汽车轻量化材料.ppt

汽车轻量化材料,当前，节能、环保、安全、舒适、智能和网络是汽车技术发展的总趋势，尤其是节能和环保更是关系人类可持续发展的重大问题。因此，降低燃耗、减少向大气排出CO2和有害气体及颗粒已成为汽车工程界主攻的方向。人们现已熟知的美国PNGV计划，预计到2004年或2005年，美国轿车将达到每升汽油可行驶约34km（3倍燃料效率）。减小汽车自重是汽车降低燃耗及减少排放的最有效措施之一。美国的PNGV计划要求轿车自身质量减小40。,1.汽车轻量化的内涵和途径汽车轻量化绝非是简单地将其小型化而已。首先应保持汽车原有的性能不受影响，既要有目标地减轻汽车自身的重量，又要保证汽车行驶的安全性、耐撞性、抗振性及舒适性，同时汽车本身的造价不被提高，以免给客户造成经济上的压力。,汽车轻量化技术包括汽车结构的合理设计和轻量化材料的使用两大方面。汽车结构设计轻量化技术包括紧凑化技术和为采用轻量化材料并能满足碰撞新要求而最新开发的轻量化结构设计技术.在结构设计方面可以采用前轮驱动、高刚性结构和超轻悬架结构等来达到轻量化的目的，在用材方面可以通过材料替代或采用新材料来达到汽车轻量化的目的。,实现汽车轻量化的主要途径减少汽车白车身重量对降低发动机的功耗和减少汽车总重量具有双重的效应。为此，首先应该在白车身制造材料方面寻找突破口。具体有如下几种方案：1）使用密度小、强度高的轻质材料，像铝镁轻合金、塑料聚合物材料、陶瓷材料等；2）使用同密度、同弹性模量而且工艺性能好的截面厚度较薄的高强度钢；(?)3）使用基于新材料加工技术的轻量化结构用材，如连续挤压变截面型材、金属基复合材料板、激光焊接板材等。,仅奥迪A8和英国捷豹XJ两个高级豪华车据守轻金属车身这唯一一块阵地.宝马5系列车身前端总成以冲压铝板件,铸铝合金件和铝挤压件焊接而成.目前只是在中高档轿车中广泛采用Mg,Al,工程塑料和高强度钢的混合车身.现代汽车的绝大部分内饰件以翼子板,保险杆外罩和许多乘用车的发动机罩内板都是由工程塑料制成的.,相比之下，至少在目前及至今后相当长的一段时期内，钢仍然是汽车车身制造用材的最佳选择：钢材不仅具有优异的性能价格比，还有长期积累起来的冶金技术和成型加工经验，使之在汽车行业中仍然坐拥不可撼动的霸主地位。而方案3）正是从材料加工的角度出发，使经过特殊加工后的钢板材料的承载性能、成型性能或者其他方面的性能大大提高。,2材料技术在轻量化汽车中的作用材料技术是推动汽车技术进步的关键，轻量化是今后汽车发展的关键。选用新材料（包括高强度钢、铝、镁、钛合金、塑料及复合材料等）来实现减小汽车自身质量的目的，并把先进的轻质材料作为急需开发的技术领域。,3轻量化汽车材料技术的发展趋势由于钢铁材料在强度、塑性、抗冲击能力、回收使用及低成本方面具有综合的优越，其在汽车材料中的主导地位仍是不可动摇的。但高强度钢和超高强度钢的应用，如汽车车身、底盘、悬架、转向等零部件上，将有较大增长。铝镁合金在汽车上的用量将明显增加。工程塑料、复合材料所占比例将有明显增长。多材料结构进行优化，既能改进汽车性能，又能显著减小质量。当前材料的组合仍以高强度钢、铝、镁和塑料为主。要实现多材料轻量化结构设计，必须强调“合适的材料用在合适的部位”,第一节高强度钢板,一、概述采用高强度钢板可以达到减薄车身用板的厚度和重量的目的,在轻量化的同时，增加了安全性能。高强度钢一般是指冷轧340MPa、热轧490MPa以上的钢,这些新型高强度钢板具有较低的屈强比、较好的应变分布能力和较高的应变硬化特性,同时高强度钢板的力学性能更加均匀,从而具有更好的碰撞特性和更高的疲劳寿命。,2汽车用钢板的强化机理和汽车用高强度钢板、超高强度钢板传统的汽车用钢板主要是采用向低碳钢中添加合金元素形成固溶强化型钢以及晶粒细化的析出型钢的两种方式来实现低碳钢的高强度化。现代汽车高强度钢板是采用使其金相组织得到强化的机理，而获得组织强化、复合组织强化、相变强化、热处理强化、冷作硬化和时效强化等现代高强度钢。目前高强度钢板主要包括冷轧含磷板、双相钢(DP钢)板以及相变诱发塑性钢(TRIP钢)板等。,3国内外汽车高强度钢材料概况二十世纪6070年代，汽车结构用高强度钢是以添加各种合金成分的固溶强化型和析出强化型高强度钢为主体，但为了达到更高的强度,从80年代开始，研究方向已经开始转向组织强化型高强度钢，通过Cu析出物和三段冷却方式提高强度与加工性，通过冶金制造的组织控制来提高各种性能。特别是到了二十一世纪，发展更是突飞猛进，各种新钢种层出不穷，强度也不断提高，如含铜热处理强化钢，Rm590780MPa高翻边性能钢板，Rm440780MPa，超高强度钢板，Rm9801400MPa。,德国的两款轿车和SUV上所用的高强度钢材料,VWPolo（大众波罗）、PorscheCayanne（保时捷卡宴）、OpeVectra（欧宝维佳）等车型中现代高强度钢的用量分别为60%、36%、45%，用量非常大，而且已经超越了普通钢，成为汽车用钢的主力军，成为未来汽车材料的发展方向之一。,丰田汽车公司在其生产的丰田系列轿车上已经应用高强度钢制作车身及其零部件。车身质量要求越来越轻.,白车身重量的变化及高强度钢的使用比例,本田两代思域（CIVIC）轿车上高强度钢的使用情况对比,新一代日本铃木奥拓牌微型车车身使用高强度钢板的情况,看出高强度钢的用量和应用范围都非常大，其中的前门内板、主地板、门框内板、立柱等都用高强度钢制成，最高的占到了整个汽车用钢的68。,除上述国家外，各大汽车企业和钢铁协会也组成了超轻钢车体计划(ultralightsteelautobody)，目的是研究出新型高强度钢材料，扩大高强度钢材料在汽车工业中的应用，其目标是开发新型轻型钢车体，该型车比现有的车型更安全、更节能、更有利于环境保护、售价不增加。其中材料的开发与优化包括：新型高强度高成形性钢的开发与使用的优化，形成了以高强钢、超高强钢、双相钢和TRIP钢为主的新型汽车用钢系列；以激光拼焊板、液压成形管件和夹层板为特色的新型钢材系列。,ULSAB-AVC车身结构所选用钢种的强度级别、重量及重量比例,USLAB-AVC所选用的高强度钢种类很多，应用的零件范围也很广，其中DP700/1000的用量最大，达到了59.32%，其次是MART1250/1520和DP300/500，用量分别为47.71%和18.14%。,我国汽车用高强钢材料的研制开发工作较晚，但已有武钢、宝钢、鞍钢、上汽集团、上海大学、重庆汽车研究所等单位对汽车高强度钢材料开展了研究，特别是宝钢、武钢、上汽集团等单位在高强度钢领域有突出地位。国家科技部已将“500MPa以上高强度钢的先进制造技术”列为了863重点支持项目。,高强钢若干典型实例,液压成型车架、后副车架、油底壳、发动机托架、仪表板横梁等，可以看出，国内的汽车高强度钢应用范围已经十分广泛。,宝钢TRIP600与国外同类钢的典型性能,宝钢生产的高强度钢的强度等级为600MPa以上，性能与国外同类钢相差无几，但在国产轿车上还没有正式采用，相关的加工和成型技术也必须依赖国外。,汽车用高强度钢的减重潜能相对于传统的340MPa的材料,600MPa级的钢种在理论上的减重潜能大约为20%.然而,对于800MPa的材料,其减重潜能会提高至30%以上.Sumitomo公司的论文阐述了生产车轮用的700MPa和800MPa的热轧钢的发展.可达到该目标强度的化学成分为低碳,硅,锰,铬以及铌和钛微合金化元素.,高强度钢在主要零部件及研究的内容如下：(要考虑成形方式)挡泥板：抗凹陷性与回弹（先进高强度钢与铝比较），粘接性能与焊接性能；提升式门：抗凹陷性评估，成形与装配工艺研究，不同材料的结构耐久性试验评估；车轮：强度更高、成形性能更好的车轮用钢开发,以满足进一步减重及灵活生产的需要开发低成本，高尺寸精度的制造技术与铝车轮竞争，开发具有成本优势的车轮外观装饰系统，用于在钢车轮骨架上安装永久性铸铝外饰件，研究车轮导致车辆振动的根本原因，并通过系统设计的改进予以消除，开发车轮焊接新技术；轻型载货车车架：高刚度的轻型载货车车架连接技术，车身车架一体化设计方法；油箱：开发新材料品种（在道路环境和各种燃油条件下可使用15年）、新设计方法和制造方法，以在与塑料油箱的性能、质量、价格竞争中取胜;,座椅:开发强度级别应在5001400MPa、成形性能优良(弯曲半径小、孔伸长率高)的新型高强度钢,满足座椅零件的需要；皮卡车厢和提升式车门：高强度钢的焊接性能与成形性能，提高钢的减重、成本竞争力；仪表板横梁：管状截面高强度钢仪表板横梁的设计与制造技术；支座与支架：开发新一代微合金钢,使工作应力从目前600MPa提高到750MPa，辊压与液压成形生产设备开发，近净成形工艺与设备开发；悬架弹簧：开发工作应力达1300MPa以上的新型弹簧钢，开发可控失效弹簧钢用于单片弹簧，开发低成本的涂层及耐蚀弹簧材料。,其它轻量化材料铝具有高的导电性和导热性，密度小，塑性好，易成型，易回收利用。铸、锻、冲压工艺均适合于其零件制造，在汽车上的用量将明显增加。镁的密度为铝的2/3、钢的1/4。镁具有较高的比强度和比弹性模量、良好的刚性和抗电磁干扰屏蔽性、高的阻尼性能和减震抗冲击能力，其切削加工性和尺寸稳定性优于铝。镁合金易于回收利用，其应用极为广泛，也是汽车工业中最有发展前景的轻金属结构材料。工程塑料（？）,第二节铝及铝合金,一、铝及铝合金性能特点纯铝具有银白色金属光泽,密度小(2.72),熔点低(660.4),导电、导热性能优良。耐大气腐蚀，易于加工成形.具有面心立方晶格，无同素异构转变，无磁性。,铝合金制造的机翼,铝合金既具有高强度又保持纯铝的优良特性。铝合金常加入的元素主要有Cu、Mn、Si、Mg、Zn等，此外还有Cr、Ni、Ti、Zr等辅加元素。,可将铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。变形铝合金又分为可热处理强化和不可热处理强化两类。,铝合金分类示意图,二、铝合金的分类铝合金一般具有有限固溶型共晶相图。,三、铝合金的热处理,并淬火后获得过饱和的单相固溶体组织的处理。时效是指将过饱和的固溶体加热到固溶线以下某温度保温，以析出弥散强化相的热处理。,可热处理强化变形铝合金的热处理方法：固溶处理+时效。固溶处理是指将合金加热到固溶线以上，保温,在室温下进行的时效称自然时效；在加热条件下进行的时效称人工时效。时效强化效果与加热温度和保温时间有关。温度一定时，随时效时间延长，时效曲线上出现,峰值，超过峰值时间,析出相聚集长大，强度下降，为过时效。随时效温度提高，峰值强度下降，出现峰值的时间提前。,四、铝合金的牌号、性能及用途,1、变形铝合金变形铝及铝合金牌号表示方法根据国标规定，变形铝及铝合金可直接引用国际四位数字体系牌号或采用国标规定的四位字符牌号。,GB3190-82中的旧牌号仍可继续使用，表示方法为:防锈铝合金：LF+序号硬铝合金：LY+序号超硬铝合金：LC+序号锻铝合金：LD+序号,常用变形铝合金防锈铝合金主要是Al-Mn和Al-Mg系合金。Mn和Mg主要作用是,卫星天线（LF2）,提高抗蚀能力和塑性，并起固溶强化作用。防锈铝合金锻造退火后组织为单相固溶体，抗蚀性、焊接性能好，易于变形加工，但切削性能差。不能进行热处理强化，常利用加工硬化提高其强度。,汽化器(热交换管为LF21),常用的Al-Mn系合金有LF21（3A21），其抗蚀性和强度高于纯铝，用于制造油罐、油箱、管道、铆钉等需要弯曲、冲压加工的零件。常用的Al-Mg系合金有LF5（5A05）,其密度比,纯铝小，强度比Al-Mn合金高，在航空工业中得到广泛应用，如制造管道、容器、铆钉及承受中等载荷的零件。,硬铝合金主要是Al-Cu-Mg系合金，并含少量Mn。可进行时效强化，也可进行变形强化。强度、硬度高，加工性能好，耐蚀性低于防锈铝。,常用硬铝合金如LY11(2A11)、LY12(2A12)等，用于制造冲压件、模锻件和铆接件，如螺旋桨、梁、铆钉等。,超硬铝合金属Al-Zn-Mg-Cu系合金，并含有少量Cr和Mn。时效强化效果超过硬铝合金。热态塑性好，但耐蚀性差。常用合金有LC4(7A04)、LC9(7A09)等，主要用于工作温度较低、受力较大的结构件,如飞机大梁、起落架等。,飞机主起落架,锻铝合金Al-Cu-Mg-Si系合金可锻性好，力学性能高，用于形状复杂的锻件和模锻件，如喷气发动机压气机叶轮、导风轮等。,压气机叶片,Al-Cu-Mg-Fe-Ni系耐热锻铝合金常用牌号有LD7(2A70)、LD8(2A80)、LD9(2A90)等。用于制造150225下工作的零件，如压气机叶片、超音速飞机蒙皮等。,美F-117隐身战斗机(所用材料大部分是铝合金),高比强铝合金机翼,2、铸造铝合金包括：Al-Si系：代号为ZL1+两位数字顺序号Al-Cu系：代号为ZL2+两位数字顺序号Al-Mg系：代号为ZL3+两位数字顺序号Al-Zn系：代号为ZL4+两位数字顺序号Al-Si系铸造铝合金,又称硅铝明。其中ZL102(ZAlSi12)是含12%Si的铝硅二元合金，称为简单硅铝明。,在普通铸造条件下，ZL102组织几乎全部为共晶体，由粗针状的硅晶体和固溶体组成，强度和塑性都较差。生产上通常用钠盐变质剂进行变质处理,得到细小均匀的共晶体加一次固溶体组织，以提高性能。,加入其他合金元素的铝硅铸造合金称复杂(或特殊)硅铝明。Al-Si系铸造铝合金的铸造性能好，具有优良的耐蚀性、耐热性和焊接性能。,活塞(裙部为铝硅合金),用于制造飞机、仪表、电动机壳体、汽缸体、风机叶片、发动机活塞等。,Al-Cu系铸造铝合金这类合金的耐热性好，强度较高；但密度大，铸造性能、耐蚀性能差，强度低于Al-Si系合金。,汽缸头,常用代号有ZL201(ZAlCu5Mn)、ZL203(ZAlCu4)等。主要用于制造在较高温度下工作的高强零件，如内燃机汽缸头、汽车活塞等。,Al-Mg系铸造铝合金这类合金的耐蚀性好，强度高，密度小；但铸造性能差,耐热性低。常用代号为ZL301(ZAlMg10)、ZL303(ZAlMg5Si1),等。主要用于制造外形简单、承受冲击载荷、在腐蚀性介质下工作的零件,如舰船配件、氨用泵体等。,鼓风机密封件等(ZL102、301),Al-Zn系铸造铝合金这类合金的铸造性能好，强度较高，可自然时效强化；但密度大，耐蚀性较差。,大型空压机活塞(ZL401),常用代号为ZL401(ZAlZn11Si7)、ZL402(ZAlZn6Mg)等.主要用于制造形状复杂受力较小的汽车、飞机、仪器零件。,第三节钛及钛合金,一、工业纯钛纯钛密度小，熔点高。882.5发生同素异构转变-Ti-Ti,由体心立方-Ti转变为密排六方-Ti.纯钛比强度高，塑性、低温韧性和耐蚀性好。,纯钛主要用于350以下工作、强度要求不高的零件，如石油化工用热交换器、反应器，海水净化装置及舰船零部件。,二、钛合金纯钛加入合金元素形成钛合金。钛合金几乎都含有铝。铝能提高钛合金的强度、比强度和再结晶温度.,按退火组织，钛合金可分为型钛合金、型钛合金和+型钛合金三类，它们的牌号分别用TA、TB、TC加顺序号表示。如TA5、TB2、TC4等。其中TA0TA3为工业纯钛。,钛合金泵,1、型钛合金主加元素为铝，还有锡、硼等。不能热处理强化，通常在退火状态下使用,组织为单相固溶体。强度低于另两类钛合金，但高温强度、低温韧性及耐蚀性优越。,常用牌号有TA5、TA7等主要用于制造500以下工作的零件，如飞机压气机叶片、导弹的燃料罐、超音速飞机的蜗轮机匣及飞船上的高压低温容器等。,-Ti合金组织,2、型钛合金加入的合金元素有钼、铬、钒、铝等。经淬火加时效处理后，组织为相基体上分布着细小的相粒子。这类合金强度高，但冶炼工艺复杂，难于焊接,应用受到限制。,2019/12/12,53,可编辑,型钛合金有TB2、TB3、TB4三个牌号。主要用于350以下工作的结构件和紧固件,如飞机压气机叶片、轴、弹簧、轮盘等。,3、+型钛合金加入的合金元素有铝、钒、钼铬等。可进行热处理强化，强度高，塑性好，具有良好的热强性、耐蚀性和低温韧性。,钛合金列管式换热器,+型钛合金共有九个牌号,其中以TC4应用最广、用量最大，其经过淬火加时效处理后,组织为+时效析出的针状。,+型钛合金主要用于制造400以下工作的飞机压气机叶片、火箭发动机外壳、火箭和导弹的液氢燃料箱部件及舰船耐压壳体等。,第四节镁及镁合金,镁及其合金是最轻的结构材料之一,由于镁合金具有优良的导电性、导热性、电磁屏蔽性能、高的比度、比刚度、减震性、加工工艺性能和易回收、有利于环保等特性,因此早已引起航空工业和汽车工业注意。,镁合金的研究和应用至今有一百多年的历史。镁在1755年被首次发现，1808年英国科学家戴维在实验室从汞合金中制得纯镁。1830年英国科学家法拉第用电化学的方法从熔融氯化镁获得镁。1886年在德国的Bremen附近创建了世界上第一个电解镁厂，开始镁的工业化生产。二战期间，镁合金的研究与应用获得较大发展，二战结束后，在民用工业上开始开发和应用镁合金，后来由于镁合金研究遇到困难和价格因素，使镁合金材料的研发停滞不前。进入20世纪90年代中期，由于环境和能源问题越来越突出，因此又重新唤起人们对镁的重视。近年来，镁合金的研究与开发成为金属材料领域的热点。,一、镁合金的研究开发概况目前在汽车行业中,镁合金材料主要应用于车内部件、发动机部件、传动系统部件等,其使用或正在开发的铸件有:仪表盘骨架、阀壳、齿轮箱、座椅骨架、转向盘、变速箱壳体、离合器外壳、缸盖、进气歧管、车轮、车门框架、前灯支承托架、制动/离合器踏板托架、驾驶杆等几十种产品。,一、镁合金的研究开发概况目前镁合金应用发展势头最大的国家和地区是:北美和欧洲、日本、韩国和中国台湾地区。在北美、欧洲,镁合金主要应用领域是汽车行业;亚洲各国普遍侧重于镁合金在3C类产品上的应用。变形镁合金也开始受到各国重视。,二、镁合金成型工艺进展(1)镁合金熔炼技术镁化学性质较活泼,在大气中熔炼时,镁合金容易氧化和燃烧,因此常采用合金液阻燃技术和变质处理技术。(2)镁合金铸造成型技术生产工艺主要是铸造工艺和变形工艺,铸造工艺主要有压力铸造、砂型铸造、低压铸造、精密铸造、挤压铸造和半固态压力铸造等,变形工艺主要为锻造和冲压。铸造成形方法中以压力铸造应用最广泛。,三、新型镁合金材料开发及存在的主要问题(1)高温抗蠕变镁合金(2)高韧性镁合金(3)高强度镁合金(4)高耐腐蚀性镁合金(5)变形镁合金,四、抗蠕变耐热镁合金,镁合金的高温变形特点是晶内位错运动与晶界滑移相结合。因此，耐热镁合金的设计思路是：遵循强化基体与晶界、限制基体位错运动及阻止晶界滑移的原则，综合运用基体的固溶强化、时效强化和弥散强化，以及弥散小颗粒对晶界的钉扎作用等复合强化机制，实现提高镁合金耐热性的目的。,从限制位错运动和强化晶界入手，通过引入热稳定性高的第二相、在晶界处形成适当的金属间化合物取代晶界上原有的存在相等手段可实现提高镁合金高温蠕变抗力的目的。在镁合金中加入能形成较高结构稳定性的金属间化合物的合金元素，是改善镁合金抗蠕变性能最有效的途径。,Mg-Al及Mg-Zn系合金:Mg-Al及Mg-Zn系合金是最早用于铸件生产的二元系镁合金，许多新型的镁合金均是在这两类合金的基础上开发出来的。这两类镁合金的抗蠕变耐热性能均不高。提高镁合金高温抗蠕变性能。通常采用的方法是降低铝含量，以减少熔点低且在高温下容易软化和粗化的Mg17Al12相。此外，还可加入容易形成较高稳定性弥散相的合金元素，以形成热稳定性高的金属间化合物，从而改善镁合金的高温蠕变性能,Mg-RE系耐热镁合金对于铸造镁合金而言，稀土是改善其耐热性能最为有效和最具实用价值的合金元素，这是因为：(1)稀土使晶界扩散渗透性降低，相界的凝聚作用减慢，且所形成的第二相在整个持续时间内始终是位错运动的有效障碍；(2)稀土元素可减少金属氧化物缺陷以及改变其结晶晶格参数；(3)大部分稀土元素与Mg的原子尺寸接近，以稀土为主要合金元素的铸造Mg合金，在室温和高温下固溶强化和沉淀效果好，特别是在Mg中加入三价稀土元素后电子浓度提高，原子结合力增强，在200-300之间固溶度变化较小，时效析出比较均匀，相界附近浓度梯度变化较小。上述因素有助于阻止高温下Mg合金的晶界迁移和减小扩散蠕变，从而使镁合金具有优良的高温抗蠕变性能。,储氢材料,一、绪言,氢二十一世纪的绿色能源;,1.1能源危机与环境问题,化石能源的有限性与人类需求的无限性石油、煤炭等主要能源将在未来数十年至数百年内枯竭！（科技日报，2004年2月25日，第二版）化石能源的使用正在给地球造成巨大的生态灾难温室效应、酸雨等严重威胁地球动植物的生存！人类的出路何在？新能源研究势在必行！,1.2氢能开发，大势所趋,氢是自然界中最普遍的元素，资源无穷无尽不存在枯竭问题氢的热值高，燃烧产物是水零排放，无污染，可循环利用氢能的利用途径多燃烧放热或电化学发电氢的储运方式多气体、液体、固体或化合物,1.3实现氢能经济的关键技术,廉价而又高效的制氢技术安全高效的储氢技术开发新型高效的储氢材料和安全的储氢技术是当务之急车用氢气存储系统目标：IEA:质量储氢容量5%;体积容量50kg(H2)/m3DOE:6.5%,62kg(H2)/m3,二、不同储氢方式的比较,气态储氢：能量密度低不太安全液化储氢：能耗高对储罐绝热性能要求高,固态储氢的优势：体积储氢容量高无需高压及隔热容器安全性好，无爆炸危险可得到高纯氢，提高氢的附加值,2.1体积比较,2.2氢含量比较,三、储氢材料技术现状,3.1金属氢化物3.2配位氢化物3.3纳米材料,金属氢化物储氢特点,反应可逆氢以原子形式储存，固态储氢，安全可靠较高的储氢体积密度,M+x/2H2,MHx+H,PositionforHoccupiedatHSM,3.1金属氢化物储氢,目前研制成功的：稀土镧镍系钛铁系镁系