汽车材料的运用.doc

无锡南洋学院毕业设计论文（稿纸）材料是人类生产和生活所必需的物质，人类社会的发展伴随着各种材料的不断开发和利用。目前，世界上已存在的自然材料和人工材料有近百万种，自然材料仅占1/20，其余均为人工材料。在当前社会中，绝大多数的生产和生活用品是采用人工材料制造的，人工材料在材料科学的发展中有着极其重要的地位。在现代工业社会里，材料、能源、信息被称为现代技术的三大支柱，而能源和信息的发展，在某种程度上又依赖于材料的进步。因此，材料科学的发展在现代工业社会中占举足轻重的地位。汽车是现代交通的重要工具。汽车从设计、选材、加工制造，到使用、维修和养护等无一不涉及到材料。汽车工业更是伴随着汽车材料及其加工工艺的发展而发展的。一、汽车材料的运用及发展1、汽车材料的概述通常，一辆汽车约由3万个零部件组装而成，汽车上每个汽车零件的生产制造都涉及到材料问题。据统计，汽车上的零部件采用了四千余种不同的材料加工制造。从汽车的设计、选材、加工、制造，到汽车的使用、维修与养护无一不涉及到材料。随着科技的不断发展与进步许多新型材料被开发和利用，更多新型材料的利用进一步提高了汽车的安全性、舒适性，也降低了污染的排放和能耗。随着科学技术的飞速发展，现代汽车制造材料的构成，发生了较大的变化，高密度材料的比例下降，低密度材料有较大幅度的增加，可以说，从90年代开始，汽车材料向轻量化、节省资源、高性能和高功能方向发展。2、汽车材料的运用与发展概况汽车材料分为制造汽车的材料和工厂为生产零部件或维修作业所必须的辅助材料。其中又可分为金属材料和非金属材料两大类。构成汽车的零件约有两万多个，在这些零件中，使用了各种各样的材料，其中86%是金属材料，而在金属材料中，钢铁材料占了80%就钢铁材料来说，有普通材料与优质材料之分，汽车则用优质材料制造。所谓优质材料是指具有一定切削性能、铸造性能、锻造性能和热处理性能等，特别是能保证产品加工质量性能的材料。如以切削加工为主的材料，要求有高的切削性能。为此，各国历来使用易切削钢制造汽车齿轮、花键、轴等传动零件。汽车材料中，有不少是不进行表面全部切削加工而局部保留锻造状态的黑皮零件，如曲轴、连杆等。这种钢材要求有较高的锻造性，表面不允许有缺陷，因为汽车零部件的损坏，有很大部分是材料有缺陷造成的，因而要予以特别注意。热处理也是重要的性能之一，经过热处理可以有效地提高材料的性能。汽车所用的材料，由于节省能源、节省资源、轻量化的需要而有所变化，以非金属材料代替部分金属材料，在金属材料中又以轻金属材料取代部分钢铁，已成为材料应用的总趋势。在轻金属材料中，铝是轻量化的首选材料在高强力钢板、铝、塑料与一种称为FRP的轻量化材料中，铝起了特别重要的作用。由于铝的密度只有铁的1/3，由铁向铝转换也比较容易，所以把活塞、进气歧管、汽缸盖、轿车轮盘都采用了质量轻的铝合金。镁比铝更轻、且资源更丰富，对于易氧化的镁，由于已开发出效率高的锻造工艺，使镁的制造成本下降，但镁的精炼能源为电力，所以成本比铝高。就非金属而言，以东风EQ1090型货车为例，汽车所用非金属材料制成的零件约四百多种，大概占总零件的10%左右。美国洛克威尔（Roc Kwell)公司的塑料分部研制了一种新型的轻型货车车身，其整体式发动机罩、翼板、车门和驾驶室等都用玻璃钢成形板制成的，从而使整车质量减少约为277Kg。总之，从国内外汽车材料的发展来看，为了轻量化及提高安全性和舒适性，非金属材料的用量逐年有所增加，可以预测，这种倾向在今后还会继续。今后的车用材料，也将由金属向非金属的复合材料转化。可以说，汽车的发展是以材料和材料加工工艺的发展为基础的，两者的发展必然是同步的，而层出不穷的新材料和新工艺也为现代汽车的更新义工了必要的条件。二、金属材料一辆汽车约有两万多个零件组成，在这些零件中，使用了各种各样的材料，其中86%左右是金属材料。金属材料又分为黑色金属材料和有色金属材料。金属材料之所以在汽车上得到广泛应用，是由于它具有许多良好的性能。金属的性能包括使用性能和工艺性能。使用性能是指金属材料在使用条件下所变现出来的性能，其中包括力学性能、物理和化学性能等。工艺性能是指金属材料在制造工艺中，适应各种冷、热加工的性能，包括铸造性、锻造性、焊接性、热处理性和切削加工性等。1、金属材料的性能1)强度强度是指在外力作用下，金属材料抵抗永久变形和断裂的能力。强度分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度和抗扭强度等五种。一般以抗拉强度作为金属强度最基本的强度指标。2)塑性塑性是指金属材料在外力作用下，产生塑性变形而不破坏的能力。塑性指标也是通过抗伸实验测得。常用的塑性指标有延伸率和断面收缩率。 3)硬度硬度是指塑料表面抵抗局部塑性变形、压痕或划痕的能力。硬度测试应用最广泛的是压入法，即在一定载荷作用下，将比工件更硬的压头缓慢压入被测工件表面，是金属局部塑性变形而形成压痕，然后根据压痕面积大小或或压痕深度来确定硬度值。硬度是金属材料的一个重要力学性能指标由于硬度可以间接地反映金属材料的强度，加之与拉伸试验相比，硬度试验简便易行，且属非破坏性试验，因此在实际生产中，对一般机械零件，大多通过测试硬度来检测力学性能，零件图中对材料力学性能的要求往往标注硬度值。硬度的表示方法很多，生产中常用的是：布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度。4)冲击韧性金属材料的强度、塑性、硬度等指标都是通过对被测材料施加静载荷的实验测定。实际生产中，许多机器零件和工具早工作时往往要受到突然作用的外力，即冲击载荷的作用。如车辆在启动、制动或改变速度时，车辆间的挂钩、发动机的连杆、曲轴和活塞销，变速器的齿轮、驱动桥的齿轮，传动轴等零件都要受到冲击，制动越猛，冲击力越大。冲击载荷的破坏能力要比静载荷的破坏能力大得多，因此对承受冲击载荷的零件，不仅需要有较高的强度，还必须具有在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力，即冲击韧性。5)疲劳强度许多汽车零件，如发动机曲轴、连杆、气门弹簧、变速器的齿轮和轴，在工作过程中往往受到大小或大小及方向随时间呈周期性变化的应力作用，次应力称为交变应力。2、金属材料在汽车上的运用1)传统汽车结构用高强度钢板是以添加各种合金成分而成的固溶强化型钢板和析出强化型构的主要材料。它的特点是屈服点低、复合成分多，同时它的深拉延性极好，可轧制成很薄的钢板，因此是车身轻量化的重要材料，由于可有效地减轻汽车自身的质量，这种高强度钢板的使用已越来越广泛，产品也在不断地升级。低合金高强度钢板的品种主要有含磷冷轧钢板、烘烤硬化冷轧钢板、冷轧双相钢板和高强度无间隙固溶冷轧钢板等。进行车身设计时可根据板制零件的受力情况和形状复杂程度来选择钢板品种。迭层钢板与具有同样刚度的单层钢板相比，质量减少了近43%。由于这种迭层钢板的隔热防振性能良好，因此常用来制造发动机罩、行李箱盖及车身底板等零部件。2)新型弹簧钢主要是指汽车悬挂系统的弹簧用钢。目前使用最广泛的钢板弹簧是硅钢。但有一点值得注意的是由于其生产工艺发生了相应的变化，含硅高的弹簧钢具有较高的脱碳倾向，因此不能只追求高强度化，还要兼顾永久变形性、疲劳强度及腐蚀环境下的疲劳寿命等因素，所以说低硅或无硅弹簧钢的发展是今后变化的趋势。采用棒材和线材作原料的构件，多数加工后需要进行调质热处理。微合金非调质是指在钢中加入微量的钒、钛、镍等元素，经过锻造或轧制冷却后在铁素体和珠光体中析出碳化物或碳氮化合物，这样在达到高强度和保证韧性的同时又省去了调质处理，减少了热处理工序和设备，避免热处理变形和淬火裂纹造成废品，降低了能耗和成本。此外，其他金属材料在汽车中也有广泛的应用。与汽车用钢板相比，铝合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀、热稳定性好、易成型、可回收及再生等优点，而且技术也较成熟。另外由于所有的铝合金都可以回收再生利用，因此铝合金深受环保人士的欢迎。铝材料在汽车上的运用，可以提高安全性，减轻车身质量。镁合金不仅是质量轻，而且与铝合金相比，它的强度较高，同时镁合金还具有阻尼性、导热性好、电磁屏蔽能力强及尺寸稳定性好的特点，这些优良的性能使镁合金在航空工业和汽车工业中得到了广泛的应用。铝基复合材料质量轻、比强度高、比模量高、抗热疲劳性能好及耐磨性好，是金属基复合材料中应用最为广泛的一种材料。钛合金适用于制造悬架弹簧、气门弹簧和气门。用钛合金制造板簧与用抗拉强度达2100MPa的高强度钢相比，自重又能降低20%。但使用钛合金时必须注意的一个问题是当合金强度达到某一水平之后，疲劳强度对抗拉强度有逆依存关系。低成本的钛合金被用于特殊汽车卷弹簧的设计上，因为钛合金具有低密度，低弹性系数和优良的抗腐蚀特性。三、非金属材料汽车制造中一直以应用金属材料为主，非金属材料的比列很小。所谓的非金属材料就是以以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、硫系化合物和硅酸盐、钛酸盐、铝酸盐、磷酸盐等含氧酸盐为主要组成的无机材料的泛称。包括陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料、搪瓷、磨料以及新型无机材料等。近年来，随着非金属材料的迅猛发展和汽车轻量化的要求，越来越多的非金属材料在汽车上上得到了应用，其比列在不断上升，已经成为汽车不可或缺的材料。1、塑料以及在汽车上的运用当今，汽车的发展方向是：节约能源、防止环境恶化、改善安全性能。作为汽车的重要材料之一，汽车用塑料的发展也以这三方面为目标。随着研究的深入，汽车塑料的品种和应用范围不断扩大。由于塑料的优越特性，在汽车设计中大量采用塑料，不仅可以实现汽车结构轻量化设计，而且可以综合地反映对汽车设计性能的要求，即轻量化、安全、防腐、造型和舒适性等。另外，还有利于降低成本，节约材料资源。塑料在汽车上的应用主要分为三类：内饰件、外装件、功能结构件。外装件：以塑代钢，可减轻汽车重量，达到节能的目的；内饰件：以安全、环保、舒适为应用特徵，用可吸收冲击能量和震动能量的弹性体和发泡塑料制造仪表板、座椅、头枕等制品，以减轻碰撞时对人体的伤害，提高汽车的安全系数；功能结构件：多采用高强度工程塑料，减轻重量，降低成本，简化工艺，如用塑料燃油箱、发动机和底盘上的一些零件。具体的的应用主要有以下方面：1)动力传动系统发动机气门室罩和油底壳采用聚酰胺、反应注塑聚氨酯、环氧树脂等玻璃纤维增强塑料模制或压制而成；发动机的气缸衬垫和密封垫用高性能的或用特殊工艺生产的传统合成橡胶，其中包括CR和FRM。耐磨PP成型材料应用于齿轮、轴等耐磨成型制品，取代聚甲醛塑料。厢式车和货车中，用复合材料（玻璃和碳纤维）传动轴代替的金属轴，减轻了重量，降低了噪声和振动，并使工作更为平顺。英国GKN技术公司用纤维增强塑料制造的传动轴，重量减轻5060，抗扭性比钢大1.0倍，弯曲刚度大1.5倍。杜邦公司开发一种复合玻纤增强尼龙66用于V6发动机的有源集合塑料通风系统。2)悬架系统塑料弹簧可明显减轻重量。用碳纤维增强塑料（CFRP）制造的板簧为14kg，减轻重量76。在美国、日本、欧洲都已使板簧、圆柱形螺旋弹簧实现了纤维增强塑料化，除具有明显的防振和降噪效果外，还达到轻量化的目的。2、陶瓷以及在汽车上的运用随着科学技术的不断发展，汽车的研发及生产阶段越来越多地采用新材料及新工艺，这也使得人们对汽车轻质化、低成本、智能化、经济性和可靠性的要求成为可能，而对于新材料的使用，我国古代的发明陶瓷便是其中之一。陶瓷在汽车上的运用主要有一下几点：1)陶瓷在汽车传感器上的应用对汽车用传感器的要求是能长久适用于汽车特有的恶劣环境，并应当具有小型轻量，重复使用性好，输出范围广等特点。陶瓷耐热、耐蚀、耐磨及其潜在的优良的电磁、光学机能，近年来随着制造技术的进步而得到充分利用，陶瓷传感器完全能够满足上述要求。2)陶瓷在汽车发动机上的应用 新型陶瓷是碳化硅和氮化硅等无机非金属烧结而成。与以往使用的氧化铝陶瓷相比，强度是其三倍以上，能耐1000摄氏度以上高温，新材料推进了汽车上新用途的开发。例如：要将柴油机的燃耗费降低30%以上，可以说新型陶瓷是不可缺少的材料。现在汽油机中，燃烧能量中的78%左右是在热能和热传递中损失掉的，柴油机热效率为33%，与汽油机相比已十分优越，然而仍有60%以上的热能量损失掉。因此，为减少这部分损失，用隔热性能好的陶瓷材料围住燃烧室进行隔热，进而用废气涡轮增压器和动力涡轮来回收排气能量，有试验证明，这样可把热效率提高到48%。3)陶瓷在汽车制动器上的应用陶瓷制动器是在碳纤维制动器的基础上制造而成的。一块碳纤维制动碟最初由碳纤维和树脂构成，它被机器压制成形，之后经过加热、碳化、加热、冷却等几道工序制成陶瓷制动器，陶瓷制动器的碳硅化合物表面的硬度接近钻石，碟片内的碳纤维结构使它坚固耐冲击，耐腐蚀，让碟片极为耐磨。4) 陶瓷在汽车减振器上的应用 高级轿车的减振装置是综合利用敏感陶瓷正压电效应、逆压电效应和电致伸缩效应研制成功的智能减振器。由于采用高灵敏度陶瓷元件，这种减振器具有识别路面且能做自我调节的功能，可以将轿车因粗糙路面引起的振动降到最低限度。3、橡胶以及在汽车上的运用所谓橡胶,是指在使用高温范围内处于高弹性状态的高分子材料。橡胶广泛的应用于弹性材料、密封材料、减振防振材料和传动材料，在工业生产中有着重要的地位，是一项重要的工业材料。橡胶最显著的特点是具有高的弹性和回弹性。在-50150的范围内,橡胶能保持良好的弹性,而且它受到外力作用发生的变形是可逆的高弹性变形,伸长率可达100%1000%,香蕉在高弹变形时,弹性模量低,只有1MPa左右,仅为软质塑料的1/30左右。橡胶还具有良好的回弹性，天然橡胶的回弹高度可达70%80%；外力去除后，只需0.001s便可恢复到原来的形状。同时，橡胶还有一定的强度,有意的抗疲劳性,以及良好的耐磨、绝缘、隔音、防水、缓冲、吸振等性能。因此，橡胶材料被广泛用于生产中。橡胶在汽车上的应用主要有以下几点:1) 轮胎轮胎是汽车上的重要部件之一。制造轮胎的主要原材料有生胶、骨架材料、以及炭黑等。其中、生胶是轮胎最重要的原材料，轮胎用的生胶约占轮胎全部原材料的50%。目前,汽车载重轮胎的生胶以天然橡胶为主，,而轿车轮胎则以合成橡胶为主。在轮胎用合成橡胶中，丁基橡胶属于特种合成橡胶,具有优良的气密性和耐老化性。用它制造的内胎，气密性比天然橡胶内胎好,使用中不必经常充气,轮胎使用寿命也相应提高。它也是无内胎轮胎密封层的最好材料。2) 其它橡胶配件除轮胎以外，汽车用橡胶配件还包括各种车用胶管、传动带、油封、高压密封、减振缓冲胶垫、窗玻璃密封条的等。这些零部件应用于轿车的各部位,数量虽然不大,但对汽车的性能和质量却起着重要作用。3、 玻璃以及在汽车上的运用玻璃是一种非晶态固体,它是以石英砂、纯碱、长石、石灰石等为主要原料、并加入某些金属氧化物等辅料,在高温窑中煅烧至熔融后,经成形、冷却所获得的非金属材料。玻璃具有许多优良性质,经过特殊处理后,又可得到各种不同的特殊性能,因此,玻璃是现代工业和建筑业等行业不可缺少的材料。汽车玻璃的使用量占汽车总重的3%左右(轿车)。玻璃是汽车上具有重要功能的外装件。汽车上使用的玻璃主要是窗玻璃,对玻璃的透明性、耐候性、强度及安全性有很高的要求。现代汽车中,玻璃不仅是一种功能性外装件,而且还兼顾了开阔视野、良好的乘坐环境、降低空气阻力和美观等多种功能。玻璃优良的造型设计,可以有利于降低汽车的空气阻力,减少燃料的消耗。四、我国汽车材料的发展状况我国汽车材料是伴随着汽车工业的发展而发展起来的。尤其是在“七五”至“九五”期间，我国通过合资的方式引进了国外先进的汽车产品技术，缩短了与发达国家之间的差距。在引进技术的带动下，“九五”期间“轿车新材料技术开发”被列入国家科技攻关计划，同时在国家 863高技术计划新材料领域的支持下，先后开发出了一批轿车国产化急需的金属材料和非金属材料，促进了国产汽车材料的技术进步。但是，同国外相比，我国汽车工业整体技术水平还比较落后，汽车材料领域的差距更大。主要表现为： 企业开发能力不足，缺乏创新、竞争能力；技术与管理水平落后，生产规模小，劳动生产率低，产品质量差；产品结构不合理，技术含量低，低档产品过剩，高端产品依靠进口；汽车行业采用的材料系列与品种繁杂、数量少，使汽车专用材料的产量难以达到经济规模；汽车材料基础技术研究薄弱，缺少材料评价技术与体系，材料技术标准混乱，基础数据贫乏。从总体上看，国内汽车材料领域的现状还不能满足我国汽车工业的发展需要。国内汽车工业的迅速发展以及加入WTO，使我国汽车材料领域面临着前所未有的机遇与挑战。不仅汽车材料的需求量持续增长（预计从现在起到 2020年，年均增长率可达20%以上），而且对材料的品质提出了更高的要求，这为我国汽车材料领域的发展创造了十分有利的条件。但是，在经济全球化的大背景下，我国汽车材料领域将面临的是国际竞争，要牢靠地占领国内市场并进入国际市场，就必须努力提高整体素质，尤其是创新能力与科技水平，增强核心竞争力。五、汽车材料未来的发展趋势。五、汽车材料未来的发展趋势1、塑料塑料材料具有重量轻，易于加工和防锈防腐蚀的特点，而受到众商家的普遍“青睐”。目前汽车的保险杠几乎都是塑料。塑料最先使用在汽车的内饰和外饰件上，为汽车饰件的软饰化、高档化、纤维化、舒适化起到了一定的作用。近年来，塑料在车身板和发动机周围的零部件上的使用量在不断增大，除了已经成熟的塑料部件制造技术外，塑料材料制治技术在2000年有一个长足的发展，一些高技术含量、低成本、高效率与持久耐用的塑料材料的使用比例在不断上升,除此之外富含高技术的尼龙材料，具有强度高的优点，也被广泛地应用在汽车进气歧管上，另外尼龙材料还被用以生产发动机盖。一些工程塑料的用量近年呈上升趋势，如LNP工程塑料用于制造可以在暗处发光的聚碳酸脂不饱和树脂，来生产卡车安全放松手柄。根据汽车部件联合会的报告，未来5年内，增强型热固塑料的应用将增长47。2、钢铁到目前为止钢铁还是汽车上使用最多的材料，其构成占50。然而目前车身使用的钢材大部分是近10年开发的新型钢材，由于性能的不断改进，新的制造技术和加工工艺的开发，至少在今后的一段时间内，钢仍然是大批量生产汽车车身的主要材料。作为车身重量的主要部分，近年来通过多种改进技术，使其品质和性能大大提高，其中尤以超轻超薄高强度钢板最具发展潜力。正因为新型钢材满足轻重和高强两方面需求，出现了一些原使用铝和塑料材料的部件重新启用钢材，特别是复合钢材近年的使用引人注目。3、镁金属继铝金属之后，镁金属有望成为又一前景广阔的车用轻量化材料。目前轻材料的研究机构开始转向对镁金属的研究。未来镁金属部件必须能够抵御外界恶劣条件如：雨、盐分、尘埃等，目前镁金属的应用主要用于内部部件，如：转向柱套管、固定架、仪表板、座位框架、转向轮、凉栅安装导轨以及用于光盘机与录音机上，未来镁金属的应用将扩展到顶棚面板、活动车顶、车轮、进气歧管、气缸盖、油箱磐层、启动器、转化器和发动机气缸体。随着一些相关材料的技术问题的解决，未来10年镁金属合金在每辆汽车上的使用量将突破60kg。如果关键的技术问题得以解决，其使用量将远远超过这个