當涉及到汽車的質量和成本時，材料科學起著決定性的作用。因此，正確選擇材料是使汽車工業達到質量和排放目標的關鍵。

在過去的100年的開發和應用中，鋼已被證明是車身結構的有效選擇材料。在這段時間里，鋼鐵行業已經度過了幾年的大量研究和開發先進的鋼是更強，更安全，更環保，更省油，成本競爭力。如今，市場上提供了200多種等級的鋼材[1]。

事實證明，鋼是車身結構的有效選擇材料

新的安全和燃油法規已迫使汽車制造商轉向替代輕質材料和新技術。也許替代材料是減少質量的好選擇，但前提是您能夠負擔得起。

鋼鐵行業不斷創新，替代材料和鋼材一直在爭奪汽車行業的注意力。隨著這場斗爭的繼續，當今汽車行業面臨的主要挑戰是什么？

對環境造成的影響

全球汽車行業承受著來自環境和客戶需求的持續壓力[2]。該行業面臨著與燃油經濟性，氣體排放，安全性和可負擔性有關的問題。此外，當今車輛在成本，質量，性能和可制造性方面的競爭壓力比以往任何時候都要大。

汽車行業一直受到環保主義者的壓力。

汽車工業的反應主要集中在選擇滿足這些性能和成本要求的輕質材料上，從而提高了車輛的效率和燃油經濟性[3]。但是，當前的歐盟安全和經濟法規正在影響汽車應用的材料選擇，尤其是汽車的質量和性能[4]。

燃油經濟性和二氧化碳排放量

21世紀汽車工業面臨的主要問題之一是由CO 2排放量增加引起的環境變化[2]。車輛在整個生命周期中都會產生溫室氣體排放，其中運輸部門的CO 2排放約占歐盟CO 2排放總量的20％ [2]。

大多數與車輛有關的CO 2排放直接來自于車輛的使用（85％），而其他15％是由汽車制造，包括材料生產引起的[3]。

大多數與車輛有關的CO2排放直接來自于車輛的使用（85％）。

除了直接影響燃油經濟性外，汽車制造商還專注于“輕量化”以達到燃油效率要求[3]。

此外，2017年對歐盟新乘用車的平均CO 2排放性能進行了調查。將9個主要制造商組的CO 2排放量分組在一起，并分析了它們滿足CO 2標準的程度。數據如圖1所示。

圖1. 9個汽車制造商集團在2017年的CO2排放表現[2]。

豐田汽車的平均二氧化碳排放量約為100克/公里，平均車輛重量為1350公斤，在2017年是所有制造商中最低的CO 2排放量。相反，菲亞特克萊斯勒汽車集團（阿爾法·羅密歐，菲亞特，吉普，瑪莎拉蒂）在實現2020/21年目標方面處于劣勢。車輛的平均CO 2排放量將必須減少約24 g / km（20％），才能達到2020/21的CO 2排放目標。

鋼鐵的貢獻

引入新的安全性和防撞性改進法規已經對鋼鐵行業提出了挑戰，要求其開發具有獨特的微觀結構組合和更高強度的鋼材，例如DP，CP，TRIP和TWIP，以幫助減少部件尺寸和重量。

在文章“高級高強度鋼（AHSS）：使您的汽車更堅固，更輕，更安全的新一代鋼”中詳細了解這些AHSS的各種形式及其當前的發展。

減輕重量

對于輕質材料，首先想到的往往是從低密度材料開始，例如鋁，鎂或碳纖維增強材料，由于其密度高，導致對傳統鋼的負面看法。

一項新的研究表明，與使用其他輕質材料制成的零件相比，鋼制零件既堅固又便宜。

然而，采用更高強度的新鋼種使設計人員能夠在不增加質量的情況下實現驚人的碰撞性能[5]。這是通過在車身結構和封閉件中使用AHSS來實現的，其中，每個承載主要部分都由AHSS代替。由于采用AHSS制成的更小，更薄的零件可以承受更大的負載，因此可以實現質量的降低[4,5]。

2009年，一項研究評估了豐田Venza車輛的質量減少情況，該方法主要是用AHSS級鋼代替低碳鋼。質量減少了25％。同時，該研究還評估了使用低密度替代材料對同一車輛的質量降低。在這種情況下，質量降低了29％ [5]。然而，成本效益分析表明，與使用其他替代輕質材料制成的零件相比，鋼制零件既堅固又便宜[3，5]。

2016年現代圖森是使用AHSS改善車輛性能和減少重量的完美典范。

在2016現代途勝和2016起亞的Optima 是改進的車輛性能和質量減少極好的例子通過使用AHSS，使得他們的車輛更輕，更硬。的福特Edge是有效的設計的另一實例中，使用不同的AHSS代用于優化性能[3,5]。

汽車生產中的鋼與鋁

汽車行業的材料之間一直存在競爭，特別是鋁和鋼之間[1，5]。與鋁相比，鋼的主要優點是鋼的可成形性，強度和可承受性。與鋁相比，鋼以其更高的屈服強度和延展性而廣為人知。例如，鋁無法實現凱迪拉克汽車的車身設計，因為鋁的低成形性很難實現用鋁板制成復雜的形狀[4]。

與鋁相比，鋼的主要優勢是鋼的可成形性，強度和可承受性。

自1920年代以來，鋁一直在汽車工業中使用，但是，形成鋁板一直很昂貴且困難。同樣，其較低的抗張強度意味著鋁板需要更大的厚度才能滿足安全標準。因此，與標準汽車鋼和AHSS相比，鋁的使用可以減輕重量，但價格更高[5,6]。

在解決相對制造成本時，材料的選擇成為關鍵因素，與AHSS相比，替代材料（如鋁和纖維增強復合材料）在成本上處于劣勢。表1顯示了詳細的比較。

表1.各種材料的重量減輕和制造相關成本[9]。

復合材料

復合材料的購買價格很高，但從經濟角度來看，它們通常仍然有意義。它們的重量很輕，強度和剛度好，耐腐蝕性好，并且非常省油[7]。盡管有這些優點，纖維復合材料由于制造成本高而仍將保持昂貴，因此僅在某些應用中才可行[3，8]。

與鋼材相比，生產速度當然也是一個問題。例如，制造復合零件的周期時間為1至5分鐘，而沖壓鋼零件僅需10秒[5]。關于減少制造時間的廣泛研究正在進行中，復合材料行業繼續探索工藝和制造解決方案，以開發能夠滿足汽車制造商需求的低成本材料。

最后的想法

如今，汽車制造商正在使用替代材料以減輕車輛的重量。成本是汽車制造商的主要驅動力，理想的是，任何重量的減輕都必須節省制造成本。

盡管這些替代輕質材料中有許多優點，但它們仍然太昂貴而無法成為主流。因此，在未來幾年中，與鋁相比，AHSS薄型材的機械和重量優勢將繼續使其成為其他輕質材料的首選材料。

汽車生產商正在使用替代材料，以減少車輛的重量。事實證明，AHSS是一種低成本材料，通過替換低碳鋼可以最大程度地減輕重量。

設計人員必須在結構性能和生命周期成本與材料成本之間取得平衡。雖然AHSS被證明是一種低成本材料，但用AHSS等級代替低碳鋼所導致的最大重量減少僅限于25％。但是，隨著新技術的迅速采用，例如即將面世的第三代AHSS，有望進一步減輕重量。