常用汽车材料与热处理基础

1、通过本章的学习具备所必需的汽车所使用的其他非金属材料基本知识。掌握汽车所用工程塑料的性能与用途。掌握汽车所用其他材料如橡胶、玻璃、陶瓷、复合材料的性能与用途。第一节钢铁材料 1 1、高强度钢板、高强度钢板 高强度钢板是在低碳钢内加入适量的微量元素，经各种处理轧制而成，其抗拉强度普遍高于440MPa（N/mm )，是普通低碳钢的23倍，深拉延性能极好，可轧制成很薄的钢板，是车身轻量化的重要材料。 到2000年，其使用量已达到50%以上。 车身高强度材料的应用： 高高强强度度材材料料抗拉强度抗拉强度 特特 点点运运 用用340MPa 抗拉强度极高，抗拉强度极高，屈服强度低、屈服强度低、延伸性高，能

2、延伸性高，能量吸收性能好。量吸收性能好。 汽车外板如发动机罩、车汽车外板如发动机罩、车门、行李箱、侧围外板等门、行李箱、侧围外板等 440MPa 590MPa 车身骨架部件车身骨架部件 780MPa 980MPa 1470MPa 2 2、结构用钢、结构用钢结构用钢大多用于发动机、变速器、底盘等强度要求高的部件上，它们不仅需要低成本、高强度、轻量化，而且还需要环保。发动机的连杆、曲轴等部件通过省略热处理而降低制造成本，广泛应用非调质钢，并且还在向更高强度化发展。 在环保方面，欧洲比较流行使用低压渗碳、气体淬火技术。为了减少环境污染物，还开发了无铅材料。 3 3、不锈钢、不锈钢由于不锈钢的耐热性和

3、耐腐蚀性好，所以被用于发动机和排气系统的部件上。铸铁廉价且形状设计自由度大、切削性好，对于复杂形状的部件，控制化学成份和组织，可以带来优良的特性(高强度、高耐热性、高耐磨损性)。 常应用于发动机的缸体、曲轴、凸轮轴和排气管等处。缸体的轻量化除了使用铝铸件，还使用蠕墨铸铁，控制熔化过程的石墨组织，使之付予一定的性能，同时应考虑轻量、高强度、高韧性。 4 4、铸铁材料、铸铁材料 由于粉末；台金的设计形状自由度较大，认为可以替换钢材。可用于气门座和气门导杆。 制造工艺的动向是：提高致密度，改进成形方法，现已应用在发动机的链轮和喷射器转子铁芯上。还有一种方法是烧结扩散结合法，就是多数部件在烧结的同时进

4、行焊接的方式。 5 5、铁基粉末冶金材料、铁基粉末冶金材料 1. 1.铝合金铝合金 铝合金的比重为2.7，是铁的1/3，与其它材料相比，轻量化效果好，成本较低，耐腐蚀性和回收利用性也好，被广泛地应用于发动机、传动系统、车身和底盘部件。铝合金分为铸件、锻件、板材和轧制件，汽车上所用的铝合金主要是铸件。尤其是压铸铝合金，尺寸精度和生产率很高。 铝合金常应用在缸体、缸盖、变速器壳和接头上。铝合金车身大大降低了车身重量铝合金车身大大降低了车身重量2.2.镁合金镁合金 镁合金的比重是7.8，比铝合金轻23，强度和刚性也很好，作为轻量化材料一直倍受人们的关注。但是除压铸外，其它的各种成形适应性差，再加上耐

5、腐蚀性差、基体金属成本高、耐热性差，应用上受到了局限。通过减少杂质可以大幅度提高耐腐蚀性，其实它并不比铝合金压铸逊色。主要应用在缸盖和各类密封垫上，延性好的AM类合金(AM50A，AM60B)主要应用在转向器芯棒上。大多应用于没有腐蚀性和环境温度不高的小部件上。欧美的情况是，应用在仪表板骨架和有耐热性要求的驱动部件的罩类上。近年来，日本国内镁合金应用在座椅和仪表板骨架等大部件的情况已进入了实用化阶段。在镁合金中添加Ca和稀土元素，提高其耐热性，目前已开始应用在机油盘壳和变速器壳上。如果耐热镁合金部件的成本进一步降低的话，应用范围还会更加广泛。 除铸造成形工艺外，还有锻造、挤压、轧制和焊接的新工

6、艺也处在研究开发之中，今后研究成果将层出不穷。第三节工程塑料塑料是一种以有机合成树脂为主要组成的高分子材料，它通常可塑料是一种以有机合成树脂为主要组成的高分子材料，它通常可在加热、加压条件下被注塑或固化成形，故称为塑料。汽车用工程塑在加热、加压条件下被注塑或固化成形，故称为塑料。汽车用工程塑料，主要用于制造某些机器零件或构件，具有强度、韧度和耐磨性较料，主要用于制造某些机器零件或构件，具有强度、韧度和耐磨性较好，价廉、耐腐蚀、降噪声、美观、质轻等特点。好，价廉、耐腐蚀、降噪声、美观、质轻等特点。树脂是决定塑料性能和使用范围的主要组成物，在塑料中，起粘树脂是决定塑料性能和使用范围的主要组成物，在

7、塑料中，起粘结其他组分的作用。塑料中的合成树脂质量分数一般为结其他组分的作用。塑料中的合成树脂质量分数一般为3030100100。因此，大多数塑料都是以树脂名称来命名的，例如，聚氯乙烯塑料的因此，大多数塑料都是以树脂名称来命名的，例如，聚氯乙烯塑料的树脂就是聚氯乙烯。树脂就是聚氯乙烯。 （1 1）填充剂；（）填充剂；（2 2）增塑剂；（）增塑剂；（3 3）稳定剂；（）稳定剂；（4 4）着色剂；（）着色剂；（5 5）其他其他 工程塑料主要指综合性能（包括力学性能、耐热性、耐寒性、耐工程塑料主要指综合性能（包括力学性能、耐热性、耐寒性、耐蚀性和蚀性和绝缘性能等）良好的各种塑料。它们是制造工程结构用

8、零部件、绝缘性能等）良好的各种塑料。它们是制造工程结构用零部件、工业容器和设备等的一类新型结构材料。工业容器和设备等的一类新型结构材料。常用的工程塑料分为热塑性工程塑料和热固性工程塑料两类。常用的工程塑料分为热塑性工程塑料和热固性工程塑料两类。汽车用塑料按照用途可分为内饰件用塑料、工程塑料和外装件用汽车用塑料按照用途可分为内饰件用塑料、工程塑料和外装件用料。料。内饰用塑料品种主要有：聚氨酯（内饰用塑料品种主要有：聚氨酯（PUPU）、聚氯乙烯（）、聚氯乙烯（PVCPVC）、聚）、聚丙烯（丙烯（PPPP）和）和ABSABS等。它们用于制作座垫、仪表板、扶手、头枕、门等。它们用于制作座垫、仪表板、扶

9、手、头枕、门内衬板、顶棚衬里、地毯、控制箱、转向盘等内饰塑料制品。内衬板、顶棚衬里、地毯、控制箱、转向盘等内饰塑料制品。汽车上常用的工程塑料有聚丙烯（汽车上常用的工程塑料有聚丙烯（PPPP）、聚乙烯（）、聚乙烯（PEPE）、聚苯烯、）、聚苯烯、ABSABS、聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、酚醛树脂等。、聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、酚醛树脂等。汽车的外装件及结构件包括传动轴、车架、发动机罩等，要求具汽车的外装件及结构件包括传动轴、车架、发动机罩等，要求具备高强度，因而多采用纤维增强塑料复合材料制造。备高强度，因而多采用纤维增强塑料复合材料制造。第四节其他非金属材料非金属材料包括橡胶、玻璃、陶瓷、合成纤维

10、、胶粘剂、摩擦材料、非金属材料包括橡胶、玻璃、陶瓷、合成纤维、胶粘剂、摩擦材料、涂装材料等各种材料，它们在汽车上的应用呈逐年增长的趋势。涂装材料等各种材料，它们在汽车上的应用呈逐年增长的趋势。所谓橡胶，是指在使用温度范围内处于高弹性状态的高分子材料。所谓橡胶，是指在使用温度范围内处于高弹性状态的高分子材料。橡胶最显著的特点是具有高的弹性和回弹性。同时，橡胶最显著的特点是具有高的弹性和回弹性。同时，橡胶还有一定的强度，优异的抗疲劳性，以及良好的耐磨、绝缘、隔声、橡胶还有一定的强度，优异的抗疲劳性，以及良好的耐磨、绝缘、隔声、防水、缓冲、吸振等性能。防水、缓冲、吸振等性能。橡胶是以生胶为原料，加入

11、适量的配合剂，经橡胶是以生胶为原料，加入适量的配合剂，经硫化工艺处理以后得到的一种生产原材料。硫化工艺处理以后得到的一种生产原材料。玻璃是一种非晶态固体，它是以石英砂、纯碱、长石、石灰石等为玻璃是一种非晶态固体，它是以石英砂、纯碱、长石、石灰石等为主要原料，并加入某薹金属氧化物等辅料，在高温窑中煅烧至熔融后，主要原料，并加入某薹金属氧化物等辅料，在高温窑中煅烧至熔融后，经成形、冷却所获得的非金属材料。经成形、冷却所获得的非金属材料。玻璃的一般性能有以下几方面：玻璃的一般性能有以下几方面：（1 1）密度）密度（2 2）力学性能）力学性能（3 3）耐热性）耐热性 （4 4）化学稳定性）化学稳定性

12、（5 5）绝缘性）绝缘性 （6 6）光学性质）光学性质 汽车用摩擦材料，是汽车上的消耗性材料之一，主要起到传递汽车用摩擦材料，是汽车上的消耗性材料之一，主要起到传递动力、制动减速、停车制动等作用，是汽车制动系统与行车系统的动力、制动减速、停车制动等作用，是汽车制动系统与行车系统的重要组成部分。重要组成部分。对于汽车用摩擦材料，主要有以下几方面的性能要求对于汽车用摩擦材料，主要有以下几方面的性能要求（1 1）摩擦因数）摩擦因数 （2 2）耐磨性）耐磨性（3 3）物理）物理、力学特性、力学特性（4 4）噪声）噪声汽车摩擦材料主要由骨架材料、粘结剂和填充材料所组成。汽车摩擦材料主要由骨架材料、粘结剂

13、和填充材料所组成。陶瓷大致可分为传统陶瓷及特种陶瓷两大类。其生产过程比较复陶瓷大致可分为传统陶瓷及特种陶瓷两大类。其生产过程比较复杂，但基本的工艺是原料的制备、坯料的成型和制品的烧成或烧结三杂，但基本的工艺是原料的制备、坯料的成型和制品的烧成或烧结三大步骤。大步骤。和金属一样，陶瓷材料的力学性能和物理、化学性能也是由它的和金属一样，陶瓷材料的力学性能和物理、化学性能也是由它的化学组成和结构状况决定的。陶瓷的组织结构非常复杂，一般由晶体化学组成和结构状况决定的。陶瓷的组织结构非常复杂，一般由晶体相、玻璃相和气相组成。各种相的组成、结构、数量、几何形状及分相、玻璃相和气相组成。各种相的组成、结构、

14、数量、几何形状及分布状况等都会影响陶瓷的性能。布状况等都会影响陶瓷的性能。（1 1）力学性能）力学性能（2 2）热学性能）热学性能（3 3）电学性能）电学性能（4 4）化学性能）化学性能（1 1）普通陶瓷（传统陶瓷）普通陶瓷（传统陶瓷）（2 2）特种陶瓷（现代陶瓷）特种陶瓷（现代陶瓷）复合材料是由两种或两种以上的物理和化学性质不同的物质，复合材料是由两种或两种以上的物理和化学性质不同的物质，经一定方法合成而得到的一种新的多相固体材料。它不仅具有各组经一定方法合成而得到的一种新的多相固体材料。它不仅具有各组成材料的优点，还具有比单一材料更优良的综合性能。成材料的优点，还具有比单一材料更优良的综合

15、性能。复合材料的分类至今尚不统一，目前主要采用以下几种分类方法：（1 1）按材料的用途分类）按材料的用途分类 可分为结构复合材料和功能复合材料两大类。 （2 2）按增强材料的物理形态分类）按增强材料的物理形态分类 可分为纤维增强复合材料、粒子增强复合材料及层叠复合材料。（3 3）按基体类型分类）按基体类型分类 可分为非金属基体及金属基体两大类。（1）比强度和比模量高（2）抗疲劳性能好（3）减振性能好（4）高温性能好（5）工作安全性好（6）成型工艺简便灵活及可设计性强（1）纤维增强复合材料（2）层叠复合材料（1）玻璃钢的应用（2）碳纤维增强塑料的应用学习目的：学习目的：通过本章的学习具备所必需的

16、汽车所使用的金属材料基本知识。学习要求：学习要求：掌握金属的力学性能指标及常用数据。掌握钢的热处理的基本知识及常用的热处理方法、工艺特点和应用范围。掌握常用的机械工程材料类型、牌号、力学性能及用途。初步具有选择工程材料的能力。第一节金属的力学性能材料的力学性能是指材料在外力作用下所表现出来的特性。力学性能包括强度、塑性、硬度、冲击韧度及疲劳强度等。一、强度一、强度强度是指金属材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的能力。强度指标一般可以通过金属拉伸试验来测定。把标准试样装夹在试验机上，然后对试样缓慢施加拉力，使之不断变形直到拉断为止。在此过程中，试验机能自动绘制出载荷F和试样变形量AL的关系曲线。此曲

17、线叫做拉伸曲线。1 1拉伸曲线拉伸曲线图2-1为低碳钢的拉伸曲线，图中纵坐标表示载荷单位为N；横坐标表示绝对伸长量L，单位为mm。金属材料的强化机制金属材料的强化机制 从图2-1中可以看出下面几个变形阶段：（1）Oe弹性变形阶段 （2）es屈服阶段 （3）sb强化阶段 （4）bk缩颈阶段材料受到外力作用会发生变形，同时在材料内部产生一个抵抗变形的力称为内力。单位面积上的内力称为应力，单位为Pa（帕），即N/m2工程上常用MPa(兆帕)，1MPa=106pa，或1Pa=1N/m2，或1MPa=1N/mm2。（1）屈服点s材料产生屈服时的最小应力。单位为MPa。s= Fs/AO （2-1）式中，F

18、s是屈服时的最小载荷(N)；A0是试样原始截面积。对于无明显屈服现象的金属材料（如高碳钢、铸铁），测量屈服点很困难，工程上经常采用残余伸长为0.2原长时的应力0.2作为屈服强度指标，称为规定残余伸长应力。0.2= F0.2/AO （2-2）（2）抗拉强度b材料在拉断前所承受的最大应力，单位为MPa。抗拉强度表示材料抵抗均匀塑性变形的最大能力，也是设计机械零件和选材的主要依据。b= Fb/AO （2-3）式中，Fb是试样断裂前所承受的最大载荷（N）。金属材料在载荷的作用下，产生塑性变形而不断裂的能力称为塑性。通过拉伸试验测得 的常用塑性指标有：断后伸长率和断面收缩率。试样拉断后的标距伸长量和原始

19、标距之比 =(L1L0)/L0100 （2-4） 式中，L1试样原始标距长度。L0试样拉断后的标距长度。试样拉断处=100横截面积的缩减量与原始横截面积之比= =(A0A1)/AO 100（2-5）式中，Ao是试样的原始横截面积；A是试样断口处的横截面积。硬度是指材料表面抵抗局部塑性变形、压痕或划痕的能力。常用来测定硬度的方法有布氏硬度试验法和洛氏硬度试验法。如图2-2所示采用直径为D的淬火钢球或硬质合金球，在规定载荷F的作用下，压入被测金属表面，保持一定时间后卸除载荷，测定压痕直径，求出压痕球形的表面积，压痕单位表面积上所承受的平均压力（F/A）即为布氏硬度值，压头为淬火钢球时用HBS表示，

20、压头为硬质合金球用时HBW表示。例如120HBS，450HBW。采用顶角为120的金刚石圆锥体或直径为1.588mm的淬火钢球作为压头如图2-3所示。试验时先施加初载荷，使压头与试样表面接触良好，保证测量准确，再施加主载荷，保持到规定的时间后再卸除主载荷，依据压痕的深度来确定材料的硬度值。 对于承受冲击载荷的材料，如汽车发动机中的活塞，不仅要求具有高的强度和一定的塑性，还必须具备足够的冲击韧度。金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为冲击韧度。冲击韧度的测定方法，如图2-4所示。是将被测材料制成标准缺口试样，在冲击试验机上由置于一定高度的重锤自由落下而一次冲断。冲断试样所消耗的能量称为冲击功

21、，其数值为重锤冲断试样的势能差。冲击韧度值aKV就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功，这个值越大，则韧性越好，受冲击时，越不容易断裂。在汽车上的许多零件中，比如各种轴、齿轮、弹簧、连杆等，要受到大小和方向呈周期性变化的载荷作用。这种交变载荷虽然小于材料的强度极限，甚至小于其弹性极限，但经多次循环后，在没有明显的外观变形时也会发生断裂，这种破坏称作疲劳破坏或疲劳断裂。这种破坏都是突然发生的，具有很大的危险性。疲劳强度-1是表示材料以周期性交变载荷作用而不致引起断裂的最大应力，其大小与应力变化的次数有关。对于黑色金属规定循环次数为107次，有色金属循环次数为108次。为了提高金属的疲劳强度，可

22、以通过改善零件的结构形状，避免应力集中，减小表面粗糙度值，进行表面热处理和强化处理等方法。第二节钢的热处理常识热处理是将固态金属或合金采用适当的方式进行加热、保温和冷却以获得所需要的组织结构与性能的工艺。根据热处理的目的和工艺方法的不同，热处理可分为：热处理方法虽然很多，但任何一种热处理工艺都是由加热、保温、和冷却三个阶段所组成的。热处理工艺过程可用在温度一时间坐标系中的曲线图表示，这种曲线称为热处理工艺曲线，见图2-5。在热处理工艺中，钢的加热目的是为了获得奥氏体，奥氏体是钢在高温状态时的组织，其强度及硬度高，塑性良好，晶粒的大小、成分及其均匀化程度，对钢冷却后的组织和性能有重要影响。因此，钢在加热时，为了得到细小均匀的奥氏体晶粒，必须严格控制加热温度和保温时间，以求在冷却后获得高性能的组织。冷却是热处理的关键工序，成分相同的钢经加热获得奥氏体组织后，以不同的速度冷却时，将获得不同的力学性能，见表2-1。退火是将钢加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却（一般随炉冷却）的热处理工艺。正火是指把钢加热到组织转变