丛书总序

自序

推荐序

前言

第1章　绪论1

1.1　汽车材料的发展历程1

1.2　汽车轻量化的驱动力及影响因素5

1.2.1　石油危机和油价5

1.2.2　燃油经济性法规7

1.3　汽车轻量化趋势10

1.3.1　轻量化材料10

1.3.2　汽车轻量化系统工程12

参考文献14

第2章　先进高强钢在汽车上的套用17

2.1　概述17

2.2　先进高强钢的发展20

2.3　发展先进高强钢的驱动力25

2.3.1　成本26

2.3.2　安全26

2.3.3　温室气体排放27

2.3.4　力学性能27

2.4　先进高强钢29

2.4.1　双相钢32

2.4.2　复相钢40

2.4.3　TRIP钢44

2.4.4　马氏体钢50

2.4.5　TWIP钢55

2.4.6　奥氏体不鏽钢62

2.5　先进高强钢的套用66

2.5.1　先进加工工艺66

2.5.2　先进高强钢面临的挑战74

2.6　发展趋势79

2.6.1　第三代先进高强钢79

2.6.2　组织设计80

2.6.3　新工艺83

参考文献88

第3章　铝合金在汽车中的套用92

3.1　引言与概况92

3.2　铝合金的命名系统97

3.3　铝合金在汽车中的套用情况101

3.3.1　按照套用部位分类101

3.3.2　按照加工类型分类104

3.4　铝合金套用后的轻量化效果108

3.5　铝合金在汽车套用中的前景展望111

参考文献112

第4章　镁合金在汽车中的套用115

4.1　引言115

4.1.1　镁合金概述115

4.1.2　镁合金对汽车轻量化的意义118

4.2　镁合金在汽车工业中的套用118

4.2.1　套用历史118

4.2.2　套用介绍120

4.3　镁合金在汽车套用上的局限性124

4.4　汽车用镁合金的发展趋势126

参考文献127

第5章　塑胶131

5.1　车用塑胶材料发展概述131

5.1.1　塑胶材料的製备132

5.1.2　塑胶的分类134

5.1.3　塑胶的特性及套用143

5.1.4　塑胶成型工艺153

5.2　塑胶材料在汽车轻量化上套用的典型案例156

5.2.1　材料研究156

5.2.2　结构设计158

5.2.3　製造可行性分析161

5.3　汽车用塑胶发展趋势164

参考文献166

第6章　複合材料170

6.1　複合材料在汽车中的套用170

6.1.1　複合材料的种类及特点170

6.1.2　複合材料在汽车中套用的历史和现状173

6.2　汽车用複合材料的主要种类175

6.2.1　热固性树脂基複合材料175

6.2.2　热塑性树脂基複合材料183

6.2.3　金属基複合材料188

6.2.4　其他複合材料194

6.3　汽车用複合材料面临的挑战及未来的发展方向197

6.3.1　汽车用複合材料面临的挑战197

6.3.2　汽车用複合材料未来的发展方向203

参考文献204

第7章　现代车身连线技术206

7.1　概述206

7.2　熔化焊接207

7.2.1　电阻点焊207

7.2.2　雷射焊接212

7.2.3　气体保护焊216

7.3　固相连线218

7.4　机械连线221

7.4.1　自穿刺铆接221

7.4.2　无铆钉铆接223

7.4.3　自攻螺纹连线226

7.5　结构胶粘接228

7.6　金属/非金属材料连线方法简介230

7.7　小结233

参考文献235

第8章　轻量化最佳化设计技术237

8.1　概述237

8.1.1　最佳化设计技术237

8.1.2　轻量化最佳化设计分类238

8.2　结构拓扑最佳化238

8.2.1　结构最佳化分类238

8.2.2　结构拓扑最佳化原理239

8.2.3　轻量化拓扑最佳化套用案例241

8.3　汽车用材最佳化243

8.3.1　汽车用材背景243

8.3.2　汽车用材趋势244

8.3.3　汽车用材与性能间的关係245

8.4　工艺设计最佳化249

8.4.1　轻量化工艺设计概述249

8.4.2　典型轻量化工艺250

8.4.3　轻量化工艺最佳化套用案例254

8.5　小结261

参考文献261

作为《中国製造2025》战略部署的主要支点之一，汽车业持续、快速、健康的发展将为实现中国製造业强国目标奠定坚实的基础。面对中国汽车产业大而不强的现状，自主品牌汽车产业的发展壮大时不我待。重庆自主品牌汽车协同创新中心，依託国家“2011计画”，立足于重庆地区汽车产业的资源和优势，以我国自主品牌汽车发展重大需求为牵引，以体制机制创新为手段，探索我国汽车自主品牌的发展模式。中心面向国内自主品牌汽车产业，重点开展培养高端人才，汇聚优秀团队，研发核心技术，推广产业套用，整合优势资源，搭建交流平台等工作。重庆自主品牌汽车协同创新中心瞄準“节能环保、安全可靠、智慧型舒适”的国际汽车三大发展趋势，凝练学科发展方向，汇聚创新资源和汽车及相关领域的优势学科群，建立了全面涵盖汽车行业研究领域的创新团队。

为了满足汽车领域人才培养的多学科交叉性、行业化、工程化和国际化需求，重庆自主品牌汽车协同创新中心委託中心特别顾问、福特汽车亚太区技术总监韩维建博士作为本套“汽车工程专业系列丛书”的主编，组织多位具有多年国际知名汽车公司研发工作经验的专家和国内一线汽车领域的专家组成编写团队，立足汽车行业现有先进技术，紧跟国际前沿，把握创新特点，遴选汽车领域最新技术成果及发展方向，编写本套丛书。本套丛书的出版将为中国汽车领域高层次人才培养提供支撑。

书籍是知识传播的介质，也是人才培养及创新意识传承的基础。正如重庆大学建校宣言“人类之文野，国家之理乱，悉以人才为其主要之因”所阐释的，本套丛书秉承重庆自主品牌汽车协同创新中心人才培养方针，主要面向高校汽车相关学科的本科及研究生教学，同时也可为汽车行业工程人员提供参考。相信本套丛书会对我国汽车领域学科及行业产生积极良好的推动作用。

重庆自主品牌汽车协同创新中心

我国的汽车产业发展迅速，已经成为国民经济的支柱产业之一。随着家庭平均汽车保有量的迅速增长，汽车给整个社会带来的能源、环境、交通和安全的压力日益加大。儘管汽车在轻量化、电动化、排放控制技术和安全技术方面已经有了长足的进步，尤其是近几年网际网路和通信技术在汽车的独立驾驶和智慧型化方向提供了极大的发展和创新的空间，但诸多的发展也给汽车产业带来无限的挑战和机遇。因此，行业的快速变化亟需培养一大批不仅懂专业技术，更熟悉跨界知识的创新型人才。

重庆大学汽车协同创新中心认识到人才培养的迫切需求，组织我们为新成立的汽车学院编写一套教材。参与这套教材编写的所有作者都身在汽车行业的科研和技术开发的第一线，其中大部分作者是近年海归的年轻博士。教材的选题经过专家在传统学科和新兴学科中反覆论证和研讨，遴选了汽车行业面临紧迫挑战性的技术和话题。第一批教材有八本，包括《汽车材料及轻量化趋势》《汽车设计的耐久性分析》《汽车动力总成现代技术》《汽车安全的仿真与最佳化设计》《汽车尾气排放处理技术》《汽车系统控制及其智慧型化》《中国汽车二氧化碳减排路径》和《汽车製造系统和质量控制》。

这套教材的一个共同特点就是与国际发展同步、内容新颖。编着者对于比较传统的学科，在编写过程中儘可能地把最新的技术和理念包括进去，比如在编写《汽车材料及轻量化趋势》的过程中，不仅介绍了各种轻量化材料的特点和动向，而且强调了轻量化材料的套用必须系统地考虑材料的性能、部件的加工方法和成本。有些选题针对汽车行业发展的新的技术动向，比如《汽车安全的仿真与最佳化设计》主要介绍汽车安全仿真的模型验证和最佳化，这是汽车产品开发採用电子认证的必经之路；而《汽车系统控制及其智慧型化》概括了汽车的主要系统及其控制，以及智慧型化技术在各个系统中的套用，这些都是汽车自动驾驶的基础。

这套教材的另一个突出的特点是实用。比如一般汽车设计要求非磨损件的寿命是24万千米。《汽车设计的耐久性分析》着重介绍了汽车行业用于耐久性分析的主要工具和方法，以及这些方法的理论基础。这是进行汽车整车和零部件寿命耐久性正向设计的基础。随着环境保护的法规日益严格，汽车排放控制技术也在不断发展提高。汽车动力技术已经形成从化石燃料到其他燃料的多元化发展，《汽车尾气排放处理技术》和《中国汽车二氧化碳减排路径》介绍了排放控制技术的进程和法规实施的协调，以及达到法规要求的不同技术路线。汽车质量一直是热门话题，也是一个汽车企业长期生存的关键问题之一。《汽车製造系统和质量控制》介绍了现代汽车製造系统与质量控制的基本概念和实践。

本套丛书不仅对汽车专业的学生大有裨益，也可以作为汽车从业人员和所有对汽车技术感兴趣者的参考读物。由于时间有限，选题的範围还不全面。每本书的内容也会反映出作者的知识和经验的局限性。在此，真诚地希望广大读者提出意见，供我们不断修改和完善。

2016年8月5日

作为提高汽车燃油经济性的手段之一，轻量化并不是新鲜的技术名词。从20世纪70年代以来，汽车轻量化已经有了长足的发展。为了满足各国政府的安全法规、排放法规以及消费者对于个性化和舒适性的要求，各种零部件、子系统被逐步安装到汽车上。这导致在过去40年，汽车平均质量实际上在缓慢上升。近几年世界各地燃油经济性法规不断加严的趋势，使汽车公司和零部件供应商进一步大力开展汽车轻量化研究，各种新材料、新技术层出不穷。应该注意的是，汽车轻量化不只是单纯的减重，必须同时考虑性能、工艺、成本等因素。单一材料很难同时满足各种汽车零部件的不同要求。因此，汽车轻量化的发展趋势是多种材料的混合使用。为了确保在恰当的部位使用最合适的材料，工程人员有必要了解各种轻量化材料、加工工艺、相关的连线技术以及最佳化技术。

基于新颖、实用、系统的理念，本书第1章回顾了汽车用材料的组成与演变，以及汽车轻量化发展趋势，强调要系统地研发和推进轻量化。第2～6章覆盖了常用轻量化材料在汽车中的套用，包括高强钢、铝合金、镁合金、塑胶和複合材料。由于这些材料必须连线在一起，因此各种连线技术是保证汽车结构整体性的关键。第7章介绍了多种用于汽车轻量化设计的连线技术。第8章讨论了最佳化设计技术在汽车轻量化中的套用。

参与本书编写的是一个比较“新”的博士团队，这一团队在汽车材料和轻量化方面累积了丰富的经验。 除了韩维建、张瑞杰、郑江以外，参加编写的还有黄诗尧、马秋、包祖国、石燕栋和石磊。每个人都尽力把自己对轻量化的理解和经验反映在本书的内容里面。将汽车轻量化的一些基础知识介绍给高校相关专业的学生和从事汽车轻量化工作的工程师，以及所有对汽车轻量化感兴趣的人。由于时间仓促和作者们的阅曆局限，本书的不足之处在所难免，欢迎读者提出批评和修改意见。

韩维建

随着我国汽车工业的快速发展，先进的汽车设计理论和技术在车身开发中越来越受到重视。同时，汽车发展遇到了环保、能源、交通等各个方面的诸多问题，在这种新形势下，从业者掌握和熟练运用核心设计技术显得尤为重要。

汽车的设计与製造是一个非常複杂的系统工程，需要考虑零件、子系统、系统，乃至整车等各个层面，综合运用材料科学、能源科学、信息科学和製造科学的相关知识、理论和方法。本套“汽车工程专业系列丛书”涵盖了汽车製造系统和质量、汽车动力总成、汽车材料及轻量化、车身耐久性、汽车安全仿真与最佳化、汽车系统控制及其智慧型化、汽车尾气排放处理与二氧化碳减排等多个方面的内容，涉及汽车轻量化、安全、环保、电子控制等关键技术。

本套丛书的作者既有在汽车相关领域工作多年、有丰富经验的专家，也有学成回国、已崭露头角的后起之秀；丛书内容安排上既有适合初学者学习的大量基础理论知识，也融入了编着者在相关领域多年来的研究体会和经验，从中我们能充分体会到现代汽车技术节能、环保和智慧型化的发展趋势。丛书结合大量实例，取材丰富、图文并茂。

本套丛书可作为汽车设计的参考工具，也可作为车辆工程、机械工程、环境工程等专业研究生的专门教材及学习参考书。相信该套丛书对于汽车行业相关领域的研究生、企业研发人员和科研工作者会产生重要的启发作用，特作序推荐。

上海交通大学

主编简介

韩维建

现任美国福特汽车公司亚太区研究与技术主管。自从1995年加入福特以来，在多个国家和地区组织了众多的研究和技术项目。他在交通可持续发展系统分析、汽车轻量化、环境、能源、道路交通安全、政策制定，以及产学研结合等诸多领域都具有丰富的经验和研究成果。

韩维建博士在俄克拉菏马州的塔尔萨大学获得机械工程博士学位和工程管理硕士学位，在四川大学获得金属材料工程学士学位。目前是上海交通大学的兼职博士生导师，并在清华大学和重庆大学联合指导博士生。

韩维建博士曾获太平洋地区经济理事会环境银奖、云南省国际合作类科技进步奖、南京航空航天大学校长国际合作奖；在众多汽车专业领域发表国际性论文、演讲、讲座等逾60篇次。

作者简介

张瑞杰

现任北京科技大学新材料技术研究院副研究员。长期从事热力学计算、铸造与热处理过程中的相变研究、多尺度材料微观组织模拟与性能预测的研究工作。曾获西北工业大学材料加工工程专业博士学位，之后在清华大学机械工程系从事多元合金的铸造微观组织研究的博士后研究。曾在美国福特汽车公司从事访问研究员工作，主要从事车用镁铝合金的研发。

张瑞杰博士目前承担了国家863课题、国家自然科学基金、北京实验室建设项目、福特URP研究项目等十余项项目，在多家国际期刊上发表文章30余篇。

郑江

现任重庆大学材料科学与工程学院重庆大学“百名青年优秀人才引进计画”（简称重大“百人计画”）研究员、博士生导师。研究领域包括：先进轻合金开发、金属材料组织和性能预测。

郑江博士曾获得上海交通大学材料加工博士学位，重庆大学材料加工工程硕士学位，材料成型与控制工程学士学位。曾任美国密西根大学博士后及美国福特汽车研究院材料部门研发工程师，负责轻合金汽车部件性能预测的研究工作。

郑江博士曾作为主研人员参与完成“十一五”国家科技支撑项目，并参与完成与通用汽车公司和日立公司的合作项目，在多家国际期刊上发表学术论文7篇，申请专利6项。