第二章 用于制造轻量化汽车结构件的先进钢材

    钢材用于汽车制造具有丰富多彩的历史。人们普遍认为汽车发明于19世纪末，1885年德国人卡尔·本茨制造出了被认为是世界上第一辆内燃机动力汽车。按照今天的标准，这些早期的内燃机驱动汽车与18世纪和19世纪早期流行的马车几乎没有什么不同，它们都主要使用木材制造框架和车身板，甚至使用木头车轮。
    大约在19世纪末到20世纪初，在金属板材以及将它们加工成复杂形状的制造工艺出现以后，早期汽车大量的木材逐渐被钢板取代。大约在20世纪初期，钢和铝金属板材开始用于车身制造，但那时在北美的大街上仍然行驶着大量木质结构的汽车。随着1908年福特T型车的推出，开始进入了钢车身汽车大批量生产的时代，汽车工业进入快速发展轨道。许多人认为汽车的发明极大地改变了普通劳动者的生活，并且奠定了现代汽车工业的基础，促进了现代社会的发展。
    钢的使用实际上影响了汽车车身的设计一百多年。早期汽车使用的是软钢，或者按照更准确的称呼为低碳钢。按照当时的需要，这些钢为世界发达地区提供了工业需要的几乎完美的强度、可成形性、成本、设计柔性方面的平衡。直到20世纪70年代初期第一次石油危机以及美国颁布油耗标准以后，汽车制造厂才开始将目光投向高强度钢，以减轻汽车重量，从而改善燃油经济性。从那时起，汽车的结构设计以及用于汽车的各种钢材就进入了一个持续发展的阶段，这一发展不仅是为了满足用户需求，而且也是为了满足如燃油经济性、排放以及碰撞安全性等一系列法规的要求。这些法规是现代汽车工业领域在它们的产品设计中必须达到的标准。
    在汽车发展的早期，直至20世纪30年代后期到40年代初期，大多数汽车将车身和外覆盖板件装在车架上，因此通常将它们称为非承载式车身（BOF）。这种结构不仅可以使汽车设计者很容易地改变车身外形，以满足顾客不断变化着的要求，而且可以很容易低成本地实现各汽车制造厂产品式样的差异。然而，随着20世纪60年代汽车小型化趋势的出现，特别是20世纪70年代初期石油危机以后，一种被称为承载式车身（Body Frame Integral，BFI）的新型车身结构开始出现，这种新的车身结构受到人们欢迎，并且改变了人们的汽车结构观念。但当时人们并不知道承载式车身的使用在未来将最终成为车身广泛使用高强度钢的关键。
    与非承载式车身设计相比，这种新的车身由于车身和车架设计为一体，所以汽车重量轻，节油。非承载式车身由于车身和车架单独制造，导致重量增加。随着20世纪70至80年代人们对于汽车重量和燃油经济性的关注，更高效的承载式车身结构设计开始流行，并最终在轿车设计中占据统治地位。与此相反，轻型货车、重型载货车，它们的承载能力和坚固性被认为比燃油经济性更重要，非承载式车身被认为更适合于这些车辆。
    随着汽车工业大量使用承载式车身，省去了沉重的车架，便开始了越来越多地使用高强度钢的阶段。在承载式车身结构中，使用冲压件数量的增加以及这些冲压件对强度和形状要求的适应性，给了设计和制造工程师在使部件形状和成形技术适应高强度钢特性方面具有更大的自由度。因此，汽车钢材发展的新时期将出现，这将改善汽车的安全性，满足政府的法规以及顾客对汽车安全性和燃油经济性不断增加的要求，所以汽车设计和制造面临的问题将不断变化。
    然而，汽车工业界当时并不知道它们要走的路并不平坦，而且充满了荆棘。这并不令人吃惊，工业界开始尝试使用高强度钢时，大量使用的是高强度低合金钢和固溶强化钢，但这并不成功。这些钢与低碳钢相比，较低的塑性在当时给毫无准备的设计者和制造工程师带来了许多挑战。最初用于高强度钢的部件设计方法和制造工艺与用于低碳钢的几乎完全相同，最多有一点点差别，这确实不适合高强度钢的特殊要求。另外，当时钢铁公司也还没有完善他们的工艺，以制造出质量稳定的高强度钢，材料的力学性能不稳定，因而使开始尝试使用这些钢材的人遭受了挫折。
    最初按照常规的成形工艺制造高强度钢零件，结果导致严重的裂纹和回弹，当时的技术不能解决这些问题。当时能够学习到这些早期经验的教科书非常难得，并且它们出现得太晚，没能阻止工业领域回到他们更熟悉的、为工业早期的成功做出过贡献的低碳钢时代。事实上，开始尝试使用高强度钢几乎可以说是一场灾难。尽管如此，高强度钢的优点仍然得到认可，在整个工业领域和汽车制造厂继续在汽车要求最严格的部件上有选择地使用它们。这一坚定而有远见的选择使工业领域在未来的汽车设计中学会了有效地使用这些钢材的知识。