2第二章-汽车车身材料讲课用

第二章汽车车身材料及其发展,2.1车身材料的工艺要求,车身材料除了要有足够的强度、刚度以满足车身使用性能外还要满足冲压、焊装、涂装三大工艺要求。冲压要求：材料质量好，冲压性能好的钢板。焊装要求：低碳钢，容易焊接。涂装要求：材料表面平整。,1.车身材料概述,2.1车身材料的工艺要求,车身材料主要是低碳金属薄钢板，一般厚度为0.62.0mm。车身冲压钢板基本质量要求：严格的厚度尺寸公差良好的表面质量,2.材料厚度公差和表面质量,1).严格的厚度尺寸公差,板料过薄则回弹难以控制，或出现“压不实”现象；板料过厚会拉伤制件表面，缩短模具寿命，甚至损坏模具或设备。,有锈，对冲压不利，损伤模具，影响后续焊装涂装工序的正常进行及质量。,2)良好的表面质量,覆盖件外表面不应有气泡、缩孔、划痕、麻点、裂纹、结疤、分层等缺陷。因在冲压中，缺陷因应力集中而引起破裂。,(2)表面平整,板料表面翘曲不平，剪切或冲压因定位不稳而出现废品；在冲裁中会因板料变形展开而损坏模具。拉深时使压料不均而影响材料的流向而引起开裂或起皱。,(3)表面无锈,(1)表面光洁,为了合理地使用和加工金属材料，必须了解其使用性能和工艺性能。,使用性能：指各个零件或构件在正常工作时金属材料应具备的性能，它决定了金属材料的应用范围、使用的可靠性和寿命。包括力学性能、物理性能、化学性能。,工艺性能：指金属材料在冷、热加工过程中应具备的性能，它决定了金属材料的加工方法。包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能。,补充知识:金属材料的性能,2.1车身材料的工艺要求,基本概念,载荷：零件和工具在使用过程中所受的力，按作用方式不同，可分为拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转等，又可分为静载荷和动载荷。静载荷力的大小不变或变化缓慢的载荷。如静拉力、静压力等。动载荷力的大小和方向随时间而发生改变。如冲击载荷、交变载荷、循环载荷等。,2.1车身材料的工艺要求,补充知识:金属材料的性能,应力：材料在任一时刻所受的力除以横截面积之商。用“”表示。变形：金属在外力的作用下尺寸和形状的变化，“弹性变形”和“塑性变形”弹性变形去除外力后，物体能完全恢复原状的变形。塑性变形当外力取消后，物体的变形不能完全恢复，而产生的永久变形。力学性能：是指在力的作用下所显示的与弹性和非弹性反应相关或涉及应力应变关系的性能，通俗地讲是指材料抵抗外力引起的变形和破坏的能力。,基本概念,补充知识:金属材料的性能,强度：材料在力的作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。分为抗拉、抗压、抗弯、抗剪强度等塑性：塑性是金属在外力作用下能稳定地改变自己的形状和尺寸，而各质点间的联系不被破坏的性能硬度：材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力称为硬度韧性：韧性是指金属在冲断前吸收变形能量的能力，即抵抗冲击破坏的能力,基本概念,补充知识:金属材料的性能,金属材料的刚度、强度、弹性、塑性是通过拉伸实验来测定的，标准试样如图所示，把试样安装在拉伸试验机上，并对试样施加一个缓慢增加的轴向拉力，试样产生变形，直至断裂。,力学性能（机械性能）：金属材料具有的抵抗一定外力作用而不被破坏的性能。金属材料的力学性能主要有：刚度、强度、弹性、塑性、硬度、冲击韧度、断裂韧度和疲劳强度等。,金属材料的力学性能,圆形拉伸试样,补充知识:金属材料的性能,拉伸曲线,弹性阶段：OA荷载与伸长成比例，完全符合虎克定律；Np为比例极限荷载，相应的应力为比例极限；Ne为弹性极限荷载，相应的应力为弹性极限。,屈服阶段：荷载与变形不成正比，变形增加很快，曲线呈锯齿状，甚至荷载不增加，变形仍然继续发展，这就成为刚才的屈服。,断裂阶段,补充知识:金属材料的性能,强度,拉伸曲线oe段是直线，金属材料处在弹性变形阶段，应力与应变成正比例关系，服从虎克定律，其比值称弹性模量，是衡量材料抵抗弹性变形能力的指标。,弹性极限：金属材料产生完全弹性变形时所能承受的最大应力值，单位MPa。即,补充知识:金属材料的性能,屈服极限s：开始产生屈服现象时的应力称为屈服点，其含义指在外力作用下开始产生明显塑性变形的最小应力，也即材料抵抗微量塑性变形的能力。,条件屈服极限：有些塑性较低的材料没有明显的屈服点，难于确定产生塑性变形的最小应力。规定当试样产生0.2%的塑性变形时所对应的应力0.2作为材料开始产生明显塑性变形时的屈服强度，称为条件屈服极限。,强度,补充知识:金属材料的性能,抗拉强度b:当负荷继续增加超过s点后，变形量随着负荷的增加而急剧增加，当负荷超过b点，变形集中在试样的某一部位上，试样在该部位出现缩颈现象，拉伸变形集中在缩颈处。继续施加负荷，试样在k点断裂。材料断裂前所承受的最大应力，即为抗拉强度（强度极限）。,强度,钢材的屈服强度与抗拉强度的比值，称为屈强比。屈强比越小，结构零件的可靠性越高,补充知识:金属材料的性能,指金属材料在静载荷作用时，在断裂前产生塑性变形的能力，反映材料塑性的力学性能指标有延伸率和断面收缩率。,延伸率：指试样拉断后其标距长度的相对伸长值。即,断面收缩率：指试样拉断后缩颈处横截面积的最大相对收缩值。,塑性,补充知识:金属材料的性能,钢材的含碳量对机械性能的影响,其它成分含量对强度的影响,温度：温度升高塑性提高,补充知识:金属材料的性能,硬度,硬度指金属材料抵抗外物压入其表面的能力，也是衡量金属材料软硬程度的一种力学性能指标。工程上常用的有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。,补充知识:金属材料的性能,疲劳强度,交变应力（周期性应力）。应力的大小、方向周期性变化。有对称周期性应力和非对称周期性应力。,疲劳。构件在低于屈服强度的交变应力作用下，经过较长时间工作而发生突然断裂，无明显的塑性变形的现象。,疲劳现象：在循环力或交变力作用下工作的，尽管这种应力远小于材料的屈服点，但经一定循环次数后断裂的现象,疲劳断裂原因：由于零件中存在疲劳源（如裂纹、夹杂、刀痕等缺陷），在循环力或交变力作用下疲劳源处产生疲劳裂纹，并不断扩展，导致零件即发生突然断裂。,补充知识:金属材料的性能,冲击韧度,金属材料抵抗冲击负荷的能力，可用摆锤冲击试验机来测定金属材料的冲击值。冲击韧度值可用下式计算。,单位截面积材料断裂吸收的功。,补充知识:金属材料的性能,冲击韧度,补充知识:金属材料的性能,金属冷变形规律,补充知识:金属材料的性能,金属冷变形规律,补充知识:金属材料的性能,金属冷变形规律,补充知识:金属材料的性能,2.1.3材料冲压工艺对板料力学性能的要求,1.屈服极限,屈服极限材料易屈服，变形抗力，产生相同变形所需变形力。压缩不起皱。弯曲变形回弹即贴模性和定形性好。,拉伸曲线,2.屈强比,容易产生塑性变形而不易破裂,而传力区的材料有较高强度而不易拉裂。,2.1.3材料冲压工艺对板料力学性能的要求,3.厚向异性系数R,R愈大，在拉深过程中越不容易产生变薄和发生破裂，拉深成形性能越好.,R1时，宽度方向的变形比厚度方向的变形容易.,2.1.3材料冲压工艺对板料力学性能的要求,4.延伸率,拉深力大于或等于屈服极限而小于或等于强度极限。,对于冲压成形性能有更直接、实际的意义。,越高，板料的冲压成形性能愈好。,2.1.3材料冲压工艺对板料力学性能的要求,2.1.4材料化学成分和金相组织的要求,碳量不超过0.05%-0.15%的低碳钢板具有良好的塑性。含硅量在0.37%以下的钢，硅对塑性影响不大,但超过这一值,即使含碳量低也会使钢板变得又硬又脆。,1.化学成分,2.1.4材料化学成分和金相组织的要求,晶粒大小不均最引起裂纹。粗大的晶粒在冲压成形时，会在制件表面留下粗糙的“桔皮”，影响制件表面质量。过小的晶粒会使钢板的塑性降低。,2.金相组织,2.2车身用钢材种类,1.按钢的品质分类常用：普通碳素钢、优质碳素钢以及汽车专用的具有较高冲压性能的低合金高强度钢板。,优质碳素结构钢板牌号：沸腾钢-05F、08F、10F、15F、20F；半镇静钢-08b;镇静钢08、10、15、20、30等。汽车专用钢板：08Al(车身），09Mn、16Mn、06Ti、10Ti等用来制造汽车的受力零件，例如车架。,2.按钢板的拉深级别分类,表2-2冷轧钢板的拉深级别代号,表2-1热轧钢板的拉深级别代号,3.按钢板的表面质量分类,表2-3钢板的表面质量分类,4.按钢板轧制尺寸精度（厚度公差）分类,钢板的尺寸精度或厚度公差为：A-高级精度；B-较高级精度C-一般精度深冲压用冷轧钢板分A、B两级；优质钢板分A、B、C三级，普通钢板分为B、C两级。,钢板标注示例：,较高级精度,沸腾钢,高级精整表面,最拉深级,2.3车身材料发展趋势,2.3.1车身用薄钢板发展趋势,1.力学性能及工艺性能,2.镀层钢板,屈服强度(124-140)MPa钢板的废品率为0.3%，屈服强度(130-165)MPa钢板的废品率为5%，,双面镀锌板白车身，使用寿命可达12年。,屈服强度要低。,3.拼焊钢板,外表部位用涂镀层钢板，耐蚀性。承力、易磨损部位用较厚高强度钢板。如：车门内板、车身底板、侧面横档、档风玻璃窗框、中立柱等。,拼焊钢板，生产工艺简单、降低了模具和焊装夹具制造成本，改善了零件性能的稳定性。,轮罩,纵梁,立柱,4.表面质量,表面粗糙度,时涂漆效果较好,冲压过程中，材料表面缺陷因应力集中而引起破裂。表面质量差会增加焊接电阻影响电焊质量。,钢板表面粗糙度和清洁度影响锌层附着力。,机器人点焊，板厚误差增加焊接电阻导致虚焊，影响质量。要求对宽1.5米长3000米的厚0.8毫米钢板，厚度公差不能超出20微米。,5.化学成分,先进工艺，钢板的化学成分稳定性，有害元素含量明显。钢厂可根据零件的用途、形状的复杂程度来调整同钢的化学成分。,含碳量：0.05%-0.15%，含硅量：在0.37%以下，钢板具有良好的塑性。,2.3.2车身用非金属有色金属材料比例增加,1.车身塑料化、复合材料化,提高汽车造型的美观度与设计的灵活性，降低汽车的能耗。塑料有抗腐蚀、耐磨、隔热、消声、减振等优点。由内外装饰件向车身覆盖件和结构件方面发展。近来塑料在轿车上的使用量约占车身重的10-30%。,保险杠采用复合材料。蓝鸟轿车车门下部采用塑料贴片，保险杠实现了整车周边化。,图4-7宝马M3轿车的前翼子板为塑料减量1.5kg,2.铝、镁合金材料使用比例增加,每使用lkg的铝，可降低汽车重量2.25kg,汽车每减轻1kg重量，1L汽油汽车多行驶1.1m。,用泡沫铝材制造汽车零件的质量，只有原钢件质量的1/2，而刚度却为钢件的10倍。其保温绝热性能比铝高95%;对频率大于800Hz的噪声有很强的消声能力。实验表明，两辆各质量为2000kg，速度为20km/h轿车相碰撞，只需3块15cm*15cm*l0cm的泡沫铝材就能将碰撞能量吸收掉。,2.2车身用钢材种类,汽车车身常用金属材料,汽车车身零件一般由钢板冲压而成，根据强度和刚度需要设计成不同形状的断面。,大量采用加强筋或加强件。,不同的部位采用不同厚度的钢板。,高强度钢板,高强度钢板是在低碳钢内加入适当的微量元素，经各种处理轧制而成，其抗拉强度高达550N/mm2，是普通低碳钢板的23倍，深拉延性能极好，可轧制成很薄的钢板，是车身轻量化的重要材料。IF（高强度无间隙原子）钢板：晶格无间隙，铁素体的中间晶格内无碳原子和氮原子，碳和氮的含量极低。成型能力高，可焊性好。主要用于轿车外板、车门等形状复杂的冲压件。,高强度钢板,高强度钢板,烘烤硬化冷轧（BH）钢板：经过冲压、拉延变形及烤漆高温时效处理，屈服强度得以提高。这种简称为BH钢板的烘烤硬化钢板既薄又有足够的强度，是车身外板轻量化设计首选材料之一；冷轧双相（DP）钢板：具有屈服、屈强比低和加工硬化高、兼备高强度及高塑性的特点，如经烤漆后其强度可进一步提高。适用于形状复杂且要求强度高的车身零件。主要用于要求拉伸性能好的承力零部件，如车门加强板、保险杠等；高张力钢：具有550以上的屈服强度和620以上的抗拉强度，具有优异的韧性、高速延性断裂停止特性及焊接性。,高强度钢板,相变诱导塑性（TRIP）钢：通过热轧变形热处理或冷轧+热处理，具有高的屈服强度和抗拉强度，延展性强，冲压成形能力高。特别适用于一些形状复杂而强度要求高的冲压零件。轻量化迭层钢板：在两层超薄钢板之间压入塑料的复合材料，表层钢板厚度为0.20.3mm，塑料层的厚度占总厚度的2565。与具有同样刚度的单层钢板相比，质量只有57。隔热防振性能良好，主要用于发动机罩、行李箱盖、车身底板等部件。,车身新材料,铝合金：与汽车钢板相比，铝合金具有密度小（2.7g/cm3）、比强度高、耐锈蚀、热稳定性好、易成形、可回收再生等优点，技术成熟。德国大众公司的新型奥迪A2型轿车，由于采用了全铝车身骨架和外板结构，使其总质量减少了135kg，比传统钢材料车身减轻了43，使平均油耗降至每百公里3升的水平。全新奥迪A8通过使用性能更好的大型铝铸件和液压成型部件，车身零件数量从50个减至29个，车身框架完全闭合。这种结构不仅使车身的扭转刚度提高了60%，还比同类车型的钢制车身车重减少50%。,汽车耐磨胶,CitroenC-MetisseConcept2006炭纤维车架,Mercedes-BenzSLRMcLaren2004炭纤维车架,防腐蚀钢板,防腐蚀钢板,汽车车身常用非金属材料,塑料材料：聚丙烯（PP）、聚氨酯（PUR）、聚氯乙烯（PVC）、热固性复合材料、ABS、尼龙（PA）、聚乙烯、聚酯（PET）等；,玻璃材料：钢化玻璃、夹层玻璃、除霜玻璃、反光玻璃、智能玻璃、新型玻璃等；,橡胶材料：天然橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶、乳聚丁苯橡胶、丁基橡胶、脂橡胶、三元乙丙橡胶、氢化丁晴橡胶、耐油性硅橡胶、氟橡胶等；,胶粘剂：车身用胶、内饰用胶、发动机用胶、底盘部件用胶和汽车制造中工艺用胶等；,塑料材料,热塑性塑料：指具有加热软化、冷却硬化特性的塑料。日常生活中使用的大部分塑料属于这个范畴。加热时变软以至流动，冷却变硬，这种过程是可逆的，可以反复进行。热塑性塑料中树脂分子链都是线型或带支链的结构，分子链之间无化学键产生，加热时软化流动冷却变硬的过程是物理变化。,热固性塑料：第一次加热时可以软化流动，加热到一定温度，产生化学反应一交链固化而变硬，这种变化是不可逆的，此后，再次加热时，已不能再变软流动了。正是借助这种特性进行成型加工，利用第一次加热时的塑化流动，在压力下充满型腔，进而固化成为确定形状和尺寸的制品。,热塑性塑料,热固性塑料,酚醛树脂也叫电木，由苯酚与甲醛缩聚而得。酚醛树脂最重要的特征就是耐高温性，即使在非常高的温度下，也能保持其结构的整体性和尺寸的稳定性。,汽车车身塑料件,钢化玻璃：钢化玻璃是将玻璃加热到接近软化温度时进行骤冷淬火而成的玻璃制品。由于钢化玻璃的表面压应力与内部张应力达到一致或基本平衡，所以钢化玻璃具有较强的抗冲击性和较好的热稳定性。区域钢化玻璃：当它破裂时，会形成特殊形状和大小的碎片，可为驾驶员提供一定的能见度和额外的安全,车用玻璃,夹层玻璃：两层或两层以上的玻璃经过胶合而成的加工型玻璃。,电热玻璃：可以通电加热的玻璃，也就是把电加热元件烧结到玻璃上或采用特殊工艺结合到玻璃上的一种安全玻璃，通电后能起到除雾、除霜的作用。,天线玻璃：在玻璃夹层中装入很细的康铜丝代替拉杆天线，通过天线可收听广播，接收电视信号，拨打电话，上网。,车用玻璃,遮阳玻璃：在前挡风玻璃夹层涂一层彩色膜片，由深而浅，在一定程度上起遮挡阳光的作用，通常称这种玻璃为带遮阳条的前挡风玻璃。,雨刷玻璃：在前挡玻璃内部安装雨水感应器，淋雨时，通过控制单元自动开启雨刷器，并根据雨量的大小变化，随时改变雨刷速度。,隔热玻璃：在夹层玻璃间夹有特殊薄膜，它可以让太阳的可见光透人，而紫外线和红外线被阻隔和吸收，从而降低车内的温度，达到节能环保效果。,车用玻璃,屏显玻璃：利用在前挡风玻璃视区部分镀膜后，将仪表显示的行驶信息（速度、里程、油耗等）通过一套光学系统反射在正前方的挡风玻璃上，从而方便驾驶员了解车辆行驶信怠。,憎水玻璃：在普通玻璃上涂一层硅有机化合物薄膜（憎水膜），憎水玻璃可以控制水滴在玻璃上的接触角使雨水快速分散，改善司机在雨天的能见度。,防尘玻璃：车用防尘玻璃具有电离尘埃的功能，不论是地面尘土飞扬，还是空中飞沙走石，车窗玻璃始终可保持一尘不染，它也是越野爬山车的专用玻璃。,车用玻璃,太阳能反射膜玻璃：一种电子控制的玻璃，夏天它能滤去紫外线，只有阳光中的可见光能够透人车内，以保持车内空气凉爽，冬天它能将太阳能充分利用，使车内温度士曾加。,憎水玻璃：在普通玻璃上涂一层硅有机化合物薄膜（憎水膜），憎水玻璃可以控制水滴在玻璃上的接触角使雨水快速分散，改善司机在雨天的能见度。,防尘玻璃：车用防尘玻璃具有电离尘埃的功能，不论是地面尘土飞扬，还是空中飞沙走石，车窗玻璃始终可保持一尘不染，它也是越野爬山车的专用玻璃。,车用玻璃,太阳能反射膜玻璃：一种电子控制的玻璃，夏天它能滤去紫外线，只有阳光中的可见光能够透人车内，以保持车内空气凉爽，冬天它能将太阳能充分利用，使车内温度士曾加。,粘接：基于这种玻璃的类型，可以利用聚氨酯密封胶将玻璃直接固定到车身上。为改善车身和玻璃之间的粘结效果，同时提高车窗开口部位的刚性与密封性，需在粘结部位上涂以玻璃用底层和车身底涂层，这种玻璃安装方式具有安全方面的优点，当玻璃在受到冲击时，不易偏离原位，它的另一个优点是，其反射表面效应可以减少风噪声。前车窗、后车窗