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(jié)構(gòu)件失效。粗大結(jié)實(shí)的鋼鐵也會“疲勞”？確實(shí)如此。
什么是金屬材料的疲勞？零件在受到超強(qiáng)作用力時(shí)可以發(fā)生變形或斷裂，就像人體遭受襲擊時(shí)可以發(fā)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(fù)作用的應(yīng)力下所發(fā)生的性能變化。這些應(yīng)力的大小并沒有超出材料能夠承受的范圍，但是長期反復(fù)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(fā)展過程。例如一條發(fā)動機(jī)曲軸可以在投入運(yùn)行時(shí)間不太長的時(shí)候就產(chǎn)生很小的疲勞裂紋，這些肉眼看不出來的裂紋會不斷擴(kuò)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(jià)才獲得了對材料疲勞的認(rèn)識。二次大戰(zhàn)后，英國的德-哈維蘭飛機(jī)公司設(shè)計(jì)制造了彗星號民用噴氣飛機(jī)，經(jīng)過一年使用，1953年5月2日一架彗星號客機(jī)從印度加爾各答機(jī)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(jìn)行了大量的研究工作，終于確認(rèn)罪魁禍?zhǔn)资亲摰钠诹鸭y。
現(xiàn)代的機(jī)械設(shè)計(jì)已經(jīng)廣泛采用“疲勞壽命”方法，設(shè)計(jì)階段已經(jīng)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(jī)器的疲勞是因機(jī)而異的。同一種型號的汽車，發(fā)生疲勞破壞的情況可能相差很遠(yuǎn)。有的到了報(bào)廢的年限，疲勞程度還不太嚴(yán)重；有的尚在壽命期限內(nèi)，卻發(fā)生了疲勞破壞。不同的使用方式也會導(dǎo)致機(jī)器不同的疲勞狀態(tài)。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(yùn)行狀態(tài)就會有重大差別。為了避免疲勞破壞，要嚴(yán)格按照各類保養(yǎng)和修理期限對汽車進(jìn)行檢查，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的危險(xiǎn)。
塑料在汽車上的應(yīng)用
塑料是一種高分子材料，近年來在汽車上的應(yīng)用越來越多，巳由內(nèi)外裝飾件向車身復(fù)蓋件和結(jié)構(gòu)件方面發(fā)展。例如前照面、保險(xiǎn)杠、發(fā)動機(jī)罩、行李箱蓋、頂蓋、翼子板、車門內(nèi)護(hù)板和某些車身骨架構(gòu)件等。甚至有些大汽車公司正在用復(fù)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(fù)合材料底盤應(yīng)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(yīng)用有以下6大優(yōu)點(diǎn)：
一、輕量化是汽車業(yè)追求的目標(biāo)，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(qiáng)復(fù)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(yīng)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(fù)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(lián)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(shí)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(qiáng)烈撞擊有較大的緩沖作用，對車輛和乘員起到保護(hù)作用。因此，現(xiàn)代汽車上都采用塑化儀表板和方向盤，以增強(qiáng)緩沖作用。前后保險(xiǎn)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(fù)合材料有含硬質(zhì)金屬的顆粒復(fù)合材料，有以夾層板材和樹脂膠合纖維為主的層板復(fù)合材料和以玻璃纖維、碳纖維為主的纖維復(fù)合材料，這些復(fù)合材料具有很高的機(jī)械強(qiáng)度，可以代替鋼板制作車身復(fù)蓋件或結(jié)構(gòu)件，減輕汽車的重量。
五、塑料耐腐蝕性強(qiáng)，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(fù)蓋件，十分適宜在污染較大的區(qū)域中使用。
六、根據(jù)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(jī)械強(qiáng)度及加工成型性能，以適應(yīng)車上不同部件的用途要求。例如保險(xiǎn)杠要有相當(dāng)?shù)臋C(jī)械強(qiáng)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(diào)色產(chǎn)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(biāo)牌、開關(guān)旋扭、車輪裝飾罩等。
由于上述的優(yōu)點(diǎn)，以塑料為主的汽車應(yīng)當(dāng)會產(chǎn)生。但是，塑料也有自身的弱點(diǎn)，阻礙了其應(yīng)用的發(fā)展。一是改造成本問題，如果從傳統(tǒng)的大規(guī)模機(jī)械加工方式轉(zhuǎn)為大規(guī)模的模塑加工方式，投資不菲，成本高昂。另一個更關(guān)鍵的問題就是環(huán)境保護(hù)：材料能不能夠回收？金屬零件到一定時(shí)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(huán)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(yuǎn)。
鎂合金在汽車上的應(yīng)用
鎂Mg是一種輕質(zhì)的銀白色金屬，在空氣中加熱能夠燃燒并能發(fā)出強(qiáng)烈的火焰，節(jié)日放的煙花就含有鎂粉，在夜幕中會爆發(fā)出閃閃發(fā)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(qiáng)度和剛度，具有良好鑄造性能和減振性能的輕質(zhì)合金材料，這些鎂合金材料在現(xiàn)代汽車中巳得到廣泛的應(yīng)用。
從歷史上看，早在20世紀(jì)30年代就有大眾汽車使用鎂合金，由于鎂的價(jià)格上升才停止了使用。80年代初，由于采用新工藝，嚴(yán)格限制了鐵、銅、鎳等雜質(zhì)元素的含量，使鎂合金的耐蝕性得到了解決，同時(shí)成本下降又大大促進(jìn)了鎂合金在汽車上的應(yīng)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(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向柱、輪圈、發(fā)動機(jī)氣缸蓋、變速器殼、離合器殼等等零件，其中轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向柱、輪圈是應(yīng)用鎂合金較多的零件。隨著技術(shù)的發(fā)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(zhì)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(qiáng)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(fù)荷。
三是它具有良好的鑄造性和尺寸穩(wěn)定性，客易加工，廢品率低，從而降低生產(chǎn)成本。四是它具有良好的阻尼系數(shù)，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(yōu)點(diǎn)，但從成本上看它仍然偏高于鋁合金。盡管如此，鎂合金的應(yīng)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(yù)計(jì)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(fā)展
汽車材料的發(fā)展是汽車技術(shù)發(fā)展的重要方面。材料是汽車質(zhì)量保障的基礎(chǔ)，在研制更經(jīng)濟(jì)、更安全和更輕便的汽車中，是關(guān)鍵的一環(huán)。這幾年，鋁合金、高強(qiáng)度鋼、合成塑料和陶瓷在某些應(yīng)用領(lǐng)域中，已經(jīng)成為相互競爭的對手。
鋁合金是汽車上應(yīng)用得最快最廣的輕金屬，其中的關(guān)鍵在于鋁合金本身的性能。目前車用鋁合金已經(jīng)達(dá)到重量輕，強(qiáng)度高、耐腐蝕的要求，因此鋁合金車圈已經(jīng)廣泛使用，鋁合金發(fā)動機(jī)也屢屢出現(xiàn)。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(jié)構(gòu)，成為世界第一款大批量生產(chǎn)的全鋁轎車。奧迪A2的車身采用全鋁空間框架車身ASF。所謂ASF概念即儀表板部分由高強(qiáng)度鋁結(jié)構(gòu)支撐，空間構(gòu)架由真空壓鑄接頭的擠壓成型段組成，這兩者結(jié)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沖壓成形，前柱A柱是采用高壓鑄鋁新技術(shù)，這是一種用于飛行器結(jié)構(gòu)的高難技術(shù)，它能夠復(fù)合加強(qiáng)并改變材料厚度。由于奧迪A2采用ASF空間結(jié)構(gòu)，使車身重量比傳統(tǒng)鋼制車身輕40%以上，只有895公斤。
塑料由于重量輕，耐腐蝕、加工容易一直被汽車工程界所重視。塑料主要應(yīng)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(biāo)是應(yīng)用在整個車身外殼上。目前，已經(jīng)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(chǎn)的CCVCompositeConceptVehicle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(shè)計(jì)的概念車，車身外殼采用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(nèi)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(jié)構(gòu)。車身材料含有玻璃增強(qiáng)纖維，加強(qiáng)車身的剛度和硬度，還含有穩(wěn)定劑、沖擊延展劑、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(shù)難題，它通過新結(jié)構(gòu)新技術(shù)新工藝，開創(chuàng)了全塑車身的發(fā)展之路。
鋼鐵是汽車工業(yè)的傳統(tǒng)材料。但多年來也不斷開發(fā)和更新品種，新的鋼材品種具有高強(qiáng)度的特點(diǎn)，由于強(qiáng)度增強(qiáng)可以相對減少用料，相應(yīng)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?yàn)樗鼈儞碛凶詈玫膹?qiáng)度和延伸性。一種由美日等多間鋼鐵企業(yè)計(jì)劃生產(chǎn)的輕型鋼所構(gòu)成的車身結(jié)構(gòu)，將使車身重量降低20%，并且符合各種性能指標(biāo)，包括優(yōu)良的抗碰撞性能。
工程陶瓷主要用在發(fā)動機(jī)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(qiáng)度高，耐磨性強(qiáng)，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(jī)效率，降低能源消耗，從而達(dá)到汽車輕量化效果。目前，工程陶瓷已用于制造發(fā)動機(jī)和熱交換器零件。在發(fā)動機(jī)上應(yīng)用主要有陶瓷活塞，陶瓷氣缸套、陶瓷配氣機(jī)構(gòu)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(jià)格貴和成品率較低，解決這一問題尚需時(shí)日。
