汽车常用工程材料ppt课件

.,第二部分汽车材料,第6章汽车常用工程材料,www.xunchi-,.,本章导读,一般来讲，一辆汽车由3万个零件组装而成。汽车上每个零件的生产制造都涉及到材料问题。据统计，汽车上的零部件采用了4000余种不同的材料加工制造。从汽车的设计、选材、加工制造、到汽车的使用、维修和养护无一不涉及到材料。用以制造各种汽车零件的材料统称为汽车工程材料。一般将其分为两大类：金属材料和非金属材料。在目前机械工业生产中，普遍使用钢铁、铜、铝等金属材料；此外，工程塑料、橡胶、陶瓷等非金属材料的应用也日趋广泛。具体分类如下。,.,.,本章要点,1金属材料的主要性能2汽车常用金属材料和非金属材料的分类、特点及应用3钢热处理的特点、方法及应用4汽车新型材料的选用,.,6.1金属材料的主要性能,6.1.1金属材料的力学性能金属材料的力学性能主要决定于材料本身的化学成分、组织结构、冶金质量、表面和内部的缺陷等内在因素，但一些外在因素如载荷性质、温度、环境介质等也会影响到材料的力学性能。因此，力学性能不仅是验收，鉴定材料性能的主要依据，而且也是零件设计和选择材料的重要依据。属材料的力学性能是指金属材料在外加载荷（外力）作用下表现出来的特性。载荷按其作用形式的不同，分为静载荷、冲击载荷和交变载荷等。一金属材料的静态力学性能金属的静态力学性能指标包括塑性、强度、硬度等。下面以低碳钢静载荷拉伸试验为例说明金属材料的各个静态力学性能指标。,.,1.静载荷拉伸试验静载荷拉伸试验是材料学里非常重要的试验，通过拉伸试验可以测定金属的强度和塑性指标。静载荷拉伸试验的原理：用静拉力（载荷）对待测样本进行轴向拉伸，同时连续测量并记录试验力的大小和相应的试样伸长量，一直到试样断裂。根据测量的数据，即可得出有关的力学性能指标，如图6-1所示。,图6-1静载荷拉伸试验,.,图6-2所示是低碳钢拉伸曲线图。纵坐标表示试样受到的静拉力（载荷）F，单位为N，横坐标表示试样的伸长量L，单位为mm。,图6-5洛氏硬度试验原理图,2.维氏硬度,维氏硬度的测量原理基本与布氏硬度相同，不同的是所加载荷较小，压头是顶角为136的正四棱锥金刚石压头，在被测材料的表面得到的是四方锥形压痕。,.,二、金属材料的动态力学性能1冲击韧度冲击韧度是指零件承受一次或数次大能量冲击的能力。通常采用一次摆锤冲击试验来测定材料的冲击韧度kk=AkF式中，Ak为冲击功（J）,F为试样缺口处的截面积（cm2）,k的单位为Jcm2。2疲劳强度疲劳强度是指材料经无数次的应力循环仍不断裂的最大应力，用以表征材料抵抗疲劳断裂的能力。测试材料的疲劳强度最简单的方法是旋转弯曲疲劳试验。试验测得的材料所受循环应力与断裂前的循环次数N的关系曲线称为疲劳曲线，如图6-7所示。由图中可以看出，循环应力越小，则材料断裂前所承受的循环次数越多。当应力降低到某一值时，曲线趋于水平，即表示在该应力作用下，材料经无数次的应力作用达到某一基数而不断时，其最大应力就作为该材料的疲劳极限，一般钢铁材料的循环次数取107次。,.,图6-6疲劳曲线示意图,6.1.2金属材料的物理、化学及工艺性能1材料的物理性能材料的物理性能是指材料的固有属性，如密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性和色泽等。常用金属材料的物理性能见表6-1表6-1常用金属材料的物理性能,.,注：密度的单位为（kg/m）x10；熔点的单位为；热导率的单位为W/(mK)；线膨胀系数的单位为K-1x10-6；电阻率的单位为（m）x10-6；磁导率的单位为H/m。,.,（1）密度材料的密度是指单位体积物质的质量，用符号表示，单位为kgm3.（2）熔点熔点是指材料由固态向液态转变的温度。（3）导热性材料的导热性是指材料传导热量的能力。常用导热率（亦称导热系数）表示，单位为W（mK）。（4）导电性材料传导电流的能力称为导电性。（5）热膨胀性材料的热膨胀性是指材料随着温度的变化产生膨胀、收缩的特性。（6）磁性材料能被磁场吸引或被磁化的性能称为磁性或导磁性。2材料的化学性能材料的化学性能是指材料抵抗周围介质侵蚀的能力。,.,（1）耐蚀性（2）抗氧化性3材料的工艺性能金属材料的工艺性能是指金属材料在加工过程中所具有的和表现出来的性能。（1）铸造性能（2）锻造性能（3）焊接性能（4）切削加工性能（5）热处理工艺性能,6.2汽车常用金属材料,根据含碳量的不同，可将铁碳合金分为三类工业纯铁钢根据含碳量及室温组织的不同，又可分为以下三类：共析钢含碳量为0.77%亚共析钢含碳量小于0.77%过共析钢含碳量大于0.77%生铁含碳量大于2.11%的铁碳合金称为生铁。,.,6.2汽车常用金属材料6.2.1碳钢碳钢，又称碳素钢，通常指含碳量小于2.11%的铁碳合金。（一）常见杂质元素对碳钢性能的影响在实际生产中使用的碳钢，不单纯是铁和碳组成的合金，还包含有锰、硅、硫、磷等杂质元素，它们对碳钢的性能有一定的影响。（1）锰锰是钢中的有益元素，由于炼钢时用锰铁脱氧而残留在钢中的。（2）硅硅也是钢的有益元素。（3）硫硫是钢的有害元素，是在炼钢时由矿石和燃料带入钢中的，难以除尽。（4）磷磷是钢中的有害元素，也在炼钢时由矿石带入钢中的。,.,（二）碳钢的分类,碳素钢,碳素钢,.,（三）碳钢的牌号、性能和用途1普通碳素结构钢（1）质量等级符号含义A级的硫、磷的含量最低，D级的硫、磷的含量最高。（2）脱氧方法符号含义F-沸腾钢，Z-镇静钢，TZ-特殊镇静钢。通常多用镇静钢，故其符号Z一般省略不表示。2优质碳素结构钢普通碳素结构钢的规定牌号有Q195、Q215、Q235和Q275四种。这类钢的碳含量较低，而硫、磷等有害元素和其他杂质含量较多，故强度不够高，但塑性，韧性好，焊接性能优良，冶炼简便，成本低，使用时一般不进行热处理。普通碳素结构钢一般作为工程用钢，广泛用于建筑、桥梁、船舶、车辆工程。碳素结构钢也可作为机器用钢，用于制造不重要的机器零件。,.,普通碳素结构钢常用于制造汽车传动轴间支架、发动机前后支架、后视镜支杆、三、四、五档同步器锥盘、差速器螺栓锁片、车轮轮辐、驻车制动操纵杆棘爪和齿板等零件。2.优质碳素结构钢优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示，该数字表示钢的平均碳的含量的万分数，如牌号45表示其平均碳的含量为0.45%。对于较高锰含量的优质碳素结构钢，则在对应牌号后加“Mn”表示，如45Mn、65Mn等。优质碳素结构钢在汽车上的应用实例：08钢应用于驾驶室、油箱、离合器等；20钢用于离合器分离杠杆、风扇叶片、驻车制动杆等；45钢应用于凸轮轴、曲轴、转向节主销、离合器踏板轴等；65Mn钢应用于气门摇臂复位弹簧、活塞油环簧片、离合器压板盘弹簧等。,.,3碳素工具钢碳素工具钢是指含碳量为0.7%-1.3%的高碳钢。牌号用“T”表示钢的种类，后面的数字表示含碳量的千分数。常用的碳素工具钢有T8、T10、T10A、T12A(A表示高级优质钢)等。由于碳素工具钢的热硬性较差，热处理变形较大，仅适用于制造不太精密的模具，木工工具和金属切削的低速手用刀具（锉刀、锯条、手用丝锥）等。4铸钢铸钢的牌号由“ZG”和两组数字组成，其中“ZG”为铸钢代号，代号后面的两组数字分别表示屈服强度s（MPa）和抗拉强度b（MPa）。例如：ZG270-500表示屈服强度为270MPa,抗拉强度为500MPa的铸钢。铸钢在汽车上的应用实例：ZG270-500用于化油器，操作杆活接头等；ZG310-570用于CA1092的进排气岐管压板，前减震器下支架等。,.,6.2.2合金钢（一）合金钢的分类,.,（二）合金钢的牌号牌号首部用数字标明碳含量，规定合金结构钢以万分之一为单位的数字（两位数），工具钢和特殊性能钢以千分之一为单位的数字（一位数）来表示碳含量。（三）合金结构钢合金结构钢是在碳素结构钢的基础上加入一种或几种合金元素的钢，主要有：低合金结构钢；合金渗碳钢；合金调质钢；合金弹簧钢；滚动轴承钢。（四）合金工具钢合金工具钢是在碳素工具钢的基础上，再加入适量合金元素的钢，按用途分为刃具钢、模具钢和量具钢三大类：合金刃具钢、合金模具钢（冷作模具钢、热作模具钢）和合金量具钢。,.,（五）特殊性能钢特殊性能钢是指具有特殊物理和化学性能的钢，常用特殊性能钢包括1.不锈钢2.耐热钢3.耐磨钢6.2.3铸铁根据碳在铸铁中存在的形式的不同，常用铸铁有：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁、合金铸铁。6.2.4非铁金属及其合金材料非铁金属及其合金材料是指除钢铁材料以外的金属及其合金。非铁金属具有特殊的物理、化学和力学性能。1铝及铝合金铝元素是自然界中储量最丰富的金属材料。铝元素的单质金属铝及铝合金属于轻金属，是一类十分重要的金属材料，也是目前汽车工业中的重要材料之一，使用量和使用率每年都在增加。,.,图6-7所示为采用铝合金加工制造的汽车节气门体。,图6-7铝合金制成的节气门体,（1）工业纯铝,（2）铝合金,2铜及铜合金,铜及铜合金是人类历史上使用最早的金属材料。也是应用最广泛的金属材料之一。图6-8为铜锌合金制成的发电机的定子绕组。,.,图6-8发电机定子绕组,1）纯铜,2）铜合金,（1）黄铜,纯铜呈紫红色，有金属光泽，又叫紫铜或红铜。,一般将铜合金分为,以锌作为主要合金元素的铜合金叫黄铜。不含其它合金元素的黄铜为普通黄铜；含有其它合金元素的黄铜为特殊黄铜。,（2）青铜,青铜原指铜锡合金，又叫锡青铜，但目前已将含铝、硅、铅、锰等的铜合金包括在青铜内，统称为无锡青铜。,.,3轴承合金轴承合金是指用来制作滑动轴承中轴瓦和轴衬的合金。常用的轴承合金是锡基和铅基轴承合金。4钛及其合金钛及其合金是一类新型的材料。现在，钛及其合金已经代替其他金属材料大量用在航天航空，武器制造，交通运输，化工轻工及医疗卫生等部门，行业当中，发挥着越来越重要的作用，被称为“21世纪的金属”。（1）工业纯钛（2）钛合金1）钛合金；2）钛合金；3）+钛合金,.,5粉末冶金粉末冶金材料是用金属粉末或金属与非金属粉末作原料，通过配料，压制成型，烧结和后处理等工艺过程而制成的材料。6.3钢的热处理热处理是机器零件及工具制造过程中的重要工序，对发挥金属材料的潜力，改善零件的使用性能，提高产品质量，延长使用寿命具有及其重要的意义。此外，热处理还能改善毛坯的工艺性能，为后续工序作准备，以利于各种冷、热加工。,图6-9热处理工艺曲线,.,6.3.1合金的晶体结构一金属及合金的晶体结构1金属的结晶金属由液态转变为晶体状态的过程称为结晶。纯金属的结晶是在一定温度下进行的，它的结晶过程可以用冷却曲线表示。图6-10所示为用实验方法得到的纯金属凝固时的冷却曲线。,图6-10纯金属结晶时的冷却曲线,.,2金属的同素异构转变金属晶格有各种不同的形式，最常见的晶格有三种，即体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。如图6-11所示。,图6-11常见金属晶格类型从左到右：体心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格,.,液态纯铁在1538时结晶成具有体心立方晶格的-Fe,继续冷却到1394时，发生同素异构转变，体心立方晶格的-Fe转变为面心立方晶格的-Fe，再继续冷却到912时又发生同素异构转变，面心立方晶格的-Fe转变为密排六方晶格的-Fe。若在继续冷却，晶格的类型不再发生变化，如图6-12所示。,图6-12纯铁的冷却曲线,.,3合金的结构合金的构造比纯金属复杂，合金在固态时的结构一般可分为以下三类：（1）化合物：是合金各组元按一定的原子数量比化合而成的一种新的物质，它具有与组元原来晶格不同的特殊晶格。（2）固溶体：合金各组元在固态时具有相互溶解能力而形成均匀的固体，这种固体合金称为固溶体。（3）机械混合物：组成合金的各组元在固态下既不溶解，也不形成化合物，而以混合形式组合在一起的组成物称为机械混合物。6.3.2铁碳合金相图铁碳合金相图是表示在极缓慢冷却（或加热）情况下，不同成分的铁碳合金在不同温度下所具有的组织或状态的图形。,.,一铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织包括：铁素体，奥氏体，渗碳体，珠光体和莱氏体五种。二铁碳合金相图1铁碳合金相图,图6-13简化的铁碳合金相图,.,2铁碳合金相图中点、线的含义特性点状态图中主要特性点的意义、温度及成分见下表表6-2铁碳合金相图中的主要特性点,.,特性线状态图中的特性线都是铁碳合金组织发生转变的界线。它们的物理含义如下：ACD线即液相线。合金冷却到此线开始结晶，在此线以上是液态区（用L表示）。在AC线以下，从液体中结晶出奥氏体；在CD线以下，结晶出渗碳体（又称一次渗碳体，用Fe3C表示）AECF线即固相线。合金冷却到此线全部结晶为固态，此线以下为固态区。在液相线与固相线之间为合金的结晶区域。这个区域内液体与固体并存；AEC区域内为液体和奥氏体；DCF区域内为液体和渗碳体。GS线又称A3线。它是冷却时奥氏体析出铁素体的开始线，也是加热时铁素体转变为奥氏体的终了线。ES线又称Acm线。是碳在-Fe中溶解度随温度变化的曲线。此线以下奥氏体开始析出渗碳体（又称二次渗碳体，用Fe3C表示）ECF线称为共晶线。合金冷却到此温度线时，在恒温下发生共晶转变，从液体中同时结晶出奥氏体和渗碳体,.,的机械混合物，即莱氏体。凡是含碳量超过2.11%的铁碳合金，在ECF线上均发生共晶转变。PSK线称为共析线，又称A线。合金冷却到此线发生共析转变。奥氏体均将转变为珠光体。三铁碳合金的分类相图中P点左侧成分的合金称为工业纯铁相图中P、E点之间成分的合金称为钢相图中E点右侧成分的合金称为白口铸铁四铁碳合金相图的应用1在钢铁材料选用方面的应用2在铸造工艺方面的应用3在热锻、热轧工艺方面的应用4在热处理工艺方面的应用,.,6.3.3金属材料的热处理热处理是将金属材料放在一定的介质内加热、保温、冷却，通过改变材料表面或内部的金相组织结构,来控制其性能的一种金属热加工工艺。一工艺过程热处理工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程，有时只有加热和冷却两个过程。二热处理工艺的分类金属热处理工艺大体可分为1整体热处理（1）退火。完全退火和等温退火球化退火去应力退火（2）正火。（3）淬火。（4）回火。低温回火（150250）中温回火（250500）高温回火（500650）,.,2表面热处理3化学热处理6.4非金属材料在汽车上的运用,汽车常用非金属材料包括高分子材料、陶瓷材料、复合材料等。高分子材料又分为工程塑料、合成纤维、橡胶、胶粘剂、涂料。工程塑料主要指强度,韧性和耐磨性较好的,具有价廉、耐蚀、降噪、美观、质轻等特点,可用于汽车保险杠、汽车内饰件、高档车用安全玻璃、仪表板等零部件。合成纤维是指单体聚合而成具有很高强度的高分子材料,如尼龙,聚酯等,用于汽车座垫、安全带、内饰件等。橡胶具有高的弹性和回弹性,一定的强度,优异的抗疲劳,良好的耐磨、绝缘、隔声防水、缓冲、吸振等特点,用于制造汽车的轮胎、内胎、防振橡胶、软管、密封带、传动带等零部件，各种胶粘剂起到粘结，密封的作用。涂料对车身的防锈，美化及商品价值有不可忽视的作用。,.,以下主要介绍几种热塑性材料的性能与应用。1聚丙烯塑料（PP）2聚氨酯（PU）3聚氯乙烯塑料（PVC）4聚乙烯塑料（PE）5ABS树脂（ABS）6丙烯酸树脂（PMMA）7聚酰胺（PA）8聚甲醛（POM）9橡胶应用：,.,6.5汽车新型材料简介1高强度钢板从前的高强度钢板，拉延强度虽高于低碳钢板，但延伸率只有后者的50，故只适用于形状简单、延伸深度不大的零件。2.含磷高强度冷轧钢板含磷高强度冷轧钢板主要用于轿车外板、车门、顶盖和行李箱盖升板，也可用于载货汽车驾驶室的冲压件。3.超低碳高强度冷轧钢板在超低碳钢（C0.005）中加入适量的钛或铌，以保证钢板的深冲性能，再添加适量的磷以提高钢板的强度。4铝合金与汽车钢板相比，铝合金具有密度小（2.7g/cm3）、比强度高、耐锈蚀、热稳定性好、易成形、可回收再生等优点，技术成熟。,.,5镁合金镁的密度为1.8g/cm3，仅为钢材密度的35，铝材密度的66。此外它的比强度、比刚度高，阻尼性、导热性好，电磁屏蔽能力强，尺寸稳定性好，因此在航空工业和汽车工业中得到了广泛的应用。6泡沫合金板泡沫合金板由粉末合金制成，其特点是密度小，仅为0.40.7gcm3，弹性好，当受力压缩变形后，可凭自身的弹性恢复原料形状。7蜂窝夹芯复合板蜂窝夹芯复合板是两层薄面板中间夹一层厚而极轻的蜂窝组成。8工程塑料与通用塑料相比，工程塑料具有优良的机械性能、电性,.,能、耐化学性、耐热性、耐磨性、尺寸稳定性等特点，且比要取代的金属材料轻、成型时能耗少。,本章小结1金属材料的静态力学性能指标包括强度