當涉及到汽車的質(zhì)量和成本時,，材料科學起著決定性的作用。因此,，正確選擇材料是使汽車工業(yè)達到質(zhì)量和排放目標的關(guān)鍵,。

在過去的100年的開發(fā)和應用中，鋼已被證明是車身結(jié)構(gòu)的有效選擇材料。在這段時間里,，鋼鐵行業(yè)已經(jīng)度過了幾年的大量研究和開發(fā)先進的鋼是更強,，更安全，更環(huán)保,，更省油,，成本競爭力。如今,，市場上提供了200多種等級的鋼材[1],。

事實證明,，鋼是車身結(jié)構(gòu)的有效選擇材料

新的安全和燃油法規(guī)已迫使汽車制造商轉(zhuǎn)向替代輕質(zhì)材料和新技術(shù)。也許替代材料是減少質(zhì)量的好選擇,，但前提是您能夠負擔得起,。

鋼鐵行業(yè)不斷創(chuàng)新，替代材料和鋼材一直在爭奪汽車行業(yè)的注意力,。隨著這場斗爭的繼續(xù),，當今汽車行業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)是什么？

對環(huán)境造成的影響

全球汽車行業(yè)承受著來自環(huán)境和客戶需求的持續(xù)壓力[2],。該行業(yè)面臨著與燃油經(jīng)濟性,，氣體排放，安全性和可負擔性有關(guān)的問題,。此外,，當今車輛在成本，質(zhì)量,，性能和可制造性方面的競爭壓力比以往任何時候都要大,。

汽車行業(yè)一直受到環(huán)保主義者的壓力,。

汽車工業(yè)的反應主要集中在選擇滿足這些性能和成本要求的輕質(zhì)材料上,，從而提高了車輛的效率和燃油經(jīng)濟性[3]。但是,，當前的歐盟安全和經(jīng)濟法規(guī)正在影響汽車應用的材料選擇,，尤其是汽車的質(zhì)量和性能[4]。

燃油經(jīng)濟性和二氧化碳排放量

21世紀汽車工業(yè)面臨的主要問題之一是由CO 2排放量增加引起的環(huán)境變化[2],。車輛在整個生命周期中都會產(chǎn)生溫室氣體排放,，其中運輸部門的CO 2排放約占歐盟CO 2排放總量的20％ [2]。

大多數(shù)與車輛有關(guān)的CO 2排放直接來自于車輛的使用（85％）,，而其他15％是由汽車制造,，包括材料生產(chǎn)引起的[3]。

大多數(shù)與車輛有關(guān)的CO2排放直接來自于車輛的使用（85％）,。

除了直接影響燃油經(jīng)濟性外,，汽車制造商還專注于“輕量化”以達到燃油效率要求[3]。

此外,，2017年對歐盟新乘用車的平均CO 2排放性能進行了調(diào)查,。將9個主要制造商組的CO 2排放量分組在一起，并分析了它們滿足CO 2標準的程度,。數(shù)據(jù)如圖1所示,。

圖1. 9個汽車制造商集團在2017年的CO2排放表現(xiàn)[2]。

豐田汽車的平均二氧化碳排放量約為100克/公里,，平均車輛重量為1350公斤,，在2017年是所有制造商中最低的CO 2排放量。相反,，菲亞特克萊斯勒汽車集團（阿爾法·羅密歐,，菲亞特，吉普,，瑪莎拉蒂）在實現(xiàn)2020/21年目標方面處于劣勢,。車輛的平均CO 2排放量將必須減少約24 g / km（20％），才能達到2020/21的CO 2排放目標,。

鋼鐵的貢獻

引入新的安全性和防撞性改進法規(guī)已經(jīng)對鋼鐵行業(yè)提出了挑戰(zhàn),，要求其開發(fā)具有獨特的微觀結(jié)構(gòu)組合和更高強度的鋼材，例如DP,，CP,，TRIP和TWIP，以幫助減少部件尺寸和重量,。

在文章“高級高強度鋼（AHSS）：使您的汽車更堅固,，更輕，更安全的新一代鋼”中詳細了解這些AHSS的各種形式及其當前的發(fā)展,。

減輕重量

對于輕質(zhì)材料,，首先想到的往往是從低密度材料開始，例如鋁,，鎂或碳纖維增強材料,，由于其密度高，導致對傳統(tǒng)鋼的負面看法,。

一項新的研究表明,，與使用其他輕質(zhì)材料制成的零件相比，鋼制零件既堅固又便宜,。

然而,，采用更高強度的新鋼種使設(shè)計人員能夠在不增加質(zhì)量的情況下實現(xiàn)驚人的碰撞性能[5],。這是通過在車身結(jié)構(gòu)和封閉件中使用AHSS來實現(xiàn)的，其中,，每個承載主要部分都由AHSS代替,。由于采用AHSS制成的更小，更薄的零件可以承受更大的負載,，因此可以實現(xiàn)質(zhì)量的降低[4,5],。

2009年，一項研究評估了豐田Venza車輛的質(zhì)量減少情況,，該方法主要是用AHSS級鋼代替低碳鋼,。質(zhì)量減少了25％。同時,，該研究還評估了使用低密度替代材料對同一車輛的質(zhì)量降低,。在這種情況下，質(zhì)量降低了29％ [5],。然而,，成本效益分析表明，與使用其他替代輕質(zhì)材料制成的零件相比,，鋼制零件既堅固又便宜[3，5],。

2016年現(xiàn)代圖森是使用AHSS改善車輛性能和減少重量的完美典范,。

在2016現(xiàn)代途勝和2016起亞的Optima 是改進的車輛性能和質(zhì)量減少極好的例子通過使用AHSS，使得他們的車輛更輕,，更硬,。的福特Edge是有效的設(shè)計的另一實例中，使用不同的AHSS代用于優(yōu)化性能[3,5],。

汽車生產(chǎn)中的鋼與鋁

汽車行業(yè)的材料之間一直存在競爭,，特別是鋁和鋼之間[1，5],。與鋁相比,，鋼的主要優(yōu)點是鋼的可成形性，強度和可承受性,。與鋁相比,，鋼以其更高的屈服強度和延展性而廣為人知。例如,，鋁無法實現(xiàn)凱迪拉克汽車的車身設(shè)計,，因為鋁的低成形性很難實現(xiàn)用鋁板制成復雜的形狀[4]。

與鋁相比，鋼的主要優(yōu)勢是鋼的可成形性,，強度和可承受性,。

自1920年代以來，鋁一直在汽車工業(yè)中使用,，但是,，形成鋁板一直很昂貴且困難。同樣,，其較低的抗張強度意味著鋁板需要更大的厚度才能滿足安全標準,。因此，與標準汽車鋼和AHSS相比,，鋁的使用可以減輕重量,，但價格更高[5,6]。

在解決相對制造成本時,，材料的選擇成為關(guān)鍵因素,，與AHSS相比，替代材料（如鋁和纖維增強復合材料）在成本上處于劣勢,。表1顯示了詳細的比較,。

表1.各種材料的重量減輕和制造相關(guān)成本[9]。

復合材料

復合材料的購買價格很高,，但從經(jīng)濟角度來看,，它們通常仍然有意義。它們的重量很輕,，強度和剛度好,，耐腐蝕性好，并且非常省油[7],。盡管有這些優(yōu)點,，纖維復合材料由于制造成本高而仍將保持昂貴，因此僅在某些應用中才可行[3,，8],。

與鋼材相比，生產(chǎn)速度當然也是一個問題,。例如,，制造復合零件的周期時間為1至5分鐘，而沖壓鋼零件僅需10秒[5],。關(guān)于減少制造時間的廣泛研究正在進行中,，復合材料行業(yè)繼續(xù)探索工藝和制造解決方案，以開發(fā)能夠滿足汽車制造商需求的低成本材料,。

最后的想法

如今,，汽車制造商正在使用替代材料以減輕車輛的重量,。成本是汽車制造商的主要驅(qū)動力，理想的是,，任何重量的減輕都必須節(jié)省制造成本,。

盡管這些替代輕質(zhì)材料中有許多優(yōu)點，但它們?nèi)匀惶嘿F而無法成為主流,。因此,，在未來幾年中，與鋁相比,，AHSS薄型材的機械和重量優(yōu)勢將繼續(xù)使其成為其他輕質(zhì)材料的首選材料,。

汽車生產(chǎn)商正在使用替代材料,，以減少車輛的重量。事實證明,，AHSS是一種低成本材料,，通過替換低碳鋼可以最大程度地減輕重量。

設(shè)計人員必須在結(jié)構(gòu)性能和生命周期成本與材料成本之間取得平衡,。雖然AHSS被證明是一種低成本材料,，但用AHSS等級代替低碳鋼所導致的最大重量減少僅限于25％。但是,，隨著新技術(shù)的迅速采用，例如即將面世的第三代AHSS,，有望進一步減輕重量,。