1.1.1 金属的使用性能（教案）-《汽车机械基础》同步教学（江苏凤凰教育出版社）

单元一 汽车常用材料 模块一 材料的性能 课题一 金属的使用性能 授课日期 授课班级 授课课时 授课形式 使用教具 教材、PPT 教学目标 1、了解载荷的类型； 2、掌握材料强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度的概念； 3、了解力学性能在汽车零部件材料选用上的应用； 4、了解材料的物理性能和化学性能； 教学重点 掌握材料强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度的概念； 教学难点 掌握材料强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度的概念； 课外作业 打印练习 教学反思 课堂教学安排 授课内容 教师活动 学生活动 引入部分 汽车上的零件在加工和使用过程中要受到外力的作用，如轴在加工过程中要受到切削加工的作用力，在使用时要承受支承零件的作用力，传递转矩时要承受扭转的作用力（图1-1-1），这些外力统称为载荷。载荷是指金属材料在加工及使用过程中所受的外力。 新授部分 一、载荷及变形 （一）载荷的类型 1、按载荷作用性质分静载荷、冲击载荷和交变载荷三类。 静载荷：是指大小不变或变化过程缓慢的载荷 。如汽车发动机安装在汽车底盘上，汽车底盘受到的是静载荷；汽车悬架受到车身的作用力也是静载荷。 冲击载荷：在短时间内以较高速度作用于零件上的载荷。如在汽车内燃机中，做功冲程时，混合气体燃烧膨胀对活塞所产生的力是冲击载荷；用锤子敲钉子时的载荷。 交变载荷 ：是指大小、方向或大小和方向随时间发生周期性变化的载荷。如：齿轮啮合传动时，轮齿所受到的载荷； 2、按载荷作用形式分： 拉伸载荷、压缩载荷、弯曲载荷、剪切载荷和扭转载荷五种基本形式。如图1-1-2所示： 二、金属材料的力学性能 1、强度： 抗拉强度大小可以通过拉伸试验来确定。 在拉伸实验中，根据拉力F与伸长量ΔL之间的关系，在直角坐标系中绘出的曲线称为力—伸长曲线。整个过程可分为弹性变形阶段、屈服阶段、强化阶段和缩颈阶段，如图1-1-5所示。强度也可用屈服强度和抗拉强度两个指标来衡量。 强度指标：强度的大小用应力来表示。应力是指材料在受到外力作用时单位面积上所产生的抵抗力，单位为Pa(N/m２）。 （1）屈服强度 如图1-1-5，试样在拉伸时，当试样上的载荷增加到一定值后，应力不再增加，而试样仍继续发生明显的塑性变形，这一现象称为屈服。产生屈服现象时的最小应力值即为屈服强度。 屈服强度是指金属材料开始产生宏观塑性变形时的应力。用符号ReL表示。 式中 ReL——屈服强度，MPa； Fs——试样屈服时的最小载荷 ，N； S0——试样原始横截面面积，mm2 （2）抗拉强度 材料在拉断前所能承受的最大应力称为抗拉强度，用符号Rm表示。 式中：Rm——抗拉强度，MPa； Fm——试样在屈服阶段后所能抵抗的最大载荷（如图1-1-5所示） ，N； S0——试样原始横截面面积，mm2 抗拉强度表示金属材料抵抗断裂破坏的能力，零件在工作时承受的最大应力不允许大于抗拉强度，否则零件会发生断裂。 2、塑性： （1）断后伸长率A： 试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比称为伸长率。用A表示： 计算公式： 式中A——断后伸长率； Lu——试样拉断后的标距长度，mm; L0——试样原始标距长度，mm; （2）断面收缩率Z： 试样拉断后，缩颈处横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比称为断面收缩率。用Z表示。 计算公式： Z——断面收缩率； S0——试样原始横截面面积，mm2; Su——试样拉断后缩颈处的横截面面积，mm2 3、硬度： 实际生产中，对于金属零件的硬度是通过专用的硬度试验机上实验测得的。常用的有布氏硬度实验法和洛氏硬度硬度实验法、维氏硬度实验法。 （1）布氏硬度： 布氏硬度的测试原理：用一定直径的球体（钢球或硬质合金），以规定的实验验力压入试样表面，经规定保持时间后卸除试验力，然后用测量表面压痕直径来计算硬度。 布氏硬度用HBS（当用钢球压头时）、HBW（当有用硬质合金压头）表示,如标记170HBW/10/1000/30，表示用直径为10mm的硬质合金压头在1000kg力的作用下保持30s测得布氏硬度值为170，单位为MPa，一般省略不写。 计算公式为： 当F、D一定时，布氏硬度与d有关，d越小，布氏硬度值越大，硬度越高。这种方法一般用来测定灰铸铁、有色金属各种软钢等硬度不是很高的材料，能准确反映出金属材料的平均性，但是操作时间长，压痕测量较费时。 在实际应用中布氏硬度值一般不需要计算，而是用专用的刻度放大镜量出压痕直径，再从压痕与硬度对照表中查出相应的布氏硬度值。 （2）洛氏硬度 洛氏硬度实验是目前应用范围最广的硬度实验法，它采用直接测量压痕深度来确定硬度值的。试验采用金刚石圆锥体或淬火钢球压头，压入金属表面后，经规定保持时间后卸除主试验力，以测量的压痕深度来计算洛氏硬度值。洛氏硬度无单位，其数值可直接从硬度计表盘上读取。如图1-1-8。 金属材料的硬度越高，材料耐磨性越好。另外，材料的硬度和强度也有一定的关系，一般硬度高，强度也高。因此，硬度可用来作为估算材料强度的参考。 （3）维氏硬度 维氏硬度可用于测量较薄的零件，也可测量从很软到很硬的金属材料的硬度，且准确性高。维氏硬度实验的缺点是需测量压痕的对角线的长度；压痕小，对试件表面质量要求高。 4、韧性 汽车上许多零件在工作中要受到冲击载荷的作用，如活塞销、活塞、连杆、曲轴等。因此，制造这类零件的材料不仅要考试材料的强度，还要考虑材料的抵抗冲击载荷的能力，因为某些强度较高在材料，在冲击载荷下也会被破坏。金属材料抵抗冲击载荷作用而不被破坏的能力称为（冲击）韧性。测量韧性的方法是冲击试验。 5、疲劳强度 汽车上许多零件受到的作用力是周期性交替变化的，如轴、齿轮、连杆、弹簧等，这种大小、方向随时间呈周期性变化的应力叫交变应力。交变应力容易使零件产生疲劳断裂。疲劳断裂不会产生明显的塑性变形，没有预兆，是突然发生的，具有很大的危险性，常常造成重大事故，实际发生的机械零件损坏80%以上是由疲劳造成的。 金属材料抵抗交变载荷作用而不产生破坏的能力称为疲劳强度，疲劳极限有符号σ-1表示。单位Ｐa(N/m2)。 提高零件的疲劳强度，防止疲劳断裂事故发生的方法有： ①改善零件的结构形状。在进行设计时尽量避免尖角、缺口和截面突变，以免应力集中引起疲劳裂纹； ②提高零件表面质量，减少表面缺陷和表面损伤； ③采用表面强化处理，如化学热处理、表面淬火、喷丸处理等； 金属材料的各种力学性能之间有一定的联系，一般来说，材料的强度越高硬度也越高，塑性、韧性越差；提高金属的强度、硬度，往往会降低其塑性、韧性；相反的，如果提高材料的塑性、韧性，会降低强度和硬度。 三、金属材料的物理性能及应用简介 （一）金属的物理性能 金属的物理性能是金属材料的固有性能，它包括密度、熔点、导电性、导热性、热膨胀性和磁性等。 1、密度:是指物质单位体积的质量，用符号ρ表示，单位Kg/m3。密度大于5×103 Kg/m3称为重金属，如铜、铁等；密度小于5×103 Kg/m3称为轻金属，如铝、钛等。在汽车工业中，为了增加有效装载质量，应尽量使用轻质材料。 2、熔点：金属材料从固态转变为液态时的温度称为熔点。以摄氏度（℃）表示。各种金属都有其固定的熔点，常用金属中钨、铬等的熔点较高，可用于制造车灯灯丝、加热元件等耐高温零件。锡、铅等的熔点较低，可用于制造熔丝等零件。 3、导电性：金属传导电流的性能称为导电性。衡量材料导电性的指标是电阻率，用符号ρ表示，单位为Ω。M(欧姆米)。电阻率越小，金属的导电性越好。 常用金属中银、铜、铝等导电性较好，作为导电材料。导电性差的材料如镍－铬合金、铁－铬－铝合金，常用于制造汽车仪表中的电阻元件。 4、导热性：材料传导热量的性能称为导热性，导热性是金属材料的重要性能之一。通常用热导率来衡量金属的导热性。热导率越高，金属的导热性越好。 5、热膨胀性：金属材料随温度变化而膨胀、收缩的特性称为热膨胀性。常用线膨胀系数和体胀数来表示金属的热膨胀性，线膨胀系数用符号α表示，其单位为１/℃。线膨胀系数越大，金属的热膨胀性也越大。在实际应用中，轴与轴瓦的装配间隙须根据材料热膨胀性来确定；在汽车修理中也可以利用金属的热膨胀性来进行装配。 6、磁性：金属导磁的性能称为磁性。通常用磁导率来衡量金属的磁性。磁导率越高，金属的磁性越好。金属材料可分为铁磁材料、顺磁材料和抗磁材料三类。铁磁材料可用于制造变压器、电动机等。 四、金属材料的化学性能简介 金属的化学性能是指在室温或高温条件下金属抵抗各种化学腐蚀的能力，一般包括耐腐蚀性、抗氧化性和化学稳定性。 1、耐腐蚀性：金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及化学介质腐蚀破坏作用等各种腐蚀的能力称为耐腐蚀性。腐蚀对金属材料的危害很大，不仅使金属材料本身受到损失，严重时还会使汽车零件遭到破坏。所以，提高金属材料的耐腐蚀性有很重要要意义。一般可采用改变金属材料成分和进行表面处理的方法来提高金属的耐腐蚀性。 2、抗氧化性：金属材料在加热时抵抗氧化的能力称为抗氧化性。材料的氧化随温度的升高而加速，所以汽车上在高温下工作的零部件，如发动机的气门、活塞、活塞环等，必须采用抗氧化性好的材料制成。 3、化学稳定性：化学稳定性是金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性的总称。材料在高温下的化学稳定性称为热稳定性。 三、课堂小结 四、作业布置 课后习题 引导学生观看PPT或视频等多媒体，并思考 展示图片并讲解 引导学生扫码观看视频 讲解相关概念及指标 根据图片引导学生思考 组织学生扫码观看视频 组织学生扫码观看视频 可举案例说明 引导学生阅读，并思考 教师作适当讲解 观看PPT 学生扫码观看金属的拉伸试验视频 学习力-伸长曲线，并能画出图 听讲，思考 观看视频，了解洛氏硬度试验 学生观看视频 学生联系初中所学的知识思考，理解，并回答老师的问题 学科网（北京）股份有限公司 $$