車身材料發(fā)展史

重慶大學課程報告車身材料的發(fā)展與汽車輕量化學生：石東博學號：20130913051t學院：材料學院車身材料的發(fā)展與汽車輕量化1.車身的發(fā)展

1886年，德國工程師卡爾·奔馳和戈特利勃·戴姆勒分別發(fā)明的三輪和四輪汽油機汽車，當時的轎車幾乎沒有車身。進入20世紀，這一時期的轎車車身沿用了馬車車身結構，車身多為木結構形式。l915年福特生產的T型箱型轎車，它確立了以后轎車的基本車身造型，其車身覆蓋件開始采用了薄鋼板沖壓成型。

20世紀20年代，由于材料和冶煉、成型、焊接等方面技術的進步，轎車車身出現了整體式車身結構的設計思想，即用薄壁結構制成硬殼式金屬整體車身。汽車車身由以敞篷為主轉變?yōu)橐苑忾]的箱式車身為主。1925年，在整體式車身結構的基礎上發(fā)明了承載式車身，車身由鋼板沖壓成型的金屬結構件和大型覆蓋件組成，這種金屬結構的車身一直沿用至今。50年代～70年代承載式轎車車身得到廣泛的應用并出現了“車身力學”這一新概念，為轎車車身設計開發(fā)研究建立了較為完整的框架。很多新型材料應用于車身，諸如復合材料、鋁合金材料以及工程塑料等。車身內裝飾已開始廣泛采用人造材料，車身外表涂料則采用具有彈性和高度光澤的合成涂料。隨著高速公路的發(fā)展，車身空氣動力學試驗也逐漸成為轎車車身設計的必要程序，轎車車身的安全性和人體防護問題也提到了議事日程。20世紀80年代以后，轎車車身各分支技術朝著更深入、更系統(tǒng)的方向發(fā)展。在車身材料方面，就金屬材料而言，應用于轎車車身高韌性的超高強度鋼正在不斷問世，并大量采用良好的防腐蝕性鍍鋅鋼板。大量的非金屬材料已廣泛應用于轎車車身并出現了全鋁車身和全塑料復合材料車身等。相關的加工工藝方法(如冷沖壓、特種材料成型加工、各種形式的焊接、噴漆、電鍍、塑料成形等)也日新月異且不斷完善。在轎車主動安全性和被動安全性的試驗與計算機仿真、轎車車身虛擬造型與圖形顯示、空氣動力學試驗與計算模擬、車身電子化設施與裝備、轎車車身剛度、強度、車身結構優(yōu)化以及實驗技術與裝備等領域都取得了長足進展。

汽車問世相當長的一個歷史時期內，節(jié)能并未引起人們足夠的重視。早期人們研究汽車的注意力大多集中在提高動力性和車速上，至于汽車車身也只以尊重人們的習慣為標準來選擇合適的外形。但是，進入20世紀70年代以后，世界性能源危機及其對全球經濟的沖擊，人們的節(jié)能目標開始迅速向汽車工程滲透，車身隨之越發(fā)講究“輕、薄、短、小”了。改善車輛燃油經濟性的主要措施有3個方面：一是減少汽車整備質量；二是提高發(fā)動機效率；三是降低行駛阻力。

車身是轎車的重要組成部分，它對車輛節(jié)能影響巨大，通常車身節(jié)能需要從構造和形狀變化來改進之外，生產應用材料的需求卻是改善節(jié)能設計環(huán)節(jié)的重中之重，在選材上既要充分考慮構件的強度要求，又要考慮倒車身總體重量和耐腐蝕要求。2.鋼板材料在汽車車身上的應用

按照鋼材碳含量的不同，金屬的技術特性也會不同。碳含量越高，其抵抗撞擊的能力越強，但其成型和焊接加工性能就會越差，甚至鑲板工作也會變得難以進行。因此，汽車車身大多采用含碳量為0.1％到0.4％的低碳鋼。近來有采用高抗拉強度鋼材的趨勢，盡管這種鋼材要比常規(guī)軟鋼材薄許多，卻可以提供相同的強度等級。與軟鋼板相比，高抗拉強度鋼板具有更高的抗拉強度，其強度超過490Mpa，屈服點為290MPa，這種鋼材在成型后能保持更好的冷作硬化特性而其成型和焊接性能均不會受到影響。采用這種鋼板可以降低車身總重。必要時，可以采用具有優(yōu)良耐腐蝕性能的鍍鋅鋼板，以獲得最優(yōu)的耐腐蝕性能。

車身部分的零件具有各種不同斷面形式。由于所有這些零件通常都由薄鋼板沖壓而成，因而可以根據需要進行設計，使其具有不同的剛性，或者采用加強件或設計成不同的厚度。圖1

高抗拉強度鋼材和鍍鋅鋼板零件的位置2.1鋼板的制造工藝

鐵（Fe）與碳（C）的合金稱為“碳鋼”。與其它金屬材料相比，碳鋼容易實現大規(guī)模生產，因而其價格也相對較低。因為可以通過添加其它元素或熱處理手段，按要求改變碳鋼的特性，所以碳鋼在各種工業(yè)領域獲得了極為廣泛的應用。由碳鋼錠軋制而成的鋼板廣泛地應用于汽車工業(yè)，這是因為它尤其適合采用沖壓工藝。一輛汽車上的碳鋼用量大約占整車總重的50％以上。

車身使用的鋼板根據制造方法可以分為冷軋鋼板和熱軋鋼板兩類，車用熱軋板通常在1.5mm～8mm之間。熱軋板的表面質量不是很好，其冷加工性能與冷軋板相比要稍差一些，常使用在外觀不需要很美觀的部分，主要用于車身上較厚板件的制作，如車架、骨架和梁等構件。熱軋鋼板是在高于正常重結晶溫度800至900°C的狀態(tài)下軋制而成的。為將鋼板軋制成薄板，又需要進行冷軋，但鋼板會因軋制加工而硬化，所以又需要通過退火處理，使其易于成型，該過程被稱為冷軋鋼板。車身外部板件常使用0.5mm～1.2mm厚的板材，車架等車身結構件多使用2mm-5mm厚的板材，某些重型車輛的車架使用厚度達8mm的鋼板。

在汽車車身部件中，載重車輛（如卡車和箱式貨車）的車架和其它零件采用熱軋鋼板，而冷軋鋼板則大多用于客車的單殼式結構車身。由于處板、縱梁板件有耐腐蝕要求，所以冷軋鍍鋅板得到廣泛應用。

鋼板厚度熱軋加工過程中，存板必須在熱態(tài)正進行軋制，軋制過程中，鋼板會冷卻，無法軋制成薄平板；而另一方面，冷軋鋼板的軋制可以在常溫下進行，因而可以加工出薄鋼板。

鋼板表面由于熱軋鋼板在高溫下軋制，所以鋼板表面會出現黑色氧化皮（黑皮鋼板），鋼板經氧化物浸洗處理后，表面呈灰色；相比而言，冷軋鋼板的表面平滑有光澤（通常稱為光板），因為它在熱軋加工后，經過了酸洗、冷軋、退火以及調質軋制加工。加工過程的難易性及強度大部分車身零部件均采用沖壓成型，沖壓加工的難易性由材料的技術參數所決定，而這些技術參數又由材料的成分以及調質軋制的程度所確定，如果按延伸試驗取得的延伸率來比較沖壓加工的難易性，則熱軋鋼板（SPHC）的延伸率約為35%，而冷軋鋼板的（SPCC）的延伸率約為43%，由此表明冷軋鋼板具有較好的沖壓工藝性。如進行拉伸強度比較，冷軋鋼板（SPHC）的標稱值為320Mpa,則熱軋鋼板（SPCC）為290Mpa，這表明兩者并無大的差異；但對高牌號材料而言，其拉伸強度則降至270Mpa。

鋼板中實際的含碳（C）量一般在0.03到0.1%的范圍之內，尤其對深拉延用鋼板而言，其含碳量低于0.01%，但含碳量在此范圍內時，淬硬和回火等熱處理不起作用。

2.2汽車車身的常用金屬材料的種類

汽車車身的常用金屬材料有：

防銹鋼板：為提高防銹性能，防銹鋼板的表面采用鍍鋅、鍍錫或鋁處理，其中，鍍鋅鋼板的耐腐蝕性能最為可靠，所以這種鋼板在耐腐蝕要求較高的汽車零部件上的應用也最為廣泛。人們熟知的鍍鋅鋼板包括電鍍鋅鋼板、熔化涂鋅鋼板以及合金熔化涂鋅鋼板。鍍鋅鋼板這是一種防銹鋼板，其表面通過電鍍工藝形成高純度的鋅結晶，但其鍍鋅層厚度要比熔化鍍鋅鋼板低，這種板比較適合采用沖壓成型、焊接和表面覆層工藝，因為其表面要平滑許多；但相對熔化涂鋅鋼板而言，由于無法得到厚鍍層，所以其耐腐蝕性能相對較差。鍍鋅合金鋅鋼板為彌補電鍍鋅鋼板和熔化涂鋅鋼板的不足，采用鐵-鋅及／或鎳合金涂于鋼板表面，用以改善鋼板的焊接和涂漆性能。

熱浸鍍鋅鋼板：這種鋼板是通過將鋼板浸入熔化的鋅中得到鋅覆層的，相比其它類型而言，這種鋼板具有較好的耐腐蝕性能，但它在焊接和涂漆性能上要比電鍍鋅鋼板差。

鍍鋅鋼板：鍍鋅鋼板分為兩種：電鍍鋅板（EG）板和熱鍍鋅鋼板（GI）。

高強度鋼板：強度值超過550MPa的高抗拉強度鋼板被用于重型車輛的車架或其它零部件，但其屈服點和屈服率仍然過高，難以提供期望的沖壓工藝性和焊接強度，所以早已確定不將這種鋼板用于汽車車身板件。但后來隨著高抗拉強度鋼板的沖壓性能的改進以及焊接工藝的發(fā)展!這種鋼板目前已被用于骨架構件和加強件，甚至還用作車身板件。高抗拉強度鋼板能夠提供同樣的強度等級，由于它比常規(guī)的軟鋼板薄，所以可用來降低車身重量。

高強度鋼板技術特性：高抗拉強度;高屈服點（材料由彈性變?yōu)樗苄詴r的點）;高屈服率（屈服點與抗拉強度的比值）

鋼板的伸長與抗拉強度間的關系在沖壓成型時，與沖壓模具間貼合時的較低阻力和較大的伸長率有利于進行較深的拉延。一般用途的鋼板：使用這種材料的鋼板使沖壓加工易于進行，但如果為降低重量而減小厚度，則在沖壓強度高時會出現強度不足的情況。常規(guī)的高強度鋼板：這種鋼板具有較高的阻力，它無法與沖壓模具貼合，如果將其用于沖壓加工，則在達到期望的伸長之前，即會發(fā)生斷裂。新型高強度鋼板：這種鋼板具有較低的阻力，它能夠較好地與沖壓模具貼合，并且具有一個比一般用途鋼板更高的強度，從而可以降低車身總重。

深沖鋼板：這類標準材料用于對強度沒有特殊要求的部件，例如支架。但是，那些因幾何形狀復雜或變形程度較大而無法使用高強度鋼的部件也會使用這類材料。這類標準材料可以用車身制造的普通方法和設備進行焊接，且焊接效果很好。例：車頂、底板或行李箱底板。

IF鋼：成型很復雜的零件制造時要承受深沖負荷及拉形負荷而且深沖深度不同，所以應使用IF鋼。這些合金的共同之處是碳和氮的含量很低。其冷變形性和焊接性很好。IF鋼的主要應用范圍是不同深沖深度的深沖件和拉形件，例如側框架。

各向同性鋼板：基本上以拉形方式成型的部件大多數由各向同性鋼制成。各向同性鋼可以用修理廠采用的普通方法進行焊接和釬焊，例如：C柱加強件。

烘烤硬化鋼：在車輛上需具有高強度且成型困難的零件通常由BH鋼制成。車身制造時除了對所有鋼種進行冷強化處理外，同時可以在成型期間再次通過烘提高BH鋼的強度（20分鐘，170°C下加壓力約40N/mm2）。BH鋼的屈服點范圍為180-300N/mm2，最大抗拉強度為500N/mm2，斷裂延伸率為30%。BH鋼可用氣體保護點焊設備和電阻點焊設備焊接且焊接效果較好。車身面板部件盡管成型度高，但必須保證表面質量最佳且具有抗碰撞凹痕性能，因此使用BH鋼制造，例如：車門外面板。微合金鋼：微合金鋼用于對強度和防撞要求較高的部件。但其成型度不高。微合金鋼的屈服點范圍為340-420N/mm2，最大抗拉強度為620N/mm2，斷裂延伸率為20%。這種類型的鋼板可用氣體保護點焊設備和電阻點焊設備焊接且焊接效果較好，例：后部發(fā)動機支架和內部側框架等。

TRIP鋼：TRIP（相變誘發(fā)塑性）鋼（例如DP鋼）用于發(fā)生碰撞時必須吸收較多能量的高強度結構件。TRIP鋼的屈服點范圍為380-450N/mm2，最大抗拉強度為800N/mm2，斷裂延伸率為25%。TRIP鋼可用氣體保護點焊設備和電阻點焊設備焊接，但焊接效果相對差一些。在受熱區(qū)域和焊接區(qū)域會出現材料硬化現象。使用銅基焊料的釬焊方法，MiG釬焊不適用于TRIP鋼。例：A柱內部加強。

多相位鋼：需要很高強度且發(fā)生碰撞時必須吸收大量能量的結構件由CP鋼制成。CP鋼的屈服點范圍為680-720N/mm2，最大抗拉強度為1150N/mm2，斷裂延伸率為10%。因CP鋼在受熱區(qū)域和焊接區(qū)域會出現材料硬化現象，所以只能在一定條件下進行氣體保護點焊和電阻點焊。CP鋼與高強度鋼種之間不宜采用焊接方式實現連接。使用銅基焊料時，CP鋼不能采用MiG釬焊。CP鋼用于后部發(fā)動機支架內的擋板。此外，B柱加強件也由多相位鋼制成。馬氏體相位鋼：對防撞要求很高的部件（即在很短的碰撞變形行程內要吸收大量的能量）由MS鋼制成。MS鋼的屈服點范圍為750-1100N/mm2，最大抗拉強度為1400N/mm2，斷裂延伸率為5%。MS鋼制成的部件大多數用于損壞時必須完整更新的螺紋件。例：側面防撞保護件由MS鋼制成。

硼鋼：對于那些既要求具有最高強度又要求高成型度的部件來說可使用硼鋼。使用硼鋼可以最大限度地減輕重量。硼鋼是含微量硼元素的合金鋼，它的可硬化性明顯改善。例：A柱加強件、B柱上部加強。3.輕合金材料的運用

目前國外主要采用輕量化的金屬有：鋁合金、鎂合金、鈦合金等。

3.1.1鋁合金

鋁材在車身上的應用在近幾年非常突出。鋁合金強度高且質量輕，耐腐蝕性優(yōu)越，越來越受到車輛制造者的歡迎。國外很多車輛的車身使用鋁材，在德國甚至已經出現了“全鋁車身”的汽車。鋁車身的出現使車輛的總體質量進一步下降，在節(jié)約能源等方面也起到了很好的作用。但鋁的加工與鋼材比較起來要困難得多，尤其是在進行冷加工校正和焊接時需要用到很多的新工藝。

鋁合金具有密度低、強度高、加工性能好等特點，作為結構材料，因其加工性能優(yōu)良，可制成各種截面的型材、管材、高筋板材等，以充分發(fā)揮材料的潛力，提高構件剛、強度。鋁合金按加工方法可以分為變形鋁合金和鑄造鋁合金。鑄造鋁合金的力學性能不如變形鋁合金，但鑄造鋁合金有良好的鑄造性能，可以制成形狀復雜的零件，不需要龐大的加工設備，并具有節(jié)約金屬、降低成本、較少工時等優(yōu)點，按成分中鋁之外的主要元素硅、銅、鎂、鋅分為四大類。變形鋁合金有很大的力學性能，適合于變形加工。按性能和實用特點不同，可以分為防銹鋁、硬鋁、超硬鋁和鍛鋁四大類。汽車用的鋁合金必需具有的性能：強度、成形性、耐蝕性、焊接性、表面處理性等。

3.1.2汽車用鋁合金

汽車車身的重量約為汽車總質量的30％。汽車輕量化，車身的輕量化占有舉足輕重的地位。因此，用鋁板取代鋼板制造車身覆蓋件也當然成為汽車輕量化的必然。德國奧迪A8型高級轎車的整個車身均采用鋁材制造，框架采用立體框架式結構，覆蓋件為鋁板沖壓而成。這種鋁車身與鋼車身相比，質量減輕30－50％，油耗減低5－8％。日本本田公司生產的轎車車身用鋁合金達162kg，比鋼車身減重約40％。奔馳公司新一代S系列轎車前橋拉桿和橫向導臂、前橋整體支承結構采用鋁合金材料，這種部件的質量與鋼件相比輕35％。就鋁板覆蓋件的應用發(fā)展趨勢看，強度高、成形加工性好、表面質量優(yōu)良的鋁板將取代鋼板成為汽車覆蓋件的主要材料。在汽車輕量化的發(fā)展過程中，鋁材料也遇到其它輕型材料的競爭和挑戰(zhàn)。比如鎂、塑料、陶瓷材料等。鎂的密度比鋁輕得多，用于制造某些汽車零部件較鋁更為合適。

3.2鈦合金

鈦合金具有較高的抗拉強度（441~1470mpa），較低的密度（4.5g/cm3），優(yōu)良的抗腐蝕性能和在300~550C溫度下有一定的高溫持久強度和很好的低溫沖擊韌性，是一種理想的輕質結構材料。鈦合金具有超塑性的功能特點，采用超塑成形－擴散連接技術，可以以很少的能量消耗和材料消耗將合金制成形狀復雜和尺寸精密的制品。

鈦合金是以鈦為基加入其他合金元素組成的合金稱作鈦合金。鈦合金具有密度低、比強度高、抗腐蝕性能好、工藝性能好等優(yōu)點,是較為理想的航天工程結構材料。鈦合金可分為結構鈦合金和耐熱鈦合金,或α型鈦合金、β型鈦合金和α＋β型鈦合金。

國產工業(yè)純鈦有TA1、TA2、TA3三種，其區(qū)別在于含氫、氧、氮雜質的含量不同，這些雜質使工業(yè)純鈦強化，但是塑性顯著降低。工業(yè)純鈦盡管強度不高，但塑性及韌性優(yōu)良，尤其是具有良好的低溫沖擊韌性；同時具有良好的抗腐蝕性能。多用于350℃以下的工作條件。

3.3鎂合金

鎂合金具有密度小、強度大、鑄造性能和機加性能優(yōu)良、減震性和屏蔽性好等優(yōu)點，鎂合金壓鑄近年來表現出強勁發(fā)展的勢頭。壓鑄成型過程具有高壓力和高速度充型的特點，是生產鎂合金零部件有效方法。鎂合金壓鑄成型技術主要包括鎂合金熔化及保護、壓鑄模設計、工藝過程控制，承力零部件的后續(xù)熱處理等。生產及使用條件（含環(huán)保要求）：根據生產零部件的大小配備相應壓鑄機，也可利用現有普通冷室壓鑄機生產鎂合金壓鑄件。

3.3.1鎂合金技術特性：

由于鎂在熔煉過程中易氧化燃燒，采取措施控制鎂合金液質量對獲得良好性能的壓鑄件尤為重要。根據鎂合金液態(tài)成形特點并結合我國目前大多數壓鑄設備現狀，通過控制鎂合金液質量及合理選擇壓鑄工藝參數，在普通冷室壓鑄機條件下可以實現裝飾性或功能性要求壓鑄件生產。注意：在對鎂合金材料進行熱加工是請做好防火工作，鎂合金會產生劇烈的燃燒。

4.復合材料研發(fā)和未來汽車車身材料的應用趨勢

4.1復合材料

4.1.1復合材料：

先進復合材料是比通用復合材料有更高綜合性能的新型材料，它包括樹脂基復合材料、金屬基復合材料、陶瓷基復合材料和碳基復合材料等。先進復合材料具有高的比強度、高的比模量、耐燒蝕、抗侵蝕、抗核、抗粒子云、透波、吸波、隱身、抗高速撞擊等一系列優(yōu)點，是工業(yè)發(fā)展中最重要的一類工程材料。

復合材料在車身上的應用單一成分的材料在其機械性能方面有些情況下很難滿足需要，人們將多種單一材料采用各種方法混合在一起形成新的混合材料，也就是復合材料的雛形?，F在常用的復合材料已經成為了一個新的，以非金屬復合材料為代表的領域，是在工業(yè)技術不斷創(chuàng)新和發(fā)展的基礎上發(fā)展起來的。所謂復合材料，是指由兩種或兩種以上的不同性質或不同組織的材料組合而成的新材料。

4.1.2樹脂基復合材料

樹脂基復合材料：樹脂基復合材料具有良好的成形工藝性、高的比強度、高的比模量、低的密度、抗疲勞性、減震性、耐化學腐蝕性、良好的介電性能、較低的熱導率等特點，廣泛應用于汽車制造工業(yè)中。樹脂基復合材料可分為熱固性和熱塑性兩類。熱固性樹脂基復合材料是以各種熱固性樹脂為基體，加入各種增強纖維復合而成的一類復合材料；而熱塑性樹脂則是一類線性高分子化合物，它可以溶解在溶劑中，也可以在加熱時軟化和熔融變成粘性液體，冷卻后硬化成為固體。樹脂基復合材料具有優(yōu)異的綜合性能，制備工藝容易實現，原料豐富。

4.1.3金屬基復合材料

金屬基復合材料：金屬基復合材料具有高的比強度、高的比模量、良好的高溫性能、低的熱膨脹系數、良好的尺寸穩(wěn)定性、優(yōu)異的導電導熱性。鋁、鎂、鈦是金屬基復合材料的主要基體，而增強材料一般可分為纖維、顆粒和晶須三類。碳纖維增強鋁、鎂基復合材料在具有高比強度的同時，還有接近于零的熱膨脹系數和良好的尺寸穩(wěn)定性。這類材料被廣泛地軍事工業(yè)當中。

4.1.4陶瓷基復合材料

陶瓷基復合材料：陶瓷基復合材料是以纖維、晶須或顆粒為增強體，與陶瓷基體通過一定的復合工藝結合在一起組成的材料的總稱，由此可見，陶瓷基復合材料是在陶瓷基體中引入第二相組元構成的多相材料，它克服了陶瓷材料固有的脆性，已成為當前材料科學研究中最為活躍的一個方面。陶瓷基復合材料具有密度低、比強度高、熱機械性能和抗熱震沖擊性能好的特點，是關鍵支撐材料之一。陶瓷材料的高溫性能雖好，但其脆性大。改善陶瓷材料脆性的方法包括相變增韌、微裂紋增韌、彌散金屬增韌和連續(xù)纖維增韌等。

4.2復合材料在汽車上的應用

高強度與高彈性模量的復合材料具有和金屬材料相近的機械性能，在一定條件下有金屬薄板所不能比擬的優(yōu)點。如復合材料的質量很輕，節(jié)油效果明顯；成型容易，制造成本低；耐腐蝕、熱導率低，有利于隔音隔熱；尺寸穩(wěn)定性好；易于涂裝等。所以，汽車車身輕量化的主要發(fā)展方向就是利用復合材料來替代部分金屬材料。

目前在汽車上已經普遍應用的有用玻璃纖維增強不飽和聚酯片狀模塑料(SMC)制造的車身空氣導流板、前翼子板和前擋泥板延伸部件、大燈罩、