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汽车轻量化：钢铝之战，孰更胜一筹

2016-1-20 11:57 3696 3 原作者: 李辉博士来自: 中国汽车材料网

简介

汽车用板的性能指标要求及相应的影响因素如表1所示。原材料的强度、塑性和n/r值等性能指标，均会影响后续深加工过程的成型、润滑等使用性能。这些性能指标可通过对原材料成分（纯净度、合金元素含量）和加工过程中的 ...

汽车用板的性能指标要求及相应的影响因素如表1所示。原材料的强度、塑性和n/r值等性能指标，均会影响后续深加工过程的成型、润滑等使用性能。这些性能指标可通过对原材料成分（纯净度、合金元素含量）和加工过程中的形变规程、热处理工艺等参数的控制来进行调节优化。
表1 汽车覆盖件用板的性能要求及相关影响因素

参数指标	相关性能	影响因素
强度	设计	成分、晶粒度和形变
塑性	成型，失效破坏表征	成分的纯净度及热处理的优化
延展性r值	挤压成型	轧制/退火工艺的优化，获得合理的织构
加工硬化n值	拉延成型、能量吸收	成分及晶粒度
表面质量	成型过程润滑性、喷涂性	平整工艺

      鉴于当今汽车轻量化的国际形势，车用原材料生产企业及相关院校、科研院所等，都在自己的领域内寻求行之有效的方法和途径。车身覆盖件的轻量化，钢企（及相关科研人员）以高强钢为方向，在提高钢板强度保证安全性的前提下，降低板材厚度来实现减重；铝企（及相关科研人员）基于铝合金密度低的强势特性，更是提出汽车铝板的大范围应用来代替传统钢板来实现轻量化，甚至出现全铝车身。自此，“钢铝之战”便一发而不可收拾，究竟孰优孰劣，本文将逐一解析。

   1、汽车用合金钢
   在减重节能（轻量化）概念提出之前，钢以其卓越的“多才多艺”性，如良好的成型性、高强度和低成本等，大多数车型均是以钢制为主。基于法律法规及环境需求等因素，相关企业也在不断进行产品提档升级。简言之，车身用钢的优点可总结如下：
   低成本、易成型性、镀锌后耐蚀性、良好焊接性、可回收性和碰撞过程高的吸能性。
   钢板在车身应用过程中的主要缺点是重、需要涂层防腐。
   车身用钢的强度在不断提高，现已使用的已有超过1800MPa级别(热冲压成形钢)，但是刚度却一直没有明显的变化。在车身结构设计中，日本选用抗拉强度，而欧洲习惯于用屈服强度，因而其对高强度钢的定义也存在差异，这是两家的关键区别。这也是造成日本报道的车型中所选用高强钢强度级别偏高的原因。
2、汽车用铝合金
   铝合金的优越性在于其低的密度，由其来代替钢板，重量可降为钢的三分之一，但是成本却翻倍。虽然铝的密度是钢的三分之一，但是同样其弹性模量（69GPa）远低于钢（210GPa）。在众多车身部件中，刚度是一个重要的性能指标，所以铝制部件需要增加厚度来对刚度进行补偿。铝制部件成本的翻倍，包括相关加工成本，如焊接设备的改进和喷涂过程的变化等。目前发现的铝制部件的一个比较大的缺点是特殊部件的昂贵维修成本。
   铝合金的优缺点可总结如下：
   优点：低密度、耐腐蚀和可回收性
   缺点：高成本、比钢低的成型性和焊接性
   鉴于铝合金的各项性能指标，发现其也有一定的局限性，在以下情况是不适用的：
      1）服役温度超过200℃，或者在受力状态下超过100℃；
      2）与水接触或者不加防护在地下长期工作；
      3）氧化膜不完整的情况下在高/低的PH环境；
      4）需要热/电绝缘；
      5）需要低的热膨胀；
      6）当强度需要超过500MPa；
      7）当疲劳极限需要超过230MPa；
      8）期望得到低的弹性变形；
      9）需要磨损性能。
   3、钢VS铝
   部分汽车用钢、铝的性能对比分析如图1所示。在相同的应力下，铝合金比钢具有更大的应变。在相同的碰撞过程中，可以吸收更大的能量。与无间隙原子IF钢相比，5182与6016铝合金的强度与之相当，而塑性较低。由强度-延伸率图可以看出，5000/6000系列的车用铝合金强度与IF/BH钢相当，而延伸率与DP/TRIP钢相当。但值得一提的是，具备如此性能的同时，其重量却减轻很多。所以提出一个“比强度”的概念，即强度/重量，作为衡量指标。以比强度来衡量，铝合金便与高强度DP/TRIP钢相当。

图1 不同材料的强度/比强度VS延伸率

汽车车身各部件，根据部位和作用的不同，对强度和刚度提出了不同的需求，如图2所示。B柱，对强度的要求高于刚度，故在材料的选用中应倾向于强度的保证；而门板，对刚度的要求高于强度，故应选刚度良好的原材料。

图2 不同部件对强度/刚度的要求

前已述及，汽车用钢的强度是不断提高的，而刚度却没有明显的改变。对强度、刚度的示意图如图3所示，高强钢替换传统钢板后，通过减薄，在保证强度不降低的前提下，实现轻量化。但厚度减薄的同时，截面刚度也大大降低，使用过程中保证不了刚度；铝合金替换传统钢板后，通过增加40%的厚度，同时保证强度、刚度不损失，却可以实现减重50%。但由于铝合金部件厚度的增加，对部件包装、运输和应用部位等都有一定的局限性。