材料疲勞－汽車安全的大敵

汽車故障的原因有千百種,其中有一種是使用者根本無法控制的,這就是由材料疲勞引起的結構件失效。粗大結實的鋼鐵也會“疲勞”？確實如此。

什么是金屬材料的疲勞？零件在受到超強作用力時可以發生變形或斷裂，就像人體遭受襲擊時可以發生骨折，但這不是疲勞破壞。疲勞失效是指材料在正常工作情況下，在長期反復作用的應力下所發生的性能變化。這些應力的大小并沒有超出材料能夠承受的范圍，但是長期反復的作用就會引起材料的疲勞。材料的疲勞破壞并不是一開始就會被察覺的，它是一個緩慢的發展過程。例如一條發動機曲軸可以在投入運行時間不太長的時候就產生很小的疲勞裂紋，這些肉眼看不出來的裂紋會不斷擴大，直到有一天曲軸忽然斷裂。就像人由于長期工作積累的疲勞而一朝病倒。

人類付出昂貴的代價才獲得了對材料疲勞的認識。二次大戰后，英國的德-哈維蘭飛機公司設計制造了彗星號民用噴氣飛機，經過一年使用，1953年5月2日一架彗星號客機從印度加爾各答機場起飛后不久在半空中解體；1954年1月10日，另一架彗星號在地中海上空爆炸；不到3個月，又一架彗星號在羅馬起飛后在空中爆炸。為了找到事故的原因，英國皇家航空研究院的工程師進行了大量的研究工作，終于確認罪魁禍首是座艙的疲勞裂紋。

現代的機械設計已經廣泛采用“疲勞壽命”方法，設計階段已經充分考慮了材料的疲勞問題。但是，正如人體的疲勞因人而異，機器的疲勞是因機而異的。同一種型號的汽車，發生疲勞破壞的情況可能相差很遠。有的到了報廢的年限，疲勞程度還不太嚴重；有的尚在壽命期限內，卻發生了疲勞破壞。不同的使用方式也會導致機器不同的疲勞狀態。例如同一品種的富康車，做出租車與做私家車用，幾年下來其車輛的運行狀態就會有重大差別。為了避免疲勞破壞，要嚴格按照各類保養和修理期限對汽車進行檢查，以便及時發現潛在的危險。

改性塑料在汽車上的應用

改性塑料是一種高分子材料，近年來在汽車上的應用越來越多，巳由內外裝飾件向車身復蓋件和結構件方面發展。例如前照面、保險杠、發動機罩、行李箱蓋、頂蓋、翼子板、車門內護板和某些車身骨架構件等。甚至有些大汽車公司正在用復合材料做承載力最大的底盤車架，例如福特汽車公司將在2001年將復合材料底盤應用在一輛叫“探索者”的小皮卡樣車上。

在過去30年間，汽車的塑料用量已從60年代初的10公斤左右上升到九十年代中的二百公斤，其增長速度之快，主要是由于塑料的特性與人們對汽車的期望要求很搭配，因此“一拍而合”。塑料在汽車上的應用有以下6大優點：

一、輕量化是汽車業追求的目標，改性塑料在此方面可以大顯其威。一般塑料的比重在0.9－1.5之間，纖維增強復合材料比重也不會超過2.0，而金屬材料的比重A3鋼為7.6、黃銅為8.4、鋁為2.7。因此應用塑料是減輕車體重量的有效途徑。

二、塑料成型容易，可使形狀復雜的部件加工簡單化。例如儀表臺用鋼板加工，往往需要先加工成型各個零件，再分別用聯接件裝配或焊接而成，工序較多。而用塑料可以一次加工成型，加工時間短，精度有保證。

三、塑料制品的彈性變形特性能吸收大量的碰撞能量，對強烈撞擊有較大的緩沖作用，對車輛和乘員起到保護作用。因此，現代汽車上都采用塑化儀表板和方向盤，以增強緩沖作用。前后保險杠、車身裝飾條都采用塑料材料，以減輕外物體對車身的沖擊力。另外，塑料還具有吸收和衰減振動和噪聲的能力，可以提高乘坐的舒適性。

四、通過不同組份搭配的復合材料有含硬質金屬的顆粒復合材料，有以夾層板材和樹脂膠合纖維為主的層板復合材料和以玻璃纖維、碳纖維為主的纖維復合材料，這些復合材料具有很高的機械強度，可以代替鋼板制作車身復蓋件或結構件，減輕汽車的重量。

五、塑料耐腐蝕性強，局部受損不會腐蝕，而鋼材制件一旦漆面受損或者先期防腐做得不好就容易生銹腐蝕。塑料對酸、堿、鹽等抗腐蝕能力大于鋼板，如果用塑料做車身復蓋件，十分適宜在污染較大的區域中使用。

六、根據塑料的組織成份，可以通過添加不同的填料、增塑劑和硬化劑來制出所需性能的塑料，改變材料的機械強度及加工成型性能，以適應車上不同部件的用途要求。例如保險杠要有相當的機械強度，而座墊和靠背就要采用柔軟的聚胺脂泡沫塑料。更方便的是塑料顏色可以通過添加劑調色產生不同的顏色，可以省去噴漆。有些塑料件還可以電鍍，例如abs塑料具有很好的電鍍性能，可用于制作裝飾條、標牌、開關旋扭、車輪裝飾罩等。

由于上述的優點，以塑料為主的汽車應當會產生。但是，塑料也有自身的弱點，阻礙了其應用的發展。一是改造成本問題，如果從傳統的大規模機械加工方式轉為大規模的模塑加工方式，投資不菲，成本高昂。另一個更關鍵的問題就是環境保護：材料能不能夠回收？金屬零件到一定時候就要回爐，而塑料制品能否回收再生，或在再生過程中又會不會污染環境？這些問題有待解決，但不管怎樣說，憑著人類的智慧，塑料汽車離人們并不遙遠。

鎂合金在汽車上的應用

鎂（Mg）是一種輕質的銀白色金屬，在空氣中加熱能夠燃燒并能發出強烈的火焰，節日放的煙花就含有鎂粉，在夜幕中會爆發出閃閃發亮的禮花。但在鎂材中添加一些其它的金屬元素，例如鋁、鋅或者鋁、錳等，它就會改變了自己的特征，變成了一種具有較高強度和剛度，具有良好鑄造性能和減振性能的輕質合金材料，這些鎂合金材料在現代汽車中巳得到廣泛的應用。

從歷史上看，早在20世紀30年代就有大眾汽車使用鎂合金，由于鎂的價格上升才停止了使用。80年代初，由于采用新工藝，嚴格限制了鐵、銅、鎳等雜質元素的含量，使鎂合金的耐蝕性得到了解決，同時成本下降又大大促進了鎂合金在汽車上的應用。從90年代開始，歐美、日本、韓國的汽車商都逐漸開始把鎂合金用于許多汽車零件上。

目前鎂合金一般用于車上的座椅骨架、儀表盤、轉向盤和轉向柱、輪圈、發動機氣缸蓋、變速器殼、離合器殼等等零件，其中轉向盤和轉向柱、輪圈是應用鎂合金較多的零件。隨著技術的發展將有更多的零件用鎂合金制造。

鎂合金零件帶給汽車的好處是顯而易見的。一是它的質量輕，其密度只有1.7，是鋁的2/3，鋼的1/4，換用鎂合金就能減輕整車重量，也就間接減少了燃油消耗量。二是它的比強度高于鋁合金和鋼，比剛度接近鋁合金和鋼，能夠承受一定的負荷。三是它具有良好的鑄造性和尺寸穩定性，客易加工，廢品率低，從而降低生產成本。四是它具有良好的阻尼系數，減振量大于鋁合金和鑄鐵，用于殼體可以降低噪聲，用于座椅、輪圈可以減少振動，提高汽車的安全性和舒適性。鎂合金雖然有這些優點，但從成本上看它仍然偏高于鋁合金。盡管如此，鎂合金的應用前景仍然看好：福特汽車公司已開始用鎂合金來制造懸架零件、制動盤和制動鉗等；而日本1990年每輛汽車用鎂量僅5公斤，預計2000年底將增至210公斤，占汽車重量的25%，僅次于鋁材而超過鋼鐵的重量。

車用材料的新發展

汽車材料的發展是汽車技術發展的重要方面。材料是汽車質量保障的基礎，在研制更經濟、更安全和更輕便的汽車中，是關鍵的一環。這幾年，鋁合金、高強度鋼、合成塑料和陶瓷在某些應用領域中，已經成為相互競爭的對手。