汽车材料及轻量化趋势

作为提高汽车燃油经济性的手段之一，轻量化并不是新鲜的技术名词。从20世纪70年代以来，汽车轻量化已经有了长足的发展。近几年，世界各地燃油经济性不断严峻的趋势，使汽车公司和零部件供应商进一步大力开展汽车轻量化研究，各种新材料、新技术层出不穷。应该注意的是，汽车轻量化不只是单纯的减重，必须同时考虑性能、工艺、成本等因素。单一材料很难同时满足各种汽车零部件的不同要求。因此，汽车轻量化的发展趋势是多种材料的混合使用。为了确保在恰当的部位使用合适的材料，工程人员有必要了解各种轻量化材料、加工工艺、相关的连接技术，以及优化技术。

韩维建博士现任美国福特汽车公司亚太区研究与先进工程主管。自从1995年加入福特以来，在中国、泰国、印度、菲律宾和越南等国家，他组织和领导了众多的研究和技术项目，代表福特汽车公司参与由世界银行、亚洲发展银行资助的“亚洲清洁空气行动”。他在交通可持续发展系统分析、汽车轻量化、环境、能源、道路交通安全、政策制定、以及产学研结合等诸多领域都具有丰富的经验和研究成果。韩博士自2011年以来担任国际汽车工程师协会工程会议理事会成员。
韩维建博士在俄克拉菏马州的塔尔萨大学获得机械工程博士学位（1997）和工程管理硕士学位（1990），他在四川大学获得金属材料工程的学士学位（1983）。他目前是上海交通大学的兼职博士导师，并在清华大学和重庆大学联合指导博士生。
韩维建博士在2001年4月获太平洋地区经济理事会环境银奖，2002年9月获云南省国际合作类科技进步奖，2011年南京航天航空大学校长国际合作奖，2013年福特中国大使奖。韩博士在能源经济、生命周期分析、汽车排放控制技术和可替代能源技术等领域，发表和发布国际性论文、演讲、讲座等逾80篇次。

目　　录
丛书总序
自序
推荐序
前言
第1章　绪论1
　1.1　汽车材料的发展历程1
　1.2　汽车轻量化的驱动力及影响因素5
　　1.2.1　石油危机和油价5
　　1.2.2　燃油经济性法规7
　1.3　汽车轻量化趋势10
　　1.3.1　轻量化材料10
　　1.3.2　汽车轻量化系统工程12
　参考文献14
第2章　先进高强钢在汽车上的应用17
　2.1　概述17
　2.2　先进高强钢的发展20
　2.3　发展先进高强钢的驱动力25
　　2.3.1　成本26
　　2.3.2　安全26
　　2.3.3　温室气体排放27
　　2.3.4　力学性能27
　2.4　先进高强钢29
　　2.4.1　双相钢32
　　2.4.2　复相钢40
　　2.4.3　TRIP钢44
　　2.4.4　马氏体钢50
　　2.4.5　TWIP钢55
　　2.4.6　奥氏体不锈钢62
　2.5　先进高强钢的应用66
　　2.5.1　先进加工工艺66
　　2.5.2　先进高强钢面临的挑战74
　2.6　发展趋势79
　　2.6.1　第三代先进高强钢79
　　2.6.2　组织设计80
　　2.6.3　新工艺83
　参考文献88
第3章　铝合金在汽车中的应用92
　3.1　引言与概况92
　3.2　铝合金的命名系统97
　3.3　铝合金在汽车中的应用情况101
　　3.3.1　按照应用部位分类101
　　3.3.2　按照加工类型分类104
　3.4　铝合金应用后的轻量化效果108
　3.5　铝合金在汽车应用中的前景展望111
　参考文献112
第4章　镁合金在汽车中的应用115
　4.1　引言115
　　4.1.1　镁合金概述115
　　4.1.2　镁合金对汽车轻量化的意义118
　4.2　镁合金在汽车工业中的应用118
　　4.2.1　应用历史118
　　4.2.2　应用介绍120
　4.3　镁合金在汽车应用上的局限性124
　4.4　汽车用镁合金的发展趋势126
　参考文献127
第5章　塑料131
　5.1　车用塑料材料发展概述131
　　5.1.1　塑料材料的制备132
　　5.1.2　塑料的分类134
　　5.1.3　塑料的特性及应用143
　　5.1.4　塑料成型工艺153
　5.2　塑料材料在汽车轻量化上应用的典型案例156
　　5.2.1　材料研究156
　　5.2.2　结构设计158
　　5.2.3　制造可行性分析161
　5.3　汽车用塑料发展趋势164
　参考文献166
第6章　复合材料170
　6.1　复合材料在汽车中的应用170
　　6.1.1　复合材料的种类及特点170
　　6.1.2　复合材料在汽车中应用的历史和现状173
　6.2　汽车用复合材料的主要种类175
　　6.2.1　热固性树脂基复合材料175
　　6.2.2　热塑性树脂基复合材料183
　　6.2.3　金属基复合材料188
　　6.2.4　其他复合材料194
　6.3　汽车用复合材料面临的挑战及未来的发展方向197
　　6.3.1　汽车用复合材料面临的挑战197
　　6.3.2　汽车用复合材料未来的发展方向203
　参考文献204
第7章　现代车身连接技术206
　7.1　概述206
　7.2　熔化焊接207
　　7.2.1　电阻点焊207
　　7.2.2　激光焊接212
　　7.2.3　气体保护焊216
　7.3　固相连接218
　7.4　机械连接221
　　7.4.1　自穿刺铆接221
　　7.4.2　无铆钉铆接223
　　7.4.3　自攻螺纹连接226
　7.5　结构胶粘接228
　7.6　金属/非金属材料连接方法简介230
　7.7　小结233
　参考文献235
第8章　轻量化优化设计技术237
　8.1　概述237
　　8.1.1　优化设计技术237
　　8.1.2　轻量化优化设计分类238
　8.2　结构拓扑优化238
　　8.2.1　结构优化分类238
　　8.2.2　结构拓扑优化原理239
　　8.2.3　轻量化拓扑优化应用案例241
　8.3　汽车用材优化243
　　8.3.1　汽车用材背景243
　　8.3.2　汽车用材趋势244
　　8.3.3　汽车用材与性能间的关系245
　8.4　工艺设计优化249
　　8.4.1　轻量化工艺设计概述249
　　8.4.2　典型轻量化工艺250
　　8.4.3　轻量化工艺优化应用案例254
　8.5　小结261
　参考文献261

前　　言作为提高汽车燃油经济性的手段之一，轻量化并不是新鲜的技术名词。从20世纪70年代以来，汽车轻量化已经有了长足的发展。为了满足各国政府的安全法规、排放法规以及消费者对于个性化和舒适性的要求，各种零部件、子系统被逐步安装到汽车上。这导致在过去40年，汽车平均质量实际上在缓慢上升。近几年世界各地燃油经济性法规不断加严的趋势，使汽车公司和零部件供应商进一步大力开展汽车轻量化研究，各种新材料、新技术层出不穷。应该注意的是，汽车轻量化不只是单纯的减重，必须同时考虑性能、工艺、成本等因素。单一材料很难同时满足各种汽车零部件的不同要求。因此，汽车轻量化的发展趋势是多种材料的混合使用。为了确保在恰当的部位使用合适的材料，工程人员有必要了解各种轻量化材料、加工工艺、相关的连接技术以及优化技术。
基于新颖、实用、系统的理念，本书第1章回顾了汽车用材料的组成与演变，以及汽车轻量化发展趋势，强调要系统地研发和推进轻量化。第2～6章覆盖了常用轻量化材料在汽车中的应用，包括高强钢、铝合金、镁合金、塑料和复合材料。由于这些材料必须连接在一起，因此各种连接技术是保证汽车结构整体性的关键。第7章介绍了多种用于汽车轻量化设计的连接技术。第8章讨论了优化设计技术在汽车轻量化中的应用。
参与本书编写的是一个比较“新”的博士团队，这一团队在汽车材料和轻量化方面累积了丰富的经验。 除了韩维建、张瑞杰、郑江以外，参加编写的还有黄诗尧、马秋、包祖国、石燕栋和石磊。每个人都尽力把自己对轻量化的理解和经验反映在本书的内容里面。将汽车轻量化的一些基础知识介绍给高校相关专业的学生和从事汽车轻量化工作的工程师，以及所有对汽车轻量化感兴趣的人。由于时间仓促和作者们的阅历局限，本书的不足之处在所难免，欢迎读者提出批评和修改意见。
韩维建