张 进
鲁北技师学院，山东 滨州 256600
摘要：汽车材料是汽车生产和使用过程中的重要组成部分，它直接关系到汽车的性能。随着科学技术的进步，各种新的汽车材料层出不穷，使汽车材料的发展呈现出多样化的趋势。汽车的材质不断更新，将会对汽车的性能产生很大影响，同时也会促进汽车工业的迅速发展。文章对我国汽车材料的轻量化发展进行概述，并对其在汽车材料中的应用情况及存在的问题进行了讨论。
关键词：汽车材料；轻量化；激光焊接；热压成型
分类号：U465
随着汽车的逐步普及，汽车的使用也带来了许多负面效应，例如燃油消耗、报废汽车处理等问题。因此，在汽车设计和制造方面进行革新，是一种行之有效的方法，特别是引入轻量化技术，既可以减少环境污染，又可以提高汽车的安全性和环保性，为今后的汽车发展指明了方向。因此，分析汽车的轻质材料和生产技术是非常有意义的。
1 汽车材料的发展
1.1 向轻量化发展的汽车材料
相关研究显示，汽车每降低100 kg的重量，每行驶100 km的油耗就会降低0.3～0.5 L，CO2排放量也会降低8～11 g。因此，汽车的轻量化将成为未来汽车发展的重要方向之一。汽车材料的轻量是汽车轻型的关键，今后汽车材料将会向轻型方向发展[1]。
1.2 高性能、多元化的汽车材料
随着科学技术的进步，车辆的材质不断更新和变化，其种类和性能也越来越丰富。目前，我国汽车行业还将以金属材料为主，其中某些性能优异的金属材料将会成为汽车材料研究和应用的热点。复合材料因其可设计性，在今后的汽车生产中会得到广泛的应用，如树脂基复合材料、金属基复合材料等[2]。
1.3 向绿、环保方向发展的汽车材料
绿环保已经成为21世纪人类发展的一个重大课题，如何提高汽车的环保性能、安全性能、人工智能等是当今世界汽车工业的一个重要发展内容。尤其是在汽车的重量上，通过降低整车的总重量，可以有效减少车辆能耗和尾气排放，缓解环境污染问题。节约、绿、循环成为汽车新材料、新工艺的发展趋势，轻量化、绿材料和循环利用则成为汽车新材料的主要发展方向，绿复合材料的应用将会更加广泛。
2 我国汽车材料轻量化发展现状
我国的轻量化发展虽已初具规模，但与世界各国相比仍有很大的差距。首先，我国的技术水平较低，对国外技术的依赖性较强。汽车轻量化技术专利主要集中在日本（占整个技术专利的37%）、德国（占17%）、美国（占14%）等国家，上述三个国家占全球汽车轻量化技术专利的68%[3]。我国应该重视轻量化技术的发布，提高自主创新能力，自主研发出性能优良的轻量化轿车。其次，我国目前还没有一个健全的汽车行业组织机构，没有设立专门的研究机构，对企业、高校、科研机构之间的合作不够重视。在国外，既有国家的扶持，也有建立“公司+大学+科研院所”的工业组织体制。最后，我国缺少相应的汽车轻量化政策。各国制定政策支持和引导汽车轻量化的技术规范，包括燃油经济性、温室气体排放、技术要求和指标；技术项目包括重点共性技术的研究和开发，鼓励和支持行业间的协作。因此，我国还应该加大政府的引导力度，制定相应的政策，促进我国汽车的轻量化技术的发展。
3 轻量化材料在汽车结构中的应用
3.1 高强度钢材
钢材是汽车结构中最常用的一种材料。采用高强
作者简介：张进，女，硕士，讲师，研究方向为汽车美容、工学一体、产教融合、校企合作。
文章编号：2096-3092（2022）05-0066-03
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度钢材降低车身结构中钢的用量是实现汽车结构减量化的关键。通常，钢的增强方法有五种：一是碳化。由于钢中含碳量的差异导致了钢的刚性变化，为了获得高强度钢，必须严格控制钢中的含碳量。因此，应适当提高钢材中的珠光体含量并减少铁素体含量。二是添加合金。加入合金可以大幅度提高钢材的强度，合金元素的种类也会对其性能产生较大的影响，使其应用范围显著扩大。三是应用固溶法。即通过添加磷、硅、锰等元素，使钢材的强度得到增强。四是热处理。通常经一系列的冷热交替加工后，钢材的金相组织结构会发生改变，从而提高钢材的强度。此外，热处理还能改变钢中的碳等成分，使得钢中的各成分在一定程度上具有不同的性能。五是增强应力。当钢材在承受一定的张力时，其屈服强度有可能增加。由于钢材在承受一定的应力后，其表面会产生应力，从而消除其弯曲应力、扭转应力等[4]
。
高强度钢材是生产汽车外壳、结构零件的重要材料，具有良好的经济性和较高的强度。不过它的缺点也很明显，那就是抗腐蚀能力很弱。铝合金、镁合金等新材料的应用范围也不尽相同，因此高强度钢材在未来很长一段时间内都会成为汽车的重要原料。
3.2 铝和铝合金
采用铝材替代钢材，可以降低汽车结构的重量，但由于其杨氏模量和强度均低于钢材，因此应用较为困难。目前，汽车铝合金材料的开发与开发，已成为我国汽车工业发展的热点。在最理想的情况下，铝合金取代钢可以使汽车零件的重量降低30%～50%，而纯铝的车身重量降低30%～40%。从经济性的观点来看，该方案适用于汽车全铝化60%以上的汽车。当然，目前铝作为汽车的主流材料仍有许多不足之处，例如铝的承载力相对较弱、铝的加工比较困难等，这些都是今后汽车工业必须解决的问题[5]
。
3.3 镁和镁合金
镁是一种很轻的金属，但它的强度要比钢铁更大，而且它的机械性能、抗腐蚀能力、减震能力都要比铝合金好得多，毫无疑问，镁是一种很好的轻量化材料。此外，由于其低密度和低熔点，所以其熔化能量低、填充速度快，适合于各种形状的成型。所以，在汽车的结构设计中，以镁合金代替钢、铝合金等材料，不仅可以降低车辆的重量，还可以改善车辆的整体性能。此外，镁合金的再生性能也非常好。现在，美国几家知名的汽车公司，如通用，正在努力将镁合金的成分
添加到汽车的内部。随着镁和镁合金在汽车工业中的应用前景越来越乐观，相信用不了多久，镁和镁合金就会成为汽车的主要原料。
3.4 钛合金
钛是一种可以耐1 600 ℃以上高温的稀有金属，是一种很好的耐热材料。而且钛的力学性能和抗腐蚀性能都很好，在普通工程材料中也是数一数二的。采用钛合金制作的汽车零件具有使用寿命较长、重量轻、减振性好的特点。随着科技的进步，钛的零部件已逐步用于轿车的车门、音响和装饰品等。钛合金的最大缺陷在于它的生产成本高，难以处理，提炼工艺也不成熟，因此目前只能在跑车和高级轿车上见到。
3.5 精密陶瓷和球墨铸铁
精密陶瓷是由高纯度、超细粉经特殊工艺处理而成的非金属材料。该材料的力学性能优良，广泛用于汽车引擎及各类传感器的生产。球墨铸铁的质量是钢材的90%，所以采用球墨铸铁来替代钢材，可以显著减轻车身的重量。目前，国内外的汽车研究机构和制造商都在努力将球墨铸铁用于汽车结构中。此外，球墨铸铁因其特殊的性能，可以将多个部件组合在一起。
3.6 塑料
不同类型的塑料还可以用于汽车的构造，比如前、后两个保险杠都可以采用聚丙烯，再加上石灰粉。这种结构的相对密度约1.2，并仍有一些强度。所以用塑料来替代某些金属部件，可以有效减轻车辆的重量。目前，塑料的使用范围广泛，如车灯、扶手、仪表板等。同时，在汽车车身、引擎周边使用的塑料越来越多，在汽车部件中所占的比重越来越大[6]。
汽车厂3.7 复合材料
随着汽车技术的不断发展，以复合材料为基础的轻量化技术已经逐渐成为当今汽车轻量化技术发展的主要趋势。由于复合材料具有强度高、力学性能好、易于成形等优点，因此在汽车工业中得到了广泛的应用。通常采用的复合材料有三类：第一类是强化玻璃纤维塑料（Glass Fiber Reinforced Plastic,GFRP），GFRP 主要用于汽车车身的外部部件的生产；二是碳纤维强化材料，它具有高强度、高弹性等优点，目前已经有许多国家开始研发，主要用于汽车车身、概念汽车等；三是凯夫拉（Kevlar），是美国杜邦（DuPont）公司研制的一种芳纶纤维材料产品的品牌名，材料原名叫“聚对苯二甲酰对苯二胺”。该材料目前还处于开发阶段，但因其造价昂贵，在汽车的轻型设计方面受到限制。
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4 汽车轻量化制造工艺
4.1 激光焊接技术
在汽车零部件的制造中，利用激光焊接技术，能使汽车部件的重量减轻。尤其是底板、侧围、尾门内板等部位，采用激光焊接技术，能保证各个焊点的完整性和连贯性，从而提高车辆的使用效率，降低车辆的材料损耗，并能降低车辆的生产成本[7]。激光焊接工艺有以下优点：
（1）利用激光焊接技术，可以将不同强度、不同厚度的钢板进行无缝焊接，从而达到降低汽车质量的目的。这种新技术
能够有效提高汽车的刚度，增加汽车的抗撞性，保障汽车的安全性和综合性能。
（2）激光焊接工艺可以有效改进整个汽车生产过程，并且可以减少模具的数目，从而降低生产成本，提高企业的经济效益。
（3）汽车激光焊接工艺要求非常高，并且采用了无缝焊缝，具有很好的抗腐蚀性。
近年来，由于科学技术迅速发展，激光焊接技术已有了一些成果，但在实践中仍有一些缺陷。激光焊接工艺的母材焊缝和尺寸可能与常规钢材有一定的差别，不能有效地控制起皱、开裂。因此，如何正确地设计出适合于激光焊接的模板，使其更好地发挥其自身的优点，成为今后激光焊接技术发展的必然趋势。
4.2 热压成型技术
在汽车的设计与生产中，要达到轻量化的目的，必须采用热压成型技术，这对整车的生产具有重大的意义。热压成型技术主要是通过对薄板进行热处理，即形成奥氏体，然后再进行深加工。这样能使车身结构轻质化，提高车辆的抗冲击、耐腐蚀等性能。在特定的汽车生产和加工中，热压成型技术具有其特殊的优越性，主要表现在以下方面：
（1）热压成型工艺具有较低的回弹力，可以对汽车零部件进行精确的尺寸控制，为装配工作打下良好的基础。（2）采用热压成型工艺制造出的零件更薄，可以有效地减轻车身的重量，达到减轻车辆重量的目的。（3）利用热压成型工艺生产的制品具有良好的延展性和可塑性，能完成更多复杂部件的制作。（4）利用该技术可以有效减少材料的塑性，提高车
辆的材料利用率，从而减少车辆的生产成本，为汽车企业创造更多的经济效益。（5）该技术制造的汽车部件具有较高的表面硬度，可达50 HRC，是常规工艺的2～3倍。
然而，国内的热成形技术和制造技术并不成熟，无论在技术上还是规模上，都无法与世界先进水平相提并论，无法适应国内的需求。目前国内大多汽车制造厂家还是采用进口技术，缺乏自主创新。随着汽车工业的发展，越来越多的科研机构开始关注到热成形技术，并在此基础上进行了大量的研究工作。
5 汽车材料轻量化需注意的问题
（1）在不影响整车性能和安全的情况下，应尽量减少零件的质量。采用轻型材料时，首先要考虑到材料的应用能否确保车辆的安全，而这是实现汽车材料轻量化的前提。大量的交通事故统计显示，乘客的伤亡率与汽车本身的重量成反比。目前，汽车工业正努力解决汽车的重量和安全性之间的矛盾。要想有效地解决这一问题，研制出具有高强度、轻质、高吸收能量的汽车部件，具有十分重要的作用。
（2）要正确认识到汽车材料的轻量与原材料、资源的关系。若采用低能耗、低成本的轻质原料，势必会增加汽车的生产成本。因此，在选择原材料时，必须注重选择低成本、高性能的原材料，以在降低生产成本的前提下，实现对汽车材料的轻量化。
6 结束语
总之，随着社会经济的发展，人民的生活水平提高，对汽车的需求量不断增加，而材料是关系到车辆性能的重要因素，因此在今后的发展中，汽车材料将会朝着轻量化、高性能、多样化、绿环保的方向发展。要达到轻质化的目的，关键在于采用轻质材料和改进生产技术，以达到轻质化的目的，促进我国汽车工业的可持续发展。
参考文献
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