第1章 汽车机械常用材料应用

了解：1、金属材料分类2、汽车机械用有色金属及其合金理解：1、强度与塑性2、硬度3、韧性4、疲劳掌握：非合金钢的分类、合金钢、铸钢、铸铁第1章汽车机械常用材料应用学习目标：1.理解钢铁材料和钢铁基本组织；2.掌握非合金钢、合金钢、铸钢和铸铁牌号表示方法；3.了解有色金属及其合金种类和新型材料；4.掌握材料的强度与塑性标准；5.掌握零件硬度测量的表示法；6.理解材料的冲击韧性与疲劳极限的概念；7.理解金属材料的工艺性能能力要求：1.能区分钢铁材料的种类；2.能知道为汽车机械选择合适的材料种类；3.能掌握材料硬度与塑性的关系1.1金属材料的分类与组织1.2汽车机械零件材料1.3金属的力学性能和工艺性能第1章汽车机械常用材料应用第一节金属材料的分类与组织一、金属材料分类二、钢铁基本组织三、钢中常存杂质元素的影响一、金属材料分类金属——是指具有良好的导电性和导热性，具有一定的强度和塑性，并具有光泽的物质。1．钢铁材料由铁或以铁为主形成的物质，称为钢铁材料，钢铁材料是铁和碳的合金。钢铁材料按碳的质量分数WC进行分类工业纯铁WC<0.0218%（1）钢钢（0.0218%<WC<2.11%）第一节金属材料的分类与组织（1）钢1）板材2）管材3）线材4）其它材料型材第一节金属材料的分类与组织（2）生铁生铁（2.11%＜WC＜6.69%）。生铁是由铁矿石经高温冶炼而得，它是炼钢和铸造的原材料。2．非铁金属除黑色金属以外的其它金属，都称为非铁金属，如铜、铝、镁、锌等。第一节金属材料的分类与组织第一节金属材料的分类与组织二、钢铁基本组织1．铁素体2．奥氏体3．渗碳体4．珠光体5．莱氏体第一节金属材料的分类与组织1．铁素体铁素体是指α-Fe或其内固溶有一种或数种其它元素所形成的晶体点阵为体心立方的固溶体，常用符号F(或α)表示。α-Fe碳的质量分数很小，在727˚C时碳的质量分数(WC=0.0218%)最大，随着温度的下降，其碳的质量分数逐渐减少，所以，在室温状态下铁素体的性能几乎和纯铁相同，即强度和硬度（50～80HBW）都较低，而塑性和韧性都高。第一节金属材料的分类与组织2．奥氏体奥氏体是指γ-Fe内固溶有碳和其它元素所形成的晶体点阵为面心立方的固溶体，常用符号A表示。奥氏体仍保持γ-Fe的面心立方晶格。奥氏体溶碳能力较大，在1148℃时碳的质量分数（WC=2.11％)最大，随着温度下降，碳的质量分数逐渐减少，在727℃时的碳的质量分数为WC=0.77％。奥氏体具有一定的强度和硬度，塑性好，在机械制造中，钢材大多数要加热至高温奥氏体状态进行压力加工，因塑性好而便于成形。第一节金属材料的分类与组织3．渗碳体渗碳体的晶格形式与碳和铁都不一样，渗碳体是复杂的晶格类型。渗碳体碳的质量分数是6.69％，熔点为1227℃,常用符号Fe3C表示。渗碳体的结构较复杂，硬度高，脆性大，塑性与韧性极低。渗碳体是碳在铁碳合金中的主要存在形式，是亚稳定的金属化合物，在一定条件下，渗碳体可分解成铁和石墨，这一过程对于铸铁的生产具有重要意义。第一节金属材料的分类与组织4．珠光体珠光体是奥氏体从高温缓慢冷却时发生共析转变所形成的，珠光体是铁素体(软)和渗碳体(硬)组成的机械混合物，常用符号P表示。在珠光体中，铁素体和渗碳体仍保持各自原有晶格类型。珠光体碳的质量分数为0.77％。珠光体的性能介于铁素体和渗碳体之间，有一定的强度和塑性，硬度适中，是一种综合力学性能较好的组织。第一节金属材料的分类与组织5．莱氏体莱氏体是指高碳的铁基合金在凝固过程中发生共晶转变所形成的奥氏体和碳化物渗碳体所组成的共晶体。莱氏体碳的质量分数为4.3％，当碳的质量分数WC>2.11％的铁碳合金从液态缓冷至1148℃时，将同时从液体中结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物，即莱氏体，常用符号Ld表示。由于奥氏体在727℃时转变为珠光体，所以在室温时莱氏体由珠光体和渗碳体所组成。为了区别起见，将727℃以上的莱氏体称为高温莱氏体Ld，在727℃以下的莱氏体称为低温莱氏体Ld′，或称变态莱氏体。莱氏体的性能和渗碳体相似，硬度很高，塑性很差。第一节金属材料的分类与组织三、钢中常存杂质元素的影响１．硫２．磷第一节金属材料的分类与组织１．硫硫（S）是由生铁和燃料带入的杂质，炼钢时难以除尽。在固态下硫不溶于铁，在钢中是有害元素。当钢在1000~1200℃压力加工时，由于低熔点共晶体熔化，显着减弱晶粒之间的联系，使钢材在压力加工时沿晶界开裂，这种现象为热脆。因此，钢中硫的质量分数必须严格控制。

第一节金属材料的分类与组织２．磷磷（P）是由生铁和燃料带入的杂质，炼钢时难以除尽。磷能全部熔于铁素体，提高了铁素体的强度、硬度；但在室温下钢的塑性、韧性急剧下降，变脆，这种现象称为冷脆。所以，磷是一种有害杂质元素，因此要严格控制磷在钢中的含量。第一节金属材料的分类与组织小结1金属材料分类2钢铁基本组织3钢中常存杂质元素的影响第二节汽车机械零件材料一、非合金钢二、合金钢三、铸钢四、铸铁五、有色金属及其合金一、非合金钢1．按质量分类1．按质量分类1）普通钢普通钢是指对生产过程中控制质量无特殊规定的一般用途的非合金钢，应用时不规定热处理。质量等级分A级钢和B级钢两种。硫、磷含量均≤0.050%。牌号用Q字打头，Q表示屈服极限，如Q235表示σs=235MPaGB\T700-2006

。第二节汽车机械零件材料2）优质钢优质钢是指在生产过程中需要特别控制硫、磷的含量。硫、磷含量均应≤0.040%。牌号用碳的质量分数的万分数表示如10号钢、20号钢、35号钢、45号钢等。如20表示碳的质量分数0.2%。常用牌号如表1-2或GB/T699-1999。2．按含碳量分类1）低碳钢低碳钢是指碳的质量分数Wc<0.25%的铁碳合金。2）中碳钢中碳钢是指碳的质量分数0.25%≤Wc≤0.6%的铁碳合金。3）高碳钢高碳钢是指碳的质量分数Wc>0.6%的铁碳合金。3．按用途分类1）结构钢碳的质量分数Wc<0.7%。主要用作制造不太重要的齿轮、轴、螺栓、螺母、弹簧等机械零件。2）工具钢含碳量分数Wc>0.7%，这类钢热处理后具有高的硬度和耐磨性，主要用于制造工具，如制作刃具、模具、量具等，用含碳量的千分数表示，如T7表示含碳量为千分之七。若为高级优质钢则在排号后附以“A”字，如T12A等。牌号参见表1-3或合金工具钢GB/T1299-2000，高速工具钢GB/T9943-2008

。二、合金钢常加的合金元素有：Mn（锰）、Si（硅）、Cr（铬）、Ni（镍）、Mo（钼）、V（钒）、Ti（钛）、Nb（铌）、Co（钴）、Al（铝）、B（硼）、Re（铼）等。合金钢的表示方法如40Cr、20CrMnTi、35SiMn、60Si2Mn、GCr15等。牌号GB3531-2008，GB/T8162-2008选用第二节汽车机械零件材料六、新型材料１.纳米材料2.智能材料3.超导材料4.非晶态金属5.光导纤维第二节汽车机械零件材料三、铸钢铸钢牌号是“ZG+数字+数字”。第一组数字代表屈服极限，第二组数字代表强度极限。合金铸钢是在的牌号前加“ZG”后面的第一组数字表示铸钢的名义万分碳含量的质量分数，其后排列的是各主要合金元素符号及其名义质量分数。牌号参见GBT5613-1995

。第二节汽车机械零件材料四、铸铁1．普通灰铸铁断口呈灰色。牌号用：HT+数字

如：HT200、HT250等。数字表示最低抗拉强度200表示最低抗拉强度为200MPa。铸铁是含碳量2.11%＜Wc≤6.69%或者组织中具有共晶组织的铁碳合金。灰铸铁在机械中的应用第二节汽车机械零件材料四、铸铁2．球墨铸铁牌号QT+数字+数字第一组数字代表最低抗拉强度第二组数字代表断后延伸率如QT500-7、QT900-2等。第二节汽车机械零件材料3．可锻铸铁分类：黑心可锻铸铁、珠光体可锻铸铁与白心可锻铸铁等。性能：黑心可锻铸铁具有一定的强度和较高的韧性；珠光体可锻铸铁强度高、硬度高、耐磨性好。牌号：黑心可锻铸铁是“KTH+数字+数字”。例：KTH300-6，强度-延伸率。珠光体与白口可锻铸铁：只是将KTH中的H改成Z与B，其它不变。用途：黑心可锻铸铁用于制造承受冲击和振动的零件。例如弹簧钢板支座、机床上用的把手等。珠光体与白口可锻铸铁用于制造铸造曲轴、凸轮轴、连杆及齿轮等重要零件。第二节汽车机械零件材料五、有色金属及其合金1．铝及铝合金1)工业纯铝2)铝合金通过加入硅、铜、镁、锌、锰等合金元素主要用于需要减轻质量的零件和结构。第二节汽车机械零件材料五、有色金属及其合金2．铜及铜合金（1）纯铜（2）铜合金1）锡青铜2）铝青铜3）铍青铜第二节汽车机械零件材料小结一、非合金钢二、合金钢三、铸钢四、铸铁五、有色金属及其合金第三节金属材料的力学性能和工艺性能金属材料的力学性能是指金属在力的作用下所显示的如弹性、塑性、强度、硬度、韧性和疲劳强度等。弹性是指物体在外力作用下改变其形状和尺寸，当外力卸除后物体又回复到其原始形状和尺寸的特性。1.3金属的力学性能和工艺性能1强度与塑性2硬度3韧性4疲劳5工艺性能一、强度与塑性强度是指金属在外力作用下抵抗破坏的能力。塑性是指金属在外力作用下抵抗永久变形的能力。1．拉伸试验1）拉伸试样各种各样试验机观看试验过程铸铁拉伸试验塑材压缩试验2．强度指标金属材料抵抗拉伸力的强度指标有屈服极限、抗拉强度1）屈服点和屈服应力2）抗拉强度3．塑性指标金属材料的塑性，可以用拉伸试样断裂时的最大相对变形量来表示。1）断后伸长率2）断面收缩率

二、硬度硬度是衡量金属材料软硬程度的一种性能指标，也是指金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。硬度测定指标分类1、布氏硬度（HBS）2、洛氏硬度（HRC）3、维氏硬度（HV）硬度试验机三、韧性1．试验原理摆锤具有势能AKl。摆锤的剩余势能为AK2摆锤冲断试样的冲击功为：AK=AKl－AK22．冲击韧度冲击韧度用表示，单位是J/cm2。

四、疲劳1．疲劳破坏现象机械零件中90％以上是因疲劳造成的。2．疲劳强度金属在循环应力作用下能经受无限多次循环而不断裂的最大应力值，称为金属的疲劳强度。对于对称循环应力，其疲劳强度用σ－1表示。工程中规定，材料在循环应力作用下达到某一基数而不断裂时，其最大应力就作为该材料的疲劳极限用σ-1。一般钢铁材料的循环基数取N=107。当金属材料在无数次N=107重复或交变载荷作用下而不致引起断裂的最大应力，叫做疲劳强度σ-1五、工艺性能工艺性能是指金属材料在制造机械零件和工具的过程中，适应各种冷、热加工的性能。1．铸造性能2．锻造性能3．焊接性能4．切削加工性能本章小结1.汽车机械常用材料分为塑性材料和脆性材料两大类，塑性材料包括普通碳素钢、优质碳素钢、合金钢和有色金属等，是汽车机械用的最多的材料。2.材料在外力作用下的性能指标主要有强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳强度等。屈服极限是工