第6章-汽车新材料及轻量化

第六章汽车新材料及轻量化本章学习目标掌握汽车新材料的种类及汽车轻量化的研究方法了解汽车新材料的特点及在汽车结构的应用了解未来汽车轻量化的发展动向本章要点概述高强度钢轻质合金复合材料和塑料制品轻型钢结构国内外轻量化技术未来发展动向6.1概述一.汽车轻量化研究方法二.车身新材料及轻量化节约能源、减少环境污染成为世界汽车工业界亟待解决的两大问题。而减轻汽车自重是节约能源和提高燃料经济性的最基本途径之一，因此汽车轻量化成为21世纪汽车技术的前沿和热点，轻量化已成为汽车优化设计和选材的主要发展方向。减轻汽车自身质量与燃油消耗下降的关系，主要有以下5种说法：1、汽车质量每减小100kg，则百公里油耗可以减少0.2~0.8L，一般为4.5%左右；2、汽车质量每减小3%，则可节油1%~3%；3、汽车质量减小1%，其油耗可以减少0.7%；汽车质量减小330~440kg，可以节约燃油费用20%左右；4、汽车质量每减小50kg，则每升燃油行驶的距离可以增加1km；若质量减小10%，则燃油经济性可提高5.5%左右；5、轿车质量每减小10%，则油耗可下降8%~10%。对于16~20t级载货汽车而言，每减小质量1000kg，则油耗可降低6%~7%。汽车轻量化研究方法汽车轻量化的主要途径包括使用轻质材料和结构的优化设计，此外，先进成形工艺或连接工艺的应用也能带来明显的轻量化效果。车身新材料及轻量化在车身、底盘、发动机和电子设备四大汽车部件中，车身对于整车轻量化的贡献最大。汽车车身主要由钢、铸铁、铝等材料组成，轻量化潜力巨大。6.2高强度钢高强度钢是常规高强度钢(屈服强度大于210MPa)、超高强度钢(屈服强度大于550MPa)和先进高强度钢(AHSS)的总称。高强度钢板类型高强度钢板主要有固溶强化型极低碳（IF）深冲性钢板（抗拉强度为340~440MPa）、烘烤硬化型（BH）深冲性钢板（抗拉强度为580MPa），残留奥氏体组织TRIP型高延展性钢板（抗拉强度为590~980MPa）、在后热处理中通过Cu析出使强度提高的Cu添加钢（抗拉强度为590MPa），弯曲性与辊成型性优异的超高强度钢板（抗拉强度为1180~1480MPa）、冲压成型性优异的高延伸凸缘型钢板（抗拉强度为440~780MPa）。高强度钢材使用对象分为两部分，一部分是汽车车身、减振及车轮用部件，另一部分是底盘和排气系统。如：需要具备防碰撞功能的零件，汽车门内防撞梁，汽车前后保险杠防撞板，车身A柱,B柱，发动机支撑梁，仪表板支架，门槛加强板，汽车座椅骨架等车身部件；车轮轮辐和轮辋高强度钢板；高强度弹簧、高碳传动轴管、高强度发动机螺栓等。汽车结构件用各种特殊钢强度一般都达到1000MPa，如汽车转向节、转向扭杆等。高强度钢分类与应用高强度钢板在车身上应用的目的主要是改善车身的变形特性和提高疲劳强度。塑性变形特性的利用模式可分为：（1）增加构件的变形抵抗力，对提高车身构件和加强件在受冲击时的抗破坏强度有利；（2）提高能量吸收能力，这对提高车身的耐撞性有利；（3）扩大弹性应变区，这主要应用于外力作用下变形不大的场合，当外力去除后能恢复原有的形状。目前，对于高强度钢和超高强度钢，并无统一的定义，一般认为抗拉强度超过340MPa的称为高强度钢。高强度钢又可分为传统高强度钢（HighStrengthSteel，HSS）和先进高强度钢（AdvancedHighStrengthSteel，AHSS）两类。按照ULSAB（UltraLightSteelAutoBody）所采用的定义，将屈服强度小于210MPa的钢称为软钢，将屈服强度在210~550MPa之间的钢称为高强度钢（HSS），屈服强度高于550MPa的钢称为超高强度钢（AHSS）。如图所示为各种汽车用钢屈服强度和伸长率的关系。汽车用高强度钢板按照轧制方式又可以分为冷轧钢板（抗拉强度在：340MPa以上）、热轧钢板（抗拉强度在370MPa以上）以及以它们为基底进行表面处理的钢板。在车身制造领域，为了使它们在各自的适用部位上满足所必须的性能，不但要求其具有特定的强度特性，而且要具有优良的冲压成型性、焊接性、疲劳强度、可涂装性等各种特性的综合指标。车身多采用厚度在0.6~0.8mm的薄钢板。目前，汽车车身上用到的高强度钢板主要有固溶强化型钢板、烘烤硬化型钢板、组织强化型钢板、合金化热镀锌型钢板等几种。6.3轻质合金一.铝合金二.镁合金三.钛合金铝合金铝合金在汽车上的应用，最初主要是以铸造的方法生产发动机及其零部件，随后应用于轮毂等构件。以推出的全铝空间框架式车身为其主要代表。铝合金随着科学技术的飞速发展，现代汽车制造材料的构成也发生了较大的变化，高密度材铝合金在汽车车身中的运用，主要经历了下面三个阶段：（1）“四门两盖”车身阶段（2）“壳式支撑结构”车身阶段（3）“空间框架结构”车身阶段铝合金传统铝合金根据合金元素的含量和加工工艺性能特征可分为铸造铝合金和变形铝合金两类。1、铸造铝合金在汽车上的使用量最多，占80%以上。铸造铝合金主要用于制造离合器壳体、变速箱壳体、后桥壳、转向器壳体、摇臂盖、正时齿轮壳体等壳体类零件和发动机部件以及保险杠、轮躺、发动机框架、转向节液压泵体、制动钳、油缸及制动盘等非发动机结构件，且今后有进一步扩大应用的趋势。2、变形铝合金在汽车上主要用于制造保险杠、发动机罩、车门、行李箱盖等车身面板，车轮的轮辐、轮毂罩、车轮外饰罩、制动器总成的保护罩、消声罩、防抱死制动系统、热交换器、车身框架、座椅骨架、车厢底板等结构件以及仪表板等装饰件。镁合金镁是比铝更轻的金属材料，车用铝合金几乎都含有镁元素，所以也有称作铝镁合金，它可在铝减重基础上再减轻15％～20％。镁合金(1)车身用镁合金的分类与适用性根据镁合金是否含锆划分为无锆镁合金和含锆镁合金两类。根据工艺加工工艺划分，镁合金可分为铸造镁合金和变形镁合金两大类。汽车所用的镁合金材料。目前还多以铸造镁合金为主。镁合金(2)车身用镁合金的特征和性能①质量轻，显著地减少其启动惯性，并节省燃料消耗；②较高的比强度、比弹性模量和刚性。③高的稳定性，稳定的收缩率，铸件和加工件尺寸精度高；④镁合金具有良好的阻尼系数，良好的降噪减振性能；⑤导热性好，电磁屏蔽性能较好，适合于发出防电磁干扰的电动汽车；⑥与塑料相比，可回收性能好，符合环保要求；⑦切削加工性能极好；⑧铸造成型性能好钛合金钛合金是一种新型结构及功能材料，它具有优异的综合性能，密度小，比强度高。钛的密度为4.51g/cm3，介于铝(2.7g/cm3)和铁(7.6g/cm3)之间。钛合金的比强度高于铝合金和钢，韧性也与钢铁相当。钛及钛合金抗蚀性能好。钛合金在20世纪50年代中期，钛材进入了汽车工业。步入90年代，随着世界性能源短缺及人们环保意识的加强，尤其是汽车工业，美国、日本和欧洲等国先后颁布了系列生态法规，对燃油利用率，二氧化碳排放量、汽车减重、汽车的安全性、可靠性等提出了更高的要求。许多发达国家和著名的汽车制造商都积极开发并增加在汽车用钛方面的研究投入。为汽车用钛提供了强大动力。进入新世纪，我国钛工业也逐步步入汽车领域。在当前汽车市场上，随着豪华汽车、跑车和赛车需求逐年增加，钛制零部件亦逐年增加。钛合金钛在汽车上的用途主要分两大类，第一类是用来减少内燃机往复运动件的质量(对作往复运动的内燃机零件来讲，即使减少几克质量都是重要的);第二类是用来减少汽车总质量。根据设计和材料特性，钛在新一代汽车上主要分布在发动机元件和底盘部件上。6.4复合材料和塑料制品一、复合材料二、碳纤维复合材料三、铝蜂窝夹层复合材料四、塑料制品复合材料复合材料是指将两种或两种以上物理性质和化学性质不同的物质结合起来而制得的一种多相固体材料。复合材料通常是由基体和增强体复合而成。在工程上，所谓复合材料通常是指将一种材料人为均匀地分散在另一种材料中，以克服单一材料的某些弱点，使之优于各组分材料的综合性能，有时甚至成为各组分材料所没有的优良性能的新材料。复合材料复合材料主要由基体与增强材料组成。增强材料是复合材料的主要承力组分，它能大幅度地提高基体树脂的强度和弹性模量，而且能减少复合材料成型过程中的收缩，提高热变形温度。复合材料复合材料按其组成分为金属与金属复合材料、非金属与金属复合材料、非金属与非金属复合材料。复合材料按其结构特点又分为纤维复合材料、夹层复合材料、细粒混合材料和混杂复合材料。复合材料车身车身用复合材料特征复合材料是由多种组分的材料组成，许多性能优于单一组分的材料。①轻质高强车身用复合材料特征②耐撞击，抗断裂韧性好。玻璃纤维增强复合材料的抗撞击断裂能力是钢的5倍以上。复合材料在抗撞击断裂方面要比一般的金属材料强得多。③减振、隔音性能好④可设计性好复合材料可以灵活地进行产品设计，具有很好的可设计性。对于结构件来说，可以根据受力情况合理布置增强材料，以达到节约材料、减轻质量的目的。车身用复合材料特征⑤电性能好复合材料具有优良的电性能，通过选择不同的树脂基体、增强材料和辅助材料，可以将其制成绝缘材料或导电材料。⑥耐腐蚀性能好⑦热性能好玻璃纤维增强的聚合物基复合材料具有较低的导热系数，只有金属的1/100~1/1000，是一种优良的绝热材料。⑧工艺性能优良⑨防老化碳纤维复合材料碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90%以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，因此有很高的比强度。碳纤维复合材料碳纤维复合材料碳纤维增强复合材料是汽车覆盖件最理想的非金属材料，在减轻车身质量的同时，也能保持防撞性能。碳纤维复合材料也表现出许多优点，零部件的集成化、模块化、总装成本低、投资小，避免了传统车身的喷涂过程和相应的环保处理及成本。碳纤维复合材料纤维材料不仅比钢材轻，而且难能可贵的是具有很好的能量吸收性能。碳纤维复合材料及应用碳纤维材料碳纤维轮毂碳纤维缸体碳纤维车身铝蜂窝夹层复合材料铝蜂窝是一种仿生结构产品，是根据蜜蜂巢穴的结构特点而制造出来的。蜂窝具有正六面体结构，此种结构不仅美观漂亮，经实验研究，正六面体结构比三面体、四面体、圆柱等多种几何集合体更耐压、耐拉。蜂窝结构，以最少的耗材，创造最强的几何结构，具有优良的力学性能。铝蜂窝夹层复合材料铝蜂窝板的特点(1)重量轻、密度小。铝蜂窝板的特点(2)强度高、刚性好铝蜂窝板的特点(3)抗冲击、减振性好。铝蜂窝板具有较好的韧性和回弹性，力学性能试验结果表明：蜂窝铝板抗压强度极限为407.6~790.4kN/m2，抗弯强度极限为740.0~788.0kN/m2，抗压刚度为5.0~7.5kN/mm2，抗弯刚度为0.40~0.66kN/mm2，夹层剪切力纵向为3.6~7.1kN，横向为4.6~5.9kN。铝蜂窝板的特点(4)吸音、隔热。在蜂窝铝板中，实体部分体积仅占1％~3％，其余空间内是处于密封状态的气体，由于气体的隔热、隔音性能优于任何固体材料，所以蜂窝铝板具有良好的隔热和隔音性能。铝蜂窝板的特点（5）无污染、符合新能源环保汽车的设计理念。蜂窝铝板全部用铝合金制造，使用后可以通过回收反复利用，节省资源，此外铝蜂窝板还具有电磁屏蔽等作用，在一些专用车等都得到应用。铝蜂窝板应用实例塑料制品塑料是由非金属元素为主的有机物组成的，具有密度小，导热和电导性差，耐酸、耐碱、易老化等特性，塑料的机械性能随温度和时间而变化，塑料在汽车中的应用遍及所有总成，习惯将它们分为内装(饰)件、外装件和功能件。轻型钢结构一、激光拼焊板二、连续变截面板三、空心变截面钢管技术四、轻型结构对比轻型钢结构目前汽车车身轻量化技术主要包括结构的合理优化设计和轻质材料的使用，而在轻质材料使用方面又可分为更换材料种类和改变材料结构方式两类。将高强度钢应用于车身，虽然没有更