《材料科学发展与应用》课程小论文轻量化材料在汽车上应用学号：205110803 姓名：尚晓娟摘要：随着汽车工业的飞速发展，汽车安全、能源与环境问题备受关注。

减小汽车自身质量是降低汽车燃油消耗及减少排放的有效措施之一。

采用高强度钢、低密度的轻质材料是汽车减重的最重要途径。

汽车质量的减轻主要归功于铝合金、镁合金塑料、高强度合金钢等新材料用量的增加。

关键字：轻量化材料；汽车；应用Abstract: With the rapid development of automobile industry, car security, energy and environmental issues of concern. Reduce the quality of the car itself is to reduce vehicle fuel consumption and effective measure to reduce emissions. High-strength steel, low-density lightweight material is the most important way to lose weight in the car. Automotive quality reduction is mainly due to increase in aluminum, magnesium alloy plastic, high-strength alloy steel and other new material amount.Keywords: lightweight materials; Automotive; Application0、引言汽车轻量化是在保证汽车整体品质和性能不受影响甚至提高的前提下，尽可能降低汽车产品自身重量，努力谋求高输出功率、低噪声、低振动和良好的操纵性、高可靠性等，汽车的轻量化主要通过合理的结构设计和使用轻质材料的方式来实现。

轻量化设计既能降低材料、能源消耗，又能降低尾气排放量，有资料显示，车质量每减轻10%，可降低6%—8%的油耗［1］。

1、汽车轻量化众所周知，汽车在现代生活中是不可或缺的工具，随着科学技术的发展，汽车的保有量在逐年提高，汽车正以越来越大的影响改变着人类的社会生活。

资源和环境问题是当今人类社会面临的巨大挑战。

为实现人类社会的可持续发展，对新一代汽车产品在安全。

环保和节能方面提出了更为严格的要求，而以轻量化为主导的先进汽车材料技术已经成为实现这一目标的主要措施之一［2］。

汽车轻量化是解决汽车工业发展所遇到的能耗、排放和环保的三大问题的有效方法和手段，同时轻量化还对改善汽车的动力性、一个国家能源战略、汽车工业可持续发展等具有重要影响，而汽车轻量化的实施是和轻量化材料的使用性能和应用研究成果密切相关的［3］。

2、轻量化途径常用的实现车身轻量化目标的途径有以下三种：一是对车身结构进行优化设计；二是采用轻量化材料；三是在生产制造的过程中采用先进的工艺。

第一种途径实际上是通过对车身结构进行改进，使部分结构薄壁化、小型化、中空化、复合化，同时适当减少零件数量和种类，实现车身的轻量化目标。

第二种途径主要是大量应用种类繁多的新型轻质金属或非金属材料替换传统的钢铁材料，比如高强钢、铝合金、镁合金、碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料以及陶瓷等，实现车身的轻量化。

第三种途径通常结合新材料的应用得到广泛的发展，比如快速成形技术、激光焊接技术、无损检测技术等［4］。

3、轻量化材料轻量化材料是指可用来减轻汽车自重的材料，可分为两大类：一类是高强度材料，如高强度钢板；另一类是低密度的轻质材料，如铝合金、镁合金、塑料和复合材料等。

轻量化材料对汽车工业的可持续性发展具有重要意义，它不仅关系到车辆的节能、减排、安全、成本等诸多方面，而且汽车轻量化材料的应用对世界能源、自然资源和环境保护具有深刻的影响，它已成为汽车材料技术发展的主导方向［5］。

（1）高强度钢在汽车制造业中，车身材料仍以钢铁为主，相对其他的轻质材料而言，高强度钢板在抗碰撞性能、加工工艺和成本方面较铝合金、镁合金和复合材料都具有明显优势，能够同时满足减轻汽车自重并提高汽车性能的双重需要。

高强度钢板指屈服强度大于210MPa的钢板，相对于普通钢来说具有强度高、质量轻、成本降低等特点，它是汽车轻量化后能够保证碰撞安全的最主要材料，所以高强度刚的用量直接决定着汽车轻量化的水平。

使用高强度钢板代替普通钢板制造汽车车身，汽车自身质量可减轻30%-40%；代替普通钢制成的传动轴质量可减轻约10%。

目前，高强度钢主要应用于汽车车身、底盘、悬架、转向等汽车零部件［6］。

（2）铝合金铝合金是最常见的汽车轻金属材料，相对于一般钢材，铝的密度是钢的1/3，质量更轻，铝合金具有较高的比强度、很好的挤压性、很强的耐腐蚀性和高度的可回收性，铝合金在汽车发动机制造中应用得比较成熟。

汽车铝合金主要分为铸造铝合金、形变铝合金(锻造铝合金和铝合金板材)。

当前汽车用铝合金以铸件为主，约占汽车用铝量的80%，可用于制造发动机零部件、壳体类零件和底盘上的其他零件。

现己大批量应用的零件有轿车发动机缸体、缸盖、离合器壳、保险杠、车轮、发动机托架等零部件。

变形铝合金在车身零件及结构件的应用方面也发展较快，如应用日益广泛的铝合金车厢盖、发动机罩、提升式后车门、翼子板、保险杠、车厢底板结构件、热交换器、车轮以及车身骨架等。

随着快速凝固铝合金、粉末冶金铝合金、超塑性铝合金、铝基复合材料和泡沫铝材等新材料的开发与应用，未来铝在汽车中的应用范围将进一步扩大，并将呈现铸件、型材、板材并举的局面［6］。

（3）镁合金镁合金是轻质金属结构材料之一，镁的密度只有 1.74 g/cm3是铝的2/3，钢的2/9［7］。

镁合金零件有显而易见的优点：（1）重量轻，镁合金零部件的使用能减轻整车质量，可在铝合金轻量化的基础上再减轻15%～20%；（2）比强度高于铝合金和钢，能够承受较大的负荷；（3）具有良好的阻尼系统，减振量大于铝合金和铸铁，可用于降低噪声和减少振动，从而提高汽车的安全性和舒适性。

到目前为止，汽车上共有60多个零部件采用镁合金。

主要分为壳类和架类两类零件：壳类零件包括气缸盖、离合器壳、变速器壳、滤油器壳、空气滤清器壳、分动器壳、增压器壳、灯罩等；架类零件包括方向盘、仪表盘、风扇架、挡泥板架、踏板托架、转向支架、刹车支架、灯托架、座椅架、车身支架、车门框架、轮毅等。

目前镁合金使用率最高的主要是车身和底盘零件，如仪表盘骨架与横梁、座椅骨架、转向盘、进气歧管,以及各种支架、罩盖等［6］。

（4）钛合金钛的密度为4.5g/cm，是铁的1/2，钛的熔点为1168℃，比铁还要高，热胀系数小，作为耐热材料很有潜力。

其制成的钛合金抗拉强度可达1500MPa，可与超高强度钢媲美，其比强度是常用工程材料中最高的。

钛合金可在550℃以下工作，优于铝合金及一般钢。

其具有比强度高、耐热性好、耐腐蚀性能好(优于不锈钢)、低温韧性很好(在-253℃时仍有良好韧性)、比断裂韧性高以及良好的加工适应性等优点。

目前，钛和钛合金主要用于制造汽车悬架弹簧和气门弹簧、发动机气门等高强度和抗氧化部件，由于价格等原因在车身上还未得到广泛应用［11］。

（5）塑料及复合材料目前，汽车上使用的塑料主要有聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PEL）和聚氨酯（PUR）等。

汽车上常用的玻璃纤维增强的复合材料有片状模塑料、团状模塑料和树脂传递模塑料等。

塑料及复合材料是当前最重要的汽车轻质材料之一，不仅可以减轻汽车零部件约40%的质量，还可以使汽车零部件生产成本降低40%左右［10］。

复合材料制造的汽车零件不仅具有良好的减振性能、耐腐蚀性能，而且复合材料可采用模具一次成形制成各种零件，工艺简单灵活，材料利用率高。

汽车用塑料的主要类型包括通用工程塑料、塑料合金和增强塑料。

塑料在汽车中最早是用于仪表板、车门内板、顶棚、副仪表板、杂物箱盖、座椅及各类护板等内装件，而后逐渐向外装件、结构件和功能件扩展，如车身外板、后阻流板、保险杠、车轮罩、前后翼子板、举升门，以及油箱、散热器水室、风扇叶片、发动机进气管、气门室罩盖等。

4、轻量化材料的应用对刚度要求比较高的部件通常选用高强度钢来进行轻量化，而其他一些对刚度要求不是很高的部件常常采用铝合金来做轻量化材料的替代；随着材料技术与加工工艺技术的成熟镁合金逐渐开始取代铝合金成为主要的替代材料。

各种轻型材料大多用在非结构件的制作中，刚度要求较大的车身结构件都使用高强度钢板来代替原来的钢材。

轻量化材料的使用，不单单是通过材料密度来选择的，在实际生产过程中需要综合考虑各种因素。

由于铝合金具有质量轻、强度和硬度大等特点，在目前被用作主要的轻量化的替代材料。

但是由于其价格昂贵，所以必然会导致制造成本的提高。

目前，车身结构材料的选择仍以钢材为主，铝合金不会大范围使用。

对于其他材料，各自都有其特性，在选择的时候根据具体情况来综合考虑［9］。

5、汽车轻量化技术轻量化技术可采用“比铁更轻的金属材料”、“可重复使用的塑料”、“车体和部件的结构更趋合理化的中空型结构”等对策。

如，高强度钢板制的车体材料(比以前刚性强，薄而轻)、铝制发动机机体、铝合金飞轮、塑料消声器等的使用已趋普遍。

而悬架部件、燃料箱轻量化则刚开始。

而今，把铁制部件改用铝和塑料也正在逐渐增多。

此外，还有把发动机的凸轮轴和曲轴等旋转部件制成中空化结构，以减轻重量。

汽车轻量化，往往是通过这些细小技术的措施来使整体轻量化的［8］。

6、汽车结构轻量化设计汽车轻量化技术实现的一个重要途径是汽车结构优化设计。

汽车结构轻量化设计是指在满足汽车工程结构约束条件下，以减轻汽车整车质量为目标，求出最优方案的设计方法，主要对汽车车身、汽车底盘、发动机和车门等进行结构优化设计。

汽车结构轻量化设计需要开发设计更合理的轻型车体结构和零部件，强调合适的材料用于合适的部位，并用最少的材料和最低的成本来获得汽车结构的最佳性能，包括质量、强度、刚度和稳定性等目标［3］。

结构的轻量化设计主要是利用有限元法和优化设计等方法，通过改进汽车零部件结构即薄壁化、中空化、小型化及复合化，以减轻车身骨架和车身钢板的质量来达到轻量化目的。

先进的成形工艺即是应用诸如激光拼焊技术、液压成形技术、热压成形技术、半固态金属加工、注射成型技术及喷射成型技术等实现结构轻量化。

实际上三者是紧密相连的，往往采用轻量化材料结合轻量化结构设计及先进的成形技术，在性能不降低的前提下获得轿车车身的轻量化［9］。

7、轻量化设计和实施时的先进成型技术7.1激光拼焊激光拼焊是指将几个小零件通过激光焊接集成到一个大的毛坯，进而冲压成形成所需整体部件。