就像许多有用的创新一样，2000多年前印度冶金学家创造出高质量的钢铁似乎是聪明的工艺和愚蠢的运气的完美结合。

　　在一个特殊的粘土容器里用木炭烧制铁块，产生了一种全新的东西，印第安人称之为wootz。罗马军队很快就挥舞着木制的钢剑来恐吓和征服他们在古欧洲的敌对部落。

　　24个世纪后的今天，汽车制造商所依赖的电弧炉、热冲压机以及淬火和分割工艺是古人无法想象的。这些方法正在产生新的方法来调整钢铁，以在车辆不可避免地发生碰撞时保护柔软的人体，同时控制汽车重量以减少它们对地球的有害影响。

　　“这是一场革命，”在该行业工作多年的密歇根大学(University of Michigan)材料科学家艾伦·陶布(Alan Taub)说。这种新型钢材有几十种品种，而且还在不断增加，再加上轻质聚合物和碳纤维制成的内饰和底盘，让人回想起上世纪初那种令人兴奋的日子，他说，当时“底特律就是硅谷”。

　　这种材料可以减轻汽车数百磅的重量，而且在汽车的使用寿命中，每减轻一磅多余的重量可以节省大约3美元的燃料成本，因此经济效益是不可否认的。陶布说，新的格言是“把合适的材料放在合适的地方”。

　　向电池驱动汽车的过渡凸显了这些新材料的重要性。电动汽车可能不会产生污染，但它们很重——例如，沃尔沃XC40充电版比汽油版重33%(如果乘客周围的钢铁像以前一样笨重，它还会更重)。沉重可能是危险的。

　　美国国家运输安全委员会主席Jennifer Homendy在2023年对运输研究委员会说:“安全，尤其是涉及到新的运输政策和新技术时，是不容忽视的。”此外，将电动汽车的重量减少10%，续航里程将提高约14%。

　　就在20世纪60年代，乘客周围的钢笼是由汽车制造商所谓的软钢制成的。底特律侏罗纪时期的盔甲与亨利·福特几十年前推出的盔甲没有太大区别。它很重，而且有很多。

　　随着1965年拉尔夫·纳德的《任何速度都不安全:美国汽车的设计危险》的出版，大型汽车制造商意识到他们不能再只追求速度和性能了。20世纪70年代的石油禁运只是加速了变革的步伐:汽车钢材现在必须更坚固更轻，需要更少的燃料来推动。

　　作为回应，在过去的60年里，就像厨师操作真空烹调机来做出完美的食物一样，钢铁制造商——他们的炉灶是达到数千华氏度的电弧炉，由机器人来烹饪——创造了各种各样的钢材来满足每一种需求。底盘采用高强度硬化钢;侧板和屋顶采用耐腐蚀不锈钢;在保险杠高度可拉伸的金属吸收冲击而不皱巴巴。

　　大多数钢的铁含量超过98%。是另外的百分之几——有时只是百分之一的百分之一，在添加金属以赋予期望的性能的情况下——造成了差异。同样重要的是处理方法:加热、冷却和加工，例如在成形零件之前轧制板材。修改每一种，有时只需要几秒钟，就能改变金属的结构，产生不同的性能。科罗拉多矿业学院高级钢铁加工和产品研究中心主任约翰·施佩尔说:“这都是在耍钢铁的把戏。”

　　在最基本的层面上，钢的性能与微观结构有关:金属中不同类型或相的钢的排列。有些阶段比较硬，而另一些阶段则具有延展性，这是一种衡量金属在不剪切和产生锯齿状边缘的情况下可以弯曲和扭曲变形的程度的指标，这种边缘会穿透和撕裂柔软的人体。在原子水平上，汽车钢主要有四种相，包括最硬但最脆的马氏体和延展性更强的奥氏体。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，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，开发出了三代现在被称为先进高强度钢的钢材。第一种是20世纪90年代采用的，目前仍在广泛使用，它具有良好的强度和延展性。第二代使用了更多的合金来获得更大的延展性，但这些钢被证明是昂贵的，而且制造起来很有挑战性。

　　施佩尔说，第三代已经开始进入工厂车间，它使用加热和冷却技术生产出比第一代更坚固、更可成形的钢材;强度几乎是过去普通钢材的十倍;而且比第二代钢便宜得多(尽管延展性较差)。

　　钢铁制造商已经认识到，冷却时间是决定原子最终排列从而决定钢的性能的一个关键因素。最快速的冷却被称为淬火，在内部结构发生进一步变化之前将其冻结并稳定下来，否则它可能需要几个小时或几天才能达到室温。

　　最坚固的现代汽车钢材之一——用于最关键的结构部件，如侧板和支柱——是用硼和锰将金属加热到850摄氏度以上的温度制成的。在变得具有延展性后，钢材在十秒钟内被转移到模具或模具中，在那里零件被成形并迅速冷却。

　　在一种被称为变形诱发塑性的方法中，钢被加热到高温，冷却到较低的温度，保持一段时间，然后迅速淬火。这就产生了被较软的铁素体基体包围的奥氏体岛，以及较硬的贝氏体和马氏体区域。这种钢可以吸收大量的能量而不会破裂，这使得它在保险杠和柱子中很有用。

　　配方可以通过使用各种合金进一步调整。一个多世纪以前，亨利·福特(Henry Ford)在他的T型车中使用钢和钒合金来提高钢的性能，时至今日，合金配方仍在不断改进。将较轻的金属与钢铁结合使用的一个现代例子是福特汽车公司(Ford Motor Company)的铝密集型F-150卡车，2015年的版本比上一款轻了近700磅。

　　与新材料结合使用的一种工艺是管液压成形，在这种工艺中，通过向管中高压注入水或其他流体，将金属弯曲成复杂的形状，使其膨胀成周围模具的形状。这使得零件不需要焊接在一起，节省了时间和金钱。Taub是2019年《材料研究年度评论》(Annual Review of Materials Research)上一篇关于汽车轻量化的文章的合著者，他说，克尔维特铝框架轨道是世界上最大的液压成形部件，比它所取代的钢轨节省了20%的质量。

　　最近推出的是钛合金，特别是铌合金，它们通过稳定金属的微观结构来增加强度。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”。

　　现在有一种工具缩短了试验与错误之间的距离，那就是计算机。施佩尔说:“我们的想法是利用计算机比通过实验更快地开发材料。”现在，新的想法可以在原子水平上进行测试，而无需工人弯腰在工作台上工作或点燃炉子。

　　为了不断寻找更好的材料和工艺，工程师雷蒙德·伯曼和他的同事们在2015年获得了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(IACMI)。它也被称为复合材料研究所，是一个工业可以开发、测试和扩大新工艺和产品规模的地方。

　　“这个领域在很多方面都在发展，”伯曼说，他现在负责该研究所升级这些过程的研究。IACMI一直致力于寻找更环保的传统塑料替代品，如广泛使用的聚丙烯。1960年，一辆普通汽车使用的塑料还不到100磅。到2017年，这个数字已经上升到近350磅，因为塑料制造成本低，强度重量比高，这使得它成为汽车制造商减轻重量的理想选择。

　　根据陶布的说法，到2019年，一辆典型汽车的10%到15%将由聚合物和复合材料制成，从座椅部件到后备箱、车门部件和仪表板，无所不包。当这些汽车的使用寿命结束时，它们的塑料和其他难以回收的材料，即汽车碎纸机残留物，每年有500万吨，最终被填埋——或者更糟的是，被污染到更广泛的环境中。

　　研究人员正在努力开发更坚固、更轻、更环保的塑料。与此同时，新型碳纤维产品使这些轻质材料甚至可以用于结构底盘零件等承重部位，进一步减少了汽车车身的重金属使用量。

　　很明显，工作仍然是为了减少汽车对人类身体和地球的威胁，这些身体每天都在工作和娱乐。但陶布说，他对底特律的未来和汽车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，他们会有很长一段时间的工作保障。”

　　Knowable杂志是《年度评论》的独立新闻机构。