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当代的钢铁制造商能够通过调度汽车钢铁的生产流程，制备出具有得当特性的新型钢材，并将其运用在既安全又省油的汽车上。
正如许多实用的创新一样，印度冶金学家两千多年前创造出的高质量钢材，可能是博识工艺和狗屎运完美结合的产物。
古印度人在分外的陶土容器中用木炭熔炼铁块，终极制成了一种全新的物质，印度人称之为乌兹钢。罗马军队很快就摆荡着乌兹钢剑，去威吓和征服古代欧洲那些蛮族。
在经由了24个世纪后，钢铁制造商们依赖电弧炉、热冲压机以及淬火和分区工艺生产钢铁，这些工艺是古人无法想象的。这些新工艺能够改进钢材的性子，在车辆相互碰撞（这种情形不可避免）时保护优柔的人体，同时掌握汽车重量，并减少对地球的有害影响。
“这是一场革命，”密歇根大学工程学教授艾伦·陶布（Alan Taub）说，他在汽车行业有多年的事情履历。数十种已有的和仍在研发中的新钢材，通过与轻质聚合物和碳纤维编织组合，得到内饰和底盘等用于组装成新型汽车，这不禁让人回忆起上世纪初那段令人愉快的日子， 他说，“当时的底特律便是现在的硅谷”。
采取这些新材料可以将车辆的重量减轻数百磅，而每减少一磅多余重量，驾驶者就可以在汽车的利用寿命内节省大约三美元的燃油本钱。因此，给汽车减重的经济效益是难以否认的。陶布说，汽车工业的新座右铭是“在精确的位置利用精确的材料”。
汽车工业向新能源汽车的转变凸显了采取这些新材料的主要性。电动汽车可能不会排放污染，但它们很重——例如，沃尔沃XC40 新能源版比汽油版要重33%（如果搭客周围的钢材像过去那样笨重，还会更重）。太重了也会带来安全风险。
“汽车的安全性，特殊是在新的交通政策和新技能的背景下，不能被忽略，”美国国家运输安全委员会主席珍妮弗·霍门迪（Jennifer Homendy）在2023年对交通研究委员会提到。此外，当电动汽车的重量减轻10%，汽车的续航里程大约可以提高14%。
就在上世纪60年代，汽车搭客周围的钢架还是由汽车制造商所说的软钢制成的。底特律“侏罗纪期间”的汽车钢架与亨利·福特几十年前引入的汽车钢架没有太大差异。它很重，而且用钢量巨大。
随着1965年拉尔夫·纳德的《任何速率都不屈安：美国汽车的设计隐患》一书的问世，大型汽车制造商意识到他们不能再一味追求速率和性能了。20世纪70年代的石油禁运更是推进了这一变革的进程：汽车采取的钢材现在必须既坚固又轻便，以减少推动其所需的燃料。
作为回应，在过去的60年里，钢铁制造商们就像是操作低温慢煮机来烹制完美口感的美食的厨师一样——他们的“炊具”是达到数千华氏度的电弧炉，由机器人操作——创造出了种类繁多的钢材以知足汽车工业的各种需求。个中有用于底盘的高强度硬化钢；用于侧板和车顶的耐堕落不锈钢；以及保险杠中高度可拉伸的金属，可以在不皱缩的情形下接管冲击力。
汽车制造商会利用各种各样的材料来制造汽车车身，他们会在汽车的不同部分选择最得当的金属材料。
钢铁的邪术
大多数钢材的含铁量超过98%。但是，正是那剩下的百分之几的身分才造就了差异——这些身分被添加入金属以授予钢铁所需特性的情形下，有时乃至只有百分之一的百分之一。同样主要的是处理方法：加热、冷却和加工，比如在形成零件之前对钢板进行轧制。生产钢铁的每一步流程的微调，有时仅仅每一步调整几秒钟，就能改变金属的构造，从而产生不同的性能。“这完备是在完成一场钢铁的邪术，”科罗拉多矿业学院高等钢材加工与产品研究中央主任约翰·斯皮尔（John Speer）说。
在最微不雅观的层面上，钢材的性能与不同身分的微不雅观排布有关：即金属中不同类型或金属相身分的排列。有些金属相较硬，而有些金属相授予了钢铁的延展性。延展性是衡量金属在不产生剪切应变或被撕裂产生锯齿形边缘的情形下，可以被波折和扭曲成何种程度的指标。在原子层面上，汽车用钢紧张有四种相，包括最硬但也最脆的马氏体，以及更具延展性的奥氏体。钢铁制造商可以通过掌握加热过程的韶光和温度来改变金属相身分的含量和比例，以实现钢铁所需的不同性能。
这张金相的电子显微图上显示了两种不同类型的金属相：较软、更易加工的奥氏体（蓝色）和较硬、更脆的马氏体（赤色）。炼钢工人可以通过改变钢材的回火和淬火办法来改变这两种金属相的稠浊比例。图片来源：改编自R. HOSSAIN ET AL /《科学报告》2016年
科研职员和高铁家当工人正与汽车制造商紧密互助，研发出了三代高等高强度钢。第一代钢材于上世纪90年代被投入利用，至今仍在广泛利用，这种金属具有良好的强度和延展性。第二代钢材采取了更独特的合金来实现更高的延展性，但制造这些钢材的本钱高昂且工艺繁芜。
斯皮尔表示，第三代钢材已经开始准备被投入生产。这种钢材采取独特的回火和淬火技能光降盆比第一代钢材更强、更易成型的钢材；第三代钢铁的强度险些是过去普通钢材的十倍；而且比第二代钢材便宜得多（只管延展性较低）。
炼钢工人创造，冷却韶光是决定终极原子排列、进而决定钢材性能的关键成分。最快速的冷却方法被称为淬火，它能在钢材在达到室温之前，冻结并稳定其内部构造，从而防止其进一步发生变革。
当代汽车会将最坚固的钢铁运用于最主要的构造部件，如侧板和支柱——这种最坚固的钢铁是向被加热到850℃的钢铁中加入硼、锰来制造的。在钢材被加热软化后，加热的钢材会在10秒内被转移到模具中成型，并快速冷却。
在一种所谓的相变勾引塑性中，钢材被加热到高温，然后冷却到较低温度并保温一段韶光，随后迅速淬火。这样会形成被较软的铁素体包围的分散的奥氏体岛，以及较硬的贝氏体和马氏体区域。这种钢材能接管大量能量而不断裂，因此适用于保险杠和支柱等部件。
钢铁生产的工艺可以通过进一步添加各种微量金属得到进一步改进。一个多世纪以前，亨利·福特就在他的T型车中利用了钢和钒的合金，以提高钢材的性能，而本日，钢铁中各元素的比例仍在不断改进。一个非常贴近我们的当代生活的例子便是，福特汽车公司采取轻金属与钢材结合的复合股料生产的铝制F-150卡车，其2015年款车型比前一款车型轻了近700磅。
繁芜的钢合金有着悠久的历史。纵然在20世纪初，亨利·福特就在他用于制造T型车的钢材中添加了钒元素。图片来源：JOHN TEWELL / FLICKR
新材料须要合营新工艺才能发挥出其全部效用。与新型钢铁材料相结合的一种工艺是管液压成形，这种工艺通过向管内注入高压水或其他流体，将金属波折成繁芜的形状，并将其膨胀成周围模具的形状。这样可以无需将两个部件焊接在一起，从而节省韶光和本钱。2019年陶布（Taub）与他人合著了一篇关于汽车轻量化的《材料研究年度评论》文章，据他先容，天下上最大的液压成形部件——雪佛兰克尔维特铝制框架纵梁，与其要替代的钢制纵梁比较减轻了20%的重量。
新合金
在最近新研发出的合金材料包括添加了钛和铌的合金，它们通过稳定金属的微不雅观构造来增加材料的强度。斯皮尔在2022年的一篇论文中称，铌的引入是“20世纪最主要的物理冶金学发展之一”。
如今，打算机已成为降落试错本钱的一种工具。“现在我们想利用打算机仿照的办法实现来比实验更高效地开拓材料，”斯皮尔说。现在，人们可以在原子级别上测试新想法，而无需工人弯腰在台子上操作。
为了不断探求更好的材料和工艺，2015年工程师雷蒙德·博伊曼（Raymond Boeman）及其同事创立了前辈复合股料制造创新研究所（IACMI），并得到了7000万美元的联邦拨款。该研究所也被称为复合股料研究所，是工业界开拓、测试和扩大新工艺和产品的地方。
“这个领域正在以多种办法发展，”博伊曼说，他现在卖力该研究所开展工艺升级的研究。IACMI一贯致力于探求更环保的替代品来取代传统塑料，如广泛利用的聚丙烯。1960年，车辆中利用的塑料普遍不到100磅。到2017年，这一数字已上升到近350磅，由于塑料本钱低廉，且具有较高的强度重量比，非常适宜汽车制造商在减轻车重方面利用。
据陶布先容，到2019年，一辆汽车的10%至15%由聚合物和复合股料制成，从座椅部件到行李箱、车门部件和仪表板，无所不包。当这些汽车报废时，它们会产生500万吨被称为汽车破碎机残余物的塑料和其他难以回收的材料，这些垃圾终极会进入垃圾填埋场——更糟糕的是，还会进入更广泛的环境中。
研究职员正在努力开拓更强、更轻、更环保的塑料。同时，新型碳纤维产品使得这些轻质材料能够用于承载部位，如车身构造底部的零件，从而进一步减少车身所用重金属的数量。
显然，要降落汽车对人类身体和地球的侵害，还有很多事情须要做。但陶布表示，他对底特律的未来以及汽车行业办理问题的能力持乐不雅观态度。“我见告学生，他们将在未来很长一段韶光内拥有事情保障。”
作者：John Johnson Jr.
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原文链接：New forms of steel for stronger, lighter cars
编辑：7号机
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