輕如蟬翼且堅如磐石----汽車車身鋼性材料

輕如蟬翼且堅如磐石 淺談汽車車身鋼性材料

2010-2-22 8:59:00 新浪汽車

汽車從誕生之日起一直處於加工、製造業中比較前沿的領域，很多新技術、新材料首先應用於汽車工業。很多汽車愛好者對各種新型發動機技術、電子控制技術和懸掛技術如數家珍，但對車身技術了解相對較少。車身是汽車構成中的最重要部件，作為承載汽車上的所有組件的結構件而存在，做個簡單的比方，車身就如同人的骨骼，而發動機、變速箱、轉向機、車橋、懸掛如同臟器、肌腱一般附著在骨骼上。如今的人們對汽車的安全性要求甚高，而這與車身材料息息相關，但目前很多人都對車身材料不了解，甚至存在誤區，這裡我將與各位簡單探討一下當今車身材料的現狀與發展。

最早的車身設計源自於廂式馬車

非承載式車身

汽車誕生之初，車身結構是在馬車的基礎上發展而來的，主要分為底盤和車廂兩部分，也就是今天所說的非承載式車身。這種車身結構簡單，承載能力好，如今依然廣泛應用於載重汽車。但是非承載式車身的扭轉剛度差、自重大、重心高等缺點限制了其在轎車領域的應用。因此工程師們開發出了承載式車身，將底盤與車廂一體化，由此車身成為了一個有機的整體。這一重要技術誕生改變了如今車身技術的格局，也推進車身材料的快速進步。

鋼製車身：

鋼一直是製造車身的主要材料，從鐵器時代開始，人類應用鐵這種黑色金屬已經有近3000年的歷史了，可以說鐵是人類最熟悉的金屬材料。直到工業革命，隨著冶金技術的進步，鐵合金中碳含量較低的一類：「鋼」開始大量應用。由於碳含量低，鋼要比鐵具有更好的韌性，不容易折斷且易於加工。早期的汽車使用的正是低碳鋼，鍛造成形的厚鋼板構成了底盤大梁，較薄的鋼板衝壓成了車廂。這種製造方法一直延續到承載式車身誕生。

承載式車身結合了大梁和車廂

承載式車身的製造中主要使用衝壓成型，一種通過擠壓使平整的鋼板在模具中成形的冷加工工藝。由於採用壓力成形法，所以衝壓加工的材料存在一種矛盾　— 強度高的材料塑性差，不容易成型。而強度低的材料容易成形，但成形後的零件強度偏低。此外，上世紀90年代受到碳排放政策限制，汽車輕量化備受重視，在這方面新材料汽車優勢明顯。面對競爭壓力，鋼鐵企業開始了超輕鋼製汽車車身UISAB(Ultra Light Steel Auto Body)項目，旨在開發出一種重量輕、易於加工又具備高強度的鋼材。新型車用結構鋼：

鋼鐵企企業的研究思路是通過多晶相複合兼顧強度和延展性。鋼材中一般存在不同的晶相，這些晶相是金屬晶體冶煉成形時產生的。這裡介紹兩種晶體類型，馬氏體和鐵素體。其中馬氏體堅硬，一般高溫冶煉後淬火時由奧氏體轉化而成、而鐵素體則比較柔軟。

車身就脫胎於這些鋼卷

新型結構鋼能夠同時具備馬氏體與鐵素體兩種晶相，這種鋼名為DP(雙相)鋼。這種鋼的晶相結構是在鐵素體基體上存在眾多馬氏體小島，衝壓加工時鐵素體具有良好的延展性而馬氏體則保證了結構強度，另外鐵素體在衝壓中發生滑動，晶體間相互交結，形成加工硬化，使衝壓成型後的零件強度更高。因此DP鋼已經成為製造車身結構件的主要材料，一般1.2mm厚度的DP鋼就已經可以達到主要結構件所需的強度。

鑲嵌馬氏體小島的晶體結構

除了DP鋼之外用於汽車的新型鋼材還有IF鋼、TRIP鋼等等，這些鋼材都是屬於能夠減薄使用的高強度鋼。說到這裡就涉及到人們思想中存在已久的一個誤區，既鋼板越厚越堅固。其實就現在的發展趨勢而言，車身上的鋼板在不斷減薄，而車身強度卻提高了。最直觀的例子是：20年前的車身普遍使用2mm以上厚度的鋼板，但是在碰撞測試中很多車得分很低。而今天的車身用鋼板厚度在1.2mm，碰撞試驗中五星得分卻比比皆是。不過即便是這種高強度鋼也只用在車身結構部件上，例如：縱梁、橫樑、A、B、C柱等部位，而不受力的蒙皮依然採用普通軟鋼，這有利於加工成複雜的外部形狀且柔軟的表面在與行人發生碰撞時能夠盡量保護行人。車身上採用軟鋼的部位如：引擎蓋面板、翼子板、車門板、車頂板等。所以那些用手按來直觀感受車身強度的朋友還是不要按蒙皮了，真想按的話就打開發動機蓋按按減震塔、引擎蓋背面的框架或者後備箱里兩個後減震塔間的橫樑吧，它們絕對夠硬。

廠家會標註使用不同強度鋼材的車身

說到車身強度，現在很多廠家都會公布自己車身各部分所使用鋼材抗拉強度，單位是MPa(兆帕)，其意義是在單位面積上所能承受的拉力。數值越大強度越高。如：500MPa相當用於每平方毫米的面積上可以承受50公斤的拉力。這些強度數據可以在選擇車輛時當作一個參考，不過很多廠家有時只給出最高強度鋼種的極限值，而這種最高強度的鋼材往往僅用在很小的一部分加強結構上，並不能直觀的展現車身整體強度。鋼材的防腐蝕：

鋼鐵材料具有優秀的強度、剛度、硬度以及可加工性，稱得上是非常優秀的材料，但是任何材料都有缺點，鋼材的最大軟肋就是耐腐蝕性差。鐵的氧化和其中碳的含量關係很大，碳會使鐵合金內部形成原電池反應，使鐵失去電子而氧化。氧化鐵又是一種比較疏鬆的物質，並不像氧化鋁等金屬氧化物那樣形成緻密氧化層，可以保護內部的金屬元素不再繼續被腐蝕。且開始生鏽的鐵會吸附更多水氣加快腐蝕進程，氧化損失對於結構部件來說是致命的，特別是如今採用超薄鋼板製造的車身，本就輕薄的本體上些許的損失也會明顯的影響到整體強度。因此對於輕量化鋼製車身來說，耐腐蝕性也是一項十分重要的指標。

低合金耐候鋼：Cor-Ten鋼

目前的車用鋼材已經考慮到這個問題，且它本身的防腐蝕原理也並不新鮮，在上世紀初就已經有應用實例。上世紀工業革命時期鋼鐵工業突飛猛進，鋼製懸索橋如雨後春筍般出現，而在這些鋼製橋樑在設計的時候必須面對潮濕且含鹽量高的海風侵襲，因此低合金耐候鋼(cor-ten 考登鋼)應運而生。不鏽鋼由於含有佔總合金含量20%以上的鎳與鉻所以能夠在金屬表面形成緻密的氧化膜保護金屬本體，但是鎳與鉻都是稀有元素，導致不鏽鋼的製造成本居高不下。因此合金含量低且具有耐大氣腐蝕特性的Cor-Ten鋼以其相對低廉的價格得到廣泛應用，通過在鋼中添入微量的銅、磷、鉻、鎳等合金元素，可使鋼在氧化過程中形成較為緻密的氧化層，這種銹層形成了對內部金屬材料的保護，避免其繼續被外界空氣腐蝕。

Cor-Ten鋼：目前在汽車製造領域應用廣泛，不過值得一提的是這種鋼材鏽蝕的初始階段與普通鋼相同，會生黃銹，隨後顏色逐漸變暗，最後變成巧克力色，至此材料的腐蝕速度幾乎為零。這個形成穩定保護性銹層的過程十分漫長，一般是三年。而且難看的銹層也會影響車輛的美觀使外部油漆剝落，所以目前的車用鋼板外還要經過鍍鋅處理，鍍鋅之後的鋼板又多了一層保護，且表面更光潔，利於油漆附著。

新型底盤

現在廠商對於自己產品的防腐蝕能力都十分有信心，通過觀察很多車型的底盤我發現，如今的底盤已經不像過去的車那樣需要噴塗厚厚的黑色塗料了，很多車都是一層底漆直接暴露在外，好一些的會在外面增加一層導流用的塑料護板。

所以，我也不建議新車去做底盤封塑，首先封塑的原料來路不明，存在破壞原有底漆的風險，封塑層剝落時可能會粘連原廠底漆。

另外，不良的施工工藝可能將原有車輛底盤上設計的排水孔堵死，導致雨水無法排除。

新材料車身：

伴隨技術進步，製造車身的材料已經不僅僅是鋼鐵了，越來越多的新材料被應用到車身的製作中。其中包括：「鋁合金、碳纖維、塑料、高分子複合材料」等等。我也簡單介紹其中的幾種。

1、鋁合金：

說到鋁合金這種材料，必然就會和航空航天技術聯繫到一起，目前製造飛機的主要材料依然是鋁合金，即使波音787這種複合材料佔多的新機型也不能完全擺脫鋁合金。鋁合金優異的延展性、只有鋼材一半的密度和良好的耐腐蝕性都成為輕量化結構的首選材料。

在很多人的印象中鋁代表的是柔軟易變形，我想這種想法多來自於「易拉罐、鋁鍋」等日常鋁製品。而實際「航空級鋁合金」的機械性能甚至要超過鋼鐵，以比較常見的7075鋁合金為例，它的抗拉強度是560MPa，不比前面提到鋼材強度低。

鋁合金車身大大降低了車身重量

而同樣的重量的鋼和鋁，鋁體積更大，可以在不增加重量的前提下增加結構強度。而且目前的鋁製車身多採用厚壁鍛鋁梁焊接而成，就結構強度和剛度而言要比衝壓薄鋼更有優勢，且機構的整體穩定性更好，在非設計受力方向受力時有更大的冗餘度。

此外，鋁合金在大氣環境下幾乎不被腐蝕，可以無途裝使用，不過處於美觀的考慮，鋁製車身依然會塗裝上不同顏色的塗料。

更高的結構穩定性

鋁製車身的缺點是自身造價較高，成型和焊接工藝都比較複雜，且變形後不能通過鈑金修復，只能更換變形部件，維修成本居高不下。但個人比較看好鋁製車身，輕量化且高強度的車身比傳統鋼製車身更堅固，且不用擔心腐蝕造成的強度降低。

另外鋁製車身的結構設計局更合理，承力結構與非承力結構幾乎獨立。輕質合金車身的前景值得期待。

2、碳纖維：

隨著航空技術的發展，在製造飛機時需要一種更輕更堅固的材料，這時金屬材料已經無法滿足航空工業的需求了，而由一種纖維材料取而代之。最早碳纖維在汽車領域主要應用在賽車上，直到現在也只有超跑級別的車輛用的上碳纖維。

碳纖維是一種纖維絲狀的材料，在製作成型時需要像織布一樣紡織成片狀，用有機膠浸潤成形並固化，製作過程類似於玻璃鋼。

碳纖維覆蓋件風靡改裝界 可明顯降低車重

碳纖維具有絕佳的韌性和抗拉強度，且重量只有鋼的1/4。輕量、高強的特性正是高性能車所需的，目前法拉利、蘭博基尼等超跑的車身由碳纖維製成。不過碳纖維缺乏延展性是其缺點，在受到超出極限的衝擊時碳纖維結構會如同玻璃一樣破碎。而且碳纖維與其它材料的連接也是個問題，使用傳統的栓接，連接孔周圍很容易產生裂紋。

碳纖維材料的製造成本居高不下也是限制其應用的一個方面，即使是在航空領域碳纖維的應用也比較有限。

車身材料的未來發展：

除了以上的材料外，「塑料、複合材料、可降解材料」也是未來車身材料的發展方向，塑料良好的可塑性和彈性變形利於加工和降低碰撞損失，目前塑料廣泛用於保險杠翼子板等易損部件，較低的造價的也令維修和更換十分便利。

smart車身覆蓋件已經採用塑料

近來車身材料的環境友好性成了發展的重點。在歐洲，政策要求車身的製造材料回收率要達到90%以上，鋁合金與塑料的回收率都能達到95%以上，新型的鋼製車身已經克服了原來所面臨的腐蝕損失，回收率達到90%以上。

但是不可否認，未來輕金屬、複合材料等是車身材料的發展趨勢，目前各國都廣泛開展對於這些新材料車用化的研究，特別是要求輕量化的小型乘用車。相信未來一段時間車身材料會有一個飛躍式的發展，並且更加向航空領域貼近，更輕、更強仍然是車身材料的發展方向。

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