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材料大战——“铝”一定比“钢”更高级?

2022-02-18 16:537600

不知道是不是因为某些热衷于炒陈饭的媒体“同行”的“功劳”,关于车身材料的争议在最近再度成为了多方热议的焦点。



这一次,首当其冲的依然是奔驰。尽管现款奔驰E级上市已经接近4年了,当年换代之初就被热炒过的车门、机盖“铝换钢”早已是老黄历,但依然挡不住吃瓜群众看热闹不嫌事大的热情。此外,连带着挨批的还有奔驰的“好基友”宝马,国产宝马3系也被曝光,将引擎盖和前翼子板,从海外车型的铝合金材料换成了钢制材料。


在车身材料的选择上,铝合金真的就比钢材“高级”吗?



钢,算得上人类工业史上历史最悠久,使用最普遍的材料之一。从汽车诞生的那一天开始,钢就是汽车的主要材料。而铝合金被应用在汽车制造中的历史要短得多,这种最初来自于航空工业的轻量化材质(当然,与汽车一样,近年来复合材料也开始取代它),早在上个世纪30年代,就被捷豹用于造车;而“全铝车身”的诞生,则是1994年,奥迪A8正式推出了ASF车身结构之后的事情。


如果要对钢和铝合金进行简单的对比,那么最简单的几项物理性质是这样的——铝合金的拉伸强度超过钢材,但在韧性上却远不如钢,同时二者的比重不同,同样体积的铝合金要比钢材轻将近一半。


现代汽车,特别是强调性能和豪华感的高档汽车,之所以更多采用铝合金材质,就是为了省下宝贵的重量。轻量化对汽车性能的影响至关重要,它影响着油耗、制动能力、最大时速、加速性能乃至弯道中的动态表现。在赛车和改装车领域,有着“宁少10马力不多1公斤”的说法;而整车质量降低10%可以让燃油效率提高6%到8%左右,这是一个非常可观的数据。由此可见,轻量化对于汽车的重要性。



采用更轻巧的铝合金,能够省下更多的重量,在不少人眼中,铝合金因此被视为“更高级”。但造车这件事,并没有这么简单。


铝合金的拉伸强度超过钢,但是在韧性上却比钢差很多。简单地说,就是铝合金更硬但也更脆,而钢虽然软却更具有韧性。当发生碰撞事故时,在同样超过结构件受力极限的情况下,钢会逐级抵抗战至一兵一卒,其弹性可以抵消一部分冲击力;而铝合金则会瞬间崩塌,直接“缴枪投降”。



当年一起著名的车祸,全铝的奥迪R8被拦腰撞断……


更重要的是,对于铝合金来说,这一缺陷几乎无法克服。有人或许要说,既然铝合金比钢材轻得多,那我们把铝合金材料增厚增粗,是不是就能比同等重量的钢材更坚固了呢?非也!随着厚度的增加,铝合金的屈服强度反倒会降低,更厚重的铝合金,反而更容易在冲击力下直接断成两截!


此外,铝合金与钢材相比还有着焊接性能差、加工成本高的缺点。要知道,成本不仅仅是对汽车制造商才存在的——韧性太差的铝合金,一旦发生碰撞事故,几乎无法钣金修复,而动辄就需要整体更换。


一说到全铝车身,我们第一时间会想到的是前面提到过的两个名字:奥迪和捷豹,但是捷豹XFL的全铝车身却“仅仅”使用了75%比例的铝合金,而不是多数人想象中的100%;而奥迪也同样在高端车型上逐渐降低铝合金的比重。



奥迪换掉了铝合金,增加的是碳纤维增强复合材料——如果硬要说的话,钛合金和碳纤维复合材料就是比铝合金“更高级”的材料。比如,碳纤维复合材料的密度比铝合金更低,而抗拉强度能够轻松达到3500Mpa以上,大概是铝合金和钢材的8-10倍;而钛合金则在轻量化的同时,能同时实现高硬度和高韧性,可谓兼具了铝合金和钢材的优点。



那么,为什么汽车不大量使用这两种“更高级”的材料呢?成本、成本、还是成本。由于居高不下的成本,碳纤维和钛合金只被少数车型用在少数地方。碳纤维的韧性也较差,而且几乎无法维修,稍微碰一下,就会出现巨额的更换费用,所以只有宝马i8、柯尼塞格、兰博基尼等少数超跑才会采用这种材料;而钛合金呢,除了价格昂贵,同样也有成形性不好和焊接性能差的缺点,只有NSX和布加迪Chiron这种怪兽才舍得用一点点在发动机曲轴或刹车卡钳上。


一句话,无论铝合金、钢材还是碳纤维和钛合金,它们都有着各自不同的特点和不同的“身价”。它们之间并没有绝对的“高下之分”,而是各有所长。



事实上,随着汽车的发展,各种新材料也是百花齐放。比如在理想汽车上,采用了尼龙(你没有看错!跟你女朋友的丝袜一样)材质的下主摆臂;而一向热心环保的沃尔沃,甚至和一家名叫Bcomp's的公司合作,尝试用海洋回收塑料(顾名思义就是从海里捞起来的废旧塑料),经过重整后制作半结构内饰件。


汽车上使用的材料其实无所谓哪种更“高级”,最合适最实用的,就是最好的。


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