材料与人类文明

汽车材料的发展与人类文明赵宇鹏(西安交通大学外国语学院英语系陕西西安710049)摘要：原始社会由于生产力的发展,出现了畜牧业和农业的分工,开始了产品交换,产生了局部范围内的小量运输.后来出现了手工业和农业的分工,产生了货币,商品交换量迅速增加,运输的范围和数量也相应扩大和增长.社会分工越来越细,逐渐形成专门从事旅客和货物运输的运输业和专门传递信息的邮电业.运输从古代的人力拖拽到今天的航空运输,邮电从古代的烽火报警到今天的卫星通信,都经历了漫长的道路.。材料的发展在社会的发展变迁过程中起了至关重要的作用。材料的发展满足了人类大型运输的需求，大大提高了效率，节省了人类，推动了人类文明的进步。现如今，汽车正在逐步走向智能化和轻量化，带给人们更舒适的驾乘体验已经更高的安全性。关键词：汽车运输材料人类进步引言材料是人类生产和生活所必须的物质，人类社会的发展伴随着各种材料的不断开发和利用。目前，世界上已存在的自然材料和人工材料有近百万种，自然材料仅占1/20，其余均为人工材料。在当前社会中，绝大多数的生产和生活用品是采用人工材料制造的，人工材料在材料科学的发展中有着极其重要的地位。在现代社会里，材料、能源、信息被称为现代技术的三大支柱，而能源和信息的发展，在某种程度上又依赖于材料的进步。因此，材料科学的发展在现代工业社会中占举足轻重的地位。在人类文明的历史变迁和发展中，由于商品交换的需求，运输业逐渐兴起，随着时代的发展，逐渐成为一个产业。尤其在现代社会经济全球化的背景下，商品的运输跨越海洋和国家的运输，使得交通工具成为重要的媒介。交通运输工具的发展大大提高了人们的运输效率，节约了人力。大大的促进了人类社会的进步。一、钢铁材料在汽车上的应用长期以来，钢铁材料具有成本低廉、机械性能优良、可循环利用性能好等优点，钢铁一直是构成汽车的主要材料，占汽车车身质量的60%—70%。研究表明，汽车质量每减轻10%，可降低油耗6%—8%，燃油效率可提高68%。因此，汽车轻量化成为汽车研究的一个热点问题。在汽车用钢中，合金钢比例较高。国外不少汽车采用含Cr、Ni、Mo等元素的结构钢和含Co量很高的永磁材料，而这些元素的资源都较稀缺，节约合金资源成为指导汽车材料开发和应用的方针之一。构成汽车的零件约有两万多个，在这些零件中，使用了各种各样的材料。其中约86%是金属材料，而在金属材料中，钢铁材料占了80%。汽车的车体钢板，以前使用的是容易成型的软质钢材。为适应轻量化的需求，以后开发了高张力钢板。这种钢板具有成型性好、强度高，并可使板厚减薄的优点。高张力钢板是在原有钢板基础上添加固溶强化型元素(硅、锰等)和析出强化型元素(铌、钛等)，并在钢铁厂退火炉内连续退火而得到。它有着屈服点低的、复合成分多的特点。为降低零件制造所消耗的能源而采用非调质钢，为提高加工能力，也有采用易切削钢。因非调质钢添加了钒，控制了热锻后的冷却速度，省去了淬火、回火的热处理，故确保了强度。它可在汽车的曲轴、连接件、FF车的车轮等部分使用，其用途可望得到进一步扩大。另外，对于易切削且强度降低少而用于齿轮的低铅、易切削钢是一种新的易切削钢材。它可用于小型车的变速器，并具有降低制造成本的效果。钢铁材料是汽车钢铁材料是汽车制造的基础材料，当前，铝、碳纤维等材料在汽车制造中应用越来越多，在诸多可替代材料的竞争下，钢铁材料在汽车中的应用前景如何？其实，每种材料都有其应用价值。钢铁材料是既轻量化又能保证安全,性价比高的一种结构材料；铝合金是提升性能和某些法规要求的轻量化材料；塑料复合材料是轻量化和内饰件的重要结构材料；镁合金是汽车轻量化的结构材料。其他材料如：排气系统的不锈钢等是特殊性能要求的结构材料。对一般乘用车，钢铁材料占整个汽车用材的60%-65%，对商用车，钢铁材料的比例可占80%-85%。因此钢铁材料在目前和今后相当一段时间内，仍然是汽车制造的基础材料。而高强度钢和先进高强度钢就是适应轻量化发展需求而迅速发展的一类新型的钢铁材料。目前，国内钢铁企业为适应高强度、高成形性板材的需求，分别对第一代先进高强度钢、第二代先进高强度钢、第三代先进高强度钢进行了开发，并试制了一些产品，并在汽车生产中得到了大量应用。应该说，对先进高强度钢，特别是双相钢的开发和应用技术研究，国内早已达到国际先进水平，并有专著出版，有力地指导了双相钢的开发和应用。目前，该钢种已基本形成系列，并在汽车工业中应用。在第三代先进高强度钢的开发中，宝钢率先在世界上将Q&P钢实现产业化，并已小批量供应汽车企业进行试用。这些成果已处世界先进水平。目前在高强钢应用方面还存在变形时易开裂、变形抗力大、成形后回弹大、零件尺寸精度不良等问题。为解决高强钢在应用中存在的问题，研发了高强钢板的激光拼焊板，使变形较大的部位由软钢或成形性较好的高强钢来承受，而变形量较小或需要承受较大负荷的部位则使用强度等级较高的高强钢。除此之外，还研发了新的成形技术，如液压成形、辊压成形和热冲压成形等。总体来看，在高强钢的应用方面还有大量工作要做。比如高强钢的成形性尚需进一步改进；回弹的评价、预测、补偿需要做进一步工作；成形的模具寿命需要提升；需要开发新的连接技术和方法以及点焊后的评价方法；需要制定高强度钢的设计准则和应用哲学；需要数据积累，建立数据库等。对于今后高强钢的研发和应用，围绕汽车轻量化，钢铁材料重点是发展第一代和第三代先进高强度钢，并解决这些钢种应用中的问题。对第二代先进高强度钢，重点研究高锰钢的生产工艺技术、焊接和延迟断裂等工艺技术。第一代、第二代、第三代先进高强度钢向更高的强度级别发展，并且对先进的成形技术如热冲压成形、辊压成形、液压成形等进行进一步的开发和应用，从而为汽车行业提供高性价比的汽车零部件。二、复合材料在汽车上的应用现如今，环境问题日益突出，汽车轻量化设计是汽车工业发展在目前的总方向。有资料显示，在各行业的石油消耗中，汽车工业消耗我国石油总量的65%-70%，商用车消耗我国汽车用油的65%-70%，重型商用车消耗我国商用车用油的65%-70%。而2014年，我国石油消耗总量超过5.18亿吨，进口3.08亿吨，对外依存度接近60%。环保方面，每燃烧一升汽油，将产生2.5千克二氧化碳，按目前石油的消耗量，2014年汽车排放的二氧化碳接近10亿吨。因此汽车工业的节能减排对于国家的能源供应和环境保护都具有重要意义。世界各国政府都十分重视汽车业的节能减排，采取各种措施降低油耗，提高燃油效率。我国政府也提出了日益严格的节能降耗政策。那么汽车业该如何应对呢？国内汽车材料技术研究与应用专家、中国汽车工程技术研究院有限公司副总工程师马鸣图教授表示：“汽车轻量化是推动汽车业节能减排的直接和重要的技术途径。”那么，我们该如何理解汽车轻量化这一概念？据马鸣图教授介绍，汽车的轻量化就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染。因此，为了迎合环境保护，车用复合材料也得到了迅速的发展，复合材料与他的组成材料相比优点有①具有很高的比强度和比模量（刚度）②可以在广泛的温度范围内使用，同时其使用温度均高于其组成材料③良好的尺寸稳定性④良好的化学稳定性(聚合物基复合材料和陶瓷基复合材料具有良好的抗腐蚀性)⑤良好的抗疲劳、蠕变、冲击和断裂韧性。而且，未来汽车是属于环境适应性型的新能源汽车，因此，汽车用复合材料要体现环保意识，我们也可以预测，随着材料工业和汽车工业的发展，还会有大量的更高性能的复合材料应用于汽车制造。三、合金材料在汽车上的应用用轻质合金代替钢铁材料是汽车轻量化生产的有效途径，因为合金方便铸造成型.有特殊的特性。汽车用镁合金零件一是它的质量轻,其密度只有1.7kg/m3,是铝的2/3,钢的1/4,换用镁合金就能减轻整车重量,也就间接减少了燃油消耗量。二是它的比强度高于铝合金和钢,比刚度接近铝合金和钢,能够承受一定的负荷。三是它具有良好的铸造性和尺寸稳定性,易加工,废品率低,从而降低生产成本。四是它具有良好的阻尼系数,减振量大于铝合金和铸铁,用于壳体可以降低噪声,用于座椅、轮圈可以减少振动,提高汽车的安全性和舒适性。镁合金虽然有这些优点,但从成本上看它仍然偏高于铝合金。尽管如此,镁合金的应用前景仍然看好:福特汽车公司已开始用镁合金来制造悬架零件、制动盘和制动钳等;而日本1990年每辆汽车用镁量仅5kg,2000年增至210kg,占汽车重量的25%,仅次于铝材而超过钢铁的重量。目前,欧洲和美国正在使用和研制的镁合金零部件多达100多种,汽车用镁量已达6～26kg,平均为12kg。镁合金应用于交通工具,除了减重和降低油耗,还可以提高整车加速、制动性能,还能降低行驶振动和噪音,提高舒适度,可以加快散热,使发动机的综合性能提高一个档次,具有良好的经济效益。铝是轻量化首选材料。在高张力钢板、铝、塑料与一种称为FRP的轻量化材料中，铝起了特别重要的作用。由于铝的比重只有铁的1/3，由铁向铝转换也比较容易，所以把活塞、进气支管、气缸盖、盘轮等都采用了重量轻的铝合金。在美国和欧洲，保险杠、油箱也将钢板改用为铝合金。保险杠用的新铝合金也多次被开发。四、结语综上，汽车用材料应满足汽车轻量化、安全性、环保性以及经济性的要求，并要延长汽车寿命，提高汽车综合性能。未来一段时间，钢铁材料仍旧是汽车用材的主体。但是，钢铁材料的性能会不断提高，各种高性能和高强度的钢会越来越多的应用于汽车制造。与此同时，各种新型材料也很逐步应用于汽车制造中。参考文献[1]马鸣图，何嘉雯，沙维，等.先进汽车用过钢,[M]北京:化学工业出版社,2007年[2]廖军.车用铝合金轻量化材料,[J]汽车工艺与材料,2008年第2期8—10[3]倪德明.铝、镁合金材料在汽车工业中的应用.[J]上海汽车2007.0839—40[4]符锡仁,汽车用陶瓷材料,[J]汽车工艺与材料,1992年第9期34—36