毫无用处的汽车知识 篇十七:汽车上的一些材料知识

2020-03-24 21:00:59 18点赞 21收藏 11评论

木制

汽车上的一些材料知识

时至今日,摩根公司还在用木头做汽车。可能就像机械表一样吧,这个百年老厂现在只剩一堆老头,也算是汽车工业化压迫下,手艺人最后的一点坚持吧。

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其实汽车最早就是木制的,毕竟是从马车演变而来,甚至连彻骨路都是木头的。毕竟木头轻,便宜,好加工,对于当时还属于”手工业“的汽车行业来说,非常合适。

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随着工业化的推进,从30年代开始廉价的钢铁汽车大规模取代了车上的各种木制器件,一种叫做woodie的改装风格也就诞生了,主要是采用增加木制尾箱,或者车身部分替换为木质部件,对于后市场改装者来说, 加工木材无疑更加简单,而且有一种”复古“感。

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不过这种woodie风格只在美国比较流行,在英国似乎大家更喜欢把木饰板作为一种高级内装放在车内,最后一种非美国款的woodie车是1960年的莫里斯,至今还有很多粉丝。

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这是一个80年代的吉普大旅行家,算是美国woodie风的复兴,不过可惜的是外面的木纹饰板是个假货,也是一种凸显“豪华"定位的方法

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现如今除非买一个摩根,想要见到木头也只能在豪车的木制面板上了,实木贴皮非常废工,还要对花纹,而且有经验的工人很少,贵也是应该的。

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现在终极豪华的木内饰,应该是女王的Diamond Jubilee State Coach了,这车内部的100多块内饰板,每个都是有典故的百年以上老料。

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当时特朗普访英还专门提了要求要坐一下,黄金万两的特朗普看到女王的金闪闪座驾估计也要瞎眼了吧。

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现如今木材的“优越性”已经基本消失,各种各样的合成材料和灯光效果成为主流,低调朴实的木材只能存活在博物馆里了。

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说到钢材,这块算是我老本行,而且可以算是祖传,爸妈都是干这个一辈子的,别的不说至少看过的书还是不少的。

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算起来雷廷权(曾经国际热处理协会主席,工程院院士)是我妈妈的老师,我是不应该叫师爷?不过因为保密的缘故这里没法给大家看我从事的业务,网上随便找点图片大家凑合看一下

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好了不扯淡了,关于钢,铁,我尽量简单通俗的让大家知道一些基本原理,首先我要解决的问题,是什么是钢,什么是铁。首先我们来看这张图,搞金属材料的和热处理的可能大学4年就学这么一张图,叫做铁碳相图。这张图描述的是铁中碳含量和温度之间对应的铁的晶体结构关系,现在看这一堆话你可能有点懵,不过没关系,我们首先需要掌握的概念是,含碳量低于0.05%(也有按0.02%分界)的铁一般叫做熟铁或者工业纯铁,含碳量0.05%到2%之间的称之为碳钢,又分为低碳钢中碳钢高碳钢,含碳量高于2%的称为生铁,其中可以包含炼钢用生铁,铸造用生铁,球墨铸铁,马口铁,白口铁,灰口铁等等。

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这种有点反直觉的效果(生铁碳多,熟铁碳少)其实是由钢铁的制造过程导致的,常规炼铁工艺都是使用焦炭,导致大量碳溶解在铁中,所以炼铁的产物是生铁,而为了降低含碳量炼成钢,需要往铁水中吹氧,将碳转化为二氧化碳吹出。

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在这个过程中如果我们调整铁水中的合金元素比例,就可以得到合金钢,而如果采用铬+镍(一般18铬8%镍)的组合加一些其他辅助元素,就可以得到不锈钢。同理,加入钒多一些会得到工具钢,其他还有轴承钢,高速钢等等品种,都属于“合金钢”这个分类。铁碳相图研究的是铁-碳二元合金,虽然可以指导合金钢但是合金钢的相图会产生较大的偏移,一般生产中会使用其他图表。

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正如上面所说,铁碳相图描述的是平衡态的“溶解"状态,这就如同盐溶解在水里一样,这是一种物理反应,铁是溶剂碳是溶质,这是由于铁是一种晶体,所以就会像其他晶体(比如石墨和钻石)一样有不同的晶体结构。这其中最基础的是铁素体Ferrite,也叫做α铁,这只一种体心立方(BCC)结构,含碳量非常低,727度时溶解度0.022%,室温0.005%,纯铁一般都处于这种状态,硬度很低延展率很高。

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而当我们把铁加热到奥氏体(austenite)区,就会得到γ铁,这是一种面心立方(FCC)的结构,可以溶解更多的碳,在1148度时可以溶解2.11%,727度时溶解0.77%,奥氏体状态下硬度低,延展率高(比纯铁还高),所以很适合锻造,塑型等。

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上面提到了奥氏体的溶解度最高可以到2.11%,这是碳在铁中溶解的物理浓度,而当碳和铁发生化学反应生成碳化物(Fe3C),就会形成渗碳体cementite,这是一种含碳量6.67%的斜方晶体,硬度极高,塑性几乎为0,是硬脆相,在钢中渗碳体一不同形态和大小的警惕出现在组织中,对钢的力学性能影响很大,比如因为制造不当导致碳钢中夹杂了渗碳体(或者叫碳化物夹杂,carbide)就会出现磨损时软的部分先消耗,碳化物晶体变成小刀一样对磨损面进行切削,或着在遭受冲击时从夹杂物出出现脆弱断裂。渗碳体在高温长时间停留或缓冷后可以分解成石墨状的自由碳,这一过程对铸铁和石墨钢有重要意义。

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氏体过冷到727度以下后,奥氏体晶界间会首先形成碳化铁晶核,而随着碳化铁核横向生长在它两侧就会形成聘碳区,为铁素体形成创造条件,贫碳区也会因此出现铁素体晶核,而铁素体生长又会排出多余的碳,促进碳化铁生长,如此反复形成曾片状分布的组织,称之为珠光体(pearlite)

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如果奥氏体过冷的速度非常大,冷却到550到230度之间,会得到一种叫做贝氏体(bainite)的组织,主要成分为非曾片状分布的碳化物加铁素体,因为过冷度比较大,铁原子还没来得及扩散,碳的扩散也受影响,没能发生珠光体转变,以350度分界会分为上贝氏体和下贝氏体。贝氏体并不出现在铁碳相图上,因为这是一种过冷的非平衡态,而相图描述的是长时保温,超缓变温的理想状态。

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如果奥氏体过冷的速度非常非常大,碳还来不及扩散就被固定在晶格中,则会成为一种非平衡的新组织叫做马氏体(martensite),虽然晶体结构从γ变成了α,但是碳化物还没来得及析出,过饱和的碳会把bcc结构拉伸成BCT(体心四方)结构,典型的有半条马氏体和片状马氏体。马氏体是淬火常用的一种体,不过一般因为硬度太高,淬火后需要经过回火(低温保温一段时间)让他进行一点珠光体转变,变成回火马氏体增加韧性。同样这些都不出现在相图上,但是贝氏体和马氏体确是合金钢常用的状态。

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以上就是铁和碳晶体的基础知识,我们再回来看相图(这次换张中文的),相图为材料的选择提供了依据,也为各种工艺的制定提供了依据,比如锻造应该造奥氏体状态进行,铸造可以通过相图找到熔点确定铸造温度,焊接可以通过相图分析焊接组织,寻找合适的方法消除组织不均匀性,那么热处理用相图干什么呢?合金钢又如何使用相图呢?

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谈这个问题我们首先要解决什么是热处理,用通俗的话讲热处理就是将金属通过加热,冷却,或溶解进去一些增强元素来提高金属的性能,如硬度,耐磨性,耐腐蚀性,延展性等。不过在一般人眼里,可能最常见的就是淬火了。淬火的方式千千万,淬油淬水淬盐淬气,这是热处理的冷却部分。

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上面我们讲晶体结构的时候说过,首先将钢加热到727度以上(这个点叫做A1,当然因为热滞一般要更热到ac1,或者ac3),并保持一段时间,之后通过控制过冷速度,会得到不同的”体“,一般来说比如打铁的直接丢到水里或者油里,会得到马氏体。如果是盐浴的话会得到贝氏体,而通过多大的速度冷却,得到什么样的体,就需要通过这张CCT(Continuous cooling transformation)曲线来查询了,受合金成分的影响,每个钢种的cct曲线都不一样,甚至一些微量元素例如硼,0.001%就可以导致巨大的变化。

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刚才说了淬火冷却是热处理的一个方面,加热也有讲究,让面说了要加热到奥氏体转变,那么保持多久可以完全完成奥氏体转变呢?这就需要一张ttt曲线(isothermal transformation curve,也叫time,temperature,transform)来解读在不同温度保温多长时间会获得什么样的组织。

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好了基础知识已经讲完,那么我们来看看汽车上最常用的两种热处理方式,第一种叫做渗碳,常用于汽车上的各种齿轮中。要做一个好的齿轮需要满足两种特性:耐磨损和抗冲击,这两个特性对于钢来说是矛盾的,因为含碳量越高,硬度越大,相应的也就越脆,如果一整个齿轮内外都是硬的,那一冲击可能就碎了,而如果内外都是软的,可能用两年就打齿报废了。那么我们能不能制作一种齿轮,让他的齿面是含碳量高的淬火马氏体,而内心则是含碳量低的铁素体呢?

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这就需要渗碳工艺(这里指表面渗碳case hardening)了,首先将低碳钢加热到奥氏体化,然后向渗碳炉内通入富碳气体(比如丙烷,天然气,丙酮),通过一定的温度-时间工艺曲线和含碳量的变化,使碳原子溶解到工件表层,再讲工件取出,根据所希望的冷却速度使用油,水基淬火液等淬火介质淬火,快速冷却到马氏体状态,一个外刚内柔的齿轮就诞生了。其实这种工艺以前的铁匠也用,打铁时加入碳粉就是一种表面渗碳。当然,一些零件也有渗氮,但是氮化铁是一种化学反应而非溶解,这里就不讲了。

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好了,鱼和熊掌现在兼得了,上面我们也讲过从奥氏体到马氏体有一个晶体形态变形的问题,晶体形态变形了零件肯定也会有些变形,再加上高烈度的淬火,工件各个部分的冷却速度可能不一样,也会导致变形,而对于一些零件变形是无法容忍的,比如不磨齿的齿轮,薄壁零件等。对于齿轮来说可以采用压力淬火的方法,比如heess的淬火机就广泛应用在大众自产的变速箱上。

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那么如果是车身的结构件呢,比如abc柱这样的薄壁零件,这就需要特殊的工艺(热成型)配合特殊的钢材(热成型钢)了,将hf钢加热到奥氏体化后放置到成型模具内冲压,成型后直接模内冷却,相当于一种压力淬火,这样就能得到形状正确,且硬度极高的薄壁结构件了,更妙的是通过给冲模分配不同的冷却速度,可以得到不同的淬火硬度,极大提高车身结构件的生产效率。

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但是另一方面,热成型模具制作复杂,需要复杂的冷却系统,且需要一台奥氏体化炉。同时热成型生产节拍慢,硬度太高后续切割只能用激光切割也是限制热成型大量使用的一个难点。

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而汽车上使用不锈钢的部分,可能仅仅局限于排气了,因为这部分要接触水。

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像dmc这样全不锈钢车身的,应该汽车历史上的量产车就这一份了。毕竟不锈钢比普通的钢贵多了。

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当然也不用吹不锈钢,也不用专门吹奥氏体不锈钢,学习了上面的知识你应该知道这没什么特别的。304不锈钢只是奥氏体转变点在室温以下,所以常温就处于奥氏体状态而已。

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当然说起不锈钢不得不跑题一句冷战期间的神奇产物,由不锈钢打造的,飞的比空空导弹快的mig25.

铝合金

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铝合金在汽车上的应用已经不是什么新鲜事,事实上最早的铝制汽车可以追溯到1899年在柏林国展会上亮相的Dürkopp,与美国人偏爱傻大笨粗不同,铝合金汽车在欧洲非常流行。不过因为战争耗铝和铝的成本本来就高的缘故。坚持到现在的不多了。

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现在比较主流的真正坚持全铝的最头铁的应该是捷豹了,同为英国血统的劳斯莱斯咱看看就得了.

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奥迪的space frame,之前我们在介绍a2的时候说过,不过这套高贵的铝车身奥迪用在a8,r8,和tt上。

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铝合金车身应用的难点,主要是铸材和板材冲压的连接,自粘铆,还是铆接,还是焊接,如何控制变形,如合保证强度,难度比铁车身要高一个等级。

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同样如果覆盖件也使用铝合金,维修起来也是很头疼的,很多人都听说过铝车身(捷豹,凯迪拉克)剐蹭了只换不修,没法钣金之类的,实际上捷豹是有完整的铝合金钣金流程的,只是这一套工具和技术昂贵且复杂,维修成本很高,所以一般没人直接钣金。

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因为铝合金不能热切割,也不能用传统的铁用电焊焊接,传统凹陷修复方法基本都不行。

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即使更换,整件更换覆盖件对于没有铝维修经验的人来说也是很复杂的一件事,一些需要自粘铆的地方需要使用专门的硅烷喷灯喷涂打底,再涂促粘剂和粘胶,有一套复杂的工艺和工具。

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再加上铝车身生产线完全需要重新建立,整个加工操作流程都是新的,这也导致很多车企不愿意使用铝车身。

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铝相对于铁最大的优势在于减重,而在减重要求最极端的簧下质量方面,铝合金是目前应用比较广泛的,稍微贵一点的车型,都会或多或少的采用铝合金件来减低悬挂方面的重量。

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锻造铝合金轮毂也是一个减重的好方法,也可能是铝合金应用最多的地方。还记得曾经爆炸的铝合金轮毂厂(昆山中荣)么,铝合金的危险性也可见一斑吧。

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铝合金的另一个重大应用领域就是引擎了,引擎缸盖现在大部分已经铝合金化了,缸体铝合金化也很多,虽然铝合金强度只有铸铁的一半,但是密度只有三分之一,所以一般即使铝合金缸体为了达到铸铁缸体的强度而增大一倍体积,依然能获得客观的重量节约。

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另一方面铝合金的铸造也比铁稍微容易一些,同时铝合金导热快,散热优势很大。不过铝合金的缺点也很明显,一个是比铸铁贵,一个是轻度低,对高增压或暴力改装来说上限不高。

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另外还有一个不耐磨的问题,所以现在真正“全铝”的发动机可能只局限于做了粒子喷涂强化缸壁的超高端发动机上,大部分铝缸体还是要加铁缸套的。

塑料

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说起塑料车身,看过我之前介绍宝马z1那一集的应该还有印象,z1采用了很多非常激进的设计,比如使用GE的 Xenoy塑料制作车身,并设计成了快拆设计,买车时销售还建议买家可以买一套别的颜色的车身板件方便换颜色开。

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当然,再激进也只是覆盖件用塑料,全塑料的车也是不现实的。我想来想去,似乎全塑料的车只有这个

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或者长得再土一点,能开是能开,就当个自行车吧。

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其实还有一辆很传奇的车采用了全塑料外覆盖件,就是我之前介绍过的命很苦的庞蒂亚克,fiero。这台车80年代的车型脱胎于60年代的概念车xp833。

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同样采用了可以拆除所有塑料外饰件的fiero,在美国车友口中被称为车界脱衣舞娘。开一个框架车的感觉似乎还挺不错。

玻璃纤维和碳纤维

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纤维类的材料我就放在一起说了,之前我们曾经介绍过凯撒达林,就是玻璃纤维车身,事实上玻璃纤维车身从30年代就有一些实验性应用,但是一直都没有量产。

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glasspar g2可能是离量产最近的玻璃纤维车,虽然也交付了一些,但是和凯撒达林一样在到底谁是第一辆玻璃纤维汽车上面还是存在一些争议

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1953年的克尔维特应该是比较广泛公认的第一款量产全玻璃纤维车,玻璃纤维以其重量轻,不生锈的特色著称,不过其耐磨性和易修复性都存在问题,而且传统玻璃纤维需要手工铺纤,生产效率极低。

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直到SMC出现,才解决了大面积铺设玻璃纤维的难点,提高了一些生产效率。

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针对复杂曲面的铺设,chopper gun(短切枪)这种可以一边喷洒切断的玻璃纤维一边喷洒树脂的设备出现以后才得以改善。

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不过这些生产效率的提升方法依然远远比不上钢铁冲压的速度,所以玻璃纤维一般都停留在需要极端减重的跑车上面,而且他们似乎也不用太关心维修问题。毕竟这玩意真的很难修,而且一打磨玻璃微粒就会到处飞,吸进肺里人就废了,粘到皮肤上会痒痒好几天,所以做玻璃纤维维修需要很高的PPE。

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随着纳米技术的发展,碳纤维逐渐取代了玻璃纤维,毕竟碳纤维强度更高重量更轻,而且预浸纤维布+真空加热塑性的工艺,使用起来难度不高。

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但是因为碳纤维更贵,买菜车领域还很难见到,一般都是跑车上会使用大部分的碳纤维框架,比如4c。

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如果你有钱,甚至可以买一个全碳纤维的柯尼塞格。连轮毂都给你整一碳纤维的。

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买车车领域能买到的碳纤维车当属宝马i3了,这车宝马真是造一辆赔一辆,说实话就车内的技术含量来说,买一个真的不亏。不过造型和用途方面,就仁者见仁智者见智了。不过总比把碳纤维零件用在装饰上的要强得多。

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以上就是一些和汽车材料有关的无聊内容,事实上现在已经有自主品牌开始使用全铝合金底盘和悬挂件了,可见我们的材料,加工,和成本承受能力是可以和国际品牌看齐的,反观奔驰好好的铝合金用着用着就没了,高下立判。

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