1.4 优化方案的选择
现在可采用具有最高使用性能系数的候选材料来进行细节设计。每个细节设计都将发挥材料优势点，避免薄弱点，并且反映材料所需的制造工艺要求。不同的设计进行比较，并考虑成本因素，最终实现优化的设计(包括功能和形状)—材料—工艺组合，见图2。
图2 设计(包括功能和形状)—材料—工艺的相互关系
总之材料选材是一个系统的过程，不能仅限于材料特性本身，一个完整的选材流程应包含图3所示步骤。
图3 选材流程图
1.5 汽车零部件材料选择典型事例分析
1.5.1 车身材料的选择
在汽车制造初期，车身的形状和结构按马车的形状设计，车身主要采用钢、木材，并安装在底盘上，当时可选的材料相当有限。随着工业化技术的不断发展、大规模生产技术的需要，材料选择主要取决于成本。两次世界大战使资源受到严重消耗，材料供应成了问题。但或许最值得注意的时期是近30年。在这段时期，决定工程师们设计选材的因素主要来自外部各种各样的影响，包括有关安全性、排放控制和回收利用的立法，同时可供选择的材料种类也越来越多。在目前的车身材料和技术方案中，为保证综合性能要求矩阵多项性能最好地达到目标，比如轻型结构、安全性、刚度、可靠性、环境、成本等，采用多种高强度钢、轻质材料，如铝、镁、热塑性塑料和热固性塑料。
对于车身材料的选择，首先要考虑刚度要求，在刚度要求情况下，车身的材料设计准则为：
最轻的车身就是
最小的材料，所以设计选材时优先选择
越大的材料，相关曲线见图4。几种常见材料刚度比较见表7。
最小的材料，所以设计选材时优先选择越大的材料，相关曲线见图4。几种常见材料刚度比较见表7。图4 E/p的材料图
表7 几种常见材料的强度设计与刚度设计对比
由表7可知，复合材料板的比刚度最大，重量最轻，但用复合材料制作车身成本很高，铝合金板比刚度也较钢高，可以获得重量较轻的车身，但铝合金与钢相比，有三个主要缺点，一是铝合金的塑性和加工硬化能力很低，不易深加工成型；二是焊接性能差，这两个缺点使铝合金不能大量生产车身；三是材料成本较高。因此当前汽车车身主要是用低碳钢与低合金高强度钢。当然，在少数情况下当重量变得头等重要时，如赛车，有用复合材料和铝合金的。但是另一方面也指明了更具潜力的车身选材方向，这需要设计理念、连接工艺以及材料成本全面支持才能更好的应用普及。
最大，重量最轻，但用复合材料制作车身成本很高，铝合金板比刚度也较钢高，可以获得重量较轻的车身，但铝合金与钢相比，有三个主要缺点，一是铝合金的塑性和加工硬化能力很低，不易深加工成型；二是焊接性能差，这两个缺点使铝合金不能大量生产车身；三是材料成本较高。因此当前汽车车身主要是用低碳钢与低合金高强度钢。当然，在少数情况下当重量变得头等重要时，如赛车，有用复合材料和铝合金的。但是另一方面也指明了更具潜力的车身选材方向，这需要设计理念、连接工艺以及材料成本全面支持才能更好的应用普及。根据目前主流的承载式车身结构，车身主要以钢制材料为主，主要分为车身结构件、车身内板件和车身外板件，见图5，内板通常采用深拉加工以提供一定的容积形状和刚度，外板比较浅平，提供车身的外形轮廓，美学方面要求较高，比如表面要平滑无瑕疵、耐刮擦或耐冲击等。本课题将对车身外板件的钢制材料选择作进一步的探讨分析。
图5 白车身典型结构示意图
首先从汽车的功能和观察车身制造的整个工艺链：冲压——焊装——涂装，可得到对车身外板件材料的要求，见表8。
表8 车身外板常用零件及候选材料
特别要说明的是，车身外板基本是不采用B210P1，此处引入只是为了说明随意选材和定量选材在材料性能系数方面的差别，同时假定所选材料板厚统一为0.8mm。为了确定权重因子，材料性能逻辑矩阵见表9，最终的材料性能系数计算结果见表10，当然具体的成本还要以实际的零件成本为准，这里只是为了便于全面的计算材料性能系数。
特别要说明的是，车身外板基本是不采用B210P1，此处引入只是为了说明随意选材和定量选材在材料性能系数方面的差别，同时假定所选材料板厚统一为0.8mm。为了确定权重因子，材料性能逻辑矩阵见表9，最终的材料性能系数计算结果见表10，当然具体的成本还要以实际的零件成本为准，这里只是为了便于全面的计算材料性能系数。
表9 材料性能逻辑矩阵
表10 材料性能系数的计算
通过计算可知，材料性能指数最高的是镀锌钢板DC56D+Z，其次依次是DC06、B180H1与DC04，最后是B210P1，在车身外板的钢板的选材过程中，成形性是最重要的因素，选用高强度钢对提高外板的弯曲刚度是没有意义的，其次是抗凹性和成本，抗凹性与屈服强度有关。当然不同部位对抗凹性要求权重可能略有差别，比如车门外皮、发盖与行李箱盖就要比顶盖对抗凹性要求高些，因此这些部位一般采用B180H1，这种钢在软的状态下易于成型，并经涂装工艺加热可提高屈服强度。
根据实际情况综合考虑选取了最佳材料后，为了确保所选材料发挥最有效的作用还应制定材料规范。
1.5.2 汽车螺旋弹簧材料的选择
螺旋弹簧广泛应用于独立悬架，特别是前轮独立悬架。然而，在有些轿车的后轮非独立悬架中，其弹性元件也采用螺旋弹簧。螺旋弹簧只能承受垂直方向的载荷，其主要功能是在负荷作用下产生变形，吸收弹性能，卸载后恢复原来形状并放出能量，在这过程中起到缓冲或减震的作用。虽然绝大部分材料都有弹性(能发生弹性变形)，但真正能作为弹簧的材料只是有限的几种，最常用的是合金弹簧钢，比如55Cr3、60Si2Mn、50CrVA与55CrSi等，因为作为弹簧材料应具有下列基本要求：
(1)根据胡克定律，单位体积的材料所能存储的弹性能与
成正比，即工作应力对弹性能的影响最大。对于钢材而言，弹性模量是一致的，可以通过提高屈服强度提高材料的弹性能。
成正比，即工作应力对弹性能的影响最大。对于钢材而言，弹性模量是一致的，可以通过提高屈服强度提高材料的弹性能。(2)弹簧总是经受反复交变载荷，所以应具有较高的疲劳强度。
(3)应有适当的塑性与韧性，否则很容易产生脆性开裂。
通常情况下，对于螺旋弹簧材料的选择，首先要考虑弹性能的要求，在弹性能要求情况下，螺旋弹簧的材料设计准则为：
图6
材料图
材料图其次，要考虑重要的要求，在重量的要求下，螺旋弹簧的材料设计准则为：
图7 
材料图
材料图在弹性能设计和重量设计的要求材料筛选图见图6与图7，几种常见材料的弹性能设计与重量设计对比见表11，由表可知，从材料设计准则上说，纤维增强复合材料比钢具有更好的弹性能和重量优势，目前已有采用碳纤维复合材料制造重型卡车的弹簧片，例如美国的CORVETTE车的后悬架用高强度CFRP代替钢材时，重量减轻为原重的1/5，缺点就是成本太高。
表11 几种常见材料的弹性能设计与重量设计对比
尽管有比钢材更具潜力的弹簧材料，但是最常用的还是合金弹簧钢，这主要是由于可采取多种措施来提高它们的屈服强度，又具备了必要的塑性与韧性，成本又低，工艺性良好。关于合金弹簧钢的进一步择优选择这里就不做进一步的探讨。
1.6 总结与展望
汽车行业是一个充满创新与挑战的行业，汽车上所采用的材料基本涉及所有材料种类，要在众多的材料中选择最适合某个具体零件的材料牌号不是一件容易的事情，建立一种量化的指标是可行的方法之一，本课题规范了如何将产品对材料的要求转化为统一的性能系数，并将性能系数最高的材料作为最佳的使用材料。
综上所述，我们可以得到以下几条重要结论：
（1）性能系数最高的材料应作为最佳的使用材料。
（2）在进行汽车零件择优选材时，建立材料或产品性能的模型和材料性能权重因子是最关键的步骤。材料或产品性能的模型一般可以查阅手册或者咨询设计工程师，对于要考虑多种性能权重因子的情况一般采用二进制逻辑矩阵法得出，不需要将重要等级进一步细化，以简化权重因子的计算。特别的，对于最不重要的性能，可能出现肯定决定数是0的情况，这时可将每个性能的肯定决定数都+1，相当于总决定数由原来的n(n-1)/2转化为(n+1)[(n+1)-1]/2，即在原来的n个性能的基础上再增加了一个最不重要的性能，这在数学上也是可行的。
（3）对于车身外板材料，成形性是选材的最重要依据，高强度钢对提高弯曲刚度意义不大，对于抗凹性要求较高的部位优先选用烘烤硬化钢，比如B180H1，其他部位应优先选择DC56D+Z，其次依次是DC06、DC04，最终的选择还要根据零件的实际成本综合考虑。
（4）铝合金和复合材料是比钢材更有潜力的车身材料，考虑成形工艺和成本，铝合金是更有可能优先成为主流的车身钢材替代材料。
（5）在汽车螺旋弹簧用材方面，高强度复合材料是比合金弹簧钢更具潜力的应用材料，当然这也涉及到加工工艺和成本问题，短期内替代的情况不会出现。
材料选材是一个综合性过程，要全面合理的选择最优的材料，作为材料工程师应该熟悉产品结构，善于将产品对材料的要求转化为量化的材料语言，这需要有良好的材料数据库系统支撑。
当然，材料选材通常和新产品的研发有关，但常常也会涉及已有产品材料替代方面的问题，如何规范的作出材料替代，这是本课题未涉及的，这需要展开进一步的分析与研究。
