第一篇：關于《汽車輕量化》有關文獻的閱讀報告

有關《汽車輕量化技術》文獻閱讀報告

引言：

汽車輕量化技術的內涵是指：采用現代設計方法和有效手段對汽車產品進行多種優化設計, 或采用新材料在滿足汽車正常工作的各項要求前提下, 盡可能降低汽車產品的自身重量, 以達到降重減輕、節能減排、操控便捷、安全舒適等綜合指標。汽車輕量化技術的發展狀況

早在二十世紀初期，參與賽車運動的賽車就由賽車運動協會提出了重量上的限制，這也成為世界上最早的汽車輕量化事件。這項規定也為汽車輕量化以后的快速發展提供了一個良好的開端。自此，汽車零部件開始出現鋼板沖壓件，來替代以前經常使用的圓管材料，底盤及車架、車身等零件的制造往往采用這些鋼板沖壓件。到了上世紀中葉第二次世界大戰后，德國大眾公司開始將輕量化措施大量應用在汽車設計和制造上，特別是將鎂合金材料第一次使用在“甲殼蟲”車的發動機和變速箱殼體上，這一創舉為今后輕量化技術的發展開啟了歷史新紀元。

然而，當時汽車輕量化技術還沒有得到人們足夠的重視。直到二十世紀70年代之后，隨著全世界范圍石油危機的爆發，也隨著汽車設計、制造工藝技術及汽車材料技術的發展，人們才開始逐漸重視汽車輕量化技術的研究，并開始逐步應用在汽車產品上，汽車輕量化技術才得以長足發展。

時至今日，安全、節能、環保已成為提高汽車競爭力的一個永恒話題。輕量化是汽車技術發展的一個重要趨勢，受到越來越多的關注和重視。一方面，輕量化是節能減排的需要。轎車的自身質量每減輕10％，燃油消耗可降低6％—8％。燃油消耗的減少，既能降低能耗，又能減少污染物的排放。另一方面，輕量化也是汽車技術發展的要求。日益苛刻的整車安全法規和消費者對汽車越來越多的功能需求，要求汽車設計者不斷地增加各類附件，以滿足安全、排放、舒適性、可靠性、智能化等要求，并在零件數量不斷增加的同時減輕其質量?？傊囕p量化技術已在汽車領域得到了廣泛應用，已成為行業的共識，并且，汽車輕量化成果也日趨顯著。實現汽車輕量化的措施

汽車輕量化要求在保證汽車整體質量和性能不受影響的前提下,應最大限度地減輕各零部件的質量,努力謀求高輸出功率、低噪聲、低振動和良好的操縱性、高可靠性等，并盡量降低燃油消耗,減少排放污染。通過輕量化技術的內涵可知,汽車的輕量化主要通過結構優化設計和使用新輕質材料兩大措施來實現，此外還有先進的制造工藝等。2.1 結構優化設計

目前國內外汽車輕量化技術發展迅速,主要的輕量化措施之一是結構優化設計。所謂結構優化設計，是指設計者在全部可能的結構設計方案中，利用數學手段，選取其中最優方案的一種設計方法。它包括拓撲優化、尺寸優化、形狀優化以及多學科優化等。

結構優化設計已經融合到了汽車設計的各個階段。特別是在現代汽車工業中,人們將CAD /CAE /CAM 一體化技術運用到汽車設計和制造的各個環節，大大改善了汽車的輕量化設計、制造。運用這一技術不僅可以對汽車總體結構進行分析和優化,來實現對汽車零部件的精簡、整體化和輕質化，還可以準確實現車身實體結構設計和布局設計,以便對各構件的開頭配置、板材厚度的變化進行分析,并可從數據庫中提取由系統直接生成的有關該車的相關數據進行工程分析和剛度、強度計算等。目前，具體合理結構設計措施有以下3個方面:（1）通過結構優化設計,減小車身骨架及車身鋼板的質量,對車身強度和剛度進行校核,確保汽車在滿足性能的前提下減輕自重。

（2）通過結構的小型化,促進汽車輕量化,主要通過其主要功能部件在同等使用性能不變的情況下,縮小尺寸。

（3）采取運動結構方式的變化來達到目的。比如采用轎車發動機前置、前輪驅動和超輕懸架結構等,使結構更緊湊,或采取發動機后置、后輪驅動的方式,來達到使整車局部變小,實現汽車輕量化的目標。

2.2 使用新型輕質材料

現在汽車輕量化設計中使用輕質材料的方法主要包括采用輕量化材料和輕量化材料成形技術兩方面。輕量化材料是指用來減輕汽車零部件質量的材料，當前已應用于汽車工業的輕質材料可分為兩大類：一類是低密度輕質材料，如鋁合金、鎂合金、鈦合金、塑料和復合材料等；另一類是高強度材料，如高強度鋼和高強度不銹鋼等。而輕量化材料成形技術是指為了滿足高強度材料的應用，以及實現零件集成化設計需要所采用的技術。目前，應用較為廣泛的有激光拼焊板技術（TWB）、熱壓成形技術（HPF）和液壓成形技術（HF）等。

每種輕質材料各具特色，各有優缺。如鋁合金材料機械性能強，耐腐蝕性、導熱性好，但它價格比較高，難于焊接加工；而鎂合金材料密度很低、強度與質量比很高，但其鑄造性差，后處理工藝復雜,且鎂產量較低、成本高等。因此，為了更好的滿足現代汽車輕量化的要求，人們也在不斷地研究各種輕質材料的性能，力求找到性能更優異的輕質材料來滿足當今社會的需求。

2.3 先進制造工藝

在大量采用高強度鋼、鋁鎂合金、塑料和復合材料等輕量化材料來實現汽車輕量化的同時，與之相匹配各種先進制造工藝也得到了廣泛應用。所謂先進制造工藝是指：采用新材料生產汽車零部件所需的特殊加工技術，主要有先進的材料連接技術、零部件表面處理技術等。

如激光拼焊板技術實現同一板材不同處的結構強度要求不同，板材厚度也不同。既保證強度要求，又能節約板材，減少車身重量；用于高強度鋼板沖壓件的熱沖壓成形工藝；用于車身結構連接的膠接和膠焊工藝等，另外，液壓成型技術（HPF）等也是車身輕量化先進制造技術發展的新方向。汽車輕量化的評價指標

就目前而言，對于汽車輕量化技術水平的評價尚沒有統一的評價指標。各汽車廠家為了提高自身產品的市場競爭力，在滿足相關法規要求的前提下，不斷地減輕整車質量、降低油耗、改善操縱性能，在車身設計方面，設計師們已經開始對輕量化指標進行探索了。車身輕量化技術指標能給車身開發提供一個方向性的指導，但在行業內尚未形成一個高度認同的指標。目前應用較為普遍的幾種車身輕量化指標如下：

（1）車身輕量化系數（Light Weight Index）；

（2）車身最低屈服強度 ；

（3）制造車間關鍵指數（Key Bodyshop Figure）；（4）車身單位體積質量。汽車輕量化技術的未來研究方向

4.1 在結構優化設計方面 汽車結構的尺寸優化、形狀優化和連續體拓撲優化等技術已逐步發展成熟并得到廣泛應用，但汽車結構的多學科、多目標優化設計方法、離散桿系結構的拓撲優化等方法，還有待進一步研究和完善。

4.2 在輕量化材料的應用方面

變形鎂合金、新型塑料和纖維增強復合材料具有較大的應用潛力；另外，由于單一材料難以最大程度地滿足汽車結構的輕量化要求，研究多種材料混合結構的設計理論、方法和相應工藝，在汽車不同部位采用不同的材料，充分發揮各種材料的優勢，可以實現選材與零部件功能的最優組合，這種多材料一體化設計理論和方法將成為汽車輕量化技術的研究熱點。

4.3 在工藝研究方面

液壓成型、激光焊接等技術將得到更為廣泛的應用，熱成形工藝的應用將得到進一步發展。此外，零部件的輕量化將得到重視。而且，各種輕量化技術是相輔相成的，充分發揮不同輕量化手段的優勢，研究汽車材料選擇、結構設計和工藝設計的系統化和集成化方法，即輕量化技術的系統化和集成化，也是未來汽車結構輕量化技術的研究方向?？偨Y

隨著人們對汽車安全性、舒適性、環保性以及經濟性等要求的提高，汽車安裝空調、安全氣囊、隔熱隔音裝置、廢氣凈化裝置、衛星導航系統等越來越普及，這無形中增加了汽車的質量、耗油量和耗材量，也導致了大量能源的消耗、汽車尾氣排放的增加等。而汽車輕量化技術對汽車工業的可持續發展具有重要意義，不僅關系到車輛的節能減排、安全、成本等諸多方面，同時也對世界能源、自然資源和環境具有深刻的影響，它已成為汽車設計和汽車材料應用技術發展的主導方向。但目前汽車輕量化技術還處于不完全成熟的階段，很多難關有待我們去攻克，很多方面值得我們去不斷探索研究。

主要參考文獻

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第二篇：先進高強鋼和汽車輕量化

汽車輕量化項目主要包括超輕車身(U L SA B)、超輕覆蓋件(U L SA C)、超輕懸掛件(UL S AS)和在此基礎上的超輕概念車項目(ULS AB-AVC), 均是以使用鋼鐵為基礎.除了利用先進高強度鋼板外 , 還大量采用了激光拼焊、激光焊接、液壓成型和計算機模擬等技術來進行汽車的設計和制造。

AHSS 鋼主要包括雙相鋼(D P)、相變誘發塑性鋼(TRI P)復相鋼(CP)和馬氏體鋼(M)等 ,這類鋼是通過相變組織強化來達到高強度的 , 強度范圍 500 ～1500 MPa。具有高的減重潛力、高的碰撞吸收能、高的疲勞強度、高的成型性和低的平面各向異性等優點 D P鋼

DP 鋼板的商業化開發已近30，年包括熱軋、冷軋、電鍍和熱鍍鋅產品。主要組織是鐵素體和馬氏體 , 其中馬氏體的含量在 5 %～ 20 %, 隨著馬氏體含量的增加 , 強度線性增加 , 強度范圍為 500～ 1 200 MPa。除了AHSS 鋼的共性特點外 , 雙相鋼還具有低的屈強比、高的加工硬化指數、高的烘烤硬化性能、沒有屈服延伸和室溫時效等特點。DP 鋼一般用于需高強度、高的抗碰撞吸收能且成形要求 也較嚴格的汽車零件 , 如車輪、保險杠、懸掛系統及其加強件等.熱軋 D P 鋼的生產是通過控制冷卻來得到鐵素體和馬氏體的組織的 , 冷軋和熱鍍鋅 DP 鋼是通過鐵素體和奧氏體兩相區退火和隨后的快速冷卻來得到鐵素體和馬氏體組織的。D P 鋼的主要成分是 C和Mn , 根據生產工藝的不同可適當添加Cr、Mo 等元素使C曲線右移 , 避免冷卻時析出珠光體和貝氏體等組織。

復相鋼

復相（Complex Phase: CP）鋼是指兩相在數量和尺寸上有相同的數量級，其組織特點是

細小的鐵素體和高比例的硬質相如貝氏體、馬氏體，含有鈮、鈦等元素。復相鋼基本上是在Mn-Cr-Si合金成分體系的基礎上，通過馬氏體、貝氏體以及Ti、Nb和V等微合金元素的晶粒細化效應和析出強化的復合作用，結合適當的卷取工藝而生產的，抗拉強度能夠達到800~1000MPa。具有很高的能量吸收能力和擴孔性能，廣泛應用于汽車車身中車門的防撞桿、保險杠與B立柱等提高汽車安全性能的部件。貝氏體鋼

貝氏體（Bainite: B）鋼的微觀組織為貝氏體，通過控制冷卻速度或者空冷可以得到貝氏體組織。貝氏體鋼的化學成分主要由碳和微量鉻、硼、鉬、鎳等合金元素組成，含碳量低于 0.05%。貝氏體鋼的韌性好、強度高（530~1500MPa），并且隨著貝氏體轉變溫度的降低，貝氏體鋼的強度增加，貝氏體鋼的成形能力和焊接性均很好，在航空航天、船舶與石油化工。馬氏體鋼

馬氏體鋼的微觀組織為少量的鐵素體和/或貝氏體均勻的分布在板條狀的馬氏體基體上。通過在連續退火線或者出料輥道上的快速冷卻作用，使奧氏體向馬氏體完全轉變從而得到馬氏體鋼。向馬氏體中加入碳元素能提高馬氏體的淬硬性，起到強化的作用；為提高馬氏體鋼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。馬氏體鋼是先進高強鋼中抗拉強度最高的鋼種，最高能達到 1700MPa。

相變誘發塑性鋼

相變誘發塑性（TRIP）鋼是為了滿足汽車工業對高強度、高塑性鋼板的要求而開發研制的，微觀組織主要為鐵素體、貝氏體和殘余奧氏體（體積分數一般為 10%~20%）。在冷成形過程中，殘余奧氏體向硬的馬氏體發生轉變（形變誘導相變）的同時發生塑性變形。這種硬化使得組織變形難以在局部集中并使應變分散，導致了整個組織中的塑性變形分布比較均勻，這種現象稱為相變誘發塑性。TRIP 鋼具有強度高、延展性好、易沖壓成形和能量吸收率高等特點，可以大幅度地減輕車身自重，降低油耗，同時能夠抵御發生碰撞時的塑性變形，顯著提高汽車的安全性能，在汽車制造領域有著巨大的優勢。

TRIP 鋼分為熱軋型 TRIP 鋼和熱處理型冷軋 TRIP 鋼。熱軋型 TRIP 鋼是通過控軋控冷獲得大量的殘余奧氏體組織。熱處理型冷軋 TRIP 鋼是在冷軋后采用臨界加熱，然后在下貝氏體轉變溫度范圍內等溫淬火?？焖偌訜嶂僚R界溫度，形成鐵素體-奧氏體混合組織。與雙相鋼的熱處理工藝最大的區別在于，為了在最終的組織中保留奧氏體，需要引入貝氏體等溫淬火保持階段（或緩冷）。通過碳在未轉變的奧氏體中的富集使馬氏體轉變溫度降至低于零度，但僅通過鐵素體形成時產生的碳富集是不夠的，因此，貝氏體形成時會造成更多的

碳富集。通過添加硅或鋁，不僅能起到固溶強化作用，而且還能阻止在貝氏體形成過程中碳化物析出。孿生誘導塑性鋼

孿生誘導塑性(TWIP)鋼是第二代先進高強鋼的典型鋼種，又稱FeMn鋼、高錳鋼或現代輕質鋼，成分特點是錳和鋁含量較高，具有高強度、高加工硬化速率和優異的延展性（總延伸率可高達70%）。主要有Fe-Mn-C鋼、Fe-Mn-C-Al鋼及Fe-Mn-C-Al-Si鋼。研究結果表明FeMn-TWIP鋼加工硬化速率n值高且均勻，可承受局部應變峰值并具有良好的應變分布（抗頸縮），同時成形性能好，具有較好的能量吸收性能。由于這類鋼的處理工藝復雜、合金元素含量較高，雖然具有高強度和高韌性等良好的綜合性能，但目前為止還沒有商業化，在汽車工業上的應用還很有限。

相同成分DP鋼和TRIP鋼部分力學性能的比較

對同一種鋼板進行不同熱處理分別制成具有相同鐵素體含量的雙相鋼(DP鋼)和相變誘發塑性變形鋼(TRIP鋼)，并對其部分力學性能進行對比。比較發現，鐵素體基體上不同的第二相使得材料力學性能產生巨大差異：馬氏體使DP鋼具有很高的抗拉強度，殘余奧氏體則賦予TRIP鋼優良的伸長率；DP鋼擁有更加優良的加工硬化能力，TRIP鋼則具有較為理想的烘烤硬化能力。試驗表明，考察DP鋼和TRIP鋼的烘烤硬化能力時，除柯氏氣團外，內應力的消除也應該考慮其中。兩種材料的組織有相似之處：F為基體，其上分布著較硬的第二相，不同之處在于第二相的種類和數量。

單軸拉伸試驗，得到的負荷-應變曲線如圖。TRIP鋼具有明顯的屈服平臺，而DP鋼則呈現連續屈服的特點。對兩種材料的主要性能參數進行比較，結果見表

DP鋼淬火過程中，臨界區保溫形成的奧氏體轉變成比容較大M，使周圍的F受到壓迫，在其內部生成大量位錯，成為低應力下可激活的位錯源因此其屈服強度(σ0.2)低于TRIP鋼。但是由于組織中存在40%M，其抗拉強度(σb)明顯高于以B為主要第二相的TRIP鋼。雖然σb 不及DP鋼，但TRIP鋼的δ是DP鋼的2.3倍，達到37%，TRIP鋼優良的伸長率與形變過程中Ar轉變為M有關，可從以下幾點解釋(1)拉伸變形時在最大變形部位首先誘發馬氏體相變, 使局部強度提高, 難以繼續變形, 變形向未發生馬氏體相變的其他部位轉移, 推遲了頸縮的形成。(2)拉伸變形時局部應力集中因馬氏體相變而松馳, 推遲了裂紋的產生。(3)Ar與α呈共格關系, 高能界面不利于裂紋的擴展。

可看出，在相同應變下DP鋼的WH值遠遠高于TRIP鋼的，這與兩種材料的組織密切相關，可從以下幾點解釋：

(1)作為基體上的第二相,DP鋼中的M和TRIP鋼中的B起阻礙位錯運動的作用。M硬度遠遠高于B硬度, 因此其對位錯具有更強的阻礙作用, 導致加工硬化很高。由于M和B含量很高, 因此這是導致兩種材料加工硬化值性能差異的最主要原因。

(2)變形過程中，TRIP鋼中的Ar逐漸轉變為M 釋放了集中的內應力，降低了對位錯阻礙作用，導致WH值下降。

(3)雖然TRIP鋼中由A相轉變得來的M會在繼續變形時對位錯起到較為強烈的阻礙作用，但是由于其含量很低 因此對WH的貢獻也較低。

在較低應變范圍內(0%～2%)，DP鋼的加工硬化值很高(410MPa)，而在較高應變范圍內(>2%)給予相同應變，WH值增量顯著降低。

原因：塑性變形之初，運動位錯滑移到晶界處, 受到馬氏體的阻礙停止運動, 強烈的阻礙作用使得必須產生新的位錯或開動相鄰晶粒中的滑移系才能保證塑變繼續進行, 因此加工硬化值很高。隨著變形的進行, 大量位錯在馬氏體顆粒前塞積, 塞積的位錯會對新產生的位錯形成一定阻礙作用,而這一作用顯著低于M的阻礙作用, 因此由其導致的WH增量明顯降低。

高強鋼的烘烤硬化能力

成型后的汽車覆蓋件在噴漆以后通常會置于170℃保溫一段時間，稱為烘漆。烘漆后鋼板屈服強度提高的現象稱之為烘烤硬化(BakeHardening)。烘烤硬化的機理是在烘烤過程中, 位錯應力場中的碳(氮)原子受到熱激活向位錯偏聚, 形成柯氏氣團,從而對位錯起到釘扎作

用,使其再次受載時需要更大的力才能擺脫氣團或拖曳氣團一起運動，宏觀上表現為屈服強度的提高。與固溶碳(氮)原子數目和位錯密度密切相關。

Trip隨著預變形量的增加,BH值先上升后下降。因為塑變初期, 隨著變形增加, 材料中位錯密度增加，烘烤后被釘扎的位錯數目增加, 因此BH值上升；但是由于材料中固溶碳原子有限, 當變形超過一定值后,形成的柯氏氣團的飽和度下降，導致BH值降低。對于DP鋼的BH隨預變形量增加而下降(10%預應變試樣的BH值為-380MPa)。DP鋼的烘烤硬化能力差與其組織中存在一定含量M有關: 變形過程中,M強烈阻礙位錯的同時產生很大的內應力，內應力對阻礙位錯運動也起到很大作用, 而烘烤會使內應力部分釋放，因此導致流變應力下降。

鋼在奧氏體狀態下加工變形以后再進行淬火,但為使鋼在奧氏體狀態 下變形而不發生相變或析出第二相,鋼中奧氏體應具有良好的熱穩定性及機械穩定性這就需要在鋼中加入較多的合金元素如C r、N i 等實際也就提高了鋼的價格。較高的錳含量有利于保持奧氏體的穩定性,而奧氏體的穩定性正是保持相變塑性的最重要因素。很高的硅量可有效提高碳在滲碳體中的活度,抑制冷卻過程及過時效中貝氏體轉變期間滲碳體的析出使得奧氏體中碳含量 的降低和隨之而引起的穩定性降低。鋼中大量的硅易與退火爐氣氛中的氧反應,生成二氧化硅附著于鋼板表面而使熱鍍鋅難以進行。固溶的磷本身具有提高奧氏體穩定性的作用磷還可提高碳在滲碳體中的活度系數，抑制滲碳體的析出和奧氏體中碳含量的降低，結構鋼中磷的晶界偏聚可引發鋼的冷脆傾向。

Trip鋼的屈服強度和抗拉強度均隨應變率提高而呈指數形式增大。均勻延伸率隨應變率的提高總的趨勢是逐漸減小。因為殘余奧氏體在 拉伸過程中會應變誘發向馬氏體轉變，一方面有利于材料強度的提 高，另一方面松弛了塑性變形引起的應力集中，延緩了微裂紋的形成，從而提高塑性。高應變率變形的絕熱溫升提高了殘余奧氏體的穩定性。

鐵素體基體析出強化型高強熱軋雙相鋼（14年參考文獻）

傳統雙相鋼以組織強化為主要強化方式，通過組織強化雖然可提高強度降低屈強比，但由于軟相鐵素體與硬相馬氏體的強度差較大，兩相塑性應變不相容性加大，導致均勻變形能力降低不利于汽車零部件的成形，一定程度上限制了雙相鋼的應用。因此，提高鐵素體相的強度，可減小鐵素體和馬氏體的塑性應變不相容性，抑制在兩相界面萌生的微裂紋和空洞聚集，即推遲頸縮發生，提高均勻真應變。

高強鋼主要通過添加微合金元素Nb、V、Ti，在鐵素體中析出細小的微合金碳氮化物，即析出強化的方式提高強度。相對Nb、V而言，Ti具有資源豐富、成本低廉等優點，是一種極具發展潛力的微合金元素。不少研究者已對Ti的析出強化機理進行了研究，并開發出780 MPa級別的高強鋼。

鐵素體基體析出強化型熱軋雙相鋼的工藝過程原理：在析出強化型熱軋雙相鋼成分設計時，主要是在傳統熱軋雙相鋼的成分基礎上添加一定量的Ti，同時還應調整Mn、Si、Cr等元素的含量，使得鐵素體相變的鼻尖溫度與TiC析出的鼻尖溫度相匹配。

由圖可知，鋼板熱軋后快速冷卻至鐵素體相變鼻尖溫度附近，然后在緩冷或保溫階段，奧氏體相變為鐵素體，同時TiC在鐵素體相變過程中相間析出或過飽和析出，最后再快冷至Ms以下溫度，未轉變奧氏體轉變為馬氏體，最終獲得存在納米級TiC析出相的鐵索體基體+彌散分布的馬氏體的熱軋雙相鋼。

通過向雙相鋼添加鈮元素能起到彌散強化的作用，一方面鈮元素能夠促進馬氏體的均勻分布和鐵素體的細化，另一方面利用析出強化使馬氏體的體積分數降低，從而使馬氏體和鐵素體之間由于強度差異而導致的應力集中程度降低，提高了雙相鋼的綜合力學性能。

現代冷軋雙相鋼的生產采用連續退火工藝。先將冷軋鋼板加熱到鐵素體奧氏體兩相區所在的某個溫度，在加熱過程中發生冷塑性變形的組織會經歷回復與再結晶過程。在保溫過程中，鋼板中的鐵素體產生不完全奧氏體化。在初始的緩冷過程中，少量的奧氏體重新轉化為鐵素體，同時合金元素大量的向殘余奧氏體中擴散，提高了奧氏體的穩定性。然后在急冷過程中使殘余奧氏體轉化為馬氏體組織，從而產生鐵素體與馬氏體的雙相組織。

一般來說，急冷后還需進行等溫過時效，一是可以對淬硬的馬氏體島進行低溫回火以改善其內部畸變，二是可以可以改善鐵素體內元素的固溶狀態。

第三篇：用鋁合金材料實現汽車輕量化

用鋁合金材料實現汽車輕量化

2011-7-6 15:55| 發布者: admin| 查看: 90| 評論: 0|原作者: admin|來自: 中國汽車材料網

杜明義（東北輕合金有限責任公司，黑龍江哈爾濱150060）

摘要：介紹了鋁合金在汽車上應用的實例，分析了汽車輕量化的發展趨勢，揭示了鋁合金材料在汽車上良好的應用前景與應用空間。

關鍵詞：汽車；鋁合金；輕量化

節能、環保、安全、舒適、智能和網絡是汽車技術發展的趨勢，尤其是節能和環保更是關系到人類可持續發展的重大問題。因此，降低燃油消耗、減少向大氣排出CO2和有害氣體及顆粒已成為汽車界主要的研究課題。減少汽車自身質量（汽車輕量化）是汽車降低燃油消耗及減少排放的最有效措施之一。汽車輕量化的途徑有兩種：一是優化汽車框架結構；另一個是在車身制造上采用輕質材料。而目前常用的輕質材料為鋁合金。

目前，世界交通運輸業用鋁為鋁產量的26%，而我國僅為5.7%。隨著我國經濟的發展和人民生活水平的提高，對交通工具的需求越來越多，因此，鋁合金材料在我國交通運輸業上的發展空間還很大。

現代轎車發動機活塞幾乎都用鑄鋁合金，這是因為活塞作為主要的往復運動件要靠減重來減小慣性，減輕曲軸配重，提高效率，并需要材料有良好的導熱性，較小的熱膨脹系數，以及在350℃左右有較好的力學性能，而鑄鋁合金能符合這些要求。同時由于活塞、連桿采用了鑄鋁合金件，減輕了質量，從而減少發動機的振動，降低了噪聲，使發動機的油耗下降，這也符合汽車的發展趨勢。

汽車車身約占汽車總質量的30%，對汽車本身來說，約70%的油耗是用在車身質量上的，所以汽車車身鋁化對提高整車燃料經濟性至關重要。奧迪汽車公司最早于1980年在Audi80和Audi100上采用了鋁合金車門，然后不斷擴大應用。1994年奧迪公司斥資800萬歐元建立的鋁材中心（1994年～2002年），兩年前被更名為“奧迪鋁材及輕量化設計中心”。1994年開發第一代Audi A8全鋁空間框架結構（ASF），ASF車身超過了現代轎車鋼板車身的強度和安全水平。但汽車自身質量減輕了大約40%。隨后于1999年誕生的Audi A2，成為首批采用該技術的批量生產轎車。2002年，奧迪鋁材及輕量化設計中心又實現了第二代Audi A8的誕生。

在此期間，美國鋁業公司開發了全新的汽車生產技術。如今，鋁制車身制造的自動化操作程度已達80%，趕上了傳統鋼制車身生產的自動化水平。奧迪公司與美國鋁業公司一直保持著良好的合作關系，雙方合作的目標是共同開發一款全新的可以批量生產的全鋁車身汽車。

美國鋁業公司為全球汽車制造商提供品種繁多、性能優異的汽車部件和總成，包括車身覆蓋件的鋁板、壓鑄輪轂、配電系統、底盤和懸架部件，以及保險桿、發動機支架、傳動軸、車頂系統等總成；包括Audi A8的第二代ASF框架結構、寶馬5和7系列的鋁制懸架、日產Altima的發動機罩和輪轂、法拉利612 － Scaglietti的全鋁車體結構，以及捷豹XJ采用的真空壓鑄技術。美鋁公司的產品和解決方案使這些車型向著更輕量化、更技術化的方向發展。

目前，制約鋁合金在汽車上大量應用的主要原因之一是其價格比鋼材的高，為了促進鋁合金在汽車上的大量應用，必須降低材料成本。除開發低成本的鋁合金和先進的鋁合金成形工藝外，回收再生技術可進一步降低鋁合金的生產成本。擴大鋁合金應用的另一個研究方向是開發新的各種連接技術，今后發展的多材料結構轎車要求連接兩種不同類型的材料（如鑄鐵一鋁、鋼一鋁、鋁一鎂等），對這些連接技術以及對材料和零件防腐蝕的表面處理技術，是今后擴大鋁合金在汽車上應用的重要課題。

汽車廣泛應用的鋁制輪轂是鋁合金在汽車上應用的一個例子，鋁合金輪轂的優點是：

（l）省油。平均每個鋁合金輪轂比相同尺寸鋼輪轂輕2 kg，一臺轎車用5個便節省l0kg質量。根據日本試驗，5座位轎車質量每減輕l kg，－年約節省20L汽油，而美國汽車工程師學會發表的研究報告指出，鋁合金輪轂價格雖然比一般鋼輪轂的高，但每輛汽車行走2萬km，所節省的燃料費便足夠抵回其增加的成本。

（2）增加發動機壽命。根據發動機負荷與功率曲線圖，當負荷增大至某一程度后，其功率反呈降低趨勢，此邊際表示此時每一單位負荷發動機將特別耗油。發動機負荷減輕．自然減少故障，延長壽命。

（3）散熱好。鋁合金的傳導系數為鋼的3倍，散熱效果好，長途高速行駛時也能使輪胎保持在適當的溫度，使剎車鼓及輪胎不易老化，增加壽命，降低爆胎的機會。

（4）真圓度好。真圓度精度高達0.05mm，運轉平衡性能好，有利于消除一般車身超長時方向盤抖動現象。

（5）堅固耐用。鋁合金輪轂之耐沖擊力、抗張力及耐熱能力較鋼輪的好。

（6）美觀。一般鋼輪轂因生產工藝所限，形式單調呆板。鋁合金輪轂則有各式各樣的設計，加上光澤、顏色效果好，從而提高了汽車的價值與美觀。

綜上所述，鋁合金在汽車行業上的應用前景是很好的，但是碳纖維增強復合材料以其優異的性能逐漸在航空工業上得到應用，因此鋁合金材料在很多工業部門的應用也將受到其他新型材料嚴峻的挑戰，必須不斷開發新的鋁合金品種，新的加工工藝，更加提高材料的性能，迎接新的挑戰。

第四篇：《汽車材料及輕量化趨勢》報告總結

《汽車材料及輕量化趨勢》報告總結

主講人：韓維健 博士

近年來，隨著我國汽車及相關產業的不斷發展，截至2016年3月底，全國機動車保有量達到2.83億輛，其中汽車1.79億輛；機動車駕駛人達3.35億人，其中汽車駕駛人2.89億人。與歐美、日本等發達國家相對成熟的汽車市場相比，我國的汽車市場還有很大的上升空間，也就是說，汽車仍是很多生活在二、三線城市人們的生活剛需。

伴隨著汽車產銷量的增長，我國的石油缺口不斷增大，越來越多的石油需要依賴于進口，截至2016年初，我國石油消費對外依存度已經突破60%。上世紀70年代的第一次石油危機過后，許多石油進口大國（諸如美國）就開始考慮發展替代能源，以減少不可再生能源的使用。同時，汽車排放所帶來的日益嚴峻的環境問題也迫使國家制定相關政策以減小環境污染和能源消耗，例如，根據工信部制定的《乘用車燃料消耗量限值》和《乘用車燃料消耗量評價方法及指標》，企業當年所生產乘用車的平均油耗指標逐年嚴格，從2015年到2020年，平均油耗目標分別為百公里6.9升、6.7升、6.4升、6升、5.5升和5升。基于這些因素，各大汽車廠商爭相推出新能源汽車，并對原有車型排放性能進行改進。

第一次石油危機后，輕量化技術得到充分重視和應用，使整車質量大幅降低，但到后來危機放緩，國際油價下跌，汽車廠商考慮到汽車的舒適性、安全性的提高，以及新的附件的安裝，使得整車質量逐漸回升。可以說，整車輕量化面臨著嚴峻的考驗。

1975年至2010年乘用車質量及特征變化趨勢 對于傳統燃油汽車來說，整車質量的降低可以提高汽車的燃油經濟性、減少尾氣排放；對于純電動汽車來說，整車質量的降低可以提高車輛的續駛里程。例如，在美國十分暢銷的福特汽車公司的新一代F150運用了輕量化技術，車身采用大量鋁合金材料，使得整車質量降低300多公斤，牽引能力更是大幅提升；福特旗下的中高級轎車fusion也預計在2015年將整車質量有1559kg降至1135kg。近期，由中國工程汽車學會組織申報的《電動汽車結構輕量化共性關鍵技術研究與應用》以及重慶長安汽車公司牽頭承擔的《輕量化純電動轎車集成開發技術》項目已經正式列入2016年國家重點研發專項，不難看出，輕量化技術正是項目的關鍵所在。

輕量化的途徑主要有兩種：整車結構優化設計和采用輕質材料。其中輕質材料目前應用較多的有以下幾種：高強度鋼材（AHSS）、鋁合金、鎂合金、復合材料（主要是CFRP和GFRP）等等。在早期，汽車廠商在考慮選用哪種輕質材料時，首先考慮的是購置成本問題，所以較為昂貴的鋁合金、鎂合金以及復合材料應用較少；在后來，汽車廠商在考慮了汽車產品的整個生命周期成本，包括汽車在使用過程中的燃油消耗、碳排放等等因素之后，逐漸地采用了更多諸如鋁合金等輕質材料。

高強度鋼材。高強度鋼材的應用在各大汽車廠商中已經十分成熟，對于車身設計而言，為滿足車身各部分的服役要求，高強度鋼材以及超高強度鋼材主要應用于乘員駕駛艙的A、B、C柱，門檻梁以及前縱梁上，而普通鋼材主要用在車身后部，以滿足汽車在發生碰撞時的吸能要求。

鋁合金。鋁合金近些年應用較多，尤其是在高級別乘用車上，例如捷豹XFL和特斯拉MODEL S，均采用的是全鋁車身。除此以外，發動機缸體、輪輞等部件也可采用鋁合金制造。一些汽車廠商為了兼顧車身的輕量化和成本問題，常常將高強度鋼材和鋁合金混合使用，并采用大量的鉚接技術將兩者連接。鎂合金。鎂合金比鋼和鋁合金都要輕，并且具有一定的緩沖阻尼和更好的耐沖擊性，主要用于制作方向盤骨架、轉向柱支架、座椅基座等等。但是，由于鎂元素的儲量有限，產能較低，在汽車上的應用受到了一定的限制。例如，BMW早先生產的N55直列六鋼發動機缸體采用鎂鋁合金（鎂合金和鋁合金組合使用）制造，之后由于無法滿足性能更強的渦輪增壓發動機的強度要求而改用鋁合金缸體。

碳纖維增強復合材料。與鋼材和鋁材相比，CFRP在性質上具有更低的比重，更高的比強度和比模量等諸多優點。由于CFPR的各向異性，在設計零件結構時，可以合理地安排預浸布的鋪層角度來滿足零件的強度需求。就現階段，CFRP主要用在一些高檔汽車的覆蓋件、空氣套件以及內飾件上；由于粘接技術的不成熟，CFRP在車身承載結構上的應用較少。BMW對CFRP的成型技術研究較多，旗下的BMW i3純電/混動轎車以及BMW i8混動超跑已經得到量產，但由于其高昂的售價及維修花費，在國內的新能源汽車市場并不十分走俏。

總之，輕量化技術，尤其是基于輕質材料的輕量化技術是未來純電動汽車，乃至整個汽車行業的關鍵發展方向，我國也在大力推動輕量化技術的研究，投入了大量的人力物力，相信在不久的將來，隨著汽車碳排放和燃油消耗的減少，我國的環境問題和能源問題會得到可觀的改善。

第五篇：汽車車身輕量化技術(精)（寫寫幫推薦）

汽車車身輕量化技術

[摘要]介紹了車身輕量化的重要意義和相關車身性能。從輕質材料、結構設計和制造工藝3個方面闡述輕量化技術的主要途徑，并通過實例重點分析采用熱成型工藝的輕量化效果，最后對比3種輕量化技術的特點和應用范圍。

[主題詞]輕量化，車身，汽車

0 引言

安全、節能和環保已成為消費者最關心的汽車性能指標。如何開發出更安全、節能、環保的汽車也是當今汽車廠商的重點技術發展方向。汽車安全的重要性不言而喻，涉及到人身安全；節能和環保，不僅影響到用戶的用車成本，也關系到可持續發展。目前，各國已有諸多安全和排放法規來強制規范汽車產品的安全和環保性能。

研究資料表明，汽車的燃油消耗與汽車的自身質量成正比，汽車質量每減輕1%，燃油消耗降低0.6%-1.0%，燃油消耗下降，排放也隨之減少。因此減少汽車自身質量成為提高節能環保性能的有效途徑。而白車身作為車身骨架一般占整車質量的22%—25%，其輕量化對降低整車質量意義重大。因此，汽車車身輕量化技術成為現代汽車開發技術一個重點課題。車身輕量化的基礎

車身輕量化必須在保證汽車安全性的前提下，同時達到車身剛度、疲勞耐久性、操控穩定性和振動舒適性等要求。

1.1 車身結構安全

車身結構安全屬于汽車的被動安全范疇，目的在于保護車內乘員的安全。

自20世紀50年代起，許多國家陸續開始制定汽車被動安全法規。目前各國汽車被動安全法規有：美國聯邦機動車法規體系(FMVSS)和歐洲法規體系(ECE／EEC)。而我國強制性汽車被動安全標準(GB)主要是參考歐洲法規體系。另外還有各國的新車評價體系(NCAP)全面地為消費者提供汽車安全性能方面的信息。

車身結構安全直接影響到汽車是否滿足這些被動安全法規。其包括正面碰撞、側面碰撞、后面碰撞、翻滾和低速碰撞等。車身結構在設計上一般分為低速行人保護區，相容吸能區和乘員保護區。

1.2 車身剛度

評價車身結構力學性能的主要指標是車身剛度，包括動態剛度和靜態剛度，靜態剛度又包含扭轉剛度和彎曲剛度兩個方面。在車身輕量化中，必須保證達到車身剛度的要求，這樣才能使汽車的疲勞耐久性和振動舒適性等不受影響。

1.3 車身輕量化系數

為了評價輕量化的效率，引申出了車身輕量化系數的概念，其可通過如下公式計算：

式中，Lq為輕量化系數；MBIW為白車身質量；CT為白車身靜態扭轉剛度；A為白車身投影面積，由整車軸距與輪距相乘獲得。輕量化系數Lq值越小，表示車身輕量化做得越好。車身輕量化的途徑

2.1 采用輕質材料

2.1.1 超高強度鋼板

按照抗拉強度的不同，鋼材一般分為普通鋼、高強度鋼和超高強度鋼。抗拉強度小于210MPa的稱為普通鋼；抗拉強度在210—550MPa之間的成為高強度鋼；抗拉強度超過550MPa的稱為超高強度鋼。

超高強度鋼主要有：相變誘導塑性鋼TRIP，雙相鋼DP，復相鋼CP，以及馬氏體鋼Mart等。由于馬氏體鋼抗拉強度約為1200MPa，其一般采用滾壓成型工藝制造，用于車門防撞桿和門檻加強板等零件。目前車身上使用的超高強度鋼，主要是稱為先進高強度鋼(AHSS)的，其是利用金相組織強化得到的鋼種，具有強度、延伸和塑性的各方面優良的綜合性，其抗拉強度范圍為500—1500MPa。另外還比較多地采用熱成型鋼，成型后零件的材料抗拉強度達到1800MPa。

圖1為目前某一較新車型的不同強度鋼材分布，可以看出，目前該車型的超高強度鋼比例已經達到11%，高強度鋼比例為11%，普通鋼只占27%。而從保證車身碰撞安全性的角度來看，高強度鋼的用量將直接決定車身輕量化的水平。

2.1.2 鋁合金

鋁合金是在汽車輕量化中應用相對成熟的輕質材料。奧迪汽車公司最先在Audi80和Audi100兩款車型上采用了鋁車門。1994年開發了第一代全鋁空間框架結構(ASF)。ASF車身超過了現代同類鋼板車身的車身剛度和被動安全性，但汽車自身質量卻減輕了大約40%。

但是鋁材價格相對較高，是鋼材價格的3倍左右，且鋁制產品成型工藝相對復雜，這是制約鋁合金輕量化應用的因素。除開發低成本的鋁合金和先進的鋁合金成型工藝，發展回收再生技術以進一步降低鋁的成本之外，擴大鋁合金應用的另一個研究方向是開發新的各種聯接技術，如鑄鐵—鋁連接、鋁—鋼連接、鋁—鎂連接等。

2.1.3 鎂合金

鎂合金是比鋁合金密度更小的輕質材料。其耐熱耐壓耐腐蝕且易于回收利用。歐洲正在使用和研制的鎂合金汽車零部件有60多種。駛多飛集團與德國大眾合作，準備將其專利產品鎂合金MnE21替代某車型白車身上的多個鋼板零件，如前后保險杠、車頂橫梁和車門防撞桿等。如果替代成功，將大大減輕該車的車身質量。

2.1.4 工程塑料

目前已有采用工程塑料的車身翼子板，其相比金屬可以實現40%的減重，且其能耐侵蝕和輕微碰撞，在低速碰撞的情況下無需維修，從制造角度相比金屬有更大的造型自由度提升，也便于零件集成，從滿足行人保護方面考慮，也是理想的選擇。

2.2 結構優化設計

利用有限元法和優化設計方法可對結構力學性能進行分析和優化設計。在車身結構優化設計中，通常采用的優化方法有：拓撲優化、形貌優化、形狀和尺寸優化。其中拓撲優化在結構的概念設計階段應用較多。形貌優化可以對加強筋的形式、走向和位置深度等參數進行優化，形狀和尺寸優化可以對飯金件的型面和板厚進行優化。

一般優化問題可以通過下列關系表述：

式中

在設定優化變量時，可以通過車身鈑金零件的靈敏度分析，選擇對目標函數貢獻較大零件尺寸參與優化設計計算，作為優化設計變量。變量的變化范圍則結合實際經驗中的零件尺寸限制而定。

在發動機艙蓋內板和車門防撞桿的設計中，可以應用拓撲優化、形貌優化和形狀優化的組合，選擇更合理的內板上開孔位置、筋的走向和深度，優化車門防撞桿的型面。

為一個n維向量，XL和XU分別是設計變量的上限和下限。

2.3 制造工藝

2.3.1 熱成型

熱成型工藝中，是將材料加熱到再結晶溫度以上，使板料在奧氏體狀態時進行成形，降低板料成形時的流動應力，由此來提高成形性。把材料放在加熱爐加熱5+10min使其溫度達到900—950℃，之后進行沖壓加工及冷卻。

通過熱成型工藝加工出的零件優勢明顯，其具有很高的強度和延伸性，可以大幅的減輕零件重量，能保持高的形狀精度，沖壓時無回彈，可加工成復雜形狀。在車身中采用一定數量的熱成型零件后，可以大幅提高車身防撞安全性能。

圖2為某車型熱成型零件分布，該車型采用熱成型的零件有：前保險杠橫梁、前圍下框前地板橫梁、中央通道左右B柱加強板、左右A柱加強板。8個零件所在區域正是從充分滿足碰撞安全性要求而設計布置的，保險杠可增強正面碰撞和低速碰撞安全性，而其它7個零件其構成乘員保護區，在側面碰撞和正面碰撞中都可以很好地保護車內乘員。

如圖3和圖4所示，原方案采用B柱加強板和B柱加強內板兩個零件組合，板厚均為2.5mm；而熱成型方案采用B柱加強板一個熱成型零件，板厚為1.85mm。左右兩側B柱都采用熱成型方案之后，可減重接近10kg。從設計選擇的過程可知，其輕量化效果十分顯著，采用更多的熱成型零件，尤其在乘員保護區采用熱成型零件，是車身輕量化設計的方向。

2.3.2 液壓成型

液壓成型，是指利用液體作為傳力介質或模具使工件成型的一種塑性加工技術，也稱為液力成型。其按介質可分為水壓成型和油壓成型兩種；按加工坯料分為管材液壓成型、板料液壓成型和殼體液壓成型。液壓成型與沖壓焊接工藝比較，其僅需要凸?；虬寄＃后w介質作為凸?；虬寄?，當液體作為凸?？梢灾圃旌芏鄤傂阅o法成型的復雜零件。且液體作為傳力介質具有可控性，具有很高的工藝柔性。

車身結構中應用較多的是板料液壓成型。采用液壓成型除了能實現輕量化，同時增強車身剛強度和結構安全性之外，還能減少零件數量，從而也減少了模具數量和費用，減少了后續機加工和焊接等加工工序，降低了總制造費用。因此，液壓成型工藝近年來得到快速發展。

目前車身中已有儀表板橫梁、散熱器支架、座椅骨架、保險杠橫梁、頂側框等零件采用了液壓成型工藝制造。

2.3.3 變截面板技術

在車身上應用的變截面板有激光拼焊板(TWB)，連續變截面板(TRB)和搭接板(PB)。

TWB技術是指在零件沖壓成形前將兩塊或多塊具有相同厚度或不同厚度的相同鋼種材料或不同鋼種材料的板件通過激光焊接連接起來的一項新技術。

采用激光焊接板不僅是一種輕量化途徑，還可以減少汽車零部件的數量。車身結構的精度可以得到很大提高，許多沖壓設備和加工工序可以得到縮減。另外，采用激光焊接板可以提高原材料利用率，通過在落料工序中采用排料技術，將型號和板厚不同的鋼板合理組合從而降低材料廢料率。

目前，國內合資廠已有很多車型采用激光拼焊板，主要集中在上縱梁、前縱梁、前圍板、中央通道、后縱梁、前地板、前門內板、B柱加強板、側圍內板等零件。

如圖5為前縱梁，前面部分板厚為1.75mm，屬于車身結構的相容吸能區，中間部分板厚為2.6mm，屬于車身結構的乘員保護區，后面部分板厚為1.35mm，這樣的板厚分布既保證了碰撞安全性，又達到了輕量化的效果。同樣地，中央通道前部板厚為1.5mm，后部板厚為1.2mm，前部屬于乘員保護區。

TRB是通過計算機實時控制和調整軋輥的間距，以獲取沿軋制方向上按預先定制的厚度連續變化的板材。

與TWB相比，TRB成型性能更佳，有連續、光滑的表面，可作車身外覆蓋件。但受設備的限制，連續變截面板厚度變化有局限，而且不能把不同材料軋在一起。因此目前激光焊接板應用更廣，將來連續變截面板的應用也會越來越多。

PB是指將兩塊鋼板先搭接在一起然后一起放入模型進行沖壓成型的工藝。目前在某車型的門檻加強板上也得到應用，如圖6所示。這樣使車身具有更好的碰撞安全性，同時還節省了使兩個零件連接的焊接工序。結語

車身輕量化技術是輕質材料、結構優化設計和先進制造工藝的集成應用。得益于近年來新材料研究的迅速發展，輕質材料可選范圍不斷擴大，但是目前高強度鋼仍是最主要的應用最多的輕質材料。而結構優化設計則要依托CAE的輔助，不斷采用更高效的仿真計算和優化方法，創新設計出更輕量化的結構是發展方向。而通過先進制造工藝實現輕量化，對廠家的制造工藝水平要求較高，因此國外歐美汽車制造商和國內合資廠運用較多。如何實現汽車的輕量化，達到最好的節能環保效果，應該根據產品定位，優化設計能力和制造工藝水平進行整體考慮，同時考慮成本因素，在滿足車身剛度、結構安全性、疲勞耐久性、操控穩定性等前提下，選擇最合適的輕量化途徑，最終增強產品的競爭力。