塑料
材料疲勞－汽車安全的大敵
汽車故障的原因有千百種,其中有一種是使用者根本無法控制的,這就是由材料疲勞引起的結(jié)構(gòu)件失效。粗大結(jié)實的鋼鐵也會“疲勞”？確實如此。
什么是金屬材料的疲勞？零件在受到超強作用力時可以發(fā)生變形或斷裂，就像人體遭受襲擊時可以發(fā)生骨折，但這不是疲勞破壞。疲勞失效是指材料在正常工作情況下，在長期反復(fù)作用的應(yīng)力下所發(fā)生的性能變化。這些應(yīng)力的大小并沒有超出材料能夠承受的范圍，但是長期反復(fù)的作用就會引起材料的疲勞。材料的疲勞破壞并不是一開始就會被察覺的，它是一個緩慢的發(fā)展過程。例如一條發(fā)動機曲軸可以在投入運行時間不太長的時候就產(chǎn)生很小的疲勞裂紋，這些肉眼看不出來的裂紋會不斷擴大，直到有一天曲軸忽然斷裂。就像人由于長期工作積累的疲勞而一朝病倒。
人類付出昂貴的代價才獲得了對材料疲勞的認(rèn)識。二次大戰(zhàn)后，英國的德-哈維蘭飛機公司設(shè)計制造了彗星號民用噴氣飛機，經(jīng)過一年使用，1953年5月2日一架彗星號客機從印度加爾各答機場起飛后不久在半空中解體；1954年1月10日，另一架彗星號在地中海上空爆炸；不到3個月，又一架彗星號在羅馬起飛后在空中爆炸。為了找到事故的原因，英國皇家航空研究院的工程師進行了大量的研究工作，終于確認(rèn)罪魁禍?zhǔn)资亲摰钠诹鸭y。
現(xiàn)代的機械設(shè)計已經(jīng)廣泛采用“疲勞壽命”方法，設(shè)計階段已經(jīng)充分考慮了材料的疲勞問題。但是，正如人體的疲勞因人而異，機器的疲勞是因機而異的。同一種型號的汽車，發(fā)生疲勞破壞的情況可能相差很遠(yuǎn)。有的到了報廢的年限，疲勞程度還不太嚴(yán)重；有的尚在壽命期限內(nèi)，卻發(fā)生了疲勞破壞。不同的使用方式也會導(dǎo)致機器不同的疲勞狀態(tài)。例如同一品種的富康車，做出租車與做私家車用，幾年下來其車輛的運行狀態(tài)就會有重大差別。為了避免疲勞破壞，要嚴(yán)格按照各類保養(yǎng)和修理期限對汽車進行檢查，以便及時發(fā)現(xiàn)潛在的危險。
塑料在汽車上的應(yīng)用
塑料是一種高分子材料，近年來在汽車上的應(yīng)用越來越多，巳由內(nèi)外裝飾件向車身復(fù)蓋件和結(jié)構(gòu)件方面發(fā)展。例如前照面、保險杠、發(fā)動機罩、行李箱蓋、頂蓋、翼子板、車門內(nèi)護板和某些車身骨架構(gòu)件等。甚至有些大汽車公司正在用復(fù)合材料做承載力最大的底盤車架，例如福特汽車公司將在2001年將復(fù)合材料底盤應(yīng)用在一輛叫“探索者”的小皮卡樣車上。
在過去30年間，汽車的塑料用量已從60年代初的10公斤左右上升到九十年代中的二百公斤，其增長速度之快，主要是由于塑料的特性與人們對汽車的期望要求很搭配，因此“一拍而合”。塑料在汽車上的應(yīng)用有以下6大優(yōu)點：
一、輕量化是汽車業(yè)追求的目標(biāo)，塑料在此方面可以大顯其威。一般塑料的比重在0.9－1.5之間，纖維增強復(fù)合材料比重也不會超過2.0，而金屬材料的比重A3鋼為7.6、黃銅為8.4、鋁為2.7。因此應(yīng)用塑料是減輕車體重量的有效途徑。
二、塑料成型容易，可使形狀復(fù)雜的部件加工簡單化。例如儀表臺用鋼板加工，往往需要先加工成型各個零件，再分別用聯(lián)接件裝配或焊接而成，工序較多。而用塑料可以一次加工成型，加工時間短，精度有保證。
三、塑料制品的彈性變形特性能吸收大量的碰撞能量，對強烈撞擊有較大的緩沖作用，對車輛和乘員起到保護作用。因此，現(xiàn)代汽車上都采用塑化儀表板和方向盤，以增強緩沖作用。前后保險杠、車身裝飾條都采用塑料材料，以減輕外物體對車身的沖擊力。另外，塑料還具有吸收和衰減振動和噪聲的能力，可以提高乘坐的舒適性。
四、通過不同組份搭配的復(fù)合材料有含硬質(zhì)金屬的顆粒復(fù)合材料，有以夾層板材和樹脂膠合纖維為主的層板復(fù)合材料和以玻璃纖維、碳纖維為主的纖維復(fù)合材料，這些復(fù)合材料具有很高的機械強度，可以代替鋼板制作車身復(fù)蓋件或結(jié)構(gòu)件，減輕汽車的重量。
五、塑料耐腐蝕性強，局部受損不會腐蝕，而鋼材制件一旦漆面受損或者先期防腐做得不好就容易生銹腐蝕。塑料對酸、堿、鹽等抗腐蝕能力大于鋼板，如果用塑料做車身復(fù)蓋件，十分適宜在污染較大的區(qū)域中使用。
六、根據(jù)塑料的組織成份，可以通過添加不同的填料、增塑劑和硬化劑來制出所需性能的塑料，改變材料的機械強度及加工成型性能，以適應(yīng)車上不同部件的用途要求。例如保險杠要有相當(dāng)?shù)臋C械強度，而座墊和靠背就要采用柔軟的聚胺脂泡沫塑料。更方便的是塑料顏色可以通過添加劑調(diào)色產(chǎn)生不同的顏色，可以省去噴漆。有些塑料件還可以電鍍，例如ABS塑料具有很好的電鍍性能，可用于制作裝飾條、標(biāo)牌、開關(guān)旋扭、車輪裝飾罩等。
由于上述的優(yōu)點，以塑料為主的汽車應(yīng)當(dāng)會產(chǎn)生。但是，塑料也有自身的弱點，阻礙了其應(yīng)用的發(fā)展。一是改造成本問題，如果從傳統(tǒng)的大規(guī)模機械加工方式轉(zhuǎn)為大規(guī)模的模塑加工方式，投資不菲，成本高昂。另一個更關(guān)鍵的問題就是環(huán)境保護：材料能不能夠回收？金屬零件到一定時候就要回爐，而塑料制品能否回收再生，或在再生過程中又會不會污染環(huán)境？這些問題有待解決，但不管怎樣說，憑著人類的智慧，塑料汽車離人們并不遙遠(yuǎn)。
汽車故障的原因有千百種,其中有一種是使用者根本無法控制的,這就是由材料疲勞引起的結(jié)構(gòu)件失效。粗大結(jié)實的鋼鐵也會“疲勞”？確實如此。
什么是金屬材料的疲勞？零件在受到超強作用力時可以發(fā)生變形或斷裂，就像人體遭受襲擊時可以發(fā)生骨折，但這不是疲勞破壞。疲勞失效是指材料在正常工作情況下，在長期反復(fù)作用的應(yīng)力下所發(fā)生的性能變化。這些應(yīng)力的大小并沒有超出材料能夠承受的范圍，但是長期反復(fù)的作用就會引起材料的疲勞。材料的疲勞破壞并不是一開始就會被察覺的，它是一個緩慢的發(fā)展過程。例如一條發(fā)動機曲軸可以在投入運行時間不太長的時候就產(chǎn)生很小的疲勞裂紋，這些肉眼看不出來的裂紋會不斷擴大，直到有一天曲軸忽然斷裂。就像人由于長期工作積累的疲勞而一朝病倒。
人類付出昂貴的代價才獲得了對材料疲勞的認(rèn)識。二次大戰(zhàn)后，英國的德-哈維蘭飛機公司設(shè)計制造了彗星號民用噴氣飛機，經(jīng)過一年使用，1953年5月2日一架彗星號客機從印度加爾各答機場起飛后不久在半空中解體；1954年1月10日，另一架彗星號在地中海上空爆炸；不到3個月，又一架彗星號在羅馬起飛后在空中爆炸。為了找到事故的原因，英國皇家航空研究院的工程師進行了大量的研究工作，終于確認(rèn)罪魁禍?zhǔn)资亲摰钠诹鸭y。
現(xiàn)代的機械設(shè)計已經(jīng)廣泛采用“疲勞壽命”方法，設(shè)計階段已經(jīng)充分考慮了材料的疲勞問題。但是，正如人體的疲勞因人而異，機器的疲勞是因機而異的。同一種型號的汽車，發(fā)生疲勞破壞的情況可能相差很遠(yuǎn)。有的到了報廢的年限，疲勞程度還不太嚴(yán)重；有的尚在壽命期限內(nèi)，卻發(fā)生了疲勞破壞。不同的使用方式也會導(dǎo)致機器不同的疲勞狀態(tài)。例如同一品種的富康車，做出租車與做私家車用，幾年下來其車輛的運行狀態(tài)就會有重大差別。為了避免疲勞破壞，要嚴(yán)格按照各類保養(yǎng)和修理期限對汽車進行檢查，以便及時發(fā)現(xiàn)潛在的危險。
塑料在汽車上的應(yīng)用
塑料是一種高分子材料，近年來在汽車上的應(yīng)用越來越多，巳由內(nèi)外裝飾件向車身復(fù)蓋件和結(jié)構(gòu)件方面發(fā)展。例如前照面、保險杠、發(fā)動機罩、行李箱蓋、頂蓋、翼子板、車門內(nèi)護板和某些車身骨架構(gòu)件等。甚至有些大汽車公司正在用復(fù)合材料做承載力最大的底盤車架，例如福特汽車公司將在2001年將復(fù)合材料底盤應(yīng)用在一輛叫“探索者”的小皮卡樣車上。
在過去30年間，汽車的塑料用量已從60年代初的10公斤左右上升到九十年代中的二百公斤，其增長速度之快，主要是由于塑料的特性與人們對汽車的期望要求很搭配，因此“一拍而合”。塑料在汽車上的應(yīng)用有以下6大優(yōu)點：
一、輕量化是汽車業(yè)追求的目標(biāo)，塑料在此方面可以大顯其威。一般塑料的比重在0.9－1.5之間，纖維增強復(fù)合材料比重也不會超過2.0，而金屬材料的比重A3鋼為7.6、黃銅為8.4、鋁為2.7。因此應(yīng)用塑料是減輕車體重量的有效途徑。
二、塑料成型容易，可使形狀復(fù)雜的部件加工簡單化。例如儀表臺用鋼板加工，往往需要先加工成型各個零件，再分別用聯(lián)接件裝配或焊接而成，工序較多。而用塑料可以一次加工成型，加工時間短，精度有保證。
三、塑料制品的彈性變形特性能吸收大量的碰撞能量，對強烈撞擊有較大的緩沖作用，對車輛和乘員起到保護作用。因此，現(xiàn)代汽車上都采用塑化儀表板和方向盤，以增強緩沖作用。前后保險杠、車身裝飾條都采用塑料材料，以減輕外物體對車身的沖擊力。另外，塑料還具有吸收和衰減振動和噪聲的能力，可以提高乘坐的舒適性。
四、通過不同組份搭配的復(fù)合材料有含硬質(zhì)金屬的顆粒復(fù)合材料，有以夾層板材和樹脂膠合纖維為主的層板復(fù)合材料和以玻璃纖維、碳纖維為主的纖維復(fù)合材料，這些復(fù)合材料具有很高的機械強度，可以代替鋼板制作車身復(fù)蓋件或結(jié)構(gòu)件，減輕汽車的重量。
五、塑料耐腐蝕性強，局部受損不會腐蝕，而鋼材制件一旦漆面受損或者先期防腐做得不好就容易生銹腐蝕。塑料對酸、堿、鹽等抗腐蝕能力大于鋼板，如果用塑料做車身復(fù)蓋件，十分適宜在污染較大的區(qū)域中使用。
六、根據(jù)塑料的組織成份，可以通過添加不同的填料、增塑劑和硬化劑來制出所需性能的塑料，改變材料的機械強度及加工成型性能，以適應(yīng)車上不同部件的用途要求。例如保險杠要有相當(dāng)?shù)臋C械強度，而座墊和靠背就要采用柔軟的聚胺脂泡沫塑料。更方便的是塑料顏色可以通過添加劑調(diào)色產(chǎn)生不同的顏色，可以省去噴漆。有些塑料件還可以電鍍，例如ABS塑料具有很好的電鍍性能，可用于制作裝飾條、標(biāo)牌、開關(guān)旋扭、車輪裝飾罩等。
由于上述的優(yōu)點，以塑料為主的汽車應(yīng)當(dāng)會產(chǎn)生。但是，塑料也有自身的弱點，阻礙了其應(yīng)用的發(fā)展。一是改造成本問題，如果從傳統(tǒng)的大規(guī)模機械加工方式轉(zhuǎn)為大規(guī)模的模塑加工方式，投資不菲，成本高昂。另一個更關(guān)鍵的問題就是環(huán)境保護：材料能不能夠回收？金屬零件到一定時候就要回爐，而塑料制品能否回收再生，或在再生過程中又會不會污染環(huán)境？這些問題有待解決，但不管怎樣說，憑著人類的智慧，塑料汽車離人們并不遙遠(yuǎn)。
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（苒兒）