中职汽车机械基础项目1 汽车常用材料的认识与选用

中职汽车机械基础工信版项目1汽车常用材料的认识与选用项目一汽车常用材料的认识与选用任务一黑色金属材料在汽车上的应用汽车机械基础任务学习目标1．了解金属材料的性能。2．了解黑色金属材料的类型及性能。3．了解黑色金属在汽车零件上的应用情况。思政目标1．增强民族自豪感和文化认同感。2．增长知识，提高口头表达能力。3．勇敢面对困难，不断挑战自我。任务引入在汽车零部件中，应用最广泛的是金属材料（见图1-1），占汽车总质量的70%～90%。金属材料不仅来源丰富，而且具有耐用性好、工艺性好等优点，还可以通过不同的成分配比、不同的加工和热处理方法来改变其组织与性能，以扩大其使用范围。图1-1金属材料一、金属材料的分类金属材料按组成成分的不同分为纯金属和合金。纯金属是由一种金属元素组成的物质。合金是由一种主要金属元素与另外一种（或几种）金属元素（或非金属元素）组成的物质。合金的种类较多，如工业上常用的生铁和钢就是铁碳合金，黄铜就是铜锌合金。由于合金的性能一般优于纯金属，因此在工业上合金的应用比纯金属广泛。金属材料通常分为两类：黑色金属和有色金属。黑色金属主要指铁、锰、铬及其合金，如钢、生铁、铁合金、铸铁等；有色金属是指除黑色金属外的金属和合金，如铜、铝、锌、锡、镍、铅、钛、镁以及铜合金、铝合金、镍合金、钛合金、镁合金和轴承合金等。一、金属材料的分类金属材料的性能包括使用性能和工艺性能。金属材料的使用性能是指在正常使用条件下，金属材料所表现出来的性能，主要包括物理性能、化学性能和力学性能。材料的使用性能决定了材料的使用条件、可靠性和使用寿命。1．金属材料的力学性能金属材料的力学性能，又称机械性能，是指材料在外加载荷作用下所表现出来的性能，主要包括强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度等。金属材料的力学性能主要决定于材料的化学成分、组织结构等内在因素。1）材料的受力与变形金属材料在加工及使用过程中所受到的外力称为载荷。根据载荷作用性质的不同，它可以分为静载荷、冲击载荷及交变载荷。（1）静载荷：指大小不变或变动很慢的载荷，如汽车静止时，车身对车架的压力属于静载荷。（2）冲击载荷：指突然增加的载荷，如车身对悬架的冲击属于冲击载荷。（3）交变载荷：指所经受的周期性或非周期性的载荷（也称疲劳载荷），如发动机曲轴运转过程中所承受的载荷就属于交变载荷。金属材料受不同载荷作用而发生的几何形状和尺寸的变化称为变形。变形一般分为弹性变形和塑性变形。金属材料在外力作用下而发生变形，当外力去除后，能够消失的变形称为弹性变形，不能消失的变形称为塑性变形，也称为残余变形。二、金属材料的性能2）力学性能指标（1）强度。强度是金属材料在外力作用下抵抗塑性变形或断裂的能力。衡量强度的指标主要是屈服强度σs和抗拉强度σb。例如，为了保证气缸盖和气缸体之间的密封性，缸盖螺栓是不允许发生塑性变形的，所以设计缸盖螺栓时就以屈服强度作为计算依据。（2）塑性。塑性是金属材料在断裂前产生塑性变形的能力，常用的衡量塑性的指标是伸长率δ和断面收缩率ψ。金属材料的伸长率（δ）和断面收缩率（ψ）数值越大，表示材料的塑性越好。工程上常按伸长率的大小把材料分为两大类：δ>5%的材料称为塑性材料，如钢、铝和铜等；δ<5%的材料称为脆性材料，如铸铁等。（3）硬度。硬度是金属表面抵抗局部塑性变形（压陷、划痕、摩擦、切削等）的能力，或者说是衡量金属软硬程度的指标。常用的硬度测定方法是压入硬度测验法。衡量硬度的指标有布氏硬度HB、洛氏硬度HR和维氏硬度HV。（4）韧性。金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为冲击韧性，简称韧性，用冲击试验方法测定。二、金属材料的性能（5）疲劳强度。在静载荷作用下，零件所受的外力小于σb时，材料是不会断裂的。但是，当零件在工作中受到方向与大小呈周期性交变的载荷作用时，在周期性交变应力作用下，零件会在小于σs的情况下发生突然断裂，这种现象称为疲劳。金属因疲劳而产生的断裂，称为疲劳断裂。在机件断裂事故中，疲劳断裂占断裂事故的80%～90%。疲劳断裂与在静载荷作用下的断裂不同，不论是脆性材料还是塑性材料，疲劳断裂都是突然断裂的，断裂前没有明显的塑性变形先兆，事前很难觉察到。因此具有很大的危险性，常常造成严重的后果。机器零件在使用过程中，不允许产生疲劳断裂，因此，在交变载荷作用下工作的零件，应能在无数次交变载荷作用下不致断裂。金属材料在无限次交变载荷作用下，不致引起疲劳断裂的最大应力称为疲劳极限或疲劳强度，用σ-1表示。二、金属材料的性能2．金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能是指金属材料在加工制造过程中所表现出来的特性，包括铸造性能、锻造性能、冷变形工艺性能、焊接性能、切削加工性能、热处理性能等。1）铸造性能金属材料利用铸造的方法获得完好铸件的能力称为铸造性能。其优劣常用金属的液态流动性、冷却时的收缩率和偏析等指标来衡量。汽车发动机上的气缸盖、气缸体、活塞、变速器壳体、转向器壳体等零件均是由金属材料铸造而成的。2）锻造性能金属材料利用锻压加工方法成形的难易程度称为锻造性能。其优劣取决于金属材料的塑性和变形抗力。塑性好的金属变形时不易开裂；变形抗力小的金属，锻压时省力，而且工具、模具不易磨损。例如，碳钢在加热状态下锻造性能较好，铸铁则不能锻造。3）冷变形工艺性能各种钢板和各种管在施工和安装中，有时需要进行各种冷变形，所以要求这些材料具有良好的冷变形工艺性能。二、金属材料的性能4）焊接性能焊接性能是指被焊接金属在一般的焊接工艺条件下，获得优质焊缝的能力。对碳钢和低合金钢，焊接性能主要与其化学成分有关，其中碳的影响最大，含碳量越高，其焊接性能越差。例如，低碳钢具有良好的焊接性能，高碳钢、铸铁的焊接性能较差。5）切削加工性能切削加工性能是指金属被切削加工时的难易程度。一般认为金属材料具有适当的硬度（170～230HBS）和足够的脆性时，较易切削。所以灰铸铁比钢的切削加工性能好，一般碳钢比高合金钢的切削加工性能好。改变钢的化学成分和进行适当的热处理，是改善钢的切削加工性能的重要途径。6）热处理性能金属进行热处理时所表现出来的性能称为热处理性能。金属材料可以通过热处理来提高其力学性能。热处理工艺方法包括退火、正火、淬火、回火及表面热处理等，具体情况见表1-1。二、金属材料的性能二、金属材料的性能3．金属材料的物理、化学性能材料的物理性能是指材料固有的属性，包括密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性和磁性等。材料的化学性能是指材料在化学作用下所表现出的性能。对于金属材料来说，化学性能一般指耐腐蚀性和抗氧化性。对于非金属材料来说，还存在化学稳定性、抗老化能力和耐热性等问题。二、金属材料的性能黑色金属又称钢铁材料，包括含铁99.5%以上的工业纯铁、含碳2%～4%的铸铁、含碳小于2%的碳钢，以及各种用途的结构钢、不锈钢、耐热钢、高温合金、精密合金等。钢铁材料最大的特点是价格低廉，比强度（强度/密度）高，便于加工，因而得到广泛的应用。汽车常用的钢铁材料有钢板、结构钢、特殊用途钢、钢管、铸铁等，主要用于制造车架、车身、车轴、发动机缸体、曲轴、罩板、外壳等部件。1．碳素钢碳素钢又称碳钢，是含碳量小于2.11%（实际在1.35%以下）的铁碳合金，并含有冶炼中难以除净的少量杂质，如硅、锰、硫、磷等。碳钢不仅具有较好的力学性能、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，所以占钢总产量的90%以上。三、黑色金属材料1）碳素钢的分类碳素钢的分类方法很多，具体情况见表1-2。三、黑色金属材料2）常用碳素钢的性能、牌号和用途（1）碳素结构钢。碳素结构钢含碳量多数在0.30%以下，含杂质较多，强度较低，但塑性、韧性、冷变形工艺性能好，除少数情况外，一般不进行热处理而直接使用。碳素结构钢价格低廉、用途广、产量高，所以常用于金属结构或汽车上要求不高的零件，如发动机前后支架、后视镜支杆、油底壳加强板等。碳素结构钢的牌号由“屈”字的拼音首字母Q、屈服强度值、质量等级符号（分A、B、C、D四级，A级质量最差，D级质量最好）和脱氧方法符号（F、B、Z、TZ）四个部分按顺序组成。例如，Q215BF表示屈服强度为215MPa的B级沸腾钢。三、黑色金属材料（2）优质碳素结构钢。优质碳素结构钢中有害杂质硫、磷含量较少，非金属夹杂物含量也很少，故钢材质量较好，主要用来制作各种机器零件，根据化学成分和使用性能要求，一般需要进行热处理。优质碳素结构钢的牌号以两位数字表示，数字代表该钢平均含碳量的万分之几，如35钢表示平均含碳量为0.35%的优质碳素结构钢。对于沸腾钢，则在尾部加上F，如08F。对于含锰量较高的钢，则在牌号后面加上锰元素符号，如45Mn。含碳量在0.25%以下的优质碳素结构钢，杂质少，如08、10、15、20、25等，其塑性好，易于拉拔、冲压、挤压、锻造和焊接，多不经热处理直接使用，或经渗碳、碳氮共渗等处理。其中20钢用途最广，常用来制造螺钉、螺母、垫圈、小轴及冲压件、焊接件，有时也用于制造渗碳件。例如，图1-2所示的20钢热轧无缝钢管，可以用来制造汽车半轴套管及驱动桥桥壳轴管。三、黑色金属材料图1-220钢热轧无缝钢管含碳量为0.25%～0.60%的优质碳素结构钢，如40、45、40Mn、45Mn等，多经调质处理，用于制造各种机械零件及紧固件等。其中45钢最为典型，如图1-3所示，它不仅强度、硬度较高，且具有较好的塑性和韧性，以及优良的综合性能。45钢在机械机构中用途最广，常用来制造轴、丝杠、齿轮、连杆、套筒、键、重要的螺钉和螺母等。含碳量超过0.60%的优质碳素结构钢，如65、70、85、65Mn、70Mn等，经过淬火、中温回火后不仅强度、硬度提高，且弹性优良，常用来制造小弹簧、发条、钢丝绳、轧辊等。三、黑色金属材料图1-345钢（3）碳素工具钢。碳素工具钢用于制造刃具、模具和量具，如图1-4所示。由于大多数工具要求高硬度和高耐磨性，故碳素工具钢含碳量都在0.7%以上，都是优质钢和高级优质钢。碳素工具钢的牌号用“T”加数字表示。“T”为“碳”字的汉语拼音首字母，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。碳素工具钢的热硬性差，一般刀具刃部温度达到250℃以上时，硬度和耐磨性即迅速降低。各种牌号的碳素工具钢经淬火后的硬度相差不大，但随含碳量的增加，钢的硬度、耐磨性增加，而韧性降低。因此，不同牌号的碳素工具钢用于制造不同场合使用的工具。三、黑色金属材料图1-4碳素工具钢2．合金钢为了改善钢的组织和性能，在碳素钢的基础上有目的地加入一种或几种金属或非金属元素所形成的铁碳合金，称为合金钢。合金钢的淬透性和综合力学性能比碳素钢好。使用合金钢时要进行热处理，以便充分发挥合金元素的作用。但合金钢也存在一些缺点，如合金钢的冲压、切削加工性能较差；价格较高，对应力集中敏感。合金钢的分类方法很多，常用的有下面两种分类方法，如表1-3所示。三、黑色金属材料1）合金结构钢汽车中除使用大量的碳素钢外，还使用大量的各类合金结构钢，以满足汽车对零件的要求，如体积小、质量小、耐磨损、耐疲劳、耐腐蚀、耐热等。合金结构钢的牌号采用两位数字（含碳量）+元素符号+数字来表示。前面两位数字表示钢中平均含碳量的万分之几，元素符号表明钢中含有的主要合金元素，其后的数字则标明该元素的含量。凡合金元素含量小于1.5%时不标数字，如果平均含量为1.5%～2.5%、2.5%～3.5%……，则相应地标2、3……。例如，60Si2Mn，表示平均含碳量为0.6%（60/10000），含Mn量小于1.5%，含Si量为1.5%～2.5%的合金结构钢。常用的合金结构钢主要有以下几种。（1）低合金结构钢。低合金结构钢比低碳钢的强度要高10%～30%；比相同含碳量的碳素结构钢的强度高很多，且有良好的塑性、韧性、耐腐蚀性和焊接性。低合金结构钢一般在热轧或正火状态下使用，一般不再进行热处理，冶炼比较简单，生产成本与碳素钢相近，主要用于船舶、桥梁、锅炉、高压容器、油管、大型钢结构及汽车等方面。三、黑色金属材料低合金结构钢的牌号表示方法与普通碳素结构钢相同。例如，Q345表示屈服强度不低于345MPa的低合金结构钢。Q345是我国产量最大、使用最多的低合金结构钢，具有良好的力学性能、焊接性能和加工性能。国产载重汽车的大梁几乎都采用Q345钢。低合金结构钢在汽车上的应用如表1-4所示。三、黑色金属材料（2）合金渗碳钢。采用渗碳+淬火+低温回火的热处理方式的合金结构钢为合金渗碳钢。其含碳量为0.1%～0.25%，主要合金元素有Cr、Ni、B，另外还有少量辅助合金元素V、W、Mo、Ti等。合金渗碳钢是对低碳钢进行渗碳，然后进行淬火和低温回火得到的。合金渗碳钢零件表面具有高强度、高耐磨性和高的耐疲劳性能，而内部具有适当的强度和良好的韧性。合金渗碳钢适用于工作在有强烈冲击、接触疲劳、严重摩擦磨损的条件下，表面要求具有高耐磨性，而内部具有优良的抗冲击性的零件。20CrMnTi是应用最广泛的合金渗碳钢，常用于制造汽车的变速齿轮、轴、发动机凸轮轴（见图1-5）、活塞销等零件。三、黑色金属材料图1-5发动机凸轮轴常用合金渗碳钢在汽车上的应用如表1-5所示三、黑色金属材料（3）合金调质钢。调质钢在机械制造中应用很广。例如40Cr与碳素调质钢40、45相比，具有较高的淬透性和综合力学性能，常用于制造较重要的调质件和表面淬火件，如曲轴、连杆、摇臂轴、进气阀、凸轮及泵齿轮等；又如40CrNi、37CrNi3钢具有很高的淬透性和高的强度、韧性、塑性，常用于制造曲轴、中间轴、汽轮机转子轴等。合金调质钢是在中碳钢的基础上加入一些合金元素，经调质处理而成的钢。合金调质钢的含碳量为0.3%～0.6%，主要合金元素有Cr、Ni、Mn、Si等；具有高韧性、高塑性及相当高的强度，用于制造在重载荷下、受力复杂、要求综合力学性能优良的重要零件。40Cr、40MnB是常用的合金调质钢，与碳素调质钢40、45相比具有较高的淬透性和综合力学性能，常用于制造较重要的调质件和表面淬火件，如汽车连杆、连杆螺栓、摇臂轴、进气阀、凸轮及汽车半轴等；又如40CrNi、37CrNi3钢具有很高的淬透性和高的强度、韧性、塑性，适用于大截面、承受大载荷的重要结构件，常用于制造发动机曲轴（见图1-6）。三、黑色金属材料图1-6发动机曲轴常见合金调质钢在汽车上的应用如表1-6所示。三、黑色金属材料（4）合金弹簧钢。合金弹簧钢用于制造弹簧或者其他弹性零件。合金弹簧钢的含碳量在0.45%～0.70%之间，加入的合金元素有Si、Mn、Cr、V等。弹簧在汽车中应用比较多，有钢板弹簧和螺旋弹簧（见图1-7）等类型。弹簧一般在受振动、受冲击及交变载荷状态下工作，因此，合金弹簧钢具有高的屈服点、弹性极限、抗疲劳强度，以保证弹簧有足够的弹性变形能力并能承受较大的载荷。同时，合金弹簧钢还具有一定的塑性与韧性、一定的淬透性，不易脱碳及不易过热。三、黑色金属材料图1-7螺旋弹簧合金弹簧钢可制造截面较大、屈服强度较高的重要弹簧。常用合金弹簧钢中，65Mn、55Si2Mn、60Si2Mn用于制造截面积小于25mm2的各种螺旋弹簧和厚度小于10mm的板簧；55CrMnA、60CrMnA用于制造截面积小于50mm2的各种螺旋弹簧和钢板弹簧。常见合金弹簧钢在汽车上的应用如表1-7所示。三、黑色金属材料（5）滚动轴承钢。滚动轴承钢是用来制造各种滚动轴承（见图1-8）套圈和滚动体的专用钢。滚动轴承钢一般具有足够高的抗压强度、很高的疲劳强度、高的硬度和耐磨性、一定的韧性、耐腐蚀性及尺寸稳定性。滚动轴承钢除用来制造滚动轴承零件，如滚珠、滚柱、套圈外，还用来制造精密量具和发动机的精密偶件。常用的滚动轴承钢是含碳量为0.95%～1.10%，含铬量为0.40%～1.65%的高碳低铬钢，如GCr15、GCr9等。三、黑色金属材料2）合金工具钢合金工具钢是在碳素工具钢的基础上加入合金元素（Cr、Mn、Si、Mo、V等）制成的，加入合金元素提高了钢的淬透性、韧性、耐磨性和耐热性。合金工具钢主要用来制造量具、切削刀具（如图1-9所示的铣刀）、耐冲击工具和冷、热模具及一些特殊用途的工具。三、黑色金属材料图1-8滚动轴承图1-9铣刀合金工具钢按用途分为刃具钢、模具钢和量具钢三种类型。其中，含碳量较高的钢（ωC>0.8%）多用于制造刃具、量具和冷作模具，这类钢淬火后的硬度高，且具有足够的耐磨性；含碳量中等的钢（ωC为0.35%～0.70%）多用于制造热作模具，这类钢淬火后的硬度较低，但韧性良好。合金工具钢的牌号和合金结构钢的区别仅在于含碳量的表示方法，它用一位数字表示平均含碳量的千分数，当含碳量≥1%时，则不予标出。例如，5CrMnMo为合金工具钢，平均含碳量为0.5%，含铬、锰、钼量均小于1.5%。又如，Cr12MoV为合金工具钢，平均含碳量大于1.0%，含铬量为11.5%～12.5%，钼、钒的含量均小于1.5%。刃具钢又分为低合金刃具钢和高速钢。低合金刃具钢主要是含铬的钢，如9CrSi是应用广泛的刃具钢，用于制造要求变形小的各种薄刃低速切削刃具，如丝锥、板牙、铰刀等。高速钢含钨、铬、钒等合金元素较多，具有很高的红硬性，当其切削温度高达600℃时，仍然保持高硬度和高耐磨性。此外，高速钢还具有足够的强度、韧性，所以它是重要的切削刀具材料，常用的高速钢有W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2。三、黑色金属材料（1）合金刃具钢。合金刃具钢主要用来制造车刀、铣刀、钻头等各种切削刀具。合金刃具钢分为低合金刃具钢和高速钢。①低合金刃具钢。低合金刃具钢是在碳素工具钢的基础上加入少量合金元素的钢。主要加入的合金元素有Cr、Mn、Si、W、V等。低合金刃具钢与碳素工具钢相比提高了淬透性，能制造尺寸较大的刀具，可在冷却介质（如油）中较缓慢地冷却淬火，使变形倾向减小。这类钢的强度和耐磨性也比碳素工具钢高，但由于合金元素的加入量不大，一般工作温度不得超过300℃。9CrSi和CrWMn是常用的低合金刃具钢，低合金刃具钢的预备热处理方式是球化退火，最终热处理方式为淬火后低温回火。这类钢常用于制造低速或手动工具或刀具等，如丝锥、板牙、钻头、铰刀、刮刀和拉刀等。②高速钢。用于制造高速度切削工具的钢称为高速钢。其含碳量在0.70%～1.65%之间，含合金元素总量>10%，主要合金元素有W、Mo、Cr、V等，合金元素与碳形成碳化物，以提高钢的硬度、耐磨性和红硬性。因此，高速钢具有很高的红硬性，当其切削温度高达600℃时，仍然保持高硬度和高耐磨性，一般用来制造切削速度较高的刀具（如车刀、铣刀、拉刀等）。高速钢的热处理包括锻造后的球化退火及加工成形后的淬火与低温回火。常用的高速钢有W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2，前者通用性强，能满足一般要求，但红硬性较差且价格高，主要用于制造截面积较小的刀具和普通钻头；后者的特点是价格相对较低，用来制造钻头、滚刀、铣刀以及大截面的刀具。三、黑色金属材料（2）合金量具钢。量具是测量工件的工具，如游标卡尺、千分尺、塞规、量块、样板等。它们的工作部分要求高硬度、高耐磨性、高的尺寸稳定性和足够的韧性。量具没有单独的专用钢种。碳素工具钢、合金工具钢和滚动轴承钢都可以用来制造量具，但精度要求较高的量具，一般采用微变形合金工具钢制造，如CrWMn、CrMn、GCr15等。量具钢经淬火后要在150～170℃进行长时间保温回火和冷处理，以稳定尺寸。常用合金量具钢的牌号、热处理方法和用途如表1-8所示。三、黑色金属材料3）特殊性能钢特殊性能钢是指具有某些特殊的物理、化学、力学性能，能在特殊的环境、工作条件下使用的钢。常用的特殊性能钢有不锈钢、耐热钢、耐磨钢。特殊性能钢的牌号与合金工具钢牌号的表示方法相同，例如，2Cr13为不锈钢，平均含碳量为0.20%，含铬量为12.5%～13.5%。另外，当含碳量小于或等于0.03%和小于或等于0.08%时，在钢号前面分别标00和0，如00Cr18Ni10和0Cr18Ni9等。（1）不锈钢。不锈钢的主要合金元素是铬和镍。不锈钢的性能中最重要的是耐腐蚀性，此外还要有合适的力学性能，良好的冷、热加工和焊接工艺性能。铬是使不锈钢获得耐腐蚀性的基本合金元素。加入Cr、Ni等合金元素，可使腐蚀速度降低，提高钢的耐腐蚀性。常用的不锈钢有1Cr13、2Cr13、3Cr13、1Cr18Ni9等。图1-10所示为不锈钢法兰。三、黑色金属材料图1-10不锈钢法兰（2）耐热钢。耐热钢是指在高温下具有高的抗氧化性能和较高强度以及良好的耐热性能的钢。耐热钢可分为抗氧化钢与热强钢两类。抗氧化钢一般具有较好的化学稳定性，但承受的载荷较低。热强钢则要求较高的高温强度和相应的抗氧化性。耐热钢常用于制造高温下工作的零部件，如内燃机气门（见图1-11）、涡轮叶片（见图1-12）等。在汽车上常用的耐热钢是4Cr9Si2，用于制造发动机排气门。三、黑色金属材料图1-11内燃机气门图1-12涡轮叶片（3）耐磨钢。耐磨钢种类繁多，可分为高锰钢，中、低合金耐磨钢等。高锰钢是耐磨钢中用量最大的一种，如ZGMn13，适用于制造在强烈冲击条件下工作的零件，如铁路道岔、挖掘机铲齿（见图1-13）等。三、黑色金属材料图1-13挖掘机铲齿3．铸铁1）铸铁的类型铸铁是含碳量大于2.11%，并且含有硅、锰、硫、磷等杂质元素的铁碳合金。在铸铁中，碳以渗碳体或石墨的形式存在。根据碳的存在形式和铸铁中石墨的形态不同，铸铁可分为以下类型，具体见表1-9。三、黑色金属材料2）常用铸铁的牌号、性能及用途（1）灰铸铁。灰铸铁是生产中使用最多的铸铁。灰铸铁含碳量较高（含碳量为2.7%～4.0%），可看成碳素钢的基体加片状石墨。由于片状石墨对基体的割裂严重，在石墨尖角处易造成应力集中。铸铁中的石墨含量越大，尺寸越大，分布越不均匀，割裂基体越严重，铸件的强度、塑性和韧性就越差，因此灰铸铁的抗拉强度、塑性和韧性远低于钢。由于石墨对抗压强度的影响不大，所以灰铸铁的抗压强度与钢相当。同时由于石墨的存在，灰铸铁具有优良的铸造性、耐磨性和消振性，以及良好的切削加工性能和较低的缺口敏感性。灰铸铁常用于受力不大、冲击载荷小、需要减振或耐磨的各种零件，如机床床身、机座、箱体、阀体等，汽车上制动器的制动蹄和制动鼓也是用灰铸铁制成的，如图1-14所示。灰铸铁的牌号由“灰铁”两字的汉语拼音首字母“HT”及后面一组数字组成，数字表示其最低的抗拉强度。例如HT250，表示最低抗拉强度为250MPa的灰铸铁。三、黑色金属材料图1-14制动蹄和制动鼓（2）可锻铸铁。可锻铸铁是白口铸铁经石墨化退火得到的一种具有团絮状石墨的铸铁。可锻铸铁不可以锻造，只是其塑性和韧性远比灰铸铁高，同时由于石墨呈团絮状，减小了石墨对金属基体的割裂作用和应力集中，因而可锻铸铁比灰铸铁有较高的强度，并且有一定的塑性和韧性，可以部分代替锻钢。我国常用的可锻铸铁有黑心可锻铸铁和珠光体可锻铸铁。其牌号由三个字母及两组数字组成。黑心可锻铸铁有“可、铁、黑”三字的汉语拼音首字母“KTH”表示；珠光体可锻铸铁用“可、铁、珠”三字的汉语拼音首字母“KTZ”表示，后面两组数字分别表示最抵抗拉强度和最小伸长率。例如，KTH300-06表示最低抗拉强度为300MPa，最小伸长率为6%的黑心可锻铸铁；KTZ450-06表示最低抗拉强度为450MPa，最小伸长率为6%的珠光体可锻铸铁。黑心可锻铸铁具有一定的强度及较高的塑性和韧性，可用于制造承受冲击和振动的零件，如汽车后桥壳、差速器壳、减速器壳、变速器壳体（见图1-15）等；珠光体可锻铸铁具有较高的强度和硬度、良好的耐磨性，但塑性、韧性不如黑心可锻铸铁，一般用来制造耐磨损、承受高载荷和一定冲击的零件，如小型曲轴、连杆、轮轴、齿轮、摇臂等。三、黑色金属材料图1-15变速器壳体（3）球墨铸铁。球墨铸铁经球化处理而使石墨大部分或全部呈球状。由于球状球墨对基体的割裂作用减小，所以球墨铸铁的强度和塑性超过灰铸铁和可锻铸铁，甚至超过某些低碳钢。但球墨铸铁仍具有良好的铸造性、减振性、耐磨性及切削加工性能。球墨铸铁的牌号用“QT”加两组数字表示。“QT”表示“球铁”，后面两组数字分别表示最低抗拉强度和最小伸长率。例如，QT500-7表示最低抗拉强度为500MPa，最小伸长率为7%的球墨铸铁。球墨铸铁应用广泛，可用来制造一些受力复杂而强度、韧性及耐磨性要求高的零件。例如，QT400-18适用于制造汽车轮毂（见图1-16）、后桥壳及减速器壳体等；QT500-7适用于制造汽车、拖拉机的曲轴、连杆、凸轮轴等零件。三、黑色金属材料图1-16汽车轮毂1．气缸体、气缸套和气缸盖的材料（1）气缸体材料。气缸体工作时承受较大的机械负荷和热负荷，因此，要求材料具有足够的强度和刚度，以及良好的铸造性和切削加工性能。一般采用灰铸铁作为气缸体材料。（2）气缸套材料。气缸套内壁直接承受燃气的高温，且与活塞间具有高速相对运动，承受压力。因此，常用的气缸套材料为耐磨合金铸铁，主要有高磷铸铁、硼铸铁等。（3）气缸盖材料。气缸盖用来封闭气缸构成燃烧室，承受高温、高压、机械负荷和热负荷。因此，气缸盖材料常选用导热性好、高温机械强度高、能承受反复热应力、铸造性能良好的灰铸铁、合金铸铁和铝合金。2．活塞销、活塞环的材料活塞销材料一般采用20低碳钢或20Cr、18CrMnTi等低碳合金钢。活塞环材料应耐磨、韧性好，具有良好的耐热性和易加工性。常用的活塞环材料有灰铸铁和在灰铸铁基础上加入一定量的铜、铬、铝及钨等合金元素所形成的合金铸铁。3．连杆、气门的材料（1）连杆材料。连杆工作时承受燃气压力、惯性力，以及交变的拉压应力和弯曲应力。连杆材料一般选用45钢、40Cr或40MnB等调质钢。（2）气门材料。气门工作时承受较高的机械负荷和热负荷，气门材料应选用耐热、耐腐蚀、耐磨的材料。进、排气门工作条件不同，材料的选择也不同。进气门一般可用40Cr、35CrMo、38CrSi、42Mn2V等合金钢制造；排气门工作温度高达850℃，因此排气门选用高铬耐热钢制造，常采用4Cr10Si2Mo、4Cr14Ni14W2Mo。四、汽车典型零件选材4．汽车齿轮的材料汽车齿轮的材料要求具有高的疲劳强度和高的接触疲劳强度。轮齿内部应具有足够的抗冲击性，以防止轮齿受冲击过载时折断。一般选用经过渗碳处理的低碳钢作为重要齿轮的材料。应用最多的是经渗碳、淬火和低温回火处理的合金渗碳钢20Cr或20CrMnTi。5．汽车曲轴等轴类零件的材料轴类零件应具有高的强度、足够的刚度、良好的韧性以及高的疲劳强度，在相对运动的摩擦部位（如轴颈、键等），还应具有高的硬度和耐磨性。因此，一般用经锻造或轧制的低、中碳钢或合金钢制造。常用的优质碳素结构钢有35钢、40钢、45钢、50钢等，其中45钢最常用。当载荷大且有外形、尺寸和质量限制，或耐磨性要求高时采用合金钢制造轴类零件。常用的合金钢有20Cr、40Cr、40CrNi、20CrMnTi、40MnB等。发动机曲轴承受连杆的作用力，因此要求材料具有高的强度、韧性和耐磨性。中、小功率内燃机曲轴常用的材料为45钢、40Cr、5Mn2等。四、汽车典型零件选材6．汽车弹簧材料汽车弹簧主要有悬架的螺旋弹簧、钢板弹簧以及发动机中的气门弹簧。弹簧的主要作用是缓冲和减振，以及位置复原。汽车钢板弹簧承受很大的交变应力和冲击载荷作用，需要高的屈服强度和疲劳强度，一般选用65Mn、60Si2Mn钢制造。中型或重型汽车钢板弹簧选用5CrMn、55SiMnVB钢制造；重型载货汽车钢板弹簧选用55SiMnMoV、55SiMnMoVNb钢制造。内燃机中的气门弹簧是压缩弹簧，其作用是在凸轮、摇臂挺杆的联合作用下，使气门打开或关闭。其承受的应力不大，一般采用淬透性比较好，有一定耐热性的50CrVA钢。7．车身、纵梁和挡板车身、纵梁和挡板均为冲压件。汽车冷冲压零件采用的材料有钢板和钢带，钢板包括热轧钢板和冷轧钢板，如钢板08、20、25和16Mn等。四、汽车典型零件选材课后练习1．脆性材料的伸长率为。A．>1%B．<1%C．>5%D．<5%2．塑性材料的伸长率一般为。A．>3%B．>5%C．>7%D．>9%3．下列塑性最好的材料是。A．铸铁B．低碳钢C．高碳钢D．中碳钢4．金属材料在常温下的力学性能包括硬度、强度、疲劳强度、韧性和。A．塑性B．弹性C．脆性D．热硬性5．下列金属材料中，焊接性最差的是。A．低碳钢B．中碳钢C．高碳钢D．铸铁课后练习6．下列材料中，可锻性最好的是。A．低碳钢B．中碳钢C．高碳钢D．铸铁7．金属材料的力学性能指的是什么？主要用哪些指标来衡量？8．什么是金属材料的工艺性能？它包括哪些具体的性能？9．解释热处理的含义并说明其作用。10．表面淬火的目的是什么？11．表面化学热处理的目的是什么？12．影响铸铁性能的主要因素有哪些？列举铸铁在汽车中的应用。13．解释下列材料牌号的含义：Q235、25、T10、20CrMnTi、40Cr、60Si2Mn、QT400-15、HT250。思政元素铁是支撑现代社会的骨架，可以说，没有铁就没有现代文明。人类的历史，也是一部金属使用发展史。为什么要使用金属呢？因为人类一开始使用天然的树木、骨头建造房屋、兵器，这些都太脆弱了。只有金属能够长久保存，并且坚固耐用。人类一开始使用的金属是青铜，也就是铜锡合金，青铜强度高、熔点低，耐磨且化学性质稳定，这意味着人类在技术不发达的时候，用稍高的温度就可以冶炼青铜。四千年前的青铜时代，人类用青铜制作了大量的刀斧、酒杯、大鼎。中国出土的后母戊鼎，反映了商朝青铜铸造业的宏大规模。到了公元前1500年，人类进入了铁器时代。与青铜相比，铁有很多优点，首先就是铁比青铜更坚硬，做刀斧兵器更锋利，延展性好，能够铸造成各种形状，而且铁矿远比铜矿丰富。铁相对于铜来说，冶炼更困难，铁的熔点比铜的熔点高很多，直到发明了风箱，才让炉灶温度达到冶炼铁的温度，因此铁器时代在青铜时代之后。思政元素中国古代的炼铁技术很高，现在中国国家博物馆还留着西汉的铁戟，距今已经2000多年，依然非常精美。钢铁就像粮食一样，为支撑国民经济快速发展做出了巨大贡献。我国成为制造业大国，钢铁工业功不可没，钢铁工业对国防、石油、造船、建筑、装备制造业等都起到了很大的支撑与推动作用。21世纪的前15年内，我国生产了约70亿吨钢。没有这70亿吨钢，哪能建起鳞次栉比的高楼大厦、纵横交错的铁路和高速公路？如果没有钢铁工业的支撑，我国造船工业不可能在全球占到那么大的比重。如果我国没有如此强大的造船能力，航空母舰、导弹驱逐舰就无从谈起。从古至今，中国的发展变迁离不开冶金技术的升级，钢铁行业的发展史就是一部浓缩的中国创业史。从无到有，百炼成钢，如今的中国钢铁已然傲视全球。这个行业数十年的筚路蓝缕，起伏间不断发展壮大，有力地托起一个新时代的中国，我们相信，钢铁注定还将成为中国梦最为坚实的后盾！项目一汽车常用材料的认识与选用任务二有色金属及非金属材料在汽车上的应用汽车机械基础任务学习目标1．了解常用有色金属及非金属材料的类型。2．熟悉铝及铝合金、铜及铜合金、轴承合金在汽车上的应用情况。3．了解其他非金属材料的性能特点及其在汽车上的应用情况。思政目标1．培养爱国主义情怀，增强民族自豪感，增强责任意识；2．培养学生正确的世界观和科学观，不畏劳苦，刻苦钻研；3．内修外练，坚定理想信念，加强自身建设。任务引入有色金属因具有质量轻、导电性能好等特性，在现代汽车上的用量逐年增加。近年来，在轿车制造行业，采用铝、镁（镁合金轮毂如图1-17所示）、钛等轻金属替代钢铁材料，是轿车轻量化的一个重要手段。图1-17镁合金轮毂1．铝及铝合金1）工业纯铝目前铝是工业中用量最大的有色金属。纯铝是银白色金属，密度小（2.7g/cm3），大约是钢或铁密度的1/3，导电性和导热性仅次于铜、银、金而居第四位，且价格较低，强度低（σb≈80MPa），塑性很高（δ=50%、ψ=80%），具有良好的加工性能和焊接性能，良好的抗大气腐蚀能力。工业纯铝在汽车上的应用主要是作为空气压缩机垫圈、排气阀垫片、汽车铭牌等的材料。我国工业纯铝的牌号是用其纯度来编号的，如L1、L2、L3等，L为“铝”字的拼音首字母，编号数字越大，纯度越低。例如，L1的含铝量为99.7%，杂质总量不大于0.3%；L4的含铝量为99.4%，杂质总量不大于0.6%。一、有色金属在汽车上的应用2）铝合金纯铝的强度低，无法作为承受载荷的结构材料使用，因此，通常在铝中加入一定量的其他金属元素以制成具有较高强度的铝合金。铝合金用于制造承受载荷的结构零件，根据其成分和工艺特点，可分为变形铝合金（或称压力加工铝合金）和铸造铝合金两类。（1）变形铝合金。变形铝合金具有较高的强度和良好的塑性，可以通过压力加工制成各种半成品，也可以焊接。它主要用于承受中等载荷或高载荷的构件，如发动机机架、飞机起落架等。常用的变形铝合金有防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金及锻造铝合金等。此类铝合金在汽车上应用不多。（2）铸造铝合金。铸造铝合金有良好的铸造性能，可以铸成各种形状复杂的零件，但塑性低，不宜进行压力加工。铸造铝合金按主加合金元素的不同，可分为铝硅合金、铝铜合金、铝镁合金及铝锌合金等。其中应用最广的是铝硅合金，俗称硅铝明，具有良好的铸造性能，广泛用于制造形状复杂的零件，如发动机活塞（见图1-18）、气缸体、气缸套等。一、有色金属在汽车上的应用2）铝合金纯铝的强度低，无法作为承受载荷的结构材料使用，因此，通常在铝中加入一定量的其他金属元素以制成具有较高强度的铝合金。铝合金用于制造承受载荷的结构零件，根据其成分和工艺特点，可分为变形铝合金（或称压力加工铝合金）和铸造铝合金两类。（1）变形铝合金。变形铝合金具有较高的强度和良好的塑性，可以通过压力加工制成各种半成品，也可以焊接。它主要用于承受中等载荷或高载荷的构件，如发动机机架、飞机起落架等。常用的变形铝合金有防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金及锻造铝合金等。此类铝合金在汽车上应用不多。一、有色金属在汽车上的应用（2）铸造铝合金。铸造铝合金有良好的铸造性能，可以铸成各种形状复杂的零件，但塑性低，不宜进行压力加工。铸造铝合金按主加合金元素的不同，可分为铝硅合金、铝铜合金、铝镁合金及铝锌合金等。其中应用最广的是铝硅合金，俗称硅铝明，具有良好的铸造性能，广泛用于制造形状复杂的零件，如发动机活塞（见图1-18）、气缸体、气缸套等。一、有色金属在汽车上的应用图1-18发动机活塞铸造铝合金的牌号由“Z”加铝及主要合金元素符号组成，主要合金元素符号后跟有表示其名义百分含量的数字，如果合金元素的百分含量小于1，一般不标数字，如ZAlSi7Mg。铸造铝合金的代号用汉语拼音字母“ZL”（铸铝）与三个数字组成，ZL后面第一个数字表示合金类别，1表示铝硅合金，2、3、4分别表示铝铜合金、铝镁合金、铝锌合金。ZL后第二、三位数字表示合金顺序号，顺序号不同，其化学成分也不同。例如，ZAlSi7Mg的代号为ZL101。一、有色金属在汽车上的应用铸造铝合金在汽车上的应用包括：制造气缸体、曲轴箱、气缸盖、活塞、发动机架等，尤其是活塞几乎都用铝合金制造。我国应用铝硅合金ZL108、ZL109、ZL111比较多。另外，底盘上采用铝铸件的零件也不少，如离合器壳体（见图1-19）、变速器壳等。铸造铝合金在汽车上的应用情况见表1-10。一、有色金属在汽车上的应用图1-19离合器壳体2．铜及铜合金1）纯铜纯铜呈紫红色，故又称紫铜。纯铜的导电性和导热性仅次于金和银，是常用的导电、导热材料。纯铜强度低（230～240MPa）、硬度小（40～50HBS）、塑性好，易于冷、热压力加工，焊接性能良好。纯铜的牌号有T1、T2、T3三种。“T”为“铜”字汉语拼音首字母，编号越大，纯度越低。纯铜可用来制造发动机的输油管、缸头垫、火花塞垫等。一、有色金属在汽车上的应用2）黄铜工业上广泛采用的铜合金分为黄铜、青铜和白铜三类。其中应用较广的是黄铜。黄铜是以锌为主要添加元素的铜合金，具有良好的力学性能，易于加工成形，并且对大气、海水、淡水、蒸汽有相当高的耐腐蚀性。通常将铜锌二元合金称为普通黄铜，其牌号由“黄”字汉语拼音首字母“H”加数字组成，数字表示平均含铜量的百分数。例如，H62表示含铜量为62%，含锌量为38%的普通黄铜。在普通黄铜中加入其他的合金元素所构成的合金，称为特殊黄铜。其牌号为H+主加元素符号+含铜量+主加元素含量。例如，HSn70-1表示含锡（主加元素）量为1%、含铜量为70%，其余为锌的锡黄铜。黄铜在轿车上可用于转向节衬套（见图1-20）、钢板弹簧衬套、轴套等耐磨件，也可用于散热器冷凝管、冷却管，还可用于装饰件、供水排水管、油管接头、制动三通接头、垫片和垫圈。黄铜在汽车上的应用情况见表1-11。一、有色金属在汽车上的应用一、有色金属在汽车上的应用图1-20转向节衬套3．轴承合金发动机的主轴承、曲柄销轴承、活塞销轴承及摇臂轴承等都是滑动轴承。用来制造滑动轴承中轴瓦内衬的合金，称为轴承合金。滑动轴承起支撑作用，而且在运转中轴与轴瓦之间有强烈的摩擦。由于轴是机器的重要零件，且造价高，更换难，且磨损不可避免，因此要求轴承合金具有高的疲劳强度、抗压强度、塑性和韧性；具有低的摩擦系数、良好的磨合性、抗咬合性及亲油性；具有良好的导热性、耐腐蚀性以及较小的膨胀系数；具有良好的工艺性能，即易于铸造和切削加工。常用的滑动轴承合金主要有锡基轴承合金（如ZChSnSb11-6、ZChSnSb8-4）、铅基轴承合金（如ZChPbSn16-16-2）、铜基轴承合金（如ZCuPb30）等。锡基轴承合金和铅基轴承合金又称巴氏合金，是应用广泛的轴承合金。图1-21所示为巴氏合金轴瓦。一、有色金属在汽车上的应用图1-21巴氏合金轴瓦汽车上除大量使用金属材料外，非金属材料也得到越来越广泛的应用。常用的非金属材料包括有机高分子材料（塑料、橡胶、胶黏剂等）、无机非金属材料（陶瓷、玻璃）和复合材料。非金属材料有许多金属材料不具备的优点：高分子材料质轻、耐腐蚀、吸振、价廉；陶瓷硬度高、耐高温、耐腐蚀；复合材料则是一种新兴的、具有广阔发展前景的工程材料。1．塑料塑料是应用广泛的有机高分子材料，其主要成分是合成树脂，此外还包括填料或增强材料、增塑剂、固化剂、润滑剂、稳定剂、着色剂及阻燃剂等添加剂。合成树脂在一定的温度、压力下可软化并塑造成形，决定了塑料的基本属性，并起到黏结剂的作用；其他添加剂是为了弥补或改进塑料的某些性能。塑料具有质量轻、耐磨、吸振、耐腐蚀、绝缘、可以着色、易于加工成形等优点，因而得到了广泛应用，但塑料的不足之处是强度、刚度较低，耐热性差，易老化等。二、非金属材料在汽车上的应用1）塑料的类型及性能特点按用途分，塑料可分为通用塑料和工程塑料。通用塑料是指用于制造日常用品、农用品等的塑料。这类塑料产量大，用途广、成形性好、价格便宜，因而应用广泛。工程塑料是指用于制造工程构件和机械零件的塑料。工程塑料主要有ABS塑料、聚甲醛和聚碳酸酯等。这类塑料强度、刚度较高，韧性、耐热性、耐腐蚀性较好，可用来代替金属材料制造机械结构件。二、非金属材料在汽车上的应用2）塑料在汽车上的应用塑料在汽车上的应用越来越多，涉及汽车的内饰件、外装件、功能件，如保险杠、散热器格栅、仪表板、燃油箱等，用量约占全车质量的9%。塑料在汽车上的应用见表1-12。二、非金属材料在汽车上的应用2．橡胶橡胶是以生橡胶（简称生胶）为主要原料，加入各种适量的配合剂制成的，属于黏弹性高分子材料，具有弹性模量低、弹性极限高、耐疲劳、易硫化黏结等性能；有些胶种还具有耐油、耐化学介质、耐高温及气密性好等性能。1）橡胶的类型橡胶分为天然橡胶和合成橡胶两大类。天然橡胶是指以天然橡胶为生胶形成的橡胶材料，属于通用橡胶，具有优良的弹性，较高的强度和优异的抗疲劳性、耐磨性、防水性、绝热性与电绝缘性，以及良好的加工性能。合成橡胶是以石油、天然气和煤等为原料，通过化学合成的方法制成的与天然橡胶性质相似的高分子材料。合成橡胶的原料来源丰富，成本低廉，其品种和数量较多，产量已超过天然橡胶。按其性能和用途不同，橡胶又可分为通用橡胶和特种橡胶两大类。通用橡胶的性能与天然橡胶相似，物理性能和机械加工性能较好。特种橡胶，是指具有耐热、耐寒、耐油和耐化学腐蚀等特殊性能的橡胶，如硅橡胶、氟橡胶、聚氨酯橡胶等。二、非金属材料在汽车上的应用2）橡胶的主要特性和其他材料相比较，橡胶的主要特性有以下几点：极高的弹性、良好的热塑性、良好的黏着性、良好的绝缘性。此外，橡胶还具有良好的耐腐蚀性、密封性和耐寒性等，但是橡胶的导热性能差，抗拉强度低，且容易老化。橡胶老化会出现变色、发黏、变硬、变脆及龟裂等现象。因此，在橡胶制品的使用中应避免其与酸、碱、油及有机溶剂接触，尽量避免受热、日晒和雨淋等。二、非金属材料在汽车上的应用3）橡胶在汽车上的应用橡胶是在汽车上大量应用的一种重要材料。汽车上的橡胶零部件约有300种，广泛分布于汽车发动机及其附件，以及传动、转向、悬架、制动、电气仪表及车身等系统内。橡胶在汽车上的应用见表1-13。提示：橡胶制品占轿车总质量的3%～6%，现代轿车中橡胶用量最大的是轮胎，约占轿车中橡胶件总质量的70%。二、非金属材料在汽车上的应用3．陶瓷陶瓷是各种无机非金属材料的通称。陶瓷以天然或合成的化合物为原料，经处理、成形、干燥、烧结而成。陶瓷不仅仅是用来制造日用器皿的传统陶瓷材料，近年来随着陶瓷性能的不断改进，已发展成为金属材料和高分子材料以外的第三大类工程材料。陶瓷材料具有耐高温、耐腐蚀性好、耐磨性好、抗压强度高等特点。目前它在汽车上得到了越来越多的应用。在汽车中应用的陶瓷材料主要有普通陶瓷、特种陶瓷。二、非金属材料在汽车上的应用普通陶瓷是以黏土、石英或长石等天然硅酸盐材料（含SiO2的化合物）为原料，经过配制、烧结而制成的。这类陶瓷质地坚硬，耐腐蚀性好，不导电，易于加工成形，是应用广泛的传统材料。日用陶瓷、建筑陶瓷和化工陶瓷一般属于普通陶瓷。汽车发动机的火花塞（见图1-22）就是由普通陶瓷制成的。二、非金属材料在汽车上的应用图1-22火花塞特种陶瓷，又称精细陶瓷，采用高纯度人工合