為了適應汽車輕量化的要求，一些新材料應運而生并擴大了應用范圍，而傳統(tǒng)材料也在激烈的競爭中得到了發(fā)展。汽車的燃料經濟性與汽車的設計、制造和使用都有密切關系，其中車用材料主要通過汽車的輕量化來對燃料經濟性改善作出貢獻。理論分析和試驗結果都表明，輕量化是改善汽車燃料經濟性的有效途徑。本文僅就在輕量化的潮流中，對金屬材料的發(fā)展和應用作出介紹。
有色合金擴大應用
據(jù)日本汽車工業(yè)協(xié)會（JSAI）統(tǒng)計，以乘用車來說，1973年每輛車所使用的有色合金占全部用材的重量比為5.0%，1980年增至5.6%，而1997年則達到了9.6%。有色合金在汽車上應用量的快速增長是汽車材料發(fā)展的大趨勢。
鋁合金
鋁的密度約為鋼的1/3，是應用最廣泛的輕量化材料。以美國生產的汽車產品為例，1976年每車用鋁合金僅39kg，1982年達到62kg，而1998年則達到了100kg。
（1）鑄造鋁合金
許多種元素都可以作為鑄造鋁合金的合金元素，但只有Si、Cu、Mg、Mn、Zn、Li在大量生產中具有重要意義。當然，在汽車上廣泛應用的并不是上述簡單的二元合金，而是多種元素同時添加以獲得好的綜合性能。
汽車工業(yè)是鋁鑄件的主要市場，例如日本，鋁鑄件的76%、鋁壓鑄件的77%為汽車鑄件。鋁合金鑄件主要應用于發(fā)動機氣缸體、氣缸蓋、活塞、進氣歧管、搖臂、發(fā)動機懸置支架、空壓機連桿、傳動器殼體、離合器殼體、車輪、制動器零件、把手及罩蓋殼體類零件等。
鋁鑄件中不可避免地存在缺陷，壓鑄件還不能熱處理，因此在用鋁合金來生產要求較高強度鑄件時受到限制。為此在鑄件生產工藝上作了改進，鑄造鍛造法和半固態(tài)成型法將是未來較多用的工藝。
所謂鑄造鍛造法是指先用普通鑄造工藝制取毛坯然后經一次壓力加工而得到近凈形零件的復合工藝方法。這種方法綜合了鑄造和鍛造這兩種工藝的優(yōu)點，可以生產具有較高強度的復雜鋁質零件。
所謂半固態(tài)成型是一種對固態(tài)、液態(tài)兩相共存的半固態(tài)金屬熔體進行擠壓加工而得到制品的特殊工藝方法。當然，這種半固態(tài)金屬熔體必須經過特殊處理而得到非枝晶結構，現(xiàn)在已經開發(fā)了機械攪拌、機械剪斷、電磁攪拌和應變誘導等方法。歐美工業(yè)發(fā)達國家采用這種工藝生產的汽車零件已進入市場，日本也具有商業(yè)化生產能力。采用半固態(tài)成型生產的零件具有顯微組織細化、缺陷少、力學性能高等特點，且這種方法的成型力小、可成型復雜零件、制品近凈形。典型的半固態(tài)成型鋁合金是A356（AlSi7Mg0.3）和A357(AlSi7Mg0.6)，其共晶體含量高于35%，流動性好。半固態(tài)成型鋁合金在汽車上應用的例子有制動主缸缸體、車輪輪轂等。目前見諸報道的最大鋁合金半固態(tài)成型汽車零件是由意大利某廠生產的賽車后懸架左右支架，單件質量為6.5kg。
（2）變形鋁合金
變形鋁合金指鋁合金板帶材、擠壓型材和鍛造材，在汽車上主要用于車身面板、車身骨架、發(fā)動機散熱器、空調冷凝器、蒸發(fā)器、車輪、裝飾件和懸架系統(tǒng)零件等。
由于輕量化效果明顯，鋁合金在車身上的應用正在擴大。如1990年9月開始銷售的日本本田NSX車采用了全鋁承載式車身，比用冷軋鋼板制造的同樣車身輕200kg，引起全世界的矚目。NSX全車用鋁材達到31.3%，如在全鋁車身上，外板使用6000系列合金，內板使用5052－0合金，骨架大部使用5182－0合金；由于側門框對強度和剛度要求很高，使用以6N01合金為基礎、適當調整了Mg和Si含量的合金。在歐美也有用2036和2008合金作車身內外板的。
鋁散熱器發(fā)源于歐洲而后遍及全世界。在歐洲，到20世紀80年代后期鋁散熱器已占領市場的90%。隨?車用空調、油冷卻器等的大量使用，鋁熱交換器的市場迅速擴大。從材料的角度看，鋁在熱交換器上的廣泛應用在很大程度上歸功于包覆料覆層鋁板和鋁帶的成功開發(fā)。
（3） 鋁基復合材料
鋁基復合材料密度低、比強度和比模量高、抗熱疲勞性能好，但在汽車上的應用受到價格及生產質量控制等方面的制約，還沒有形成很大的規(guī)模。目前，鋁基復合材料在連桿、活塞、氣缸體內孔、制動盤、制動鉗和傳動軸管等零件上的試驗或使用顯示出了卓越的性能，如本田公司開發(fā)成功的由不?鋼絲增強的鋁基復合材料連桿比鋼制連桿降重30%，對1.2L的汽油發(fā)動機可提高燃料經濟性5%；采用激冷鋁合金粉末與SiC粉末（重量百分數(shù)2%）混合并擠壓成棒材，用此棒材經鍛造成型的活塞因強度高可降重20%，發(fā)動機功率大幅度提高；用鋁基復合材料強化活塞頭部而取消第一道環(huán)槽的奧氏體鑄鐵鑲塊可降重20%；鋁基復合材料制動盤比鑄鐵制動盤降重50%。
鎂合金
鎂的密度約為鋁的2/3，在實際應用的金屬中是最輕的。鎂合金的吸振能力強、切削性能好、金屬模鑄造性能好，很適合制造汽車零件。
鎂合金大部分以壓鑄件的形式在汽車上應用，鎂壓鑄件的生產效率比鋁高30%~50%。新開發(fā)的無孔壓鑄法（Pore Free Diecast）可生產出沒有氣孔且可熱處理的鎂壓鑄件。
鎂鑄件在汽車上使用最早的實例是車輪輪輞。德國波舍爾公司1970年起使用AM60A合金壓鑄車輪，鎂車輪比鋁車輪輕20%以上。在汽車上試用或應用鎂合金的實例還有離合器殼體、離合器踏板、制動踏板固定支架、儀表板骨架、座椅、轉向柱部件、轉向盤輪芯、變速箱殼體、發(fā)動機懸置、氣缸蓋和氣缸蓋罩蓋等。與傳統(tǒng)的鋅制轉向柱上支架相比，鎂制件降重65%；與傳統(tǒng)的鋼制轉向輪芯相比，鎂制件降重45%；與全鋁氣缸蓋相比，鎂制件降重30%；與傳統(tǒng)的鋼制沖壓焊接結構制動踏板支架相比，整體的鎂鑄件降重40%，同時其剛性也得以改善。
鎂基復合材料的研究也有進展，以SiC顆粒為增強體,采用液態(tài)攪拌技術得到的鎂基復合材料具有很好的性能且生產成本較低。在AZ91合金中加入25%的SiC顆粒增強的復合材料比基體合金拉伸強度提高23%，屈服強度提高47%，彈性模量提高72%。
鈦合金
鈦的密度為4.5g/cm3,具有比強度高、高溫強度高和耐腐蝕等優(yōu)點。由于鈦的價格昂貴，至今只見在賽車和個別豪華車上少量應用。盡管如此，對鈦合金在汽車上應用的試驗研究工作卻不少。例如用α+β系鈦合金制造的發(fā)動機連桿，強度相當于45鋼調質的水平，而重量可以降低30%；β系鈦合金（Ti-13V-11Cr-3Al等）經強冷加工和時效處理，強度可達2000MPa，可用來制造懸架彈簧、氣門彈簧和氣門等，與拉伸強度為2100MPa的高強度鋼相比，鈦彈簧可降重20%。
鈦合金應用的最大阻力來自其高價格，豐田中央研究所開發(fā)了一種成本較低的鈦基復合材料。該復合材料以Ti-6Al-4V合金為基體，以TiB為增強體，用粉末冶金法生產，已在發(fā)動機連桿上應用。
鋼鐵材料的輕量化舉措
鋼鐵材料在與有色合金和高分子材料的競爭中繼續(xù)發(fā)揮其價格便宜、工藝成熟的優(yōu)勢，通過高強度化和有效的強化措施可充分發(fā)揮其強度潛力，以致迄今為止仍然是在汽車生產上使用最多的材料。
高強度鋼板
轎車自重的25%在車身，車身材料的輕量化舉足輕重。20世紀90年代，世界范圍內的35家主要鋼鐵企業(yè)合作完成了“超輕鋼質汽車車身”（ULSAB－Ultra Light Steel Auto Body）課題。該課題的研究成果表明，車身鋼板的90%使用現(xiàn)已大量生產的高強度鋼板（包括高強度、超高強度和夾層減重鋼板），可以在不增加成本的前提下實現(xiàn)車身降重25%（以4門轎車為參照），且靜態(tài)扭轉剛度提高80%，靜態(tài)彎曲剛度提高52%，第一車身結構模量提高58%，滿足全部碰撞法規(guī)要求。當然，這還是一個研究的成果，高強度鋼板在車身上的實際應用還未達到如此高的水平。
在普通的IF鋼板的基礎上相繼開發(fā)了高強度IF鋼板和烘烤硬化IF鋼板，在保持高成型性的同時提高了強度和抗凹陷性，為車身鋼板的減薄和實現(xiàn)輕量化創(chuàng)造了條件。
加入Ti、Nb和V等元素的析出強化鋼板拉伸強度在500~750MPa，可用于車輪和其它底盤零件。
近來開發(fā)的多相鋼有相當大的應用潛力。其中鐵素體－貝氏體鋼強度級別為500MPa，雙相（DP）鋼和相變誘發(fā)塑性（TRIP）鋼強度級別為600~800MPa,復相（CP）鋼強度級別在1000MPa或更高。這些鋼的成型性能也很好。日本日產汽車公司進行了590MPa級高強度鋼板在車身上的應用研究，他們選用TRIP鋼和DP鋼裸板以及DP鋼鍍鋅板并運用有限元分析技術解決了沖壓開裂和回彈問題，優(yōu)化了焊接工藝參數(shù)，通過實車檢測，剛度和碰撞性能滿足要求，比采用440MPa級鋼板時降重10kg。
激光拼焊毛坯（Tailored Blank）是新近開發(fā)并應用的鋼板輕量化技術。在前述ULSAB車身有18個零件采用了此技術。
結構鋼
鋼鐵材料的用量雖逐年減少，但高強度鋼的用量卻有相當大的增加。高強度結構鋼使零件設計得更緊湊和小型化，有助于汽車的輕量化。
(1) 彈簧
懸架彈簧輕量化的最有效方法是提高彈簧的設計許用應力。但是為了實現(xiàn)這種高應力下的輕量化，材料的高強度化是不可少的。在傳統(tǒng)的Si-Mn彈簧鋼的基礎上通過降低C并添加Ni、Cr、Mo和V等合金元素，開發(fā)出強度和韌性都很高的鋼種，設計許用應力可達1270MPa，這種彈簧鋼的應用可實現(xiàn)40%的輕量化。在傳統(tǒng)的Cr-V系彈簧鋼中添加Nb可提高鋼的抗延遲斷裂性能，結合改進的奧氏體軋制成型，可使鋼的拉伸強度達到1800MPa的水平。
氣門彈簧用的Si-Cr鋼中添加V，通過晶粒細化確保韌性，由增C提高強度。這樣改進后，彈簧的高周疲勞強度約提高8%，可實現(xiàn)15%的輕量化。通過有限元分析，螺旋彈簧內、外側應力均勻分布的檸檬形斷面彈簧鋼絲得以開發(fā)，使彈簧實現(xiàn)7%的輕量化。
提高彈簧疲勞強度的有效途徑是對彈簧進行噴丸和氮化處理。彈簧的噴丸，除了傳統(tǒng)的應力噴丸之外又發(fā)展了雙級噴丸。噴丸和氮化也可以復合使用。
(2) 齒輪
汽車發(fā)動機有高功率化的趨勢，而傳動器有緊湊小型化的傾向。這勢必加大傳動齒輪的負荷，從而對齒輪鋼的彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度的要求也相應提高。
提高鋼中Ni、Cr、Mo等合金元素的含量可以提高齒輪鋼的淬透性和強度，但單純靠合金元素來強化齒輪鋼會使鋼的切削性能變壞、熱處理工藝復雜，原材料成本和生產成本都會大幅度提高。齒輪滲碳時，為了防止或減少異常層的出現(xiàn)，降低鋼中的Si和P含量，Mo量增加到0.35%~0.45%，并采用經改良的碳氮共滲工藝。改進的鋼種可使齒輪實物的沖擊壽命提高3~5倍，若在上述降低表面異常層鋼種加上強力噴丸，可使齒輪疲勞極限提高20%~30%。
齒輪鋼中的非金屬夾雜物是疲勞裂紋的起點，會降低強力噴丸的強化效果，為此開發(fā)了高純凈度齒輪鋼。例如對SCM420HZ鋼，將氧濃度降到9ppm以下、磷濃度降到90ppm以下時，與前述降低表面異常層的低Si高Mo鋼相比，齒輪齒根彎曲疲勞壽命提高10%~17%，接觸疲勞壽命提高25%。
高強度鑄鐵
鑄鐵由于其性能和成本方面的諸多優(yōu)點，在汽車材料中仍然占有一席之地。鑄鐵材料的進步更使之在汽車上的應用出現(xiàn)了新亮點。
(1) 球墨鑄鐵
鐵素體球墨鑄鐵拉伸強度可達500MPa，韌性也較高，因此多用于底盤零件，有的車型甚至用作轉向節(jié)等保安件。
珠光體球墨鑄鐵強度更高，在一些零件上可代替鍛鋼件。帶平衡塊的4缸轎車發(fā)動機曲軸采用球墨鑄鐵加圓角滾壓強化，已成為美、德、法等國汽車廠家的標準工藝。因球鐵的密度比鋼約小10%，所以以球鐵代鋼可以產生一定的輕量化效果。
奧貝球鐵(ADI-Austempered Ductile Iron）具有很高的強度和韌塑性，按美國和德國標準制造的奧貝球鐵牌號，其最高強度級別達到1400MPa，超過了調質鋼和滲碳鋼的強度水平。可以用ADI代替鋼制造汽車輪轂、全輪驅動雙聯(lián)桿、轉向節(jié)臂、發(fā)動機正時齒輪、曲軸和連桿等。經實物測量，代替鍛鋼制造曲軸可以降重10%，代替鋁合金制造載貨車輪轂每只可降重0.5kg。
(2) 蠕墨鑄鐵
蠕墨鑄鐵(Vermicular graphite cast iron)又稱緊密石墨鑄鐵(Compacted graphite cast iron)，其機械－物理性能和鑄造工藝性能介于灰鑄鐵和球墨鑄鐵之間，很適合制造強度要求較高和要承受熱循環(huán)負荷的零件，如氣缸體、氣缸蓋、排氣歧管和制動鼓等。
蠕墨鑄鐵的發(fā)現(xiàn)與球鐵同時，但由于蠕化工藝控制難度較大而應用受到限制，Sinter Cast工藝控制系統(tǒng)為蠕鐵的應用開辟了廣闊的前景。Ford汽車公司從1996年開始應用這套系統(tǒng)生產發(fā)動機氣缸體。據(jù)稱蠕鐵氣缸體比灰鑄鐵氣缸體降重16%，而結構剛度則提高12%~25%。采用蠕鐵制造氣缸體還可改善摩擦磨損性能、降低振動和噪音、改善排放。
粉末冶金材料
粉末冶金材料成分自由度大和粉末燒結工藝的近凈形特點，其在汽車上的應用有增加的趨勢，特別是鐵基粉末燒結材料在要求較高強度的復雜結構件上的應用越來越多。
組裝式粉末冶金空心凸輪軸是近年來的新產品，它是由鐵基粉末冶金材料制成凸輪，然后用燒結或機械的辦法固定在空心鋼管上組成。與常規(guī)的鍛鋼件或鑄鐵件相比，可降重25%~30%。此種凸輪軸已在高速汽油機上使用，隨?柴油機凸輪軸服役工況的日益苛刻，粉末冶金空心凸輪軸有推向柴油機的趨勢。
粉末鍛造連桿已經成功應用，近年開發(fā)的一次燒結粉末冶金連桿技術的生產成本較低，可實現(xiàn)11%的輕量化。德國Opel公司裝在2.0L的OHC發(fā)動機上行駛30萬km的效果未見異常。
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