汽车工程概论 教学课件 ppt 作者 凌永成 第5章 汽车工程材料

沈阳大学 凌永成汽车工程概论配 套 教 材 信 息教材名称：汽车工程概论教材作者：凌永成教材定价： 48 RMB出版社：机械工业出版社出版时间： 2015年 10月第 1版国际标准书号（ ISBN ）：978-7-111-51174-8教材所属系列：普通高等教育 “十三五 ”汽车类规划教材第 5章 汽车工程材料5.1 汽车用金属材料5.1.1 金属材料的分类金属材料是汽车制造业中使用的基本原料，汽车中大约有 80的零件是用金属材料制造的，而金属材料中又以钢铁材料的用量为最多。金属材料一般分为如下两类。（ 1）黑色金属 黑色金属主要指铁及铁基合金，如钢、铸铁等。（ 2）有色金属 有色金属是指除黑色金属以外的所有金属，如铜、铝、镁、钛等以及它们的合金。5.1.2 金属材料的性能金属材料的性能主要包括使用性能和工艺性能两方面，其中使用性能又包括物理性能、化学性能和机械性能等。它们是指导生产、选用材料、设计机械零件及制定加工工艺的主要依据。1.金属的物理性能（ 1）密度密度是指物质单位体积的质量，用符号 表示，单位为kg/m3。金属材料的密度直接关系到它所制成设备的自重和效能。一般密度小于 5103kg/m3的金属称为轻金属，密度大于5103kg/m3的金属称为重金属。零件在选材时就要考虑零件的密度。例如，汽车发动机的活塞要求运动时惯性小、质量轻。因此，常用密度较小的铝合金来制造。（ 2）熔点纯金属或合金从固态向液态转变时的温度称为熔点。纯金属的熔点是固定的，而合金的熔点决定于它的成分，如钢和生铁都是铁和碳的合金，但由于含碳量不同，它们的熔点也不同。通常熔点低的金属在进行材料加工时易于进行铸造和焊接。（ 3）导热性金属材料传导热量的性能，称为导热性。常用热导率来衡量金属导热性的好坏。（ 4）热膨胀性随着温度变化，材料的体积也发生变化（膨胀或收缩）热导率的符号是 ，合金的热导率比金属的热导率小。导热性能好的金属散热性能也好，所以汽车上的散热器常用铝、铜等金属材料制造。的现象称为热膨胀，多用线膨胀系数来衡量，亦即温度变化1 时材料长度的增减量与其 0 时的长度之比，用 表示。 在零件的测量中必须考虑热膨胀性的因素，轴与轴瓦的装配间隙必须根据材料的热膨胀性来确定，不同金属焊接时要考虑线膨胀系数是否接近等。 （ 5）导电性金属材料传导电流的性能称为导电性。衡量金属材料导电性的指标是电阻率，电阻率越小，金属的导电性能越好。金属的导电性以银为最好，铜、铝次之，工业上常用铜、铝及其合金作为导电材料。（ 6）磁性金属导磁的性能称为磁性。根据金属材料在磁场中受磁化程度的不同，可分为铁磁材料、顺磁材料、抗磁材料 3类。铁磁材料能在外磁场中强烈地被磁化；顺磁材料只能在外磁场中微弱地被磁化；抗磁材料能抗拒、削弱磁场对材料本身的磁化作用。磁性材料是汽车上的电动机、仪表等电器设备不可缺少的材料。2.金属的化学性能（ 1）耐腐蚀性指金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气等介质腐蚀的能力。常见的钢铁生锈、铜生铜绿等就是腐蚀现象。一般可采用改变金属材料成分或进行表面处理等方法来提高金属的耐腐蚀性。（ 2）抗氧化性指金属在高温时对氧化作用的抵抗能力。为避免金属材料氧化，常在坯件或材料的周围制造一种还原气氛或保护气氛，以减轻金属材料的氧化。在选用汽车材料时，必须考虑其抗氧化性能。例如，汽车发动机排气门工作在高温高压的环境中，就应该选择抗氧化性好的材料制造。3.金属的工艺性能金属对各种加工工艺方法所表现出来的适应性称为工艺性能，主要有以下 5个方面。（ 1）切削加工性能切削加工性能反映的是用切削工具对金属材料进行切削加工（例如车削、铣削、刨削、磨削等）的难易程度。一般来说，铸铁、铝合金具有较好的切削加工性能，高合金钢的切削加工性能则较差。（ 2）可锻性可锻性反映金属材料在压力加工过程中成型的难易程度。例如，将材料加热到一定温度时其塑性的高低（表现为塑性变形抗力的大小），允许热压力加工的温度范围大小，热胀冷缩特性以及与显微组织、机械性能有关的临界变形的界限、热变形时金属的流动性、导热性能等。一般来说，低碳钢具有良好的可锻性，铸铁则较差。（ 3）可铸性可铸性反映金属材料熔化浇铸成为铸件的难易程度，表现为熔化状态时的流动性、吸气性、氧化性、熔点、铸件显微组织的均匀性、致密性以及冷缩率等。一般来说，铸铁、铸造铝合金具有较好的可铸性。（ 4）可焊性可焊性反映金属材料在局部快速加热，使结合部位迅速熔化或半熔化（需加压），从而使结合部位牢固地结合在一起而成为整体的难易程度，表现为熔点、熔化时的吸气性、氧化性、导热性、热胀冷缩特性、塑性以及与接缝部位和附近用材显微组织的相关性对机械性能的影响等。（ 5）热处理性能热处理性能是指金属材料适应各种热处理方法的能力，主要指金属材料在热处理中的可淬硬性、淬透性、变形开裂倾向、遇热敏感性、回火脆性倾向、冷脆性等。金属材料的工艺性能对于机械零件加工工艺方法的选择极为重要。例如，铸造性能和切削加工性能较好的灰口铸铁可广泛应用于制造形状和尺寸较复杂的零件；压力加工性能和焊接性能较好的低碳钢常用来制造外形较复杂的零部件（如汽车车身、蒙皮等）。4.金属的机械性能汽车用金属材料，最重要的性能是机械性能，它是衡量金属材料的主要指标之一。金属在一定温度条件下承受外力（载荷）作用时，抵抗变形和断裂的能力称为金属材料的机械性能。材料受载荷作用后的变形可分为压缩、拉伸、剪切、扭转和弯曲等。 金属材料在不同载荷作用下的变形如图 5-1所示。图 5-1 金属材料的变形金属材料承受的载荷有多种形式，可以是静态载荷，也可以是动态载荷，包括单独或同时承受的拉伸应力、压应力、弯曲应力、剪切应力、扭转应力，以及摩擦、振动、冲击等。（ 1）强度强度表征材料在外力作用下抵抗变形和破坏的最大能力，可分为抗拉强度（ ）、抗弯强度（ ）、抗压强度（ ）等。由于金属材料在外力作用下从变形到破坏有一定的规律可循，因而通常采用拉伸试验进行测定，即把金属材料制成一定规格的试样，在拉伸试验机上进行拉伸，直至试样断裂。 图 5-2 金属材料的拉伸试验曲线1）抗拉强度。材料在外力作用下能抵抗断裂的最大应力，一般指拉力作用下的抗拉强度，以 表示，常用单位为兆帕（ MPa），换算关系有式中， 为材料断裂时的最大应力（或者说是试样能承受的最大载荷）； 为拉伸试样原来的横截面积。 图 5-2 金属材料的拉伸试验曲线2）屈服极限。金属材料试样承受的外力超过材料的弹性极限时，虽然应力不再增加，但是试样仍发生明显的塑性变形，这种现象称为屈服，即材料承受外力到一定程度时，其变形不再与外力成正比而产生明显的塑性变形。产生屈服时的应力称为屈服极限，用 表示，单位为兆帕（ MPa），换算关系有式中， 为材料发生屈服时的载荷。 图 5-2 金属材料的拉伸试验曲线3）弹性极限。材料在外力作用下将产生变形，但是去除外力后仍能恢复原状的能力称为弹性。金属材料能保持弹性变形的最大应力即为弹性极限，相应于拉伸试验曲线图中的e点，以 表示，单位为兆帕（ MPa），换算关系有式中， 为保持弹性时的最大外力（或者说材料最大弹性变形时的载荷）。 图 5-2 金属材料的拉伸试验曲线4）弹性模量。弹性模量是材料在弹性极限范围内的应力 与应变 （与应力相对应的单位变形量）之比，用 E表示，单位为兆帕（ MPa），换算关系有式中， 为拉伸试验曲线上 o-e线与水平轴 o-t的夹角。 弹性模量是反映金属材料刚性的指标（金属材料受力时抵抗弹性变形的能力称为刚性）。 图 5-2 金属材料的拉伸试验曲线（ 2）塑性金属材料在外力作用下产生永久变形而不破坏的最大能力称为塑性，通常以拉伸试验时的试样标距长度延伸率 （）和试样断面收缩率 （）表示。式中， L1为拉伸试验时试样拉断后将试样断口对合起来后的标距长度； L0为试样原始标距长度。在实际试验时，同一材料但是不同规格（直径，截面形状，例如方形、圆形、矩形，以及标距长度）的拉伸试样测得的延伸率会有所不同，因此一般需要特别加注。例如，最常用的圆截面试样，其初始标距长度为试样直径 5倍时测得的延伸率表示为 5，而初始标距长度为试样直径 10倍时测得的延伸率则表示为 10。断面收缩率的表达式为式中， 为拉伸试验时试样拉断后原横截面积； 为与断口细颈处最小截面积。实际应用中对于最常用的圆截面试样通常可通过直径测量进行计算式中， 为试样原直径； 为试样拉断后断口细颈处最小直径。与 值越大，表明材料的塑性越好。（ 3）硬度金属材料抵抗其他更硬物体压入表面的能力称为硬度，或者说硬度表征材料对局部塑性变形的抵抗能力。1）布氏硬度（ Brinell Hardness ，略作 HB）。用一定直径 D的淬硬钢球在规定负载 P的作用下压入试件表面，保持一段时间后卸去负载，在试件表面将会留下表面积为 F的压痕，以试件的单位表面积上能承受负载的大小表示该试件的硬度HB P F 在使用布氏硬度计测试硬度时，通常直接测量压坑的直径，并根据负载 P和钢球直径 D从布氏硬度数值表上查出布氏硬度值（显然压坑直径越大，硬度越低，表示的布氏硬度值越小）。图5-3 电子布氏硬度计2）洛氏硬度（ Rockwell Hardness，略作 HR）。有一定顶角（例如 120）的金刚石圆锥体压头或一定直径 D的淬硬钢球，在一定负载 P作用下压入试件表面，保持一段时间后卸去负载，在试件表面将会留下某个深度的压痕。由洛氏硬度计自动测量压坑深度并以硬度值读数显示（显然压坑越深，硬度越低，表示的洛氏硬度值越小）。根据压头与负载的不同，洛氏硬度还分为 HRA、 HRB、 HRC 3种，其中以 HRC为最常用。图 5-4 洛氏硬度计 洛氏硬度 HRC与布氏硬度 HB之间有如下换算关系HRC0.1HB 除了最常用的洛氏硬度 HRC与布氏硬度 HB之外，还有：维氏硬度（ Vickers Hardness，略作 HV）；肖氏硬度（ Shore Hardness，略作 HS）；显微硬度（ Micro-hardness）；里氏硬度（ Leeb Hardness，略作 HL）。里氏硬度是目前最新颖的硬度表征方法。里氏硬度计是一种便携袖珍装置，可应用于各种金属材料、工件的表面硬度测量，特别是大型锻铸件的测量，其最大的特点是可以任意方向检测，免去了普通硬度计对工件大小、测量位置等的限制。图 5-5 系列里氏硬度计（ 4）冲击韧度金属材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力称为冲击韧度。 通常采用冲击试验，即用一定尺寸和形状的金属试样在规定类型的冲击试验机上承受冲击载荷而折断时，断口上单位横截面积上所消耗的冲击功表征材料的冲击韧度，用 表示，单位为 J/cm2或 kgm/cm2。式中， 为冲击功； F为断口的原始截面积。（ 5）疲劳极限金属材料在长期的反复应力作用或交变应力作用下（应力一般均小于屈服极限强度 ）未经显著变形就发生断裂的现象称为疲劳破坏或疲劳断裂。疲劳破坏或疲劳断裂是由于多种原因使得零件表面的局部造成大于 甚至大于 的应力（ 应力集中 ）从而使得该局部发生塑性变形或微观裂纹，随着反复交变应力作用次数的增加，使裂纹逐渐扩展加深（裂纹尖端处应力集中）致该局部处承受应力的实际截面积减小，直至局部应力大于 而产生断裂。在实际应用中，一般把试样在重复或交变应力（应力、压应力、弯曲或扭转应力等）作用下，在规定的周期数内（一般对钢取 106 107次，对有色金属取 108次）发生断裂所能承受的最大应力作为疲劳极限，用 表示，单位为 MPa。除了上述 5种最常用的力学性能指标外，对一些要求特别严格的材料，还会要求下述一些力学性能指标： 蠕变极限 、高温拉伸持久强度极限 、 金属缺口敏感性系数 等。5.1.3 各种金属材料及其在汽车制造中的应用应用于汽车上的金属材料分为黑色金属材料和有色金属材料两大类。黑色金属材料占到汽车总重量的 80左右，有色金属占 3 4.7。一般要求的汽车结构零件大多采用碳素钢或铸铁制造，而有色金属具有很多钢铁材料所没有的性能，能够满足某些机械零件的特殊性能要求。1.碳素钢碳素钢（ Carbon Steel）简称碳钢，其含碳量小于 2.11，除含有铁和碳两种元素外，还含有少量的硅、锰、硫、磷等常存元素。碳素钢具有成本低、加工难度较小、强度高、生产工艺较成熟、炼钢能耗低、容易回收再利用、利于环境保护等优点，因此在汽车制造中得到广泛的应用。（ 1）碳和常存元素对碳素钢的影响碳是决定钢性能的主要元素。随着含碳量的增加，碳素钢的强度和硬度都在升高，塑性和韧性都在降低。当含碳量在 0.9左右时，强度达到最大值，以后随着含碳量的增加，硬度升高，强度、塑性和韧性降低，脆性增大。锰是钢中的有益元素，是炼钢时用锰铁脱氧而残留在钢中的，锰有很好的脱氧能力，还可以与硫形成 MnS，从而消除了硫的有害作用。锰作为杂质一般应不超过 0.8。硅也是钢中的有益元素，也是作为脱氧剂而进入钢的，硅的脱氧能力比锰还强，还能提高钢的强度及质量，硅作为杂质一般应不超过 0.4。硫是钢中有害元素，常以 FeS形式存在， FeS与 Fe形成低熔点的共晶体，熔点为 985 。钢中含硫量必须严格控制，通常应小于 0.05。磷也是钢中的有害元素，它使钢在低温时变脆，这种现象称为冷脆性。因此，钢中含磷量也要严格控制，通常应小于 0.045。氢也是钢中的有害元素，溶于钢中的氢能造成 氢脆 、 白点 等缺陷。且氢脆一经产生，就无法消除。氢脆 是溶于钢中的氢，聚合为氢分子，造成应力集中，超过钢的强度极限，在钢内部形成细小的裂纹，使钢容易开裂。这种由于氢的存在引起的脆性称为氢脆，又称 氢致开裂或氢损伤。 氢脆只可防，不可治。白点白点的产生原因：白点是因为钢中的含氢量过大，在加热后因未及时保温或退火，钢中的氢气析出而引起的一种钢材内部缺陷。白点对焊接的影响：在碳钢和低合金用钢焊缝中，如含有较多的氢，在焊后不久进行力学性能试验时，试样断口上常出现光亮圆形的白点，直径约为 0.53mm。由于白点中心含有微细气孔或杂质物，按照其形状，又称鱼眼。白点对焊缝强度的影响不大，但对塑性韧性有较大影响。白点的评定原则：它是以裂纹的分布多少