工程力学第六章课件

1、第六章 金属材料金属实际上是以一种金属元素为基体，加入其他金属元素或非金属元素而形成的具有金属特性的材料。大部分汽车零件是由金属材料制造的，因此，金属材料的性能很大程度上决定了汽车的性能。想一想我国古代有个“千年水底松，万年高搁枫”说法，这句话的意思是，将松木置于水里长期不会腐烂，把枫树搁在干燥处多年不易变质。这句话告诉我们，不同材料性能差异极大，汽车零件用什么材料来做，由材料各种性能所决定。那么，用于制造各种汽车零件的金属材料，都有一些什么样的性能呢？第一节 金属的性能使用性能工艺性能力学性能物理性能化学性能金属的力学性能强度硬度塑性韧性疲劳强度抗拉强度抗压强度抗剪强度抗扭强度抗弯强度硬度图

2、6-1 布氏硬度测试示意图图6-2 洛氏硬度测试示意图塑性塑性是指材料在载荷作用下，产生塑性变形而不被破坏（不断裂）的能力。材料的良好塑性有利于金属的冷冲压成型。在汽车车身壳体、油箱等成型过程中，若材料塑性不好，则容易开裂报废。衡量塑性好坏的指标有断面收缩率和延伸率。韧性图6-3 冲击试验原理示意图韧性图6-4 小能量多次冲击试验原理示意图疲劳强度 许多汽车零件，如齿轮、钢板弹簧、曲轴和车轴等所承受的外力大小和方向呈周期性变化，这种变化的力称为交变载荷。通常规定，某型钢在经受107次交变载荷作用时不产生断裂的最大应力称为该型钢的疲劳强度。金属物理和化学性能密度熔点导热性热膨胀性导电性磁性耐腐蚀

3、性抗氧化性化学稳定性工艺性能铸造性锻压性焊接性切削加工性想一想成语“恨铁不成钢”形容的是，对所期望的人不争气不上进感到不满，急切希望他变好的心情。它同时也说明钢有比铁更优越的性能，哪是一些什么样的性能呢？人们又是怎样来识别各种钢材的呢？第二节 碳素钢含碳量低于2.11的铁碳合金称为碳素钢。可以满足许多零件和工具的要求，有良好的工艺性能，而且生产方便，价格低廉。含有少量的硫、磷、锰和硅等杂质。硫有热脆性，磷有冷脆性。锰、硅是有益元素。碳素钢的分类按钢的含碳量分类 低碳钢：含碳量低于0.25%，如用于汽车车身壳体的材料。中碳钢：含碳量介于0.25%0.6%，如用于汽车发动机连杆的材料。 高碳钢：含

4、碳量高于 0.6%（一般不高于1.3%），如用于锉刀、钻头和弹簧等的材料。碳素钢的分类按钢的质量分类 普通钢：钢中硫和磷含量分别不高于0.055%和0.045%。 优质钢：钢中硫和磷含量均小于0.04%。 高级优质钢：钢中硫和磷含量均不高于0.03%。碳素钢的分类按用途分类碳素结构钢：用于制造工程结构、机械零件，含碳量在0.7%以下。碳素工具钢：用于制造刃具、量具和模具，含碳量在0.7%1.35之间。碳素结构钢普通碳素结构钢的牌号是由代表屈服极限的字母、屈服极限数值、质量等级符号、脱氧方法符号四个部分依次组成。Q235-AF：屈服极限值为235MPa的A级沸腾钢。Q 为“屈”字拼音字首，数字为

5、屈服极限值；A、B、C、D四个质量等级，依次提高；F表示冶炼的脱氧方法，即沸腾钢，镇静钢不加符号，半镇静钢是b，特殊镇静钢是TZ。优质碳素结构钢牌号是以0.01%为单位，用两位数字表示钢中平均含碳量的万分数。例如45，表示平均含碳量为0.45%的钢，叫做45号钢。如果含锰量较高（含锰量在0.7%1.0%），则在两位数字后面加上 “锰”字或元素符号Mn，如65Mn表示平均含碳量为0.65%的较高含锰量钢，叫做65锰钢。优质碳素结构钢有害杂质元素硫和磷较少，多在热处理后使用，用于制作力学性能要求较高的零件。碳素工具钢碳素工具钢的牌号是由“T”后加一位或两位数字表示，一位或两位数字表示平均含碳量的千

6、分数。如T8，表示平均碳含量为0.8% 碳素工具钢。它们都是优质的或高级优质高碳钢。若为高级优质碳钢则在牌号后加A，如T10A，表示平均碳含量为1.0的高级优质碳素工具钢。想一想班上小李同学暑期去叔叔的模具厂学钳工，学做用折断的手用钢锯条改制削铅笔刀。他试着在砂轮机上将锯条的锯齿磨去，并磨出刀刃。他用自己做好的铅笔刀削铅笔，发现刀的锋利度远不如师傅用同样材料做的。小李请教师傅，师傅看过小李做的铅笔刀后说：都变颜色了，已经退火，硬度下降，刀自然就钝了。你知道这是为什么吗？第三节 钢的热处理普通热处理表面热处理退火正火回火淬火表面淬火化学热处理普通热处理退火 将钢加热到临界温度以上适当温度，保持一

7、定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。目的是降低硬度，以利于切削加工；提高塑性和韧性，以利于冷变形加工；改善钢的性能或为以后热处理作好组织准备；消除钢中的残余内应力，防止变形和开裂。普通热处理正火将钢加热到临界温度以上适当温度，保持一定时间后出炉空冷的热处理工艺。目的是细化组织，用于低碳钢，可提高硬度，改善切削加工性；用于中碳钢和性能要求不高零件，可代替调质处理；正火与退火相比，钢在正火后的强度、硬度高于退火，而且操作简便，生产周期短，成本低，在可能的条件下宜用正火代替退火。普通热处理淬火 将钢加热到临界温度以上适当温度，保持一定时间，然后快速冷却的热处理工艺。目的是提高钢的硬度、强度和耐磨性。钢

8、在淬火后经过回火，才能获得理想的力学性能。钢的强度、硬度、耐磨性、弹性、韧性等，都可以利用淬火与回火使之大大提高。淬火是强化钢材的重要热处理工艺。普通热处理回火 将经淬火后钢重新加热到临界温度以下适当温度，保温一定时间，然后空冷到室温的热处理工艺，称为回火。目的是减少或消除工件淬火时产生的内应力，稳定组织，以满足工件不同使用要求的性能。回火（1）低温回火（150250） （2）中温回火（250500） （3）高温回火（500650） （c）淬火 （d）回火图6-5 普通热处理加热-冷却过程示意图（a）退火 （b）正火表面热处理表面淬火是仅对工件的表面层进行淬火，而心部仍保持未淬火状态。目的是使

9、工件表面具有高硬度、耐磨性，而心部具有足够的塑性、韧性。表面热处理化学热处理是将工件置于适当的活性介质中加热、保温、冷却的方法，使一种或几种元素物质渗人钢件表层，以改变其表层的化学成分、组织和性能的热处理工艺。比较常用的化学热处理有渗碳、氮化、碳氮共渗等，目的就是提高钢表面的硬度和耐磨性。想一想“好钢用在刀刃上”，这句俗语大家一定知道，将好的材料用在刀具关键的地方，一是能充分发挥刀具使用性能，二是更体现了好料材的价值，既实用又经济。但同时它还告诉我们，同样是钢，也有好与不好之分。那么，什么样的钢才是好钢？好钢又都好在哪里呢？第四节 合金钢合金钢就是在碳钢的基础上加入其他元素的钢，加入的其他元素

10、就叫做合金元素。常用的合金元素有硅（Si）、锰（Mn）、铬（Cr）、镍（Ni）、钨（W）、钼（Mo）、钒（V）、钛（Ti）、铝（Al）、硼（B）、和铼（Re）等。合金元素是通过与其中铁和碳的作用、元素相互之间的作用，提高和改善钢的力学性能和工艺性能。合金钢分类按主要用途一般分合金结构钢，主要用于制造重要的机械零件和工程结构；合金工具钢，主要用于制造重要的刃具、量具和模具；特殊性能钢，用于制造具有特殊要求的零件。合金结构钢牌号由两位数字加元素符号加数字组成。两位数字表示钢的平均含碳量的万分数。元素符号表示钢中所含的合金元素，而后面数字表示该元素平均含量的质量百分数。若合金元素含量不超过1.5%，

11、数字缺省。如果含量超过1.5%不超过2.5%，则在元素符号后加数字“2”，依次类推。例如60Si2Mn，合金结构钢，表示平均含碳量为0.6%；含硅量约为2%，含锰量不超过1.5%。合金工具钢牌号表示方法与合金结构钢相似，其区别在于用一位数字表示平均含碳量的千分数，当含碳量大于或等于1.00%时则不予标出。9SiCr，合金工具钢，“9”表示平均含碳量为0.9%, 硅、铬的含量都不超过1.5%；Cr12MoV，合金工具钢，前面缺省数字表示平均含碳量大于1.00%，含铬量约为12%，铝和钒的含量都不超过1.5%。特殊性能钢牌号表示方法与合金工具钢基本相同，当平均含碳量小于千分之一时，用0表示。0Cr

12、18Ni9，特殊性能钢，平均含碳量小于0.1%，含铬量约为18%，含镍量约为9%。特殊专用钢用钢号前面冠以汉语拼音来表示钢的用途或性能，含碳量为默认值，主加元素符号后数字表示也特殊，非主加其他元素含量仍用百分数表示。GCr15，滚动轴承钢，G为“滚”的汉语拼音字首，含碳量为大于或等于1.0%的默认值；滚珠轴承钢中铬元素是主加元素，其符号后面的数字表示铬含量的千分数，“Cr15”就是表示铬含量为1.5%。合金结构钢工程结构用钢（低合金结构钢）机械制造用钢由于少量合金元素的作用，比相同含碳量的普通碳素结构钢强度高得多，而且还具有良好的塑性、韧性、焊接性和较好的耐磨性。代替普通碳素结构钢可减轻结构重

13、量，保证使用可靠，节约钢材。用于制造各种工程结构，如桥梁、建筑、船舶、车辆等。工程结构用钢应用图6-6国家体育场“鸟巢”外貌机械制造用合金结构钢合金渗碳钢（2OCrMnTi-活塞销）合金调质钢（40Cr-连杆）合金弹簧钢（ 65Mn-气门弹簧）滚动轴承钢（GCr15-前轮轴承）合金工具钢合金刃具钢、合金模具钢和合金量具钢图6-7车削加工图片图6-8 开孔器实物图片特殊性能钢不锈耐酸钢（ lCrl8Ni9汽车的排气管）耐热钢（ 4Crl0Si2Mo发动机的排气门）耐磨钢（工程车辆的履带、挖掘机铲齿）想一想“人是铁，饭是钢，一顿不吃饿得慌。” 这句话是讲吃饭对人的重要性。因为钢比铁更贵，铁经过百炼

14、才能成钢。但这并不是说，铁就一无是处，其价格低廉本身就是很大的优势。在机械制造业，铸铁的用量，就其重量而言，仍占有较大的比例。那么，铸铁除了价格低廉，还有哪些特点呢？可用于制造些什么样的东西呢？第五节 铸铁与铸钢铸铁 含碳量大于2.11的铁碳合金。在实际生产中，一般铸铁的含碳量为2.5% 4.0%，含硅量为0.8%3%，锰、硫、磷杂质元素的含量也比碳钢高。特点良好的铸造性耐磨性减振性切削加工性生产简单价格便宜塑性、韧性较差铸铁分类白口铸铁灰铸铁可锻铸铁球墨铸铁蠕墨铸铁 铸铁中的碳以各种形态石墨分布于金属基体，决定了其特性。常用铸铁白口铸铁灰铸铁（片状石墨HT250 ）可锻铸铁（团絮状石墨KTH

15、350-10 ）球墨铸铁（球状石墨QT800-2 ）蠕墨铸铁（蠕虫状石墨RuT420 ）铸钢将熔炼好的钢液直接铸成零件或毛坯，这种铸件称为铸钢件。与铸铁相比，铸钢的力学性能，特别是抗拉强度、塑性、韧性较高。因此，铸钢一般用于制造无法锻造的形状复杂、综合力学性能要求较高的工件。汽车上常用的有ZG35、ZG45、 ZG55，用于制造进排气管歧管压板、减振器支架、备胎升降器齿轮、起动爪等。想一想 人类利用金属的第一个时代被称作青铜时代。青铜是铜和锡的合金，铜和锡都是有色金属。这就是说，有色金属铜和锡可称人类文明进步的路基。那么，在两千年多年后纳米时代就要到来的今天，有哪些有色金属家族成员活跃于现代机

16、器制造业？它们都有一些什么特点？第六节 有色金属钢铁材料因其断口色黑又叫黑色金属，而把黑色金属以外的所有金属及其合金称为有色金属。汽车上许多零件采用有色金属材料制作，并呈越来越多的趋势，以满足自重轻等一些要求。汽车上所用的有色金属主要有铝合金、铜及其合金和轴承合金等。镁合金图6-9 汽车转向盘镁合金铸件图6-10 发动机内铝外镁嵌合缸体铝合金铸造铝合金变形铝合金铝硅系合金铝铜系合金铝镁系合金铝硅铜系合金防锈铝-LF硬铝-LY超硬铝-LC锻铝-LD铸造铝合金牌号用ZL加三位数字表示。第一位数字表示铝合金的系别（1为铝硅系，2为铝铜系，3为铝镁系等），第二、三位数字表示合金的顺序号。ZL108，表示铝硅系08号铸造合金，可用于制造发动机活塞。铜及其合金铜合金黄铜，以锌为主加元素的铜合金。青铜，除黄铜和白铜以外铜基合金。白铜，铜和镍的合金。黄铜普通黄铜主要由铜和锌两种元素组成。其牌号用H加两位数字表示， 如H68表示含铜量68%，其余为锌的普通黄铜。特殊黄铜是在普通黄铜中加入其他合金元素组成的合金。牌号用H加上主加元素符号再加若干组数字表示，如HPb59-1，表示含铜59%、含铅