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镁合金
镁合金的特点
镁合金是一种轻合金，熔点为650℃。
金属镁及其合金是工程应用中最轻的金属结构材料，纯镁的密度仅为·
cm-3，而常规镁合金如AZ91密度也只是·
cm-3，约为铝的2/3，钢的1/4，接近工程塑料的密度[2]，因此将镁合金应用在汽车领域中可极大地减轻结构件的质量。
镁合金与其它金属相较镁合金具有很多性能优势：
（1）密度小，经常使用金属中最轻的金属例如AZ91镁合金的密度是·
cm-3，约为铝的2/3，锌的1/4，不到钢或铸铁的1/4，接近工程塑料的密度。
关于含30%玻璃纤维的聚碳酸酯复合材料来讲，镁的比重也不超过它的10%。
因此镁合金的利用可有效减轻汽车的质量。
表一为几种金属的密度对照
表1几种经常使用金属密度
金属名称
密度（g/cm3）
与镁比
Mg
23
Al
35
Ti
58
Zn
90
Fe
100
（2）比强度高抗拉强度、屈服强度、伸长率与铝合金铸件相当。
从设计者的立场考虑，密度小的金属假设不具有高强度，将没成心义。
实验显示，镁合金的比强度比铝合金和钢高。
因此在不降低零部件强度条件下，镁合金铸件比铝铸件的重量减轻大约25%。
几种经常使用的镁合金性能见下表2。
表2经常使用镁合金的性能
合金
延伸率
抗拉强度MPa
拉伸屈服强度MPa
拉压屈服强度Mpa
弹性模量GPa
AM60A
205
115
6
45
AS21X1
240
130
9
AS41A,XB
220
150
4
AZ91A\B\D
230
165
3
A350
325
160
71
（3）热传导性好具有良好的耐侵蚀性能、电磁屏蔽性能、防辐射性能，可进行高精度机械加工，且热传导性好，尽管镁合金的导热系数不及铝合金，可是比钢高近1倍，比塑料材料高10倍。
因此镁合金已普遍用于压铸汽车轮毂上，可有效散发制动摩擦热量，提高制动稳固性。
（4）良好的焊接和铸造性能镁合金的熔点、比热容和相变潜热比铝合金低，融化耗能较少，固化速度快，动力粘度低具有良好的压铸成形性能和尺寸稳固性，压铸件生产周期比铝合金短，易形成薄壁结构件，压铸件壁厚最小可达0．15mm，镁与铁的亲和力小，固溶铁的能力低，不易粘模，铸模寿命比生产铝合金高2，3倍，适合制造各类汽车压铸件。
（5）对振动、冲击的吸收性能好具有良好的阻尼系数，镁合金对振动能量的吸收能力强，消震性能优于铝合金和铸铁，用于驱动和传动部件上能够降低噪声，用于座椅、轮圈、方向盘能够减少振动，在汽车发出碰撞后专门好地吸收冲击能量，提高汽车的平安性和舒适性。
（6）抗凹陷性能好
镁合金与其他金属相较抗变形能力强，由冲击而引发的凹陷小于其它金属。
（7）易于机械加工镁合金超级易于机械加工，在无冷却液、无润滑剂的情形下能实现高负荷加工，取得光洁的加工面，衡量机械加工的指标之一是动力消耗量。
表3是以镁合金为1的情形下，各类合金机械加工时的动力消耗量比较。
由表3可知镁合金具有良好的机械加工性。
表3机加工时动力消耗量比较
合金种类
动力消耗量之比
镁合金
铸铁
铝合金
软铜
黄铜
镍合金
10
（8）易于回收再生。
回收的镁合金可直接熔化再进行浇铸，且不降低其力学性能。
镁合金同其它金属相较，熔点低，比热小，在再生溶解时所消耗的能源是新材料制造所消耗能源的4%。
另外，镁合金的电磁波屏蔽性好，外表美观。
更为重要的是，镁是自然界中散布最广的元素之一，约占地壳质量的%，列第八位，仅次于O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K，由于镁本征化学性质活泼，在自然界中要紧以化合物的形式存在，在陆地上的含量为%，海水中的含量为%，达×
1015t。
我国是世界上镁矿资源最富有的国家。
要紧含镁资源包括菱镁矿：
资源总量亿t，居世界首位；
白云石：
资源总量约40亿t；
盐湖卤水：
柴达木盆地镁盐保有储量亿t[4]。
丰硕的镁矿资源为我国镁产业的可持续进展提供了最靠得住的资源保障。
相反，铁矿及铝矿资源那么相对贫乏一些。
已探明世界储量的铁矿石与铝土矿的可采储量保障年限只有约70年和50年。
我国的铁、铝资源加倍贫乏，储量仅占世界比例%和
%，可采储量保障年限别离在30年左右和10年以下。
从污染角度讲，钢铁的质量密度大，消费量大，其制品在利用进程中易造成高能耗和污染排放；
铝虽为轻质材料，但仅铝电解一个工艺环节的电耗就占到整个有色工业的90％，并也间接致使高污染排放。
而被冠以“21世纪绿色结构材料”[5]佳誉的金属镁在这些方面那么相对好一些。
据中国有色金属工业协会数据统计,2020年18月份全国共产原镁万吨,同比增加%。
需要说明的是，由于受到国际各类金属材料的阻碍，适才价钱的上升，使镁合金本钱方面的劣势进一步减小，镁合金的综合优势进一步明显。
因此，关于盛产镁合金资源的中国来讲，中高级轿车采纳镁合金制作汽车零件也就加倍彰显优势了。
镁合金的新进展
尽管镁合金在汽车上的应用具有其它金属不可比拟的优势，但在过去几十年中，由于价钱和生产技术方面的缘故，镁合金一直未取得普遍应用，最近几年来随着镁价钱慢慢下降，使镁合金在汽车中全面应用慢慢成为可能，世界范围内各要紧汽车生产国不断加大在镁合金开发和应用技术研究上的投入，从而一些新技术接踵问世。
1.耐蚀镁合金
镁合金的耐蚀性的问题可通过2个方面来解决：
严格限制镁合金中的Fe、Cu、Ni等杂质元素的含量。
例如，高纯AZ91HP镁合金（Mg、Al、Zn）在盐雾实验中的耐蚀性大约是AZ91C镁合金（Mg、Al、Zn）的100倍，超过了压铸铝合金A380（Mg、Al、Zn）比低碳钢还要好。
对镁合金进行表面处置。
依照不同的耐蚀性要求，可选择化学表面处置，阳极氧化处置、有机物涂覆、电镀、化学镀、热喷涂等方式处置。
例如，经化学镀的镁合金，其耐蚀性超过了不锈钢。
2．耐热镁合金
耐热性差是阻碍镁合金普遍应用的要紧缘故之一。
当温度升高时，镁合金的强度和强蠕变性能大幅度下降，使它难以作为关键零件（如发动机零件）材料在汽车工业中普遍应用。
耐热镁合金的研究与开发要紧围绕新合金研究和改善现有镁合金的高温性能两个方面进行。
Mg-Al-Si（AS）系合金是德国公共汽车公司开发的压铸镁合金。
当在175℃时，AS41合金的蠕变强度明显高于AZ91（Mg、Al、Zn）和AM60（Mg、Al、Zn）合金。
20世纪80年代，国外致力于利用Ca来提高镁合金的高温拉强度和蠕变性能表现良好。
日本东北大学采纳快速凝固法制成的具有100-200nm晶粒尺寸的高强镁合金，强度为超级铝合金的3倍，并具有超塑性、高耐热性和高耐蚀性。
3.阻燃镁合金
镁合金在熔炼烧铸进程中易发生猛烈的氧化燃烧。
上海交通大学轻合金周密成型国家工程中心通过同时加入几种元素，开发了一种阻燃性能和力学性能均良好的轿车用阻燃镁合金，成功进行了轿车变速箱盖的工业实验。
4.高强高韧镁合金
现有镁合金的常温强度和塑韧性均有待进一步提高。
在Mg-Zn和Mg-Y合金中加入Ca、Zr可显著细化晶粒，提高其抗拉强度和屈服强度；
加入Ag和Th能够提高Mg-稀土-Zr合金的力学性能，如含有Ag的QE22A合金具有较高的室温拉伸性能和抗蠕变性能。
5.变形的镁合金
尽管目前铸造镁合金产品用量大于变形镁合金，但经变形的镁合金材料可取得更高的强度、延展性及更多样化的力学性能，可知足不同场合结构件的利用要求。
因此开发变形镁合金具有久远的进展趋势。
美国成功研制了各类系列的变形镁合金产品。
通过挤压和热处置取得的Zk60（Mg、Al、Zn）高强变形镁合金，其强度及断裂韧性相当于失效状态的Al7075（Mg、Al、Zn）或Al7475（Mg、Al、Zn）合金。
而采纳快速凝固（RS）、粉末治金（PM）和热挤压工艺开发的Mg-Al-Zn系EA55RS变形镁合金，成为迄今报到的性能最正确的镁合金，其性能不但超过常规镁合金，比强度乃至超过7075铝合金（Mg、Al、Zn），并具有超塑性（300℃，436℃），侵蚀速度与2024-T6合金（Mg、Al、Zn）相当，成为先进镁合金材料的典范。
日本最近开发出超高强度的Mg-Y系变形镁合金材料，可冷压加工的镁合金板材。
6.镁合金成形技术
镁合金成形分成变形和铸造两种方式，当前要紧利用铸造成形工艺。
压铸是应用最普遍的镁合金成形方式。
最近几年来进展起来的镁合金压铸新技术有真空压铸和充氧压铸，前者已成功生产出AM60B镁合金（Mg、Al、Zn）汽车轮毂和方向盘，后者已用于生产汽车上的镁合金零件。
镁合金半固态触变铸造（Thixo-Molding）成形新技术最近几年来受到美国、日本和加拿大等国的重视。
与传统压铸相较，触变铸造无需熔炼、浇铸及气体爱惜。
生产进程更清洁、平安和节能。
但目前可供利用的半固态铸造镁合金材料相对选择性小，需要进一步进展适用于半固态铸造镁合金的镁合金系列。
其它正在进展的镁合金铸造成形新技术有：
镁合金消失模铸造、挤压铸造、低压铸造结合法、挤压铸造、流变铸造结合法和真空倾转法差压铸造等。
碳纤维复合材料
碳纤维是一种含碳量在92%以上的新型高性能纤维材料,具有重量轻、高强度、
高模量、耐高温、耐磨、耐侵蚀、抗疲劳、导电、导热和远红外辐射等多种优良性能,不仅是21世纪新材料领域的高科技产品,更是国家重要的战略性基础材料,政治、经济和军事意义十分重大。
尽管碳纤维可单独利用发挥某些功能,但是,它属于脆性材料,只有将它与基体材料牢固地结合在一路时,才能利用其优良的力学性能,使之更好地承载负荷。
因此,碳纤维要紧仍是在复合材料中作增强材料。
依照利用目的不同可选用各类基体材料和复合方式来达到所要求的复合成效。
碳纤维可用来增强树脂、碳、金属及各类无机陶瓷,而目前利用得最多、最普遍的是树脂基复合材料。
用碳纤维与树脂、金属、陶瓷、玻璃等基体制成的复合材料,普遍应用于航空航天领域、体育休闲领域和汽车制造、新型建材、信息产业等工业领域。
碳纤维增强复合材料是以各类树脂、碳、金属、陶瓷为基体材料的塑料，其依照基体材料可分为树脂基复合材料（CFRP）、陶瓷基复合材料（CMC）和金属基复合材料（MMC）。
碳纤维增强环氧树脂基复合材料的强度、刚度、耐热性能是其它材料无法比拟的，其比强度、比模量均高于其他材料，拉伸强度比铝、钢都大，弯曲、紧缩、剪切等机械性能优良。
以树脂和金属为基体的复合材料在车身上的应用较为成熟。
碳纤维复合材料特性
碳纤维增强复合材料具有应用于车身制造的诸多优势。
为了确保足够的平安性能，在主承载车身结构件上汽车厂商通常要选择强度，刚性及耐冲击性能均很高的材料用于制作主承力结构件，这时环氧树脂碳纤维增强复合材料就成为理想的材料选择。
环氧树脂碳纤维增强复合材料具有可设计性、质轻高强、与同体积的铝合金构件相较减重可达50%，耐冲击，耐侵蚀抗疲劳,材料寿命长，此类材料制作的主承载车身结构件，不仅大大提高了汽车的平安性，而且降低了车重减少了燃油消耗，提高了经济性，另外还改善了美观性。
1.复合材料具有极高的比模量和比强度，是目前经常使用材料中最高的。
密度小、质量轻，碳纤维的密度为
相当于钢密度的1/4，铝合金的1/2，用其制成与高强度钢具有一样强度和刚度的构件时，其重量可减轻20%左右。
表4碳纤维—环氧增强塑料与几种材料特性的比较
材料种类
纤维含量体积比/%
密度/（g·
cm-3）
拉伸强度/Mpa
弹性模量/Mpa
比强度/m
比模量/km
钢
—
1000
214000
高级合金钢
1280
210000
铝
400
70000
2A12铝合金
420
71000
玻璃增强塑料
60单向
1100
40000
碳纤维环氧塑料
高强度型
1400
130000
高模量型
190000
碳纤维复合材料具有比玻璃纤维更低的密度和更高的强度，因此比强度很高。
另外，由于其密度方面的压倒性优势，替代钢材后，车体质量将是钢材的25%左右，却10倍于钢强度。
2.纤维复合材料的抗疲劳性能极佳。
由于在疲劳载荷作用下的断裂是材料内部裂纹扩展的结果，碳纤维增强复合材料中碳纤维与基体间的界面能有效阻止疲劳裂纹扩展，具有较高的断裂韧性和假塑性，而外加载荷有增强纤维承担因此疲劳强度极限比金属材料和其他非金属材料高很多。
如下是三种材料疲劳强度的比较。
103104105106107
循环次数/r
图一、三种材料疲劳强度
3.碳纤维复合材料是汽车金属材料最理想的替代材料，在碰撞中对能量的吸收率是铝和钢的4～5倍，减轻车身质量的同时，还能保证不损失强度或刚度，维持防撞性能。
下面是碳纤维复合材料和其他材料的对照结果。
图2,、能量碰撞吸收对照
4.碳纤维复合材料的工艺性和可设计性好，调整CFRP材料的形状、排布、含量，可知足构件的强度、刚度等性能要求，能用模具制造的构件可一次成型，减少紧固件和接头数量，能够大大提高材料利用率。
铝与铝合金的应用
铝作为汽车材料有许多优势，如在知足相同力学性能的条件下，比钢减少质量60%，且易于回收、在碰撞进程中比钢多吸收50%的能量、无需防锈处置等。
比强度和比刚度十分优良的铝金属基复合材料的研究开发成功，为汽车轻量化的进一步进展提供了途径。
据预测2020年每辆轿车的平均铝利用质量将进一步上升到130kg，与1998年相较增加53%。
世界铝协会在日前发表的一项研究报告中宣布，铝在汽车中的用量已超过（铸）铁，成为仅次于钢的第二大汽车材料。
北美、欧洲和日本汽车的单车平均用铝质量如图1所示，其中北美汽车铝的应用水平最高，乘用车每车平均用铝质量目前已达145kg，欧洲平均每车用铝118kg，日本情形与欧洲比较接近。
图3北美、欧洲和日本汽车的单车平均用铝量
铝合金车身框架结构
从
各国汽车制造商推出的概念车看，在车体结构上大多数采纳无骨架势结构和空间框架势结构，而且大多数以铝挤压型材为主。
如图2所示，尽管铝材的强度和刚度比钢材小很多，可是通过框架结构设计及采纳更厚的板材，补偿了那个不足，利用铝材后的车身空间框架势结构质量下降47%，同时采纳改良的断面形式，使车身抗扭抗弯能力增加了13%。
图4框架结构图例
奥迪公司的A2型轿车，采纳了全铝骨架车身和铝合金蒙皮结构，使总质量减少到895kg，车身由车身框架、刚性型材、铸铁接头和罩壳板组成，比传统钢体车身轻43%，力学性能提高40%。
另外，奥迪A8系列良好的碰撞平安性也是基于它的ASF（铝合金空间框架结构1车身结构。
这种车身采纳高强度铝合金骨架，包围整个乘员室，就像一个防护的笼子。
宝马Z8型车也采纳了骨架结构和铝合金蒙皮车身，不仅提高了整车的刚度而且减少了汽车的振动，使z8成为宝马家族中最受欢迎的一种车型。
可见采纳铝合金骨架和其蒙皮车身在增加整个车身的刚度，提高汽车被动平安性的同时，大大降低了车身的总重量。
可是，由于铝材料的回弹大且易显现裂纹，使铝板在冲压时比钢板难度大，尚未大量量完全采纳铝板生产汽车。
目前采纳全铝制车身一样是年产量在几千辆的小批量生产的汽车，大量量生产的中型轿车车身.中铝结构的比重只占3%～7%。
塑料
塑料是一种高分子材料，用它代替各类昂贵的有色金属和合金材料，不但能够提高汽车造型的美观度与设计的灵活性，而且还能够降低汽车的能耗。
另外，塑料的应用有抗侵蚀、耐磨、隔热、消声、减振等优势。
最近几年来，塑料在汽车上的应用愈来愈多，目前已由内外装饰件向车身覆盖件和结构件方面进展，而且由通用塑料为主转变成工程塑料、纳米塑料等为主。
塑料要紧应用在衬套、装饰件及车身某些部件上，可是人们追求的目标是应用在整个车身外壳上。
全塑汽车的开发已成为国外各大汽车公司长期以来竞相追求的目标，通用、福特、戴·
克、丰田等公司在该领域走在前列。
不久前在美国汽车城底特律举行的“北美国际汽车展”上，福特公司展出了一个新品牌———“思索”（THINK）牌电动汽车，小巧玲珑，全塑车身，质量为940kg，充电1次能行驶85km，时速达到90km/h。
戴姆勒克-莱斯勒公司生产的VCCCompositeConceptVehicle概念车，一种几乎全塑材料的车身外壳。
车身材料含有玻璃增强纤维，增强车身的刚度和硬度，还含有稳固剂、冲击延展剂、颜色添加剂等。
3小结
电动汽车在动力不足、续驶里程短等问题的制约下，轻量化材料在电动汽车中的研究十分重要。
随着材料技术的进展，电动汽车车身材料将向更轻质、易成形、低本钱、易回收、高稳固性方向进展。
综合国内外已经开展的研究，足见汽车车身结构轻量化的理论研究和实际应用都取得了重要的进展。
例如在赛车和高级跑车之外，碳纤维增强复合材料能够专门大程度地应用于传统汽车中替代传统零部件材料，如发动机系统、传动系统、底盘系统。
参考文献
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