车身材料第一节课讲义

中北大学,车辆工程教研室,汽车车身材料的分类,金属：汽车工业中应用最广泛的材料，其中钢铁的用量最大。一般金属具的优良的工艺性能和力学性能；非金属材料：主要是合成高分子材料，塑料、橡胶、玻璃等，具有较好强度、耐高温、耐腐蚀、绝缘的特点，主要保险杠、挡泥板、倒车镜、门窗和车内饰等元件；复合材料：指由两种或两种以上物理和化学性能不同的物质，一般综合了各组分材料的优良性能。80年代后期，复合材料车身外覆盖件得到大量的应用和推广，如发动机罩、翼子板、车门、车顶板、导流罩、车厢后挡板等，甚至出现了全复合材料的卡车驾驶室和轿车车身。,工程材料的使用：,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。,金属材料的性能,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。,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。,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,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,退火低碳钢拉伸曲线,铸铁拉伸曲线,拉伸试验,拉伸曲线,韧性断口,脆性断口,2020年6月7日,弹性变形阶段（op、pe段）屈服阶段（es段）强化阶段（sb段）缩颈阶段（bk段）,退火低碳钢拉伸曲线,拉伸试验,低碳钢拉伸过程中的变形阶段,2020年6月7日,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。,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）。,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,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。,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。,试验原理：将直径为D的硬质合金球作为压头，以规定的试验载荷F压入被测金属表面，保持规定时间后卸除载荷，此时在被测金属表面上会留下直径为d的球形压痕。计算压痕单位面积上所受的平均压力，即为该金属布氏硬度值。用符号HBW表示。HBW=,读数显微镜,表示方法：120HBS/10/3000/30500HBW5/750,布氏硬度计,1.布氏硬度,2020年6月7日,试验原理：用顶角为120的金刚石圆锥体或直径为1.588的淬火钢球作为压头，先施加初始载荷F0，压入金属表面的深度为h1（图中11），然后施加主载荷F1，在总载荷F的作用下，压入金属表面的深度为h2（压头到22），待表头指针稳定后，卸除主载荷，由于金属弹性变形的恢复而使压头回升至h3（压头到33），压头实际压入金属的深度为h=h3-h1，以压痕深度h值的大小衡量被测金属的硬度。可用符号：HRA、HRB、HRC表示。,洛氏硬度计,2.洛氏硬度,洛氏硬度试验原理示意图,2020年6月7日,根据压头和主载荷的不同，分别用,2.洛氏硬度,2020年6月7日,3.维氏硬度,维氏硬度试验原理示意图,试验原理与布氏硬度相似，其值也用单位面积所受载荷表示区别：压头两相对面夹角为136的金刚石四棱锥。压痕四边形。测量对角线长度，取其平均值。最后查表即可求出HV值。,2020年6月7日,表示方法：640HV30/20表示在30kgf试验力作用下，保持20s测得的维氏硬度值为640。,一、金属材料的主要性能,1.金属材料的机械性能,（4）韧性是指金属材料在冲击力(动力载荷)的作用下而不破坏的能力。金属的韧性通常随加载速度的提高、温度的降低、应力集中程度的加剧而减少。韧性高的材料在断裂前要发生明显的塑性变形，由可见的塑性变形至断裂经过了一段较长的时间，能引起注意，一般不会造成严重事故；韧性低的材料，脆性大，材料断裂前没有明显的征兆，因而危险性极大。评定材料韧性的力学性能指标是冲击韧度和断裂韧度。,韧性：金属材料抵抗冲击载荷作用而不被破坏的能力。,韧性,夏比冲击试验原理示意图,冲击试验计,夏比冲击试验,冲击吸收功：AK=mg（h1-h2）,2020年6月7日,车身材料,设计原则：1）结构和强度要求；2）工艺可行性；3）重量轻；,加工硬化指数（n）n即为硬化指数，表示在塑性变形中材的硬化程度。n大时，说明在变形中材料加工硬化高，真实应力增加大。,工程应变/n,胀形试验LDH(H/D),弯曲性能,最小R/t,翻边性能,2.金属材料的工艺性能,（1）铸造性,（2）切削加工性,一、金属材料的主要性能,（3）焊接性,（4）可锻性,（5）冲压性,（6）热处理工艺性,二、车身用金属材料种类,1.热轧钢板和冷轧钢板,车身结构中有两种类型的钢板：热轧钢板和冷轧钢板。（1）热轧钢板是在800以上的高温下轧制的，它的厚度一般在1.68mm之间，用于制造汽车上要求强度高的零部件，例如车身、横梁、纵梁、车身内部钢板、底盘零件等。,二、车身用金属材料种类,1.热轧钢板和冷轧钢板,（2）冷轧钢板是由热轧钢板经过酸洗后冷轧变薄，并经过退火处理后得到的（因为滚轧的关系，内部结构变硬，要实施退火处理使它软化）。由于冷轧钢板是在较低的温度下轧制的，它的厚度精度高，一般厚度为0.41.4mm。冷轧钢板的表面质量好，具有良好的可压缩性和焊接性能。大多数整体式车身都采用冷轧钢板制成。在悬架周围、车身底部容易腐蚀的地方，采用经过表面处理的冷轧钢板作为防锈钢板。,二、车身用金属材料种类,2.低碳钢,在2000年前的车身修理中遇到的钢板大多数是低碳钢制成的。低碳钢的含碳量低，比较软，便于加工，可以很安全地进行焊接、热收缩和冷加工等操作，它的强度不会受到严重影响。由于低碳钢容易变形，所以要用较厚的板件才能达到足够的强度，导致汽车质量增加。为了达到环保和节能的要求，汽车车身的质量既要轻又要有足够强度，因此在整体式车身上越来越少采用低碳钢。但车身的外覆盖件从修理的角度考虑一般还会采用低碳钢来制造。,二、车身用金属材料种类,3.高强度钢,高强度钢泛指强度高于低碳钢的各种类型的钢材，一般强度在200Nmm2以上。新设计的整体式车身通常比车架式车身小，车身的前部要求能够承受比过去大得多的载荷，并能够更好地吸收碰撞能量，高强度钢正好可以解决这两方面的问题。,整体式车身对构件的要求有以下几点要有足够的强度。例如挡泥板，它不仅具有挡泥的作用，同时还要能够承受悬架的一部分载荷，并支撑横向安装的发动机、蓄电池、点火装置和减振器。要求质量轻，以减少燃料消耗。要有很好的塑性。高强度钢可以设计成抗弯截面，能吸收碰撞能量并减少传递到乘坐室内的损害。,二、车身用金属材料种类,3.高强度钢,（1）高强度、低合金钢高强度、低合金钢（HSLA）又称回磷钢，通过在低碳钢中加人磷来提高钢的强度。它有和低碳钢相类似的加工特性，为汽车的外部面板和车身提供了更高的抗拉强度。例如前后纵梁、门槛板、保险杠面板、保险杠加强筋和车门立柱等。由于它的强度主要取决于添加的化学元素，但对高强度钢材高温加热后，原用于提高强度的化学元素被损失掉，导致强度降低。,二、车身用金属材料种类,3.高强度钢,（1）高强度、低合金钢为了避免汽车结构性能明显降低，所以在修理时对高强度钢一定要按生产厂规定的温度加热。根据经验，加热温度不可超过370480，同时加热时间不可超过3min。因此对高强度、低合金钢进行焊接时，要采用气体保护焊或电阻点焊，不允许采用氧乙炔和电弧焊焊接。,二、车身用金属材料种类,3.高强度钢,（2）高抗拉强度钢。高抗拉强度钢（HSS）又称SiMn固溶体淬火钢。这种钢增加了硅、锰和碳的含量使抗拉强度提高。一般用这种钢来制造与悬架装置有关的构件和车身等。沉淀淬硬钢是另一种高抗拉强度钢，它通过形成碳氮化铌沉淀物来提高钢材的强度。这是20世纪70年代初期发展起来的一种高抗拉强度钢，具有优异的加工性能。这种钢主要用于门边护板、保险杠加强筋等。,二、车身用金属材料种类,3.高强度钢,（3）超高强度钢在现代车身上应用的超高强度钢（UHSS）主要有：高塑性钢、双相钢、多相钢、硼钢和铁素体-贝氏体钢等。超高强度钢的获得主要有两种方式：对普通碳钢进行热处理后，它的抗拉强度几乎可达到原钢材的10倍。这种钢有以下三种。单相钢，这种钢只有一相显微组织，如马氏体，马氏体钢是最著名的超高强度钢。,二、车身用金属材料种类,3.高强度钢,（3）超高强度钢双相钢，是将钢材在一个连续的热处理传送带或带钢热轧机上淬火而得到的。这种钢具有两相显微组织（淬硬的马氏体结构和铁素体结构），双相钢的可成形性好，其抗拉强度大于800MPa。这种钢材主要应用于前纵梁吸能区的部件。多相钢，这种钢具有多相的显微组织（铁素体、马氏体、贝氏体和奥氏体结构），它具有很高的强度。汽车上所有的车门、车顶纵梁和一些保险杠加强筋都是由各种超高强度钢制成的。,二、车身用金属材料种类,3.高强度钢,淬火处理用来增加硬度（脆性）。淬火处理是将含碳量为0.4的钢材加热至850后，急速冷却的一种热处理过程。淬火虽然增加硬度，但同时也增加脆性。火处理用来增加韧性。回火处理是将淬火处理过的材料，再次加热到200，然后冷却的一种热处理过程。回火处理可使材料的内部组织稳定，以增加韧性。处理用来增加柔软性。退火处理是材料加热后，慢慢冷却的一种热处理过程。加热的温度根据需求而有所不同。,三、特殊金属板在车身中的应用,1.防锈钢板,镀锌钢板的种类有以下几种。（1）电镀锌钢板。表面均匀，涂装性、焊接性好，但是镀层薄，防锈性差。（2）熔解镀锌钢板。镀层厚、防锈性好，不过焊接性和涂装性差。（3）镍锌合金电镀钢板。通过电镀锌和镍的合金，力求达到涂装性、加工性和防锈性集为一体的效果。（4）合金化熔解镀锌钢板。将熔解镀锌钢板加热到450600，对镀层膜进行与铁的合金化处理。这样处理后，有利于焊接、涂装、防锈。,铝合金车身,三、特殊金属板在车身中的应用,4.铝合金,车身中的铝合金，依照它们在车身中应用的要求，可分为铸造件、冲压件、压铸件。车身板件大部分使用压铸件。压铸件用来制造能够承受大载荷的部件，明显减轻质量但同时还具有高的强度。这些板件具有复杂的几何形状，通常是用真空压铸的方式生产，使它具有高强度。它还具有高的延展性，良好的焊接性能，较高的塑性，保证它在碰撞时有很高的安全性。这些压铸件的铝合金类型是铝硅、铅镁系列铝合金，合金中主要