第一章汽车工程材料

1、 第一章 汽车工程材料授课题目（章、节）汽车工程材料授课类型理论课授课学时6学时教学目的及要求1.掌握金属材料力学性能和使用性能指标2.了解钢、铁的分类及碳钢分类及牌号，了解含碳量对钢性能的影响3.了解合金钢的分类、性能及用途，掌握有关合金钢的牌号并掌握牌号的含义4.了解铸铁的分类、性能及用途，掌握有关铸铁的牌号并掌握牌号的含义5.了解铝及铝合金、铜及铜合金的特点、性能及用途6.了解非金属材料的特点、性能及用途重点难点重点:1. 金属材料的力学性能  2. 钢、铁的分类2. 碳钢分类及牌号4. 铸铁分类及牌号难点:1.金属材料的力学性能教学方法及手段理论讲授法、启发式教学法

2、、powerpoint演示教学过程设计教学步骤:1.组织教学2.复习提问、引出本讲教学内容3.新课讲解4.穿插提问5.归纳总结6.布置作业理论教学内容：1金属材料的力学性能和工艺性能1.1 金属材料的力学性能1.2 金属材料的工艺性能2金属材料2.1 黑色金属  2.2 有色金属3. 非金属材料理论教学内容和过程：1.金属材料的性能1.1 金属材料的使用性能请同学们回顾并思考以下两个问题：1）你所知道的汽车材料有哪些？2）汽车材料的选用与环境有关吗？（一）汽车材料分类：1、金属材料-黑色金属、有色金属、合金2、非金属材料-有机高分子、无机非金属材料、新型复合材料3、汽车运行材料-燃料

3、、润滑剂、工作液（二）金属材料性能：（分组讨论每组给出答案，老师点拨）1.使用性能-力学性能、物理性能、化学性能2.工艺性能-压力加工性能、铸造性能、焊接性能、切削加工 热处理（三）1、力学性能定义：材料受到外力作用所表现出来的性能，又称机械能。2、力学性能包括：强度、塑性、硬度、冲击韧性、抗疲劳性（板书） (四)同学分组讨论你们所知的外力（载荷）指的是哪些？并指出实例载荷的分类根据外力作用的类型可分为拉伸载荷抗拉强度拉钩、绳、螺栓压缩载荷抗压强度活塞、连杆弯曲载荷抗弯强度曲轴、摇臂剪切载荷抗剪强度销、轴扭转载荷扭转扭转曲轴等旋转零件根据作用力的方向、时间可分为静载荷缓慢增加后保持大小和方向不

4、变的载荷冲击载荷不仅和作用力有关，而且作用时的速度有关交变载荷力的大小、方向随时间作周期性变化（五）力学性能指标：1.强度-在外力作用下，金属材料抵抗永久变形和断裂的能力（1） 强度的大小用应力表示，金属材料在受到外力作用时必然在材料内部产生与外力相等的抵抗力，即内力。（2） 单位截面上的内力称为应力。（3） 用符号表示，=F/S（4） 单位：Pa（5） 通过拉伸试验得到的指标有；弹性极限、屈服强度、抗拉强度。2.塑性-在外力作用下,金属材料产生永久变形而不断裂的能力（1） 定义：指材料受力时在断裂前产生永久变形的能力。（2） 指标：伸长率（）和断面收缩率=（L-L0）/L0×100

5、 =（S0-S）/S0×100（3） 伸长率、断面收缩率与塑性的关系：、值越大，塑性越好。3.硬度指材料表面抵抗局部塑性变形、压痕或划痕的能力。汽车零件根据工作条件的不同，要求具有一定的硬度以保证零件具有足够的强度、耐磨性、和使用寿命等。常用硬度试验法；布氏硬度HB、洛氏硬度HRC、维氏硬度HV布氏硬度的测试原理：采用直径为D的球体，以一定的压力F将其压入被测金属表面，并留下压痕。压痕的表面积越大，则材料的布氏硬度值越低。在实际测定中，只需量出压痕直径d的大小，然后查表即可得布氏硬度值。主要用于测定各种不太硬的钢及灰铸铁和有色金属的硬度。洛氏硬度的测试原理：是以试样被测点的压痕深度为

6、依据。压痕越深，硬度越低，以锥角为120°的金刚石圆锥为压头。测量洛氏硬度时，根据压头和加载的不同，在洛氏硬度试验机上有A、B、C三种标尺代表三种载荷值，测得的硬度分别用HRA、HRB、HRC表示。硬度与耐磨性的关系：硬度越大，耐磨性也越好。 4. 冲击韧性（1） 定义：材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。（2） 指标：冲击韧度k=Ak/S5. 疲劳强度（1） 交变应力：许多零件，在工作过程中往往受到大小或大小及方向随时间呈周期性变化的应力作用，此应力称为交变应力。（2） 金属的疲劳：金属材料在交变应力的长期作用下，虽然应力远小于材料的抗拉强度，甚至低于屈服点，也会发生突然断裂，这种

7、现象叫金属疲劳。（3） 举例变速箱上齿轮1.2 金属材料的工艺性能 工艺性能是指材料在成形过程中，对某种加工工艺的适应能力，它是决定材料能否进行加工或如何进行加工的重要因素，材料工艺性能的好坏，会直接影响机械零件的工艺方法、加工质量、制造成本等。材料的工艺性能主要包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能、切削加工性能等。1、铸造性能 指材料易于铸造成型并获得优质铸件的能力，衡量材料铸造性能的指标主要有流动性、收缩性等。流动性是指熔融材料的流动能力，主要受化学成分和浇注温度的影响，流动性好的材料容易充满铸型型腔，从而获得外形完整、尺寸精确、轮廓清晰的铸件；收缩性是指铸件在冷却凝固过程中其体积

8、和尺寸减少的现象，铸件收缩不仅影响其尺寸，还会使铸件产生缩孔、疏松、内应力、变形和开裂等缺陷。2、锻造性能 是指材料是否容易进行压力加工的性能。它取决于材料的塑性和变形抗力的大小，材料的塑性越好，变形抗力越小，材料的锻造性能越好。如纯铜在室温下有良好的锻造性能；碳钢的锻造性能优于合金钢；铸铁则不能锻造。 3、焊接性能 是指材料是否易于焊接并能获得优质焊缝的能力。 碳钢的焊接性能主要取决于钢的化学成分，特别是钢的碳含量影响最大。低碳钢具有良好的焊接性能，而高碳钢、铸铁等材料的焊接性能较差。4、热处理性能 是指材料进行热处理的难易程度。 热处理可以提高材料的力学性能，充分发挥材料的潜力。5、切削加

9、工性能 是指材料接受切削加工的难易程度，主要包括切削速度、表面粗糙度、刀具的使用寿命等。 一般来说，材料的硬度适中（180220HBS）其切削加工性能良好，所以灰铸铁的切削加工性比钢好，碳钢的切削加工性比合金钢好。改变钢的成分和显微组织可改善钢的切削加工性能。 2.铁碳合金状态图 多数金属在固态下只有一种晶格类型。但Fe、Ti、Co、Mn等晶态固体并不只有一种晶体结构，而是随着外界条件（如温度、压力）的变化而有不同类型的晶体结构。即在固态下会发生晶格类型的转变，这种转变称为同素异构转变。 其中纯铁的同素异构转变尤为重要，它是钢能够进行热处理改变其组织与结构，从而改善力学性能和工艺性能的根本原因

10、。 高温下的液态纯铁在冷却至1538时开始结晶，得到具有体心立方晶格的-Fe；继续冷却到1394时，则转变为面心立方晶格的-Fe；再冷却到912时，又转变成体心立方晶格的-Fe。(体心立方晶格的晶胞中，八个原子处于立方体的角上，一个原子处于立方体的中心，角上八个原子与中心原子紧靠。面心立方晶胞，金属原子分布在立方体的八个角上和六个面的中心。面中心的原子与该面四个角上的原子紧靠。)2.1 铁碳合金的基本组织 在铁碳合金中，铁和碳互相结合的方式是：在液态时，铁和碳可以无限互溶；在固态时，碳可溶于铁中形成固溶体；当含碳量超过固态溶解度时，出现化合物（Fe3C），此外还可以形成由固溶体和化合物组成的混

11、合物。（1）铁素体 碳溶解在-Fe中形成的间隙固溶体成为铁素体，用符号F（或表示）。由于体心立方晶格的-Fe的晶格间隙很小，所以碳在-Fe中的溶解度很低，在727时的最大溶碳量为0.0218%，随着温度的降低，溶碳量逐渐下降。铁素体的性能接近于-Fe，具有良好的塑性和韧性，而强度和刚度都较低。（2）奥氏体 碳溶解在-Fe中所形成的间隙固溶体成为奥氏体，用符号A（或）表示。由于面心立方晶格的-Fe晶格的间隙较大，故溶碳能力较强，在1148时，溶碳量可达2.11%，随着温度的降低，溶碳量逐渐下降，到727时为0.77%。奥氏体的强度和硬度都不高，但具有良好的塑性，因此绝大多数钢在高温时（处于奥氏体

12、状态）具有良好的锻造和轧制工艺性能。（3）渗碳体 渗碳体Cm是铁和碳的金属化合物，他的分子式为Fe3C，其碳的质量分数为6.69%，具有很高的硬度，但塑性很差，是一种脆而硬的组织。（4）珠光体P 它是奥氏体从高温缓慢冷却至727以下时，发生共析反应所形成的铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状复相物。用P表示（5）莱氏体Ld 是碳的质量分数为4.3%的熔体，在1148发生共晶反应所形成的奥氏体和渗碳体所组成的共晶体，用Ld表示。继续冷却至727时，莱氏体内的奥氏体转变为珠光体，转变后的莱氏体用Ld表示。莱氏体的力学性能与渗碳体相似，硬度很高，塑性很差。2.2铁碳合金状态图分析 横坐标上的任何一点

13、,均代表了一种成分的铁碳合金。图中的任何一点，表明了某一成分的铁碳合金在一定温度下所具有的状态或组织。图中温度为纵坐标，碳的质量分数为横坐标，其左端点是纯铁(Wc0)；右端点是Fe3C(Wc=6.69%)。从图中可以看出，含碳量越高，铁素体的量越少而渗碳体的量越多。因而随着含碳量的增加，钢的强度、硬度相应增加，而塑性、韧性则下降。2.3 铁碳合金的分类3. 钢 钢，一般是指碳质量分数2.11%的铁碳合金。钢中除了铁和碳两种元素以外，还有由炼钢原料带入炼钢过程中并残留下来的其他常存元素，称为杂质。这些元素对钢的性能产生很大影响。 常存元素有硅、锰、硫、磷。（）、锰的影响 炼钢时加入锰，能使FeO

14、还原成铁，从而提高钢的质量。脱氧后残留在钢中的锰可溶于铁素体和渗碳体中，使钢的强度和硬度提高。锰还可以和硫形成MnS，减轻硫对钢的有害作用。在钢中的含锰量一般为0.25-0.8%，锰属于有益元素。 （）、硅的影响 硅也是作为脱氧剂而加入钢中的，硅的脱氧作用比锰还要强。硅大部分溶于铁素体中，它能提高钢的强度和硬度，所以硅也是钢中的有益元素，硅作为杂质而存在于钢中时，其含量一般不应超过0.4%。（）、硫的影响 硫是钢中的有害杂质元素。它常以FeS的形式存在于钢中，FeS与铁形成易熔共晶体，其熔点为985，分布于晶界。当钢在1000-1200 进行锻造时，由于共晶体溶化而导致钢材开裂，这种现象称为热

15、脆。为避免热脆，钢中含硫量必须严格控制，应小于0.05%。 硫对钢的焊接也有不利影响，会导致焊缝热裂现象，同时，硫易氧化形成SO2气体，使得焊缝中产生气孔。（4）、磷的影响 磷也是钢中的有害元素，磷在钢中能溶于铁素体，使铁素体的强度、硬度显著提高，却使塑性、韧性急剧下降，在低温时，这种情况更加严重，这种现象称为冷脆。因此，应严格控制钢中的含磷量，一般情况含磷量应小于0.045%。 （5）、非金属夹杂物钢中的非金属夹杂物有氧化物（FeO、 Fe3O4、MnO、SiO2）、硫化物（MnS、FeS）、硅酸盐等。这些夹杂物是炼钢时产生的而未能完全排除在钢液之上，或是从炉渣、炉体、铸锭设备等耐火材料中带

16、入的。非金属夹杂物降低钢的强度、塑性，因而夹杂物越少，钢的质量越好。 3.1碳素钢碳素钢又称碳钢，在工业上占有很重要的地位。这是由于碳钢不仅具有较好的机械性能，良好的工艺性能，而且价格低廉、品种多样，能够满足各种场合的使用要求，所以约占钢总产量的90%以上。例如汽车的外壳、车架、车桥等，其中的零部件材料很多采用的是碳素钢。碳素钢的分类碳素钢的分类方法很多，最常见的有以下三种：（1）按钢中的含碳量分低碳钢 （c<0.25%）；中碳钢（c=0.25-0.6%）；高碳钢（c>0.6%）（2） 按钢的质量分普通钢、高级优质钢和特种钢（3） 按用途分碳素结构钢、碳素工具钢一、 碳素结构钢（1

17、）普通碳素结构钢 碳素结构钢的牌号由代表钢材屈服点的字母（Q）、屈服点数值、质量等级符号和脱氧方法符号等四部分按顺序组成。规定牌号有Q195、Q215、Q235和Q275四种。 这类钢的碳的质量分数较低，加上硫、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，冶炼方便成本低，适合工程用钢批量大的特点。（2）优质碳素结构钢 含碳量0.05-0.9%，有害杂质含量很少，通常经过热处理后可提高机械性能。 牌号用两位数字表示，数字代表钢平均碳的质量万分数，如牌号45表示其平均碳的质量分数为0.45%。较高含Mn量（0.7%1.2%）的优质碳素结构钢，牌号后加“Mn”，如45

18、Mn、65Mn等。根据炭、热处理和用途的不同，优质碳素结构钢还可分为以下三类： 1）渗碳钢 其c=0.15-0.25%，常用的为20钢。渗碳钢属于低碳钢，其强度较低，但塑性和韧性较好，切削加工性能和焊接性能优良，可直接用来制造各种受力不大，但要求较高韧性的零件以及焊接件和冷冲件，如拉杆、轴套等。但通常多进行表面渗碳处理、淬火和低温回火处理，以获得表面硬度高、耐磨、且心部韧性好的“表硬里韧”的性能，适用于要求承受一定冲击载荷和有摩擦、磨损的机器零件，如凸轮、滑块、活塞销等。 2）调质钢 c=0.25-0.5% ，常用的为45钢。属于中碳钢，常用牌号为45、35等。调质钢多进行调质处理，即进行淬火

19、和高温回火处理，已获得良好的综合力学性能等。调质钢多用于制造较重要的机器零件，如凸轮轴、曲轴、连杆和齿轮等。3）弹簧钢 c=0.55-0.9% ，通常多进行淬火和中温回火，以获得较高的弹性极限。主要用于制造弹簧等各种弹性元件以及易磨损的零件，如车轮等。4）铸钢 铸钢是将熔化的钢水直接浇注到铸型中去，冷却后即获得零件毛坯（或零件）的一种钢材。铸钢的牌号有ZG200-400、ZG230-450、ZG270-500、ZG310-570和ZG340-640五种。其中代号ZG表示铸钢，代号后面的两组数字表示屈服点和抗拉强度的值，单位均为MPa。二、碳素工具钢碳素工具钢是用于制造刃具、模具和量具的钢。它应

20、满足刀具在硬度、耐磨性、强度和韧性等方面的要求。例如在金属切削过程中，随温度的升高，机床刀具不仅要求在常温时具有高的硬度，而且要求在高温时仍保持切削所需硬度的性能，即热硬性。 碳素工具钢的牌号用“T”加数字表示。“T”为“碳”字的汉语拼音字首，数字表示平均含碳量的千分数，牌号末尾的字母A表示高级优质。例如T9表示平均含碳量为0.9%的碳素工具钢。 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、木工工具盒金属切削的低速手用工具（锉刀、锯条、手用丝锥）等。3.2 合金钢在碳钢的基础上，加入某些合金元素而得到的钢，常用的合金元素有Si、Mn、Cr、Ni等。 与碳素钢相比，热

21、处理性能较好，力学性能指标更高，还能满足某些特殊性能要求。但有些合金钢的冶炼、加工比较困难，经济差。所以，要合理地使用合金钢，使之既能保证使用性能要求，又可产生良好的经济效益。合金钢可分为合金结构钢、合金工具钢和特殊性能钢。1、 合金结构钢（1）低合金高强度结构钢 Q345、Q390、Q420、Q460、Q500、Q550、Q620、Q690八种。 它们都是在碳素结构钢的基础上加入少量的不同合金元素儿得到的低碳、低合金的钢种，其力学性能较相应的碳素结构钢有明显的提高，并且具有良好的塑性、韧性、耐蚀性和焊接性能，故广泛应用于各种重要的工程结构。（2）低合金铸钢 主要用于一般碳素结构钢不能满足使用

22、要求的工程与结构的铸件。牌号ZG（铸钢）+D（低合金）+屈服点数值、抗拉强度值。 如ZGD270-480、ZGD290-510等共八种。（3）合金结构钢 牌号用“数字+合金元素符号+数字”的方法来表示。 前面的数字表示碳的质量分数的万分数，合金元素后面的数字表示该元素质量分数的百分数。当平均质量分数低于1.5%时，仅标出元素符号，如60Si2Mn表示碳的质量分数为0.6%，硅的质量分数为2%，锰的质量分数小于1.5%。（4）专用合金结构钢 滚动轴承钢是专门用于制造滚动轴承内、外套圈和滚动体的合金结构钢。中小型轴承多采用GCr15（或GCr15）制造，平均碳的质量分数达1.0%，铬的质量分数为1

23、.5%。 牌号中的“G”是滚动轴承钢的代号，“ZG”为铸造滚动轴承钢。2、 合金工具钢 合金工具钢是在碳素工具钢的基础上加入少量合金元素（Si、Mn、Cr、W、V等）制成的，由于合金元素的加入，提高了材料的热硬性，改善了热处理性能。合金工具钢常用来制造各种量具、模具或切削工具。 牌号的前一位数字表示钢中的碳的平均质量分数（用千分之几表示）；若碳的平均质量分数1%时，一般不标出。合金元素符号后的数字表示该元素的平均质量分数，若合金元素的质量分数小于1.5%，一般不标出。例如：9SiCr9表示平均含碳量为0.9%左右，Si和Cr后无数字表示该元素的平均质量分数在1.5%以下。机床切削加工的刀具常用

24、高速钢制造。高速钢是一种含钨、铬、钒等合金元素较多的合金工具钢。它有很高的热硬性，当切削温度高达550左右时，硬度仍无明显下降。高速钢具备足够的强度和韧性，可以承受较大的冲击和振动。此外，高速钢还具有良好的热处理性能和耐磨性能。常用的高速钢牌号有W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2等。3、 特殊性能钢 特殊性能钢是一种含有较多合金元素，并具有某些特殊物理性能和化学性能的钢。常用的有不锈钢、耐热钢及软磁钢。 不锈钢中主要的合金元素是铬和镍，并具有良好的耐蚀不锈性能，适用于制造化工设备、医疗器械等。常用的不锈钢友1Cr13、2Cr13、1Cr18Ni9Ti等。耐热钢是在高温下不发生氧化并具有较高强

25、度的钢，适用于制造在高温条件下工作的零件。 软磁钢又名硅片钢，它是在钢中加入硅并轧制而成的薄片状材料。具有很好的 磁性。4. 钢的热处理 钢的热处理是将钢在固体状态下通过加热、保温和以不同的方式冷却，来改变钢的内部组织结构，从而获得所需性能的一种工艺方法。4.1普通热处理1 退火 定义：将金属加热到适当温度（应根据工件的钢号，热处理的目的等因素确定），保持一段时间，然后缓慢冷却（一般是随炉冷却，简称炉冷）的一种金属热处理工艺。 退火的目的：(1)降低硬度，改善切削加工性； (2)消除残余应力，稳定尺寸，减少变形与裂纹倾向； (3)细化晶粒，调整组织，消除组织缺陷。2 正火正火是将工件加热至一定

26、温度后，保温一段时间后，从炉中取出在空气中或喷水、喷雾或吹风冷却的金属热处理工艺。其目的是在于使晶粒细化和碳化物分布均匀化。 与退火相比，正火后材料的硬度、强度、韧性都高于退火，且操作简便、周期短、成本低。3 淬火 淬火是将工件加热到临界温度以上的某一温度，保温一定时间后，然后在水、盐水或油中急剧冷却的一种热处理工艺。 淬火的目的是提高钢的硬度和耐磨性。4 回火 回火是把淬火后的工件重新加热到临界温度以下的某一温度，保温后再以适当冷却速度冷却到室温的一种热处理工艺。 回火的目的是降低淬火钢的脆性，提高韧性；稳定组织和尺寸，使工件在使用过程中不发生组织转变和形状、尺寸的变化；消除内应力，防止工件

27、在使用过程中的变形和开裂倾向；调整硬度，以获得优良的力学性能和使用性能。4.2表面热处理 表面热处理是对工件表面进行强化的金属热处理工艺。 它不改变零件心部的组织和性能，广泛用于既要求表层具有高的耐磨性、抗疲劳强度和较大的冲击载荷，又要求整体具有良好的塑性和韧性的零件，如曲轴、凸轮轴、传动齿轮等。表面热处理可分为表面淬火和化学热处理两大类。 1表面淬火 仅改变表面组织而不改变表面成分。2化学热处理 同时改变表面成分和组织。 是指将零件放入一定温度的活性介质中，使一种或几种元素渗入零件表面，以改变表层的化学成分、组织和性能的一种表面热处理工艺。5. 铸铁及有色金属在铁碳相图中，Wc为2.11%-

28、6.69%的铁碳合金称为白口铸铁，其中的碳极大的部分是以渗碳体形式存在，这类铸铁由于硬而脆，很难进行切削加工，因此很少直接用来制造及其零件，实用价值不大。实际上，在铸铁中的碳，如果经过石墨化过程，就可以以石墨的形式存在。石墨化的铸铁中的碳以石墨形式存在，加之其中的硫、磷及其他杂质的含量较高，所以与钢相比，它的力学性能较低，但它具有优良的铸造性能和切削加工性能以及耐压、耐磨和减震性能，并且生产工艺简单，成本低廉，因此在工程中得到广泛的应用。这类铸铁按石墨的形态不同，又可分为灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁和蠕墨铸铁。这里只介绍应用最多的灰铸铁和球墨铸铁。5.1铸铁一、灰铸铁灰口铸铁中的碳全部或大部分以片状石墨形态存在，其断口呈暗灰色，故称灰铸。其机械性能虽不如钢，如抗拉强度较低，塑性和韧性很差，是一种典型的脆性材料，但因石墨的存在带来一些优点，例如，吸振性；石墨能起润滑作用，