1.1 汽车材料的发展历程

汽车自诞生100多年以来，其设计、制造工艺得到了巨大的发展。随着新材料开发、制造及加工水平的不断提高，现代汽车材料与100年前相比发生了巨大的变化。

早期的汽车是从马车演变来的。20世纪初期基于马车的制造经验，最初的车身是简单的木制“箱形”结构。随着金属制备技术的发展，金属在汽车上的用量逐渐增加。福特T型车（Model T，见图1-1）是汽车历史上非常著名同时也是获得了巨大成功的一款汽车。在亨利·福特改进了汽车生产工艺之后，T型车的生产、组装时间由12.5h降到了93min，当时市面上50%的汽车由福特汽车公司生产。表1-1及图1-2是1915年款福特T型车所用材料及其用量。由表1-1可见，该车整备质量仅为545kg，远远低于现代汽车的平均质量。其中，铸铁和钢材是最主要的材料，其用量接近60%；木材的用量约为76.3kg，用于轮毂及某些骨架结构（如座椅骨架）等，其虽用量远不及钢铁，但大大超过了其他材料；铝合金在1915年款T型车上也得到了应用，主要用于车顶篷、变速器盖等部位，然而1916年款T型车顶篷又改用了钢材，铝合金的应用在当时较为有限。

图1-1　福特T型车

图1-2　1915年款T型车所用材料及其用量

表1-1　1915年款福特T型车所用材料及其用量

随着汽车制造技术的不断发展，特别是第二次世界大战以后，用户对舒适性需求的提高和汽车安全法规的不断完善，使得20世纪中后期汽车质量与汽车诞生初期相比大大增加。到了1975年，乘用车平均整备质量达到了1700kg以上，约为1915年款福特T型车的3倍。经过几十年的发展，更多的新材料被开发、应用到汽车制造中，表1-2所列为1975年汽车制造中用到的材料及其平均用量。由表1-2可见，钢铁仍然是最主要的汽车材料，其总用量占汽车总质量的比例甚至比T型车还要高；而作为T型车主要材料之一的木材，因其易燃性较高，在20世纪70年代的汽车中已经消失不见；很多密度小的材料在汽车上得到了应用，如塑料、橡胶等。

表1-2　1975年乘用车材料及其用量

进入20世纪90年代，钢铁公司开发出第一代先进高强钢，汽车材料发生了较大的变化，如图1-3所示。此时轻型汽车中钢材的用量仍占汽车总重的50%以上，虽然低碳钢仍占钢材用量的主导地位，但先进高强钢已经迅速发展并得到广泛应用。铝合金的用量（质量而非占汽车总重的百分比）逐年提高，平均每辆车的铝合金用量为100kg左右，其中80%为铸造铝合金。塑料等非金属材料在汽车总重中所占的比重显著提高，在北美市场中，非金属材料在汽车总质量中所占的比重超过20%。

图1-3　1995年乘用车所用材料及其用量

在当今的汽车工业中，新型汽车材料不断被开发出来，汽车制造过程中使用的材料越来越丰富。以2013款福特Fusion为例，其制造过程中用到的材料及其占汽车总重的比例见表1-3。Fusion用到的金属材料中，钢材占绝对主导地位，受益于先进高强钢的不断开发，制造商在对钢材的利用上也有了更多的选择。该车车身主要由钢材制成，在车身结构的承载部位大量使用了各种牌号的先进高强钢，普通低碳钢的平均用量较20世纪车型大幅降低，如图1-4所示。除先进高强钢外，当代汽车还采用铝合金、镁合金、工程塑料及复合材料等多种金属/非金属材料，以满足汽车对功能、安全、效率等多方面的需求。图1-5为100多年来汽车材料的发展趋势。

表1-3　2013年款福特Fusion所用材料及其用量

①零件数总计不包括紧固件数量。

图1-4　2013年款福特Fusion车身

图1-5　汽车材料的发展趋势

自汽车诞生之日起，随着其功能的不断完善，汽车的质量是不断增加的。此外，第二次世界大战结束后的20多年间是汽车工业发展的黄金时期。战后初期，汽油价格低至25美分/加仑，汽车制造商们不必考虑任何与燃油经济性有关的问题，汽车设计的趋势是设计更大、更舒适、动力更强劲的大型车。

然而好景不长，爆发于1973年的第一次石油危机导致汽油价格暴涨，并彻底改变了全球汽车工业的格局。高昂的油价迫使制造商推出质量更小、油耗更低的小型车，乘用车的平均质量在石油危机之后的几年迅速降低。之后，各国政府纷纷推出了各种影响汽车工业的能源政策，如排放法规、燃油经济性法规以及油耗税等，这些政策以及油价波动共同影响着汽车的轻量化进程。