用铝合金材料实现汽车轻量化

第一篇：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。

第二篇：铝合金材料的应用与交通工具的轻量化

铝合金材料的应用与交通工具的轻量化

杜明义

（东北轻合金有限责任公司,黑龙江,哈尔滨）

摘要：本文通过铝合金在汽车行业上的应用，深入分析了交通工具的轻量化发展趋势，揭示了铝合金材料在交通运输领域良好的应用前景与应用空间。关键词：铝合金、轻量化

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

轻量化的研究是现代车身设计的一大主流。当前，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。减少汽车自身质量既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。目前，汽车轻量化的途径有两种，一是优化汽车框架结构；一个是在车身制造上采用轻质材料。而目前车身制造上常采用的轻质材料为铝合金材料。

目前，世界交通运输业用铝为产量的26%，而我国仅为5.7%。随着我国国民经济的发展和人民生活水平的提高，人们越来越追求生活质量的提高，对交通工具的需求越来越大。因此，铝合金材料在交通运输业上的发展空间还很大。而且，铝合金是最常见的汽车用轻金属，在汽车上使用较早，相对比较成熟。现代轿车发动机活塞几乎都用铸铝，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，而铸铝能符合这些要求。同时由于活塞、连杆采用了铸铝件，减轻了重量，从而减少发动机的振动，降低了噪声，使发动机的油耗下降，这也符合了汽车的发展趋势。

汽车车身约占汽车总重量的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减轻汽车重量，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Audi 100上采用了铝车门，然后不断扩大应用。1994年奥迪斥资800万欧元建立的铝材中心（1994-2002），两年前被更名为“奥迪铝材及轻量设计中心”。1994年开发了第一代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，但汽车自身重量减轻了大约40%。随后于1999年在这里诞生的奥迪A2,成为首批采用该技术的量产车。2002年，奥迪铝材及轻量设计中心又见证了第二代奥迪A8 的诞生。

在此期间，美铝还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。

业内人士认为，这些令人振奋的全新发展动向表明了奥迪打算将铝材料更广泛地运用于量产车的决心。此外，奥迪与美铝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量产的全铝制车身汽车。

美铝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。包括奥迪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的全铝车体结构和捷豹XJ采用的真空压铸技术，美铝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，铝合金材料在现代汽车轻量已经显示出非常重要的重用。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刚材高，为了促进铝在汽车上的应用，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型工艺外，回收再生技术可进一步降低铝的成本。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-铝、钢-铝、铝-镁等），对这些联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在汽车上应用的重要课题

汽车广泛应用的铝制轮毂就是铝合金在汽车上应用中的一个例子，铝合金轮毂的优点是：

1、省油

平均每个铝合金轮毂比相同尺寸的钢轮毂轻2kg，一台轿车用5个便省了10kg重量。根据日本实验，5座的轿车重量每减轻1kg，一年约节省20L汽油。而美国汽车工程师学会发表的研究报告指出，铝合金轮毂虽然比一般钢轮毂贵，但每辆汽车跑到2万km是，其所节省的燃料费便足够抵回成本。

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，此边际将就表示此时每1单位负荷，发动机将更吃力（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 铝合金的热传导系数为钢的3倍。散热效果好，长途高速行驶之时，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

精度高达0.05mm，运转平衡性能好，有利于消除一般车身超长及方向盘抖动现象。

5、坚固耐用

铝合金轮毂之耐冲击力、抗张力及热力等各项强度较钢轮毂要高。这也是铝合金在国防工业、航空工业扮演重要角色的原因之一。

6、美观

一般钢轮毂因生产所限，形式单调呆板，缺乏变化；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德。

综上所述，铝合金在汽车行业上的应用前景是很好的，但是值得我们注意的是，据波音公司称在梦幻飞机的用材中铝材仅占飞机自身质量的20%，碳纤维增强的复合材料却占到50%强。这是迄今为止铝材用量最少而复合材料却占到50%多的客机。碳纤维增强的航空复合材料的强度比钢的还高，而其密度又比铝的低，是制造航空航天器的良好材料，不过其价格目前比航空航天铝材贵得多，就性价比来说不是在今后一段时间内在全部的航空器制造中都具有替代铝材的明显优势，大多数客机铝材用量仍占其自身质量的70%左右，但铝材受到的严峻挑战却是显然的，不可掉以轻心，必须开发新的合金，新的加工工艺，大幅度提高材料的性能，迎接挑战。

总之，虽然在铝材料短缺的背景下，目前一些公司开始用其它材料代替铝材料，但新型替代材料不会完全代替铝材料。在未来二三十年内，铝材料在同类材料中仍占第一位，铝合金材料在交通运输行业上更是大有作为的。

参考文献：

1、王金涛.张桂林 中国对铝材需求将不断增长,经济参考报，2005年10月15日

2、王祝堂.航空铝材受到严峻挑战,中国有色网，2006年4月27日

3、连惠红.身轻如燕—轻量化和铝合金材料的应用,车主之友，2005年10月21日

第三篇：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。

第四篇：关于《汽车轻量化》有关文献的阅读报告

有关《汽车轻量化技术》文献阅读报告

引言：

汽车轻量化技术的内涵是指：采用现代设计方法和有效手段对汽车产品进行多种优化设计, 或采用新材料在满足汽车正常工作的各项要求前提下, 尽可能降低汽车产品的自身重量, 以达到降重减轻、节能减排、操控便捷、安全舒适等综合指标。汽车轻量化技术的发展状况

早在二十世纪初期，参与赛车运动的赛车就由赛车运动协会提出了重量上的限制，这也成为世界上最早的汽车轻量化事件。这项规定也为汽车轻量化以后的快速发展提供了一个良好的开端。自此，汽车零部件开始出现钢板冲压件，来替代以前经常使用的圆管材料，底盘及车架、车身等零件的制造往往采用这些钢板冲压件。到了上世纪中叶第二次世界大战后，德国大众公司开始将轻量化措施大量应用在汽车设计和制造上，特别是将镁合金材料第一次使用在“甲壳虫”车的发动机和变速箱壳体上，这一创举为今后轻量化技术的发展开启了历史新纪元。

然而，当时汽车轻量化技术还没有得到人们足够的重视。直到二十世纪70年代之后，随着全世界范围石油危机的爆发，也随着汽车设计、制造工艺技术及汽车材料技术的发展，人们才开始逐渐重视汽车轻量化技术的研究，并开始逐步应用在汽车产品上，汽车轻量化技术才得以长足发展。

时至今日，安全、节能、环保已成为提高汽车竞争力的一个永恒话题。轻量化是汽车技术发展的一个重要趋势，受到越来越多的关注和重视。一方面，轻量化是节能减排的需要。轿车的自身质量每减轻10％，燃油消耗可降低6％—8％。燃油消耗的减少，既能降低能耗，又能减少污染物的排放。另一方面，轻量化也是汽车技术发展的要求。日益苛刻的整车安全法规和消费者对汽车越来越多的功能需求，要求汽车设计者不断地增加各类附件，以满足安全、排放、舒适性、可靠性、智能化等要求，并在零件数量不断增加的同时减轻其质量。总之，汽车轻量化技术已在汽车领域得到了广泛应用，已成为行业的共识，并且，汽车轻量化成果也日趋显著。实现汽车轻量化的措施

汽车轻量化要求在保证汽车整体质量和性能不受影响的前提下,应最大限度地减轻各零部件的质量,努力谋求高输出功率、低噪声、低振动和良好的操纵性、高可靠性等，并尽量降低燃油消耗,减少排放污染。通过轻量化技术的内涵可知,汽车的轻量化主要通过结构优化设计和使用新轻质材料两大措施来实现，此外还有先进的制造工艺等。2.1 结构优化设计

目前国内外汽车轻量化技术发展迅速,主要的轻量化措施之一是结构优化设计。所谓结构优化设计，是指设计者在全部可能的结构设计方案中，利用数学手段，选取其中最优方案的一种设计方法。它包括拓扑优化、尺寸优化、形状优化以及多学科优化等。

结构优化设计已经融合到了汽车设计的各个阶段。特别是在现代汽车工业中,人们将CAD /CAE /CAM 一体化技术运用到汽车设计和制造的各个环节，大大改善了汽车的轻量化设计、制造。运用这一技术不仅可以对汽车总体结构进行分析和优化,来实现对汽车零部件的精简、整体化和轻质化，还可以准确实现车身实体结构设计和布局设计,以便对各构件的开头配置、板材厚度的变化进行分析,并可从数据库中提取由系统直接生成的有关该车的相关数据进行工程分析和刚度、强度计算等。目前，具体合理结构设计措施有以下3个方面:（1）通过结构优化设计,减小车身骨架及车身钢板的质量,对车身强度和刚度进行校核,确保汽车在满足性能的前提下减轻自重。

（2）通过结构的小型化,促进汽车轻量化,主要通过其主要功能部件在同等使用性能不变的情况下,缩小尺寸。

（3）采取运动结构方式的变化来达到目的。比如采用轿车发动机前置、前轮驱动和超轻悬架结构等,使结构更紧凑,或采取发动机后置、后轮驱动的方式,来达到使整车局部变小,实现汽车轻量化的目标。

2.2 使用新型轻质材料

现在汽车轻量化设计中使用轻质材料的方法主要包括采用轻量化材料和轻量化材料成形技术两方面。轻量化材料是指用来减轻汽车零部件质量的材料，当前已应用于汽车工业的轻质材料可分为两大类：一类是低密度轻质材料，如铝合金、镁合金、钛合金、塑料和复合材料等；另一类是高强度材料，如高强度钢和高强度不锈钢等。而轻量化材料成形技术是指为了满足高强度材料的应用，以及实现零件集成化设计需要所采用的技术。目前，应用较为广泛的有激光拼焊板技术（TWB）、热压成形技术（HPF）和液压成形技术（HF）等。

每种轻质材料各具特色，各有优缺。如铝合金材料机械性能强，耐腐蚀性、导热性好，但它价格比较高，难于焊接加工；而镁合金材料密度很低、强度与质量比很高，但其铸造性差，后处理工艺复杂,且镁产量较低、成本高等。因此，为了更好的满足现代汽车轻量化的要求，人们也在不断地研究各种轻质材料的性能，力求找到性能更优异的轻质材料来满足当今社会的需求。

2.3 先进制造工艺

在大量采用高强度钢、铝镁合金、塑料和复合材料等轻量化材料来实现汽车轻量化的同时，与之相匹配各种先进制造工艺也得到了广泛应用。所谓先进制造工艺是指：采用新材料生产汽车零部件所需的特殊加工技术，主要有先进的材料连接技术、零部件表面处理技术等。

如激光拼焊板技术实现同一板材不同处的结构强度要求不同，板材厚度也不同。既保证强度要求，又能节约板材，减少车身重量；用于高强度钢板冲压件的热冲压成形工艺；用于车身结构连接的胶接和胶焊工艺等，另外，液压成型技术（HPF）等也是车身轻量化先进制造技术发展的新方向。汽车轻量化的评价指标

就目前而言，对于汽车轻量化技术水平的评价尚没有统一的评价指标。各汽车厂家为了提高自身产品的市场竞争力，在满足相关法规要求的前提下，不断地减轻整车质量、降低油耗、改善操纵性能，在车身设计方面，设计师们已经开始对轻量化指标进行探索了。车身轻量化技术指标能给车身开发提供一个方向性的指导，但在行业内尚未形成一个高度认同的指标。目前应用较为普遍的几种车身轻量化指标如下：

（1）车身轻量化系数（Light Weight Index）；

（2）车身最低屈服强度 ；

（3）制造车间关键指数（Key Bodyshop Figure）；（4）车身单位体积质量。汽车轻量化技术的未来研究方向

4.1 在结构优化设计方面 汽车结构的尺寸优化、形状优化和连续体拓扑优化等技术已逐步发展成熟并得到广泛应用，但汽车结构的多学科、多目标优化设计方法、离散杆系结构的拓扑优化等方法，还有待进一步研究和完善。

4.2 在轻量化材料的应用方面

变形镁合金、新型塑料和纤维增强复合材料具有较大的应用潜力；另外，由于单一材料难以最大程度地满足汽车结构的轻量化要求，研究多种材料混合结构的设计理论、方法和相应工艺，在汽车不同部位采用不同的材料，充分发挥各种材料的优势，可以实现选材与零部件功能的最优组合，这种多材料一体化设计理论和方法将成为汽车轻量化技术的研究热点。

4.3 在工艺研究方面

液压成型、激光焊接等技术将得到更为广泛的应用，热成形工艺的应用将得到进一步发展。此外，零部件的轻量化将得到重视。而且，各种轻量化技术是相辅相成的，充分发挥不同轻量化手段的优势，研究汽车材料选择、结构设计和工艺设计的系统化和集成化方法，即轻量化技术的系统化和集成化，也是未来汽车结构轻量化技术的研究方向。总结

随着人们对汽车安全性、舒适性、环保性以及经济性等要求的提高，汽车安装空调、安全气囊、隔热隔音装置、废气净化装置、卫星导航系统等越来越普及，这无形中增加了汽车的质量、耗油量和耗材量，也导致了大量能源的消耗、汽车尾气排放的增加等。而汽车轻量化技术对汽车工业的可持续发展具有重要意义，不仅关系到车辆的节能减排、安全、成本等诸多方面，同时也对世界能源、自然资源和环境具有深刻的影响，它已成为汽车设计和汽车材料应用技术发展的主导方向。但目前汽车轻量化技术还处于不完全成熟的阶段，很多难关有待我们去攻克，很多方面值得我们去不断探索研究。

主要参考文献

【1】李朝晖，杨新桦． 汽车新技术［M].重庆: 重庆大学出版社，2012.【2】冯国胜，杨绍普.车辆现代设计方法.北京：科学出版社，2011.【3】刘伟燕，王书伟.轻量化技术在汽车车身上的应用 [J].汽车工程师，2011.【4】张式程.汽车轻量化技术及其发展趋势 [R].长沙：湖南大学，2011.【5】陈力禾.汽车轻量化之镁 [R].第7 届CAE 年会汽车论坛（昆明），2011-07.【6】沈建东，王镝.车身轻量化技术策略的研究和应用 [J].上海汽车，2012.【7】陈军． 镁合金在汽车工业中的应用分析 [J].材料研究与应用，2010.【8】王利, 陆匠心.汽车轻量化及其材料的经济选用 [J].汽车工艺与材料, 2013.【9】王广勇, 王刚.高强度钢在汽车轻量化中的应用 [J].汽车工艺与材料, 2011.【10】詹志强.铝合金汽车车身板应用现状及需求前景 [J].有 色金属加工, 2012.【11】王丹.铝合金汽车板应用及生产现状 [J].上海有色金属,2013.【12】朱久发.激光拼焊汽车板的应用现状与发展前景 [J].武 钢技术, 2011.【13】马鸣图, 游江海, 路洪洲.汽车轻量化以及铝合金汽车板的应用 [J].新材料产业, 2009.【14】闫辉． 汽车车身轻量化材料的应用研究 [J].机械研究 与应用,2013.【15】吴亚良.现代轿车车身设计 [M].上海：科学技术出版社，2010.

第五篇：汽车车身轻量化技术(精)（写写帮推荐）

汽车车身轻量化技术

[摘要]介绍了车身轻量化的重要意义和相关车身性能。从轻质材料、结构设计和制造工艺3个方面阐述轻量化技术的主要途径，并通过实例重点分析采用热成型工艺的轻量化效果，最后对比3种轻量化技术的特点和应用范围。

[主题词]轻量化，车身，汽车

0 引言

安全、节能和环保已成为消费者最关心的汽车性能指标。如何开发出更安全、节能、环保的汽车也是当今汽车厂商的重点技术发展方向。汽车安全的重要性不言而喻，涉及到人身安全；节能和环保，不仅影响到用户的用车成本，也关系到可持续发展。目前，各国已有诸多安全和排放法规来强制规范汽车产品的安全和环保性能。

研究资料表明，汽车的燃油消耗与汽车的自身质量成正比，汽车质量每减轻1%，燃油消耗降低0.6%-1.0%，燃油消耗下降，排放也随之减少。因此减少汽车自身质量成为提高节能环保性能的有效途径。而白车身作为车身骨架一般占整车质量的22%—25%，其轻量化对降低整车质量意义重大。因此，汽车车身轻量化技术成为现代汽车开发技术一个重点课题。车身轻量化的基础

车身轻量化必须在保证汽车安全性的前提下，同时达到车身刚度、疲劳耐久性、操控稳定性和振动舒适性等要求。

1.1 车身结构安全

车身结构安全属于汽车的被动安全范畴，目的在于保护车内乘员的安全。

自20世纪50年代起，许多国家陆续开始制定汽车被动安全法规。目前各国汽车被动安全法规有：美国联邦机动车法规体系(FMVSS)和欧洲法规体系(ECE／EEC)。而我国强制性汽车被动安全标准(GB)主要是参考欧洲法规体系。另外还有各国的新车评价体系(NCAP)全面地为消费者提供汽车安全性能方面的信息。

车身结构安全直接影响到汽车是否满足这些被动安全法规。其包括正面碰撞、侧面碰撞、后面碰撞、翻滚和低速碰撞等。车身结构在设计上一般分为低速行人保护区，相容吸能区和乘员保护区。

1.2 车身刚度

评价车身结构力学性能的主要指标是车身刚度，包括动态刚度和静态刚度，静态刚度又包含扭转刚度和弯曲刚度两个方面。在车身轻量化中，必须保证达到车身刚度的要求，这样才能使汽车的疲劳耐久性和振动舒适性等不受影响。

1.3 车身轻量化系数

为了评价轻量化的效率，引申出了车身轻量化系数的概念，其可通过如下公式计算：

式中，Lq为轻量化系数；MBIW为白车身质量；CT为白车身静态扭转刚度；A为白车身投影面积，由整车轴距与轮距相乘获得。轻量化系数Lq值越小，表示车身轻量化做得越好。车身轻量化的途径

2.1 采用轻质材料

2.1.1 超高强度钢板

按照抗拉强度的不同，钢材一般分为普通钢、高强度钢和超高强度钢。抗拉强度小于210MPa的称为普通钢；抗拉强度在210—550MPa之间的成为高强度钢；抗拉强度超过550MPa的称为超高强度钢。

超高强度钢主要有：相变诱导塑性钢TRIP，双相钢DP，复相钢CP，以及马氏体钢Mart等。由于马氏体钢抗拉强度约为1200MPa，其一般采用滚压成型工艺制造，用于车门防撞杆和门槛加强板等零件。目前车身上使用的超高强度钢，主要是称为先进高强度钢(AHSS)的，其是利用金相组织强化得到的钢种，具有强度、延伸和塑性的各方面优良的综合性，其抗拉强度范围为500—1500MPa。另外还比较多地采用热成型钢，成型后零件的材料抗拉强度达到1800MPa。

图1为目前某一较新车型的不同强度钢材分布，可以看出，目前该车型的超高强度钢比例已经达到11%，高强度钢比例为11%，普通钢只占27%。而从保证车身碰撞安全性的角度来看，高强度钢的用量将直接决定车身轻量化的水平。

2.1.2 铝合金

铝合金是在汽车轻量化中应用相对成熟的轻质材料。奥迪汽车公司最先在Audi80和Audi100两款车型上采用了铝车门。1994年开发了第一代全铝空间框架结构(ASF)。ASF车身超过了现代同类钢板车身的车身刚度和被动安全性，但汽车自身质量却减轻了大约40%。

但是铝材价格相对较高，是钢材价格的3倍左右，且铝制产品成型工艺相对复杂，这是制约铝合金轻量化应用的因素。除开发低成本的铝合金和先进的铝合金成型工艺，发展回收再生技术以进一步降低铝的成本之外，扩大铝合金应用的另一个研究方向是开发新的各种联接技术，如铸铁—铝连接、铝—钢连接、铝—镁连接等。

2.1.3 镁合金

镁合金是比铝合金密度更小的轻质材料。其耐热耐压耐腐蚀且易于回收利用。欧洲正在使用和研制的镁合金汽车零部件有60多种。驶多飞集团与德国大众合作，准备将其专利产品镁合金MnE21替代某车型白车身上的多个钢板零件，如前后保险杠、车顶横梁和车门防撞杆等。如果替代成功，将大大减轻该车的车身质量。

2.1.4 工程塑料

目前已有采用工程塑料的车身翼子板，其相比金属可以实现40%的减重，且其能耐侵蚀和轻微碰撞，在低速碰撞的情况下无需维修，从制造角度相比金属有更大的造型自由度提升，也便于零件集成，从满足行人保护方面考虑，也是理想的选择。

2.2 结构优化设计

利用有限元法和优化设计方法可对结构力学性能进行分析和优化设计。在车身结构优化设计中，通常采用的优化方法有：拓扑优化、形貌优化、形状和尺寸优化。其中拓扑优化在结构的概念设计阶段应用较多。形貌优化可以对加强筋的形式、走向和位置深度等参数进行优化，形状和尺寸优化可以对饭金件的型面和板厚进行优化。

一般优化问题可以通过下列关系表述：

式中

在设定优化变量时，可以通过车身钣金零件的灵敏度分析，选择对目标函数贡献较大零件尺寸参与优化设计计算，作为优化设计变量。变量的变化范围则结合实际经验中的零件尺寸限制而定。

在发动机舱盖内板和车门防撞杆的设计中，可以应用拓扑优化、形貌优化和形状优化的组合，选择更合理的内板上开孔位置、筋的走向和深度，优化车门防撞杆的型面。

为一个n维向量，XL和XU分别是设计变量的上限和下限。

2.3 制造工艺

2.3.1 热成型

热成型工艺中，是将材料加热到再结晶温度以上，使板料在奥氏体状态时进行成形，降低板料成形时的流动应力，由此来提高成形性。把材料放在加热炉加热5+10min使其温度达到900—950℃，之后进行冲压加工及冷却。

通过热成型工艺加工出的零件优势明显，其具有很高的强度和延伸性，可以大幅的减轻零件重量，能保持高的形状精度，冲压时无回弹，可加工成复杂形状。在车身中采用一定数量的热成型零件后，可以大幅提高车身防撞安全性能。

图2为某车型热成型零件分布，该车型采用热成型的零件有：前保险杠横梁、前围下框前地板横梁、中央通道左右B柱加强板、左右A柱加强板。8个零件所在区域正是从充分满足碰撞安全性要求而设计布置的，保险杠可增强正面碰撞和低速碰撞安全性，而其它7个零件其构成乘员保护区，在侧面碰撞和正面碰撞中都可以很好地保护车内乘员。

如图3和图4所示，原方案采用B柱加强板和B柱加强内板两个零件组合，板厚均为2.5mm；而热成型方案采用B柱加强板一个热成型零件，板厚为1.85mm。左右两侧B柱都采用热成型方案之后，可减重接近10kg。从设计选择的过程可知，其轻量化效果十分显著，采用更多的热成型零件，尤其在乘员保护区采用热成型零件，是车身轻量化设计的方向。

2.3.2 液压成型

液压成型，是指利用液体作为传力介质或模具使工件成型的一种塑性加工技术，也称为液力成型。其按介质可分为水压成型和油压成型两种；按加工坯料分为管材液压成型、板料液压成型和壳体液压成型。液压成型与冲压焊接工艺比较，其仅需要凸模或凹模，液体介质作为凸模或凹模，当液体作为凸模可以制造很多刚性模无法成型的复杂零件。且液体作为传力介质具有可控性，具有很高的工艺柔性。

车身结构中应用较多的是板料液压成型。采用液压成型除了能实现轻量化，同时增强车身刚强度和结构安全性之外，还能减少零件数量，从而也减少了模具数量和费用，减少了后续机加工和焊接等加工工序，降低了总制造费用。因此，液压成型工艺近年来得到快速发展。

目前车身中已有仪表板横梁、散热器支架、座椅骨架、保险杠横梁、顶侧框等零件采用了液压成型工艺制造。

2.3.3 变截面板技术

在车身上应用的变截面板有激光拼焊板(TWB)，连续变截面板(TRB)和搭接板(PB)。

TWB技术是指在零件冲压成形前将两块或多块具有相同厚度或不同厚度的相同钢种材料或不同钢种材料的板件通过激光焊接连接起来的一项新技术。

采用激光焊接板不仅是一种轻量化途径，还可以减少汽车零部件的数量。车身结构的精度可以得到很大提高，许多冲压设备和加工工序可以得到缩减。另外，采用激光焊接板可以提高原材料利用率，通过在落料工序中采用排料技术，将型号和板厚不同的钢板合理组合从而降低材料废料率。

目前，国内合资厂已有很多车型采用激光拼焊板，主要集中在上纵梁、前纵梁、前围板、中央通道、后纵梁、前地板、前门内板、B柱加强板、侧围内板等零件。

如图5为前纵梁，前面部分板厚为1.75mm，属于车身结构的相容吸能区，中间部分板厚为2.6mm，属于车身结构的乘员保护区，后面部分板厚为1.35mm，这样的板厚分布既保证了碰撞安全性，又达到了轻量化的效果。同样地，中央通道前部板厚为1.5mm，后部板厚为1.2mm，前部属于乘员保护区。

TRB是通过计算机实时控制和调整轧辊的间距，以获取沿轧制方向上按预先定制的厚度连续变化的板材。

与TWB相比，TRB成型性能更佳，有连续、光滑的表面，可作车身外覆盖件。但受设备的限制，连续变截面板厚度变化有局限，而且不能把不同材料轧在一起。因此目前激光焊接板应用更广，将来连续变截面板的应用也会越来越多。

PB是指将两块钢板先搭接在一起然后一起放入模型进行冲压成型的工艺。目前在某车型的门槛加强板上也得到应用，如图6所示。这样使车身具有更好的碰撞安全性，同时还节省了使两个零件连接的焊接工序。结语

车身轻量化技术是轻质材料、结构优化设计和先进制造工艺的集成应用。得益于近年来新材料研究的迅速发展，轻质材料可选范围不断扩大，但是目前高强度钢仍是最主要的应用最多的轻质材料。而结构优化设计则要依托CAE的辅助，不断采用更高效的仿真计算和优化方法，创新设计出更轻量化的结构是发展方向。而通过先进制造工艺实现轻量化，对厂家的制造工艺水平要求较高，因此国外欧美汽车制造商和国内合资厂运用较多。如何实现汽车的轻量化，达到最好的节能环保效果，应该根据产品定位，优化设计能力和制造工艺水平进行整体考虑，同时考虑成本因素，在满足车身刚度、结构安全性、疲劳耐久性、操控稳定性等前提下，选择最合适的轻量化途径，最终增强产品的竞争力。