導讀
汽車輕量化可以有效的實現節能減排的目的。實現汽車輕量化主要從材料、結構、工藝三個方面入手，而採用新型材料是汽車輕量化最直接也最有效的方法，因此很有必要對各種輕量化材料的力學性能進行深入研究。
由於節能環保的需要，汽車輕量化已成為必然趨勢。2013年中國汽車的平均油耗為7.5L/100km；國家規劃的節能減排目標為：2015年新車的油耗要下降到6.9L/100km，2020年達到5.0L/100km，因此汽車輕量化迫在眉睫。實現汽車輕量化的手段也有很多，包括材料、結構和工藝三個方面。輕量化材料的應用是汽車輕量化中最基礎，也是最核心的手段，受到汽車業界的廣泛關注。
常見的輕量化材料分為金屬和非金屬兩大陣營。金屬材料主要包括高強鋼、鋁合金、鎂合金等；非金屬材料包括工程塑料和複合材料等。這些新材料在實際應用時會遇到多種多樣的問題，比如替換材料後汽車的安全性、舒適性、動力性、操控性、經濟性往往都會有所改變，需要重新審視。其中安全性涉及到駕車和乘車人的生命安全，所以尤為重要，而汽車碰撞安全要求也在逐年提高，有限元仿真的方法是碰撞安全設計的重要手段，但如何才能準確的利用有限元仿真預測碰撞過程中的力學性能呢？答案是準確的材料力學性能表徵。鋁合金材料優點很多，它的密度是鋼的1/3，比吸能是鋼的2倍，延伸性好、耐腐蝕易回收，且其鑄造性能良好，可加工成不同形狀，是目前最為熱門的輕量化材料之一。目前很多車型如奧迪A8、捷豹XFL等均已採用全鋁車身，因此本文以鋁合金為主要對象，對其獨特的力學特性進行簡單的介紹。
鋁合金在車身上的應用
鋁合金材料種類很多，汽車中應用的主要包括2系、5系、6系和7系鋁，其形式包括板材、型材、管材及高性能鑄鋁。不同牌號鋁合金的力學性能也會存在較大的差異。傳統金屬材料力學性能參數主要包括材料靜態下的彈性模量、泊松比、屈服強度、抗拉強度、延伸率等，但汽車在汽車碰撞過程中所經歷的高應變率範圍往往在0-1000/s的量級範圍，且材料的變形/斷裂模式也不僅僅是單軸拉伸工況。這些加載條件的變化對鋁合金材料的力學響應有很大影響。
那麼如何較全面的表徵鋁合金材料力學性能，獲得整車有限元仿真中所需要的數據呢？我們需要進行鋁合金材料不同應變率的拉伸試驗，獲取材料的彈塑性數據。在此基礎上，再進行不同應力狀態的試驗，如剪切、拉剪、缺口拉伸、穿孔等，同時結合仿真，獲取試驗過程中無法獲取的信息，最終得到鋁合金材料的彈塑性和斷裂相關的數據。相應的試驗所需要的設備有萬能試驗機、高速拉伸試驗機、落錘衝擊試驗檯、低高速相機、非接觸測量分析系統等。由於動態衝擊試驗實施和結果處理比較複雜，試驗成本遠比傳統的準靜態試驗要高。
測試系統：1-高速攝像機；2-工業CCD（靜態）；3-非接觸測量分析系統；4-萬能試驗機；5-高速拉伸試驗機；6-落錘衝擊試驗檯
首先我們來看某鋁合金材料的應變率效應，下面展示了準靜態拉伸和高速拉伸的試驗設置以及不同應變率下某鋁合金材料的工程應力應變曲線。在100/s單向拉伸時，為了防止發生“ringing effect”現象，我們在試件上粘貼了應變片進行測力。從試驗結果可以看出這種鋁合金材料的應變率效應較明顯；不同應變率下的延伸率基本一致。
準靜態拉伸試驗
高速拉伸試驗
某鋁材料的工程應力應變曲線（曲線標示結尾的數字代表重複試驗）
在汽車碰撞過程中，有部件會出現斷裂現象，而很多企業在前期開發CAE模擬的過程中並未考慮或者僅僅採用一個等效斷裂應變值來表徵材料的斷裂特性，但鋁合金材料在不同的受力狀態下的斷裂應變差異很大，這對斷裂的預測非常不利，因此需要通過多種應力狀態的材料試驗來獲取更加全面的斷裂信息，從而提高仿真預測精度。下面以某鋁合金材料為例，測試內容包括了剪切、拉剪、R5缺口拉伸、R20缺口拉伸以及穿孔試驗，所有試驗均需要配合相應的夾具在萬能試驗機上完成，採用工業CCD拍攝整個試驗過程，再通過非接觸軟件進行分析，獲取變形信息。
由於鋁合金材料形式種類較多，不同形式種類材料性能也不一致，如某些鋁合金的應變率效應不明顯就不需要進行多個應變率拉伸試驗；某些鋁合金材料各向異性明顯就需要進行不同方向的拉伸試驗；鑄鋁材料斷裂表徵時需要進行多種類型試驗（如下圖所展示），所以不同類型鋁合金的材料表徵的試驗矩陣還不盡一致，需要具體材料具體分析。
希望本文內容能對大家有所幫助，也希望能夠與感興趣的朋友或者正在進行輕量化材料研究的同行有更多的交流。清華大學蘇州汽車研究院輕量化研究所在材料動態試驗研究方面已經有多年的積累，並擁有各種材料衝擊力學性能試驗所需的加載和測量設備，和國內外各大主機廠、零部件供應商、材料供應商、諮詢公司、高校等進行了多年的合作，為他們提供了各種材料的衝擊力學性能數據。
參考文獻：
1. 王磊 賴興華 李潔 姜亞洲. 鋁合金型材的斷裂失效表徵及結構驗證.第十八屆汽車安全學術會議論文集
2. 顧功堯. 面向汽車輕量化和碰撞安全的材料力學行為表徵研究[博士學位論文]. 清華大學汽車工程系, 2011.
3. Bai, Wierzbicki. Application of extended Mohr–Coulomb criterion toductile fracture. Int J Fract (2010) 161:1–20
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