24857汽车机械基础汽车维修学习课件第七章

第七章,第七章,第一节材料的性能第二节金属与合金的结构及铁碳合金相图第三节钢的热处理第四节常见的金属材料第五节其他常见的汽车材料,第一节材料的性能,一、材料的物理性能二、材料的化学性能三、材料的工艺性能四、材料的力学性能,一、材料的物理性能,二、材料的化学性能,三、材料的工艺性能,1.铸造性能2.锻造性能3.焊接性能4.切削加工性能,四、材料的力学性能,图7-1拉伸试样,四、材料的力学性能,图7-2低碳钢拉伸曲线,(1)常用强度判据主要有屈服点和抗拉强度。,四、材料的力学性能,1)屈服点和规定残余伸长应力在拉伸过程中力不增加(保持恒定)，试样仍能继续伸长时的应力称为材料的屈服点，以s表示，单位为MPa。2)抗拉强度：拉伸过程中最大力Fb所对应的应力称为抗拉强度，以b表示。(2)塑性判据断裂前材料发生不可逆永久变形的能力叫塑性。1)断后伸长率：试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比称为断后伸长率，以表示。2)断面收缩率：试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比称为断面收缩率，以表示。(3)疲劳强度许多零件如轴、齿轮、弹簧等是在交变应力作用下工作的。,四、材料的力学性能,图7-3疲劳曲线示意图,第二节金属与合金的结构及铁碳合金相图,一、纯金属的晶体结构及其结晶二、合金的结构三、铁碳合金相图,一、纯金属的晶体结构及其结晶,1.晶体结构的基本概念,图7-4简单立方晶格与晶胞示意图a)晶体中的原子排列b)晶格c)晶胞,2.常见的晶体结构(1)体心立方晶格体心立方晶格的晶胞为一正立方体，立方体的八个顶角各排列着一个原子，立方体中心有一个原子，如图7-5所示。,一、纯金属的晶体结构及其结晶,(2)面心立方晶格面心立方晶格的晶胞也是一个正立方体，立方体的八个顶角和六个面的中心各排列着一个原子，见图7-6。,图7-5体心立方晶胞示意图,一、纯金属的晶体结构及其结晶,图7-6面心立方晶胞示意图,3.实际金属的晶体结构(1)多晶体结构晶体内部的晶格位向完全一致的晶体称为单晶体。,一、纯金属的晶体结构及其结晶,图7-7金属的多晶体结构,(2)晶体内部有缺陷在实际晶体中，,一、纯金属的晶体结构及其结晶,原子的排列并不像理想晶体那样规则和完整。(3)纯金属的结晶纯金属由液态转变成固态晶体的过程称为结晶。1)过冷曲线与过冷度：纯金属的结晶过程可用冷却曲线来描述。,图7-8纯金属的冷却曲线1理想冷却曲线2实际冷却曲线,一、纯金属的晶体结构及其结晶,2)纯金属的结晶过程:纯金属的结晶过程是晶核形成和长大的过程，见图7-9。,图7-9金属结晶过程示意图,3)金属晶粒大小与控制：金属结晶后，其晶粒大小对金属材料的力学性能有很大影响：晶粒越细小，金属的强度、塑性和韧性越高。增大冷速：冷速增加，金属结晶时，过冷度增加，形核速率和长大速率增加，但过冷度较小时形核速率大于长大速率，故增大冷速，可使晶粒细化。,一、纯金属的晶体结构及其结晶,变质处理：在浇注前，可人为地向金属液中加入一定量的难熔金属或合金元素(称为变质剂)，增加非自发形核，以增加形核率，这种方法称为变质处理。变质处理在冶金和铸造生产中应用十分广泛，如钢中加入钛、钒、硼等。,二、合金的结构,1.合金的基本概念2.合金的结构,图7-10固溶体结构示意图a)置换固溶体b)间隙固溶体,二、合金的结构,(1)固溶体固溶体是指合金在固态下，组元间能相互溶解而形成的均匀相。,图7-11固溶体中晶格畸变示意图,(2)金属化合物金属化合物是合金各组元间发生相互作用而形成的具有金属特性的一种新相，其晶格类型和性能不同于合金中的任一组元元素，一般可用分子式表示。,二、合金的结构,(3)合金的结晶合金的结晶过程也遵循形核与长大的规律。,三、铁碳合金相图,1.纯铁的同素异晶转变2.铁碳合金相图的建立,图7-12Fe-FC相图,三、铁碳合金相图,3.铁碳合金的基本相和基本组织(1)铁素体仅铁中溶入一种或多种溶质元素构成的固溶体称为铁素体，用符号F表示，具有体心立方晶格。(2)奥氏体铁中溶入碳形成的固溶体称为奥氏体，用符号A表示，具有面心立方晶格。(3)渗碳体渗碳体是铁和碳形成的一种具有复杂晶格的金属化合物，用化学式Fe3C表示，其碳的质量分数为6.69，硬度很高(800HBW)，塑性和韧性几乎为零，熔点为1227。(4)珠光体当奥氏体从高温缓慢冷却到某一温度时，将发生从奥氏体中同时析出铁素体和渗碳体的层状组织，称作珠光体，用符号P来表示。,三、铁碳合金相图,(5)莱氏体铸铁在凝固过程中发生共晶转变所形成的奥氏体和渗碳体组成的复合物称作莱氏体，用符号Ld表示。4.铁碳合金相图的特性点和特性线,表7-1简化的Fe-FC相图的特性点,5.铁碳合金的分类(1)工业纯铁碳的质量分数小于0.0218的铁碳合金，组织为F。(2)钢碳的质量分数在0.0218至2.11之间的铁碳合金。(3)白口铸铁碳的质量分数为2.11到6.69的铁碳合金。,三、铁碳合金相图,6.典型铁碳合金的冷却过程及组织(1)共析钢图7-12中合金I为共析钢的成分。,图7-13共析钢的结晶及冷却过程示意图,(2)亚共析钢图7-12中合金为碳的质量分数0.45的亚共析钢。,图7-14亚共析钢结晶及冷却过程示意图,三、铁碳合金相图,(3)过共析钢图7-15中合金是碳的质量分数为1.2的过共析钢。,图7-15过共析钢结晶及冷却过程示意图,(4)共晶白口铸铁图7-12中合金是碳的质量分数4.3的共晶白口铸铁。,图7-16共晶白口铸铁结晶及冷却过程示意图,三、铁碳合金相图,图7-17碳的质量分数对钢组织和性能的影响,7.碳的质量分数对铁碳合金性能的影响,第三节钢的热处理,(1)整体热处理其特点是对工件整体进行穿透加热。(2)表面热处理其特点是对工件表面进行热处理，以改变表层组织和性能。(3)化学热处理其特点是改变工件表层化学成分、组织和性能。一、钢热处理的组织转变原理二、常用的热处理方法,(1)整体热处理其特点是对工件整体进行穿透加热。,(2)表面热处理其特点是对工件表面进行热处理，以改变表层组织和性能。,(3)化学热处理其特点是改变工件表层化学成分、组织和性能。,一、钢热处理的组织转变原理,1.钢加热时的组织转变2.钢冷却时的组织转变,表7-2冷却速度与力学性能,(1)珠光体转变(约550727)共析钢在此温度范围内等温转变成珠光体，用符号P表示。(2)贝氏体转变(约230550)在此温度范围内，转变温度较低，形成的组织统称为贝氏体，虽然都是贝氏体，但是其形态不同所以性能不同。,一、钢热处理的组织转变原理,图7-18上贝氏体显微组织,一、钢热处理的组织转变原理,图7-19下贝氏体显微组织,(3)马氏体转变(约230以下)当钢从奥氏体急冷到230以下时，,一、钢热处理的组织转变原理,奥氏体转变为马氏体，符号用M表示。,二、常用的热处理方法,1.退火(1)完全退火将钢加热到组织转变为奥氏体的临界温度以上3050保温一段时间，然后随炉冷却到500以下出炉空冷的方法。(2)球化退火将钢加热到组织转变为奥氏体的临界温度以上2030保温足够时间，随炉缓冷或用等温冷却方式冷却，将渗碳体球化的退火方式。(3)去应力退火将钢加热到500650保温后随炉缓冷至200300出炉空冷的退火方法。2.正火3.淬火4.回火,二、常用的热处理方法,(1)低温回火(150250)其目的是获得高硬度、高的耐磨性和一定韧性，回火后的硬度一般为5564HRC。(2)中温回火(350550)回火后的性能为具有较高的弹性，具有一定的韧性和硬度。(3)高温回火(500650)回火后的性能为具有强度、硬度、塑性和韧性都较好的综合力学性能。5.表面淬火6.表面化学热处理,表7-3钢的表面热处理方法与作用,二、常用的热处理方法,(1)分解由化学介质分解出能够渗入工件表面的活性原子。(2)吸收活性原子由钢的表面进入铁的晶格中形成固溶体，甚至可能形成化合物。(3)扩散渗入的活性原子由表面内部扩散，形成一定厚度的扩散层。,第四节常见的金属材料,一、铁基金属材料二、非铁基金属材料,一、铁基金属材料,1.非合金钢(1)普通碳素结构钢对生产过程中控制质量无特殊规定的一般用途的(非合金钢)碳钢。(2)优质碳素结构钢这类钢有害杂质元素磷、硫受到严格限制，非金属夹杂物含量较少，塑性和韧性较好，主要用于制作较重要的机械零件，一般均需进行热处理，故既要保证力学性能，又要保证化学成分。(3)铸钢铸钢碳的质量分数为0.150.60，碳的质量分数过高则塑性差，易产生裂纹等缺陷，主要用来制作形状复杂、难以进行锻造或切削加工成形，且要求较高强度和韧性的零件，如机油管法兰、化油器操纵杆接头等。,一、铁基金属材料,(4)易切削结构钢在碳钢的基础上，加入一种或几种合金元素，使其具有易切削性能，以适应切削加工自动化、高速化和精密化的需要。,表7-4铸钢的牌号、化学成分、力学性能及用途,2.合金钢(1)低合金结构钢低合金结构钢是在低碳钢的基础上加入少量合金元素(合金元素总量小于3)而得到的钢。,一、铁基金属材料,(2)合金结构钢在碳素结构钢的基础上加入合金元素而得到的钢为合金结构钢。1)合金渗碳钢：适用于渗碳、淬火和低温回火的热处理方式的合金结构钢为合金渗碳钢。,表7-5常用合金渗碳钢的牌号、力学性能和用途,2)合金调质钢：合金调质钢是在中碳钢的基础上加入一些合金元素，经调质处理后使用的钢。,一、铁基金属材料,表7-6常用合金调质钢的牌号、力学性能、热处理和用途,3)合金弹簧钢：适合于做弹簧的合金结构钢称为合金弹簧钢。4)滚动轴承钢：轴承钢碳的质量分数为0.951.15，加入0.41.65的Cr。,一、铁基金属材料,(3)合金工具钢合金工具钢是在碳素工具钢的基础上加入合金元素(Si、Mn、Cr、V、Mo等)制成的。(4)特殊性能钢特殊性能钢是指具有某些特殊的物理、化学、力学性能，因而能在特殊的环境、工作条件下使用的钢其牌号表示方法与合金工具钢基本相同，但若钢中碳的质量分数小于0.03或小于0.08时，牌号分别以“00”或“0”为首。3.铸铁(1)白口铸铁碳在铁中以渗碳体形式存在，断口呈亮白色，称白口铸铁。(2)灰铸铁碳在铸铁组织中以片状石墨形式存在，断口呈灰色。,一、铁基金属材料,表7-7灰口铸铁的牌号及应用,(3)可锻铸铁碳在铸铁组织中以团絮状石墨形式存在，它是由一定成分的白口铸铁经过较长的高温退火而得的铸铁。(4)球墨铸铁碳在铸铁组织中以球状石墨形式存在。(5)合金铸铁在灰铸铁或球墨铸铁中加入一定量的合金元素，可使铸铁具有某些特殊性能，如耐热、耐蚀、耐磨、高强度等，这种铸铁称为合金铸铁。,一、铁基金属材料,1)耐热铸铁：在铸铁中加入硅、铝、铬等合金元素，可在铸件表面形成一层致密的、牢固的、均匀的保护膜，如Al2O3、SiO2、Cr2O3，使铸件在7001000高温下具有抗氧化性，称为耐热铸铁。2)耐磨铸铁：在铸铁中加入少量的P、Cu、Ti、Mn、Mo等合金元素，可大大提高铸铁的耐磨性，获得耐磨铸铁。,二、非铁基金属材料,1.铝及其合金2.铜及其合金(1)黄铜以铜和锌为主组成的合金称为黄铜。(2)青铜除黄铜和白铜(铜镍合金)以外的其他铜合金称为青铜，其中含锡元素的称为锡青铜，不含锡元素的称为无锡青铜；按加工方法，分为压力加工青铜和铸造青铜。,表7-8普通黄铜的牌号、性能和用途,第五节其他常见的汽车材料,一、高分子材料二、陶瓷材料和复合材料,一、高分子材料,(一)概述1.高分子化合物的特点(1)相对分子质量巨大各种有机化合物都有其确定的相对分子质量，如甲烷的相对分子质量为16，乙醇的相对分子质量为46。(2)化学组成简单高分子化合物虽然相对分子质量巨大，但化学组成并不复杂，它往往由许多相同的简单的基本结构单元重复连接而成，其基本结构单元称为单体。(3)构成高分子化合物的每个分子不完全是一样大一般所谓高分子化合物的相对分子质量只是一个平均数，即平均相对分子质量。(4)具有长链例如一个聚异丁烯(合成橡胶)分子，平均直径为5A(10-10m)，平均长为25m，即长度是直径的约50000倍。2.高聚物的命名和分类,一、高分子材料,(1)高聚物的命名1)系统命名法。2)习惯命名法。3)商品名称、简称及缩写代号。,表7-9某些高聚物的商品名称和缩写代号,(2)高聚物的分类随着高聚物的不断开发和应用，高聚物的种类迅速增加，高聚物的分类方法已有不少。1)接受热行为分类。2)按用途分类。,一、高分子材料,(二)塑料1.塑料的组成(1)合成树脂即人工合成线型高聚物，是塑料的主要组分(约占40%100%),对塑料的性能起着决定性作用，故绝大数塑料以树脂的名称命名。(2)添加剂添加剂是为了改善塑料的使用性能或成形能力而加入的其他的辅助组分。1)填充剂。2)增塑剂。3)固化剂。4)防老化剂(稳定剂)。2.塑料的性能特点,一、高分子材料,(1)密度小、比强度高塑料的密度为0.92.2g/cm3，只有钢铁的1/81/4，铝的1/2。(2)化学稳定性好塑料能耐大气、水、酸、碱、有机溶液等的腐蚀。(3)优异的电绝缘性多数塑料有很好的电绝缘性，可与陶瓷、橡胶等绝缘材料相媲美。(4)减摩、耐磨性好塑料的硬度比金属低，但多数塑料的摩擦系数小。(5)消声吸振性好(6)成型加工性好大多数塑料都可直接采用注射或挤出工艺成型，方法简单，生产效率高。,一、高分子材料,(7)耐热性低多数塑料只能在100左右使用，少数塑料可在200左右使用；塑料在室温下受载荷后容易产生蠕变现象，载荷过大时甚至会发生蠕变断裂；易燃烧，易老化(因光、热、载荷、水、酸、碱、氧等长期作用，使塑料变硬、变脆、开裂等现象，称为老化)；导热性差，约为金属的1/5001/600；热膨胀系数大，约为金属的310倍。3.常用工程塑料(1)常用的热塑性塑料常用的热塑性塑料见表7-10。,表7-10常用的热塑性塑料的名称、性能和用途,一、高分子材料,表7-10常用的热塑性塑料的名称、性能和用途,(2)常见的热固性塑料常见的热固性塑料见表7-11。,一、高分子材料,表7-11常用热固性塑料的名称、性能和用途,4.塑料在汽车中应用举例,一、高分子材料,(1)在轿车结构件和内外装件中的应用目前许多通用塑料、工程塑料及其增强塑料，都能在不同程度上代替钢、铜、不锈钢、铝合金等材料，用作轿车的结构件或内外装件。,表7-12用作轿车结构件和内外装件的塑料品种及其应用实例,(2)在轿车软装饰件中的应用用于制造汽车软件的塑料，主要有聚氨酯泡沫塑料、聚氯苯乙烯、聚苯乙烯、ABS等，主要制作座椅缓冲垫、头枕、车门内饰板表皮、车门内饰板表皮隔离层等。,一、高分子材料,(三)橡胶1.橡胶的组成(1)生胶生胶是指未加配合剂的天然橡胶或人工合成橡胶。(2)配合剂生胶的性能不好，为改善和提高橡胶制品的各种性能而加入的物质称为配合剂。1)硫化剂。2)硫化促进剂。3)活性剂。4)软化剂。5)填充剂。6)防老剂。7)着色剂。,一、高分子材料,(3)骨架材料由于橡胶的弹性大，在外力作用下极易发生变形，因此很多橡胶制品都必须用纺织材料或金属材料做骨架材料，以增加橡胶制品的强度和抗变形能力。2.橡胶的性能(1)高弹性橡胶在较小的外力作用下，能产生很大的弹性变形(如伸长、压缩和弯曲等)，其最高伸长率可达8001000，比其他高聚物大很多。(2)吸振能力强橡胶可吸收一部分机械能，并将其转变为热能。(3)有一定的耐蚀性橡胶在一定的腐蚀介质中有一定的耐蚀性。3.常用橡胶材料(1)天然橡胶天然橡胶是橡胶工业中应用最早的橡胶，它主要取自橡胶树上采集的白色乳胶，属于通用橡胶。,一、高分子材料,(2)合成橡胶用石油、天然气、煤和农副产品为原料，通过有机合成方法制成单体，经聚合制成类似天然橡胶的高分子材料称为合成橡胶。,表7-13常用合成橡胶的名称、性能和用途,一、高分子材料,表7-13常用合成橡胶的名称、性能和用途,二、陶瓷材料和复合材料,(一)陶瓷材料1.陶瓷的性能特点1)硬度高，抗拉强度较低，但抗压强度高，陶瓷在室温下塑性几乎为零，韧性和疲劳性能较差。2)具有高的熔点和高温强度，在1000以上仍能保持其室温下的强度。3)高的抗氧化能力，在室温下及在高温下都不会发生氧化，对酸、碱、盐的腐蚀有较强的抵抗能力。4)较好的绝缘性能。2.陶瓷的分类(1)普通陶瓷(传统陶瓷)以天然的硅酸盐矿物为原料(如粘土、长石、石英等)，经成形、烧结而成的产品。,二、陶瓷材料和复合材料,(2)特种陶瓷(新型陶瓷)采用纯度较高的人工合成原料(如氧化铝、碳化硅、氮化硅等)，并采用烧结工艺制成的具有独特的力学、物理或化学性能的陶瓷，如压电陶瓷、高温陶瓷、磁性陶瓷、电光陶瓷等。3.常用工业陶瓷(1)普通陶瓷这类陶瓷质地坚硬，不氧化生锈，耐腐蚀，不导电，能耐一定的高温，成本低，加工成型性好，但强度低，耐高温性能比其他陶瓷低。(2)氧化铝陶瓷这类陶瓷以Al2O3为主要成分，它具有耐高温性能好，耐酸、碱和化学药品的腐蚀，有优良的电绝缘性，但脆性大，不耐冲击，抗热振性差。,二、陶瓷材料和复合材料,(3)碳化硅陶瓷这类陶瓷高温强度大，其抗弯强度在1400仍可保持在500600MPa，有很高的热传导能力以及良好的热稳定性、耐磨性、耐蚀性和抗蠕变性。(4)氮化硅陶瓷此类陶瓷具有良好的化学稳定性。(二)复合材料,二、陶瓷材料和复合材料,(1)复合材料的性能特点复合材料具有高的比强度和比模量(弹性模量/密度)，例如，碳纤维和环氧树脂组成的复合材料，其比强度是钢的8倍，比模量比钢大3倍；复合材料有好的抗疲劳性能，例如碳纤维和聚酯树脂的疲劳强度是其抗拉强度的7080，而大多数金属的疲劳强度只有其抗拉强度的3050；复合材料减振性能强，例如用同样尺寸和形状的梁进行振动试验，金属材料制成的梁9s才停止振