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。
什麼是金屬材料的疲勞？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，在長期反覆作用的應力下所發生的性能變化。這些應力的大小並沒有超出材料能夠承受的範圍，但是長期反覆的作用就會引起材料的疲勞。材料的疲勞破壞並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。就像人由於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。二次大戰後，英國的德-哈維蘭飛機公司設計製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後不久在半空中解體；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後在空中爆炸。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，終於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採用「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，做計程車與做私家車用，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。
塑料在汽車上的應用
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、保險槓、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複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年將複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，主要是由於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，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，纖維增強複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，可使形狀複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、塑料製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衝作用，對車輛和乘員起到保護作用。因此，現代汽車上都採用塑化儀錶板和方向盤，以增強緩衝作用。前後保險槓、車身裝飾條都採用塑料材料，以減輕外物體對車身的衝擊力。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複合材料有含硬質金屬的顆粒複合材料，有以夾層板材和樹脂膠合纖維為主的層板複合材料和以玻璃纖維、碳纖維為主的纖維複合材料，這些複合材料具有很高的機械強度，可以代替鋼板製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，而鋼材製件一旦漆面受損或者先期防腐做得不好就容易生鏽腐蝕。塑料對酸、鹼、鹽等抗腐蝕能力大於鋼板，如果用塑料做車身復蓋件，十分適宜在汙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。例如保險槓要有相當的機械強度，而座墊和靠背就要採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，可用於製作裝飾條、標牌、開關旋扭、車輪裝飾罩等。
由於上述的優點，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，而塑料製品能否回收再生，或在再生過程中又會不會汙染環境？這些問題有待解決，但不管怎樣說，憑著人類的智慧，塑料汽車離人們並不遙遠。
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並能發出強烈的火焰，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徵，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，由於鎂的價格上升才停止了使用。80年代初，由於採用新工藝，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於許多汽車零件上。
目前鎂合金一般用於車上的座椅骨架、儀錶盤、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製造。
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。二是它的比強度高於鋁合金和鋼，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係數，減振量大於鋁合金和鑄鐵，用於殼體可以降低噪聲，用於座椅、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於鋁合金。儘管如此，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製造懸架零件、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，佔汽車重量的25%，僅次於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，在研製更經濟、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。
鋁合金是汽車上應用得最快最廣的輕金屬，其中的關鍵在於鋁合金本身的性能。目前車用鋁合金已經達到重量輕，強度高、耐腐蝕的要求，因此鋁合金車圈已經廣泛使用，鋁合金髮動機也屢屢出現。德國奧迪汽車公司在1999年推出的奧迪A2，以全新的輕量化結構，成為世界第一款大批量生產的全鋁轎車。奧迪A2的車身採用全鋁空間框架車身ASF。所謂ASF概念即儀錶板部分由高強度鋁結構支撐，空間構架由真空壓鑄接頭的擠壓成型段組成，這兩者結合成很輕的鋁合金車身。從前頂柱到行李艙邊，包括車門手把坑都是用鋁衝壓成形，前柱(A柱)是採用高壓鑄鋁新技術，這是一種用於飛行器結構的高難技術，它能夠複合加強並改變材料厚度。由於奧迪A2採用ASF空間結構，使車身重量比傳統鋼製車身輕40%以上，只有895公斤。
塑料由於重量輕，耐腐蝕、加工容易一直被汽車工程界所重視。塑料主要應用在襯套、裝飾件及車身某些部件上。可是人們的追求的目標是應用在整個車身外殼上。目前，已經有人搞出了一種接近真正意義上的塑料汽車，它就是戴姆勒－克萊斯勒公司生產的CCV(Composite Concept Vehicle)概念車，一種幾乎全塑的車身外殼。這款由克萊斯勒公司主持設計的概念車，車身外殼採用PET(聚對苯二甲酸乙二酯)材料模壓注塑成形，由4片模壓注塑成形的全塑片材(兩片內板件,兩片外板件)在車身中心線處對接，形成整體式的車身結構。車身材料含有玻璃增強纖維，加強車身的剛度和硬度，還含有穩定劑、衝擊延展劑、顏色等添加劑。CCV全塑車身是目前世界上最大的注塑件，要求模具精度高，成型表面平整，而且要控制住塑性材料的流動性，板塊粘合要求絕對可靠，CCV解決了這些技術難題，它通過新結構新技術新工藝，開創了全塑車身的發展之路。
鋼鐵是汽車工業的傳統材料。但多年來也不斷開發和更新品種，新的鋼材品種具有高強度的特點，由於強度增強可以相對減少用料，相應減輕了汽車重量。將來最有前途的是雙相鋼和烘烤硬化鋼，因為它們擁有最好的強度和延伸性。一種由美日等多間鋼鐵企業計劃生產的輕型鋼所構成的車身結構，將使車身重量降低20%，並且符合各種性能指標，包括優良的抗碰撞性能。
工程陶瓷主要用在發動機上面。工程陶瓷不是不堪一擊的普通陶瓷，它具有良好的綜合性能，高溫強度高，耐磨性強，隔熱性好，密度比低、彈性模量高。因此用它代替金屬材料能大幅度提高熱機效率，降低能源消耗，從而達到汽車輕量化效果。目前，工程陶瓷已用於製造發動機和熱交換器零件。在發動機上應用主要有陶瓷活塞，陶瓷氣缸套、陶瓷配氣機構零件、陶瓷燃燒室、增壓器陶瓷葉輪等。目前工程陶瓷材料存在的問題是價格貴和成品率較低，解決這一問題尚需時日。
汽車鋁質材料
鋁是人們最熟悉的金屬之一。鋁製炊具，鋁製窗門等等，鋁做為日常生活中最常用的金屬，已經深入人們生活的各個方面。而在汽車領域中，鋁材的廣泛應用是近二十多年才出現的事情。
從70年代起，轎車技術上最明顯的變化之一是大量啟用了輕型材料，出現了許多用鋁、塑料等做成的部件，其中鋁材用量最多，集中在車身構件、發動機、空調器、保險槓、裝飾件、車座等部件上。據調查，94年美國生產的每輛轎車中，平均用鋁量為86.7公斤，比10年前增加了47%，汽車自重同20年前相比減輕了20%。由於轎車輕量化是節約燃料最重要的措施，現代轎車日益廣泛使用鋁材，已經成為一種趨勢。例如轎車輪圈就是一個最明顯的例子，80年代初，大部分轎車還是使用鋼質輪圈，而今絕大部分轎車都是用鋁合金輪圈了。
由於鋁的比重只有鐵的三分之一強，質量輕，而且鋁材幾乎可以全部回收，重新加工使用，對環境保護有好處。有些鋁合金材的物理性能已與車用鋼材相似，具有相當的強度和剛度，成本也日趨降低。因此，按照目前的技術來減少轎車的重量，最有效的途徑就是採用鋁材等優質材料來代替鋼材。
但是，鋁材應用在汽車上會遇到許多技術上的難題，加工難度比鋼材要大得多。例如轎車車身大部分的工件都是靠衝壓成形，由於鋁材不是很平直的，如果用衝壓鋼板的方法去衝壓鋁板，會出現裂縫和褶皺。同時轎車車身大部分的工件都是用焊接組裝，由於鋁是熱的良導體，在焊接時需要用相當於鋼板焊接時5倍的電流消耗量來熔化它。另外，在防腐處理和噴漆工藝上，鋁材都有自己的特殊要求，與眾不同。由於鋁材的應用會涉及到整個造車材料、工藝技術和加工設備的更新改造，轎車趨向使用鋁材實際上就是汽車發展進程中的一場技術革命。
目前，轎車用鋁合金材已具有多種規格，有些新型的鋁合金材具有良好的衝壓性、可焊性和抗蝕性，具有一定的強度和鋼度，適用於製造剛度大的承載構件，例如車身部分。近年日本汽車製造業開發的一種新型鋁合金板材，內含1%的鎂和矽，可以越烘越硬，其性能參數已與鋼板相似。
日本本田公司生產的頂級跑車NSX，車身和部分底盤零件全部用鋁合金製做的，車體重量比用鋼材製造時減輕了140公斤，整輛轎車輕了200公斤，燃料消耗率降低了13%。
目前全鋁車身還僅限於高檔轎車和跑車，隨著時間的轉移，製造成本的不斷下降，將會有更多型號的轎車車身和零部件應用鋁合金材。據預測，隨著汽車技術的發展，到下世紀初汽車的主要材料將由鋼材轉為鋁材，轎車的平均重量將會減輕35%。
車用鋼板
汽車車身外殼絕大部分是金屬材料，主要用鋼板。現代汽車的鋼板用什麼方式防鏽？為什麼有些轎車聲稱車身防鏽蝕年限達10年以上？
鍍鋅薄鋼板廣泛應用在汽車上，這是因為它有良好的抗腐蝕能力。早年人們在試驗中發現，將鐵和鋅放人鹽水中，二者無任何導線聯結時，鐵和鋅都會生鏽，鐵生紅鏽，鋅生「白鏽」；若在二者間用導線聯結起來，則鐵不會生鏽而鋅生「白鏽」，這樣鋅就保護了鐵，這種現象叫犧牲陽極保護。工程師正是將這種現象運用到實際生產中，生產了鍍鋅鋼板。 經研究，在鍍鋅量350克／平方米（單面）時，鍍鋅鋼板在屋外的壽命（生紅鏽），田園地帶約為15一18年，工業地帶大約3一5年，這比普通鋼板長几倍甚至十幾倍。
從20世紀70年代開始轎車車身鋼板採用鍍鋅薄鋼板，裝配時鍍鋅面置於汽車內側，提高車身耐蝕性能，非鍍鋅面置於汽車外側，噴塗油漆。隨著汽車對耐腐蝕性能的要求不斷提高，鍍鋅鋼板不斷增加鍍鋅層重量，還出現了雙層鍍鋅鋼板。但由於增加鍍鋅重量也會使電鍍鋅的電能消耗大幅增加，導致材料成本的上升，因此20世紀70年代末又出現一種採用熱浸鍍鋅工藝生產的鍍鋅鋼板，稱為熱鍍鋅鋼板。這種鍍鋅鋼板用連續熱鍍鋅工藝：冷軋板（注*）→加熱→冷卻至鍍鋅溫度→鍍鋅→冷卻→矯直。為了滿足汽車對鍍鋅鋼板的各種要求，一些生產廠家在鍍鋅生產線上對鍍鋅鋼板進行擴散退火等特殊處理，以使鋼板表面形成一種「鋅－鐵」合金鍍層，其特點是塗漆後的焊接性和耐腐蝕性比純鋅鍍層板要好。以後還出現了諸如「鋅－鋁－矽」、「鋅－鋁－錸」等合金化熱鍍鋅鋼板，使得熱鍍鋅鋼板的耐腐蝕性成倍提高，與油漆間的結合性能長期穩定。
目前轎車已經廣泛使用鍍鋅鋼板，採用的鍍鋅鋼板厚度從0.5至3.0毫米，其中車身復蓋件多用0.6至0.8毫米的鍍鋅鋼板。德國奧迪轎車的車身部件絕大部分採用鍍鋅鋼板（部分用鋁合金板），美國別克轎車採用的鋼板80%以上是雙面熱鍍鋅鋼板，上海帕薩特車身的外復蓋件採用電鍍鋅工藝，內復蓋件內部採用熱鍍鋅工藝，可以使車身防鏽蝕保質期長達11年。（2001年4月14日）
注*：汽車車廂蒙皮板、車門、頂蓋、底板等復蓋件用薄鋼板均是冷軋板，大梁、橫粱、保險杆等均是熱軋鋼。