汽車(chē)車(chē)身哪些部位需要高強(qiáng)度材質(zhì)
核心提示：白車(chē)身是由大小不同的沖壓件通過(guò)焊接或其他加工方式連接在一起，各個(gè)部位根據(jù)需要采用不同的材質(zhì)，不同的材質(zhì)對(duì)于沖壓工藝有決定性的作用，那么首先來(lái)說(shuō)說(shuō)白車(chē)身都是由哪些材料組成的：1、鋼：這個(gè)不用多說(shuō)，目前市場(chǎng)上大部分車(chē)還是以鋼
白車(chē)身是由大小不同的沖壓件通過(guò)焊接或其他加工方式連接在一起，各個(gè)部位根據(jù)需要采用不同的材質(zhì)， 不同的材質(zhì)對(duì)于沖壓工藝有決定性的作用 ，那么首先來(lái)說(shuō)說(shuō)白車(chē)身都是由哪些材料組成的：1、鋼： 這個(gè)不用多說(shuō)，目前市場(chǎng)上大部分車(chē)還是以鋼車(chē)身為主，算是最主流的車(chē)身材料了。2、鋁： 鋁的密度大約是鋼的三分之一。因?yàn)檩p量化的需求，越來(lái)越多的車(chē)廠開(kāi)始考慮鋁制車(chē)身方案。比較推崇鋁材料在車(chē)身應(yīng)用的傳統(tǒng)汽車(chē)品牌主要有奧迪和Jaguar捷豹中國(guó)，新能源汽車(chē)品牌中，@TESLA和蔚來(lái)也是對(duì)鋁車(chē)身十分熱衷。由于鋁車(chē)身的制造和維修成本也比鋼車(chē)身高出不少，所以一般采用鋁車(chē)身的車(chē)型定位都不會(huì)低。3. 鎂： 密度比鋁還小。一度炒的火熱，但是大規(guī)模的應(yīng)用卻遲遲不來(lái)。主要是鎂的板材成形能力差，腐蝕問(wèn)題也不好解決，目前的應(yīng)用很有限。碳纖維-強(qiáng)度高，減重效果好。瓶頸是材料和加工成本過(guò)高。玄武巖纖維-價(jià)格和性能都不及碳纖維，目前屬于應(yīng)用的初級(jí)階段。那既然鎂和復(fù)合材料大規(guī)模應(yīng)用還早，咱們就主要談?wù)勡?chē)身上的鋼和鋁吧~
1.強(qiáng)度： 強(qiáng)度又分屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。簡(jiǎn)單的說(shuō)，屈服強(qiáng)度就是材料開(kāi)始有不可恢復(fù)的變形（比如管子彎了沒(méi)辦法變直）時(shí)的強(qiáng)度，表征材料抗變形的能力?？估瓘?qiáng)度是指材料破壞 (管子斷掉了) 時(shí)強(qiáng)度，表征材料抗破壞的能力。一般來(lái)說(shuō)，抗拉強(qiáng)度總是大于屈服強(qiáng)度。當(dāng)說(shuō)到強(qiáng)度的時(shí)候，注意說(shuō)的是哪個(gè)強(qiáng)度，才好比較。簡(jiǎn)單的可以用延伸率來(lái)衡量，也就是材料變形多少以后開(kāi)始破壞。冷成形材料做成零件需要很大的變形，所以在冷成形材料中這個(gè)量尤為重要。首先從鋼說(shuō)起，必須要強(qiáng)調(diào)的是，“鋼”和“鋼”之間可也是有很大不同的噢。圖1：高強(qiáng)鋼拉伸強(qiáng)度與延伸率的關(guān)系圖（圖片來(lái)自先進(jìn)高強(qiáng)鋼應(yīng)用指南 V6.0）圖1展示了不同種類(lèi)的汽車(chē)用鋼拉伸強(qiáng)度與延伸率范圍，行業(yè)內(nèi)的人親切稱(chēng)之為“香蕉圖”（像不像個(gè)大香蕉？）可以看到，車(chē)身用鋼的強(qiáng)度可是涵蓋了巨大的范圍。從最低的200兆帕（MPa）到最高的2000兆帕，跨了一個(gè)數(shù)量級(jí)。軟鋼比較常見(jiàn)就不多說(shuō)了。習(xí)慣上，我們把抗拉強(qiáng)度超過(guò)500兆帕的鋼稱(chēng)作先進(jìn)高強(qiáng)鋼（AHSS）。先進(jìn)高強(qiáng)鋼中又分作第一代高強(qiáng)鋼，主要是雙相鋼（DP），塑性引導(dǎo)相變鋼（TRIP），復(fù)相鋼 (CP) 等等。其中雙相鋼是用的最多的。第二代高強(qiáng)鋼以孿晶誘導(dǎo)相變鋼（TWIP）為代表。雖然孿晶誘導(dǎo)相變鋼強(qiáng)度和延展性都不錯(cuò)，可是由于價(jià)格和性能（屈服強(qiáng)度太低，曾經(jīng)有過(guò)延遲開(kāi)裂的問(wèn)題）等等原因，目前幾乎沒(méi)有應(yīng)用。第三代高強(qiáng)鋼是目前汽車(chē)鋼研究的熱點(diǎn)，比較有代表性的是淬火配分鋼（QP），已經(jīng)有主機(jī)廠使用。其他的如中錳鋼，貝氏體。說(shuō)了這么多，小伙伴們知道了鋼的家族有這么多能力和特性不同的成員，以后就不要再用鋼板厚度去衡量車(chē)的安全性啦：不同的鋼板性能差太多！下面再說(shuō)說(shuō)鋁。最近幾年鋁可算是車(chē)身材料中的寵兒，全鋁車(chē)身概念不斷有人在炒。那是不是全鋁車(chē)身就一定比鋼車(chē)身更安全呢？當(dāng)然不是了。鋁的分類(lèi)一般按照合金成分，一共有九個(gè)系列。目前在車(chē)身上用的比較多的就5, 6, 7系鋁材。其中5系因?yàn)樽冃文Ｊ降膯?wèn)題，不適合做汽車(chē)的外觀件，所以車(chē)門(mén)、發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋、側(cè)圍這種拋頭露臉的機(jī)會(huì)一般就送給6系啦，專(zhuān)業(yè)上叫做A級(jí)表面。7系算是鋁合金中的高強(qiáng)材料，抗拉強(qiáng)度一般500兆帕，已經(jīng)是目前鋁的極限了。和前面剛提到的鋼相比，基本就是先進(jìn)高強(qiáng)鋼的入門(mén)級(jí)水平。所以以后說(shuō)鋁合金強(qiáng)度有多高，千萬(wàn)別拿鋼做參照，比不過(guò)啦~不過(guò)鋁的天然優(yōu)勢(shì)是密度小，只有鋼的三分之一。在同樣的體積下，重量也就是鋼的三分之一，所以在車(chē)身輕量化上還是有很大用武之地。最體現(xiàn)其價(jià)值的地方是覆蓋件，畢竟強(qiáng)度在這個(gè)位置不那么重要。至于與結(jié)構(gòu)安全相關(guān)的零件，要看設(shè)計(jì)水平來(lái)整體把握：比鋼輕？還不一定呢。下面回到正題。車(chē)身上什么地方用到剛才說(shuō)的這些材料，怎么用呢？一個(gè)基本原則：對(duì)的材料用在對(duì)的地方。換句話說(shuō)，不同位置的需求不同，需要的材料也不一樣。汽車(chē)材料選擇中需要考慮的最重要的一點(diǎn)就是面對(duì)碰撞時(shí)的安全性。對(duì)于碰撞安全，車(chē)身可以分成兩個(gè)主要的區(qū)域：吸能區(qū)與安全區(qū)。如圖2所示，車(chē)身的前后位置可以認(rèn)為是吸能區(qū)，而中間乘客坐的位置，被定義成安全區(qū)。不同區(qū)域?qū)Σ牧系囊蠛懿灰粯?。比如汽?chē)的前后部，包含前后縱梁、吸能盒等零件。其需要的主要功能是對(duì)于來(lái)自前后端的碰撞進(jìn)行能量吸收。強(qiáng)度和變形圍成的面積可以大約認(rèn)為是材料吸收能量的能力。我們當(dāng)然不希望這些吸能零件在碰撞的過(guò)程中過(guò)早斷掉，所以有一定的延伸率是對(duì)這些零件的基本要求。其次的需求是強(qiáng)度。強(qiáng)度不要過(guò)強(qiáng)以至于把主要能量向后傳遞，也不要過(guò)弱以至于達(dá)不到吸收足夠能量的功能。合適的強(qiáng)度和良好的變形能力就是這些零件的需求。6系7系鋁合金，600MPa級(jí)的高強(qiáng)鋼都是合適的選擇。駕駛員和乘客的安全絕對(duì)是重中之重。一個(gè)對(duì)安全區(qū)形象的描述就是“安全籠”（safety cage）的概念。組成“安全籠”的零件包括A柱，B柱，上下門(mén)檻，車(chē)門(mén)防撞梁等等。車(chē)身上最強(qiáng)的材料，比如熱成形鋼和高等級(jí)的先進(jìn)高強(qiáng)鋼就用在這里。這里對(duì)材料的要求很高，一方面希望材料足夠強(qiáng)以至于對(duì)安全籠的侵入量很小，不要傷害到乘客。另一方面在這很小的侵入過(guò)程中，還是希望能吸收足夠多的能量，材料不要破壞。記住一點(diǎn)，碰撞的動(dòng)能不被零件吸收，就可能被人吸收。碰撞中最重要的不是車(chē)子零件的變形程度，而是人的安全。以后大家對(duì)網(wǎng)上那些車(chē)輛碰撞以后誰(shuí)贏誰(shuí)輸?shù)膱D片和視頻，要有科學(xué)的判斷~車(chē)門(mén)和發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋這種覆蓋件對(duì)強(qiáng)度的要求就很低了，最主要的是剛度變形的要求。這里普通的軟鋼或者6系鋁板都可以使用。鋁板的減重效果在這些零件上體現(xiàn)的很明顯。不過(guò)因?yàn)殇X的成形性不夠好，如果發(fā)生了小規(guī)模剮蹭，鋁板是沒(méi)辦法修理的，只能更換。這方面鋼板就方便多了。對(duì)于不同力學(xué)行為的材料用在的具體零件，可以參見(jiàn)圖3圖3：不同材料對(duì)應(yīng)的車(chē)身零件綠色：低強(qiáng)度高延伸率，做汽車(chē)覆蓋件藍(lán)色：適度的強(qiáng)度與延伸率的組合，吸能和安全的雙重任務(wù)紅色：高強(qiáng)度低延伸率材料，核心安全零件，保護(hù)乘客安全
愛(ài)馳U5采用的是上車(chē)身鋼，下車(chē)身鋁的車(chē)身結(jié)構(gòu)。在作為吸能區(qū)的下車(chē)身前端，使用了5,6,7系鋁板、鑄造鋁、擠壓鋁等等不同的材料，最大程度的實(shí)現(xiàn)吸能的功用。而上面提到的“安全籠”區(qū)域大量的使用了先進(jìn)高強(qiáng)鋼和熱成形鋼，甚至于目前車(chē)身上最強(qiáng)的2GPa納米熱成形鋼，保證了成員倉(cāng)的安全。除了材料本身的強(qiáng)度，零件之間的連接強(qiáng)度對(duì)車(chē)身安全也非常的重要。 不同的材料對(duì)應(yīng)不同的連接方法，從適合同種材料的焊接到適合異種材料的機(jī)械冷連接，需要選擇合適的方法。
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