本文最初发表于 Knowable Magazine。
正如许多有用的创新一样，印度冶金学家两千多年前创造高品质钢材，可能是一种巧妙的工艺与偶然好运的完美结合。
将铁块与木炭一起放入特殊的粘土容器中煅烧，制成了完全不同的东西，印度人称之为乌兹钢（wootz）。很快，罗马军队就挥舞着乌兹钢剑，让古代欧洲那些野蛮、多毛的部落感到恐惧和屈服。
二十四世纪后，汽车制造商们依赖着电弧炉、热冲压机以及淬火和分配工艺，这些是古人无法想象的。这些方法正在产生新的调整钢材的方式，以在车辆不可避免地发生碰撞时保护脆弱的人体——同时减轻汽车的重量，以减少其对地球的有害影响。
“这是一场革命，”密歇根大学工程学教授、在行业工作多年的艾伦·陶布（Alan Taub）说道。他表示，数十种甚至更多的这种新型钢材，加上轻质聚合物和碳纤维内饰与底盘，让人回想起上个世纪初的辉煌岁月，“当时底特律就是硅谷。”
此类材料可以将车辆重量减轻数百磅——而每减轻一磅多余的重量，就能在汽车的整个使用寿命中节省约 3 美元的燃油成本，因此其经济效益不容忽视。陶布说，新的格言是“在正确的地方使用正确的材料”。
向电池供电的车辆的转型，凸显了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 Recharge 比汽油版重 33%（如果围绕乘客的钢材像以前一样笨重，它的重量还会更重）。沉重可能意味着危险。
“安全，尤其是在新的交通政策和新技术方面，不容忽视，”美国国家运输安全委员会主席詹妮弗·霍门迪（Jennifer Homendy）在 2023 年告诉运输研究委员会。此外，将电动汽车的重量减轻 10%，续航里程就能提高约 14%。
早在 20 世纪 60 年代，围绕乘客的钢笼是由汽车制造商所谓的软钢制成的。底特律“侏罗纪时代”的装甲与亨利·福特几十年前推出的产品相差无几。它很重，而且用量很大。
随着拉尔夫·纳德（Ralph Nader）的《任何速度都不安全：美国汽车设计的危险》（Unsafe at Any Speed: The Designed-In Dangers of the American Automobile）于 1965 年出版，大型汽车制造商意识到他们不能再只追求速度和性能。20 世纪 70 年代的石油禁运加速了变革的步伐：汽车钢材现在必须更坚固、更轻，需要更少的燃料来驱动。
作为回应，在过去的 60 年里，就像厨师使用真空低温烹饪机制作完美口感的食物一样，钢铁制造商——他们的电弧炉温度达到数千华氏度，机器人负责烹饪——创造了各种各样的钢材来满足各种需求。有用于底盘的高强度硬化钢；用于侧板和车顶的耐腐蚀不锈钢；以及保险杠上高度可拉伸的金属，用于吸收冲击而不变形。
钢材的技巧
大多数钢材的铁含量超过 98%。正是那另外的百分之几——有时甚至是百分之零点几，在添加用于赋予所需性能的金属时——才产生了差异。同样重要的是处理方法：加热、冷却和加工，例如在成型零件之前对板材进行轧制。修改其中任何一个，有时仅改变几秒钟，就会改变金属的结构，产生不同的性能。“这都是关于玩弄钢材的技巧，”科罗拉多矿业学院先进钢材加工与产品研究中心主任约翰·斯皮尔（John Speer）说。
最基本地说，钢材的性能在于其显微结构：金属中不同类型或相的钢材的排列。一些相更硬，而另一些相则赋予延展性，即金属在剪切和产生刺穿并撕裂脆弱人体组织的锯齿状边缘之前可以弯曲和扭曲的程度。在原子层面，汽车钢材主要有四种相，包括最硬但最脆的马氏体（martensite）和更具延展性的奥氏体（austenite）。汽车制造商可以通过操纵加热过程的时间和温度来改变这些相，以产生他们想要的性能。
学术研究人员和钢铁制造商与汽车制造商密切合作，已经开发了三代所谓的先进高强度钢（advanced high-strength steel）。第一代于 20 世纪 90 年代采用，至今仍被广泛使用，具有良好的强度和延展性组合。第二代使用了更奇特的合金来实现更高的延展性，但这些钢材被证明成本高昂且制造困难。
斯皮尔说，第三代钢材开始进入工厂，它利用加热和冷却技术来生产比第一代更强、更易成型的钢材；强度是过去普通钢材的近十倍；并且比第二代钢材便宜得多（尽管延展性较低）。
钢铁制造商已经认识到，冷却时间是决定原子最终排列以及钢材性能的关键因素。最快的冷却方式称为淬火，它在内部结构进一步变化（否则可能需要数小时或数天才能达到室温）之前将其冻结并稳定。
一种最坚固的现代汽车钢材——用于最关键的结构部件，如侧面板和柱子——是通过将金属与硼和锰超高温加热到 850 摄氏度以上来制造的。在变得可延展后，钢材在 10 秒内被转移到模具或成型器中，部件在那里成型并快速冷却。
在一种称为相变诱导塑性（transformation-induced plasticity）的版本中，钢材被加热到高温，然后冷却到较低温度并保持一段时间，然后快速淬火。这会产生被较软铁素体基体包围的奥氏体区域，以及较硬的贝氏体和马氏体区域。这种钢材可以在不破裂的情况下吸收大量能量，因此在保险杠和柱子等部件中很有用。
可以通过使用各种合金进一步调整配方。亨利·福特一个多世纪前就已使用钢和钒的合金来提高其 T 型车钢材的性能，合金配方至今仍在不断改进。现代轻质金属与钢结合使用的一个例子是福特汽车公司的铝制 F-150 卡车，2015 年款比前代车型轻近 700 磅。
与新材料一起使用的工艺是管材液压成型，即通过高压注入水或其他流体到管材中，将其膨胀成周围模具的形状来将金属弯曲成复杂形状。这使得部件可以在不焊接两半的情况下制造，从而节省了时间和金钱。陶布表示，科尔维特铝制车架导轨是世界上最大的液压成型部件，与它取代的钢制导轨相比，质量减轻了 20%。陶布是 2019 年《材料研究年鉴》上关于汽车轻量化的一篇文章的合著者。
新合金
最近推出的合金包括使用钛和特别是铌的合金，它们通过稳定金属的微观结构来提高强度。在 2022 年的一篇论文中，斯皮尔称铌的引入“是 20 世纪最重要的物理冶金发展之一。”
目前缩短试错距离的一个工具是计算机。“其理念是利用计算机比通过实验更快地开发材料，”斯皮尔说。新的想法现在可以在原子层面进行测试，而无需工人弯腰在工作台前或启动熔炉。
对更好材料和工艺的不懈追求促使工程师雷蒙德·博曼（Raymond Boeman）及其同事于 2015 年在美国获得 7000 万美元的联邦拨款，成立了先进复合材料制造创新研究所（Institute for Advanced Composites Manufacturing Innovation, IACMI）。该研究所也称为复合材料研究所，是行业开发、测试和扩大新工艺和产品规模的地方。
“这个领域正在以多种方式发展，”博曼说，他现在指导该研究所的工艺放大研究。IACMI 一直致力于寻找更环保的传统塑料替代品，例如广泛使用的聚丙烯。1960 年，典型车辆中使用的塑料不到 100 磅。到 2017 年，这一数字已上升到近 350 磅，因为塑料制造成本低廉且强度重量比高，这使其成为汽车制造商试图减轻重量的理想选择。
据陶布介绍，到 2019 年，一辆典型汽车的 10-15% 由聚合物和复合材料制成，包括从座椅组件到后备箱、车门部件和仪表板。当这些汽车报废时，它们产生的塑料和其他难以回收的材料（称为汽车破碎残渣）——每年 500 万吨——最终被填埋，或者更糟的是，被排放到更广阔的环境中。
研究人员正努力开发更坚固、更轻、更环保的塑料。与此同时，新型碳纤维产品使得这些轻质材料甚至可以在承重位置使用，例如结构性底盘部件，从而进一步减少了汽车车身中使用的重金属。
显然，为了让汽车对人体和人们日常出行、工作和娱乐的地球构成更小的威胁，还有许多工作要做。但陶布表示，他对底特律的未来以及该行业解决马车时代结束所带来的问题的能力持乐观态度。“我告诉学生们，他们将有很长一段时间的工作保障。”
本文最初发布于 Knowable Magazine，这是一个来自《年鉴评论》的独立新闻项目。订阅通讯。
