2.2认识汽车常用金属材料（课件）-《汽车机械基础》同步教学（航空工业出版社）

项目二 汽车工程材料 知识目标 能力目标 熟悉金属材料的力学性能和工艺性能。 熟悉金属材料的分类、牌号和性能特点。 熟悉非金属材料的组成、分类及特性。 了解金属材料和非金属材料在汽车中的应用。 能识别汽车中常见零部件的组成材料。 能初步掌握汽车常见零部件的选材要求。 任务一 认识汽车常用金属材料 汽车作为一个复杂的机械系统，通常由成千上万个零部件组装而成这些零部件又是由各种各样的材料加工制造而成的。 那么汽车中还有哪些零部件是用金属材料制造的？你了解汽车常用金属材料有哪些类型和特性吗？ 在工程实际中，制造汽车零部件的材料主要分为金属材料和非金属材料。其中，金属材料是最重要的汽车工程材料，有着非常广泛的应用，用量约占汽车总材料的80%。汽车中的重要零部件如曲轴、齿轮、轴承、活塞等，都是由金属材料制造而成的。 ? ? ? 任务描述 任务目标 能识别汽车常用金属零部件的组成材料。 了解金属材料的分类、牌号及性能特点。 了解金属材料的性能及其评判指标。 观察和识别发动机的主要组成零件，辨别它们各自的组成材料，以了解金属材料在汽车中的应用，并学习区分金属材料。 一、金属材料的性能 强度 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，它是指金属材料在各种载荷（如拉力、压力、冲击力等）作用下表现出来的一系列特性和抵抗破坏的能力。金属材料的力学性能主要包括强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。 金属材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力称为强度。根据外力的作用形式不同，强度可分为抗拉强度、抗压强度、抗剪强度和抗弯强度等。本书主要介绍抗拉强度。 物体受外力作用发生变形，同时在材料内部会产生一个抵抗变形的力，称为内力。单位面积上的内力称为应力，用R表示，单位为帕（Pa或N/mm2），工程上的常用单位为兆帕（MPa或N/mm2）。由于力的作用而产生的材料尺寸的变化与原始尺寸之比称为应变，用表示。 抗拉强度是最基本的强度指标，常通过拉伸试验进行测定。将预先制作好的材料试样装在拉伸试验机上，缓慢施加拉力，使试样产生拉伸变形，长度不断增加，直至试样被拉断。该过程中，试验机能自动绘制出试样内应力和应变的关系曲线，称为应力—应变曲线。低碳钢的应力—应变曲线。 材料拉伸试样 材料拉伸试样 低碳钢试样拉伸过程明显经历了四个变形阶段，如表2-1-1所示。 表2-1-1 低碳钢应力—应变曲线分析 材料拉伸试样 屈服强度 使材料发生屈服现象的应力，分为上屈服强度和下屈服强度。其中，上屈服强度是试样发生屈服而应力首次下降前的最大应力；下屈服强度是指在屈服期间，不计初始瞬时效应时的最小应力。它们的计算公式如下： ReH ，ReL —上、下屈服强度，单位为MPa； FeH —试样发生屈服而应力首次下降前承受的最大载荷，单位为N； FeL—试样发生屈服时承受的最小载荷，单位为N； S0 —试样原始截面积，单位为mm2。 对于无明显屈服现象的金属材料，如大多数合金钢、铸铁、有色金属等，测量屈服点很困难。因此，对于这类材料，通常规定试样产生0.2%微量塑性变形时的应力Rp0.2作为屈服强度指标，称为规定残余伸长应力。 抗拉强度Rm 指金属材料在断裂前所承受的最大应力，其计算公式为： Rm—试样材料的抗拉强度，单位为MPa； Fm—试样断裂前所承受的最大载荷，单位为N； S0—试样原始横截面积，单位为mm2。 抗拉强度表示材料抵抗均匀塑性变形的最大能力，是设计机械零件和选材的主要依据之一。 塑性 金属材料在外力作用下，产生塑性变形而不断裂的能力称为塑性。塑性的好坏可通过材料在断裂前的最大变形量来评价。通过拉伸试验测得的常用塑性指标有：断后伸长率和断面收缩率。 断后伸长率A 指试样被拉断后，试样标距的伸长量和原始标距的百分比。 A— 断后伸长率，没有单位； Lu—试样拉断后的标距，单位为mm； L0—试样原始标距，单位为mm。 断面收缩率Z 指试样被拉断后，其横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。 Z— 断后伸长率，没有单位； S0—试样拉断后的标距，单位为mm； Su—试样原始标距，单位为mm。 金属材料的断后伸长率A和断面收缩率Z越大，表示该材料的塑性越好，即在不发生破坏时所能承受的塑性变形越大。塑性好的材料适宜用轧制、锻造等塑性变形的加工方法进行加工。 工程应用中，在常温、静载条件下测定的断后伸长率A>5%的材料称为塑性材料，如低碳钢、铜、铝合金等；断后伸长率A<5%的材料称为脆性材料，如灰铸铁、陶瓷、玻璃等。 硬度 材料表面抵抗局部塑性变形、压痕或划痕的能力称为硬度。常用的硬度试验方法有布氏测试法、洛氏测试法和维氏测试法等，所测定的硬度值分别称为布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。三种硬度试验的原理、测定方法和应用范围如表2-1-2所示。 布氏硬度的表示方法为： 硬度值+HBW+球体直径+试验压力+保持时间 洛氏硬度的表示方法为： 硬度值+符号 10~15 s时不标注 表2-1-2 三种硬度的比较 冲击韧度 金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为冲击韧度。它可以用来衡量材料韧性的好坏。对于承受冲击载荷的零件，如汽车发动机中的活塞，不仅要求具有高的强度和一定的塑性，还要求具备足够的冲击韧度。金属材料的冲击韧度可以通过摆锤式一次冲击试验来测量。 冲击试验原理图 试样 摆锤冲击示意图 摆锤冲断试样所消耗的能量称为冲击功，其大小等于摆锤的势能差，可从试验机的表盘上直接读出。 击功，单位为Jcm2 试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功称为冲击韧度值，单位为J/cm2，即： Ak—试样吸收的冲击功，单位为J； S—试样缺口底部横截面积，单位为cm2。 冲击韧度值越大，表示材料的韧性越好，受冲击时越不容易断裂。为了使试验结果不受其他因素影响，冲击试样要根据有关国家标准制作。 疲劳强度 金属材料承受无限多次交变载荷的作用而不发生破坏的最大应力称为疲劳强度，其大小可以通过疲劳试验进行测量。但实际操作中，金属材料不可能作无限多次交变载荷试验。因此，试验时通常规定一个循环次数，钢材为107次，有色金属材料为108次。提高疲劳强度的主要措施有：提高零件的表面质量，采用强化处理方法，尽量避免表面缺陷的形成。 Notice 疲劳破坏是机械零件失效的主要形式之一，由于前期不易察觉，具有较强的突发性，因此疲劳破坏往往造成很严重的后果。 2．金属材料的工艺性能 金属材料的工艺性能反映了金属材料被加工成零件的难易程度。材料工艺性能的好坏影响零件的加工质量和加工成本，因此工艺性能是选择材料时必须考虑的因素之一。工艺性能主要包括铸造性能、压力加工性能、焊接性能和切削加工性能等，如表2-1-3所示。 表2-1-3 金属材料的工艺性能 二、金属材料概述 黑色金属 由铁或以铁为主形成的金属材料，即钢铁材料，包括钢、生铁和铸铁。 金属材料是指由金属元素或以金属元素为主要成分构成的具有金属特性的工程材料。金属材料种类繁多，应用广泛，按化学成分可分为黑色金属和有色金属两大类。 有色金属 除钢铁以外的其他金属及其合金材料，如铜、铝、镁、钛等。 汽车上应用最多的黑色金属材料为钢和铸铁，应用最多的有色金属为铝及铝合金、铜及铜合金、轴承合金等。 汽车常用金属材料 三、碳素钢的分类、牌号、性能及用途 按化学成分不同，钢可分为非合金钢和合金钢，其中，非合金钢又称为碳素钢，简称碳钢。 1．碳素钢的分类 2．碳素钢的牌号、性能及用途 金属的牌号是指按照有关规定对金属材料进行的统一标准化编号。国家标准规定：钢的牌号由大写的汉语拼音、化学元素符号、阿拉伯数字等组成。常用碳素钢牌号的示例及含义如表2-1-4所示。 表2-1-4 常用碳素钢的牌号示例及含义 碳素钢在工业生产中的应用非常广泛，常用碳素钢的性能和用途如表2-1-5所示。 表2-1-5 常用碳素钢的性能及用途 四、合金钢的分类、牌号、性能及用途 为改善碳素钢的机械性能，通常在炼钢时加入微量金属元素，如Mn，Si，Cr，Ni，Mo，W，V等，由此获得的钢材称为合金钢。与碳素钢相比，合金钢往往具有某些方面的特殊性能或具有良好的综合力学性能。 1．合金钢的分类 主要用于制造重要的机械零件和工程结构件，又可细分为合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢和滚动轴承钢等。 主要用于制造重要的刃具、模具和量具，又可细分为合金刃具钢、合金模具钢和合金量具钢。 具体特殊的物理和化学性能，一般分为不锈钢、耐热钢和耐磨钢等。 合金结构钢 合金工具钢 特殊性能钢 2．合金钢的牌号、性能及用途 表2-1-6 常用合金钢的牌号示例及含义 表2-1-7 常用合金钢的性能及用途 表2-1-7（续） 五、铸铁的分类、牌号、性能及用途 平均碳含量大于2.11%的铁碳合金称为铸铁。一般而言，工业用铸铁中碳含量为2%～4%。除了含有铁、碳元素之外，合金铸铁中还含有镍、铬、钼、铝等合金元素。虽然塑性及韧性不及钢，但铸铁的生产成本低廉，具有优良的铸造性能、切削加工性能和良好的耐磨性及吸振性，因此在工业生产中应用十分广泛。 1．铸铁的分类 碳主要以渗碳体形式存在，断口呈银白色，由于具有很高的脆性和硬度，难以进行切削加工，故工业中很少直接用白口铸铁来制造机械零件。 碳主要以片状石墨形式存在，断口呈暗灰色，具有一定的力学性能和切削加工性能，故在工业中灰口铸铁应用最为广泛。 一部分碳以石墨形式存在，另一部分以渗碳体形式存在，断口呈灰白相间的麻点状，在工业中应用很少。 白口铸铁 灰口铸铁 麻口铸铁 2．铸铁的牌号、性能及用途 表2-1-8 铸铁的牌号组成、性能特点及用途 表2-1-8（续） 六、有色金属材料 为满足汽车轻量化等特殊需求，汽车中不少零部件使用了有色金属材料，其中应用较广的有铝及铝合金、铜及铜合金、轴承合金等。 1．铝及铝合金 工业中使用的纯铝呈银白色，密度较小，仅为钢的1/3，熔点为660℃，在常温及潮湿环境中，其表面容易形成一层致密的氧化膜，故纯铝具有较好的抗腐蚀性。纯铝的导热性和导电性良好，是仅次于金、银、铜的优良导体；纯铝塑性很高，能通过压力加工方法制成各种型材、板材。工业纯铝广泛用于制造各种导线、电容器和包装材料等，汽车中主要用工业纯铝制造空气压缩机垫圈、排气阀垫片、汽车铭牌等。 工业纯铝的纯度不低于99%，其牌号用1×××表示，如1A50，1B30等。其中，第二位字母为A则表示原始纯铝，其他字母则表示改型合金；最后两位数字表示铝的最低百分含量中小数点后面两位。例如，1A50表示铝的含量为99.50%的原始纯铝。 具有较高的强度和良好的塑性，可通过冲压、弯曲、挤压等加工方法获得所需零件，如发动机机架、飞机大梁等。根据性能特点和用途的不同，变形铝合金又可分为防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金和锻造铝合金四类。 具有良好的铸造性能，能铸成各种形状复杂的零件，如发动机壳体、轿车轮毂等。根据所含合金元素的不同，铸造铝合金又可分为铝硅系、铝铜系、铝镁系和铝锌系等四类。 变形铝合金 铸造铝合金 纯铝的强度太低，不宜直接用来制造承受载荷的结构件，因此，通常往纯铝中添加各类合金元素来强化铝的性能，从而得到各种系列的铝合金。添加的合金元素主要有铜、锰、硅、镁、锌等。根据合金元素和工艺特点的不同，铝合金可分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。 变形铝合金牌号用2×××～8×××表示，如3A21，2A12等。其中，牌号的第一位数字是按照主要合金元素：铜、锰、硅、镁、镁＋硅、锌及其他元素的顺序来表示变形铝合金的组别；第二组数字或字母表示原始合金（A）或改型合金（B～Y）；牌号中最后两位数字用来区分同一组中不同的铝合金。例如，3A21表示以锰为主要合金元素的变形铝合金。铸造铝合金牌号由“ZL”＋三位数字组成，如ZL103，ZL202等。其中，“ZL”是“铸铝”的拼音首字母，第一位数字表示合金类别：1代表 Al－Si系合金；2代表Al－Cu系合金；3代表Al－Mg系合金； 4代表Al－Zn系合金。第二、三位数字是合金的顺序号。例如，ZL202表示2号Al－Cu系铸造铝合金。 2．铜及铜合金 纯铜为紫红色，密度为8.96 g/cm3，比钢略大，导电性和导热性良好，塑性、耐腐蚀性及焊接性能良好，但强度和硬度均不高，且价格昂贵，属于贵金属，故一般不用来加工各种构件。工业生产中通常用纯铜来制造电线、电缆、散热片等。 通过向纯铜中加入锌、铅、锡、铝、铍等元素即可得到各种性能优越的铜合金。根据所加入合金元素的不同，铜合金可分为黄铜、青铜和白铜等三大类，如表2-1-9所示。 表2-1-9 铜合金的分类、性能特点及用途 表2-1-9 续 3．轴承合金 轴承合金主要用于制造滑动轴承。为保证机器正常、平稳地运行，轴承合金材料应具有足够的强度、硬度和疲劳强度，足够的塑性和韧性，良好的磨合能力、减摩性和耐磨性，以及方便加工、价格低廉等特点。 表2-1-10 常见轴承合金的性能特点及用途 知识拓展 各种金属材料直接加工成零件时，往往难以满足机器对零件的性能需求，因此，工业生产中常采用热处理的方法来提高零件的性能。由于钢是工业中应用最广的金属材料，下面主要介绍钢的热处理的有关知识。 一、钢的热处理的概念、目的及分类 1．热处理的概念 热处理是采用适当方式将金属工件进行加热、保温和冷却，以获得预期的组织结构和性能的工艺。由于钢在工业生产中应用最为广泛，故热处理常指钢的热处理。 2．热处理的目的 热处理的目的是为了充分发挥钢材的潜力，提高钢件的使用性能和使用寿命，改善工件的加工工艺性能。在汽车制造业中需热处理的零件达70%～80%。 3．热处理的分类 热处理的种类很多，根据热处理的目的和工艺方法不同，热处理可分为整体热处理和表面热处理两大类。根据工序位置的不同，热处理可分为预备热处理和最终热处理。 二、钢的普通热处理 钢的普通热处理又称整体热处理，主要方法包括退火、正火、淬火、回火、调质和时效处理等。不同方法的处理过程、目的等都不相同，如表2-1-13所示。 表2-1-13 钢的普通热处理 表2-1-13 续 表2-1-14 回火的分类 在回火处理中，回火的温度越高，钢件获得的硬度、强度越低，塑性和韧性越高。根据回火时温度范围不同，回火可分为低温回火、中温回火和高温回火，如表2-1-14所示。 先淬火再高温回火的热处理工艺称为调质处理。调质处理可以使钢件获得良好的综合力学性能，通常用于连杆、主轴、齿轮及专用螺栓等受力复杂的重要机械零部件。 三、钢的表面热处理 汽车中的许多零件（如曲轴、活塞销、传动齿轮等）工作时承受各种交变、冲击载荷及摩擦力的作用，这就要求零件表面保持高硬度和耐磨性，而心部具有足够的韧性。这类需求很难用一般的热处理来满足。生产中常选用中碳钢或中碳合金钢，并对其进行表面处理来实现上述要求。表面热处理是指仅对钢件的表面进行加热，以改变表层组织结构和力学性能的热处理工艺。根据工艺方法和原理的不同，表面热处理可分为表面淬火和化学热处理两大类，如表2-1-15所示。 表面淬火示意图 感应加热淬火示意图 表2-1-15 表面热处理 谢谢观赏 $$