第1章 汽车常用材料

汽车机械基础 第1章汽车常用材料 学习目标 1 了解工程材料的主要性能类型及应用特点2 掌握金属材料的力学性能特点 了解金属材料的工艺性能 3 掌握测定材料硬度的类型及方法4 了解常用金属材料及非金属材料的机械性能5 了解各种钢热处理方法的应用特点 1 1金属材料的性能 1 1 1金属材料的力学性能力学性能的主要指标是强度 塑性 硬度 冲击韧性和疲劳强度等 上述指标既是选材的重要依据 又是控制 检验材料质量的重要参数 拉伸试验是测定静态力学性能指标的常用方法 图1 1所示为低碳钢的拉伸曲线 图中的纵坐标表示载荷F 横坐标表示变形量 l 通过拉伸曲线可测定材料的强度与塑性 图1 1低碳钢拉伸曲线 1 强度 强度是材料在载荷 外力 作用下抵抗塑性变形和破坏的能力 抵抗外力的能力越大 则强度越高 1 屈服极限 由图1 1可知 当载荷增加到Fs时 在不再继续增加载荷的情况下 试样仍能继续伸长 这种现象称为屈服 将开始发生屈服现象时的应力 也即开始出现塑性变形时的应力 叫做屈服极限 s 1 1 2 强度极限 当载荷超过Fs以后 试样将继续变形 载荷达到最大值后 试样产生缩颈 有效截面急剧减小 直至断裂 强度极限是试样在断裂前所能承受的最大应力 用 b表示 2 塑性 塑性是材料断裂前发生不可逆永久变形的能力 材料断裂前的塑性变形愈大 表示它的塑性愈好 反之则表示其塑性差 常用的塑性指标是断后伸长率和断面收缩率 1 断后伸长率 2 断面收缩率 硬度 硬度是指金属材料抵抗局部变形 特别是塑性变形 压痕或划伤的能力 因此硬度也可以看作是材料对局部塑性变形的抗力 硬度是衡量材料性能的一个综合的工程量或技术量 通常材料硬度越高 耐磨性越好 强度也越高 测定硬度的方法很多 常用的有布氏硬度测试法 洛氏硬度测试法和维氏硬度测试法 4 冲击韧性 冲击韧性是指金属材料在冲击载荷的作用下折断时吸收变形能量的能力 常用冲击吸取功或冲击韧度来表示 5 疲劳强度 疲劳是指在循环应力和应变作用下 在一处或几处产生局部永久性累积损伤 经一定循环次数后产生裂纹或突然产生断裂的过程 这种破坏称为疲劳破坏 或疲劳断裂 金属的疲劳破坏与很多因素有关 人们可通过改善零件的结构形状避免应力集中 以及改善表面粗糙度 进行表面热处理和表面强化处理来提高金属材料的疲劳强度 1 1 2金属材料的物理性能 金属材料的物理性能指金属材料的熔点 导热性 导电性 热膨胀性 磁性和耐磨性等 1 熔点2 导热性3 导电性4 热膨胀性5 磁性6 耐磨性 1 1 3金属材料的化学性能 金属材料在室温或高温下 抵抗介质对它化学浸蚀的能力 称为金属材料的化学性能 金属材料的化学性能一般包括抗氧化性和抗腐蚀性等 所谓抗氧化性 是指金属材料在高温时抵抗氧化性气氛腐蚀作用的能力 金属材料抵抗各种介质 大气 酸 碱 盐 浸蚀的能力称为抗腐蚀性 1 1 4金属材料的工艺性能 金属材料的工艺性能是指金属材料所具有的能够适应各种加工工艺要求的能力 它是力学 物理 化学性能的综合表现 包括铸造性 锻造性 焊接性 切削加工性和热处理性等 1 铸造性2 锻造性3 焊接性4 切削加工性 1 2常用工程材料 各类机电产品 大多是由种类繁多 性能各异的工程材料通过加工制成的零件构成的 工程材料按照化学元素成分可分为金属材料和非金属材料两种 其中金属材料是工程中应用最广泛的 1 2 1黑色金属材料 通常 工业上对铁 铬和锰及这三种金属的合金尤其是铁碳合金称为黑色金属 除这三种金属 合金 以外的金属 合金 称为有色金属 1 铸铁 铸铁是含碳质量分数大于2 06 的铁碳合金 根据碳在铸铁中存在形态的不同 铸铁可分为下列几种 1 白口铸铁 2 灰铸铁表1 1所示为常用灰铸铁的牌号 力学性能及应用 表1 1常用灰铸铁的牌号 力学性能及应用 部分摘自GB T9439 1988 3 球墨铸铁表1 2所示为常用球墨铸铁的牌号 力学性能及应用 4 可锻铸铁 表1 2常用球墨铸铁的牌号 力学性能及应用 部分摘自GB T1348 1988 2 碳素钢 通常把含碳质量分数在2 11 以下的铁碳合金称为钢 碳素钢一般可按含碳质量分数 质量和用途三种情况来分类 按含碳质量分数 碳素钢分为低碳钢 中碳钢和高碳钢 低碳钢 含碳质量分数 0 25 中碳钢 0 25 含碳质量分数 0 6 高碳钢 含碳质量分数 0 6 按钢的质量 即主要根据钢中有害杂质 硫 磷 的含量可分为普通碳素钢 优质碳素钢和高级优质碳素钢 普通碳素钢 含硫质量分数 0 055 含磷质量分数 0 045 优质碳素钢 含硫质量分数 0 045 含磷质量分数 0 040 高级优质碳素钢 含硫质量分数 0 03 含磷质量分数 0 035 按用途碳素钢可分为碳素结构钢和碳素工具钢 表1 3所示为普通碳素结构钢的力学性能和应用举例 表1 3普通碳素结构钢的力学性能和应用举例 表1 4所示为优质碳素结构钢的化学成分 力学性能和用途 表1 4优质碳素结构钢的化学成分 力学性能和用途 续表 续表 注 表中数据摘自国家标准GB T699 1988 3 合金钢 为了提高钢的性能 有意识地在碳素钢中加入一定量的合金元素 如硅 锰 铬 镍 钼 钒 钛等 即可炼成合金钢 由于合金元素的加入 细化了钢的晶粒 提高了钢的综合力学性能和其热硬性 淬透性 合金钢按用途一般可分为合金结构钢 合金工具钢和特殊性能钢三类 1 2 2有色金属材料 工业生产中通常称钢铁为黑色金属 而称铜 铝 镁 铅 轴承合金等及其合金为有色金属 由于有色金属具有某些特殊的性能 如良好的导热性 导电性及耐腐蚀性 已成为现代工业技术中不可缺少的重要材料 1 铜与铜合金 1 纯铜 2 黄铜 3 青铜 2 铝及铝合金3 轴承合金轴承合金是用来制造滑动轴承的特定材料 对轴承合金的要求是摩擦系数小 耐磨性好 抗压强度高 导热性好等 1 2 3非金属材料 非金属材料通常指以无机物为主体的玻璃 陶瓷 石墨 岩石和以有机物为主体的木材 塑料 橡胶等一类材料 1 塑料 按受热后所表现性能的不同 塑料可分为热塑性塑料和热固性塑料两大类 常用的工程塑料有以下几种 1 ABS塑料 2 聚酰胺 3 酚醛塑料 4 氨基塑料 5 环氧树脂 6 有机玻璃 2 橡胶 橡胶是一种天然的或人工合成的高聚物的弹性体 3 陶瓷 陶瓷硬度高 抗压强度大 耐高温 抗氧化 耐磨损和耐腐蚀 但质脆 韧性差 不能承受冲击 抗急冷 急热性能差 易碎裂 4 复合材料 复合材料是由两种或两种以上不同化学性质或不同组织结构的材料 复合材料按增强材料的类型可分为以下四大类 纤维增强复合材料 如玻璃纤维 碳纤维 硼纤维和碳化硅纤维等 颗粒增强复合材料 如陶瓷粒与金属复合 金属粒与塑料复合等 叠层复合材料 如双金属复合 多层板复合等 夹层结构复合材料 如夹层内填充蜂窝结构或填充泡沫塑料 具有质轻 刚性大的特性等 1 3钢的常用热处理 钢的热处理是将固态钢通过不同方式的加热 保温和冷却 来改变钢的内部组织结构 从而改善钢的性能的一种工艺方法 根据热处理目的和工艺方法的不同 热处理一般可分为整体热处理 表面热处理和化学热处理 整体热处理 普通热处理 如退火 正火 淬火 回火等 表面热处理 如火焰加热表面淬火 感应加热表面淬火和其他表面热处理 化学热处理 包括渗碳 渗氮 碳氮共渗 氰化 和其他化学热处理 根据热处理的作用可分为最终热处理和预备热处理 最终热处理 其作用是使钢件得到使用要求的性能 如淬火 回火 表面淬火等 预备热处理 其作用是消除加工 锻 轧 铸 焊等 所造成的某些缺陷 或为以后的切削加工和最终热处理作好准备 1 3 1整体热处理 1 退火 1 完全退火 2 球化退火 3 去应力退火2 正火3 淬火 淬火是将工件加热到临界温度以上的某一温度 保温一定时间后 然后在水 盐水或油中急剧冷却的一种热处理工艺 淬火的目的是提高钢的硬度和耐磨性 4 回火 回火是把淬火后的工件重新加热到临界温度以下的某一温度 保温后再以适当冷却速度冷却到室温的一种热处理工艺 回火的目的是稳定组织和尺寸 降低脆性 消除内应力 调整硬度 提高韧性 以获得优良的力学性能和使用性能 回火总是在淬火后进行 通常是