedevelopmenttrendsaboutaut

4、omotivelightweighttechnologyinthefuturewereproposed.Keywords:automobile;lightweight.隨著汽車工業(yè)的持續(xù)快速發(fā)展，汽車保有量大幅增長，全球汽車已超過10億輛。汽車已成為世界能源消耗和污染物排放的主要來源。各發(fā)達國家均制訂了嚴(yán)格的法規(guī)來限制汽車燃油消耗和溫室氣體的排放，我國也發(fā)布了油耗強制性國家標(biāo)準(zhǔn)一一乘用車燃料消耗量限值(GB19578-2004)。研究表明，汽車輕量化是降低能耗、減少排放的最有效措施之一。例如汽車每減少100kg,可節(jié)省燃油0.30.5L/(100km),可減少CO2排放811g/(100km)

5、。因此，自20世紀(jì)90年代以來，許多大型研究計劃積極推動了汽車輕量化技術(shù)的研究，以之作為應(yīng)對石油資源短缺和環(huán)境污染問題的一項關(guān)鍵技術(shù)。如美國的新一代汽車合作伙伴計劃、國際鋼鐵協(xié)會組織的超輕鋼制車身和超輕鋼制車身一先進概念車型研究計劃等。汽車結(jié)構(gòu)的輕量化還可以帶來上次減重”，汽車的動力、傳動系統(tǒng)也可相應(yīng)的減輕質(zhì)量。亞琛工業(yè)大學(xué)汽車研究所的研究表明，整備質(zhì)量為1.229t的參考車，鋁合金化后，得益于主要減重和二次減重，終極質(zhì)量可降至785kgo止匕外，實現(xiàn)汽車的輕量化，還有利于改善汽車的動力性、舒適性和操縱穩(wěn)定性。1輕量化材料發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀汽車自重的1/3在車身，車身材料的選擇對汽車輕量化至關(guān)重要

6、。汽車的材料選擇一般應(yīng)遵循以下基本原則：(1)滿足汽車零件的使用性能要求，如安全性、舒適性、操作穩(wěn)定性等；(2)具有良好的工藝性能，如成形性、焊接性等；(3)具有較好的經(jīng)濟性，如低成本、可回收性等。材料技術(shù)是推動汽車技術(shù)進步的關(guān)鍵，采用輕量化材料是既保證汽車的行駛安全性又減輕車身自重的一個重要手段。目前，汽車輕量化材料主要有兩類：一類是高強度材料，主要指高強鋼；一類是輕質(zhì)材料：主要包括鋁合金、鎂合金、塑料、復(fù)合材料等。1.1 高強度鋼為了達到汽車輕量化、安全化的目的，應(yīng)對鋁鎂行業(yè)的競爭，20世紀(jì)90年代，國際鋼鐵協(xié)會的35家主要鋼鐵公司開展了超輕鋼制車身(UltraLightSteelAuto

7、Body)ULSAB項目。其內(nèi)容是通過大量采用高強度鋼板，并應(yīng)用液壓成形、激光拼焊板等技術(shù)使汽車減重25%。2004年項目取得成功，整車減輕質(zhì)量25%,車身靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度提高了80%,靜態(tài)彎曲化；然后送入內(nèi)部帶有冷卻系統(tǒng)的模具內(nèi)沖壓成形；之后保壓快速冷卻淬火，使奧氏體變成馬氏體，因而成形件得到強度硬化。沖壓件冷卻淬火后，強度可達1500MPa。見圖11熱沖由碎洞加熱溫機前0弋.5-lOmin離溫軟板熱沖壓與淬火成形后的零件fI500MPa圖1熱成型鋼加工工藝流程剛度提高了52%,汽車安全等級達到了歐洲NCAP五星級碰撞標(biāo)準(zhǔn)。ULSAB車體上高強度鋼板使用率為90%,其中DP雙相鋼超過70%,另外

8、還采用了4%左右的抗拉強度為1200MPa的超高強度馬氏體鋼。最近幾年，歐美汽車公司在開發(fā)新款汽車時都部分或全部采用了ULSAB項目技術(shù)，高強度鋼大量使用在汽車車身、底盤、懸架和轉(zhuǎn)向的零部件上。國內(nèi)汽車合資企業(yè)的技術(shù)直接來源于國外母公司，高強度鋼應(yīng)用水平與國外汽車企業(yè)保持了相近的水平。自主品牌汽車企業(yè)在高強度鋼的應(yīng)用方面整體落后于國外汽車公司，正在快速追趕。最近兩年，國內(nèi)自主品牌汽車開發(fā)的有些新車型，高強度鋼質(zhì)量占白車身質(zhì)量的比例已經(jīng)達到45%以上。近年來，國內(nèi)鋼鐵企業(yè)積極開展了汽車用高強度綱的開發(fā)工作，目前寶鋼、武鋼、鞍鋼等可以生產(chǎn)一些等級的高強度IF鋼、DP雙相鋼、TRIP相變誘導(dǎo)塑性鋼、

9、BH烘烤硬化鋼。國內(nèi)鋼鐵企業(yè)已能提供多種規(guī)格的高強度鋼板，不過從品種與質(zhì)量來看，與國外的先進水平相比還有較大的差距。2高強度鋼在汽車減重、降耗、安全性方面有著顯著優(yōu)勢，但在應(yīng)用時還存在一些問題，即隨著強度的增加，沖壓性能變差、回彈量大、尺寸難以控制、容易起皺開裂，這給沖壓成形工藝帶來新課題。另外，高強度鋼的可焊性比普通低碳鋼要差，焊接工藝參數(shù)存在較大差異。為了開發(fā)性能更好的高強度鋼，阿塞洛等鋼鐵公司正在研究開發(fā)攣晶誘導(dǎo)塑性鋼（TWIP）、具有誘導(dǎo)塑性的輕量化鋼（LIP）。這些鋼種具有非常優(yōu)異的力學(xué)性能、高的應(yīng)變硬化率及極高的塑性，被稱為第二代高強度汽車用鋼。目前，美國鋼鐵企業(yè)正在積極發(fā)展第三代

10、高強度汽車用鋼（見圖2）,具有第一、第二代高強度鋼的微觀組織特點，充分利用晶粒細化、固溶強化、析出強化及位錯強化等手段來提高強度，通過應(yīng)變誘導(dǎo)塑性、剪切帶誘導(dǎo)塑性及攣晶誘導(dǎo)塑性來提高材料的塑性和成形性能。木一科半量20040060080010001-200屈腿強度AIFa圖2各種汽車用鋼板屈服強度和伸長量的關(guān)系高強度鋼是汽車輕量化的關(guān)鍵材料之一，近年來隨著先進成形工藝與計算仿真技術(shù)的發(fā)展，高強度IF鋼、DP雙相鋼、TRIP鋼、熱成形鋼等在汽車部件中的用量越來越多。目前，國內(nèi)鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)制造水平與國外的先進水平還有不小的差距，不少品種的高強度鋼尚需要進口，國內(nèi)鋼鐵企業(yè)應(yīng)加大研發(fā)力度，早日趕上國

11、外先進水平，為國內(nèi)汽車行業(yè)的輕量化做更多的貢獻。1.2 鋁合金據(jù)統(tǒng)計，世界交通運輸業(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，鋁合金材料在我國交通運輸業(yè)上的發(fā)展空間也越來越大，預(yù)計2015年每輛轎車的鋁合金平均用量將為150kg,2020年將達到180kg。目前汽車用鋁合金主要是四類：鑄鋁、鍛鋁、鋁板材、鋁型材。其中，汽車用鋁合金中，鑄鋁占最主要部分，約占汽車用鋁量的80%,其主要用于制造發(fā)動機的零部件、殼體類零件和底盤上的其他零件，現(xiàn)在已經(jīng)大批量應(yīng)用的零部件有發(fā)動機缸體、缸蓋、離合器殼、保險杠、車輪、發(fā)動機托架等幾十種。鍛造鋁

12、合金具有很多優(yōu)異的性能，例如其比強度比較大，甚至可與合金鋼相媲美，熱鍛時不氧化、表面光潔、機械加工余量小、無加工缺陷等，鋁鍛件一般選用高強度熱處理合金，在汽車上的應(yīng)用越來越廣泛，如鍛造鋁車輪與橫向轉(zhuǎn)向叉已經(jīng)應(yīng)用于AudiA4,A8等車型。1.2.1 鋁合金在汽車工業(yè)車身方面的應(yīng)用汽車車身約占汽車質(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，然后不斷擴大應(yīng)用，更在1994年和1999年分別推出了A8和A2全鋁轎車，這兩款汽車的車身質(zhì)量比傳統(tǒng)鋼制車身的重量減

13、輕約40%,A2的總車質(zhì)量只有895kg,每年制造五萬輛，成為世界上第一款真正意義上的大批量生產(chǎn)的全鋁轎車；A8更是被評為1994年全世界重要科技成果100項之一。由歐洲9個國家和地區(qū)的38家機構(gòu)攜手推出了“超輕汽車項目”，包括大眾、保時捷、菲亞特、歐寶、雷諾、沃爾沃和戴姆勒等在內(nèi)的7家主流汽車制造商，通過研制先進輕量化材料、運用多種材料連接制造技術(shù)及其表面處理等辦法和手段，以大眾第五代高爾夫為參考車型，最終制造出由多種材料混合的車身，質(zhì)量僅為180kg,與第五代高爾夫車身相比質(zhì)量減輕了101kg,減重率高達35%,而諸如扭轉(zhuǎn)剛度等重要指標(biāo)與參考車型相當(dāng)，車身的安全性不但沒有降低，正面抗碰撞性

14、能與參考車型相比甚至有較大提高。31.2.2鋁合金在汽車工業(yè)底盤方面的應(yīng)用對實現(xiàn)汽車輕量化而言，底盤系統(tǒng)更具有潛力，更容易實現(xiàn)。在懸掛系統(tǒng)中，目前取代鋼鐵的首選材料是鋁合金材料，例如：通用汽車公司在凱迪拉克與克爾維特車的懸掛系統(tǒng)中使用了鋁合金零部件；福特公司使用了鋁合金制動盤，與原鑄鐵盤相比，質(zhì)量減輕了2/3,雖然成本較高，但壽命提高了兩倍；克萊斯勒公司的NeodLite車底盤通過使用鋁合金零部件，使得轉(zhuǎn)向機萬向節(jié)質(zhì)量降低了3kg,下控制臂降低了2.6kg,轉(zhuǎn)向機殼降低了1.36kg,轉(zhuǎn)向軸降低了1.9kg,后制動轂降低了3.6kg。1.2.3鋁合金在汽車發(fā)動機方面的應(yīng)用很多公司都在發(fā)動機的活

15、塞、缸體及缸蓋、散熱器、油底殼、曲軸箱、連桿等部件上使用了鋁合金材料。針對發(fā)動機部分，我們重點介紹一下活塞，缸體及缸蓋。(1) 活塞轎車發(fā)動機活塞基本都用鑄鋁合金，這主要是因為活塞作為主要的往復(fù)運動件需要靠減重來減小慣性，減輕曲軸配重，提高效率，并且要求有良好的導(dǎo)熱性，較小的熱膨脹系數(shù)，同時在350c左右有較好的力學(xué)性能，而鑄鋁合金恰能滿足這些要求，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)動機振動，降低噪聲，減少油耗。(2) 缸體以及缸蓋轎車發(fā)動機的缸體多采用壓鑄法生產(chǎn)，鑲鑄的缸套可用共晶或亞共晶Al-Si系合金,以提高耐磨性及耐熱性。美國福特公司NGT貨車發(fā)動機氣缸蓋、Ze

16、tM缸機、ModularV6/V8機、克萊斯勒公司新V6發(fā)動機缸體和缸蓋都使用鋁合金材料?？巳R斯勒公司Jeep(吉普)5缸、3.8LV6和道奇貨車發(fā)動機均改用鋁合金缸蓋。鋁合金缸蓋，一般采用金屬型重力鑄造和低壓鑄造法生產(chǎn)，選用的合金有美國的A319、A356、A360鋁合金，中國的ZL104、ZL106、ZL107鋁合金。2.2.4 鋁合金在車輪中的應(yīng)用輪轂質(zhì)量約占汽車車輪質(zhì)量的70%,在汽車工業(yè)中，鑄造鋁合金輪轂是普及最快、鋁化率較高的實例，鋁合金輪轂的節(jié)能環(huán)保效果顯著：輪轂質(zhì)量每減輕1kg,1L汽油可多行駛800m,而少用1L汽油，則可減少2.5kg的碳排放，此外鋁合金輪轂還具有散熱快、減

17、震性能好、抗腐蝕性強，容易制造、經(jīng)久耐用等優(yōu)點，能顯著提高汽車的舒適性和安全性，發(fā)展空間巨大，預(yù)計2015年，我國鋁合金輪轂的需求量將達到2.5億只，這對于我國鋁合金輪轂行業(yè)而言，存在著巨大的發(fā)展空間。2.2.5 鋁合金輕質(zhì)汽車材料的發(fā)展方向鋁合金輕質(zhì)材料具有特殊的性能，但其較高的價格成本，讓其成為制約汽車工業(yè)應(yīng)用的主要原因之一，為了擴大鋁合金在汽車工業(yè)上的應(yīng)用，必須降低材料成本，除開發(fā)低成本的鋁合金材料和開發(fā)先進的鋁合金成形工藝外，回收再生技術(shù)可進一步降低鋁合金的生產(chǎn)成本；其次，應(yīng)開發(fā)新的各種焊接技術(shù)，今后發(fā)展的多材料結(jié)構(gòu)轎車要求連接兩種甚至多種不同類型的材料(如鑄鐵-鋁、鋼-鋁、鋁-鎂等)

18、，因此，研發(fā)相應(yīng)的材料連接技術(shù)以及對材料和零件防腐蝕的表面處理技術(shù)，將成為鋁合金輕質(zhì)汽車材料的研究方向；最后，有必要開發(fā)新型的汽車用鋁合金材料，如Al-Li合金、Al-Si-Cu合金、超塑性鋁合金、顆粒增強鋁基復(fù)合纖維材料等。1.3 鎂合金1.3.1 鎂合金的基本特性4(1) 重量輕：鎂合金比鋁合金輕33%,比鋼輕77%，為常用結(jié)構(gòu)金屬材料中最輕的材料。同時鎂能制出與鋁同樣復(fù)雜的零件而重量則較后者輕三分之一。鎂合金用于車輛，將顯著地減少其啟動慣性，并節(jié)省燃油消耗，減少環(huán)境污染。(2) 比強度高，剛性強：同等形狀下，鎂合金制品的剛性為塑料的10倍以上。在同等剛性條件下,1磅鎂的堅固程度等同于1.

19、8磅的鋁和2.1磅的鋼。如用鎂合金代替ABS塑料，則制品重量可以減少36%,厚度可以降低64%(3) 耐沖撞，阻尼吸震性能極佳：鎂合金抵抗震動及降低噪音的性能特佳，一般為鋁合金的630倍。鎂合金強固耐沖撞，相同抗力下，厚度僅為塑料的1/3。(4) 尺寸穩(wěn)定,收縮率小：鎂合金制品不易因環(huán)境溫度變化而改變。出模時產(chǎn)品只有很小的殘余鑄造應(yīng)力，因此，它無需退火和去應(yīng)力處理。(5) 可自動化生產(chǎn)和模具壽命高：由于熔融的鎂不會與鋼起反應(yīng)，這使得它更易于實現(xiàn)在熱室壓鑄機中進行自動化生產(chǎn)操作，同時也延長了鋼制模具的壽命。與鋁的壓鑄相比，鎂鑄造模具壽命可比前者高出23倍，通?？删S持20萬次以上的壓鑄操作。與鋁相

20、比，鎂的結(jié)晶潛熱小，凝固快。一般說來，其生產(chǎn)率比鋁壓鑄高出40%50%，最高時可達到壓鑄鋁的兩倍。1.3.2 應(yīng)用6由于汽車輕量化在能源、環(huán)境和安全方面的巨大貢獻，鎂合金在汽車輕量化中應(yīng)用的巨大潛力，世界各國都展開了對鎂合金的研究。隨著對汽車安全性、經(jīng)濟性和舒適性要求的不斷提高，對輕量化材料的要求也越高，尋找可以滿足要求的新型合金，是我們的共同目標(biāo)。但鎂合金產(chǎn)業(yè)仍面臨一些制約性因素，比如鎂合金的耐熱性和耐腐蝕性有待提高，生產(chǎn)成本也較高。通過對現(xiàn)有合金優(yōu)化以改善合金的高溫性能；開發(fā)新型鎂合金如高溫Mg-RE合金，高強Mg-Li合金，鎂基復(fù)合材料等；開發(fā)鎂合金新型成形技術(shù),或改進現(xiàn)有壓鑄技術(shù)和半固

21、態(tài)成形技術(shù)等；開發(fā)新型變形鎂合金及其成型工藝。目前鑄造鎂合金產(chǎn)品用量遠遠大于變形鎂合金，但變形鎂合金可獲得更高的強度，更好的延展性及更多樣化的力學(xué)性能，可以滿足不同場合結(jié)構(gòu)件的使用要求。因此，開發(fā)變形鎂合金是未來更長遠的發(fā)展趨勢?？梢源_信，隨著新合金和先進加工成型技術(shù)的出現(xiàn)及制造成本的降低，鎂合金作為最有發(fā)展前途的輕量化金屬材料之一將被廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)中。1.4 塑料復(fù)合材料6而要實現(xiàn)整車大規(guī)模減重，還必須實現(xiàn)碳纖維增強復(fù)合材料（簡稱CFRP）輕量化技術(shù)在整車上的應(yīng)用。國外汽車業(yè)近年來已經(jīng)開始專項資金投入和開展研究，其中傳動軸、車頂、車體或底盤都有了CFRP的應(yīng)用樣件或樣車（概念車）嘗試。2

22、009年奧迪和豐田的少量CFRP新款跑車投入了市場，2010年上半年寶馬公司也小批量生產(chǎn)新型小轎車，其車體就采用了CFRP,若到2015年每年生產(chǎn)數(shù)十萬輛，這將成為碳纖維生產(chǎn)的巨大市場之一。寶馬汽車在2011年法蘭克福車展首次發(fā)布的i3電動概念車和i8混動概念跑車，采用復(fù)合材料模塊化設(shè)計的全碳纖維的座艙（LifeDrive架構(gòu)），使i3的車身重量比傳統(tǒng)電動車減輕了250350kg,整車重量僅1250kg,并使車體的強度遠大于普通的鋼鐵車身。寶馬i8的整車重量僅1480kgo這兩款車型分別于2013年和2014年上市，產(chǎn)量大約5萬輛。CFRP可廣泛應(yīng)用于汽車的各大主要系統(tǒng)：發(fā)動機系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、

23、制動系統(tǒng)、白車身及附件等。其主要應(yīng)用的零部件有:1）發(fā)動機系統(tǒng)：挺桿、連桿、搖臂、油箱底殼、水泵葉輪和罩等。2）傳動系統(tǒng)：傳動軸、萬向節(jié)、減速器及殼罩等。3）制動系統(tǒng)：剎車片。4）底盤系統(tǒng)：縱梁橫梁、支架、車輪和板簧等。5）車體系統(tǒng)：發(fā)動機蓋、翼子板、散熱器罩、保險杠、車燈架、車廂、行李架、地板、門窗框架及尾翼/擾流板等。6）附件：排氣筒、儀表板總成、方向盤、內(nèi)飾等。復(fù)合材料尤其是碳纖維復(fù)合材料輕量化技術(shù)在汽車上的集成應(yīng)用，將對傳統(tǒng)汽車設(shè)計理念和制造技術(shù)帶來革命性的沖擊，如汽車車身制作，沖壓、焊裝、涂裝和總裝等傳統(tǒng)制造工藝和管理模式可能出現(xiàn)徹底的改變。國外主要汽車廠商和核心供應(yīng)商早已厲兵秣馬，

24、中國自主汽車行業(yè)必須未雨綢繆。汽車中采用碳纖維等輕量化復(fù)合材料替代鋼材實際上是汽車工業(yè)的一次技術(shù)革命，對主機廠、零部件配套廠以及上下游的產(chǎn)業(yè)鏈都將產(chǎn)生深遠的影響，傳統(tǒng)材料和制造技術(shù)可能會逐漸萎縮甚至被淘汰，新型材料和新型制造技術(shù)將會逐漸發(fā)展壯大。國內(nèi)汽車行業(yè)雖然認(rèn)識到這個趨勢，但各自為政，又由于自身相關(guān)技術(shù)積累薄弱和資金缺乏等因素的困擾，所以工作開展十分緩慢。綜上所述，建議國家和政府行業(yè)主管部門應(yīng)該就纖維復(fù)合材料輕量化技術(shù)在汽車上的集成應(yīng)用，先在一二家大型自主品牌汽車企業(yè)適當(dāng)投入，進行試點，取得成功經(jīng)驗后，統(tǒng)一規(guī)劃，推廣應(yīng)用。通過項目開展，將可以打破國外技術(shù)壟斷和封鎖，突破碳纖維復(fù)合材料汽車零部件快速成形工藝技術(shù)瓶頸，形成快速制備碳纖維復(fù)合材料汽車零部件的批量生產(chǎn)能力，達到降低零部件生產(chǎn)周期和成本的目的一一項目成果可以迅速在全行業(yè)推廣，從而建立起先進復(fù)合材料“材料研發(fā)-原材料生產(chǎn)-零部件制造-整車集成應(yīng)用-回收再利用”的全產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)業(yè)化推動方式1的必由之路小_政府上/心材料供m9）、瞥