当涉及到汽车的质量和成本时，材料科学起着决定性的作用。因此，正确选择材料是使汽车工业达到质量和排放目标的关键。

在过去的100年的开发和应用中，钢已被证明是车身结构的有效选择材料。在这段时间里，钢铁行业已经度过了几年的大量研究和开发先进的钢是更强，更安全，更环保，更省油，成本竞争力。如今，市场上提供了200多种等级的钢材[1]。

事实证明，钢是车身结构的有效选择材料

新的安全和燃油法规已迫使汽车制造商转向替代轻质材料和新技术。也许替代材料是减少质量的好选择，但前提是您能够负担得起。

钢铁行业不断创新，替代材料和钢材一直在争夺汽车行业的注意力。随着这场斗争的继续，当今汽车行业面临的主要挑战是什么？

对环境造成的影响

全球汽车行业承受着来自环境和客户需求的持续压力[2]。该行业面临着与燃油经济性，气体排放，安全性和可负担性有关的问题。此外，当今车辆在成本，质量，性能和可制造性方面的竞争压力比以往任何时候都要大。

汽车行业一直受到环保主义者的压力。

汽车工业的反应主要集中在选择满足这些性能和成本要求的轻质材料上，从而提高了车辆的效率和燃油经济性[3]。但是，当前的欧盟安全和经济法规正在影响汽车应用的材料选择，尤其是汽车的质量和性能[4]。

燃油经济性和二氧化碳排放量

21世纪汽车工业面临的主要问题之一是由CO 2排放量增加引起的环境变化[2]。车辆在整个生命周期中都会产生温室气体排放，其中运输部门的CO 2排放约占欧盟CO 2排放总量的20％ [2]。

大多数与车辆有关的CO 2排放直接来自于车辆的使用（85％），而其他15％是由汽车制造，包括材料生产引起的[3]。

大多数与车辆有关的CO2排放直接来自于车辆的使用（85％）。

除了直接影响燃油经济性外，汽车制造商还专注于“轻量化”以达到燃油效率要求[3]。

此外，2017年对欧盟新乘用车的平均CO 2排放性能进行了调查。将9个主要制造商组的CO 2排放量分组在一起，并分析了它们满足CO 2标准的程度。数据如图1所示。

图1. 9个汽车制造商集团在2017年的CO2排放表现[2]。

丰田汽车的平均二氧化碳排放量约为100克/公里，平均车辆重量为1350公斤，在2017年是所有制造商中最低的CO 2排放量。相反，菲亚特克莱斯勒汽车集团（阿尔法·罗密欧，菲亚特，吉普，玛莎拉蒂）在实现2020/21年目标方面处于劣势。车辆的平均CO 2排放量将必须减少约24 g / km（20％），才能达到2020/21的CO 2排放目标。

钢铁的贡献

引入新的安全性和防撞性改进法规已经对钢铁行业提出了挑战，要求其开发具有独特的微观结构组合和更高强度的钢材，例如DP，CP，TRIP和TWIP，以帮助减少部件尺寸和重量。

在文章“高级高强度钢（AHSS）：使您的汽车更坚固，更轻，更安全的新一代钢”中详细了解这些AHSS的各种形式及其当前的发展。

减轻重量

对于轻质材料，首先想到的往往是从低密度材料开始，例如铝，镁或碳纤维增强材料，由于其密度高，导致对传统钢的负面看法。

一项新的研究表明，与使用其他轻质材料制成的零件相比，钢制零件既坚固又便宜。

然而，采用更高强度的新钢种使设计人员能够在不增加质量的情况下实现惊人的碰撞性能[5]。这是通过在车身结构和封闭件中使用AHSS来实现的，其中，每个承载主要部分都由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负载，因此可以实现质量的降低[4,5]。

2009年，一项研究评估了丰田Venza车辆的质量减少情况，该方法主要是用AHSS级钢代替低碳钢。质量减少了25％。同时，该研究还评估了使用低密度替代材料对同一车辆的质量降低。在这种情况下，质量降低了29％ [5]。然而，成本效益分析表明，与使用其他替代轻质材料制成的零件相比，钢制零件既坚固又便宜[3，5]。

2016年现代图森是使用AHSS改善车辆性能和减少重量的完美典范。

在2016现代途胜和2016起亚的Optima 是改进的车辆性能和质量减少极好的例子通过使用AHSS，使得他们的车辆更轻，更硬。的福特Edge是有效的设计的另一实例中，使用不同的AHSS代用于优化性能[3,5]。

汽车生产中的钢与铝

汽车行业的材料之间一直存在竞争，特别是铝和钢之间[1，5]。与铝相比，钢的主要优点是钢的可成形性，强度和可承受性。与铝相比，钢以其更高的屈服强度和延展性而广为人知。例如，铝无法实现凯迪拉克汽车的车身设计，因为铝的低成形性很难实现用铝板制成复杂的形状[4]。

与铝相比，钢的主要优势是钢的可成形性，强度和可承受性。

自1920年代以来，铝一直在汽车工业中使用，但是，形成铝板一直很昂贵且困难。同样，其较低的抗张强度意味着铝板需要更大的厚度才能满足安全标准。因此，与标准汽车钢和AHSS相比，铝的使用可以减轻重量，但价格更高[5,6]。

在解决相对制造成本时，材料的选择成为关键因素，与AHSS相比，替代材料（如铝和纤维增强复合材料）在成本上处于劣势。表1显示了详细的比较。

表1.各种材料的重量减轻和制造相关成本[9]。

复合材料

复合材料的购买价格很高，但从经济角度来看，它们通常仍然有意义。它们的重量很轻，强度和刚度好，耐腐蚀性好，并且非常省油[7]。尽管有这些优点，纤维复合材料由于制造成本高而仍将保持昂贵，因此仅在某些应用中才可行[3，8]。

与钢材相比，生产速度当然也是一个问题。例如，制造复合零件的周期时间为1至5分钟，而冲压钢零件仅需10秒[5]。关于减少制造时间的广泛研究正在进行中，复合材料行业继续探索工艺和制造解决方案，以开发能够满足汽车制造商需求的低成本材料。

最后的想法

如今，汽车制造商正在使用替代材料以减轻车辆的重量。成本是汽车制造商的主要驱动力，理想的是，任何重量的减轻都必须节省制造成本。

尽管这些替代轻质材料中有许多优点，但它们仍然太昂贵而无法成为主流。因此，在未来几年中，与铝相比，AHSS薄型材的机械和重量优势将继续使其成为其他轻质材料的首选材料。

汽车生产商正在使用替代材料，以减少车辆的重量。事实证明，AHSS是一种低成本材料，通过替换低碳钢可以最大程度地减轻重量。

设计人员必须在结构性能和生命周期成本与材料成本之间取得平衡。虽然AHSS被证明是一种低成本材料，但用AHSS等级代替低碳钢所导致的最大重量减少仅限于25％。但是，随着新技术的迅速采用，例如即将面世的第三代AHSS，有望进一步减轻重量。