當涉及到汽車的質(zhì)量和成本時，材料科學起著決定性的作用。因此，正確選擇材料是使汽車工業(yè)達到質(zhì)量和排放目標的關(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)先進的鋼是更強，更安全，更環(huán)保，更省油，成本競爭力。如今，市場上提供了200多種等級的鋼材[1]。

事實證明，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，但前提是您能夠負擔得起。

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)，當今汽車行業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)是什么？

對環(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)濟性，氣體排放，安全性和可負擔性有關(guān)的問題。此外，當今車輛在成本，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)濟性[3]。但是，當前的歐盟安全和經(jīng)濟法規(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)濟性和二氧化碳排放量

21世紀汽車工業(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]。車輛在整個生命周期中都會產(chǎn)生溫室氣體排放，其中運輸部門的CO 2排放約占歐盟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)濟性外，汽車制造商還專注于“輕量化”以達到燃油效率要求[3]。

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

圖1. 9個汽車制造商集團在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（阿爾法·羅密歐，菲亞特，吉普，瑪莎拉蒂）在實現(xiàn)2020/21年目標方面處于劣勢。車輛的平均CO 2排放量將必須減少約24 g / km（20％），才能達到2020/21的CO 2排放目標。

鋼鐵的貢獻

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

在文章“高級高強度鋼（AHSS）：使您的汽車更堅固，更輕，更安全的新一代鋼”中詳細了解這些AHSS的各種形式及其當前的發(fā)展。

減輕重量

對于輕質(zhì)材料，首先想到的往往是從低密度材料開始，例如鋁，鎂或碳纖維增強材料，由于其密度高，導致對傳統(tǒng)鋼的負面看法。

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

然而，采用更高強度的新鋼種使設(shè)計人員能夠在不增加質(zhì)量的情況下實現(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來實現(xiàn)的，其中，每個承載主要部分都由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載，因此可以實現(xiàn)質(zhì)量的降低[4,5]。

2009年，一項研究評估了豐田Venza車輛的質(zhì)量減少情況，該方法主要是用AHSS級鋼代替低碳鋼。質(zhì)量減少了25％。同時，該研究還評估了使用低密度替代材料對同一車輛的質(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)計的另一實例中，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)點是鋼的可成形性，強度和可承受性。與鋁相比，鋼以其更高的屈服強度和延展性而廣為人知。例如，鋁無法實現(xiàn)凱迪拉克汽車的車身設(shè)計，因為鋁的低成形性很難實現(xiàn)用鋁板制成復雜的形狀[4]。

與鋁相比，鋼的主要優(yōu)勢是鋼的可成形性，強度和可承受性。

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，其較低的抗張強度意味著鋁板需要更大的厚度才能滿足安全標準。因此，與標準汽車鋼和AHSS相比，鋁的使用可以減輕重量，但價格更高[5,6]。

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

表1.各種材料的重量減輕和制造相關(guān)成本[9]。

復合材料

復合材料的購買價格很高，但從經(jīng)濟角度來看，它們通常仍然有意義。它們的重量很輕，強度和剛度好，耐腐蝕性好，并且非常省油[7]。盡管有這些優(yōu)點，纖維復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)速度當然也是一個問題。例如，制造復合零件的周期時間為1至5分鐘，而沖壓鋼零件僅需10秒[5]。關(guān)于減少制造時間的廣泛研究正在進行中，復合材料行業(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，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等級代替低碳鋼所導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，有望進一步減輕重量。