當(dāng)涉及到汽車的質(zhì)量和成本時(shí)，材料科學(xué)起著決定性的作用。因此，正確選擇材料是使汽車工業(yè)達(dá)到質(zhì)量和排放目標(biāo)的關(guān)鍵。

在過去的100年的開發(fā)和應(yīng)用中，鋼已被證明是車身結(jié)構(gòu)的有效選擇材料。在這段時(shí)間里，鋼鐵行業(yè)已經(jīng)度過了幾年的大量研究和開發(fā)先進(jìn)的鋼是更強(qiáng)，更安全，更環(huán)保，更省油，成本競爭力。如今，市場上提供了200多種等級(jí)的鋼材[1]。

事實(shí)證明，鋼是車身結(jié)構(gòu)的有效選擇材料

新的安全和燃油法規(guī)已迫使汽車制造商轉(zhuǎn)向替代輕質(zhì)材料和新技術(shù)。也許替代材料是減少質(zhì)量的好選擇，但前提是您能夠負(fù)擔(dān)得起。

鋼鐵行業(yè)不斷創(chuàng)新，替代材料和鋼材一直在爭奪汽車行業(yè)的注意力。隨著這場斗爭的繼續(xù)，當(dāng)今汽車行業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)是什么？

對(duì)環(huán)境造成的影響

全球汽車行業(yè)承受著來自環(huán)境和客戶需求的持續(xù)壓力[2]。該行業(yè)面臨著與燃油經(jīng)濟(jì)性，氣體排放，安全性和可負(fù)擔(dān)性有關(guān)的問題。此外，當(dāng)今車輛在成本，質(zhì)量，性能和可制造性方面的競爭壓力比以往任何時(shí)候都要大。

汽車行業(yè)一直受到環(huán)保主義者的壓力。

汽車工業(yè)的反應(yīng)主要集中在選擇滿足這些性能和成本要求的輕質(zhì)材料上，從而提高了車輛的效率和燃油經(jīng)濟(jì)性[3]。但是，當(dāng)前的歐盟安全和經(jīng)濟(jì)法規(guī)正在影響汽車應(yīng)用的材料選擇，尤其是汽車的質(zhì)量和性能[4]。

燃油經(jīng)濟(jì)性和二氧化碳排放量

21世紀(jì)汽車工業(yè)面臨的主要問題之一是由CO 2排放量增加引起的環(huán)境變化[2]。車輛在整個(gè)生命周期中都會(huì)產(chǎn)生溫室氣體排放，其中運(yùn)輸部門的CO 2排放約占?xì)W盟CO 2排放總量的20％ [2]。

大多數(shù)與車輛有關(guān)的CO 2排放直接來自于車輛的使用（85％），而其他15％是由汽車制造，包括材料生產(chǎn)引起的[3]。

大多數(shù)與車輛有關(guān)的CO2排放直接來自于車輛的使用（85％）。

除了直接影響燃油經(jīng)濟(jì)性外，汽車制造商還專注于“輕量化”以達(dá)到燃油效率要求[3]。

此外，2017年對(duì)歐盟新乘用車的平均CO 2排放性能進(jìn)行了調(diào)查。將9個(gè)主要制造商組的CO 2排放量分組在一起，并分析了它們滿足CO 2標(biāo)準(zhǔn)的程度。數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1. 9個(gè)汽車制造商集團(tuán)在2017年的CO2排放表現(xiàn)[2]。

豐田汽車的平均二氧化碳排放量約為100克/公里，平均車輛重量為1350公斤，在2017年是所有制造商中最低的CO 2排放量。相反，菲亞特克萊斯勒汽車集團(tuán)（阿爾法·羅密歐，菲亞特，吉普，瑪莎拉蒂）在實(shí)現(xiàn)2020/21年目標(biāo)方面處于劣勢。車輛的平均CO 2排放量將必須減少約24 g / km（20％），才能達(dá)到2020/21的CO 2排放目標(biāo)。

鋼鐵的貢獻(xiàn)

引入新的安全性和防撞性改進(jìn)法規(guī)已經(jīng)對(duì)鋼鐵行業(yè)提出了挑戰(zhàn)，要求其開發(fā)具有獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)組合和更高強(qiáng)度的鋼材，例如DP，CP，TRIP和TWIP，以幫助減少部件尺寸和重量。

在文章“高級(jí)高強(qiáng)度鋼（AHSS）：使您的汽車更堅(jiān)固，更輕，更安全的新一代鋼”中詳細(xì)了解這些AHSS的各種形式及其當(dāng)前的發(fā)展。

減輕重量

對(duì)于輕質(zhì)材料，首先想到的往往是從低密度材料開始，例如鋁，鎂或碳纖維增強(qiáng)材料，由于其密度高，導(dǎo)致對(duì)傳統(tǒng)鋼的負(fù)面看法。

一項(xiàng)新的研究表明，與使用其他輕質(zhì)材料制成的零件相比，鋼制零件既堅(jiān)固又便宜。

然而，采用更高強(qiáng)度的新鋼種使設(shè)計(jì)人員能夠在不增加質(zhì)量的情況下實(shí)現(xiàn)驚人的碰撞性能[5]。這是通過在車身結(jié)構(gòu)和封閉件中使用AHSS來實(shí)現(xiàn)的，其中，每個(gè)承載主要部分都由AHSS代替。由于采用AHSS制成的更小，更薄的零件可以承受更大的負(fù)載，因此可以實(shí)現(xiàn)質(zhì)量的降低[4,5]。

2009年，一項(xiàng)研究評(píng)估了豐田Venza車輛的質(zhì)量減少情況，該方法主要是用AHSS級(jí)鋼代替低碳鋼。質(zhì)量減少了25％。同時(shí)，該研究還評(píng)估了使用低密度替代材料對(duì)同一車輛的質(zhì)量降低。在這種情況下，質(zhì)量降低了29％ [5]。然而，成本效益分析表明，與使用其他替代輕質(zhì)材料制成的零件相比，鋼制零件既堅(jiān)固又便宜[3，5]。

2016年現(xiàn)代圖森是使用AHSS改善車輛性能和減少重量的完美典范。

在2016現(xiàn)代途勝和2016起亞的Optima 是改進(jìn)的車輛性能和質(zhì)量減少極好的例子通過使用AHSS，使得他們的車輛更輕，更硬。的福特Edge是有效的設(shè)計(jì)的另一實(shí)例中，使用不同的AHSS代用于優(yōu)化性能[3,5]。

汽車生產(chǎn)中的鋼與鋁

汽車行業(yè)的材料之間一直存在競爭，特別是鋁和鋼之間[1，5]。與鋁相比，鋼的主要優(yōu)點(diǎn)是鋼的可成形性，強(qiáng)度和可承受性。與鋁相比，鋼以其更高的屈服強(qiáng)度和延展性而廣為人知。例如，鋁無法實(shí)現(xiàn)凱迪拉克汽車的車身設(shè)計(jì)，因?yàn)殇X的低成形性很難實(shí)現(xiàn)用鋁板制成復(fù)雜的形狀[4]。

與鋁相比，鋼的主要優(yōu)勢是鋼的可成形性，強(qiáng)度和可承受性。

自1920年代以來，鋁一直在汽車工業(yè)中使用，但是，形成鋁板一直很昂貴且困難。同樣，其較低的抗張強(qiáng)度意味著鋁板需要更大的厚度才能滿足安全標(biāo)準(zhǔn)。因此，與標(biāo)準(zhǔn)汽車鋼和AHSS相比，鋁的使用可以減輕重量，但價(jià)格更高[5,6]。

在解決相對(duì)制造成本時(shí)，材料的選擇成為關(guān)鍵因素，與AHSS相比，替代材料（如鋁和纖維增強(qiáng)復(fù)合材料）在成本上處于劣勢。表1顯示了詳細(xì)的比較。

表1.各種材料的重量減輕和制造相關(guān)成本[9]。

復(fù)合材料

復(fù)合材料的購買價(jià)格很高，但從經(jīng)濟(jì)角度來看，它們通常仍然有意義。它們的重量很輕，強(qiáng)度和剛度好，耐腐蝕性好，并且非常省油[7]。盡管有這些優(yōu)點(diǎn)，纖維復(fù)合材料由于制造成本高而仍將保持昂貴，因此僅在某些應(yīng)用中才可行[3，8]。

與鋼材相比，生產(chǎn)速度當(dāng)然也是一個(gè)問題。例如，制造復(fù)合零件的周期時(shí)間為1至5分鐘，而沖壓鋼零件僅需10秒[5]。關(guān)于減少制造時(shí)間的廣泛研究正在進(jìn)行中，復(fù)合材料行業(yè)繼續(xù)探索工藝和制造解決方案，以開發(fā)能夠滿足汽車制造商需求的低成本材料。

最后的想法

如今，汽車制造商正在使用替代材料以減輕車輛的重量。成本是汽車制造商的主要驅(qū)動(dòng)力，理想的是，任何重量的減輕都必須節(jié)省制造成本。

盡管這些替代輕質(zhì)材料中有許多優(yōu)點(diǎn)，但它們?nèi)匀惶嘿F而無法成為主流。因此，在未來幾年中，與鋁相比，AHSS薄型材的機(jī)械和重量優(yōu)勢將繼續(xù)使其成為其他輕質(zhì)材料的首選材料。

汽車生產(chǎn)商正在使用替代材料，以減少車輛的重量。事實(shí)證明，AHSS是一種低成本材料，通過替換低碳鋼可以最大程度地減輕重量。

設(shè)計(jì)人員必須在結(jié)構(gòu)性能和生命周期成本與材料成本之間取得平衡。雖然AHSS被證明是一種低成本材料，但用AHSS等級(jí)代替低碳鋼所導(dǎo)致的最大重量減少僅限于25％。但是，隨著新技術(shù)的迅速采用，例如即將面世的第三代AHSS，有望進(jìn)一步減輕重量。