第4章 汽车常用金属材料 （教案）-《汽车机械基础》同步教学（机工版.第3版）

课 时 计 划 序号 专业及班级 授 课 类 型 讲 授 月 日 讲授 （270＇） 课 题 第4章 汽车常用金属材料 课 时 教 学 目 的 1. 了解汽车常用工程材料的类型； 2. 掌握金属材料分类，理解金属材料的性能； 3. 熟悉汽车中常用的有色金属的类型、特点及在汽车中的应用； 4. 熟悉汽车中常用的黑色金属的类型、特点及在汽车中的应用； 5. 能识别汽车发动机、底盘、车身常见零部件的材料。 重 点 与 难 点 重点：汽车中常用的有色金属、黑色金属的类型、特点及在汽车中的应用 难点：识别汽车发动机、底盘、车身常见零部件的材料 时 间 内容及讲授方法 教 具 5＇ 60＇ 60＇ 90＇ 30＇ 25＇ 组织教学及新课导入 一、金属材料的分类及性能 二、有色金属及其在汽车中的应用 三、黑色金属及其在汽车中的应用 四、汽车上的主要金属零部件 小结及习题 检 查 意 见 签字 任课教师： 板 书 设 计 （I） 第4章 汽车常用金属材料 一、金属材料的分类及性能 1、分类 2、性能 二、有色金属及其在汽车中的应用 1、铜及铜合金 2、铝及铝合金 3、镁及镁合金 4、钛及钛合金 5、铅锡及其合金 三、黑色金属及其在汽车中的应用 1、碳素钢 2、合金钢 3、铸铁 4、钢的热处理工艺 四、汽车主要金属零部件 1、发动机零部件 2、底盘零部件 板 书 设 计 （II） 课 后 小 结 作 业 授 课 内 容 教案 （副页） 4.1金属材料的分类及性能 一、静力学的基本概念和基本公理 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。 （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 组织教学 导入：提问汽车中应用了哪些材料，总结展示汽车材料组成图片，导入新课。 回顾汽车常用零件的变形形式，引入金属的力学性能概念。 No 1 授 课 内 容 教案 （副页） 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。 4.2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。 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。 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。 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。 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。 PPT演示汽车中的铜制部件。 PPT演示汽车中的黄铜和青铜零部件。 No 2 授 课 内 容 教案 （副页） 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。 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。 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。 PPT演示铝合金汽车零部件。 PPT演示镁合金汽车零部件。 No 3 授 课 内 容 教案 （副页） 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。 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。 PPT演示钛合金汽车零部件。 No 4 授 课 内 容 教案 （副页） （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：40 Cr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 练习：认识钢的牌号。 No 5 授 课 内 容 教案 （副页） 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。 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 No 6 授 课 内 容 教案 （副页） 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。 2.钢的表面热处理 （1）表面淬火：将钢件表面通过快速加热到临界温度以上，在热量还未来得及传到心部之前迅速冷却，从而把表面层被淬火在马氏体组织，而心部未发生相变，使表面淬硬而心部不变。适用于中碳钢。 （2）化学热处理 化学热处理是指将化学元素的原子，借助高温时原子扩散的能力，把它渗入到工件的表面层去，来改变工件表面层的化学成分和结构，从而达到使钢的表面层具有特定要求的组织和性能的一种热处理工艺。按照渗入元素的种类不同，化学热处理可分为渗碳、渗氮、氰化和渗金属法等四种。 *渗碳一般用于低碳钢，是将碳原子渗入到钢表面层的过程，使低碳钢的工件具有高碳钢的表面层，再经过淬火和低温回火，使工件的表面层具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持着低碳钢的韧性和塑性。 *渗氮又称氮化，是向钢的表面层渗入氮原子的过程。其目的是提高表面层的硬度与耐磨性以及提高疲劳强度、抗腐蚀性等。 *氰化又称碳氮共渗，是指在钢中同时渗入碳原子与氮原子的过程。它使钢表面具有渗碳与渗氮的特性。 *渗金属是指将金属原子渗入钢的表面层的过程。可使钢的表面层合金化，从而使工件表面具有某些合金钢、特殊钢的特性。常用的有渗铝、渗铬、渗硼、渗硅等。 3.4汽车上的主要金属零部件 *本章小结及习题讲解：略。 PPT演示四种基本热处理工艺的对比分析。 举例：汽车中的齿轮、曲轴常用表面淬火处理。 思政：结合钢的热处理工艺对钢性能的强化作用，对学生进行吃苦耐劳精神教育。 PPT演示汽车上的主要金属零部件图，识别汽车主要金属零部件。 No 7 学科网（北京）股份有限公司 $$