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1、汽汽 车车 材材 料料波波 导导 汽汽 车车 研研 究究 院院汽车材料汽车材料1汽车材料概论汽车材料概论2材料的性能材料的性能3发动机主要零件的材料发动机主要零件的材料4底盘主要零件的材料底盘主要零件的材料5车身材料车身材料一一 汽车材料概论汽车材料概论1汽车材料的分类汽车材料的分类2汽车材料的应用情况汽车材料的应用情况3 材料专业知识在汽车研发和生产中材料专业知识在汽车研发和生产中的作用的作用1 汽车材料的分类汽车材料的分类1.1 汽车用金属材料汽车用金属材料1.2 汽车用非金属材料汽车用非金属材料1.1 汽车用金属材料汽车用金属材料1)黑色金属材料： 钢材钢板、钢带、型钢、钢管、钢丝 铸钢

2、铸造碳钢、铸造合金钢 铸铁灰口铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁2） 有色金属材料： 铝合金铸造铝合金、压力加工铝合金、铝基复合材料 铜合金紫铜、黄铜、青铜 镁合金 轴承合金铝基、铜基、铅基、锡基 钛合金1.2 汽车用非金属材料汽车用非金属材料 1) 塑料热塑性塑料、热固性塑料、塑料基复合材料 2）橡胶天然橡胶、合成橡胶 3）玻璃 4）陶瓷结构用陶瓷、功能性陶瓷 5）织物、皮革 6）木材 7）涂料油漆、防石击涂料、隔音防震涂料 8）油料燃油、润滑油、冷却液、制动液 1.3 材料标准介绍材料标准介绍1.3.1 钢材标准钢材标准 1)中国国家标准GB采用化学元素符号、元素含量和汉语拼音字母表示优质

3、碳素结构钢和合金钢的钢号。其中碳元素（C）含量以万分之一为单位，合金元素以百分之一为单位，修约为整数。汉语拼音字母表示脱氧方法、用途等,如F沸腾钢，L汽车梁用钢，CL汽车车轮用钢，Y易切削钢，ML铆螺钢。排列顺序为数字（碳含量）-元素符号-该元素含量（“1”省略）-汉语拼音字母（只在必要时才标注）。举例说明：08F、18CrMnTi、16MnL、60Si2Mn 普通碳素结构钢用拼音字母Q+数字+质量等级+脱氧方法表示。Q为“屈服强度”汉语拼音的头一个字母，数字为屈服强度的最低值（以MPa为单位），质量等级分为A、B、C、D。如Q235-A等。 耐热和工具钢钢号表示方法基本与以上相同，只是碳含量

4、以千分之一为单位。如5Cr21Mn9Ni4N。 1.3 材料标准介绍材料标准介绍1.3.1 钢材标准钢材标准2)常见的美国标准有SAE(美国汽车工程学会)、AISI（美国钢铁学会）、ASTM（美国材料与试验学会），其钢号表示方法相同：碳素钢和合金钢牌号用4位数字表示，间或在前头、中间或末尾加入字母。前两位数字表示钢种类别（类别号为一位数的，第二位数表示主要合金元素含量），后两位数字表示含碳量（以万分之一为单位）。类别号数字：1碳素钢；2Ni钢；3NiCr钢；4Mo钢；5Cr钢；61CrV钢；8低NiCr钢；92SiMn钢；93、94、97、98NiCrMo钢。中间加BB钢；L加Pb易切削钢；末

5、尾加H要求淬透性钢。举例说明：1045、6150、8620 耐热钢采用AISI系统，由3位数字组成，其中第1位表示钢的类别，第2、3位为顺序号。类别号：1沉淀硬化不锈钢；2CrMnNiN奥氏体钢；3CrNi奥氏体钢；4高Cr马氏体钢和低C高Cr铁素体钢；5低C马氏体钢。如302（1Cr18Ni9）、201（1Cr17Mn6Ni5N） 1.3 材料标准介绍材料标准介绍1.3.1 钢材标准钢材标准 3)日本工业标准(JIS)：一般碳素结构钢为S+含碳量（以万分之一为单位）+字母（C表示碳素钢，K表示渗碳用钢），如S09CK；合金结构钢为S+主要合金元素符号（或代号）+合金元素含量标记+碳含量+附加

6、字母。合金元素代号：MnCr钢为MnC，CrMo钢为CM，NiCr钢为NC，NiCrMo钢为NCM，AlCrMo钢为ACM。合金元素标记有2、4、6、8，在不同的钢中代表不同含量。附加字母L表示加Pb，S表示加S，U表示加Ca，H表示保证淬透性，K表示渗碳用钢。如SCr415H、SCM420H、SNCM420H；弹簧钢为SUP+钢种顺序号，如SUP7。1.3 材料标准介绍材料标准介绍1.3.2 铸铁标准铸铁标准 1)GB5612规定了铸铁牌号的表示方法。 铸铁分为灰口铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁等，分别以拼音字母HT、QT、KT、RuT表示（蠕墨铸铁尚未纳入GB，在JB4403-87中有

7、规定），因可锻铸铁有黑心、珠光体和白心之分，故KT之后分别标有H、Z和B。拼音字母之后用数字标出其抗拉强度和伸长率（二者之间用“-”分开），因灰口铸铁几乎没有伸长率，故HT之后只有抗拉强度。如HT250、QT600-3、KTH350-10、RuT300。1.3 材料标准介绍材料标准介绍1.3.2 铸铁标准铸铁标准2)美国SAE J431和SAE J434C分别规定了用于汽车的灰口铸铁和球墨铸铁的牌号。在SAE J431中规定了从G1800到G4000的有关灰口铸铁的5个通用牌号和从G2500a到G4000d的4个专用牌号，并规定了各个牌号在汽车上的主要应用范围，如G3500，抗拉强度241MP

8、a，用做柴油机汽缸体等；G4000d，抗拉强度276MPa，用做凸轮轴。在SAE434C中规定，球墨铸铁用D表示，后面用4位数字表示其抗拉强度和伸长率，前两位数字为抗拉强度，以kgf/mm2为单位，后两位数字为伸长率，以1%为单位，如D7003。1.3 材料标准介绍材料标准介绍1.3.2 铸铁标准铸铁标准3)日本JIS规定 灰口铸铁以FC+最低抗拉强度值(以MPa为单位)表示，如FC250。 球墨铸铁以FCD+最低抗拉强度值（以MPa为单位）表示，如FCD700。 黑心可锻铸铁以FCMB+最低抗拉强度值（以MPa为单位）表示，如FCMB270；珠光体可锻铸铁以FCMP+最低抗拉强度值（以MPa

9、为单位）表示，如FCMP440；白心可锻铸铁以FCMW+最低抗拉强度值（以MPa为单位）表示，如FCMW370。1.3 材料标准介绍材料标准介绍1.3.2 铸铁标准铸铁标准4)德国DIN 规定 灰口铸铁以GG+最低抗拉强度值(以kgf/mm2为单位)+试样代号表示,试样代号G另铸试样；A未规定附铸试样形式；KK型附铸试样；HH型附铸试样。如GG 15G。 球墨铸铁以GGG+最低抗拉强度值(以kgf/mm2为单位）表示。如GGG50。 黑心和珠光体可锻铸铁以GTS+最低抗拉强度值(以kgf/mm2为单位）+最低伸长率（以1%为单位）表示，如GTS-45-06；白心可锻铸铁以GTW+最低抗拉强度值

10、(以kgf/mm2为单位）+最低伸长率（以1%为单位）表示，如GTW-40-05。1.3 材料标准介绍材料标准介绍1.3.3 铸造铝合金标准铸造铝合金标准 GB/T1173规定了铸造铝合金的牌号、化学成分及力学性能。我国的铸造铝合金有牌号和代号两个名称，牌号由Z（“铸造”的第一个拼音字母）+Al+主要合金元素及其含量表示，如ZAlSi12Cu1Mg1Ni1。代号则由ZL（“铸铝”的拼音字母）+3位数字表示，其中第一位数字为合金系列，其余两位数字为序号。合金系列1Al-Si；2Al-Cu；3Al-Mg；4Al-Zn，如ZL109、ZL201。 压铸铝合金牌号和代号的表示方法与上基本相同，只是分别

11、用YZ和Y代替Z，如YZAlSi12Cu2，YL108。1.3 材料标准介绍材料标准介绍1.3.4 非金属材料标准非金属材料标准1)GB5576规定，合成橡胶的牌号由橡胶品种代号和4位数字组成，前两位表示橡胶品种的主要特征，后两位为序号。橡胶品种代号如下表。 表1 橡胶品种代号 代 号 名 称 代 号 名 称 代 号 名 称SBR丁苯橡胶MQ甲基硅橡胶CSM氯磺化聚乙烯SBS热塑丁苯橡胶MVQ甲基乙烯基硅橡胶CO均聚型氯醚橡胶BR丁二烯橡胶MPO甲基苯基硅橡胶ECO二元共聚型氯醚橡胶CR氯丁橡胶MPVQ甲基苯基乙烯基硅橡胶PECO三元共聚型氨酯橡胶NBR丁腈橡胶FNVQ腈硅橡胶T聚硫橡胶EPM

12、二元乙丙橡胶MFVQ氟硅橡胶AU聚酯型聚氨酯橡胶EPDM三元乙丙橡胶FPM氟橡胶EU聚醚型聚氨酯橡胶IR异戊橡胶FPNM含氟磷腈橡胶IIR丁基橡胶AFMU羧基亚硝基氟橡胶1.3 材料标准介绍材料标准介绍1.3.4 非金属材料标准非金属材料标准2)美国ASTM D 2000/SAE J 200规定的汽车用橡胶材料代号如表2 表2 ASTM/SAE 20种橡胶材料代号代号 胶 种代号 胶 种代号 胶 种AA天然、再生、丁苯、丁基、顺丁、乙丙、异戊橡胶BK聚硫、丁腈橡胶DH聚丙烯酸酯橡胶AK聚硫橡胶CA乙丙橡胶FC苯基硅橡胶BA丁苯、丁基、乙丙橡胶CE氯磺化聚乙烯、氯化聚乙烯橡胶FE甲基硅橡胶BC氯

13、丁、氯化聚乙烯橡胶CH氯醇、丁腈橡胶FK氟硅橡胶BE氯丁、氯化聚乙烯橡胶DA乙丙橡胶GE乙烯基硅橡胶BF丁腈橡胶DE氯磺化聚乙烯、氯化聚乙烯橡胶HK氟橡胶BG聚氨酯、丁腈橡胶DF聚丙烯酸酯橡胶1.3 材料标准介绍材料标准介绍1.3.4 非金属材料标准非金属材料标准3)GB/T 1844.1(ISO 1043-1)规定了塑料及树脂的缩写代号及其特征性能。其中列出91种聚合物和天然聚合物的缩写代号以及33种共聚物材料缩写代号，常用的如下表。 表3 汽车常用塑料缩写代号 代 号 塑 料 代 号 塑 料 代 号 塑 料PP聚丙烯EP环氧树脂PI聚酰亚胺PVC聚氯乙烯PBT聚对苯二酸丁二醇酯PF酚醛树脂

14、PE聚乙烯PET聚对苯二酸乙二醇酯UP不饱和聚酯ABS丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物POM聚甲醛PUR聚氨酯PMMA聚甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃）PPO聚苯醚PES聚酯PA聚酰胺（尼龙）PPS聚苯硫醚PSU聚砜PC聚碳酸酯PTFE聚四氟乙烯2 汽车材料的应用情况汽车材料的应用情况 2.1 汽车的金属材料消耗量汽车的金属材料消耗量 金属材料在汽车上应用的现状金属材料在汽车上应用的现状 2.2 乘用车材料构成比的实例乘用车材料构成比的实例 汽车材料现状及其发展汽车材料现状及其发展 2.1 汽车的金属材料消耗量汽车的金属材料消耗量表表4 几种国产汽车的金属材料消耗量几种国产汽车的金属材料消耗量 kg/辆

15、辆车 型 CA7220 普 桑CA1046L2 CA1091STEYR1291钢 材 1011.4 (90.34%) 725.0(77.96%) 1749.4 (86.04%) 3620.0 (74.97%) 10012.1 (77.75%)铸铁和铸钢 59.6 (5.32%) 129.0(13.87%) 242.5 (11.93%) 1159.0 (24.00%) 2799.0 (21.74%)有色金属 48.6 (4.34%) 76.0 (8.17%) 41.3 (2.03%) 49.0 (1.03%) 65.5 (0.51%)金属材料在汽车上应用的现状从表4可见:1)金属材料仍然是汽车上

16、使用最多的材料,尤其钢材占了最大的份额,这种状况在近期不会发生根本性变化。2)乘用车上有色合金的应用比例较高，这是因为对于乘用车来说，轻量化的要求更高。3)对于载货车来说，随着吨位的加大，钢铁材料的用量和应用比例都提高，有色合金的应用减少，这是因为大吨位车对强度性能更为重视。2.2 乘用车材料构成比乘用车材料构成比表表5 乘用车的材料构成比及其变化乘用车的材料构成比及其变化 % 产 地 日 本 欧 洲 备 注 年 份1977 1986 19971995 2000铸铁钢材有色金属塑料橡胶玻璃其他非金属 3.2 1.7 1.877.7 72.7 69.0 4.7 6.1 9.6 3.5 7.3 7

17、.5 8.6 8.0 6.1 2.3 4.2 6.014.0 11.054.9 52.0 7.1 10.0 8.0 12.0 7.0 7.0 9.0 8.0包括粉末冶金材料汽车材料现状及其发展1）产地不同，汽车材料的使用有所差异，这主要是由于材料价格差异引起的。日本的钢铁材料较便宜，但铝和塑料价格较高。2）金属材料仍然是汽车上使用最多的材料，但其应用有下降趋势，特别是铸铁和普通钢材。高强度钢材的应用有所增加，以铝合金为主的有色金属的应用增加较快。3）塑料的应用增加很快，塑料应用的进一步增加有待于其回收再利用技术的成熟。4）由于乘用车的高级化和舒适化倾向，使其他非金属材料的应用越来越多。3 材料

18、专业知识在汽车研发中的作用材料专业知识在汽车研发中的作用 3.1 在产品设计和试验中的作用 3.2 在工艺设计和生产中的作用3.1 在产品设计和试验中的作用在产品设计和试验中的作用1）零件设计时根据许用应力、材料强度和经典判据选用合适的材料；2）根据零件的服役条件和材料的特点确定零件的技术要求，特别是热处理技术要求；3）选用先进、合理的强化手段，优化设计、提高零件的可靠性和寿命（如曲轴）；4）试验中失效件的失效分析，为改进设计提供依据；3.1 在产品设计和试验中的作用在产品设计和试验中的作用5)合理选用材料是控制和降低汽车成本的有效手段,由表6可以看出材料对汽车成本的影响；6)新材料的应用是提

19、高产品性能和市场竞争力的有效途径（如轻量化材料应用对降油耗的作用)；7)在虚拟设计和计算机模拟中，材料数据库是其基础和必要条件。 表6 美国福特汽车公司对产品的分析 项 目设计 材料 劳务 杂项占汽车制造成本的百分比 %对产品成本影响的百分比 % 5 50 15 30 70 20 5 53.2 在工艺设计和生产中的作用在工艺设计和生产中的作用1)材料的工艺性与生产成本息息相关,如表6；2)生产过程中的废品分析为工艺参数调整和工艺改进提供依据；3)材料技术工作贯穿生产的全过程：供应商考察、进厂原材料质量控制、产品零部件内在质量控制、使用过程中的失效分析及提出改进意见；4)材料性能数据是铸造、压力

20、加工、塑料件成型等工艺过程计算机模拟（CAE）的基础，是模具设计的基础。二二 材料的性能材料的性能1金属材料的力学性能金属材料的力学性能2金属材料的磨损性能金属材料的磨损性能3金属材料的硬度金属材料的硬度4钢材的工艺性能钢材的工艺性能5非金属材料的性能非金属材料的性能1 金属材料的力学性能金属材料的力学性能1.1 拉伸性能拉伸性能1.2 冲击性能冲击性能1.3 断裂韧度断裂韧度1.4 疲劳性能疲劳性能1.1 拉伸性能拉伸性能1)抗拉强度 Rm(b)2)屈服强度 ReH或ReL(s)3)断后伸长率 A()4)断面收缩率 Z()5)弹性模量 E6)塑性应变比 r7)应变硬化指数 n1.1.1 低碳

21、钢的应力低碳钢的应力-应变曲线应变曲线o-c：弹性变形阶段c-d：屈服阶段d-b：形变强化阶段b-k：颈缩至断裂1.1.2 强度指标强度指标1)抗拉强度抗拉强度(强度极限强度极限) 定义：材料在单向拉伸时所能承受的最大应力。 Rm=Fb/S0 式中 Fb试样所能承受的最大负荷 S0试样的原始横断面面积2) 屈服强度屈服强度 定义：材料对起始塑性变形的抗力。对无屈服现象的材料则规定条件屈服强度Rp。 ReH=Fc/S0 ReL=Fd/S0 式中 Fc试样在上屈服点时的负荷 Fd试样在下屈服点时的负荷强度指标的应用强度指标的应用是汽车零件设计计算、校核、选材的主要依据；是单向拉伸时的数据，是静载荷

22、状态下的数据，是光滑试样测得的数据，是在室温条件下测得的。在应用时要考虑零件的服役条件：载荷类型、环境条件(温度上升时强度下降,在腐蚀环境下强度下降)、缺口及应力集中(使强度下降)等；容易测定、重现性好，常用于产品质量控制；影响强度的主要因素有：材料成分、热处理状态（显微组织）、晶粒大小等再介绍两个强度指标再介绍两个强度指标屈强比：屈服强度与抗拉强度的比值。对于碳素钢和低合金钢，在退火或正火状态为0.50.7；调质状态为0.60.8。即随着抗拉强度的提高屈服强度提高的比率更大。屈强比越小，则材料的塑性越好、形变强化能力越强、成型性越好。比强度：抗拉强度/材料密度 表7 几种材料的比强度 材 料

23、 镁合金 铝合金 钛合金 45钢调质 比 强 度 152.4 89.3 222.7 117.11.1.3 塑性指标塑性指标1) 断后伸长率断后伸长率 定义：拉伸断裂时标距间的伸长比率。 A=（lk-l0）/l0 式中 lk试样断裂时标距的长度 l0试样标距的原始长度2）断面收缩率）断面收缩率 定义：拉伸断口横断面面积缩小的比率。 Z=（S0-Sk）/S0 式中 Sk试样断裂后断口横断面的面积塑性指标的应用塑性指标的应用1是衡量材料冷作加工性能的尺度；2塑性材料与脆性材料的区分：断后伸长率5%为分界线；3AZ时，表明有颈缩，反之亦然；4A值与试样的标距长度/横断面积比值有依赖关系，故规定l0=5

24、d、l0=10d；或l0=5.65S01/2、l0=11.3S01/2。5表明材料承受过载荷的能力：使高应力重新分布；6随抗拉强度和硬度的提高而降低，随成分、组织而改变，对取样方向、杂质等缺陷敏感；7难应用于设计计算。1.1.4 弹性指标弹性指标 弹性模量(杨氏模量)E 定义：材料承受载荷时在弹性极限之下任意一点的应力与应变之比。 特点：主要取决于原子间结合力，故对组织不敏感，钢在不同热处理状态E仅变化2%3%。 应用：决定零件刚度，低合金钢206GPa，低碳钢196GPa，铝合金70GPa，尼龙24GPa，聚乙烯0.20.7GPa；温度上升E下降，在使用温度变化不大时可忽略。1.1.5 加工

25、性能指标加工性能指标1)塑性应变比塑性应变比 定义：金属薄板在拉伸应力下产生均匀塑性变形时，宽度方向与厚度方向的真实应变之比。 应用：衡量材料塑性变形时抵抗减薄的能力，r越大则冲压性能越好；一般取平均塑性应变比；由晶粒取向一致性决定。2)应变硬化指数应变硬化指数 定义: S=Kn 式中n即为应变硬化指数 应用：金属材料在塑性变形时形变强化能力的量度,n越大表明塑性变形更趋于均匀,则胀形性能更好；一般取应变硬化指数平均值。1.2 冲击性能冲击性能1.2.1 冲击韧度冲击韧度AK1.2.2 韧韧-脆转化温度脆转化温度TK1.2 冲击性能冲击性能1.2.1 冲击韧度冲击韧度 1) 冲击试验时的载荷冲

26、击试验时的载荷-挠度曲线挠度曲线1.2 冲击性能冲击性能1.2.1 冲击韧度冲击韧度2)冲击韧度的意义冲击韧度的意义：材料在塑性变形和断裂全过程中吸收能量的能力 冲击功： AK=Ae+Ap+Ad 缺口冲击韧度： aK=AK/F0 式中 F0试样缺口断面面积3)冲击韧度的应用冲击韧度的应用 主要反映材料对缺口的敏感度，用于控制冶炼、铸造、锻造、焊接、热处理等工艺质量；用于显示材料的脆性。无明显物理意义，不能用于设计计算1.2 冲击性能冲击性能1.2.2 韧韧-脆转化温度脆转化温度 1)定义定义：金属材料由韧性状态转变为脆性状态的临界温度。 2) 检测方法检测方法：系列冲击试验 3)判断准则判断准

27、则：能量；断口形貌；变形特征 4)应用应用：用来指导设计选材,防止低温下的脆性断裂；用同一准则评价材料的冷脆转变；注意实物与试样的差别。1.3 断裂韧度断裂韧度1.3.1 为什么要研究断裂韧度：为什么要研究断裂韧度：解决低应力脆性断裂问题 断裂力学的基本出发点：任何材料或零件都存在缺陷；缺陷可视为裂纹；断裂的本质是裂纹的失稳扩展1.3.2 断裂韧度的物理意义断裂韧度的物理意义：材料抵抗裂纹失稳扩展的能力 裂纹体应力场强度因子K=Ya1/2 裂纹位移的三种基本类型型、型、型 断裂判据：KKC（类比经典判据b）1.3.3 断裂韧度的应用断裂韧度的应用 1)根据判据确定最大承载能力或容许的缺陷尺寸根

28、据判据确定最大承载能力或容许的缺陷尺寸 2)定量评价材料的韧性定量评价材料的韧性：中碳钢50；铸铁619；铝合金2243；高分子材料0.92.8(MN/m3/2) 1.4 疲劳性能疲劳性能1.4.1 金属疲劳的概念金属疲劳的概念 1)金属的疲劳破坏金属的疲劳破坏:循环交变应力下的破坏 2)循环交变应力参数循环交变应力参数:应力幅、平均应力、应力比（不对称系数） a=(max-min)/2；m=（max+min）/2；r=min/ max 3)疲劳的三个阶段疲劳的三个阶段：裂纹的萌生、裂纹的扩展、裂纹失稳（断裂）1.4.2 研究疲劳破坏的重要性研究疲劳破坏的重要性 1)多发多发 2)低应力失效低

29、应力失效 3)无显著塑性变形无显著塑性变形,无明显征兆无明显征兆1.4 疲劳性能疲劳性能1.4.3 S-N曲线曲线 1)疲劳寿命 2)疲劳极限 3)条件疲劳极限1.4 疲劳性能疲劳性能1.4.4 疲劳强度与其他强度指标之间的关系疲劳强度与其他强度指标之间的关系 1)结构钢抗拉强度在1400MPa之下时,疲劳极限与抗拉强度成正比,前者约为后者的4060%，对于轧材约为50%，热处理材约为45%。 2)另一经验公式为：疲劳极限=RmZ 3)疲劳极限与载荷类型有关,弯曲疲劳极限约为0.5Rm；拉压疲劳极限约为弯曲疲劳极限的0.7；扭转疲劳极限约为弯曲疲劳极限的0.6。 1.4 疲劳性能疲劳性能1.4

30、.5 影响疲劳性能的主要因素影响疲劳性能的主要因素 1)对于一般调质零件来说,完全淬火后回火到45HRC疲劳强度最高；但对表面粗糙或在腐蚀介质中工作的零件来说，38HRC最好。 2)表层残余压应力能提高零件的疲劳强度,反之亦然。表面合金化、表面硬化、表面形变强化（滚压、喷丸等）都能产生表层残余压应力。 3)夹杂物严重降低疲劳强度。 4)脱碳降低疲劳强度。二二 材料的性能材料的性能2金属材料的磨损性能金属材料的磨损性能 2.1 磨损的主要类型磨损的主要类型 2.2 提高耐磨性的途径提高耐磨性的途径2 金属材料的磨损性能金属材料的磨损性能2.1 磨损的主要类型磨损的主要类型 2.1.1 磨粒磨损磨

31、粒磨损 1)磨粒磨损的分类磨粒磨损的分类：二体；三体 2)磨粒磨损的特点磨粒磨损的特点：犁沟 2.1.2 粘着磨损粘着磨损 1)粘着磨损的机理粘着磨损的机理：焊合和撕裂 2)粘着磨损的特点粘着磨损的特点：物质转移2金属材料的磨损性能金属材料的磨损性能2.1 磨损的主要类型磨损的主要类型2.1.3 疲劳磨损疲劳磨损 1)疲劳磨损机理疲劳磨损机理：赫芝应力引发疲劳裂纹，裂纹扩展引起剥落（磨损的剥层理论） 2)疲劳磨损的特点疲劳磨损的特点：剥落或点蚀2.1.4 摩擦化学磨损摩擦化学磨损 1)摩擦化学磨损机理摩擦化学磨损机理：氧化或腐蚀 2)摩擦化学磨损的特点摩擦化学磨损的特点：氧化膜或腐蚀产物2金属

32、材料的磨损性能金属材料的磨损性能2.2 提高耐磨性的途径 1)摩擦副的配合摩擦副的配合：材料种类、硬度 2)提高硬度提高硬度 3)优化组织优化组织：软基体上分布硬质点、铸铁细化珠光体组织 4)表面工程表面工程 5)改善润滑改善润滑二二 材料的性能材料的性能3金属材料的硬度金属材料的硬度 3.1 硬度的意义及其检测方法硬度的意义及其检测方法 3.2 常用的硬度值及其检测常用的硬度值及其检测 3.3 硬度值的应用硬度值的应用 3 金属材料的硬度金属材料的硬度3.1 硬度的意义及其检测方法硬度的意义及其检测方法 3.1.1 硬度的意义硬度的意义:软硬的程度。其实质是抵抗塑性变形或局部破坏的能力。 3

33、.1.2 硬度的检测方法硬度的检测方法 1)压入法压入法:布氏、洛氏、维氏、努氏 2)反跳法反跳法：里氏、肖氏 3)其他方法其他方法：锉刀、电磁方法、超声波3 金属材料的硬度金属材料的硬度3.2 常用的硬度值及其检测常用的硬度值及其检测 3.2.1 布氏硬度布氏硬度HB 1)测量原理测量原理：钢球或硬质合金球在一定的载荷下压入试样。测量压痕直径。 2)定义定义：单位压痕表面积的载荷，即 布氏硬度=2F/DD-（D2-d2）1/2 式中 F试验载荷，kgf D球体直径，mm d压痕平均直径，mm 3)标注标注：用钢球测得的硬度值用HBS表示,用硬质合金球测得的硬度值用HBW表示,其前为硬度值,其

34、后为测量条件球体直径、试验载荷、保载时间（1015s不必标），每项之间用斜线分开。 4)应用应用：反映较大面积的平均值，数据稳定，重复性好；钢球适用于450HBS以下（如退火 、正火、调质态的钢材，铸铁，粉末冶金材料，有色合金），硬质合金球适用于650HBW以下；试样厚度至少为压痕深度的10倍，大小应保证压痕中心距试验面边缘距离不小于压痕直径2.5倍；保持F/D2为常数。3.2 常用硬度值及其检测常用硬度值及其检测3.2.2 洛氏硬度洛氏硬度HR 1)测量原理测量原理：用金刚石或钢球压头在一定的载荷下压入试样，测量压入深度。 2)定义定义：洛氏硬度值=K-e 式中 K常数，对金刚石压头为100

35、，对钢球压头为130 e残余压痕深度增量，以0.002mm为单位 3)标注标注：用HR表示，其前为硬度值，其后为使用的标尺。根据压头和试验载荷不同，共有9种标尺，最常用的是C、A、B3种。 4)应用应用：操作简便，压痕小，但重复性较差；HRC用于高硬度试样的测定，适用范围是70HRC；要求试样厚度或试验层厚度不小于e的10倍，如对于50HRC的试样不小于1mm，30HRC的试样不小于1.4mm；对在曲面测得的硬度值须进行修正。 3.2 常用硬度值及其检测常用硬度值及其检测3.2.3 维氏硬度维氏硬度HV 1)测量原理测量原理：将一个相对面夹角为136的正四棱锥体金刚石压头以选定的试验力压入试样

36、表面，测量压痕对角线长度。 2)定义定义：试验力除以压痕表面积所得的商。即 维氏硬度值=1.8544F/d2 式中 F试验力，kgf d压痕两对角线长度的算术平均值，mm 3)标注标注：用HV表示，其前为硬度值，其后按顺序列出试验条件：试验力、试验力保持时间（1015s不必标）。 4)应用应用：适用于各种软金属、硬金属及硬质合金，特别适用于面积小、硬度极高的试样以及经渗碳、氮化、镀层等处理的表面层的硬度检测；对试样表面光洁度有较高要求；试样或试验层厚度不小于压痕对角线长度平均值的1.5倍,如对600HV100,厚度不小于0.834mm,600HV30,厚度不小于0.457mm；在曲面上测得的硬

37、度值须进行修正；只有在试验力相同的情况下才能精确地比较硬度值。3 金属材料的硬度金属材料的硬度 3.3 硬度值的应用硬度值的应用 1)硬度可以在工件上直接测量(非破坏),故在图纸上通常用硬度值表示对零件的强度要求。硬度与强度有近似关系 对正火、退火、调质结构钢：Rm(MPa)3.5HB或 Rm(kgf/mm2)HB/33.2HRC0.346HV对灰铸铁： Rm196MPa时 HB=RH(100+0.438 Rm) Rm196MPa时 HB=RH(44+0.724 Rm) 式中 RH为相对硬度,通常为0.801.2 2)硬度值与材料成分、组织有关，故通过硬度检测检验产品质量和工艺是否合理，特别是

38、热处理工艺。 3)硬度与耐磨性能关系密切,因而硬度作为材料耐磨性的主要指标。 4)硬度是材料可加工性能的主要衡量指标。二二 材料的性能材料的性能4钢材的工艺性能钢材的工艺性能 4.1 压力加工性能压力加工性能 4.2 切削加工性能切削加工性能 4.3 热处理工艺性能热处理工艺性能 4.4 焊接性能焊接性能4 钢材的工艺性能钢材的工艺性能4.1 压力加工性能压力加工性能 4.1.1 钢板的冷冲压成型性钢板的冷冲压成型性 1）评价指标）评价指标：r、n、成型极限图FLD 2）影响因素）影响因素：化学成分、硬度、显微组织 4.1.2 钢材的锻造性能钢材的锻造性能 1) 评价指标评价指标：高温塑性（高

39、温拉伸时的A和Z）、变形阻力（高温强度） 2）影响因素）影响因素：成分合金元素提高高温强度、降低高温塑性、S和Cu引起热脆；温度温度提高时塑性提高、强度降低；变形量和变形速度提高变形阻力 4 钢材的工艺性能钢材的工艺性能4.2 切削加工性能切削加工性能 4.2.1 评价指标评价指标 1)工具的寿命(刀具的磨损) 2)切削加工表面的光洁度 3)断屑的难易 4)切削抗力(功率消耗) 4.2.2 切削加工性与化学成分的关系切削加工性与化学成分的关系 1)改善加工性的元素：S、Pb、Bi、Cd、Te等 2)恶化加工性的元素：Al、Si、Ti等 3)可能改善也可能恶化加工性的元素：C、Mn、P、N等 4

40、.2.3 切削加工性与组织的关系切削加工性与组织的关系 1)纤维状或带状组织恶化加工性 2)粗晶粒对加工性有利 3)碳化物形态、数量对加工性影响很大 4)最适于切削加工的硬度是180HB 4 钢材的工艺性能钢材的工艺性能4.3 热处理工艺性能热处理工艺性能 4.3.1 晶粒粗大及其防止晶粒粗大及其防止 1)晶粒度的概念晶粒度的概念：本质晶粒度和实际晶粒度 2)晶粒粗大的危害晶粒粗大的危害：降低强度和韧性 3)晶粒粗大的原因和防止措施晶粒粗大的原因和防止措施：钢选材不当选用本质细晶粒钢；工艺不当降低加热温度。 4.3.2 热处理变形、开裂及其减轻途径热处理变形、开裂及其减轻途径 1)钢的淬透性和

41、淬硬性钢的淬透性和淬硬性 2)热处理应力热处理应力：热应力、组织应力 3)减小热处理变形、开裂的途径减小热处理变形、开裂的途径：零件形状复杂、截面厚度变化大容易引起变形和开裂，设计上应避免；钢材的含碳量高、淬透性高易引起变形和开裂，选材时注意；加热速度和温度过高、冷却方式和速度不当易引起变形和开裂，工艺须调整。 4 钢材的工艺性能钢材的工艺性能4.4 焊接性能焊接性能 4.4.1 两种焊接性两种焊接性 1)工艺焊接性工艺焊接性：评定焊接接头产生工艺缺陷的倾向。 2)使用焊接性使用焊接性：评定焊接接头保证强度韧性等使用性能的能力。 4.4.2 焊接性影响因素焊接性影响因素 1)材料材料：化学成分

42、，影响最大的是C，此外还有S、P、O、H、N。合金元素也有很大影响，如Mn、Cr、Mo、Ni、V等。一般把各种元素的影响折算成碳当量Ceq，JIS规定，Ceq应在0.44%以下。总之，含碳量高、合金元素多、强度高的钢焊接性差。 2)设计设计 3)工艺工艺 4)服役条件服役条件二二 材料的性能材料的性能5非金属材料的性能非金属材料的性能 5.1 塑料的主要力学性能指标塑料的主要力学性能指标 5.2 塑料的硬度塑料的硬度 5.3 橡胶的主要力学性能指标橡胶的主要力学性能指标 5.4 橡胶的硬度橡胶的硬度5.1 塑料的主要力学性能指标塑料的主要力学性能指标5.1.1 塑料的拉伸性能塑料的拉伸性能 1

43、)拉伸性能试验方法：拉伸性能试验方法：由GB/T1040-92规定。 2)主要性能指标：主要性能指标： 拉伸强度在拉伸试验中，试样直至断裂为止所承受的最大拉伸应力。 断裂伸长率在拉力作用下，试样断裂时标线间距离的增加量与初始标距之比，用百分率表示。5.1.2 塑料的压缩性能塑料的压缩性能 1)压缩性能试验方法：压缩性能试验方法：由GB/T1041-92规定。 2)主要性能指标：主要性能指标： 压缩强度在压缩试验中试样所承受的最大压缩应力，以MPa为单位。 压缩模量在应力-应变曲线的线形范围内，压缩应力与压缩应变之比。以MPa为单位。5.1 塑料的主要力学性能指标塑料的主要力学性能指标5.1.3

44、 塑料的弯曲性能塑料的弯曲性能 1)弯曲性能试验方法：弯曲性能试验方法：由GB9341-88规定 2)主要性能指标：主要性能指标： 挠度在弯曲试验中，试样跨度中心的顶面或底面偏离原始位置的距离。 弯曲强度在弯曲试验中，在规定挠度时或之前，负荷达到最大值的弯曲应力。 5.1.4 塑料的冲击性能塑料的冲击性能 1)冲击性能试验方法：冲击性能试验方法：简支梁冲击试验GB/T1043-1993；悬臂梁冲击试验GB/T1843-1996；塑料板材及塑料件耐冲击性能试验 落球法GB/T14485-1993 2)主要性能指标：主要性能指标： 无缺口试样冲击强度无缺口试样在冲击负荷作用下，破坏时吸收的冲击能量

45、与试样原始截面积之比，以kJ/m2表示。 缺口试样冲击强度缺口试样在冲击负荷作用下，破坏时吸收的冲击能量与试样缺口处的原始截面积之比，以kJ/m2表示。 冲击值落球法试验中，试样出现裂纹的最小冲击功，以Nm表示。5.2 塑料的硬度塑料的硬度5.2.1 塑料的邵氏硬度塑料的邵氏硬度 1)邵氏硬度原理：邵氏硬度原理：使用邵氏硬度计将规定形状的压针在标准的弹簧压力下压入试样，把压入深度转换为硬度值。 2)邵氏硬度的表示：邵氏硬度的表示： HA和 HD，其后为硬度值。 3)邵氏硬度的应用：邵氏硬度的应用：邵氏A用于较软的塑料，HA90；邵氏D用于较硬的塑料，HD20。5.2.2 塑料球压痕硬度塑料球压

46、痕硬度 1)原理：原理：以规定直径的钢球，在试验负荷的作用下垂直压入试样表面并保持一定时间，以单位压痕面积上所承受的平均压力为硬度值。以kgf/mm2或N/mm2表示。 2)计算：计算：测定压痕深度并按下式计算硬度值H H=0.21P/0.25D(h-0.04) 式中 P试验负荷 kgf或N D钢球直径 mm h压痕深度 mm5.2.3 塑料的洛氏硬度塑料的洛氏硬度 与金属的洛氏硬度相同,只是压头钢球的直径大1倍。5.3 橡胶的主要力学性能指标橡胶的主要力学性能指标5.3.1 橡胶的拉伸性能橡胶的拉伸性能 1)试验方法：试验方法：由GB/T528-1992规定 2)主要性能指标：主要性能指标：

47、 拉伸强度试样拉伸过程中的最大拉伸应力值 断裂强度试样在断裂时的拉伸应力 扯断伸长率试样断裂时标距的增加量与原始标距长度之比5.3.2 橡胶的撕裂强度橡胶的撕裂强度 1)试验方法：试验方法：由GB/T529-1991规定 2)3种试样：种试样：裤形、直角形（割口或不割口）、新月形 3)撕裂强度：撕裂强度： 裤形试样将试样割口拉伸扩展时所需的作用力除以试样厚度。 无割口直角形试样将试样拉伸至断裂时的最大作用力除以试样厚度。 割口直角形或新月形试样将试样拉伸使割口扩展至断裂所需的最大作用力除以试样厚度。5.4 橡胶的硬度橡胶的硬度5.4.1 橡胶的邵氏橡胶的邵氏A硬度硬度 1)试验方法：试验方法：

48、由GB/T531-1992规定 2)试验原理：试验原理：与塑料的HA相同 3)适用范围：适用范围：HA2090三三 发动机主要零件的材料发动机主要零件的材料 1曲轴用材及其强化曲轴用材及其强化2凸轮轴用材及其强化凸轮轴用材及其强化3连杆材料、制造技术和轻量化连杆材料、制造技术和轻量化4排气门材料排气门材料5气门弹簧材料及其强化气门弹簧材料及其强化6活塞材料及其表面处理活塞材料及其表面处理7活塞环材料及其表面处理活塞环材料及其表面处理8缸体、缸盖材料缸体、缸盖材料1 曲轴用材及其强化曲轴用材及其强化1.1 用于曲轴的主要材料用于曲轴的主要材料 1.1.1 材料种类和牌号举例材料种类和牌号举例 表

49、8 曲 轴 用 材 材 料 种 类 主 要 牌 号 举 例调质钢易切削非调质钢球墨铸铁50Mn、S53S、40Cr、40MnB、35CrMo、42CrMo49MnVS3、S45CVL1（YF45V）、S40MVL1（YF40MnV）QT700-2（FCD700）、QT800-2（FCD800）、QT900-51曲轴用材及其强化曲轴用材及其强化1.1 用于曲轴的主要材料用于曲轴的主要材料1.1.2 调质钢简介调质钢简介 1)什么是调质处理：什么是调质处理：淬火+高温回火 2)调质钢的主要特点：调质钢的主要特点：高的综合力学性能 3)调质钢的选用：调质钢的选用：中碳钢都可作为调质钢；根据零件服役条

50、件结合钢的淬透性1.1.3 易切削非调质钢及其特点易切削非调质钢及其特点 1)非调质钢强化机理：非调质钢强化机理：弥散强化和固溶强化 2)易切削非调质钢的优缺点：易切削非调质钢的优缺点：节能、降低废品率、降成本；韧性低 3)应用注意事项：应用注意事项：终锻温度（10001100）过高时引起晶粒粗大，过低则易损坏模具；冷却速度须建冷却线，必要时吹风或喷雾1.1 用于曲轴的主要材料用于曲轴的主要材料1.1.4 球墨铸铁球墨铸铁 1)球墨铸铁的分类：球墨铸铁的分类：铁素体球铁、珠光体球铁、混合基体球铁、奥-铁体球铁。用于曲轴的是珠光体球铁，奥-铁体球铁有可能应用。 2)球铁曲轴的主要优缺点：球铁曲轴

51、的主要优缺点：成本低；耐磨、减振性能好；强度满足要求；密度比钢小（约10%）；大批量生产的一致性较差。 3)球铁的发展球铁的发展ADI（Austempered Ductile Iron）：）：性能如表9。 表9 ADI的性能（根据ASTM A 897/987）等级 Rm MPa Re MPa A % AK J 硬度 HBS 1 2 3 4 5 850 550 10 100 269321 1050 700 7 80 302363 1200 850 4 60 341444 1400 1100 1 35 366477 1600 1300 - - 4445551 曲轴用材及其强化曲轴用材及其强化1.2

52、 曲轴的强化曲轴的强化 1.2.1 曲轴的危险断面和受力特点曲轴的危险断面和受力特点 1)危险断面：危险断面：连杆轴颈与曲柄臂间的过渡圆角 2)受力特点：受力特点：弯扭复合载荷，以弯曲为主，圆角处为拉应力 1.2.2 曲轴的氮化处理曲轴的氮化处理 1)什么是氮化处理：什么是氮化处理：N离子在Fe中扩散，形成氮化物 2)氮化处理的种类：氮化处理的种类：盐浴氮化、气体软氮化、离子氮化 3)氮化处理曲轴的优缺点：氮化处理曲轴的优缺点：温度低，变形小；表面硬度高，耐磨性好；表面残余压应力，提高疲劳强度；处理时间长；渗层薄，强化效果不如滚压。1.2 曲轴的强化曲轴的强化1.2.3 曲轴的感应淬火曲轴的感

53、应淬火 1)感应淬火的原理：感应淬火的原理：感应电流的趋肤效应 2)曲轴感应淬火的目的：曲轴感应淬火的目的：轴颈耐磨；圆角提高强度 3)曲轴感应淬火的优缺点：曲轴感应淬火的优缺点：有效地提高轴颈耐磨性；圆角产生残余压应力，提高疲劳强度，但效果不如滚压；对感应器和机床要求高，工艺控制较难。1.2.4 曲轴的圆角滚压曲轴的圆角滚压 1)滚压强化的机理：滚压强化的机理：形变强化、残余压应力 2)滚压强化的操作：滚压强化的操作：曲轴旋转，滚轮在一定载荷下挤压圆角 3)滚压强化的工艺控制：滚压强化的工艺控制：滚轮的材质、硬度（6365HRC）；滚压力；滚压圈数 4)滚压强化质量控制：滚压强化质量控制：滚

54、压压入量0.06mm；圆角残余压应力880MPa，半高宽0.052rad；疲劳极限弯矩450Nm（对4G64-SOHC）1.2 曲轴的强化曲轴的强化1.2.5 曲轴强化方法的对比曲轴强化方法的对比 有资料表明，不同的强化方法提高曲轴疲劳强度的大致范围如下： 1 气体软氮化 提高30%40% 2 感应淬火 提高30%50% 3 圆角滚压 提高50%100% 对曲轴强化效果的报道很多，比较一致的结果是：几种氮化处理和圆角感应淬火的效果基本相当，而圆角滚压的效果要优于其余几种工艺。曲轴圆角滚压强化的效果举以下两个实例： 大发微型车曲轴(球铁)疲劳极限弯矩由260Nm提高到500Nm，提高92.3%

55、康明斯6B曲轴(球铁)疲劳极限弯矩由800Nm提高到2183Nm,提高172%2 凸轮轴用材及其强化凸轮轴用材及其强化2.1 用于凸轮轴的主要材料用于凸轮轴的主要材料 2.1.1 材料种类和牌号举例材料种类和牌号举例 表10 凸 轮 轴 用 材 材 料 种 类 主 要 牌 号 举 例调质钢球墨铸铁可淬硬合金铸铁冷硬铸铁粉末冶金材料钢45(选碳)、40Cr、40MnBQT700-2HT300Monikrom、Lydaiioy、GLAI8Cr-2Mo-1Ni-Fe、5Cr-1.3Mo-1V-0.3C、12Cr-1Mo-0.8V-1.5C2.1 用于凸轮轴的主要材料用于凸轮轴的主要材料2.1.2 冷

56、硬铸铁冷硬铸铁(冷激铸铁冷激铸铁)凸轮轴凸轮轴 1)什么是冷硬铸铁凸轮轴：什么是冷硬铸铁凸轮轴：由冷铁的激冷作用在凸轮部分形成白口铸铁其余部分仍为灰口铸铁的凸轮轴。 2)冷硬铸铁凸轮轴的技术条件：冷硬铸铁凸轮轴的技术条件：凸轮桃尖硬度48HRC，凸轮其余部分硬度42HRC；轴颈硬度170255HB；冷硬层金相组织为含有大量针状碳化物的莱氏体+细片状珠光体，碳化物含量40%，不许出现片状石墨；非冷硬区金相组织为细片状珠光体，碳化物含量10%，铁素体含量5%，A型片状石墨，长度46级。2.1 用于凸轮轴的主要材料用于凸轮轴的主要材料2.1.3 粉末冶金凸轮轴粉末冶金凸轮轴 1)粉末冶金凸轮轴的结构

57、：粉末冶金凸轮轴的结构：凸轮粉末冶金件；轴颈锻件；杆身钢管 2)连接方式：连接方式：早期有用焊接、烧结或花键连接的，后改为胀管或热缩 3)优点：优点：中空，减轻重量30%以上；凸轮材料设计自由度大，改善使用性能和寿命；方便凸轮的设计；工艺简化，降低成本。2.2 凸轮轴的强化凸轮轴的强化2.2.1 凸轮轴的主要失效形式凸轮轴的主要失效形式 1)擦伤：擦伤：粘着磨损 2)点蚀：点蚀：疲劳磨损 3)磨损：磨损：主要是磨粒磨损2.2.2 主要凸轮轴材料的性能对比主要凸轮轴材料的性能对比 表11 凸轮轴材料性能对比材料种类 抗擦伤性 抗点蚀性 耐磨性调质钢球墨铸铁可淬硬合金铸铁冷硬铸铁 差 优 良 可

58、良 良 良 可 优 优 差 优2.2 凸轮轴的强化凸轮轴的强化2.2.3 冷硬铸铁凸轮轴的淬火冷硬铸铁凸轮轴的淬火 1)淬火工艺：淬火工艺：850淬火+180回火 2)淬火的效果：淬火的效果：改善抗点蚀性但恶化抗擦伤性，抗擦伤性可通过在润滑油中添加抗擦伤剂来改善。2.2.4 凸轮轴的感应淬火凸轮轴的感应淬火 1)感应淬火的应用：感应淬火的应用：调质钢、球墨铸铁和可淬硬铸铁凸轮轴都可用感应淬火强化。 2)效果：效果：提高硬度和强度，改善抗点蚀性和耐磨性2.2.5 凸轮轴的氩弧或激光重熔凸轮轴的氩弧或激光重熔 1)原理：原理：冷硬铸铁的另一种类型重熔、自激冷 2)工艺过程：工艺过程：预热重熔回火3

59、 连杆材料、制造技术和轻量化连杆材料、制造技术和轻量化3.1 连杆材料连杆材料 3.1.1 用于连杆的主要材料用于连杆的主要材料 表12 连 杆 用 材 材 料 种 类 主 要 牌 号 举 例调质钢非调质钢可锻铸铁球墨铸铁粉末冶金材料铝基复合材料钛合金钢40(选碳)、钢50(选碳)、45Mn、40Cr、35CrMo、42CrMo、S48CSYF35MnV、C70S6KTZ650-02QT700-2Fe-(0.30.4)Mn-(0.10.25)Cr-(0.20.3)Cu-(0.250.35)Mo-0.6CAl合金-20%不锈钢钢丝Ti-3Al-2.5V-S-RE、Ti-6Al-2Fe-0.1Si

60、3.1 连杆材料连杆材料3.1.2 非调质钢非调质钢C70S6的成分和性能的成分和性能 表13 C70S6 钢 的 成 分 % 表14 C70S6 钢 的 性 能 元素 C Si Mn P S Cr Ni V Al Mo含量0.67 0.15 0.45 0.06 0.10 0.03 0.73 0.25 0.55 0.045 0.07 0.20 0.20 0.04 0.01 0.03 Rm MPa Re MPa A % Z % 脉动耐久极限 MPa 交变耐久极限MPa HBS 900 0 263 1050 520 10 40 512 322 3103.1 连杆材料连杆材料3.1.3 复合材料连杆