第一篇：轻量化设计
受到能源和环境保护的压力，世界汽车工业很早就开始了轻量化的研究虽然应用轻金属。现代复合材料是现代车辆轻量化研究的热点之一 但是这些新材料应用在主要承载部件上的成本较高。因此在短时间内很难普及另一方面，车辆的传统材料钢材，由于其强度高 成本低、工艺成熟，并且是最适于回收循环利用的材料。因此利用钢材实现轻量化的可能性备受关注。
1994年,国际钢铁协会成立了由来自全世界18个国家的35个钢铁生产企业组成的ULSAB项目组。其目的是在保持性能和不提高成本的同时，有效降低钢制车身的质量。ULSAB项目于1998年5月完成，其成果是显著的 ULSAB试制的车身总质量比对比车的平均值降低25%，同时扭转刚度提高80%，弯曲刚度提高52%，一阶模态频率提高58%，满足碰撞安全性要求，同时成本比对比车身造价降低15%。
从1997年5月启动的ULSAC、ULSAS和1999年1月启动的ULSAB_AVC为ULSAB的后续项目也在轻量化研究上取得很大成绩。
除了以上提到的国际上著名的四个轻量化项目外，全世界范围内对基于结构优化的轻量化技术也进行了大量的研究。韩国汉阳大学J.K.Shin、K.H.Lee、S.I.Song和G.J.Park应用ULSAB的设计理念和组合钢板的工艺，对轿车前车门内板进行了结构优化，成功地使前车门内板的质量减重8.72%。此技术己在韩国一家汽车企业中得到应用。
通用汽车公司的R.R.MAYER 密西根大学的N.KIKUCHI和R.A.SCOTT应用拓扑优化技术以碰撞过程中最大吸收能量为目标对零件进行优化设计，此技术已应用到一款轿车的后围结构上。
瑞典Linkoping University的P.O.Marklund和L.Nilsson从碰撞安全性角度对轿车B柱进行了减重研究，研究以B柱变形过程中的最大速度为约束变量。以B柱各段的厚度为优化变量，以质量为优化目标，实现在不降低安全性能的条件下减重25%。
美国航天航空局兰利研究中心的J.Sobieszczanski Sobieski和SGI公司的S.Kodiyalam以及福特汽车公司车辆安全部门的R.Y.Yang共同进行了轿车的BIP(Body In Prime)基于NVH(噪声、振动、稳定性)和碰撞安全性要求下的轻量化研究，实现了在不降低性能的条件下减重15Kg。
近年来，交通运输、公路管理等国家部门在全国范围内对超载车辆的查处日益严格，《道路机动车辆生产企业及产品公告》管理制度13益规范和完善，政府出台了一系列政策、法规，大力倡导节能减排。这些因素促使道路运输车辆，特别是重型汽车，出现了轻量化的趋势。同时，迫于激烈的市场竞争、原材料价格上涨的压力，为降低整车成本、降低整车质量以提高载质量利用系数进，而降低车辆使用油耗，产品轻量化也是汽车企业自身发展的需要和应尽的社会责任。
减轻车架质量的方法不外乎2种：一是采用高强度材料替代强度相对较低的材料；二是对车架总成结构进行优化设计，提高材料利用率。经过初步工艺分析、成本核算，决定同时采用这2种方法对车架总成进行轻量化设计。
车架作为汽车的承载基体，支撑着发动机、离合器、变速器、转向器、非承载式车身和货厢等所有簧上质量的有关机件，承受着传给它的所有力和力矩。因此，轻量化车架应能保证足够的刚度和强度，以使装在其上的有关机体之间的相对位置在汽车行驶过程中保持不变并使车身的变形最小；同时保证其有足够的可靠性和寿命，纵梁等主要零件在使用期内不应有严重变形和开裂[1]。
为缩短计算时间、降低计算难度，用于有限元分析的车架数学模型、各零部件的约束以及负荷，都已经过数学简化。这就注定了有限元分析与实际情况或多或少存在差异。为采集真实试验数据以验证有限元分析的准确性，有必要进行车架台架试验。而且，车架作为重型汽车的基础构件，与大量其他部件有装配关系，一旦车架结构改动，很可能牵一发而动全身。所以，稳妥起见，也有必要进行车架台架试验。
为减轻节能车车架质量,获得良好的燃油经济性
既然车架台架试验是为了验证有限元分析，那么台架试验就应该按照有限元分析的方法(即弯曲、扭转2种工况)进行。
台架试验的主要内容包括各工况的应力测量、弯曲工况疲劳试验、扭转工况疲劳试验，试验严格按欧洲标准进行。
为了得到尽可能符合实际需要的设计，必须选择足够多的状态变量。但是为了加快优化进程，必须消除不必要或冗余的状态变量。太多的设计变量增大了收敛到局部最小而非全局最小的概率，必须尽量减少设计变量。采用变量关联的方法，将车架结构上互相有联系的非独立尺寸按照比例关系确定。将设计参数分为4类：梁的厚度、梁的截面宽度、梁的截面高度和布置尺寸。
随着汽车轻量化技术日益受到重视，对高强钢、铝合金等轻量化材料的应用、液压成型等先进制造工艺的工程化、新型轻量化结构等方面的探讨，将成为汽车行业研究人员关注的热点。而本文给出的概念模型拓扑优化分析实例，进一步说明拓扑优化技术在寻找新型轻量化结构方面，将起到举足轻重的作用。
车辆轻量化是减少原材料的消耗、降低车辆的生产成本、减少排放的最有效措施之一。对于特种重型专用车，车架自重和其所占整车重量比例均较大，因此减轻车架自重对车辆轻量化研究具有重要的意义。减轻车架自重一般有两种途径：一是从新材料人手，采用轻金属或现代复合材料”3等低密度材料制作车架，以减轻结构重量；二是从优化设计人手，对现有钢结构车架进行结构优化设计，在保证承载能力和可靠性的前提下减轻其质量。前者轻量化效果明显，减重幅度比较大，但具有研发成本高，工艺复杂等困难；后者成本低容易实现，如果方案得当也能得到良好的轻量化效果 专用车通常采用边梁式车架结构，影响车架重量的主要因素为结构参数，如车架的几何尺寸和板壳厚度。如果以结构参数
为设计变量，以车架结构重量为优化目标，则车架轻量化结构优化设计数学模型一般可表示为：
中，gi(X)为不等式约束函数，hj(x)为等式约束函数，m为不等式约束个数，l为等式约束个数。约束条件可以是强度约束、刚度约束、动态特性约束以及几何约束等。
考虑到纵粱在车架质量中占有较大的比例，因此选择纵梁作为优化的具体对象。等截面纵粱的腹板和上下翼板厚度沿长度方向不变。优化方案jiang纵梁土翼板和腹板分别划分为前、中、后三段；将下翼板分为有加强板和无加强板两段；加强腹板整体作为一部分。取各段各板的厚度为变量，一共可得到9个优化设计变量。优化设计变量初始值以及优
虽然优化结果使得纵粱各段钢板厚度不相等，会增加制造困难，但采取工艺改进实际上是可以实现的，因此本文的方法和结果对重型车架从理论上和实际上均有良好的参考价值。
如果将纵横粱所有构件的厚度均作为优化设计变量，优化效果可能会更好。但大量试算表明，设计变量太多，计算规模太大，所需计算机资源要求较高，导致在有效的时间内难以完成实际计算。
第二篇：发动机连杆轻量化设计解析
发动机连杆轻量化设计
0 引 言
连杆是发动机中传递动力的重要零件。它将活塞的往复运动变为区轴的旋转运动并把作用在活塞组上的力传给曲轴。连杆主要承受气体压力和往复惯性力所产生的交变载荷。因此在设计连杆时应首先保证其具有足够的疲劳强度和结构刚度。显然为了增加连杆的强度和刚度不能简单地加大结构尺寸因为连杆重量的增加会使惯性力相应增加所以连杆设计的一个重要要求是在尽可能轻巧的结构下保证足够的强度和刚度即连杆轻量化设计是最终设计目标。
为了优化设计某发动机连杆减轻连杆重量选用朝柴发动机连杆作为评判的参考样品。分析某连杆发动机连杆现生产方案及其3 种改进设计方案以连杆疲劳安全系数为量的指标从3种改进设计方案中选出满足强度和刚度设计要求的重量最轻的方案为最终优化设计方案。1 有限元模型的建立
1.1 网格划分
发动机连杆是由连杆体连杆盖连杆轴瓦和连杆螺栓等零件组成连杆螺栓以巨大的预紧力5104 N 把连杆体和连杆盖连接在一起连杆轴瓦主要起耐磨作用因此进行有限元分析时不考虑连杆轴瓦和连杆螺栓而代之以连接预紧力作用于连杆体和连杆盖上连杆体和连杆盖接触面考虑接触和摩擦力。由于连杆结构和载荷的对称性。在建模型时仅取其一半结构进行有限元模型化。连杆的有限元模型采用四面体单元。
本文CAE分析前后处理软件为Altair/Hyper Mesh V7.0 分析软件为MSC Nastran 2001 各方案有限元模型规模见表1，有限元分析模型见图1。
图 1 有限元模型和连杆边界条件示意图
1.2 连杆有限元模型受力和约束
连杆总成的往复和旋转惯性力:
活塞组的往复惯性力：
拉伸工况下连杆大头载荷：
拉伸工况下连杆小头载荷：
活塞最大爆发压力载荷：
压缩工况下连杆大头受压力：
压缩工况下连杆小头受压力：
拉伸工况下沿连杆小头方向施加连杆总成的往复和旋转惯性力：
压缩工况下沿连杆小头方向施加连杆总成的往复和旋转惯性力：
第三篇：关于桥式起重机轻量化设计的关键要素论文
随着我国经济的不断发展，起重机在工业安装以及物资的运输中起到了不可忽视的作用。现阶段我国拥有的起重机的设计以及制造水平正向世界水平逐步靠拢，然而由于一部分的历史原因，在起重机的设计方面我国承袭了前苏联的相关设计理念，从而致使起重机能耗高、自重及体积较大且安全系数裕量也较大。伴随着科学技术的不断发展与进步，我国目前在起重机的设计上正逐步朝着轻量化的方向发展，同时也在电气系统、工艺、机构、材料以及结构等方面取得了一定的应用。对计算方法以及设计进行改进
第一，要广泛使用极限状态的设计法。在当下经常被使用的设计法是许用应力法，它的缺点是对工作性质不同且用途不同的金属结构使用相同的安全系数，并且经常会出现安全系数过大或是过小的情况。使用极限状态设计法所得到的计算结果相对较精确，能够符合金属结构在工作中的实际情况，所以也能够更加充分地对钢材的性能加以利用，并达到节省材料的目的。
第二，要使用现代的设计方法。这类方法能够正确地考虑到钢材的结构工作特点及性能与载荷的工作性质，例如模块化设计、有限元法、起重机动力学、模糊优化设计、灵敏度分析以及等强度设计等，以最大限度使自重得到减轻，同时对大型设备还可以使用动态模拟以及计算机仿真方法。
第三，要按照定位精度概念来对起重机所具有的刚性要求进行考核。在《起重机设计规范》中，把起重机的静刚度从起重机的工作级别中独立出来，同时还加入了定位精度的相关概念，从而能够按照设计的需要以及在使用中的要求对起重机的静刚性提出要求。同时，对起重机所具有的动态刚性在一般情况下不做出要求。使用轻质的材料
在其他国家中，已经尝试制造过铝合金结构的轮式起重机、桥式起重机以及龙门起重机的臂架。它的自重要比之前的轻30%～60%。由德国制造出来的铝合金箱型的单主梁桥式起重机的自重要比参数相同的钢制的双梁桥式起重机少70%。如果在制作过程中将H型钢材取代原有的钢板，就能够节约10%～15%的结构钢材，同时也能够使机械的抗弯能力在原有的基础上提高30%或更多。在对起重机的主梁强度进行设计时，可以使用高强度的钢材来取代原有的普通钢材，从而在生产过程中使生产起重机材料的用量减少，并使设备的重量进一步地降低。对结构进行改进
第一，使用型钢来代替原有的焊接横梁，在对小车架进行设计的时候，可以在一部分的新产品中使用那些钢板冲压成型的型钢来取代焊接横梁，这样做不仅使焊接工作的工作量减少，也使机械的自重得到一定减轻。
第二，对柔性小车架进行推广，将井字形的四梁结构变成工字形的三梁结构，使移动荷载的重量得到大幅度降低。
第三，将小车的总高度降低，例如可以把定滑轮组放到小车架的滑轮梁内，使用外悬挂套装的方式来设置起升减速器。这样做可以不使用传统的底座结构，不仅可以使高度降低，也可以使机械的重量得到一定减轻。第四，小车的运行机构可以使用四合一或是三合一的传统系统。对机构进行改进
第一，对运行机构进行创新。使用硬齿面减速器来代替原有的中硬齿面减速器，同时，尽量缩减零部件的数量，让机械的结构能够更加紧凑。现阶段，由减速器、电动机以及制动器联合构成的三合一的运行机制，在大多数的桥架型起重机中的大小车运行结构内得到了十分普遍的应用，这种运行机构使桥架的自重得到减轻，让机械的结构更加紧凑，同时也减少了维护的工作量以及维护所使用的费用。
第二，对起升结构进行改进。可以将电动葫芦进行推广来代替起升机构。对于中小型的起重机来说，可以使用葫芦来作为起重机的起升结构，这样做既能够使起升机构的重量在一定程度上得到减轻，还可以使起重小车的重量得到减轻，从而达到节能的目的，还可以在作业过程中减小对于建筑物高度的相关要求。另外，对于零部件要尽可能以焊代铸，例如滑轮、减速器壳体以及卷筒等都可以使用焊接结构。
第三，可以研发出内平动卷筒，在作业过程中，可以将内平动齿轮减速器的输出端和卷筒的输入端直接联系在一起。也可以把内平动齿轮的减速器和卷筒合二为一，制作出一种内平动的电动卷筒，另外，内平动齿轮的减速器的内齿轮外表面还能够直接用作制动轮，这样既能够使起升机构的重量得到减轻，还可以让机械的结构更加紧凑，从而使维护费用以及维护量得到减轻。第四，使用高转速的电动机，对于机械的各个机构所使用的电动机都可以并应该向高转速的方向发展，由此来使电机基座号得以减小，同时也使机械的重量减轻，减小机械的外形尺寸，还可以使其配用制动力矩较小的制动器。要合理使用材料
在主梁结构中，辅助材料的重量大约是主梁自重的20%～30%，因此，在工程中减少对于辅助材料的使用，对于使主梁的自重得到减轻具有十分重要的意义。因此，可以在之前已经获得了成功的结构设计中减去一部分，而不是增加一部分，对力的传递路线进行分析，在工程中得到使用的每一块材料都应该具有十分明确的使用目的，对于不起作用的材料不予使用。减轻电气系统
第一，要使用不锈钢的电阻器，从而减少电阻器的使用数量。在普通的使用场合中，可以使用按钮控制来取代司机室的操作。在比较特殊的带有多粉尘、有毒气体或是高温等较危险的作业场地中，可以使用遥控来取代司机室的操作，这样不但可以使起重机的整体自重得到减轻，还能够使起重机的平衡度得到提高，并减少故障的发生率，提高工作的效率。
第二，对于减速机以及电机等的外壳，可以使用铸铝结构，使机械的重量得到减轻。结语
我国的起重机的轻量化设计具有十分充足的可行性。与其他国家相比而言，我国的起重机在电气系统、工艺、机构、材料以及结构等方面都存在着一定的改进空间。对于这一设计，政府及制造企业的资金投入以及国家政策对它的扶持等都有待加强，用户原有的观念也应发生一定的转变。另外，对于起重机的节能监管以及能效测试的相关安全技术规范、规章制度以及法律法规也有待制定并得到完善，做好这些工作可以推动这一技术的快速进步，从而早日实现起重机的轻量化设计。
第四篇：先进高强钢和汽车轻量化
汽车轻量化项目主要包括超轻车身(U L SA B)、超轻覆盖件(U L SA C)、超轻悬挂件(UL S AS)和在此基础上的超轻概念车项目(ULS AB-AVC), 均是以使用钢铁为基础.除了利用先进高强度钢板外 , 还大量采用了激光拼焊、激光焊接、液压成型和计算机模拟等技术来进行汽车的设计和制造。
AHSS 钢主要包括双相钢(D P)、相变诱发塑性钢(TRI P)复相钢(CP)和马氏体钢(M)等 ,这类钢是通过相变组织强化来达到高强度的 , 强度范围 500 ～1500 MPa。具有高的减重潜力、高的碰撞吸收能、高的疲劳强度、高的成型性和低的平面各向异性等优点 D P钢
DP 钢板的商业化开发已近30，年包括热轧、冷轧、电镀和热镀锌产品。主要组织是铁素体和马氏体 , 其中马氏体的含量在 5 %～ 20 %, 随着马氏体含量的增加 , 强度线性增加 , 强度范围为 500～ 1 200 MPa。除了AHSS 钢的共性特点外 , 双相钢还具有低的屈强比、高的加工硬化指数、高的烘烤硬化性能、没有屈服延伸和室温时效等特点。DP 钢一般用于需高强度、高的抗碰撞吸收能且成形要求 也较严格的汽车零件 , 如车轮、保险杠、悬挂系统及其加强件等.热轧 D P 钢的生产是通过控制冷却来得到铁素体和马氏体的组织的 , 冷轧和热镀锌 DP 钢是通过铁素体和奥氏体两相区退火和随后的快速冷却来得到铁素体和马氏体组织的。D P 钢的主要成分是 C和Mn , 根据生产工艺的不同可适当添加Cr、Mo 等元素使C曲线右移 , 避免冷却时析出珠光体和贝氏体等组织。
复相钢
复相（Complex Phase: CP）钢是指两相在数量和尺寸上有相同的数量级，其组织特点是
细小的铁素体和高比例的硬质相如贝氏体、马氏体，含有铌、钛等元素。复相钢基本上是在Mn-Cr-Si合金成分体系的基础上，通过马氏体、贝氏体以及Ti、Nb和V等微合金元素的晶粒细化效应和析出强化的复合作用，结合适当的卷取工艺而生产的，抗拉强度能够达到800~1000MPa。具有很高的能量吸收能力和扩孔性能，广泛应用于汽车车身中车门的防撞杆、保险杠与B立柱等提高汽车安全性能的部件。贝氏体钢
贝氏体（Bainite: B）钢的微观组织为贝氏体，通过控制冷却速度或者空冷可以得到贝氏体组织。贝氏体钢的化学成分主要由碳和微量铬、硼、钼、镍等合金元素组成，含碳量低于 0.05%。贝氏体钢的韧性好、强度高（530~1500MPa），并且随着贝氏体转变温度的降低，贝氏体钢的强度增加，贝氏体钢的成形能力和焊接性均很好，在航空航天、船舶与石油化工。马氏体钢
马氏体钢的微观组织为少量的铁素体和/或贝氏体均匀的分布在板条状的马氏体基体上。通过在连续退火线或者出料辊道上的快速冷却作用，使奥氏体向马氏体完全转变从而得到马氏体钢。向马氏体中加入碳元素能提高马氏体的淬硬性，起到强化的作用；为提高马氏体钢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。马氏体钢是先进高强钢中抗拉强度最高的钢种，最高能达到 1700MPa。
相变诱发塑性钢
相变诱发塑性（TRIP）钢是为了满足汽车工业对高强度、高塑性钢板的要求而开发研制的，微观组织主要为铁素体、贝氏体和残余奥氏体（体积分数一般为 10%~20%）。在冷成形过程中，残余奥氏体向硬的马氏体发生转变（形变诱导相变）的同时发生塑性变形。这种硬化使得组织变形难以在局部集中并使应变分散，导致了整个组织中的塑性变形分布比较均匀，这种现象称为相变诱发塑性。TRIP 钢具有强度高、延展性好、易冲压成形和能量吸收率高等特点，可以大幅度地减轻车身自重，降低油耗，同时能够抵御发生碰撞时的塑性变形，显著提高汽车的安全性能，在汽车制造领域有着巨大的优势。
TRIP 钢分为热轧型 TRIP 钢和热处理型冷轧 TRIP 钢。热轧型 TRIP 钢是通过控轧控冷获得大量的残余奥氏体组织。热处理型冷轧 TRIP 钢是在冷轧后采用临界加热，然后在下贝氏体转变温度范围内等温淬火。快速加热至临界温度，形成铁素体-奥氏体混合组织。与双相钢的热处理工艺最大的区别在于，为了在最终的组织中保留奥氏体，需要引入贝氏体等温淬火保持阶段（或缓冷）。通过碳在未转变的奥氏体中的富集使马氏体转变温度降至低于零度，但仅通过铁素体形成时产生的碳富集是不够的，因此，贝氏体形成时会造成更多的
碳富集。通过添加硅或铝，不仅能起到固溶强化作用，而且还能阻止在贝氏体形成过程中碳化物析出。孪生诱导塑性钢
孪生诱导塑性(TWIP)钢是第二代先进高强钢的典型钢种，又称FeMn钢、高锰钢或现代轻质钢，成分特点是锰和铝含量较高，具有高强度、高加工硬化速率和优异的延展性（总延伸率可高达70%）。主要有Fe-Mn-C钢、Fe-Mn-C-Al钢及Fe-Mn-C-Al-Si钢。研究结果表明FeMn-TWIP钢加工硬化速率n值高且均匀，可承受局部应变峰值并具有良好的应变分布（抗颈缩），同时成形性能好，具有较好的能量吸收性能。由于这类钢的处理工艺复杂、合金元素含量较高，虽然具有高强度和高韧性等良好的综合性能，但目前为止还没有商业化，在汽车工业上的应用还很有限。
相同成分DP钢和TRIP钢部分力学性能的比较
对同一种钢板进行不同热处理分别制成具有相同铁素体含量的双相钢(DP钢)和相变诱发塑性变形钢(TRIP钢)，并对其部分力学性能进行对比。比较发现，铁素体基体上不同的第二相使得材料力学性能产生巨大差异：马氏体使DP钢具有很高的抗拉强度，残余奥氏体则赋予TRIP钢优良的伸长率；DP钢拥有更加优良的加工硬化能力，TRIP钢则具有较为理想的烘烤硬化能力。试验表明，考察DP钢和TRIP钢的烘烤硬化能力时，除柯氏气团外，内应力的消除也应该考虑其中。两种材料的组织有相似之处：F为基体，其上分布着较硬的第二相，不同之处在于第二相的种类和数量。
单轴拉伸试验，得到的负荷-应变曲线如图。TRIP钢具有明显的屈服平台，而DP钢则呈现连续屈服的特点。对两种材料的主要性能参数进行比较，结果见表
DP钢淬火过程中，临界区保温形成的奥氏体转变成比容较大M，使周围的F受到压迫，在其内部生成大量位错，成为低应力下可激活的位错源因此其屈服强度(σ0.2)低于TRIP钢。但是由于组织中存在40%M，其抗拉强度(σb)明显高于以B为主要第二相的TRIP钢。虽然σb 不及DP钢，但TRIP钢的δ是DP钢的2.3倍，达到37%，TRIP钢优良的伸长率与形变过程中Ar转变为M有关，可从以下几点解释(1)拉伸变形时在最大变形部位首先诱发马氏体相变, 使局部强度提高, 难以继续变形, 变形向未发生马氏体相变的其他部位转移, 推迟了颈缩的形成。(2)拉伸变形时局部应力集中因马氏体相变而松驰, 推迟了裂纹的产生。(3)Ar与α呈共格关系, 高能界面不利于裂纹的扩展。
可看出，在相同应变下DP钢的WH值远远高于TRIP钢的，这与两种材料的组织密切相关，可从以下几点解释：
(1)作为基体上的第二相,DP钢中的M和TRIP钢中的B起阻碍位错运动的作用。M硬度远远高于B硬度, 因此其对位错具有更强的阻碍作用, 导致加工硬化很高。由于M和B含量很高, 因此这是导致两种材料加工硬化值性能差异的最主要原因。
(2)变形过程中，TRIP钢中的Ar逐渐转变为M 释放了集中的内应力，降低了对位错阻碍作用，导致WH值下降。
(3)虽然TRIP钢中由A相转变得来的M会在继续变形时对位错起到较为强烈的阻碍作用，但是由于其含量很低 因此对WH的贡献也较低。
在较低应变范围内(0%～2%)，DP钢的加工硬化值很高(410MPa)，而在较高应变范围内(>2%)给予相同应变，WH值增量显著降低。
原因：塑性变形之初，运动位错滑移到晶界处, 受到马氏体的阻碍停止运动, 强烈的阻碍作用使得必须产生新的位错或开动相邻晶粒中的滑移系才能保证塑变继续进行, 因此加工硬化值很高。随着变形的进行, 大量位错在马氏体颗粒前塞积, 塞积的位错会对新产生的位错形成一定阻碍作用,而这一作用显著低于M的阻碍作用, 因此由其导致的WH增量明显降低。
高强钢的烘烤硬化能力
成型后的汽车覆盖件在喷漆以后通常会置于170℃保温一段时间，称为烘漆。烘漆后钢板屈服强度提高的现象称之为烘烤硬化(BakeHardening)。烘烤硬化的机理是在烘烤过程中, 位错应力场中的碳(氮)原子受到热激活向位错偏聚, 形成柯氏气团,从而对位错起到钉扎作
用,使其再次受载时需要更大的力才能摆脱气团或拖曳气团一起运动，宏观上表现为屈服强度的提高。与固溶碳(氮)原子数目和位错密度密切相关。
Trip随着预变形量的增加,BH值先上升后下降。因为塑变初期, 随着变形增加, 材料中位错密度增加，烘烤后被钉扎的位错数目增加, 因此BH值上升；但是由于材料中固溶碳原子有限, 当变形超过一定值后,形成的柯氏气团的饱和度下降，导致BH值降低。对于DP钢的BH随预变形量增加而下降(10%预应变试样的BH值为-380MPa)。DP钢的烘烤硬化能力差与其组织中存在一定含量M有关: 变形过程中,M强烈阻碍位错的同时产生很大的内应力，内应力对阻碍位错运动也起到很大作用, 而烘烤会使内应力部分释放，因此导致流变应力下降。
钢在奥氏体状态下加工变形以后再进行淬火,但为使钢在奥氏体状态 下变形而不发生相变或析出第二相,钢中奥氏体应具有良好的热稳定性及机械稳定性这就需要在钢中加入较多的合金元素如C r、N i 等实际也就提高了钢的价格。较高的锰含量有利于保持奥氏体的稳定性,而奥氏体的稳定性正是保持相变塑性的最重要因素。很高的硅量可有效提高碳在渗碳体中的活度,抑制冷却过程及过时效中贝氏体转变期间渗碳体的析出使得奥氏体中碳含量 的降低和随之而引起的稳定性降低。钢中大量的硅易与退火炉气氛中的氧反应,生成二氧化硅附着于钢板表面而使热镀锌难以进行。固溶的磷本身具有提高奥氏体稳定性的作用磷还可提高碳在渗碳体中的活度系数，抑制渗碳体的析出和奥氏体中碳含量的降低，结构钢中磷的晶界偏聚可引发钢的冷脆倾向。
Trip钢的屈服强度和抗拉强度均随应变率提高而呈指数形式增大。均匀延伸率随应变率的提高总的趋势是逐渐减小。因为残余奥氏体在 拉伸过程中会应变诱发向马氏体转变，一方面有利于材料强度的提 高，另一方面松弛了塑性变形引起的应力集中，延缓了微裂纹的形成，从而提高塑性。高应变率变形的绝热温升提高了残余奥氏体的稳定性。
铁素体基体析出强化型高强热轧双相钢（14年参考文献）
传统双相钢以组织强化为主要强化方式，通过组织强化虽然可提高强度降低屈强比，但由于软相铁素体与硬相马氏体的强度差较大，两相塑性应变不相容性加大，导致均匀变形能力降低不利于汽车零部件的成形，一定程度上限制了双相钢的应用。因此，提高铁素体相的强度，可减小铁素体和马氏体的塑性应变不相容性，抑制在两相界面萌生的微裂纹和空洞聚集，即推迟颈缩发生，提高均匀真应变。
高强钢主要通过添加微合金元素Nb、V、Ti，在铁素体中析出细小的微合金碳氮化物，即析出强化的方式提高强度。相对Nb、V而言，Ti具有资源丰富、成本低廉等优点，是一种极具发展潜力的微合金元素。不少研究者已对Ti的析出强化机理进行了研究，并开发出780 MPa级别的高强钢。
铁素体基体析出强化型热轧双相钢的工艺过程原理：在析出强化型热轧双相钢成分设计时，主要是在传统热轧双相钢的成分基础上添加一定量的Ti，同时还应调整Mn、Si、Cr等元素的含量，使得铁素体相变的鼻尖温度与TiC析出的鼻尖温度相匹配。
由图可知，钢板热轧后快速冷却至铁素体相变鼻尖温度附近，然后在缓冷或保温阶段，奥氏体相变为铁素体，同时TiC在铁素体相变过程中相间析出或过饱和析出，最后再快冷至Ms以下温度，未转变奥氏体转变为马氏体，最终获得存在纳米级TiC析出相的铁索体基体+弥散分布的马氏体的热轧双相钢。
通过向双相钢添加铌元素能起到弥散强化的作用，一方面铌元素能够促进马氏体的均匀分布和铁素体的细化，另一方面利用析出强化使马氏体的体积分数降低，从而使马氏体和铁素体之间由于强度差异而导致的应力集中程度降低，提高了双相钢的综合力学性能。
现代冷轧双相钢的生产采用连续退火工艺。先将冷轧钢板加热到铁素体奥氏体两相区所在的某个温度，在加热过程中发生冷塑性变形的组织会经历回复与再结晶过程。在保温过程中，钢板中的铁素体产生不完全奥氏体化。在初始的缓冷过程中，少量的奥氏体重新转化为铁素体，同时合金元素大量的向残余奥氏体中扩散，提高了奥氏体的稳定性。然后在急冷过程中使残余奥氏体转化为马氏体组织，从而产生铁素体与马氏体的双相组织。
一般来说，急冷后还需进行等温过时效，一是可以对淬硬的马氏体岛进行低温回火以改善其内部畸变，二是可以可以改善铁素体内元素的固溶状态。
第五篇：用铝合金材料实现汽车轻量化
用铝合金材料实现汽车轻量化
2011-7-6 15:55| 发布者: admin| 查看: 90| 评论: 0|原作者: admin|来自: 中国汽车材料网
杜明义（东北轻合金有限责任公司，黑龙江哈尔滨150060）
摘要：介绍了铝合金在汽车上应用的实例，分析了汽车轻量化的发展趋势，揭示了铝合金材料在汽车上良好的应用前景与应用空间。
关键词：汽车；铝合金；轻量化
节能、环保、安全、舒适、智能和网络是汽车技术发展的趋势，尤其是节能和环保更是关系到人类可持续发展的重大问题。因此，降低燃油消耗、减少向大气排出CO2和有害气体及颗粒已成为汽车界主要的研究课题。减少汽车自身质量（汽车轻量化）是汽车降低燃油消耗及减少排放的最有效措施之一。汽车轻量化的途径有两种：一是优化汽车框架结构；另一个是在车身制造上采用轻质材料。而目前常用的轻质材料为铝合金。
目前，世界交通运输业用铝为铝产量的26%，而我国仅为5.7%。随着我国经济的发展和人民生活水平的提高，对交通工具的需求越来越多，因此，铝合金材料在我国交通运输业上的发展空间还很大。
现代轿车发动机活塞几乎都用铸铝合金，这是因为活塞作为主要的往复运动件要靠减重来减小惯性，减轻曲轴配重，提高效率，并需要材料有良好的导热性，较小的热膨胀系数，以及在350℃左右有较好的力学性能，而铸铝合金能符合这些要求。同时由于活塞、连杆采用了铸铝合金件，减轻了质量，从而减少发动机的振动，降低了噪声，使发动机的油耗下降，这也符合汽车的发展趋势。
汽车车身约占汽车总质量的30%，对汽车本身来说，约70%的油耗是用在车身质量上的，所以汽车车身铝化对提高整车燃料经济性至关重要。奥迪汽车公司最早于1980年在Audi80和Audi100上采用了铝合金车门，然后不断扩大应用。1994年奥迪公司斥资800万欧元建立的铝材中心（1994年～2002年），两年前被更名为“奥迪铝材及轻量化设计中心”。1994年开发第一代Audi A8全铝空间框架结构（ASF），ASF车身超过了现代轿车钢板车身的强度和安全水平。但汽车自身质量减轻了大约40%。随后于1999年诞生的Audi A2，成为首批采用该技术的批量生产轿车。2002年，奥迪铝材及轻量化设计中心又实现了第二代Audi A8的诞生。
在此期间，美国铝业公司开发了全新的汽车生产技术。如今，铝制车身制造的自动化操作程度已达80%，赶上了传统钢制车身生产的自动化水平。奥迪公司与美国铝业公司一直保持着良好的合作关系，双方合作的目标是共同开发一款全新的可以批量生产的全铝车身汽车。
美国铝业公司为全球汽车制造商提供品种繁多、性能优异的汽车部件和总成，包括车身覆盖件的铝板、压铸轮毂、配电系统、底盘和悬架部件，以及保险杆、发动机支架、传动轴、车顶系统等总成；包括Audi A8的第二代ASF框架结构、宝马5和7系列的铝制悬架、日产Altima的发动机罩和轮毂、法拉利612 － Scaglietti的全铝车体结构，以及捷豹XJ采用的真空压铸技术。美铝公司的产品和解决方案使这些车型向着更轻量化、更技术化的方向发展。
目前，制约铝合金在汽车上大量应用的主要原因之一是其价格比钢材的高，为了促进铝合金在汽车上的大量应用，必须降低材料成本。除开发低成本的铝合金和先进的铝合金成形工艺外，回收再生技术可进一步降低铝合金的生产成本。扩大铝合金应用的另一个研究方向是开发新的各种连接技术，今后发展的多材料结构轿车要求连接两种不同类型的材料（如铸铁一铝、钢一铝、铝一镁等），对这些连接技术以及对材料和零件防腐蚀的表面处理技术，是今后扩大铝合金在汽车上应用的重要课题。
汽车广泛应用的铝制轮毂是铝合金在汽车上应用的一个例子，铝合金轮毂的优点是：
（l）省油。平均每个铝合金轮毂比相同尺寸钢轮毂轻2 kg，一台轿车用5个便节省l0kg质量。根据日本试验，5座位轿车质量每减轻l kg，－年约节省20L汽油，而美国汽车工程师学会发表的研究报告指出，铝合金轮毂价格虽然比一般钢轮毂的高，但每辆汽车行走2万km，所节省的燃料费便足够抵回其增加的成本。
（2）增加发动机寿命。根据发动机负荷与功率曲线图，当负荷增大至某一程度后，其功率反呈降低趋势，此边际表示此时每一单位负荷发动机将特别耗油。发动机负荷减轻．自然减少故障，延长寿命。
（3）散热好。铝合金的传导系数为钢的3倍，散热效果好，长途高速行驶时也能使轮胎保持在适当的温度，使刹车鼓及轮胎不易老化，增加寿命，降低爆胎的机会。
（4）真圆度好。真圆度精度高达0.05mm，运转平衡性能好，有利于消除一般车身超长时方向盘抖动现象。
（5）坚固耐用。铝合金轮毂之耐冲击力、抗张力及耐热能力较钢轮的好。
（6）美观。一般钢轮毂因生产工艺所限，形式单调呆板。铝合金轮毂则有各式各样的设计，加上光泽、颜色效果好，从而提高了汽车的价值与美观。
综上所述，铝合金在汽车行业上的应用前景是很好的，但是碳纤维增强复合材料以其优异的性能逐渐在航空工业上得到应用，因此铝合金材料在很多工业部门的应用也将受到其他新型材料严峻的挑战，必须不断开发新的铝合金品种，新的加工工艺，更加提高材料的性能，迎接新的挑战。
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