汽车机械基础 课件 2.2汽车常用工程材料

汽车机械基础课程学习平台学银在线/detail/241541013中国大学MOOC/course/WXIC-10023760032.12.22.3金属材料的性能汽车常用工程材料金属材料的热处理金属材料的力学性能、金属材料的其他性能汽车常用黑色金属材料、有色金属材料、非金属材料的类型和特点钢的整体热处理工艺方法和应用范围、钢的表面热处理目的和方法项目二汽车工程材料2.2汽车常用工程材料能力目标：能够识别常见金属材料和非金属材料受汽车零部件制造有限公司委托，对一批汽车零件：汽车钢板、汽车齿轮和汽车传动轴等选择合适的材料。任务导入汽车材料分析汽车材料分析

目前，世界上汽车的保有量很大，超过11亿多辆，年产量超过8000万辆，就汽车制造材料的消耗而言，金属材料占整车质量的80％左右，其中钢铁材料约占70％，非铁金属材料约占lO％。非金属材料占整车质量的20％左右，其中塑料约占7％，橡胶约占3％～7％。如何正确使用汽车材料是产品质量的关键因素之一。任务分析12一铁碳合金基本组织1.钢铁材料的生产过程铁矿石生铁钢（钢锭）型材34

铸铁

轧制、挤压、拉拔、锻造等压力加工方法

1）生铁的冶炼原料：铁矿石燃料：焦炭熔剂：石灰石设备：高炉2）钢的冶炼原料：生铁、废钢燃料：焦炭熔剂：石灰石；氧化剂，脱氧剂设备：电弧炉一铁碳合金基本组织2.钢铁材料的生产设备高炉一铁碳合金基本组织2.钢铁材料的生产设备电弧炉一铁碳合金基本组织3.铁碳合金的基本组织与性能1）铁素体铁素体中溶解碳的能力很小，最大溶解度在727℃时，为0.0218%，随着温度的降低，其溶解度逐渐减小，室温时铁素体中只能溶解0.0008%的碳。铁素体的力学性能以及物理、化学性能与纯铁极相近，塑性、韧性很好（δ=30%~50%），强度、硬度很低σb=180~280Mpa）。比作水泥一铁碳合金基本组织3.铁碳合金的基本组织与性能2）奥氏体奥氏体的溶碳能力比铁素体大，在1148℃时，碳在γ-Fe中的最大溶解度为2.11%，随着温度降低，其溶解度也减小，在727℃时，为0.77%。奥氏体的强度、硬度低，塑性、韧性高。在铁碳合金平衡状态时，奥氏体为高温下存在的基本相，也是绝大多数钢种进行锻压、轧制等加工变形所要求的组织。趁热打铁（钢）一铁碳合金基本组织3.铁碳合金的基本组织与性能3）渗碳体渗碳体是具有复杂晶格的铁与碳的间隙化合物，含碳量为6.69%。它的硬度很高，为800HB，塑性、韧性很差，几乎等于零，所以渗碳体的性能特点是硬而脆。渗碳体在钢与铸铁中，一般呈片状、网状或球状存在。渗碳体是钢中重要的硬化相，它的数量、形状、大小和分布对钢的性能有很大的影响。比作石子一铁碳合金基本组织3.铁碳合金的基本组织与性能4）珠光体珠光体是铁素体与渗碳体的机械混合物，用符号“P”表示。其含碳量为0.77%。珠光体由渗碳体片和铁素体片相间组成，其性能介于铁素体和渗碳体之间，强度、硬度较好、脆性不大在钢中存在一铁碳合金基本组织3.铁碳合金的基本组织与性能5）莱氏体莱氏体是奥氏体和渗碳体的机械混合物，用符号“Ld”表示，其含碳量为4.3%在室温时变为低温莱氏体，是珠光体和渗碳体的机械混合物用称号“Ld′”表示。莱氏体硬度很高，塑性很差。在铸铁中存在一铁碳合金基本组织3.铁碳合金的基本组织与性能钢中含碳量对力学性能的影响：随着碳含量的增加，钢的硬度始终上升，塑性、韧性始终下降；当碳含量小于0.9%时，随着碳含量的增加强度升高，当碳含量大于0.9%时，强度下降。二汽车常用碳钢钢碳素钢合金钢1、按含碳量分低碳钢0.0218%<C<0.25%中碳钢0.25%<C<0.6%高碳钢0.6%<C<2.11%2、按质量分（S、P含量）普通碳素钢优质碳素钢高级优质碳素钢3、按用途分碳素工具钢—高碳钢碳素结构钢—低碳钢、中碳钢添加标题Si的影响炼钢时加入锰铁脱氧，其脱氧能力好，清除FeO降低脆性。还能与S结合形成MnS减轻S的有害作用。炼钢时加入硅铁脱氧，其脱氧能力比锰强，室温下硅熔入铁素体，提高钢的强度和硬度常存杂质元素对碳钢性能的影响：MnSiSPMn的影响二汽车常用碳钢P的影响炼钢时由矿石和燃料带入钢中的，以FeS形式存在。在高温锻压时易开裂（热脆现象）。但是加入Mn可以提高熔点，产生一定塑性，避免热脆。S为有害元素，有严格控制。炼钢时由矿石带入钢中的，可全部熔入铁素体，提高钢的强度和硬度，塑性韧性降低（冷脆现象）常存杂质元素对碳钢性能的影响：MnSiSPS的影响在S、P含量较多时，脆性大，切削容易脆断而形成断裂切削，改善钢的切削性能。二汽车常用碳钢碳素钢的编号和用途1.碳素结构钢代表屈服点的字母冶炼时脱氧方法质量等级符号A、B、C、D代表最小屈服点值这类钢的牌号顺序：代表屈服点的拼音字母，屈服点值，质量等级符号，脱氧方法等。这类钢主要制造一般要求的机械零件与工程结构用途：薄板，铁丝，钉，小轴，螺栓等。二汽车常用碳钢碳素钢的编号和用途1.碳素结构钢Q195、Q215A、Q215B：塑形较高，有一定的强度，通常轧制成薄板、钢筋、钢管等，也用作铆钉、螺钉、轴套、开口销、拉杆等Q235:

强度较高，可用作转轴、心轴、拉杆、摇杆等Q255、Q275:用作轧辊、摩擦离合器、刹车钢带等二汽车常用碳钢碳素钢的编号和用途2.优质碳素结构钢用两位阿拉伯数值表示牌号

如：45数值表示为钢的平均含碳量的万分之几。优质碳素结构钢分类：普通含锰量、较高含锰量用途：用作各种较重要的机器零件如：齿轮、主轴等。含锰量不超过0.8%含锰量最高达1.20％15Mn,20Mn,…55Mn其牌号为：在两位数值后加上元素符号二汽车常用碳钢碳素钢的编号和用途2.优质碳素结构钢08F:

沸腾法脱氧，表面光滑、塑形特别良好，用于生产各种薄板冷冲压件，用于制作仪表外壳、汽车和拖拉机上的冷冲压件，如汽车车身，拖拉机驾驶室等10-25钢:强度和硬度随含碳量增加略有增高，用于制造各种冲压件和焊接结构，也可用户制造渗碳淬火零件，如活塞钢、样板等30-55钢:淬火和高温回火后，可得到良好的综合力学性能，可用于制造齿轮、轴类等传动零件60-85钢:

淬火和中温回火后，可得到较高的弹性极限和足够的韧性，作为弹簧钢使用二汽车常用碳钢碳素钢的编号和用途3.碳素工具钢高硬度、高耐磨性用来制造刃具、量具和磨具其含碳量一般大于0.70％碳素工具钢记：T,如T8T7T8T12T13:后面的数字表示含碳量的千分数，常用作制作各种刃具、量具和模具。二汽车常用碳钢碳素钢的编号和用途4.铸钢ZG200-400铸钢屈服强度抗拉强度铸钢：用于浇注成铸件的钢。其强度高于各类铸铁，同时具有良好的塑性和韧性，适于制造形状复杂、强度和韧性要求高的零件，如火车轮、大齿轮等。二汽车常用碳钢（1）提高了钢的力学性能（2）提高了钢的淬透性（3）使钢具有某些特殊性能

钛、钒等合金元素的加入提高了钢的强度和硬度，细化了晶粒，也提高了塑性与韧性。

铬、硅、镍、锰、硼等合金元素的加入提高钢的淬透性。

铬、锰等合金元素的加入使钢具有了耐高温、耐热、耐磨、不生锈等特殊性能。三汽车常用合金钢1.合金元素对钢性能的影响合金钢合金结构钢合金工具钢特殊性能钢：机器合金结构钢

：工程合金结构钢

：普通低合金结构钢

不锈钢、耐热钢、耐磨钢合金刃具钢：

合金弹簧钢、合金渗碳钢合金调质钢、合金轴承钢合金模具钢

：

合金量具钢：

低合金刃具钢、高合金刃具钢、高速钢冷作模具钢、热作模具钢

没有专用钢种.三汽车常用合金钢2.合金钢的分类(1)合金结构钢的牌号(2)合金工具钢的牌号两位数字+合金元素符号+数字

前两位数字表示平均含碳量的万倍，后面数字表示合金元素的百倍。如60Si2Mn,40Cr等。

其牌号表示方法与合金结构钢类似，但其平均Wc>1%时不标出；当Wc<1%前面数字表示含碳量的千倍。如：9SiCr,Cr12,5CrMnMo等。

但高速钢不标含碳量，只写出合金元素符号及其含量。如:W18Cr4V,W6Mo5Cr4V2三汽车常用合金钢3.合金钢的牌号1）普通低合金结构钢

低碳，合金含量小于3%。主加元素为Mn其强化了铁素体，提高了强度；V，Ti等元素使晶粒细化，使韧性提高。在建筑、桥梁、车辆、船舶中应用广泛。以16Mn为最广。船舶桥梁三汽车常用合金钢4.合金结构钢2）合金渗碳钢

含碳量为0.1%--0.2%,以保障心部具有足够的韧性，合金含量小于3%。主加元素为Cr、Mn、钛、钒，提高了淬透性，使晶粒细化，耐磨性提高。

主要用于表面要求硬而耐磨，心部具有足够强度和韧性的零件，如：汽车变速箱的齿轮等。以20Cr、20CrTiMn为最广。变速齿轮拨叉三汽车常用合金钢3）合金调质钢

含碳量为0.25%--0.5%,主加元素为Cr、Mn、Si、Ni等以提高淬透性和强化铁素体.调质钢具有良好的综合力学性能。

合金调质钢广泛用于制造汽车、拖拉机、机床和其它机器上的各种重要零件，如齿轮、轴类件、连杆等。曲轴

连杆

三汽车常用合金钢4)合金弹簧钢

它具有高的弹性、疲劳强度及冲动韧度。含碳量为0.5%--0.7%,主加元素为Cr、Mn、Si等以提高淬透性和弹性极限。

合金弹簧钢是一种专用结构钢，主要用于制造各种弹簧和弹性元件。拉力弹簧

离合器弹簧

三汽车常用合金钢5）滚动轴承钢

主要用来制造滚动轴承的滚动体（滚珠、滚柱、滚针）、内外套圈等，属专用结构钢。

碳质量分数一般为0.95%--1.10%，以保证其高硬度、高耐磨性和高强度。铬为基本合金元素，铬含量为0.40%--1.65%。高碳低铬。如：GCr15三汽车常用合金钢

合金工具钢是制造刃具、量具和模具的钢种。不仅有更高的硬度和耐磨性,还具有更高的红硬性。1）合金刃具钢

用途：主要用于制造各种金属切削刀具，如车刀、铣刀、钻头等。性能：（1）高硬度，60HRC以上；（2）高的耐磨性；（3）高热硬性；（4）足够的塑性和韧性。铣刀英制模板刀三汽车常用合金钢5.合金工具钢合金工具钢的种类及牌号

(1)低合金刃具钢(2)高速钢

最高工作温度不超过300℃。

①高碳：碳质量分数为0.9%--1.1%，以保证高硬度和高耐磨性。

②Cr、Mn、Si主要是提高钢的淬透性，Si还能提高钢的回火稳定性；

W、V能提高硬度和耐磨性，并防止加热时过热，保持细小的晶粒。

高速钢是高合金刃具钢，具有很高的热硬性，高速切削中刃部温度达600℃时，其硬度无明显下降。

①高碳：碳质量分数在0.70%以上，最高可达1.5%左右，

②加入Cr、W、Mo、V等合金元素：

Cr提高淬透性。

W、Mo保证高的热硬性。

V提高耐磨性，细化晶粒。（如：9SiCr、9Mn2V）（如：W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2

）三汽车常用合金钢2)合金量具钢

用途：量具用钢用于制造各种测量工具，如卡尺、千分尺、块规。性能要求：(1)高硬度（大于56HRC）和高耐磨性；

(2)高尺寸稳定性，在存放和使用过程中，尺寸不发生变化。螺纹规

游标卡尺千分尺三汽车常用合金钢3）合金模具钢合金模具钢按其用途分为冷作模具钢和热作模具钢两大类。冷作模具钢

用途：冷模具用于制造各种冷冲模、冷镦模、冷挤压模和拉丝模等，工作温度不超过200℃～300℃。热作模具钢如：9Mn2V、CrWMn

用途：热作模具钢用于制造各种热锻模、热压模、热挤压模和压铸模等，工作时型腔表面温度可达600℃以上。如：5CrMnMo、5CrNiMo性能要求：①高硬度，58～62HRC;②高耐磨性;③足够的韧性和疲劳抗力三汽车常用合金钢量具用钢的选用举例

量具钢号平样板或卡板10、20或50、55、60、60Mn、65Mn一般量规与块规T10A、T12A、9SiCr高精度量规与块规Cr（刃具钢）、CrMn、GCr15高精度且形状复杂的量规与块规CrWMn(低变形钢)抗蚀量具4Cr13,9Cr18(不锈钢)三汽车常用合金钢

特殊性能钢是指具有特殊物理和化学性能的一种高合金钢.它主要包括不锈钢,耐磨钢等.1)不锈钢能抵抗大气,酸,咸或其它介质腐蚀的钢。

不锈钢在石油化工、国防工业和一些尖端科学技术及日常生活中都得到广泛应用，例如化工装置中的各种管道、阀门和泵，医疗手术器械，防锈刃具和量具等。

根据不锈钢室温下组织的不同,常用的不锈钢可分三种:马氏体型不锈钢铁素体型不锈钢

奥氏体型不锈钢三汽车常用合金钢6.特殊性能钢马氏体型不锈钢如：1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13不锈钢船用螺旋桨不锈钢剪刀

含碳为0.1%--0.4%,含铬为12%--13%.主要用于力学性能要求不高,耐蚀性要求较低的零件.如:三汽车常用合金钢铁素体型不锈钢

这类钢的铬质量分数为17%～30%，碳质量分数低于0.15%.主要用作耐蚀性要求很高而强度要求不高的构件，例如容器和管道等。奥氏体型不锈钢

这类不锈钢属铬镍不锈钢,碳含量很低（约0.1%），耐蚀性很好。如：1Cr17、1Cr17Ti等如：0Cr18Ni9,1Cr18Ni9等三汽车常用合金钢2)耐磨钢（就是高锰钢如:ZGMn13）履带铁轨分道叉破碎机颚板挖掘机斗齿三汽车常用合金钢受汽车零部件制造有限公司委托，对一批汽车零件：用于制造汽缸体、汽缸盖、排气管、离合器外壳、变速器外壳、刹车制动鼓、制动盘等离合器壳、内饰罩板、座椅支架、变速器手柄、变速器壳、车轮、凸轮轴盖等零件选择合适的材料。四汽车常用铸铁【任务分析】从铁碳相图知道，含碳量大于2.11%的铁碳合金称为铸铁，工业上常用的铸铁的成分范围WC=2.5%～4.0%，WSi=1.0%～3.0%，WMn=0.5%～1.4%，WP=0.01%～0.50%，WS=0.02%～0.20%，有时还含有一些合金元素，如Cr、Mo、V、Cu、Al等，可见在成分上铸铁与钢的主要区别是铸铁的含碳和硅量较高，杂质元素S、P含量较多。虽然铸铁的机械性较低，但是由于其生产成本低廉，具有优良的铸造性、可切削加工性、减震性及耐磨性，因此在现代工业中仍得到了普遍的应用，典型的应用是制造机床的床身、内燃机的汽缸、汽缸套、曲轴等。铸铁的组织可以理解为在钢的组织基体上分布有不同形状、大小、数量的石墨。四汽车常用铸铁含碳量大于2.11％的铁碳合金工业铸铁：含碳外，还有硅、锰等。在合金铸铁中加入铬、钼、硼等改善性能。特点1：抗拉、塑性、韧性较差，不能进行压力加工。2：可铸造性、切削性、吸震性、耐磨性、价格低廉。铸铁分类根据碳在铸铁中存在的方式，分为：白口铸铁、灰口铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁铸铁四汽车常用铸铁1、白口铸铁特点、1：Fe3C化合物存在。断口银白色

2：硬而脆，难切削加工。抗磨件材料。

3：炼钢的原料。四汽车常用铸铁2、灰口铸铁特点、1:碳以片状石墨态存在。断口灰色表示法：HT200灰口铸铁铸铁最低抗拉强度选用灰口铸铁注意铸件与壁厚关系，它决定铸件冷却速度以及由此形成的内部组织、强度特点。四汽车常用铸铁灰铸铁的孕育处理

为了提高灰铸铁的力学性能，生产上常采用孕育处理。它是在浇注前往铁液中加入少量孕育剂(硅铁或硅钙合金)，使铁液在凝固时产生大量的人工晶核，从而获得细晶粒珠光体基体加上细小均匀分布的片状石墨的组织。经孕育处理后的铸铁称为孕育铸铁。

孕育铸铁具有较高的强度和硬度，各部分界面上具有断面缺口敏感性小的特点，因此孕育铸铁常用于力学性能要求较高，且断面尺寸变化大的大型铸件。如机床床身等。四汽车常用铸铁常用灰铸铁的应用HT100

低载荷和不重要零件，如盖、外罩、手轮、支架、重锤等HT150

承受中等应力（抗弯应力小于100MPa）的零件，如支柱、底座、齿轮箱、工作台、刀架、端盖、阀体、管路附件及一般无工作条件要求的零件HT200、HT250

承受较大应力（抗弯应力小于300MPa）和较重要零件，如汽缸体、齿轮、机座、飞轮、床身、缸套、活塞、刹车轮、联轴器、齿轮箱、轴承座、液压缸等HT300、HT350

承受高弯曲应力（小于500MPa）及抗拉应力的重要零件，如齿轮、凸轮、车床卡盘、剪床和压力机的机身、床身、高压油压缸、滑阀壳体等四汽车常用铸铁3、可锻铸铁由白口铸铁经过石墨化退火获得。（团絮状石墨）与灰口铸铁中片状石墨不同，其抗拉强度、塑性、韧性相对好牌号：KT控制退火工艺获得“黑心”、“白心”两种可锻铸铁HB珠光体Z例子：KTH330-08四汽车常用铸铁4、球墨铸铁石墨呈圆球状在浇注之前向铁水中加入球化剂，铸铁凝固过程中获得圆球状石墨。牌号：QT特点:具有比灰口铸铁高的多的强度、塑性和韧性。可代替钢材制造一些重要的零件如：曲轴、连杆等。例子：QT400-18四汽车常用铸铁球墨铸铁的应用：QT400－18、QT400－15、QT400－10：承受冲击、振动的零件，如汽车、拖拉机的轮毂、驱动桥壳、差速器壳、拨叉、农机具零件，中低压阀门，上、下水及输气管道、压缩机上高低压气缸，电机机壳，齿轮箱，飞轮壳等QT500－07：机器座架、传动轴、飞轮、电动机架、内燃机的机油泵齿轮、铁路机车车辆轴瓦等QT600－03、QT700－02、QT800－02：载荷大、受力复杂的零件，如汽车、拖拉机的曲轴、连杆、凸轮轴、汽缸套，部分磨床、铣床、轧钢机轧辊、大齿轮，小型水轮机主轴，气缸体，桥式起重机大小滚轮等QT900－02：高强度齿轮，如汽车后桥螺旋锥齿轮、大减速器齿轮，内燃机曲轴，凸轮轴等四汽车常用铸铁汽车用钢铁材料包括：碳素结构钢、优质碳素钢、合金结构钢(包括低合金结构钢、合金调质钢、合金渗碳钢、弹簧钢和滚珠轴承钢)、耐热钢、粉末冶金材料、铸铁(包括球墨铸铁、灰口铸铁、蠕墨铸铁等)、复合钢板等。

【小结】【小结】(1)钢板钢板在汽车中的用量占整车总质量的50％~70％。用于汽车钢板的钢种主要包括：碳素结构钢(Q195、Q215)、优质碳素结构钢(08钢、10钢等)、低合金结构钢(Q295、Q345)。例如车身外面板、车身内蒙板、保险杠、驾驶室、覆盖件、轮辋和轮辐、车门边梁、车架、部分行驶部件等。采用强度较高的低合金结构钢钢板的意义在于其价格低、工艺性好、性能优越，可以大幅度地减轻车身质量，促进汽车的轻量化，提高车辆燃料经济性和延长使用寿命。【小结】(2)结构钢钢材结构钢钢材包括渗碳钢和调质钢。常用的渗碳钢有20、20Cr、20CrMnTi、20CrMnMo、20MnVB、12Cr2N4等。常用的调质钢有35、45、40Cr、40MnB、40CrNiMoA等。这些钢主要用于制造汽车齿轮、轴类等零件。【小结】(3)耐热钢在汽车上，高温部件(如燃烧室、排气管、蜗轮增压器、气门等部位)由于工作温度较高，一般采用耐热钢和耐热合金，如SUS410、FCD45、SUSXMI5Ⅱ等。(4)复合钢板、复合钢管复合钢板、复合钢管以其独特的性能在车辆上逐年增加其用量。复合材料可以耐腐蚀、减震、隔声、轻量化。例如，在两层钢板中夹入黏弹性树脂可达到优良的减震性能，这种性能使它应用在车辆的油底壳、气门室罩、驾驶室地板等零部件上。汽车轻量化

受汽车零部件制造有限公司委托，在汽车中合理应用非铁金属材料(主要有铝及铝合金、钛合金、铜及铜合金和镁合金等)，实现汽车轻量化的要求。任务导入铝合金在车辆上应用较为广泛。作为实现汽车轻量化的首选材料，目前国际上轿车所用铝合金占整车质量的5％～10％。铝合金在汽车中的应用主要包括：活塞、汽缸体、汽缸盖、散热器、轮辋、保险杠、全铝