汽车机械基础 第3版 课件 第4章 汽车常用金属材料

《汽车机械基础》

第4章汽车常用金属材料【本章内容】4.1金属材料的分类及性能4.2有色金属及其在汽车中的应用4.3黑色金属及其在汽车中的应用4.1金属材料的分类及性能学习目标：1.掌握金属材料的分类；

2.掌握金属材料的性能；

汽车的材料构成一般的汽车都由一万个以上的零部件组成，这些零部件使用了超过60种不同材料。制造汽车各种零部件用的材料统称为汽车工程材料，汽车工程材料主要包括金属材料、高分子材料、陶瓷材料、复合材料等。其中钢﹑铁﹑塑料﹑铝﹑橡胶﹑玻璃等材料占轿车质量的90%，其余10%为其他多种材料，包括有色金属（铜、铅、锌、锡等）以及车中装备的液体（燃油、润滑剂、其他油品和水基液等）。汽车零部件选择材料遵循原则：（1）使用性能原则。采用所选材料制造的零件在使用过程中具有良好的工作性能；（2）工艺性能原则。所选用材料能够确保零件便于加工；（3）经济性原则。所选用的材料能使产品具有较低的总成本。钢铁材料是最常见的金属材料，属于黑色金属，是以铁和碳为主要元素的铁碳合金。含碳量在2.11%以下的铁碳合金称为钢，含碳量在2.11%～6.69%的铁碳合金称为铸铁。钢铁材料在汽车工业中占主流地位。一辆中型载货汽车上钢铁材料约占汽车总重量的3/4，轿车上约占2/3。一、金属材料的分类黑色金属：有三种，即铁、锰、铬有色金属：黑色金属以外的其他金属二、金属材料的性能1、力学性能力学性能是指金属材料在载荷作用下抵抗破坏的性能。力学性能也称为机械性能。常用的力学性能包括：强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳强度等。金属材料的力学性能是零件设计和选材时的主要依据。（1）强度。强度是指金属材料在静载荷作用下抵抗破坏（过量塑性变形或断裂）的能力。强度指标一般用单位面积所承受的载荷即应力表示，符号为σ，单位为MPa。强度分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、屈服强度等。其中抗拉强度和屈服强度是常用的强度指标。（2）塑性。塑性是指金属材料在载荷作用下，产生塑性变形（永久变形）而不破坏的能力。常用的塑性指标有伸长率δ和断面收缩率φ。伸长率和断面收缩率越大，其塑性越好；反之塑性越差。（3）硬度。硬度是指材料表面抵抗比它更硬的物体压入的能力。硬度能够衡量金属材料软硬程度，是材料的重要力学性能指标。一般材料的硬度越高，其耐磨性越好。材料的强度越高，塑性变形抗力越大，硬度值也越高。常用的硬度表示方法有布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC）和维氏硬度（HV）。（4）冲击韧性。金属材料抵抗冲击载荷的能力称为冲击韧性,用ak表示，单位为J/cm2。ak值越大，则材料的韧性就越好；ak值低的材料称为脆性材料，ak值高的材料称为韧性材料。（5）疲劳强度。很多零件在工作过程中所受到的应力都随时间作周期性的变化，这种随时间作周期性变化的应力称为交变应力（也称为循环应力）。在交变应力的作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象称为金属的疲劳。

金属材料在指定寿命（循环基数）N0（如合金钢为107，低碳钢5×106）时，应力循环次数达到N0次仍不发生疲劳破坏，此时的最大应力称为疲劳强度或疲劳极限。材料的疲劳强度是材料力学性能中的一个重要性能。凡承受交变负荷的零件在设计时都需用疲劳极限进行强度计算。

2、工艺性能（1）切削加工性。金属材料的切削加工性是指其被切削加工的难易程度。切削加工性好的材料，切削时消耗的能量少，刀具寿命长，易于保证加工表面的质量，切屑易于折断和脱落。（2）铸造性能。属材料的铸造性能主要是指流动性、收缩性和产生偏析的倾向。流动性是流体金属充满铸型的能力。流动性好能铸出细薄精致的复杂铸件，能减少缺陷。收缩性是指金属材料在冷却凝固中，体积和尺寸缩小的性能。收缩是使铸件产生缩孔、缩松、内应力、变形、开裂的基本原因。偏析是指金属材料在凝固时造成零件内部化学成分不均匀的现象。常用的金属材料中，铸铁和青铜的铸造性能较好。（3）锻造性能。金属材料用锻压加工方法成形的能力称为锻造性。塑性越好，变形抗力越小，金属的锻造性越好。（4）焊接性能。金属材料对焊接加工的适应性称为焊接性。在机械行业中，焊接的主要对象是钢材。碳含量是焊接性能好坏的主要影响因素。碳与合金元素质量分数越高，焊接性能越差。（5）热处理性能。热处理性能是指金属材料通过热处理后改变或者改善性能的能力。热处理性能包括可淬性、氧化脱碳、变形开裂等几个方面。钢是采用热处理最为广泛的材料。中碳钢的热处理性能较好。3.2有色金属及其在汽车中的应用有色金属包括纯金属及有色合金。有色纯金属分为重金属、轻金属、贵金属、半金属和稀有金属五类。类型特

点重有色金属密度大于4.5g/cm3，其中Pt最重其密度为21.45g/cm3。轻有色金属密度小于4.5g/cm3,如：Ag、Mg、Na、Ca、K等。其中Mg最轻，密度仅为1.74g/cm3。贵有色金属如：Au、Ag、Pt、Nb、Ir、er等。稀有金属稀有轻金属：Ti、Li、铷、铯、铍等，其中比重最小的是Li，其密度仅为0.53g/cm3。稀有高熔点金属：W、Mo、Sb、Nb、Zr、Hf、V、La等，其熔点一般大于1700℃，其中W熔点最高为3390℃。稀有分散金属：鎵、In、铊、锗等，在地壳中分散分布，没有独立

矿床。稀土金属：钪、钇、镧系合金（镧、铈、镨、釹等15个相似元素）

虽然以共生形式存在，但储量很大。放射性元素镭、锕系元素，如：钍、镤、铀等。半金属Si、Se、Te、B共五个元素，能传热导电，具有一定的金属特性。一、铜及铜合金铜是人类最早发现和使用的金属材料，铜的熔点低，易合金化。铜及铜合金具有优良的导电、导热、耐蚀性能，易于加工，且外表美观。

在汽车制造业中，铜及铜合金主要用于散热器、制动系统、液压装置、轴承、刹车摩擦片、垫圈以及各种接头、配件等。每辆汽车用铜可达10-21公斤。铜及铜合金分类：1、黄铜黄铜是以锌为主要合金元素的铜合金，铜锌二元合金称为普通黄铜或简单黄铜。为改善普通黄铜的性能，常添加铝、镍、锰、锡、硅、铅等元素。三元以上的黄铜称为特殊黄铜或复杂黄铜。黄铜具有良好的塑性。黄铜用“H”表示，后面的数字表示铜的百分含量，如H90、H80等，表示含铜量为90%、80%，含锌量为10%、20%的黄铜。汽车水箱中的黄铜放水阀2.青铜青铜是铜与除了锌、镍以外的其他元素形成的合金。通常在青铜名字前冠以第一主要添加元素的名，如锡青铜、铅青铜、铝青铜等。锡青铜的铸造性能、减摩性能和机械性能好，适合于制造轴承、蜗轮、齿轮等。铅青铜是常用的轴承材料。铝青铜强度高，耐磨性和耐蚀性好，用于铸造高载荷的齿轮、轴套。青铜轴承及衬套青铜齿轮青铜的颜色：纯铜为紫红色，加入锡或铅颜色为黄色偏红，因埋在土里后颜色因氧化而青灰，称为青铜。青铜中锡占的分量增多，其光泽就会从青铜色转为赤黄色、橙黄色、淡黄色。锡占到30-40%，青铜就会变为灰白色。青铜剑——越王勾践剑二、铝及铝合金1、纯铝①纯铝的密度小，大约是铁的1/3，熔点低660℃。②铝的塑性很高，强度低，易加工。③具有良好的延展性、导电性、导热性、耐热性和耐核辐射性，无磁性，无毒，耐低温。④纯铝在空气中易氧化，在表面形成一层致密牢固的氧化膜，因而抗大气腐蚀性能好。⑤纯铝还具有良好的低温塑性，直到-253℃时其塑性和韧性也不降低，且其硬度低，不适于制作受力的机械件。2、铝合金在纯铝中加入合金元素就得到了铝合金。铝合金是汽车上应用得最快最广的轻金属。铝合金有两大类：铸造铝合金和变形铝合金。汽车中应用的主要是铸造铝合金。铸造铝合金分为Al-Si系、Al-Cu系、Al-Mg系。汽车中的铝合金零部件3.铝及其合金在汽车中的应用①底盘行走系统：横梁、上下壁、转向机壳、制动分泵壳、制动钳、车轮、操纵机构等。②传动系统：变速箱壳、离合器壳、连接过滤板、换挡拔叉、传动箱换挡端盖。③发动机系统：发动机缸体、缸盖、活塞、进气管、水泵壳、发动机壳、起动机壳、摇壁、摇壁盖、滤清器底座、发动机拖架、正时链轮盖、发动机支架、分电器座、汽化器等。④其它系统部件：离合器踏板、刹车踏板、方向盘、转向节、发动机框架、ABS系统部件。三、镁及镁合金镁是一种轻质的银白色金属，在镁中添加一些其它的金属元素，如铝、锌或铝、锰等，它就会变成一种具有较高强度和刚度、良好的铸造性能和减振性能的轻质合金材料。1.镁合金的特点（1）镁合金的使用使汽车进一步轻量化。（2）镁合金的比强度高于铝合金和钢，比刚度接近铝合金和钢，能够承受一定的负荷。（3）镁合金还具有良好的铸造性和尺寸稳定性，易加工，废品率低，从而降低生产成本。（4）镁合金具有良好的阻尼系数，减振量大于铝合金和铸铁，用于壳体可以降低噪声，用于座椅、轮圈可以减少振动，提高汽车的安全性和舒适性。汽车镁合金零部件2.镁合金在汽车中的应用（1）车内构件：仪表盘、座椅架、坐位升降器、操纵台架、气囊外罩、转向盘、锁合装置罩、转向柱、转向柱支架、收音机壳、小工具箱门、车窗马达罩、刹车与离合器踏板托架等。（2）车体构件：门框、尾板、车顶框、车顶板等。（3）发动机：活塞、阀盖、凸轮盖、进气管、机油盘、交流电机支架、油过滤器接头、马达罩盖、气缸盖、分配盘支架、油泵壳、油箱、滤油器支架、左侧半曲轴箱、右侧半曲轴箱。（4）底盘：四轮驱动变速箱体、手动换挡变速器、变速器壳体、齿轮箱壳体、离合器外壳、轮毂、引擎托架、前后吊杆、尾盘支架。四、钛及钛合金钛及钛合金密度小、比强度大，具有耐蚀性强、不受路面盐类及废气的影响，可绿色回收，易加工与钢材同样的设备工艺，其记忆功能方便车身复原，高、低温力学性能好。目前的赛车几乎都使用了钛材。汽车用钛部件主要包括阀、连杆、螺栓等。钛合金零件五、铅、锡及其合金1、铅及铅合金铅主要应用于汽车的蓄电池，铅蓄电池的优点是放电时电动势较稳定，缺点是比能量（单位重量所蓄电能）小，十分笨重，对环境腐蚀性强。铅合金也用于制作轴承，铅基轴承合金以铅为基本成分，加入适量的锡和锑，铅基轴承合金磨合性和减振性好，自润性好，噪声低。2.锡及锡合金锡基合金是最早应用的发动机滑动轴承的材料之一。锡基轴承合金具有优良的抗咬合性、顺应性、嵌入性、耐腐蚀性及工艺性能好等优点，但由于其疲劳强度低，因此只能应用于小型、轻载的汽车发动机轴瓦或者作为衬套材料使用。4.3黑色金属及其在汽车中的应用一、碳素钢及其在汽车中的应用碳素钢也称为碳钢，是含碳量小于2.11%的铁碳合金。碳素钢中除了含碳外，还含有少量硅、锰、硫、磷等杂质。碳素钢在工业上占有很重要的地位，约占钢总产量的90%以上。汽车的外壳、车架、车桥等很多零部件材料采用的都是碳素钢。1、碳素钢的分类（1）按含碳量分类低碳钢（WC≤0.25%）中碳钢（WC0.25%—0.6%）高碳钢（WC>0.6%）（2）按钢的质量分类普通碳素钢（S≤0.050％、P≤0.045％）优质碳素钢（S≤0.040％、P≤0.040％）高级优质碳素钢（S≤0.030％、P≤0.035％）（3）按用途分类碳素结构钢：主要用于制作各种工程结构件和机器零件，一般为低碳钢；碳素工具钢：主要用于制作各种刀具、量具、模具等，一般为高碳钢。2.碳素钢的牌号与用途（1）普通碳素结构钢碳素结构钢按照钢材屈服强度分为5个牌号：Q195、Q215、Q235、Q255、Q275。每个牌号由于质量不同分为A、B、C、D、E等级，可轧制成钢板、钢筋、钢管等其中A的质量等级最低，E的质量等级最高。可轧制成钢板、钢筋、钢管、型钢等。（2）优质碳素结构钢钢的牌号以碳的平均质量万分数表示。如20、45等。20表示碳的质量分数为0.20%，45表示碳的质量分数为0.45%。用于制作汽车曲轴、连杆等重要零件。（3）碳素工具钢钢号以碳的平均质量千分数表示，并在前加T。如T8、T12等。T8表示碳的质量分数为0.8%。碳素工具钢一般为优质钢，若S、P含量更少，质量等级更高，则为高级优质钢，在牌号后加“A”，如T12A。（4）铸钢铸钢牌号是在数字前冠以ZG，数字代表钢中平均质量分数（以万分数表示）。如ZG25，表示含碳的质量分数为0.25%。用作齿轮、联轴器等。二、合金钢及其在汽车中的应用1.合金结构钢按国标规定，合金钢的牌号采用“数字+合金符号+数字”的方法来表示。首部的数字表示含碳量的万分数，化学元素符号表示主加元素，后面的数字表示所加元素的百分数。若合金元素的质量分数小于1.5%，一般不标出，质量分数在1.5%～2.49%、2.5%～3.49%、…时，相应的标以2、3…。如16Mn、55Si2Mn。例：40Cr表示平均碳质量分数为0.40%，合金元素Cr的质量分数在1.5%以下。专用钢用其用途的汉语拼音字首来标明，G表示滚动轴承钢，其后数字表示含碳量的千分数；Y表示易切钢，其后数字表示含碳量的万分数；高级优质合金结构钢在牌号尾部加符号“A”表示。如GCr15、Y40Mn、30CrMnSiA等。GCr15表示碳质量分数为1%，铬质量分数为1.5%（特例）的滚珠轴承钢；Y40Mn表示碳质量分数为0.4%，锰质量分数小于1.5%的易切削钢；30CrMnSiA表示碳的质量分数为0.3%、铬、锰、硅质量分数都小于1.5%的高级优质合金结构钢。2.合金工具钢和高速工具钢除首部数字表示含碳量的千分数，碳质量分数超过1%时不标出外，其余规则与合金结构钢牌号规则相同。如5CrMnMo、W18Cr4V、Cr12等。5CrMnMo表示碳的质量分数为0.5%，铬、锰和钼的质量分数都少于1.5%。W18Cr4V是一种高速工具钢，高速工具钢一般不标出碳含量，该牌号表示材料为碳的质量分数为0.7%～0.8%，钨的质量分数为17.5～19%，铬的量质量分数为3.80～4.4%，钒的质量分数为1.0～1.4%的高速工具钢。3.特殊性能钢特殊性能钢包括不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。其牌号首位数字一般表示含碳量的千分数，当平均含碳量≥1.00%时，用两位阿拉伯数字表示；当含碳量上限＜0.10%时，以“0”表示含碳量化学元素符号表示主加元素，后面的数字表示所加元素的百分数。如1Cr18Ni9Ti、1Cr11MoV等。1Cr18Ni9Ti表示碳的质量分数为0.1%、铬的质量分数为18%，镍的质量分数为9%，钛的质量分数低于1.5%的不锈钢。4.汽车用高强度钢汽车高强度钢是指其抗拉强度大于600MPa的钢材。与传统的普通钢相比，汽车高强度钢具有更高的强度和更好的塑性，能够承受更大的冲击力和扭转力，提高汽车的安全性能。国家已公布的汽车用高强度钢大致可分2类：传统高强度钢(CHSS)和先进高强度钢(AHSS)。常用的先进高强度钢主要有复相（CP）钢、双相（DP）钢、相变诱发塑性（TRIP）钢和孪生诱发塑性（TWIP）钢等几种。汽车高强度钢的应用1）车身结构。主要有发动机盖板、门外板、行李箱外板、顶盖板、车门护梁、前后保险杠、A/B/C柱、车门槛、横梁、纵梁等。汽车高强度钢在车身结构中的应用不仅可以减少车身的重量，提高车辆的整体强度和刚度，从而提高车辆的安全性能。2）安全气囊支架。使用高强度钢制造的安全气囊支架能够更好地吸收碰撞能量，保护乘员的安全。3）底盘和悬挂系统。采用高强度钢制造底盘和悬挂系统能够提高车辆的刚度和强度，增加车辆的稳定性和操控性能。目前，汽车悬架零部件、转向柱、车轮、轮毂以及新能源汽车中的电池组防护底板等都采用了高强度钢制造。4）发动机和传动系统。如轴承、齿轮、离合器等零部件用高强度钢制造，能够承受高温和高压的工作环境。三、铸铁及其在汽车中的应用铁碳合金中碳的含量大于2.11％时，称之为铸铁。把含碳量为2.8％～4.0％的铸铁称为灰铸铁。铸铁具有优良的铸造性，良好的加工性、减振性和耐磨性。按碳在铸铁中存在的状态及形式的不同，铸铁分为：白口铸铁、灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁。白口铸铁中碳绝大部分以在渗碳体状态存在，断口亮白色，渗碳体硬而脆，较少应用。灰铸铁中石墨片状存在。可锻铸铁中碳以团絮状存在。球墨铸铁中碳以圆球状存在。蠕墨铸铁中碳以蠕虫状存在。1.灰铸铁灰铸铁的碳含量在2.8％～4.0％，碳以片状石墨形态存在于铸铁中，断口呈灰色。牌号用“HT+数字”表示，如HT150，表示最低抗拉强度为150MPa的灰铸铁。2.可锻铸铁可锻铸铁是由一定成分的白口铸铁经石墨化，退火而成，比灰铸铁具有较高的韧性，也称韧性铸铁。常用来制造承受冲击载荷的铸件。如管接头，阀门外壳等。牌号用“KTH/KTZ+两组数字”来表示，如KTZ450-06，表示可锻铸铁的最低抗拉强度为450MPa，最低延伸率为6％。3.球墨铸铁铁碳合金中的碳经过球化处理而成球状的铸铁称为球墨铸铁。其力学性能接近碳素结构钢，又具有铸铁的特性，所以应用于凸轮轴、曲轴中，可以有效地降低机器的振动，具有较强的耐磨性。球墨铸铁的牌号用“QT+两组数字”来表示，如QT450-10表示球墨铸铁的最低抗拉强度为450MPa，最低延伸率为10％。四、钢的常用热处理工艺金属热处理碳钢及合金钢常用加工方法，是将液、固态金属或合金放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，以不同速度冷却的一种工艺方法。热处理工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程。热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。金属热处理工艺可分为整体热处理、表面热处理、局部热处理和化学热处理等。1.钢的整体热处理根据加热介质、加热温度和冷却方法的不同，钢铁整体热处理有退火、正火、淬火和回火四种基本工艺。钢的整体热处理工艺热处理工艺特

点应

用退火将零件加热到临界温度，保温一段时间后，缓慢冷却(一般采用炉冷)用来消除零件内应力，降低硬度便于加工，细化晶粒，改善组织，增加韧性正火将零件加热到临界点温度以上，保温一段时间后用空气冷却，速度比退火快常用于低碳钢及中碳钢零件，使其组织细化，增加强度与韧性，减少内应力，改善切削性能淬火将零件加热到临界点温度以上，保温一段时间后用盐水/水或油急速冷却下来用来提高零件的硬度和强度极限，但淬火时会引起内应力使钢变脆，所以淬火后必须回火回火将零件加热到临界点以下温度，然后在空气或油中缓慢冷却下来，根据回火温度不同，分为低温回火（回火温度低于250℃）、中温回火（回火温度低于250℃～500℃）、高温回火（回火温度高于500℃）用来消除淬火后脆性和内应力，提高钢的塑性和冲击韧