第二章_钢铁材料及其在汽车上的应用

1、汽车材料汽车材料第二章 钢铁材料及其在汽车上的应用第一节 碳素钢教学目的与要求： 1.了解碳对碳素钢性能的影响 2.掌握锰、硅和硫、磷对碳素钢性能的影响 3.了解碳素钢的分类和常用碳素钢教学内容： 1.钢和铸铁的含碳量 2.碳及常存元素对碳素钢性能的影响 3.碳素钢的分类 4.常用碳素钢的优缺点及牌号表示重点： 碳及常存元素对碳素钢性能的影响，掌握常用碳素钢的牌号。难点： 碳及常存元素对碳素钢性能的影响，掌握热脆、冷脆等名词。v铁碳合金是汽车用材的主体，其用量超过汽车用材总量的2/3。v钢铁材料包括碳素钢、合金钢和铸铁。v含碳量小于2.11的铁碳合金称为钢。v含碳量大于2.11的铁碳合金称为铸

2、铁。v一般要求的汽车结构零件大多采用碳素钢或一般要求的汽车结构零件大多采用碳素钢或铸铁制造，性能要求高的汽车结构零件则采铸铁制造，性能要求高的汽车结构零件则采用合金钢制造用合金钢制造 碳素钢简称碳钢，在现代工业生产所使用的钢铁材料中占据十分碳素钢简称碳钢，在现代工业生产所使用的钢铁材料中占据十分重要的地位。由于碳钢具有冶炼、加工容易、价格低廉、工艺性能良重要的地位。由于碳钢具有冶炼、加工容易、价格低廉、工艺性能良好，力学性能能够满足工农业生产的使用要求，是工农业生产中用量好，力学性能能够满足工农业生产的使用要求，是工农业生产中用量最大的金属材料。在汽车工业中，钢铁材料的用量占汽车用材总量的最大

3、的金属材料。在汽车工业中，钢铁材料的用量占汽车用材总量的70%左右。左右。一、碳及常存元素对碳素钢性能的影响v1、碳的影响从图中我们可以看出，随着含碳量增加，碳素钢的强度、硬度升高，塑性和韧性降低。当含碳量在0.9 左右时，强度达到最大值，以后随着含碳量得增加，除硬度继续升高外，强度明显下降，塑性和韧性进一步降低。泰坦尼克号v这是泰坦尼克号沉没前的图片，我们知道它是撞冰山断裂而沉没的，那么对于船身的材料，大家清楚吗？科学家从船身的材料上也发现了点原因。在本节课程中我们将会了解到。钢中常存元素钢中常存元素常存元素常存元素来源来源影响影响锰锰有益元素有益元素生铁、脱氧剂生铁、脱氧剂降低钢的脆性降低

4、钢的脆性改善热加工性能改善热加工性能固溶强化铁素体固溶强化铁素体硅硅有益元素有益元素生铁、脱氧剂生铁、脱氧剂降低钢的脆性降低钢的脆性固溶强化铁素体固溶强化铁素体硫硫有害元素有害元素生铁、燃料生铁、燃料使钢产生热脆使钢产生热脆改善钢切削加工性改善钢切削加工性磷（磷（有害元素有害元素）生铁生铁使钢产生冷脆使钢产生冷脆氮、氢、氧氮、氢、氧大气、生铁大气、生铁N N：产生时效变脆：产生时效变脆H H：氢脆、白点：氢脆、白点O O：氧化物夹杂裂纹源：氧化物夹杂裂纹源（2）硫、磷的影响硫、磷是有害元素，它们会使钢的塑性和韧性下降。硫还会使钢在锻造、轧制等热加工时产生脆化，导致工件开裂，即“热脆”现象；磷虽

5、能增强钢的硬度和强度，但磷能使钢在低温时塑性和韧性大大下降，这种现象称为“冷脆”。磷的存在还会使钢的焊接性能变坏，焊接时容易产生裂纹。因此，钢中应严格控制硫、磷的含量。二、碳钢的分类二、碳钢的分类v钢是碳含量小于钢是碳含量小于2 2。11%11%的铁碳合金。钢的铁碳合金。钢具有必要的力学性能，可以扎制成各种具有必要的力学性能，可以扎制成各种型材。型材。v铁是碳含量大于铁是碳含量大于2 2。11%11%的铁碳合金。钢的铁碳合金。钢没有韧性，不能锻造。但是铁的铸造性没有韧性，不能锻造。但是铁的铸造性能良好，可以用来铸造各种结构复杂的能良好，可以用来铸造各种结构复杂的零件，也就是我们平时说的铸件。零

6、件，也就是我们平时说的铸件。v我们所接触最多的铁以及铁的合金，根我们所接触最多的铁以及铁的合金，根据材料性能和组织分为碳素结构钢、合据材料性能和组织分为碳素结构钢、合金钢、等几大类，各个大类又分为各个金钢、等几大类，各个大类又分为各个小类小类: :二、碳素钢的分类1、按钢的含碳量分类v低碳钢：C0.25v中碳钢：C 0.250.60v高碳钢：C 0.602、按钢的质量分类v普通钢：S 0.050，P 0.045v优质钢：S 0.035，P 0.035v高级优质钢：S 0.025，P 0.025v特级优质钢：S 0.015，P 0.025v按钢的杂质多少来分：按钢的杂质多少来分：v1 1、碳素结

7、构钢碳素结构钢-用于制造汽车零件和工程构件用于制造汽车零件和工程构件。v2 2、碳素工具钢碳素工具钢-用于制造刀具、量具和模具。用于制造刀具、量具和模具。一、常用碳素钢一、常用碳素钢1、碳素结构钢、碳素结构钢 碳素结构钢的含碳量在碳素结构钢的含碳量在0.06%0.38% 在汽车零部件中，可用碳素结构钢制造的有螺钉、螺母圈、法兰轴、制动器底板、车厢板件、发电机支架、拉杆、销、键等。常用牌号和用途常用牌号和用途 牌号牌号: Q215-A.F Q235 Q255 牌号解释牌号解释: Q215表示屈服点为215MPa的A级沸腾钢。牌号表示方法：Q + 屈服强度 +质量等级符合 + 脱氧程度符合v屈服强

8、度数值屈服强度数值v质量等级分：质量等级分：ABCDABCDv脱氧程度分：脱氧程度分：F-F-沸腾钢沸腾钢 b-b-半镇静钢半镇静钢 Z- Z-镇静钢镇静钢 TZ TZ：特殊镇静钢：特殊镇静钢普通碳素结构钢普通碳素结构钢钢轨钢轨优质碳素结构钢优质碳素结构钢成分及性能特点成分及性能特点成分特点成分特点: : 含硫，磷及非金属夹杂物量较少性能特点：性能特点： 低碳钢强度，硬度较低，塑性，韧性及焊接性良好； 中碳钢较高的强度，硬度，其塑性和韧性随含碳量的增加而逐步降低 高碳钢较高的强度，硬度和弹性，但焊接性不好常用牌号和用途常用牌号和用途牌号：牌号： 08F 20 45 60Mn 牌号解释：牌号解释

9、： 08F表示平均含碳量0.08%的优质碳素结构钢,沸腾钢。 20表示平均含碳量0.20%的优质碳素结构钢. 60Mn表示平均含碳量0.60%的高锰优质碳素结构钢.碳素工具钢碳素工具钢几种常用碳素工具钢性能及用途牌号主要性能用途T7、T7A承受冲击、韧性较好，硬度适当扁铲、手钳、大锤、改锥、木工工具T8、T8A承受冲击、硬度较高冲头、压缩空气工具、木工工具T8Mn、T8MnA承受冲击、硬度较高、淬透性较大冲头、压缩空气工具、木工工具、断面较大的工具T9、T9A、T10、T10A韧性较好、硬度较高冲头、木工工具、凿岩工具T11、T11A不受剧烈冲击、硬度高、耐磨性好车刀、刨刀、冲头、丝锥、钻头、

10、手锯条T12、T12A不受冲击、硬度高、耐磨性好锉刀、刮刀、量具T13、T13A不受冲击、硬度高、耐磨性很好刮刀、剃刀3、铸造碳钢、铸造碳钢 成分及性能特点成分及性能特点 成分特点成分特点: : 以碳为主要合金元素并含有少量其他元素 性能特点：性能特点： 较高的强度、塑性和韧性，成本较低 常用牌号和用途常用牌号和用途 牌号：牌号： ZG200-400 ZG200-400 ZG270-500 ZG310-570 牌号解释：牌号解释： ZG200-400表示屈服强度不小于200MPa,抗拉强度不小于400MPa 的铸造碳钢.铸造碳素钢铸造碳素钢几种常用铸钢的性能和用途牌号主要性能用途ZG20040

11、0良好的韧性、塑性和焊接性能用于受力不大，韧性好的机械零件，如机座、变速器壳、减速器壳体等ZG230450较高的强度和较好的塑性、韧性和焊接性能用于受力不大，韧性好的机械零件，如砧座、外壳、轴承座、底板、箱体等ZG270500较高的强度和较好的塑性，铸造性能好，焊接性能和切削性能好用途广泛，用于轧钢机机架、轴承座、连杆、箱体、曲轴、缸体、飞轮等v知识链接优质碳素结构钢的分类： 渗碳钢：含碳量在0.150.25，常用于制造渗碳零件。 调质钢：含碳量在0.250.50，通过调质处理来提高其综合性能。 弹簧钢：含碳量在0.550.9，用于制造弹簧等各种弹性元件及耐磨零件。小结： （1）碳对碳素钢性能

12、的影响 （2）锰、硅和硫、磷对碳素钢性能的影响 （3）碳素钢的分类 （4）常用碳素钢 谢谢！第二节 钢的热处理简介 现象：放在水中冷却的一根钢丝硬而脆，很容易折断；放在空气中冷却的一根较软、有较好的塑性，可以卷成圆圈而不断裂。 教学目的与要求： 1.了解热处理的基本原理。 2.掌握常用热处理的主要工艺过程、作用与应用。 3.了解机械零件常用的表面防护方法。教学内容： 1.钢的热处理的基本原理。 2.钢的常规热处理的种类，工艺过程，作用及应用。 3.钢的表面热处理的种类，工艺过程，作用及应用。重点： 钢的常用热处理，作用及应用。难点： 钢的热处理的基本原理。 钢的热处理是将钢在固态下进行加热、保

13、温和冷却，使钢的组织结构发生变化以消除毛坯 （铸件、锻件等）的缺陷，改善钢的加工工艺性能，充分发挥材料的潜力，延长其使用寿命。根据加热和冷却方式的不同和组织性能的变化特点不同，分为：普通热处理普通热处理（退火、正火、淬火、回火等）；表面热处理表面热处理（表面淬火和渗碳、渗氮、渗硼等的化学热处理）；v分类一、普通热处理 普通热处理通常是指对工件进行整体的热处理。 常用的有：退火、正火、淬火和回火。由加热、保温和冷却三个阶段组成。因此，要了解各种热处理方法对钢的组织和性能的影响，必须研究钢在加热、保温和冷却过程中的组织转变规律。热处理的工艺过程热处理的工艺过程1、退火 退火就是将钢件加热到一定温度

14、，保温一定时间后随炉缓慢冷却的热处理工艺。退火的目的：主要用来消除铸件、锻件等的内应力，以防止变形和开裂，均匀组织、细化晶粒，以改善钢的力学性能，降低钢的硬度，改善切削加工性能等。2、正火 正火就是将钢件加热到一定温度，保温一定时间后在空气中冷却的热处理工艺。正火的目的：主要是细化晶粒、减少内应力，提高钢的强度和韧性，改善钢的切削加工性能。正火与退火基本相同，只是由于冷却速度稍快，使钢的强度与硬度要比退火处理高。1完全退火 2球化退火 3去应力退火 4正火退火与正火机械零件一般的加工工艺顺序： 作用：作用：消除前一工序所造成的某些组织缺陷及内应力，可以改善材料的切削性能，为随后的切削加工及热处

15、理（淬火回火）做好组织准备。 即对金属进行软化处理。钢的退火与正火的选用钢的退火与正火的选用改善切削加工性改善切削加工性 在一般生产中，低碳钢通过正火可提高硬度，改善切削性能；中碳钢既可采用退火，也可采用正火；含碳0.45%0.6%的高碳钢则必须采用完全退火；过共析钢用正火消除网状渗碳体后再进行球化退火。使用性能方面使用性能方面对钢件的性能要求不太高，可采用正火作为最终热处理。如果零件尺寸较大或形状较复杂，应选择退火。经济性方面经济性方面 正火比退火生产周期短，操作简便。故在可能条件下，特别是在大批量生产时应优先考虑以正火代替退火。退火与正火属于同一类型热处理方式，在选择时从以下几方面考虑：3

16、、淬火淬火就是将钢件加热到一定温度，保温一定时间后在空气中冷却的热处理工艺。目的目的：改变金属的组织结构（马氏体组织），提高钢的强度和硬度，并在不同的回火温度配合下，能使钢获得不同的力学性能。v錾子淬火+低温回火来提高其强度和硬度淬火的冷却介质常用的有：水、盐和碱水溶液、矿物油等。4、回火 回火就是将淬火后的钢件加热到一定温度以下，保温一定时间后冷却的热处理工艺。 回火的目的：主要用来减少和消除钢淬火时产生的内应力，防止工件变形和开裂；调整钢的硬度，提高钢件的塑性和韧性，以满足使用要求；稳定组织，以保证工件在使用中形状和尺寸不发生变化。一般来说，几乎所有的淬火零件都需要进行回火处理。1）低温回

17、火能消除钢件因淬火而产生的内应力，并保持淬火钢的高硬度、高耐磨性，同时提高其韧性。主要用于刀具、工量具、模具以及其他耐磨零件。中温回火能使钢件获得较高的弹性和强度，并具有一定的韧性。主要用于各种弹性零件，如各类弹簧等。高温回火能使钢获得良好的综合力学性能。调质：淬火+高温回火调质主要用于各种重要零件的处理，如汽车的半轴、螺栓、齿轮等。二、表面热处理汽车上许多零件是在交变载荷、冲击载荷及强烈摩擦条件下工作的，这些零件表面具有高硬度和高耐磨性，而心部又需具有足够的强度和韧性。为了满足使用要求，通常用表面热处理的方法来实现。分类：表面淬火和表面化学热处理汽车变速齿轮 传动齿轮轴 1、表面淬火 表面淬

18、火表面淬火仅对工件表层进行淬火的热处理工艺。 原理原理：通过快速加热，使钢的表层奥氏体化，在热量尚未充分传到零件中心时就立即予以冷却淬火。 适用适用：中碳钢、中碳合金钢。 方法方法：火焰加热表面淬火、感应加热表面淬火（1）火焰加热表面淬火利用氧-乙炔火焰对工件表面进行加热，使其表面迅速达到淬火温度，随即喷水冷却。（2）感应加热表面淬火利用感应电流通过工件时产生的热效应，使工件表面迅速达到淬火温度，随即快速喷水冷却的过程。电流电流感应加热的基本原理感应加热的基本原理感应加热的基本原理感应加热的基本原理当感应器中通入高频交变电流时，所产生的交变磁场使放入感应器内的工件内部感生出巨大的涡流。感应电流

19、在工件表层密度最大，而心部密度几乎为零，这种现象称为“集肤效应”。由于钢件本身具有电阻，因而集中于表层的电流可使表层被迅速加热，几秒钟内温度可升至8001000,而心部的几乎未被加热，在随后的喷水冷却时工件表层即被淬硬。感应加热表面淬火的特点感应加热表面淬火的特点与普通加热淬火相比，感应加热表面淬火在工业上的应用更广泛。原因是由于感应加热表面淬火有以下优点：感应加热速度极快感应加热速度极快一般只需几秒至几十秒时间就可使工件达淬火温度。由于快速加热，使相变临界点（Ac1、Ac3）升高，转变温度范围扩大但转变所需时间缩短。工件表层获得极细小的马氏体（称隐晶马氏体）组织工件表层获得极细小的马氏体（称

20、隐晶马氏体）组织使工件表层具有比普通淬火稍高的硬度且脆性较低，具有较高的疲劳强度。工件表面质量好工件表面质量好由于快速加热，工件表面不易氧化、脱碳，且淬火时工件变形小。生产效率高生产效率高便便于实现机械化、自动化。淬硬层深度也易于控制。 2、表面化学热处理表面化学处理是通过一定的工艺方法，将一种或几种元素渗入钢件表面，以改变其化学成分和组织结构，从而获得所需性能的热处理工艺。按渗入元素不同分：渗碳、渗氮和碳氮共渗。（1）渗碳 渗碳是把工件置于渗碳介质中加热、保温，使活性碳原子产生并渗入工件表层的化学热处理方法。 目的：可提高钢的硬度、耐磨性及疲劳强度 主要用于有强烈磨损并承受较大冲击载 荷的零

21、件，如汽车传动齿轮，活塞销、十字轴等（2）渗氮将活性氮原子渗入钢件表面的热处理工艺，也称氮化处理。与渗碳相比，渗氮能使工件表面具有更高的硬度和耐磨性，并能提高工件的耐蚀性，而且由于渗氮后不必进行淬火处理，所以变形也很小。（3）碳氮共渗 也称氰化处理。共渗完后还需进行淬火及回火处理。 经过碳氮共渗后的钢件表面具有很高的硬度、耐磨性和疲劳强度，并具有一定的耐蚀性。 常用于汽车的齿轮、蜗杆和轴类零件的表面热处理。三、典型零件热处理分析1锉刀 2汽车变速齿轮 3汽车传动齿轮轴 小结： （1）普通热处理的方法和目的 （2）表面热处理的方法和作用 （3）区分“四火”的区别和各自的优点 铸铁是指含碳量大于2

22、.11%的铁碳合金，工业上常用的铸铁都不是简单的二元合金，而是以Fe、C、Si为主要元素的多元合金。普通铸铁的成分范周是含碳2.54.0%，硅1.03.0%，锰0.51.4%，磷0.010.5%，硫 0.020.2%。 铸铁是一种成本低廉并具有良好性能的金属材料。与钢相比，虽然铸铁的机械性能，特别是抗拉强度及韧、塑性较低，但由于它具有优良的减震性、耐磨性、耐腐蚀性、铸造性及切削加工性，而且生产设备工艺简单，因此在工业上得到广泛的应用。2.5.3 球墨铸铁球墨铸铁 球墨铸铁的成分球墨铸铁的成分正火正火 球墨铸铁牌号的表示采用“QT+数字-数字”形式。“QT”为球铁二字的汉浯拼音字头，第一组数字代

23、表最低抗拉强度值（MPa），第二组数字代表最小拉伸后延伸率值（%）。 应用最广泛的是铁素体球墨铸铁和珠光体球墨铸铁，铁索体+珠光体球墨铸铁则应用得较少。珠光体球墨铸铁的一般成分范围是含碳3.6%3.8%，硅2.0%2.8%，锰0.60.8%，磷0.1%，硫0.07%，镁0.03%0.5%，稀土元素0.02%0.04%。球墨铸铁的组织特点是其石墨的形态比可锻铸铁更为圆整，因而对基体的强度、塑性和韧性的影响更小。 球墨铸铁的牌号球墨铸铁的牌号球墨铸铁的热处理球墨铸铁的热处理淬火及回火淬火及回火等温淬火等温淬火化学热处理化学热处理2.5.5 蠕墨铸铁蠕墨铸铁 蠕墨铸铁的组织特征蠕墨铸铁的组织特征正火

24、正火 蠕墨铸铁的牌号“RuT+数字”，其中“RuT”为“蠕铁”汉语拼音字头，后面数字为最小抗拉强度值。 蠕墨铸铁的组织由钢的基体和蠕虫状的石墨组成。石墨形状介于片状和球状之间，在光学显微镜下观察，石墨短而厚，头部较圆，形似蠕虫。蠕墨铸铁的牌号蠕墨铸铁的牌号蠕墨铸铁的热处理蠕墨铸铁的热处理退火退火蠕墨铸铁的性能特点蠕墨铸铁的性能特点 蠕墨铸铁的性能介于灰铸铁和球墨铸铁之间，强度、塑性、韧性优于灰铸铁，接近于铁素体球墨铸铁，壁厚敏感性比灰铸铁小得多，故厚大截面上的力学性能均匀。突出的优点是屈服强度在铸造合金中最高，导热性、铸造性能、切削加工性能优于球墨铸铁接近于灰铸铁，耐磨性优于孕育铸铁。2.5.6 合金铸铁合金铸铁 耐磨合金铸铁耐磨合金铸铁减磨铸铁减磨铸铁 耐磨铸铁主要用于制造摩擦条件下工作的机械零件。一类是在有润滑条件下工作的耐磨铸铁（又称减磨铸铁），例如机床导轨、汽缸套及轴承等；另一类则是在干摩擦条件下工作的耐磨铸铁（又称抗磨铸铁），例如轧辊、犁铧、球磨机衬板和磨球等。抗磨铸铁抗磨铸铁