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轻如蝉翼且坚如磐石 浅谈汽车车身材料

发布时间:2012年04月12日 19:12 | 进入汽车论坛 | 来源:新浪汽车 | 手机看视频


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汽车从诞生之日起一直处于加工、制造业中比较前沿的领域,很多新技术、新材料首先应用于汽车工业。很多汽车爱好者对各种新型发动机技术、电子控制技术和悬挂技术如数家珍,但对车身技术了解相对较少。车身是汽车构成中的最重要部件,作为承载汽车上的所有组件的结构件而存在,做个简单的比方,车身就如同人的骨骼,而发动机、变速箱、转向机、车桥、悬挂如同脏器、肌腱一般附着在骨骼上。如今的人们对汽车的安全性要求甚高,而这与车身材料息息相关,但目前很多人都对车身材料不了解,甚至存在误区,这里我将与各位简单探讨一下当今车身材料的现状与发展。

最早的车身设计源自于厢式马车最早的车身设计源自于厢式马车非承载式车身非承载式车身

汽车诞生之初,车身结构是在马车的基础上发展而来的,主要分为底盘和车厢两部分,也就是今天所说的非承载式车身。这种车身结构简单,承载能力好,如今依然广泛应用于载重汽车。但是非承载式车身的扭转刚度差、自重大、重心高等缺点限制了其在轿车领域的应用。因此工程师们开发出了承载式车身,将底盘与车厢一体化,由此车身成为了一个有机的整体。这一重要技术诞生改变了如今车身技术的格局,也推进车身材料的快速进步。



钢制车身:

钢一直是制造车身的主要材料,从铁器时代开始,人类应用铁这种黑色金属已经有近3000年的历史了,可以说铁是人类最熟悉的金属材料。直到工业革命,随着冶金技术的进步,铁合金中碳含量较低的一类:“钢”开始大量应用。由于碳含量低,钢要比铁具有更好的韧性,不容易折断且易于加工。早期的汽车使用的正是低碳钢,锻造成形的厚钢板构成了底盘大梁,较薄的钢板冲压成了车厢。这种制造方法一直延续到承载式车身诞生。

承载式车身结合了大梁和车厢承载式车身结合了大梁和车厢

承载式车身的制造中主要使用冲压成型,一种通过挤压使平整的钢板在模具中成形的冷加工工艺。由于采用压力成形法,所以冲压加工的材料存在一种矛盾 — 强度高的材料塑性差,不容易成型。而强度低的材料容易成形,但成形后的零件强度偏低。此外,上世纪90年代受到碳排放政策限制,汽车轻量化备受重视,在这方面新材料汽车优势明显。面对竞争压力,钢铁企业开始了超轻钢制汽车车身UISAB(Ultra Light Steel Auto Body)项目,旨在开发出一种重量轻、易于加工又具备高强度的钢材。



新型车用结构钢:

钢铁企企业的研究思路是通过多晶相复合兼顾强度和延展性。钢材中一般存在不同的晶相,这些晶相是金属晶体冶炼成形时产生的。这里介绍两种晶体类型,马氏体和铁素体。其中马氏体坚硬,一般高温冶炼后淬火时由奥氏体转化而成、而铁素体则比较柔软。

车身就脱胎于这些钢卷车身就脱胎于这些钢卷

新型结构钢能够同时具备马氏体与铁素体两种晶相,这种钢名为DP(双相)钢。这种钢的晶相结构是在铁素体基体上存在众多马氏体小岛,冲压加工时铁素体具有良好的延展性而马氏体则保证了结构强度,另外铁素体在冲压中发生滑动,晶体间相互交结,形成加工硬化,使冲压成型后的零件强度更高。因此DP钢已经成为制造车身结构件的主要材料,一般1.2mm厚度的DP钢就已经可以达到主要结构件所需的强度。

镶嵌马氏体小岛的晶体结构镶嵌马氏体小岛的晶体结构

除了DP钢之外用于汽车的新型钢材还有IF钢、TRIP钢等等,这些钢材都是属于能够减薄使用的高强度钢。说到这里就涉及到人们思想中存在已久的一个误区,既钢板越厚越坚固。其实就现在的发展趋势而言,车身上的钢板在不断减薄,而车身强度却提高了。最直观的例子是:20年前的车身普遍使用2mm以上厚度的钢板,但是在碰撞测试中很多车得分很低。而今天的车身用钢板厚度在1.2mm,碰撞试验中五星得分却比比皆是。不过即便是这种高强度钢也只用在车身结构部件上,例如:纵梁、横梁、A、B、C柱等部位,而不受力的蒙皮依然采用普通软钢,这有利于加工成复杂的外部形状且柔软的表面在与行人发生碰撞时能够尽量保护行人。车身上采用软钢的部位如:引擎盖面板、翼子板、车门板、车顶板等。所以那些用手按来直观感受车身强度的朋友还是不要按蒙皮了,真想按的话就打开发动机盖按按减震塔、引擎盖背面的框架或者后备箱里两个后减震塔间的横梁吧,它们绝对够硬。

厂家会标注使用不同强度钢材的车身厂家会标注使用不同强度钢材的车身

说到车身强度,现在很多厂家都会公布自己车身各部分所使用钢材抗拉强度,单位是MPa(兆帕),其意义是在单位面积上所能承受的拉力。数值越大强度越高。如:500MPa相当用于每平方毫米的面积上可以承受50公斤的拉力。这些强度数据可以在选择车辆时当作一个参考,不过很多厂家有时只给出最高强度钢种的极限值,而这种最高强度的钢材往往仅用在很小的一部分加强结构上,并不能直观的展现车身整体强度。

钢材的防腐蚀:

钢铁材料具有优秀的强度、刚度、硬度以及可加工性,称得上是非常优秀的材料,但是任何材料都有缺点,钢材的最大软肋就是耐腐蚀性差。铁的氧化和其中碳的含量关系很大,碳会使铁合金内部形成原电池反应,使铁失去电子而氧化。氧化铁又是一种比较疏松的物质,并不像氧化铝等金属氧化物那样形成致密氧化层,可以保护内部的金属元素不再继续被腐蚀。且开始生锈的铁会吸附更多水气加快腐蚀进程,氧化损失对于结构部件来说是致命的,特别是如今采用超薄钢板制造的车身,本就轻薄的本体上些许的损失也会明显的影响到整体强度。因此对于轻量化钢制车身来说,耐腐蚀性也是一项十分重要的指标。

低合金耐候钢:Cor-Ten钢低合金耐候钢:Cor-Ten钢

目前的车用钢材已经考虑到这个问题,且它本身的防腐蚀原理也并不新鲜,在上世纪初就已经有应用实例。上世纪工业革命时期钢铁工业突飞猛进,钢制悬索桥如雨后春笋般出现,而在这些钢制桥梁在设计的时候必须面对潮湿且含盐量高的海风侵袭,因此低合金耐候钢(cor-ten 考登钢)应运而生。不锈钢由于含有占总合金含量20%以上的镍与铬所以能够在金属表面形成致密的氧化膜保护金属本体,但是镍与铬都是稀有元素,导致不锈钢的制造成本居高不下。因此合金含量低且具有耐大气腐蚀特性的Cor-Ten钢以其相对低廉的价格得到广泛应用,通过在钢中添入微量的铜、磷、铬、镍等合金元素,可使钢在氧化过程中形成较为致密的氧化层,这种锈层形成了对内部金属材料的保护,避免其继续被外界空气腐蚀。

Cor-Ten钢目前在汽车制造领域应用广泛,不过值得一提的是这种钢材锈蚀的初始阶段与普通钢相同,会生黄锈,随后颜色逐渐变暗,最后变成巧克力色,至此材料的腐蚀速度几乎为零。这个形成稳定保护性锈层的过程十分漫长,一般是三年。而且难看的锈层也会影响车辆的美观使外部油漆剥落,所以目前的车用钢板外还要经过镀锌处理,镀锌之后的钢板又多了一层保护,且表面更光洁,利于油漆附着。

新型底盘新型底盘

现在厂商对于自己产品的防腐蚀能力都十分有信心,通过观察很多车型的底盘我发现,如今的底盘已经不像过去的车那样需要喷涂厚厚的黑色涂料了,很多车都是一层底漆直接暴露在外,好一些的会在外面增加一层导流用的塑料护板。所以我也不建议新车去做底盘封塑,首先封塑的原料来路不明,存在破坏原有底漆的风险,封塑层剥落时可能会粘连原厂底漆。另外,不良的施工工艺可能将原有车辆底盘上设计的排水孔堵死,导致雨水无法排除。

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