利用高强度钢实现汽车连杆轻量化

为提高汽车的燃油效率，需要实现汽车零部件的轻量化，特别是对于诸如汽车发动机连杆的高速运动部件。发动机连杆的轻量化，不仅可以使汽车质量减轻，而且可以减小其惯性力和降低其摩擦损失。目前，提高发动机连杆强度的方法有两种：①使用高强度钢，但通常是高碳钢，其机械加工性能较差；②采用诸如喷丸热处理技术，但这将导致成本的增加。文中给出了一种新高强度钢，其在提高强度的同时仍能保持原有机械加工性能。

新高强度钢基于微合金钢，在其中加入适量的钒（0.24%～0.35%），使碳化钒析出，这在提高材料强度的同时还能提高屈强比（材料的屈服强度与抗拉强度的比值），防止其机械加工性能恶化。在热锻试验室中进行新高强度钢的制备，逐步提高新高强度钢中钒含量，利用静态拉伸试验确定钒含量最佳值，约为0.2%。制造时，将原料置于1225℃环境下加热20min，之后在1040℃的环境中进行锻造，最后以1℃/s的速度进行冷却。利用制备的新高强度钢制造发动机连杆，并对其进行力学性能测试。首先在万能试验机上进行拉伸测试，拉伸速度为1mm/min。试验发现，新高强度钢制备的连杆拉伸强度高于传统高强度钢连杆，其屈强比约为0.75～0.77，而传统连杆的屈强比仅为0.68，这表明其具有较好的机械加工性能。之后对该连杆进行疲劳测试，测试时固定连杆大头，在连杆小头一侧施加不断增加的循环载荷，应力比为0.1，频率25Hz，试验发现其疲劳强度为536MPa，疲劳强度比为0.56，这与传统高强度钢连杆的疲劳性能大致相同。最后对该连杆进行屈服强度测试，测试时固定连杆大头，在连杆小头的两侧施加不断增加的载荷，试验发现其屈服应力为743MPa，比传统高强度钢的674MPa约高10%。因此，可以确定新高强度钢的使用不会影响连杆的使用，通过与传统高强度钢连杆对比发现，新高强度钢连杆的横截面面积减少了12%、强度提高了10%、质量减轻了8%，但其机械加工性能并没有发生恶化。目前，这种新高强度钢连杆已经在汽车发动机中开始应用。

Tatsushi Kaiho et al. SAE 2015-01-1975.

编译：李臣