原来变形金刚才是真正的“钢铁侠”

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现代钢铁制造商能够调整其汽车用钢生产工艺，生产具有合适性能的新钢材，并将其用于既安全又节能的汽车。

与许多实用的创新一样，两千多年前印度冶金学家创造的优质钢材很可能是工艺与运气完美结合的产物。

古代印第安人在特殊的粘土容器中用木炭冶炼铁，最终创造出一种全新的物质，印第安人称之为乌兹钢。罗马军队很快就挥舞着乌兹钢剑来恐吓和征服古代欧洲的野蛮人。

二十四个世纪后，钢铁制造商依靠电弧炉、热冲压机以及淬火和分区工艺来生产古人难以想象的钢铁。这些新工艺可以提高钢材的性能，以在车辆不可避免地相互碰撞时保护柔软的人体，同时控制车辆重量并减少对地球的有害影响。

“这是一场革命，”在汽车行业拥有多年工作经验的密歇根大学工程学教授艾伦·陶布(Alan Taub) 说。数十种现有和仍在开发的新型钢材与轻质聚合物和碳纤维编织物相结合，获得内饰和底盘，以组装成新车。这不禁让人回想起上世纪初的那段时期。他说，那是令人兴奋的日子，“当时底特律现在是硅谷。”

使用这些新材料可以减轻数百磅的车辆重量，每减轻一磅多余的重量，驾驶员在车辆的使用寿命内可以节省大约三美元的燃油成本。因此，减轻车辆重量所带来的经济效益是不可否认的。陶布表示，汽车行业的新座右铭是“在正确的位置使用正确的材料”。

汽车行业向新能源汽车的转变凸显了采用这些新材料的重要性。电动汽车可能不会排放污染，但它们很重。例如，沃尔沃XC40 电动车比汽油版重33%（如果乘客周围的钢材像以前一样笨重，则重量会更重）。太重也会带来安全风险。

“汽车安全，特别是在新的交通政策和新技术的背景下，不容忽视，”国家运输安全委员会主席Jennifer Homendy 在2023 年对交通研究委员会表示。此外，当电动汽车的重量减少10%时，车辆的续航里程可增加约14%。

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就在20 世纪60 年代，汽车乘客周围的钢架还是由汽车制造商所谓的低碳钢制成。底特律“侏罗纪时期”汽车的钢架与亨利·福特几十年前推出的钢架没有太大不同。它很重并且使用了大量的钢材。

随着1965 年Ralph Nader 的《任何速度都不安全：美国汽车的设计隐患》的出版，各大汽车制造商意识到他们不能再追求速度和性能了。 20 世纪70 年代的石油禁运进一步加速了这一变化：现在汽车中使用的钢材必须既坚固又轻，以减少推动汽车所需的燃料。

为此，在过去的60 年里，钢铁制造商就像厨师一样操作真空低温烹调机，制作出质地完美的膳食。 —— 他们的“炊具”是电弧炉，温度可达数千华氏度，由机器人提供动力。 —— 行动生产多种钢材，以满足汽车行业的各种需求。其中底盘采用高强度淬硬钢；侧板和顶板采用耐腐蚀不锈钢；保险杠中的高弹性金属可以吸收冲击力而不收缩。

汽车制造商使用多种材料来制造车身，他们为汽车的不同部位选择最合适的金属材料。

钢铁的魔力

大多数钢的铁含量超过98%。但真正产生影响的是剩下的那百分之几。有时，这些成分只需添加到金属中，即可赋予钢所需的性能。同样重要的是加工方法：加热、冷却和机加工，例如在形成零件之前轧制钢板。微调钢铁生产过程的每个步骤，有时每个步骤只需几秒钟，就可以改变金属的结构并产生不同的性能。 “这是纯粹的钢铁魔法，”科罗拉多矿业学院先进钢铁加工和产品研究中心主任约翰·斯皮尔说。

在最微观的层面上，钢的性能与其不同成分的微观排列有关：即金属中不同类型或金属相成分的排列。有些金属相较硬，而另一些则赋予钢延展性。延展性是衡量金属在不产生剪切应变或撕裂形成锯齿状边缘的情况下可以弯曲和扭曲的程度。在原子水平上，汽车钢有四个主要相，包括最硬但也是最脆的马氏体和更具延展性的奥氏体。钢铁制造商可以通过控制加热过程的时间和温度来改变金属相成分的含量和比例，以达到钢所需的不同性能。

研究人员和高铁行业工作者正在与汽车制造商密切合作，开发三代先进高强度钢材。第一代钢于20 世纪90 年代投入使用，至今仍在广泛使用。这种金属具有良好的强度和延展性。第二代钢使用了更独特的合金来获得更大的延展性，但制造成本昂贵且复杂。

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Spear表示，第三代钢材已经准备投入生产。这种钢采用独特的回火和淬火技术，生产出的钢比第一代钢更强、更容易成型；第三代钢的强度是过去普通钢的近十倍；并且比第二代钢便宜得多（尽管延展性较差）。

钢铁工人发现冷却时间是决定原子最终排列以及钢性能的关键因素。最快速的冷却方法称为淬火，可在钢达到室温之前冻结并稳定其内部结构，防止进一步变化。

现代汽车将把最坚固的钢材应用于最重要的结构部件，例如侧板和支柱。 ——是最强的钢，是通过在加热到850C的钢中添加硼和锰制成的。钢材被加热软化后，加热后的钢材在10秒内被转移到模具中成型并快速冷却。

以所谓的相变诱导塑性的形式，将钢加热到高温，然后冷却到较低温度并保温一段时间，然后快速淬火。这导致分散的奥氏体岛被较软的铁素体包围，以及较硬的贝氏体和马氏体区域。这种钢材可以吸收大量能量而不会断裂，因此适用于保险杠和支柱等部件。

通过进一步添加各种类型的微量金属，可以进一步改进钢铁生产过程。一个多世纪前，亨利·福特在他的T型车中使用了钢和钒的合金来改善钢的性能，而今天钢中元素的比例不断提高。与我们现代生活非常贴近的一个例子是福特汽车公司的铝制F-150卡车，它由轻金属和钢相结合的复合材料制成。其2015 年型号比之前的型号轻了近700 磅。

新材料需要与新工艺相匹配才能发挥其全部功效。与新型钢铁材料集成的一种工艺是管材液压成形，它通过将高压水或其他流体注入管材并将其膨胀成周围模具的形状，将金属弯曲成复杂的形状。这样就无需将两个组件焊接在一起，从而节省了时间和成本。 2019年，Taub与人合着了一篇关于汽车轻量化的文章《材料研究年度评论》。据他介绍，世界上最大的液压成型部件——雪佛兰科尔维特铝制车架纵梁被钢纵梁取代，重量减轻了20%。

新合金

最近开发的合金包括添加了钛和铌的合金，它们通过稳定金属的微观结构来提高材料的强度。在2022 年的一篇论文中，Spear 将铌的引入称为“20 世纪最重要的物理冶金发展之一”。

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如今，计算机已成为减少试错成本的工具。 “现在我们希望使用计算机模拟比实验更有效地开发材料，”斯皮尔说。现在，人们可以在原子水平上测试新想法，而无需工人们弯腰伏在桌子上。

在不断寻找更好的材料和工艺的过程中，工程师Raymond Boeman 和他的同事于2015 年成立了先进复合材料制造创新研究所(IACMI)，并获得了7000 万美元的联邦拨款。该研究所也称为复合材料研究所，是工业界开发、测试和扩大新工艺和产品规模的地方。

“这个领域在很多方面都在发展，”博伊曼说，他现在领导该研究所的工艺升级研究。 IACMI 一直致力于寻找更环保的替代品来替代广泛使用的聚丙烯等传统塑料。 1960 年，汽车中普遍使用的塑料重量不到100 磅。到2017 年，这一数字已上升至近350 磅，因为塑料价格便宜且具有较高的强度重量比，汽车制造商可以利用塑料来减轻车辆重量。

据Taub 称，到2019 年，汽车的10% 至15% 将由聚合物和复合材料制成，从座椅部件到行李箱、车门部件和仪表板，应有尽有。当这些汽车报废时，会产生500 万吨塑料和其他难以回收的材料（称为汽车粉碎机残留物），最终进入垃圾填埋场。 —— 更糟糕的是，在更广泛的环境中。

研究人员正在努力开发更坚固、更轻且更环保的塑料。同时，新型碳纤维产品使得这些轻质材料能够用于承重部件，例如车身结构底部的部件，从而进一步减少车身重金属的使用量。

显然，要减少汽车对人类和地球造成的危害，还有很多工作要做。但陶布表示，他对底特律的未来以及汽车行业解决问题的能力持乐观态度。 “我告诉学生，他们将在未来很长一段时间内拥有工作保障。”

翻译：*0

审稿人：第7单元