路洪洲 李軍 王智文 陳一龍 郭愛民 路貴民

中國逐漸進(jìn)入汽車社會，汽車用的能源消耗以及排放已經(jīng)為國家和社會帶來了巨大的能源問題和環(huán)保壓力[1]，安全、節(jié)能、減少環(huán)境污染已經(jīng)成為汽車行業(yè)發(fā)展的主要方向[2]，汽車行業(yè)的節(jié)能減排已經(jīng)刻不容緩[3]。為了推動節(jié)能減排，新能源汽車的開發(fā)[4]、輕量化汽車的開發(fā)[5]等舉措均已列入國家以及行業(yè)規(guī)劃。汽車輕量化是汽車節(jié)能減排即資源化的主要手段之一[6]，能夠在汽車使用過程節(jié)約燃油消耗并減低廢氣排放。在汽車車身應(yīng)用輕量化材料，并通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及先進(jìn)制造工藝，可以實現(xiàn)乘用汽車車身以及整車的減重。為了進(jìn)一步解析乘用車用鋼的發(fā)展變化歷程，筆者分析了國內(nèi)外典型車企的用材歷史，選取北美、日本以及我國自主品牌的3個典型車型進(jìn)行分析，力爭通過3代車型的用鋼變化，來總結(jié)汽車乘用車車身用鋼的演變歷史，并推斷未來乘用車的用鋼發(fā)展趨勢，進(jìn)而指導(dǎo)我國汽車材料工程師進(jìn)行正向選材。

一、美國福特汽車用材歷史及發(fā)展預(yù)測

福特嘉年華（FIESTA）、福特蒙迪歐、F150是福特汽車典型的3款車型，分別代表A級、B級以及越野車型。一般一個車型投放市場5年前后會進(jìn)行重新開發(fā)，新開發(fā)的車型車身會根據(jù)市場需要、以及上游原材料的開發(fā)情況等進(jìn)行重新選材。分析3款車10年來的用材變化，可以更清晰福特汽車所代表的北美汽車工業(yè)車身選材的歷史。

FIESTA是福特汽車旗下一款著名的小型家用車，在美國的大型車時代，這款顯得另類的小車尤其特別。FIESTA的歷史最早可追溯到20世紀(jì)70年代中期，至今已經(jīng)有幾十年的歷史，歷經(jīng)8代演變（第6～8代FIESTA車身用材情況見圖1）。從圖1可以看出，第6代車型主要以軟鋼以及屈服強(qiáng)度小于380MPa的鋼材構(gòu)成，而時隔6年后的2008年，第7代車型應(yīng)用了15%的超高強(qiáng)度鋼，部分鋼板的屈服強(qiáng)度達(dá)到了800MPa。而根據(jù)福特汽車提供的信息，第9代FIESTA應(yīng)用了55%的高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼，包括抗拉強(qiáng)度為1 500MPa的熱成型鋼。但公開資料尚沒有第9代FIESTA詳細(xì)的用材介紹，因而FIESTA車身用材歷史演變圖含有部分筆者推斷的數(shù)據(jù)。

F-150一直是福特旗下的經(jīng)典皮卡，連續(xù)多年獲得美國最佳汽車稱號。1965年，作為F-100的換代車型，F(xiàn)-150問世；1997年推出了全新改版的F-150皮卡；2004年推出了不同配置的新車型，2009年，福特繼續(xù)進(jìn)行改款。從1997年至2009年福特F-150車身用材情況（圖2）可以看出，1997款福特F150車身主要應(yīng)用軟鋼，達(dá)到95%；到2004年，全新改款后，軟鋼比例降低到36%，并大量應(yīng)用一般高強(qiáng)度鋼和先進(jìn)高強(qiáng)度鋼，并于2009年開始應(yīng)用3%的熱成形鋼。根據(jù)最新行業(yè)信息，最新F-150于2015年上市，其整體車架由高強(qiáng)度鋼沖壓而成，這樣不但提高了車身的耐用性，更對乘客在安全方面有了進(jìn)一步的保證。2014款福特F-150的車身經(jīng)過輕量化處理，將在發(fā)動機(jī)蓋、保險杠以及車門等部件大量使用鋁合金材料，以確保車身輕量化。相比老款的F-150，新車整備質(zhì)量將減輕約320kg。通過輕量化，2014款福特F-150的車輛燃油經(jīng)濟(jì)性獲得提升，輕量化車身以及全新動力總成將使新車的油耗減少15%～20%。

福特蒙迪歐是福特的中級轎車，從2002年開始至今，歷經(jīng)了3代。由福特蒙迪歐車身用材歷史演變（圖3）可見，2002款蒙迪歐應(yīng)用了約70%的軟鋼，一般高強(qiáng)度鋼達(dá)到了31%。橫向比較來看，2002款蒙迪歐車相對于2002款的FIESTA，其身用材顯然沒有進(jìn)行突出的表現(xiàn)。2007年，新款蒙迪歐車身用材水平大幅提升，軟鋼只占40%，大量的高強(qiáng)度雙相鋼（DP鋼）被應(yīng)用，同時熱成形鋼也被應(yīng)用。對于2012款最新一代的蒙迪歐，整體高強(qiáng)的鋼的應(yīng)用比例再次提升至69.5%，尤其是先進(jìn)高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼的用量顯著提高，達(dá)到了35%以上。整體高強(qiáng)度鋼的比例、先進(jìn)高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼比例、熱成形鋼等的應(yīng)用比例均大幅度提升，可見2012款的蒙迪歐代表一款典型的輕量化B級轎車用材情況。

結(jié)合福特汽車3個典型車型的10多年來的用材演變，可以推導(dǎo)出福特汽車車身用材歷史演變情況（如圖4）。2000年前，車身主要以軟鋼為主；2000年后開發(fā)的車型，高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用越來越多，從30%～40%的比例提高到如今的60%～70%，同時先進(jìn)高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼的比例從2000年的5%左右，提高到如今的30%。2006年以前，由于熱成形技術(shù)尚未成熟，沒有在福特得到大范圍應(yīng)用，但在2006年以后，熱成形鋼用量從0增至7%左右。

福特汽車車身用材歷史演變情況也在一定程度上反應(yīng)北美汽車行業(yè)的情況。從未來的發(fā)展趨勢來看，高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用預(yù)計會維持在60%～70%的水平，先進(jìn)高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼的比例以及熱成形的比例會進(jìn)一步提高，有望達(dá)到30%以上，鋁合金板材短期內(nèi)不會在北美大眾消費(fèi)的車型上大量應(yīng)用，但會在如F150猛禽這種中高級汽車上應(yīng)用，尤其是鋁合金覆蓋件的應(yīng)用。

二、日本本田汽車用材歷史及發(fā)展預(yù)測

本田汽車用材情況在一定程度上可以代表日本汽車工業(yè)汽車輕量化以及用鋼的趨勢，因此筆者從本田汽車的思域（CIVIC）、CR-V、雅閣（Accord）以及飛度（FIT）等4個車型出發(fā)，分析4個車型最近3代用材情況，梳理日本汽車的車身用材變化和趨勢。

1972年第1代CIVIC誕生，先后歷經(jīng)9代車型的進(jìn)化。圖5為第7～9代車型的車身示意圖。2000年的第7代CIVIC車身應(yīng)用了69%的軟鋼，并應(yīng)用了11%的DP590以及1%的超高強(qiáng)度鋼，這在2000年算是比較先進(jìn)的材料，高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用比例達(dá)到了31%。2006年第8代CIVIC車身的高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用比例達(dá)到了42%，DP590的用量達(dá)到了35%，超高強(qiáng)度鋼達(dá)到了3%，但第8代CIVIC車身沒有應(yīng)用熱成形鋼。最新款的CIVIC車身，即2012年第9代CIVIC車身，開始應(yīng)用熱成形鋼，比例達(dá)到了6.3%，同時開始應(yīng)用鋁合金，比例達(dá)到了4.7%，高強(qiáng)度鋼整體用量達(dá)到了53.6%，其中先進(jìn)高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼（含熱成形鋼）達(dá)到了10.9%。

CR-V是本田典型的城市越野車型于1998年登陸中國，從1995年第1代車型上市至2012年共推出了4代車型。圖6列出了最近3代車型車身示意圖以及用材情況，由圖可見2000年第2代CR-V車身應(yīng)用了34%的高強(qiáng)度鋼，主要是590MPa以下級別，2006年第3代CR-V車型上應(yīng)用780DP，其用量達(dá)到了9%，高強(qiáng)度鋼整體用量達(dá)到了56%，但沒有應(yīng)用熱成形鋼。2012年第4代車型開始應(yīng)用熱成形鋼，由于沒有官方公布2012款CR-V的用材情況，圖6推斷了本田CR-V車身用材歷史演變情況。總而言之，隨著車身進(jìn)化，高強(qiáng)度鋼整體用量從第2代車型的35%左右提高到了當(dāng)前的60%左右，先進(jìn)高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼于2006年開始應(yīng)用，熱成形鋼于2012年開始應(yīng)用，估計應(yīng)用比例在8%左右。

為了進(jìn)一步研究本田汽車家族的用材情況，筆者分析了Accord的用材情況，第7～9代Accord的車身以及部分車身用材情況如圖7。Accord是本田典型的B級車，2002年第7代和2007年第8代的高強(qiáng)度鋼整體應(yīng)用比例變化不大，只提高了7%，達(dá)到了48%，而且最高強(qiáng)度只用到了DP590，但2007年款的DP590應(yīng)用比例大幅度提高，達(dá)到了42%，這是非常高的比例。第9代本田Accord車身應(yīng)用了55.8%的高強(qiáng)度鋼，其中17.2%為780MPa，980 MPa以及1 500MPa熱成形高強(qiáng)度鋼。

FIT是本田典型的A00級小車，2001年的第1代車型在日本上市，并于2003年前后在中國生產(chǎn)，至今已是第3代車型。FIT脫胎于本田的全球通用小型車平臺（Global Small Car Platform，GSC），歷代車型車身示意圖以及用材情況見圖8。第1代本田FIT車身就應(yīng)用了大量的高強(qiáng)度鋼，如590MPa級別的高強(qiáng)度鋼達(dá)到了23.3%，780MPa級別的高強(qiáng)度鋼達(dá)到了3.1%，并應(yīng)用了0.6%的980MPa級別的高強(qiáng)度鋼和0.4%的1 180MPa級別的高強(qiáng)度鋼。但第2代車型全新開發(fā)之后，用材級別有所降低，主要應(yīng)用了590MPa級別的高強(qiáng)度鋼，達(dá)到了42.6%，盡管高強(qiáng)度鋼整體用量比例提高，但不再應(yīng)用780MPa級別以上的高強(qiáng)度鋼。2013年第3代車型又重新恢復(fù)了780MPa級別高強(qiáng)度鋼和980MPa級別高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用，應(yīng)用比例分別達(dá)到了11.5%和8.5%，并開始應(yīng)用熱成形鋼，高強(qiáng)度鋼整體用量比例變化不大。

圖9展示了本田汽車車身用材歷史演變，結(jié)合本田汽車的4個典型車型的十多年來的用材演變，可以推導(dǎo)出本田汽車車身用材歷史演變情況。從2000年前后開始，高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用越來越多，從30%～40%的比例提高到如今的60%左右，同時先進(jìn)高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼的比例從5%左右提高到15%。2012年以前，熱成形技術(shù)沒有在本田得到大范圍應(yīng)用。從2012年開始，熱成形鋼用量從0增至7%左右，個別車型開始使用鋁合金。

本田汽車車身用材歷史演變情況也可以在一定程度上反應(yīng)日本汽車行業(yè)的情況，即重視DP590以及DP780和DP980的應(yīng)用，2010年前對熱成形鋼的應(yīng)用不是特別積極，直到最近兩年才開始應(yīng)用熱成形鋼。從未來的發(fā)展趨勢來看，高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用預(yù)計會維持在60%～70%的水平，先進(jìn)高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼的比例以及熱成形的比例會進(jìn)一步提高，尤其是日本車型應(yīng)用熱成形鋼較晚，因而熱成形構(gòu)件在日本汽車上應(yīng)用的潛力較大。鋁合金板材短期內(nèi)不會在日本大眾消費(fèi)的車型上大量應(yīng)用，但不排除在日本大眾消費(fèi)的車型的發(fā)動機(jī)罩蓋上應(yīng)用，但實際上，鋁合金汽車板材已經(jīng)在日系中高級車上應(yīng)用，如雷克薩斯、英菲尼迪和謳歌等高端品牌上。

三、自主品牌的用材歷史及發(fā)展預(yù)測

奇瑞汽車是中國汽車工業(yè)自主開發(fā)的一面旗幟，也反映了中國汽車用材技術(shù)的現(xiàn)狀。經(jīng)濟(jì)性轎車一直是奇瑞的主打產(chǎn)品，第1輛下線的風(fēng)云轎車也是經(jīng)濟(jì)性轎車，而經(jīng)濟(jì)性轎車也是自主品牌占領(lǐng)市場的主力產(chǎn)品。奇瑞在經(jīng)濟(jì)性轎車開發(fā)不同階段的代表車型分別為1999年的風(fēng)云、2006年的奇瑞A5、2008年的奇瑞A3，以及2013年上市的艾瑞澤7。

風(fēng)云轎車對標(biāo)車的車身用高強(qiáng)度鋼板僅占2.07%。2000年，奇瑞汽車股份有限公司公司（以下簡稱“奇瑞”）與寶鋼集團(tuán)有限公司合作，聯(lián)合開發(fā)冷軋高強(qiáng)度鋼板應(yīng)用于車身，每輛車高強(qiáng)度鋼板占車身用鋼板總量的17%。這標(biāo)志著奇瑞成為國內(nèi)首家大量采用高強(qiáng)度冷軋鋼板的轎車制造企業(yè)。奇瑞A5是奇瑞公司第1款全正向開發(fā)的車型，2006年的奇瑞A5的車身用材的主要構(gòu)成也就是傳統(tǒng)低碳軟鋼、IF鋼、加磷鋼和高強(qiáng)度低合金鋼，以及熱軋酸洗鋼，所有高強(qiáng)度鋼用量達(dá)到26%。加磷鋼的屈服強(qiáng)度級別也由170MPa提高到250MPa，并在車身覆蓋件上首次應(yīng)用了烘烤硬化鋼，提升該車型覆蓋件的抗凹性。2008年，奇瑞A3在碰撞測試中獲得了五星安全的最高成績，成為中國自主研發(fā)第1款摘得五星安全的車型，更是10萬元內(nèi)第1款獲五星安全的車型。A3的車身設(shè)計和選材來自于歐洲設(shè)計公司，因而選材上基本與同期的歐洲車型同步。600MPa級別雙相鋼為主，用量超過30%，所有高強(qiáng)度鋼用量達(dá)到54%。起初的設(shè)計選材還包括熱成型鋼，但是由于當(dāng)時國內(nèi)熱成型鋼材和零部件的資源不足，部分零件改為冷成型先進(jìn)高強(qiáng)度鋼。艾瑞澤7的設(shè)計始于2010年，高強(qiáng)度鋼板和熱成型鋼得到了大量的應(yīng)用。車身一般結(jié)構(gòu)件采用加磷鋼或低合金鋼，安全件和吸能件采用雙相鋼或低合金鋼，覆蓋件采用烘烤硬化鋼（除側(cè)圍外板）；于A柱、B柱、門防撞板、前擋板加強(qiáng)橫梁等零件采用熱成型鋼板。熱成型鋼板在艾瑞澤7中的用量占白車身骨架近7%，所有高強(qiáng)度鋼用量達(dá)到53%，先進(jìn)高強(qiáng)度鋼、超高強(qiáng)度鋼以及熱成形合計達(dá)到20%，樹立了自主品牌車型車身用材的新標(biāo)桿（見圖10）。

奇瑞汽車一定程度上可以代表中國自主品牌乘用車的用材情況，在自主品牌乘用車發(fā)展初期，車身材料主要以軟鋼為主，高強(qiáng)度鋼約20%左右。隨著車身技術(shù)以及鋼材技術(shù)的發(fā)展，自主品牌乘用車車身開始應(yīng)用先進(jìn)高強(qiáng)度鋼。2008年，奇瑞汽車新開發(fā)車型應(yīng)用DP600已達(dá)到30%，遠(yuǎn)高于行業(yè)平均水平，2010年以后，熱成形構(gòu)件開始應(yīng)用。目前奇瑞乘用車車身用高強(qiáng)鋼比例約占50%左右，先進(jìn)高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼約占20%，熱成形約占7%左右。但在DP800級別以及以上的鋼材應(yīng)用方面與國外仍有差距。中國自主品牌乘用車已經(jīng)開始嘗試鋁合金覆蓋件的試制，但目前鮮有量產(chǎn)，未來有望在20萬以上的中高端車型上應(yīng)用。

四、未來預(yù)測

本文主要探討國內(nèi)外一般大眾消費(fèi)的乘用車車身用材的發(fā)展，不涉及C級別及以上的豪華乘用車，如奔馳、奧迪、凱迪拉克、英菲尼迪等品牌的用材。從分析可見，2000年前后國內(nèi)外一般大眾消費(fèi)的乘用車車身用材的差距較大，北美和日本的高強(qiáng)度鋼用量已經(jīng)達(dá)到40%左右，而自主品牌還處于起步階段，普通高強(qiáng)度鋼用量只有20%左右，更高強(qiáng)度的鋼材還未能應(yīng)用。隨后的2006年前后，北美和日本的高強(qiáng)度鋼用量已達(dá)到45%～50%左右，先進(jìn)高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼用量約10%～15%，并已開始應(yīng)用熱成形鋼，此時自主品牌開始應(yīng)用先進(jìn)高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼，但比例不大。2010年后，北美和日本大眾消費(fèi)的乘用車車身用高強(qiáng)度鋼用量均已經(jīng)達(dá)到了50%～60%，先進(jìn)高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼達(dá)到了15%～20%，自主品牌和日本汽車開始應(yīng)用熱成形，北美和日本開始應(yīng)用鋁合金，此時自主品牌所有高強(qiáng)度鋼用量已經(jīng)達(dá)到了50%左右，與國外的差距縮小。

可以預(yù)計未來5～10年，大眾消費(fèi)的乘用車車身用材仍主要以鋼材為主，先進(jìn)高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼用量會增加，熱成形鋼的應(yīng)用比例將大幅提高（見表1）。少量應(yīng)用鋁合金板材，比例不會太大，預(yù)計會有少部分塑料復(fù)合材料應(yīng)用，但比例仍不會太大，短期內(nèi)碳纖維不會應(yīng)用到大眾消費(fèi)的乘用車車身中。

五、結(jié)語

隨著車身技術(shù)以及材料科技的進(jìn)步，近10多年來國內(nèi)外大眾消費(fèi)的乘用車車身用材發(fā)生了巨大的變化，先進(jìn)高強(qiáng)度鋼及超高強(qiáng)度鋼（AHSS&UHSS）大幅度增加，熱沖壓成形鋼在2006年前后開創(chuàng)性應(yīng)用，推動了汽車的安全等性能。

2010年以前，我國自主品牌乘用車車身用材與國外差距較大；2010年以后，780Mpa以上的先進(jìn)高強(qiáng)度鋼及超高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用與國外有較大的差距，其他方面差距逐漸縮小并逐漸接近國外水平。未來大眾消費(fèi)的乘用車車身仍主要以鋼材為主，先進(jìn)高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼用量會增加，熱成形鋼的應(yīng)用比例將大幅提高，少量應(yīng)用鋁合金以及其他輕質(zhì)材料被應(yīng)用，但主要應(yīng)用于中高級轎車，在一般大眾消費(fèi)的車型（如A級等）的應(yīng)用比例仍會很少。

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