一种新型汽车车身材料

汽车车身材料汽车工程系郝金魁2010年 4月汽车车身材料的分类p 金属： 汽车工业中应用最广泛的材料，其中钢铁的用量最大。一般金属具的优良的工艺性能和力学性能；p 非金属材料： 主要是合成高分子材料，塑料、橡胶、玻璃等，具有高硬度、耐高温、耐腐蚀、绝缘的特点，主要保险杠、挡泥板、倒车镜、门窗和车内饰等元件；p 复合材料： 指由两种或两种以上物理和化学性能不同的物质，一般综合了各组分材料的优良性能。p 80年代后期，复合材料车身外覆盖件得到大量的应用和推广，如发动机罩、翼子板、车门、车顶板、导流罩、车厢后挡板等，甚至出现了全复合材料的卡车驾驶室和轿车车身。 工程材料的使用 ： p 为了合理地使用和加工金属材料，必须了解其使用性能和工艺性能。p 使用性能：指各个零件或构件在正常工作时金属材料应具备的性能，它决定了金属材料的应用范围、使用的可靠性和寿命。包括力学性能、物理性能、化学性能。p 工艺性能：指金属材料在冷、热加工过程中应具备的性能，它决定了金属材料的加工方法。包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能。金属材料的性能基本概念p 载荷： 零件和工具在使用过程中所受的力，按作用方式不同，可分为拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转等，又可分为静载荷和动载荷。p 静载荷 力的大小不变或变化缓慢的载荷。如静拉力、静压力等。p 动载荷 力的大小和方向随时间而发生改变。如冲击载荷、交变载荷、循环载荷等。p 应力： 材料在任一时刻所受的力除以横截面积之商。用“”表示。p 变形： 金属在外力的作用下尺寸和形状的变化， “弹性变形 ”和 “塑性变形 ”p 弹性变形 去除外力后，物体能完全恢复原状的变形。p 塑性变形 当外力取消后，物体的变形不能完全恢复，而产生的永久变形。p 力学性能： 是指在力的作用下所显示的与弹性和非弹性反应相关或涉及应力 应变关系的性能，通俗地讲是指材料抵抗外力引起的变形和破坏的能力。基本概念p 强度 ： 材料在力的作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。分为抗拉、抗压、抗弯、抗剪强度等p 塑性 ： 塑性是金属在外力作用下能稳定地改变自己的形状和尺寸，而各质点间的联系不被破坏的性能p 硬度 ： 材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力称为硬度p 韧性 ： 韧性是指金属在冲断前吸收变形能量的能力，即抵抗冲击破坏的能力基本概念p 金属材料的刚度、强度、弹性、塑性是通过拉伸实验来测定的，标准试样如图所示，把试样安装在拉伸试验机上，并对试样施加一个缓慢增加的轴向拉力，试样产生变形，直至断裂。 p 力学性能（机械性能）：金属材料具有的抵抗一定外力作用而不被破坏的性能。金属材料的力学性能主要有：刚度、强度、弹性、塑性、硬度、冲击韧度、断裂韧度和疲劳强度等。 金属材料的力学性能圆形拉伸试样拉伸曲线p 弹性阶段 ： OA荷载与伸长成比例，完全符合虎克定律； Np为比例极限荷载，相应的应力为比例极限； Ne为弹性极限荷载，相应的应力为弹性极限。p 屈服阶段： 荷载与变形不成正比，变形增加很快，曲线呈锯齿状，甚至荷载不增加，变形仍然继续发展，这就成为刚才的屈服。p 断裂阶段强度 p 拉伸曲线 oe段是直线，金属材料处在弹性变形阶段，应力与应变成正比例关系，服从虎克定律，其比值称弹性模量，是衡量材料抵抗弹性变形能力的指标。 p 弹性极限： 金属材料产生完全弹性变形时所能承受的最大应力值，单位 MPa 。即试样发生完全弹性变形的最大载荷（ N）；试样的原始横截面积（ mm2 ）。式中p 屈服极限 s ： 开始产生屈服现象时的应力称为屈服点，其含义指在外力作用下开始产生 明显塑性变形 的最小应力，也即材料抵抗微量塑性变形的能力。 p 条件屈服极限：有些塑性较低的材料没有明显的屈服点，难于确定产生塑性变形的最小应力。规定当试样产生0.2% 的塑性变形时所对应的应力 0.2作为材料开始产生明显塑性变形时的屈服强度，称为条件屈服极限。 试样发生屈服时的载荷（ N）；试样的原始横截面积（ mm2 ）。式中强度 p 抗拉强度 b: 当负荷继续增加超过 s点后，变形量随着负荷的增加而急剧增加，当负荷超过 b点，变形集中在试样的某一部位上，试样在该部位出现缩颈现象，拉伸变形集中在缩颈处。继续施加负荷，试样在 k点断裂。材料断裂前所承受的最大应力，即为抗拉强度（强度极限） 。 试样被拉断前所承受的最大载荷（ N）；试样的原始横截面积（ mm2 ）。式中强度 p 钢材的屈服强度与抗拉强度的比值，称为屈强比。屈强比越小，结构零件的可靠性越高 p 指金属材料在静载荷作用时，在断裂前产生塑性变形的能力，反映材料塑性的力学性能指标有延伸率 和断面收缩率 。p 延伸率： 指试样拉断后其标距长度的相对伸长值。即 p 断面收缩率： 指试样拉断后缩颈处横截面积的最大相对收缩值。 塑性钢材的含碳量对机械性能的影响p 其它成分含量对强度的影响p 温度：温度升高塑性提高硬度p 硬度指金属材料抵抗外物压入其表面的能力，也是衡量金属材料软硬程度的一种力学性能指标。工程上常用的有 布氏硬度 、 洛氏硬度 和 维氏硬度 。 疲劳强度p 交变应力（周期性应力）。 应力的大小、方向周期性变化。有对称周期性应力和非对称周期性应力。p 疲劳。 构件在低于屈服强度的交变应力作用下，经过较长时间工作而发生突然断裂，无明显的塑性变形的现象。p 疲劳现象： 在循环力或交变力作用下工作的，尽管这种应力远小于材料的屈服点，但经一定循环次数后断裂的现象p 疲劳断裂原因： 由于零件中存在疲劳源（如裂纹、夹杂、刀痕等缺陷），在循环力或交变力作用下疲劳源处产生疲劳裂纹，并不断扩展，导致零件即发生突然断裂。 冲击韧度p 金属材料抵抗冲击负荷的能力，可用摆锤冲击试验机来测定金属材料的冲击值。冲击韧度值可用下式计算。p 单位截面积材料断裂吸收的功。冲击韧度冲击韧度（ J/cm2 ） ；冲击吸收功（ J）；摆锤重量（ N）；摆锤抬升高度（ m）；摆锤冲击后的高度（ m） ；试样缺口底部处横截面积（ cm2 ）。式中金属冷变形规律金属冷变形规律金属冷变形规律汽车车身常用金属材料汽车车身常用金属材料p 汽车车身零件一般由钢板冲压而成，根据强度和刚度需要设计成不同形状的断面。p 大量采用加强筋或加强件。p 不同的部位采用不同厚度的钢板。高强度钢板 p 高强度钢板是在低碳钢内加入适当的微量元素，经各种处理轧制而成，其抗拉强度高达 550N/mm2，是普通低碳钢板的 2 3倍，深拉延性能极好，可轧制成很薄的钢板，是车身轻量化的重要材料。p IF（高强度无间隙原子）钢板：晶格无间隙，铁素体的中间晶格内无碳原子和氮原子，碳和氮的含量极低。成型能力高，可焊性好。主要用于轿车外板、车门等形状复杂的冲压件。高强度钢板 高强度钢板 p 烘烤硬化冷轧（ BH）钢板：经过冲压、拉延变形及烤漆高温时效处理，屈服强度得以提高。这种简称为 BH钢板的烘烤硬化钢板既薄又有足够的强度，是车身外板轻量化设计首选材料之一； p 冷轧双相（ DP）钢板：具有屈服、屈强比低和加工硬化高、兼备高强度及高塑性的特点，如经烤漆后其强度可进一步提高。适用于形状复杂且要求强度高的车身零件。主要用于要求拉伸性能好的承力零部件，如车门加强板、保险杠等；p 高张力钢：具有 550以上的屈服强度和 620以上的抗拉强度，具有优异的韧性、高速延性断裂停止特性及焊接性。 高强度钢板 p相变诱导塑性（ TRIP）钢 ：通过热轧变形热处理或冷轧 + 热处理，具有高的屈服强度和抗拉强度，延展性强，冲压成形能力高。特别适用于一些形状复杂而强度要求高的冲压零件。 p轻量化迭层钢板 ：在两层超薄钢板之间压入塑料的复合材料，表层钢板厚度为 0.2 0.3mm，塑料层的厚度占总厚度的25 65。与具有同样刚度的单层钢板相比，质量只有 57。隔热防振性能良好，主要用于发动机罩、行李箱盖、车身底板等部件。 车身新材料 p 铝合金 ：与汽车钢板相比，铝合金具有密度小（ 2.7g/cm3）、比强度高、耐锈蚀、热稳定性好、易成形、可回收再生等优点，技术成熟。p 德国大众公司的新型奥迪 A2型轿车，由于采用了全铝车身骨架和外板结构，使其总质量减少了 135kg，比传统钢材料车身减轻了 43，使平均油耗降至每百公里 3升的水平。