轻量化汽车材料的应用、设计以及制造工艺外文翻译资料

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轻量化汽车材料的应用、设计以及制造工艺

摘要：随着燃油经济性和排放的控制要求不断增加，越来越多的汽车企业有很大兴趣通过材料替代、设计修改和快捷制造来寻找生产更轻便汽车的可供选择的解决方案。目前应用在轻量化上的材料包括高强度钢、轻合金（如铝合金和镁合金）、以及各种复合材料。本章将对这些材料在汽车当前和未来的应用上进行概述，其中还会包括在选择这些汽车轻量化材料时要考虑的一般准则。

1.1简介

如何提高燃油经济性和控制排放是汽车行业所面临的两个最重要的挑战。在美国，平均燃油经济性是由政府授权的CAFE（企业平均燃油经济性）标定的，这是一个乘用车和轻型卡车的销售加权平均燃油经济性（每英里加仑简称mpg，1mpg = 0.43公里/升）。对于乘用车的CAFE标准从最初1978年的每加仑18英里提高到目前的每加仑27.5英里，预测2020年将要增加到35英里。在其他国家的燃油经济性标准是由他们的政府直接或间接调节或者由汽车企业自行维护，这些标准和美国标准不同，很多都相对严格，但他们都有同样提高燃油效率、减少对环境的污染和引发温室效应的最主要原因的CO2释放的双重目标。

车辆的燃油经济性，由特定的使用周期（在美国环保局驱动周期）衡量并取决于许多因素，其中包括车辆动力要求、车辆速度、发动机和变速器的效率、以及燃料类型。车辆功率要求是指车辆加速、行驶在一个档位、克服在轮胎路面接口的滚动阻力、克服空气阻力和操作附件（如空调器、加热器和娱乐模块）的功率需求总和。这些能耗要求中最基本的三个直接与车辆的重量成比例，因此降低车辆的重量会导致车辆的功率需求显著减少，从而提高燃料经济性。气动阻力，轮胎的滚动阻力系数和附件/待机功率要求对燃油经济性的影响更小。研究表明，车辆的质量每减少10％可以提升5至8％的燃料效率（布鲁克和伊万斯，2009）。在温室效应方面，每减少100公斤的重量能够减少二氧化碳排放量12.5克/公里。

除了提高燃油经济性上的主要优点，轻量化还有一些次要作用。例如，当车辆重量减小时，所需要的加速和制动的动力也降低，这为设计更小的发动机、变速箱和制动系统创造了机会。从车辆动力学的观点出发，减少车辆的重量并不会影响车辆的稳定性和控制能力。另一方面，选定组件中节省的重量可用于均衡车轴之间的车身质量分布和降低车辆的重心，这两者有利于提高车辆的操纵稳定性。然而，乘坐的舒适性和安全性可能由于整车重量的减少而受到负面影响，同时它们也受车辆设计和材料选择的影响。

在历史上，减轻车重这一举措在美国始于20世纪70年代，当汽车制造商开始减轻自己车辆的质量，以满足1978年CAFE18英里（布鲁克和埃文斯，2009年）的要求。减小尺寸是将车身与车架分离式结构转变为承载式车身和白车身（B-I-W）结构（参见1.3.1节）来初步实现汽车上较小的轴距。减少车辆的重量组成的其他变化包括小型发动机（4缸发动机代替6-和8缸发动机）和前轮驱动变速器代替后轮驱动传输。这些设计变化带来的结果是，美国汽车的车辆的平均重量从1976年的1839kg变成1986年的1385kg。如表1.1所示，车辆的平均重量从20世纪90年代开始攀升，这是由于添加了多项新功能，如安全设备，排放控制装置和娱乐模块。在美国市场，大尺寸的车辆如运动型多功能车（SUV）和皮卡比轿车更加受欢迎，这也促成了车重的增加。从2007年开始，汽油价格开始在美国市场上升，导致SUV的销量也开始下降，为了适应市场，车辆制造商开始生产比全尺寸的SUV小但比中等尺寸的轿车要大的的交叉型车辆。这开始作为车辆的平均重量，预计这样的车辆会继续甚至有可能成为未来的汽车更重要的质量下降标志。

随着燃油价格的增长，石油的长期可用性不得而知，并且人们认识到汽车排放物对环境和公众健康两者都有害，燃油经济性已经成为世界各地的汽车制造商考虑的重中之重。降低车辆的重量被认为是改善燃料经济性的关键因素之一。而车辆小型化仍是用于实现显著降低车辆的重量，至少在不久的将来会有一个选项，将小尺寸和大尺寸的车辆混合，以满足客户需求。另一种选择是使用替代材料、零部件整合和设计优化部件质量来减小整体质量。本章将广泛概述在制作轻量级组件时应用的材料，其中大多数材料的细节在本书的其余章节会有详细的叙述。

1.2材料背景

在20世纪70年代之前汽车行业的主力材料是低碳钢和铸铁。如表1.2所示，即使在今天，钢的使用量也比其他任何材料要大。目前使用的碳钢包括低碳钢和高强度的混合钢。然而，在强调减少车辆质量的同时，材料的使用情况正在迅速变化，包括其它材料如铝合金、镁合金及聚合物基复合材料。表1.3列出了一些材料与钢对未来汽车制造的竞争特性，如拉伸属性。他们都比钢更轻，其中许多材料还提供了一个很好的机会来进行部分盘整，但目前他们在与钢竞争时缺少成本优势，特别是对大量生产而言。但是他们的技术可行性和轻量化潜力在许多概念车的成功研发下已被证实，现在许多生产商也开始投入这类车的量产。

车身和底盘组件的存在为组件质量的减少提供了最大的机会，其占车辆的重量的60％。许多新材料和制造工艺已经发展了20年来降低车身结构、车身面板和悬架部件的重量。动力总成的重量，也包括发动机和变速器，占车辆重量的25％至30％。为减少动力总成的重量，许多新的材料和制造工艺也得以发展。本节回顾了无论是正在使用或有潜在未来使用的新材料，其目标都是通过质量减小来实现所需的燃料经济性。

1.2.1钢

一个典型的美国汽车的重量组成约有55％是钢。在制造汽车结构部件时钢相比其他材料的优势如下：

.低成本和高弹性模量（207 GPA，这比所有其他有竞争力的结构金属更高）

.强度和延展性的范围广，这可以通过多种方式来实现，如合金化，加工硬

化（用于低碳和中碳钢）和热处理（中碳，高碳和合金钢）

.低碳钢和许多新开发的高强度钢具有良好的成形性，如高强度低合金（HSLA）

钢和双相（DP）钢，它们非常适合高产率成型操作，例如冲压和辊轧成形

在汽车上使用钢的情形已经在过去的25年间发生了巨大的变化，主要是因为轻量级材料所带来的挑战，如铝和塑料。新的炼钢工艺（例如真空脱气）使钢铁的生产更加有效，更具成本优势以及具有低得多的杂质水平（仅约10-20 ppm，通过传统工艺PPM200-400）。新的合金化技术组合和改进的热处理方法，例如连续退火，现在不仅用于生产强度和延展性的广谱性，也能得到更好的表面质量和薄钢板更均匀的特性。更好的耐腐蚀性是通过新型的锌合金涂层的实现（例如锌 -铁和锌镍）以及通过将其应用到钢表面的新方法（例如，通过电沉积，而不是热浸）。一个相对较新的过程，称为镀锌，能够产生优异的抗腐蚀性和成形性，以及类似于涂覆钢板的可焊性。层压板钢外皮和薄粘弹性约束层（通常厚0.025mm）也可用于降低噪音和控制振动（杨等人，2001）。

用于车身面板和车身结构的钢板将逐渐从传统拉丝铝镇静钢（DQAK）变为高强度钢。高强度钢早期成型困难，通过更好的去氧化的做法，微合金化和夹杂物控制已大大减少。目前，有多种可用的高强度钢屈服强度从210兆帕至1250兆帕（表1.4）。其中烘烤硬化（BH）钢的屈服强度是在应变时效的烤漆周期中获得的。屈服强度的增加取决于涂漆烘烤前冲压过程所施加的压力。另一种高强度钢是高强度低合金钢（HSLA）钢，少量的碳化物和氮化物（在0.005％的范围内）形成合金元素（如钒，铌和钛制成）来达到其高屈服强度（300-550兆帕）。高强度低合金钢为改善成形性和焊接性其碳含量限制0.13％以下。高强度钢的下一个更高的水平，被称为高等高强度钢（AHSS），包含软铁素体基和马氏体的分散双相（DP）钢，和含有残余奥氏、软铁氧体基质马氏体及分散贝氏体的相变诱发塑性（TRIP）钢。DP钢和TRIP钢冲压过程中都会由于加工硬化使强度升高。在冲压后的涂漆烘烤周期中也会获得更高的强度的潜力。高强度钢的另一个新兴类被称为超高强度钢（UHSS），它们具有强度范围1000兆帕。虽然AHSS和UHSS具有比常规低碳钢和高强度钢差很多的延展性和可成形性，但是它们具有更高的抗压性和高强度，因此越来越频繁地被选择用于车辆的前部结构。

钢铁部件的制造工艺也发生了新的发展。量身定制的冲裁是一个例子,这是一种十年或两年前都不存在新的制造工艺。量身定制的冲裁结合不同规格的厚度和/或不同牌号的钢代替使用相同的厚度或相同的钢，以更有效地利用材料的空白，来达到重量节省或消除钢筋的目的。例如，轻型卡车的激光拼焊门内板与1.8毫米厚度的前板和0.9毫米厚度的后板比单件设计轻7%，虽然单件只有0.75毫米厚，但包含几个加强板增加其刚度。拼焊板不仅消除了钢筋，而且降低了模具和装配成本。

在汽车的车身结构和车身板上用钢板有几个优点。其中最重要的是钢材的弹性模量，207 GPA被认为是汽车应用的结构材料中最高的模量。可用钢材宽范围的强度也是一个重要的优势，因为它为根据结构需要选择钢提供了一个机。AHSS和UHSS的应用不仅允许了厚度规格的小型化，而且提高了承载车辆结构的强度和耐撞击性。此外，与钢良好的加工性相比，铝合金和镁合金拥有的优良的焊接性以及可回收是一些制造车身的优势。事实上，在90年代中期，由美国钢铁协会（AISI）的领导进行的（ULSAB）的项目中清楚地表明，通过用高强度钢和先进高强度钢，创新制造工艺，如激光拼焊，内高压成形和激光焊接，和计算机辅助工程工具（AISI，1998），能够显著减轻车身结构的重量。与同等级最重的基准车相比重量减少高达36％，由于板厚减少、部分合并和设计优化其结果是可能的。

改进也同样发生在用于动力系统，悬挂和转向部件的锻造用钢胚上（山形，2005）。这些成果的其中一个是含有0.3至0.6％碳的微合金化钢，微合金化的元素通常是少量钒（0.05%〜0.15％），在锻造部件热锻造后经过空气冷却后其形成碳化钒和氮化沉淀物。空气冷却后回火是没有必要的，因为需要在相对较软的铁素体和珠光体基质中析出强化钢。该微合金钢具有强度和韧性的良好组合，其中晶粒尺寸细化能够通过在适当控制杂质比例以及锻造条件进一步得到改善。微合金钢的屈服强度和伸长率比类似碳含量的常规锻造质量钢高，疲劳强度也高。此外，微合金钢不需要淬火回火，这不仅降低了成本，而且还降低了淬火和回火导致热变形的可能性。微锻造钢的应用包括连杆，轮毂和转向节。

1.2.2铝合金

铝合金相对于钢在汽车上应用的优点如下：

1.较低的密度（铝合金2.7g/cm³与钢材7.87g/cm³的比较）

2.每单位重量的碰撞能量吸收更高

3.更高的导热率，这对于散热器芯等热交换器的应用是有用的

铸造和锻造铝合金都在汽车中大量应用。铸造合金大多是300系列（Al-Si系铜或铝-硅-镁合金）合金，如319主要应用在进气歧管和变速箱壳，383为发动机座，356为气缸头，以及A356为车轮。在这些合金的主要合金元素是硅（Si），这有助于提高它们的延展性。他们可以利用各种技术，从砂型铸造铸和压铸到更复杂的永久模、消失模/失蜡铸造。也可以进行热处理，以产生一系列强度特性。

铝在未来汽车上的使用最主要的增长预计将在车身结构和车身面板方面，如前纵梁，车顶行李架，发动机罩，行李舱盖和翼子板。用于这些应用的铝合金是5000系列（铝镁）合金，例如AA 5754和AA 5182。6000系列（Al-Mg-Si系）合金，如AA6111和AA6061。5000系列合金是不可热处理合金，即它们不能由热处理得到加强，而6000系列的合金是可热处理的，并且当它们在涂料烘箱处理后它们的强度通常加强。5000系列合金是高度可成型的，但由于冲压操作期间的应变硬化会使拉伸应变标记在其表面上出现，因此它们不被选择为外部车身板。 6000系列合金，同时用于内部和外部的车身板以及车体结构部件，通过相对较软的T4回火和随后时效硬化，以及在涂料烘箱的T6回火以达到最终的强度。

许多汽车制造商都展示了通过应用铝加强型的概念车。通用汽车公司的电动概念车，命名为“影响”，通过冲压、挤压和铸造铝合金的组合形成主体结构。挤压形成的部件，如前中期横构件，前挡泥板导轨和后下连杆支架，使用的是6000系列铝合金，并且其余部分使用点焊或机械紧固结构。铸造部件，如前面冲击塔和后减震器支架，同样使用A356-T6或A375-T6铝合金制成。他们使用真空无冒口铸造（VRC）过程中，其产生的高品质铸件壁厚4mm或更大。克莱斯勒的概念车，“霓虹灯精简版”，是使用6111和5454系列铝合金的组合式车身结构。6111合金被选定是由于它的强度，抗凹陷性和表面质量，而5454合金被选定是因为它的耐腐蚀性和低成本。福特建立了一个概念车，命名为“2010合成”，它的底盘，车身板，门梁，刹车盘等都是铝制。“2010合成”的重量比福特在20世纪90年代制造的类似大小车Taurus降低了35％。

全铝车身结构由奥迪在他们的ASF车上得到了巨大的发展，主要利用的是空间框架建设。在第一项，其中投产于1994年的空间框架成员研发了薄壁挤压管状梁6000系铝合金，这是在角上（包括直线和曲线）或在连接节点采用真空压铸铝件。皮板使用了6000系合金。大约70%的这些面板使用冲压铆接（使用自冲铆钉）的框架构件;其余的要么点焊要么焊接结合，这是点焊的组合和粘接。在ASF车身上210℃加热处理30分钟，涂层加锌之前使用镍和锰磷酸盐涂层。该ASF车身比同等比刚度钢制车身轻40％左右。

由于铝合金是钢对车身应用的主要的竞争对手，在下面的段落中主要比较这两种类型材料的设计特性和成型性。对铝的耐腐蚀性、连接、成本和回收问题进行了讨论。

（ⅰ）设计特点：铝的弹性模量是70 GPA，钢是207 GPA，这意味着，对于相等的弯曲刚度，铝制部件会比钢部件厚43.5％。其结果是，由铝取得的重量减少将不会以相同的比例作为两种材料之间的密度比。一个简单的权重计算显示铝车身面板取代钢车身面板将能减少约50％的重量。

铝合金的

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