目錄
叢書總序
自序
推薦序
前言
第1章 緒論1
1.1 汽車材料的發展歷程1
1.2 汽車輕量化的驅動力及影響因素5
1.2.1 石油危機和油價5
1.2.2 燃油經濟性法規7
1.3 汽車輕量化趨勢10
1.3.1 輕量化材料10
1.3.2 汽車輕量化系統工程12
參考文獻14
第2章 先進高強鋼在汽車上的套用17
2.1 概述17
2.2 先進高強鋼的發展20
2.3 發展先進高強鋼的驅動力25
2.3.1 成本26
2.3.2 安全26
2.3.3 溫室氣體排放27
2.3.4 力學性能27
2.4 先進高強鋼29
2.4.1 雙相鋼32
2.4.2 復相鋼40
2.4.3 TRIP鋼44
2.4.4 馬氏體鋼50
2.4.5 TWIP鋼55
2.4.6 奧氏體不鏽鋼62
2.5 先進高強鋼的套用66
2.5.1 先進加工工藝66
2.5.2 先進高強鋼面臨的挑戰74
2.6 發展趨勢79
2.6.1 第三代先進高強鋼79
2.6.2 組織設計80
2.6.3 新工藝83
參考文獻88
第3章 鋁合金在汽車中的套用92
3.1 引言與概況92
3.2 鋁合金的命名系統97
3.3 鋁合金在汽車中的套用情況101
3.3.1 按照套用部位分類101
3.3.2 按照加工類型分類104
3.4 鋁合金套用後的輕量化效果108
3.5 鋁合金在汽車套用中的前景展望111
參考文獻112
第4章 鎂合金在汽車中的套用115
4.1 引言115
4.1.1 鎂合金概述115
4.1.2 鎂合金對汽車輕量化的意義118
4.2 鎂合金在汽車工業中的套用118
4.2.1 套用歷史118
4.2.2 套用介紹120
4.3 鎂合金在汽車套用上的局限性124
4.4 汽車用鎂合金的發展趨勢126
參考文獻127
第5章 塑膠131
5.1 車用塑膠材料發展概述131
5.1.1 塑膠材料的製備132
5.1.2 塑膠的分類134
5.1.3 塑膠的特性及套用143
5.1.4 塑膠成型工藝153
5.2 塑膠材料在汽車輕量化上套用的典型案例156
5.2.1 材料研究156
5.2.2 結構設計158
5.2.3 製造可行性分析161
5.3 汽車用塑膠發展趨勢164
參考文獻166
第6章 複合材料170
6.1 複合材料在汽車中的套用170
6.1.1 複合材料的種類及特點170
6.1.2 複合材料在汽車中套用的歷史和現狀173
6.2 汽車用複合材料的主要種類175
6.2.1 熱固性樹脂基複合材料175
6.2.2 熱塑性樹脂基複合材料183
6.2.3 金屬基複合材料188
6.2.4 其他複合材料194
6.3 汽車用複合材料面臨的挑戰及未來的發展方向197
6.3.1 汽車用複合材料面臨的挑戰197
6.3.2 汽車用複合材料未來的發展方向203
參考文獻204
第7章 現代車身連線技術206
7.1 概述206
7.2 熔化焊接207
7.2.1 電阻點焊207
7.2.2 雷射焊接212
7.2.3 氣體保護焊216
7.3 固相連線218
7.4 機械連線221
7.4.1 自穿刺鉚接221
7.4.2 無鉚釘鉚接223
7.4.3 自攻螺紋連線226
7.5 結構膠粘接228
7.6 金屬/非金屬材料連線方法簡介230
7.7 小結233
參考文獻235
第8章 輕量化最佳化設計技術237
8.1 概述237
8.1.1 最佳化設計技術237
8.1.2 輕量化最佳化設計分類238
8.2 結構拓撲最佳化238
8.2.1 結構最佳化分類238
8.2.2 結構拓撲最佳化原理239
8.2.3 輕量化拓撲最佳化套用案例241
8.3 汽車用材最佳化243
8.3.1 汽車用材背景243
8.3.2 汽車用材趨勢244
8.3.3 汽車用材與性能間的關係245
8.4 工藝設計最佳化249
8.4.1 輕量化工藝設計概述249
8.4.2 典型輕量化工藝250
8.4.3 輕量化工藝最佳化套用案例254
8.5 小結261
參考文獻261
叢書總序
作為《中國製造2025》戰略部署的主要支點之一，汽車業持續、快速、健康的發展將為實現中國製造業強國目標奠定堅實的基礎。面對中國汽車產業大而不強的現狀，自主品牌汽車產業的發展壯大時不我待。重慶自主品牌汽車協同創新中心，依託國家“2011計畫”，立足於重慶地區汽車產業的資源和優勢，以我國自主品牌汽車發展重大需求為牽引，以體制機制創新為手段，探索我國汽車自主品牌的發展模式。中心面向國內自主品牌汽車產業，重點開展培養高端人才，匯聚優秀團隊，研發核心技術，推廣產業套用，整合優勢資源，搭建交流平台等工作。重慶自主品牌汽車協同創新中心瞄準“節能環保、安全可靠、智慧型舒適”的國際汽車三大發展趨勢，凝練學科發展方向，匯聚創新資源和汽車及相關領域的優勢學科群，建立了全面涵蓋汽車行業研究領域的創新團隊。
為了滿足汽車領域人才培養的多學科交叉性、行業化、工程化和國際化需求，重慶自主品牌汽車協同創新中心委託中心特別顧問、福特汽車亞太區技術總監韓維建博士作為本套“汽車工程專業系列叢書”的主編，組織多位具有多年國際知名汽車公司研發工作經驗的專家和國內一線汽車領域的專家組成編寫團隊，立足汽車行業現有先進技術，緊跟國際前沿，把握創新特點，遴選汽車領域最新技術成果及發展方向，編寫本套叢書。本套叢書的出版將為中國汽車領域高層次人才培養提供支撐。
書籍是知識傳播的介質，也是人才培養及創新意識傳承的基礎。正如重慶大學建校宣言“人類之文野，國家之理亂，悉以人才為其主要之因”所闡釋的，本套叢書秉承重慶自主品牌汽車協同創新中心人才培養方針，主要面向高校汽車相關學科的本科及研究生教學，同時也可為汽車行業工程人員提供參考。相信本套叢書會對我國汽車領域學科及行業產生積極良好的推動作用。
重慶自主品牌汽車協同創新中心
自序
我國的汽車產業發展迅速，已經成為國民經濟的支柱產業之一。隨著家庭平均汽車保有量的迅速增長，汽車給整個社會帶來的能源、環境、交通和安全的壓力日益加大。儘管汽車在輕量化、電動化、排放控制技術和安全技術方面已經有了長足的進步，尤其是近幾年網際網路和通信技術在汽車的獨立駕駛和智慧型化方向提供了極大的發展和創新的空間，但諸多的發展也給汽車產業帶來無限的挑戰和機遇。因此，行業的快速變化亟需培養一大批不僅懂專業技術，更熟悉跨界知識的創新型人才。
重慶大學汽車協同創新中心認識到人才培養的迫切需求，組織我們為新成立的汽車學院編寫一套教材。參與這套教材編寫的所有作者都身在汽車行業的科研和技術開發的第一線，其中大部分作者是近年海歸的年輕博士。教材的選題經過專家在傳統學科和新興學科中反覆論證和研討，遴選了汽車行業面臨緊迫挑戰性的技術和話題。第一批教材有八本，包括《汽車材料及輕量化趨勢》《汽車設計的耐久性分析》《汽車動力總成現代技術》《汽車安全的仿真與最佳化設計》《汽車尾氣排放處理技術》《汽車系統控制及其智慧型化》《中國汽車二氧化碳減排路徑》和《汽車製造系統和質量控制》。
這套教材的一個共同特點就是與國際發展同步、內容新穎。編著者對於比較傳統的學科，在編寫過程中儘可能地把最新的技術和理念包括進去，比如在編寫《汽車材料及輕量化趨勢》的過程中，不僅介紹了各種輕量化材料的特點和動向，而且強調了輕量化材料的套用必須系統地考慮材料的性能、部件的加工方法和成本。有些選題針對汽車行業發展的新的技術動向，比如《汽車安全的仿真與最佳化設計》主要介紹汽車安全仿真的模型驗證和最佳化，這是汽車產品開發採用電子認證的必經之路；而《汽車系統控制及其智慧型化》概括了汽車的主要系統及其控制，以及智慧型化技術在各個系統中的套用，這些都是汽車自動駕駛的基礎。
這套教材的另一個突出的特點是實用。比如一般汽車設計要求非磨損件的壽命是24萬千米。《汽車設計的耐久性分析》著重介紹了汽車行業用於耐久性分析的主要工具和方法，以及這些方法的理論基礎。這是進行汽車整車和零部件壽命耐久性正向設計的基礎。隨著環境保護的法規日益嚴格，汽車排放控制技術也在不斷發展提高。汽車動力技術已經形成從化石燃料到其他燃料的多元化發展，《汽車尾氣排放處理技術》和《中國汽車二氧化碳減排路徑》介紹了排放控制技術的進程和法規實施的協調，以及達到法規要求的不同技術路線。汽車質量一直是熱門話題，也是一個汽車企業長期生存的關鍵問題之一。《汽車製造系統和質量控制》介紹了現代汽車製造系統與質量控制的基本概念和實踐。
本套叢書不僅對汽車專業的學生大有裨益，也可以作為汽車從業人員和所有對汽車技術感興趣者的參考讀物。由於時間有限，選題的範圍還不全面。每本書的內容也會反映出作者的知識和經驗的局限性。在此，真誠地希望廣大讀者提出意見，供我們不斷修改和完善。
2016年8月5日
前言
作為提高汽車燃油經濟性的手段之一，輕量化並不是新鮮的技術名詞。從20世紀70年代以來，汽車輕量化已經有了長足的發展。為了滿足各國政府的安全法規、排放法規以及消費者對於個性化和舒適性的要求，各種零部件、子系統被逐步安裝到汽車上。這導致在過去40年，汽車平均質量實際上在緩慢上升。近幾年世界各地燃油經濟性法規不斷加嚴的趨勢，使汽車公司和零部件供應商進一步大力開展汽車輕量化研究，各種新材料、新技術層出不窮。應該注意的是，汽車輕量化不只是單純的減重，必須同時考慮性能、工藝、成本等因素。單一材料很難同時滿足各種汽車零部件的不同要求。因此，汽車輕量化的發展趨勢是多種材料的混合使用。為了確保在恰當的部位使用最合適的材料，工程人員有必要了解各種輕量化材料、加工工藝、相關的連線技術以及最佳化技術。
基於新穎、實用、系統的理念，本書第1章回顧了汽車用材料的組成與演變，以及汽車輕量化發展趨勢，強調要系統地研發和推進輕量化。第2～6章覆蓋了常用輕量化材料在汽車中的套用，包括高強鋼、鋁合金、鎂合金、塑膠和複合材料。由於這些材料必須連線在一起，因此各種連線技術是保證汽車結構整體性的關鍵。第7章介紹了多種用於汽車輕量化設計的連線技術。第8章討論了最佳化設計技術在汽車輕量化中的套用。
參與本書編寫的是一個比較“新”的博士團隊，這一團隊在汽車材料和輕量化方面累積了豐富的經驗。 除了韓維建、張瑞傑、鄭江以外，參加編寫的還有黃詩堯、馬秋、包祖國、石燕棟和石磊。每個人都盡力把自己對輕量化的理解和經驗反映在本書的內容裡面。將汽車輕量化的一些基礎知識介紹給高校相關專業的學生和從事汽車輕量化工作的工程師，以及所有對汽車輕量化感興趣的人。由於時間倉促和作者們的閱曆局限，本書的不足之處在所難免，歡迎讀者提出批評和修改意見。
韓維建
推薦序
隨著我國汽車工業的快速發展，先進的汽車設計理論和技術在車身開發中越來越受到重視。同時，汽車發展遇到了環保、能源、交通等各個方面的諸多問題，在這種新形勢下，從業者掌握和熟練運用核心設計技術顯得尤為重要。
汽車的設計與製造是一個非常複雜的系統工程，需要考慮零件、子系統、系統，乃至整車等各個層面，綜合運用材料科學、能源科學、信息科學和製造科學的相關知識、理論和方法。本套“汽車工程專業系列叢書”涵蓋了汽車製造系統和質量、汽車動力總成、汽車材料及輕量化、車身耐久性、汽車安全仿真與最佳化、汽車系統控制及其智慧型化、汽車尾氣排放處理與二氧化碳減排等多個方面的內容，涉及汽車輕量化、安全、環保、電子控制等關鍵技術。
本套叢書的作者既有在汽車相關領域工作多年、有豐富經驗的專家，也有學成回國、已嶄露頭角的後起之秀；叢書內容安排上既有適合初學者學習的大量基礎理論知識，也融入了編著者在相關領域多年來的研究體會和經驗，從中我們能充分體會到現代汽車技術節能、環保和智慧型化的發展趨勢。叢書結合大量實例，取材豐富、圖文並茂。
本套叢書可作為汽車設計的參考工具，也可作為車輛工程、機械工程、環境工程等專業研究生的專門教材及學習參考書。相信該套叢書對於汽車行業相關領域的研究生、企業研發人員和科研工作者會產生重要的啟發作用，特作序推薦。
上海交通大學
作者簡介
主編簡介
韓維建
現任美國福特汽車公司亞太區研究與技術主管。自從1995年加入福特以來，在多個國家和地區組織了眾多的研究和技術項目。他在交通可持續發展系統分析、汽車輕量化、環境、能源、道路交通安全、政策制定，以及產學研結合等諸多領域都具有豐富的經驗和研究成果。
韓維建博士在俄克拉菏馬州的塔爾薩大學獲得機械工程博士學位和工程管理碩士學位，在四川大學獲得金屬材料工程學士學位。目前是上海交通大學的兼職博士生導師，並在清華大學和重慶大學聯合指導博士生。
韓維建博士曾獲太平洋地區經濟理事會環境銀獎、雲南省國際合作類科技進步獎、南京航空航天大學校長國際合作獎；在眾多汽車專業領域發表國際性論文、演講、講座等逾60篇次。
作者簡介
張瑞傑
現任北京科技大學新材料技術研究院副研究員。長期從事熱力學計算、鑄造與熱處理過程中的相變研究、多尺度材料微觀組織模擬與性能預測的研究工作。曾獲西北工業大學材料加工工程專業博士學位，之後在清華大學機械工程系從事多元合金的鑄造微觀組織研究的博士後研究。曾在美國福特汽車公司從事訪問研究員工作，主要從事車用鎂鋁合金的研發。
張瑞傑博士目前承擔了國家863課題、國家自然科學基金、北京實驗室建設項目、福特URP研究項目等十餘項項目，在多家國際期刊上發表文章30餘篇。
鄭江
現任重慶大學材料科學與工程學院重慶大學“百名青年優秀人才引進計畫”（簡稱重大“百人計畫”）研究員、博士生導師。研究領域包括：先進輕合金開發、金屬材料組織和性能預測。
鄭江博士曾獲得上海交通大學材料加工博士學位，重慶大學材料加工工程碩士學位，材料成型與控制工程學士學位。曾任美國密西根大學博士後及美國福特汽車研究院材料部門研發工程師，負責輕合金汽車部件性能預測的研究工作。
鄭江博士曾作為主研人員參與完成“十一五”國家科技支撐項目，並參與完成與通用汽車公司和日立公司的合作項目，在多家國際期刊上發表學術論文7篇，申請專利6項。
