鋼鐵材料在與有色合金和高分子材料的競爭中繼續(xù)發(fā)揮其價格便宜、工藝成熟的優(yōu)勢，通過高強(qiáng)度化和有效的強(qiáng)化措施可充分發(fā)揮其強(qiáng)度潛力，以致迄今為止仍然是在汽車生產(chǎn)上使用最多的材料。

高強(qiáng)度鋼板

轎車自重的25%在車身，車身材料的輕量化舉足輕重。20世紀(jì)90年代，世界范圍內(nèi)的35家主要鋼鐵企業(yè)合作完成了“超輕鋼質(zhì)汽車車身”（ULSAB－Ultra Light Steel Auto Body）課題。該課題的研究成果表明，車身鋼板的90%使用現(xiàn)已大量生產(chǎn)的高強(qiáng)度鋼板（包括高強(qiáng)度、超高強(qiáng)度和夾層減重鋼板），可以在不增加成本的前提下實(shí)現(xiàn)車身降重25%（以4門轎車為參照），且靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度提高80%，靜態(tài)彎曲剛度提高52%，第一車身結(jié)構(gòu)模量提高58%，滿足全部碰撞法規(guī)要求。當(dāng)然，這還是一個研究的成果，高強(qiáng)度鋼板在車身上的實(shí)際應(yīng)用還未達(dá)到如此高的水平。在普通的IF鋼板的基礎(chǔ)上相繼開發(fā)了高強(qiáng)度IF鋼板和烘烤硬化IF鋼板，在保持高成型性的同時提高了強(qiáng)度和抗凹陷性，為車身鋼板的減薄和實(shí)現(xiàn)輕量化創(chuàng)造了條件。

加入Ti、Nb和V等元素的析出強(qiáng)化鋼板拉伸強(qiáng)度在500~750MPa，可用于車輪和其它底盤零件。

近來開發(fā)的多相鋼有相當(dāng)大的應(yīng)用潛力。其中鐵素體－貝氏體鋼強(qiáng)度級別為500MPa，雙相（DP）鋼和相變誘發(fā)塑性（TRIP）鋼強(qiáng)度級別為600~800MPa,復(fù)相（CP）鋼強(qiáng)度級別在1000MPa或更高。這些鋼的成型性能也很好。

激光拼焊毛坯（Tailored Blank）是新近開發(fā)并應(yīng)用的鋼板輕量化技術(shù)。在前述ULSAB車身有18個零件采用了此技術(shù)。

結(jié)構(gòu)鋼

鋼鐵材料的用量雖逐年減少，但高強(qiáng)度鋼的用量卻有相當(dāng)大的增加。高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼使零件設(shè)計(jì)得更緊湊和小型化，有助于汽車的輕量化。

(1) 彈簧

懸架彈簧輕量化的最有效方法是提高彈簧的設(shè)計(jì)許用應(yīng)力。但是為了實(shí)現(xiàn)這種高應(yīng)力下的輕量化，材料的高強(qiáng)度化是不可少的。在傳統(tǒng)的Si-Mn彈簧鋼的基礎(chǔ)上通過降低C并添加Ni、Cr、Mo和V等合金元素，開發(fā)出強(qiáng)度和韌性都很高的鋼種，設(shè)計(jì)許用應(yīng)力可達(dá)1270MPa，這種彈簧鋼的應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)40%的輕量化。在傳統(tǒng)的Cr-V系彈簧鋼中添加Nb可提高鋼的抗延遲斷裂性能，結(jié)合改進(jìn)的奧氏體軋制成型，可使鋼的拉伸強(qiáng)度達(dá)到1800MPa的水平。

氣門彈簧用的Si-Cr鋼中添加V，通過晶粒細(xì)化確保韌性，由增C提高強(qiáng)度。這樣改進(jìn)后，彈簧的高周疲勞強(qiáng)度約提高8%，可實(shí)現(xiàn)15%的輕量化。通過有限元分析，螺旋彈簧內(nèi)、外側(cè)應(yīng)力均勻分布的檸檬形斷面彈簧鋼絲得以開發(fā)，使彈簧實(shí)現(xiàn)7%的輕量化。

提高彈簧疲勞強(qiáng)度的有效途徑是對彈簧進(jìn)行噴丸和氮化處理。彈簧的噴丸，除了傳統(tǒng)的應(yīng)力噴丸之外又發(fā)展了雙級噴丸。噴丸和氮化也可以復(fù)合使用。

(2)齒輪

汽車發(fā)動機(jī)有高功率化的趨勢，而傳動器有緊湊小型化的傾向。這勢必加大傳動齒輪的負(fù)荷，從而對齒輪鋼的彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度的要求也相應(yīng)提高。

提高鋼中Ni、Cr、Mo等合金元素的含量可以提高齒輪鋼的淬透性和強(qiáng)度，但單純靠合金元素來強(qiáng)化齒輪鋼會使鋼的切削性能變壞、熱處理工藝復(fù)雜，原材料成本和生產(chǎn)成本都會大幅度提高。齒輪滲碳時，為了防止或減少異常層的出現(xiàn)，降低鋼中的Si和P含量，Mo量增加到0.35%~0.45%，并采用經(jīng)改良的碳氮共滲工藝。改進(jìn)的鋼種可使齒輪實(shí)物的沖擊壽命提高3~5倍，若在上述降低表面異常層鋼種加上強(qiáng)力噴丸，可使齒輪疲勞極限提高20%~30%。

齒輪鋼中的非金屬夾雜物是疲勞裂紋的起點(diǎn)，會降低強(qiáng)力噴丸的強(qiáng)化效果，為此開發(fā)了高純凈度齒輪鋼。例如對SCM420HZ鋼，將氧濃度降到9ppm以下、磷濃度降到90ppm以下時，與前述降低表面異常層的低Si高M(jìn)o鋼相比，齒輪齒根彎曲疲勞壽命提高10%~17%，接觸疲勞壽命提高25%。

高強(qiáng)度鑄鐵

鑄鐵由于其性能和成本方面的諸多優(yōu)點(diǎn)，在汽車材料中仍然占有一席之地。鑄鐵材料的進(jìn)步更使之在汽車上的應(yīng)用出現(xiàn)了新亮點(diǎn)。

(1) 球墨鑄鐵

鐵素體球墨鑄鐵拉伸強(qiáng)度可達(dá)500MPa，韌性也較高，因此多用于底盤零件，有的車型甚至用作轉(zhuǎn)向節(jié)等保安件。

珠光體球墨鑄鐵強(qiáng)度更高，在一些零件上可代替鍛鋼件。帶平衡塊的4缸轎車發(fā)動機(jī)曲軸采用球墨鑄鐵加圓角滾壓強(qiáng)化，已成為美、德、法等國汽車廠家的標(biāo)準(zhǔn)工藝。因球鐵的密度比鋼約小10%，所以以球鐵代鋼可以產(chǎn)生一定的輕量化效果。

奧貝球鐵(ADI-Austempered Ductile Iron）具有很高的強(qiáng)度和韌塑性，按美國和德國標(biāo)準(zhǔn)制造的奧貝球鐵牌號，其最高強(qiáng)度級別達(dá)到1400MPa，超過了調(diào)質(zhì)鋼和滲碳鋼的強(qiáng)度水平?？梢杂肁DI代替鋼制造汽車輪轂、全輪驅(qū)動雙聯(lián)桿、轉(zhuǎn)向節(jié)臂、發(fā)動機(jī)正時齒輪、曲軸和連桿等。經(jīng)實(shí)物測量，代替鍛鋼制造曲軸可以降重10%，代替鋁合金制造載貨車輪轂每只可降重0.5kg。

(2) 蠕墨鑄鐵

蠕墨鑄鐵(Vermicular graphite cast iron)又稱緊密石墨鑄鐵(Compacted graphite cast iron)，其機(jī)械－物理性能和鑄造工藝性能介于灰鑄鐵和球墨鑄鐵之間，很適合制造強(qiáng)度要求較高和要承受熱循環(huán)負(fù)荷的零件，如氣缸體、氣缸蓋、排氣歧管和制動鼓等。

蠕墨鑄鐵的發(fā)現(xiàn)與球鐵同時，但由于蠕化工藝控制難度較大而應(yīng)用受到限制，Sinter Cast工藝控制系統(tǒng)為蠕鐵的應(yīng)用開辟了廣闊的前景。蠕鐵氣缸體比灰鑄鐵氣缸體降重16%，而結(jié)構(gòu)剛度則提高12%~25%。采用蠕鐵制造氣缸體還可改善摩擦磨損性能、降低振動和噪音、改善排放。

粉末冶金材料

粉末冶金材料成分自由度大和粉末燒結(jié)工藝的近凈形特點(diǎn)，其在汽車上的應(yīng)用有增加的趨勢，特別是鐵基粉末燒結(jié)材料在要求較高強(qiáng)度的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用越來越多。

組裝式粉末冶金空心凸輪軸是近年來的新產(chǎn)品，它是由鐵基粉末冶金材料制成凸輪，然后用燒結(jié)或機(jī)械的辦法固定在空心鋼管上組成。與常規(guī)的鍛鋼件或鑄鐵件相比，可降重25%~30%。此種凸輪軸已在高速汽油機(jī)上使用，隨?柴油機(jī)凸輪軸服役工況的日益苛刻，粉末冶金空心凸輪軸有推向柴油機(jī)的趨勢。

粉末鍛造連桿已經(jīng)成功應(yīng)用，近年開發(fā)的一次燒結(jié)粉末冶金連桿技術(shù)的生產(chǎn)成本較低，可實(shí)現(xiàn)11%的輕量化。