Как опытный инженер с многолетним опытом работы за плечами, я должен сказать, что меня действительно захватывает неустанное стремление к инновациям и устойчивому развитию в автомобильной промышленности. От новаторского использования сплавов Генри Фордом в своей модели T до современного чуда алюминиевого грузовика F-150 компании Ford Motor Company — увлекательно наблюдать за эволюцией материалов и процессов, которые продолжают раздвигать границы.
Как энтузиаст истории, я нахожу удивительным то, как гениальное мастерство и, возможно, немного удачи могли привести к разработке превосходной стали древнеиндийскими металлургами более двух тысячелетий назад.
1. Нагревая куски железа, смешанные с древесным углем, в уникальном глиняном сосуде, древние индейцы создали нечто совершенно новое, которое они назвали «вуц». Римские солдаты быстро использовали эту грубую сталь для своих мечей, внушая трепет и подавляя варварские племена в Европе.
Спустя 24 века производители автомобилей используют передовые технологии, такие как электродуговые печи, машины горячей штамповки, процессы закалки и разделения – инновации, которые древняя цивилизация, возможно, не осознавала. Эти методы позволяют инженерам адаптировать свойства стали, гарантируя, что она обеспечивает лучшую защиту хрупких человеческих тел во время столкновений, что необходимо в современных сценариях дорожного движения, — и все это при минимизации веса транспортного средства для уменьшения его воздействия на окружающую среду.
Я совершенно очарован этой революцией! Будучи давним профессором инженерных наук в Мичиганском университете, я стал свидетелем многочисленных достижений в нашей области. Новейшие стали, количество которых быстро увеличивается до более чем двух десятков типов, в сочетании с легкими полимерами и внутренней частью и днищем, армированными углеродным волокном, переносят меня обратно в волнующие времена на рубеже прошлого века. Действительно, такое ощущение, что Детройт возвращает себе статус технологического центра – во многом так же, как тогда была Кремниевая долина!
Эти материалы могут значительно снизить вес автомобиля на несколько сотен фунтов. Каждый фунт меньше, который несет автомобиль, равен примерно 3 долларам, сэкономленным на расходах на топливо в течение всего срока его службы, что делает этот аргумент трудным для отклонения. По мнению Тауба, современный подход должен заключаться в «использовании соответствующего материала в идеальном месте».
Переход на автомобили с батарейным питанием подчеркивает важность этих новых материалов. Электромобили, может быть, и не выделяют загрязняющих веществ, но они тяжелые — например, Volvo XC40 Recharge на 33 процента тяжелее, чем бензиновая версия (и была бы еще тяжелее, если бы сталь, окружающая пассажиров, была такой же громоздкой, как раньше). Тяжелый может быть опасен.
В 2023 году Дженнифер Хоменди, глава Национального совета по безопасности на транспорте, подчеркнула Совету по транспортным исследованиям, что безопасность, особенно в отношении новых правил транспортировки и новых технологий, никогда не следует игнорировать. Более того, сокращение электромобиля примерно на 10% приведет к значительному увеличению запаса хода примерно на 14%.
К 1960-м годам защитный кожух для пассажиров транспортных средств, который автопроизводители часто называли «мягкой сталью», был похож на броню, использовавшуюся в Детройте в доисторическую эпоху. Эта броня поразительно напоминала ту, которую Генри Форд представил много лет назад. Оно было значительным и обильным.
1965 год ознаменовался публикацией книги Ральфа Нейдера «Опасно на любой скорости: задуманные опасности американского автомобиля». Эта публикация заставила автопроизводителей признать, что они больше не могут уделять приоритетное внимание исключительно скорости и производительности. Нефтяной кризис 1970-х годов еще больше ускорил этот сдвиг: теперь автомобильная сталь должна была быть одновременно прочной и легкой, потребляя меньше топлива для движения.
В ответ на это за последние шесть десятилетий, как опытные повара, использующие аппараты су-вид для приготовления безупречной еды, сталелитейщики (их печи представляют собой огромные дуговые печи, способные достигать температуры в тысячи градусов по Фаренгейту, а роль шеф-повара берут на себя роботы) разработали широкий ассортимент сталей для удовлетворения любых требований. Они разработали прочную закаленную сталь для использования в шасси, коррозионностойкую нержавеющую сталь для боковых панелей и крыши, а также высокоэластичные металлы для бамперов, которые могут поглощать удары, не разрушаясь.
Трюки со сталью
Более 98% стали состоит из железа, но именно малая часть (иногда всего несколько сотых процента) дополнительных элементов может существенно повлиять на ее свойства. Не менее важны методы, используемые для обработки стали, которые могут включать этапы нагрева, охлаждения и обработки, такие как прокатка листов перед формованием деталей. Изменение этих процессов, даже на несколько секунд, может существенно изменить внутреннюю структуру стали и, следовательно, ее характеристики. По словам Джона Спира, директора Исследовательского центра передовой обработки стали и изделий из Горной школы Колорадо, «все дело в овладении искусством обращения со сталью».
По сути, характеристики стали в первую очередь связаны с ее микроструктурой, которая, по сути, определяет, как различные типы или компоненты (фазы) стали организованы внутри металла. Некоторые этапы сложнее, в то время как другие способствуют гибкости — термин, который описывает, насколько материал можно согнуть или скрутить, не сломав и не образовав острых краев, которые могут проколоть и порвать мягкие ткани человека. На атомном уровне существует в основном четыре типа автомобильной стали, включая мартенсит — самый твердый, но самый хрупкий, и аустенит, обладающий большей гибкостью. Производители автомобилей могут регулировать эти свойства, контролируя продолжительность и температуру процесса нагрева для достижения желаемых результатов.
Исследователи из научных кругов и производителей стали, сотрудничая с производителями автомобилей, прошли три этапа создания того, что сейчас называется передовой высокопрочной сталью. Начальная фаза, введенная в 1990-е годы и широко используемая до сих пор, предлагает баланс между силой и гибкостью. На следующем этапе для дальнейшего повышения пластичности использовались менее распространенные сплавы, но оказалось, что эти типы стали дороги и их трудно эффективно производить.
Третье поколение производства стали, как упоминал Шпеер, постепенно проникает на заводы. В этом новом поколении используются методы нагрева и охлаждения для создания сталей, которые значительно прочнее и легче поддаются формованию по сравнению с предыдущим поколением. Они примерно в десять раз прочнее, чем традиционные стали прошлого, но при этом более экономичны (хотя и менее гибки), чем стали второго поколения.
Производители обнаружили, что продолжительность охлаждения играет решающую роль в определении окончательного расположения атомов внутри стали, что впоследствии влияет на ее характеристики. Самый быстрый метод охлаждения, называемый закалкой, мгновенно затвердевает и стабилизирует внутреннюю структуру, прежде чем она сможет измениться в течение длительного периода, который обычно требуется для достижения комнатной температуры.
Как геймер, я бы сказал: в мире игр для создания самых крепких персонажей используются сверхпрочные материалы, подобные высококачественной стали, используемой в важных деталях автомобилей. Эта сталь нагревается до палящих температур с бором и марганцем, достигая более 850 градусов по Цельсию. Как только он станет податливым, его быстро переносят в форму в течение 10 секунд, где он принимает свою форму и быстро охлаждается.
При одном типе пластичности, вызванной трансформацией, материал (в данном случае сталь) подвергается определенному процессу: его нагревают до высокой температуры, охлаждают до более низкой температуры, выдерживают на этом уровне в течение некоторого времени, а затем быстро охлаждают или закаленный. В результате этого процесса образуются области аустенита, окруженные более мягкой ферритной матрицей, а также области более твердого бейнита и мартенсита. Этот тип стали может поглощать значительное количество энергии, не разрушаясь, что делает его ценным для таких изделий, как бамперы и стойки, благодаря его способности выдерживать удары.
Рецепты блюд можно усовершенствовать, добавляя в них разные виды металлов. Около столетия назад Генри Форд уже использовал сталь и сплавы ванадия в своей модели T, чтобы повысить ее производительность, и эта практика со временем продолжала развиваться. Современной иллюстрацией использования более легких металлов наряду со сталью является богатый алюминием грузовик F-150 компании Ford Motor Company 2015 года, который весил примерно на 700 фунтов меньше, чем предыдущая модель, благодаря использованию этих более легких материалов.
Процесс, используемый в сочетании с новыми материалами, — это гидроформовка труб, при которой металл сгибается в сложные формы путем впрыска под высоким давлением воды или других жидкостей в трубку, расширяя ее до формы окружающего штампа. Это позволяет изготавливать детали без сварки двух половин вместе, что экономит время и деньги. По словам Тауба, который является соавтором статьи об облегчении веса автомобилей в Ежегодном обзоре исследований материалов.
Новые сплавы
Более поздними разработками являются сплавы, например, с использованием титана и особенно ниобия, которые повышают прочность за счет стабилизации микроструктуры металла. В статье 2022 года Шпеер назвал внедрение ниобия «одним из самых важных достижений физической металлургии 20-го века».
Одним из инструментов, сокращающих расстояние между пробами и ошибками, является компьютер. «Идея состоит в том, чтобы использовать компьютер для разработки материалов быстрее, чем путем экспериментов», — говорит Спир. Новые идеи теперь можно тестировать на атомном уровне, не прибегая к тому, чтобы рабочие склонялись над верстаком или разжигали печь.
В 2015 году инженер Рэймонд Боеман и его команда основали Институт передовых инноваций в производстве композитов (IACMI), получив федеральный грант в размере 70 миллионов долларов. Часто называемый Институтом композитов, он служит центром, где отрасль может внедрять инновации, экспериментировать и расширять производство новых процессов и продуктов.
Боеман отмечает, что этот сектор претерпевает многочисленные преобразования, поскольку теперь он курирует исследования в институте, направленные на совершенствование этих методов. IACMI усердно ищет экологически чистые альтернативы традиционным пластикам, таким как полипропилен, которые обычно используются в различных областях. В 1960 году в обычном автомобиле обычно находилось менее 100 фунтов пластика. Однако к 2017 году эта сумма значительно увеличилась почти до 350 фунтов из-за доступности и впечатляющего соотношения прочности и веса пластика, что сделало его привлекательным для автопроизводителей, стремящихся снизить вес.
По словам Тауба, к 2019 году примерно от одной десятой до одной пятой стандартного автомобиля будет состоять из полимеров и композитов. Этот материал встречается в различных частях, таких как сиденья, багажники, двери и приборные панели. В конце своего срока службы эти автомобили производят около 5 миллионов тонн автомобильных отходов, представляющих собой трудно поддающуюся переработке смесь пластмасс, которая часто попадает на свалки или, что еще хуже, в окружающую среду.
Ученые усердно стремятся создать прочные, но легкие и экологически чистые пластмассы. В то же время новые изобретения из углеродного волокна позволяют использовать эти легкие материалы даже в несущих зонах, таких как элементы конструкции ходовой части, тем самым уменьшая использование тяжелых металлов в кузовах транспортных средств.
Очевидно, что автомобили по-прежнему представляют опасность как для здоровья человека, так и для нашей планеты, учитывая их ежедневное использование для поездок на работу и отдыха. Однако Тауб выражает уверенность в будущем Детройта и в способности автомобильной промышленности решить проблемы, возникшие после перехода от конных экипажей. Он уверяет студентов, что они могут рассчитывать на стабильность работы в течение длительного периода.
Первоначально опубликовано в журнале Knowable Magazine, независимом журналистском проекте Annual Reviews. Рассмотрите возможность подписки на их рассылку.
Смотрите также
- Джон Стамос выразил поддержку Дэйву Кулиеру после того, как последнему поставили диагноз «рак»: «Через все это»
- Домоседы выбирают эти дешевые вещи, которые делают ваш дом намного лучше
- Trainspotting – стальная книга 4K UHD/BLU-RAY
- Слухи – ТРЕЙЛЕР
- Бриджит Джонс без ума от мальчика – ТРЕЙЛЕР
- Этот неистовый носорог «Гладиатор II» и дрожжевые бабуины…
- 55 странных и дешевых вещей, о которых вы не знали, которые сделают ваш дом намного лучше
- Климатологи утверждают, что пришло время планировать худшее потепление
- «Разница в этом…»: «Дюна»: звезды «Пророчества» Оливия Уильямс и Эмили Уотсон о сходстве сериала HBO с «Игрой престолов»
- Любитель – ТРЕЙЛЕР
2024-08-19 16:30