1.1 汽車材料的發展歷程

汽車自誕生100多年以來，其設計、制造工藝得到了巨大的發展。隨著新材料開發、制造及加工水平的不斷提高，現代汽車材料與100年前相比發生了巨大的變化。

早期的汽車是從馬車演變來的。20世紀初期基于馬車的制造經驗，最初的車身是簡單的木制“箱形”結構。隨著金屬制備技術的發展，金屬在汽車上的用量逐漸增加。福特T型車（Model T，見圖1-1）是汽車歷史上非常著名同時也是獲得了巨大成功的一款汽車。在亨利·福特改進了汽車生產工藝之后，T型車的生產、組裝時間由12.5h降到了93min，當時市面上50%的汽車由福特汽車公司生產。表1-1及圖1-2是1915年款福特T型車所用材料及其用量。由表1-1可見，該車整備質量僅為545kg，遠遠低于現代汽車的平均質量。其中，鑄鐵和鋼材是最主要的材料，其用量接近60%；木材的用量約為76.3kg，用于輪轂及某些骨架結構（如座椅骨架）等，其雖用量遠不及鋼鐵，但大大超過了其他材料；鋁合金在1915年款T型車上也得到了應用，主要用于車頂篷、變速器蓋等部位，然而1916年款T型車頂篷又改用了鋼材，鋁合金的應用在當時較為有限。

隨著汽車制造技術的不斷發展，特別是第二次世界大戰以后，用戶對舒適性需求的提高和汽車安全法規的不斷完善，使得20世紀中后期汽車質量與汽車誕生初期相比大大增加。到了1975年，乘用車平均整備質量達到了1700kg以上，約為1915年款福特T型車的3倍。經過幾十年的發展，更多的新材料被開發、應用到汽車制造中，表1-2所列為1975年汽車制造中用到的材料及其平均用量。由表1-2可見，鋼鐵仍然是最主要的汽車材料，其總用量占汽車總質量的比例甚至比T型車還要高；而作為T型車主要材料之一的木材，因其易燃性較高，在20世紀70年代的汽車中已經消失不見；很多密度小的材料在汽車上得到了應用，如塑料、橡膠等。

進入20世紀90年代，鋼鐵公司開發出第一代先進高強鋼，汽車材料發生了較大的變化，如圖1-3所示。此時輕型汽車中鋼材的用量仍占汽車總重的50%以上，雖然低碳鋼仍占鋼材用量的主導地位，但先進高強鋼已經迅速發展并得到廣泛應用。鋁合金的用量（質量而非占汽車總重的百分比）逐年提高，平均每輛車的鋁合金用量為100kg左右，其中80%為鑄造鋁合金。塑料等非金屬材料在汽車總重中所占的比重顯著提高，在北美市場中，非金屬材料在汽車總質量中所占的比重超過20%。

在當今的汽車工業中，新型汽車材料不斷被開發出來，汽車制造過程中使用的材料越來越豐富。以2013款福特Fusion為例，其制造過程中用到的材料及其占汽車總重的比例見表1-3。Fusion用到的金屬材料中，鋼材占絕對主導地位，受益于先進高強鋼的不斷開發，制造商在對鋼材的利用上也有了更多的選擇。該車車身主要由鋼材制成，在車身結構的承載部位大量使用了各種牌號的先進高強鋼，普通低碳鋼的平均用量較20世紀車型大幅降低，如圖1-4所示。除先進高強鋼外，當代汽車還采用鋁合金、鎂合金、工程塑料及復合材料等多種金屬/非金屬材料，以滿足汽車對功能、安全、效率等多方面的需求。圖1-5為100多年來汽車材料的發展趨勢。

自汽車誕生之日起，隨著其功能的不斷完善，汽車的質量是不斷增加的。此外，第二次世界大戰結束后的20多年間是汽車工業發展的黃金時期。戰后初期，汽油價格低至25美分/加侖，汽車制造商們不必考慮任何與燃油經濟性有關的問題，汽車設計的趨勢是設計更大、更舒適、動力更強勁的大型車。

然而好景不長，爆發于1973年的第一次石油危機導致汽油價格暴漲，并徹底改變了全球汽車工業的格局。高昂的油價迫使制造商推出質量更小、油耗更低的小型車，乘用車的平均質量在石油危機之后的幾年迅速降低。之后，各國政府紛紛推出了各種影響汽車工業的能源政策，如排放法規、燃油經濟性法規以及油耗稅等，這些政策以及油價波動共同影響著汽車的輕量化進程。