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汽车工业研究·季刊2020年第4期
特性与结构
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……………………………………………………………………………解明思
《中国制造2025》中，把轻量化及新能源汽车当成汽车产业发展的重要方向。研究表明，约75%的能耗与整车质量有关，若整车质量降低10%，则平均节能5%~6%。如果降低300kg ，燃油汽车寿命期内可降低排
放20%[1]。铝合金具有密度小质量优的特点，其密度约为钢材的1/3，具有良好的回收性，采用铝板替代钢板可有效减轻汽车重量，由于铝合金的比强度高等特点，其强度等各项指标也满足替代钢材的需求，是理想的汽车轻量化材料。近年来随着新能源汽车的日益普及，续航里程成为制约新能源汽车进一步发展的瓶颈，对汽车轻量化需求更加迫切，以铝代钢的轻量化趋势越来越猛烈，铝合金在车身、轮毂、发动机、散热器、油管等
方面的应用非常广泛。同时，由于铝板在头部碰撞的行人保护上有天然的
优势，铝合金机盖已经成为当今汽车的趋势。
铝板与钢板的特性区别
1.1机械性能不同
我挑选了常用在汽车发动机盖外
板的两种材料进行械性能的对比，见表1。
由表1可知：
1.1.1冲压时板材的屈服强度铝板在T4状态下的屈服强度低于钢板对应的机械性能，板料更加容易发生塑性变形，冲压力及回弹量小。发动机散热器
1.1.2成品车板材的屈服强度铝板在T6状态下的屈服强度略高于钢板对应的机械性能，零件稳定性
略高。
1.1.3冲压时板材的抗拉强度铝板在T4状态下的抗拉强度低于钢板对应的机械性能，板料更加容易发生颈缩现象及断裂。
1.1.4成品车板材的抗拉强度铝板在T6状态下的抗拉强度接近钢板对应的机械性能，零件受到外力时抗断裂能力相近。
1.1.5冲压时板材的断后伸长率铝板在T4状态下的断后伸长率低于钢板对应的机械性能，板料塑性低，冲压时易开裂。
1.1.6板材的弹性模量
铝板的弹性模量低于钢板对应的机械性能，材料刚度小，在一定应力作用下，发生弹性形变大。
1.1.7板材的密度
铝板的密度低于钢板对应的机械性能，零件轻量化效果更好，车辆行驶时可以降低能源的消耗。考虑到减薄及刚度问题铝板需要比钢板机盖更厚，通常铝板机盖能够减重42%~48%
1.1.8塑性应变比
铝板的塑性应变比低于钢板对应的机械性能，在拉应力条件下，更加容易变薄开裂，成型性不及钢板。
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1.2耐腐蚀性不同
铝在空气中表面可生成一层致密的氧化膜而不会生锈，钢在空气中会产生红锈。经过表面处理铝板的耐腐蚀性能大大高于钢板。
1.3NVH 性能不同
由于铝合金具有更良好的阻尼特性，铝板机盖表面振动响应比钢板机盖明显更弱，表面辐射噪声也小。
1.4散热性能不同
由于铝合金与钢在吸收相同热量的情况下，铝合金的温度更高，其对外热辐射、热扩散也就越快，因此铝板机盖的散热性更好。
1.5回收利用率不同
由于铝合金在使用周期中几乎不发生腐蚀损失，目前工业中的常规材料里，铝合金的回收率在85%以上，
是最高的。而且再生铝合金的能耗只有铝土矿炼铝（电解铝）的
3%~5%，因此可以节约大量能源，绿环保。
铝板发动机盖与钢板发动机盖的特性区别
根据前文提到的铝板与钢板的特
性区别，我们可以发现相较于传统钢板机盖，铝板机盖有以下优点及缺点：
2.1铝板机盖优点
2.1.1铝板机盖相对钢板机盖密度
小，质量轻，节能减排，满足车身轻
量化要求。
2.1.2铝板机盖相对钢板机盖更加
有助于提高乘车舒适性。机盖质量减轻后车身重心降低，汽车行驶更加稳定、舒适。
2.1.3铝板机盖相对钢板机盖具有更好的耐腐蚀性，相同使用环境下，铝发盖的使用寿命更长。
2.1.4铝板机盖相对钢板机盖具有更好的NVH 性能，带给乘客更加直接的舒适感受。
2.1.5铝板机盖相对钢板机盖具有更好的散热性能，从而延长发动机的使用寿命，降低自燃发生的概率。2.1.6铝板机盖相对钢板机盖更加易回收，循环利用率高，绿环保。
2.1.7铝板机盖具有天然的行人保护优势，更加安全。铝合金的弹性模
量相对钢板更小，刚度小，在相同的作用力下，发生弹性形变更大，从而降低行人头部碰撞机盖时产生的伤害值。
2.2铝板机盖缺点
2.2.1铝合金原材料的价格高于钢
铁。由于铝土矿在烧结出氧化铝时需要消耗大量能量，而且铝的化学性质
比较活泼，氧化铝具有很高的键能，电解铝消耗的电能很大，所以铝的生产成本要高于钢铁。
2.2.2铝合金的冲压模具价格通常
比钢板冲压模具贵30%。从表1钢材与铝材机械性能对比表可知铝合金成型性能差、回弹大难以控制，对于模具工艺人员及调试工人的技术水平要求更高。2.2.3铝板的硬度比钢板硬度低，
表面易划伤、碰伤，因此在整个物流运输及生产工艺中都要更加仔细、严格，维护成本高。
2.2.4铝板焊接工艺性没有钢板好。由于氧化铝膜的存在使焊接容易形成夹渣及气孔；较大的比热使得焊接时需要消耗比钢板更多的热量；较大的线膨胀系数使得铝合金在凝固时体积收缩率达到
6.5%，从而产生内应力，因此容易产生热裂纹。
铝板发动机盖与钢板发动机盖结构区别
由于铝板与钢板的特性区别，所
以在设计铝板机盖时要注意以下的结构区别：3.1铝板机盖料厚通常比钢板机盖更厚
3.1.1避免铝板机盖在成型过程中
的板料出现开裂问题
表1铝板与钢板机械性能对比表
机械性能
屈服强度R p 0.2（MPa ）抗拉强度R m （MPa ）断后伸长率A80（%min ）弹性模量E （MPa ）密度ρ（kg/m 3）塑性应变比r 加工硬化指数n
钢材DC04
130-210270-3503820600079001.60.180
铝材6016-T480-140170-250247000027000.70.224
6016-T6180-260280-3001070002700
图1
某车型铝板机盖照片
图2某车型钢板机盖照片
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研究表明金属板料成形极限与板料n 值、r 值和厚度t 值存在显著的相关性，为线性关系[2]。由于铝合金的r 值塑性应变比较小，成型过程中容易减薄，所以想要提高汽车铝板成型极限则需要提高料厚t 值，以避免过大的减薄造成的板料开裂。
3.1.2提高铝板机盖刚度
由于汽车铝板的弹性模量要远小于汽车钢板的对应机械应能，因此相同料厚的铝板与钢板机盖在实际应用中，铝板的刚度会明显低于钢板，因此为了弥补铝板机盖刚度不足的问题，汽车铝板的料厚通常会比钢板要厚。
3.2结构上铝板机盖内板通常更多地对机盖外板进行支撑
由于铝合金的弹性模量较小，材料刚度小，因此在相同的作用力下，铝板机盖比钢板机盖更容易发生弹性形变。钢板汽车机盖内板通常只在机盖中心处外板容易塌陷的地方为外板提供支撑，以防止机盖塌陷。而由于铝合金较软，铝板汽车机盖的内板则需要尽可能多的为机盖外板提供支撑，通常是整个机盖面积都需要支撑。
图1为某车型铝板机盖照片。图2为某车型钢板机盖照片。两张照片可以清晰地看出两种材质机盖内板的结构差别。3.3铝板机盖的拉延深度通常要小于钢板机盖
由于铝板的塑性应变比低于钢板，在拉延成型时容易减薄开裂，成型性能不及钢板，可以达到的拉延深度也不及钢板，因此铝板机盖的拉延深度也会有所限制，不可太深。在实际生产中，铝合金的减薄通常不能高于16%，否则有很大的开裂风险。3.4铝板机盖的各种特征圆角尽可能做大
在圆角成型时由于相对弯曲半径r/t 越小，圆角处的形变量越大，开裂的风险也就越大，在汽车铝板上更为
明显，因此铝板机盖内板的各种特征原件应尽可能做大，避免在成形过程中发生开裂现象。3.5铝板机盖的铰链布置空间更为灵活
由于铝合金能够在空气中产生致密的氧化膜，且铝板后续也会做一系列表面处理，机盖通常不需要打折胶也可以通过整车盐雾试验及整车道路强化耐久试验从而达到整车的寿命目标，因此不少主机厂的铝板机盖通常是不打折边胶的。这样避免了折边胶
在烘烤时产生的内应力，同时在布置机盖铰链时由于不必考虑打折边胶的操作空间，铰链的可布置空间更大。
铝板发动机盖前景展望
为了减少能源消耗和空气污染，
汽车轻量化是汽车行业的发展趋势。为了更好地实现汽车轻量化，现代汽车越来越多地使用轻合金材料。铝、镁合金在现代汽车的轻量化中发挥着越来越重要的作用，被认为是21世纪最富于开发和应用潜力的“绿材料”[3]。
能源与汽车的较量是21世纪大国之间最核心的较量。为了实现中华民族伟大复兴的中国梦，汽车轻量化必将是一个我国汽车行业迎来的一个机遇与挑战。发展汽车铝板在发动机盖上的应用，尽可能多地在铝板特性及铝板机盖结构上挖掘新技术、新工艺也是我们汽车人肩负的历史使命。
参考文献
[1]韩维建等，汽车材料及轻量化趋势[M].机械工业出版社，2017
[2]李言波，刁可山，路旭，蒋浩民基
于多元线性回归的6016汽车铝板FLD 0预测模型[J].塑性工程学报，2015.8：146-150[3]W.S Miller ，L Zhuang ，J Bottema Re⁃
cent Development in Aluminium Alloys for the Automotive Industry[J].Materials Science and Engineering,2000,A280:37-49
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