汽车机械基础第三版课件：项目二 汽车工程材料

1、项目二 汽车工程材料学习任务一 低碳钢拉伸应力-应变曲线 学习任务二 铁碳合金相图 学习任务三 汽车典型零件选材及热处理 学习任务四 有色金属及非金属材料在汽车上的应用 学习任务一 绘制低碳钢拉伸应力-应变曲线 任务描述： 低碳钢拉伸试验可以非常形象地描述材料的力学性能，在了解了拉伸试验过程后可以个人或分组进行绘制低碳钢拉伸时应力-应变曲线图。那么，低碳钢拉伸试验过程是怎样的？其应力-应变曲线是如何绘制的呢？学习目标：了解金属材料的分类掌握金属材料的性能熟悉拉伸试验的过程具有绘制低碳钢拉伸时应力-应变曲线的能力一、金属材料的分类黑色金属：钢铁材料有色金属：是指除钢铁材料以外的其他所有金属材料，

2、如铜、铝、镁、钛、锡及其合金。 二、金属材料的力学性能在这些外力作用下，金属材料所表现出的一系列特性和抵抗破坏的能力，称为金属材料的力学性能。包括强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度等指标。1.强度强度是指金属材料在外力作用下，所表现出的抵抗永久变形和断裂的能力。根据外力作用的形式不同，强度可分为抗拉强度、抗压强度、抗扭强度、抗剪强度和抗弯强度等。其大小用材料在破坏前所承受的最大应力来衡量，常用的指标有屈服强度和抗拉强度。拉伸试验方法将一截面为圆形的低碳钢拉伸试样，如图2-1-1所示，装夹在拉伸实验机的夹头上，缓慢加载，随着外力(负荷)的不断增加，试样会产生拉伸变形，长度不断增加，直至试样拉断

3、。拉伸试验过程oe弹性变形阶段es屈服阶段，s点为屈服点。sd明显塑性变形阶段db强化阶段bk缩颈阶段k点试样发生断裂。弹性极限e 金属材料保持弹性变形的最大应力屈服极限(屈服强度)s 金属材料产生屈服现象时的最小应力，即材料开始发生明显塑性变形的最小应力 强度极限(抗拉强度) b 金属材料断裂前能够承受的最大应力 2塑性 金属材料在外力作用下，产生永久变形而不断裂的能力称为塑性 。常用的指标有延伸率和断面收缩率 （1）延伸率：是试样被拉断后，试样标距的伸长量与原始标距的百分比，即试样拉断后的标距长度（mm）；试样原始标距长度（mm）。 （2）断面收缩率：试样被拉断后，其断面横截面积的最大收缩

4、量与试样原始横截面积的百分比，即 （2-5）S0试样原始的横截面积（mm2）； Sl试样拉断后断面的最小横截面积（mm2）。金属材料的，越高，塑性越好 3硬度材料抵抗局部塑性变形、压痕或划痕的能力，即材料抵抗比它更硬的物质压入其表面的能力 。通常采用的硬度试验方法有以下两种：（1）布氏硬度HB（2）洛氏硬度HR （1）布氏硬度HB布氏硬度试验方法是以直径为D的淬火钢球（或硬质合金球）作压头，在一定负荷F的作用下，压入被测材料表面，并保持一定的时间，然后卸除负荷，材料表面上出现一个压坑(压痕)。压痕越小，硬度值越大，材料越硬；反之，材料越软。 淬火钢球作压头测得的硬度值用符号HBS表示，硬质合金

5、作压头测得的硬度值用符号HBW表示。符号HBS和HBW之前用数字标注硬度值，符号后面依次用数字注明压头直径(mm)、试验力(kgf)及试验力保持时间(s)(1015s不标注)。500HBW5750，表示用直径5mm硬质合金球在750kgf（7350N）试验力作用下保持1015s，测得的布氏硬度值为500。优点是数据准确、稳定、数据重复性强。缺点是压痕较大、易损伤零件表面，不能测量太薄、太硬的试样硬度。（2）洛氏硬度HR用顶角为120的金刚石圆锥或直径为1.588mm的淬火钢球作压头，在一定负荷(初负荷F1)的作用下压入被测材料表面，其目的是为了消除表面不同状态对试验结果的影响，此时压头处于图中

6、位置1；然后再施加一定负荷(主负荷F2)，总负荷为FF1十F2，此时压头处于图中位置2；保持一定时间后，卸除主负荷F2，仍保持初负荷F1，此时由于弹性变形的恢复使压头略有上升，压头处于图中位置3。压头在主负荷作用下压入材料的深度(见图中h)，称压痕深度。金属越硬，h越小。 4冲击韧性材料抵抗冲击载荷作用而不被破坏的能力，称为冲击韧性(简称韧性)。材料韧性的好坏，可通过冲击韧度来衡量。5疲劳强度交变负荷：一种大小、方向随时间发生周期性变化的负荷。零件在交变负荷作用下，发生断裂时的应力远低于该材料的强度极限，甚至低于屈服极限，这种现象称为金属的疲劳，由此引起的断裂称为疲劳断裂。材料在无数次重复的交

7、变负荷作用下不破坏的最大应力，称为疲劳强度，用-1来表示。 学习任务二 铁碳合金相图任务描述：钢和铸铁都是以铁和碳为主要元素组成的合金，统称为铁碳合金。不同成分的铁碳合金在不同温度下具有不同的组织，铁碳合金相图是通过试验建立的，研究铁碳合金的成分、温度和组织三者之间关系的图形，它是掌握铁碳合金性能的依据，那铁碳合金相图是如何绘制的呢？学习目标：了解金属及合金的构造熟悉铁碳合金的基本组织具有绘制铁碳合金相图的能力一、金属及合金的构造与结晶 1金属晶体结构的基本知识（1）晶体和非晶体晶体内部的原子是按一定的几何规律做周期性排列的，如盐、冰、所有固态金属及其合金都属于晶体物质；非晶体内部的原子是杂乱

8、无序、无规律的堆积在一起，如普通玻璃、松香、沥青、塑料等。晶体有一定的熔点，其性能随组织结构的改变而改变；非晶体没有一定的熔点，其性能在各个方向上是相同的。（2）晶格和晶胞 用一些直线将各原子的中心连接起来，就得到一个立体的几何格架，称为晶格。晶格中一个能完全反映晶格特征的最小几何单元称为晶胞。 （3）金属中常见的晶格类型体心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格（4）晶体缺陷实际应用的金属材料，其晶粒内原子的排列也只是大体上一致，其中不一致的原子排列称为晶体缺陷。 点缺陷 ：晶格空位、间隙原子 线缺陷 ：刃型位错、螺型位错 面缺陷：晶界、亚晶界 2金属的结晶金属由液态转变为固态(晶体)的过程，称为

9、结晶。（1）纯金属的结晶及过冷现象纯金属结晶的基本过程及其产物结晶的基本过程是一个晶核不断形成和长大的过程。结晶的产物一般是由许多外形不规则的小晶体(晶粒)构成。晶粒之间由于成长的方位或结构不同而形成的分界面，称为晶界。过冷现象 金属在一平衡温度下，液态金属与其固态晶体处于平衡状态，只有冷却到低于该平衡温度才能有效结晶。金属结晶时的这种现象称为过冷 。冷却速度越快，过冷度越大，实际结晶温度越低。（2）晶粒大小及控制途径 增加冷却速度变质处理。附加振动。降低浇注速度 （3）金属的同素异晶转变 这种金属在固态下，晶格结构随温度发生变化的现象，称为金属的同素异晶转变。 3合金的基本相结构合金合金是指

10、将两种或两种以上金属或金属与非金属熔合在一起，获得具有金属特性的一类物质。 组元组元是组成合金最基本的、能独立存在的物质。 合金系合金系是指组元一定而成分比例不同的一系列合金。 相相是指合金中成分相同、结构相同，并与其他部分有明显界面分开的均匀组成部分。 (2)合金的相结构固溶体。合金两组元在液态下相互溶解、结晶时，其中一组元保持原有晶格，另一组元则以原子的形式均匀地分布在该组元的晶格中，形成成分、性能均匀的固态合金，称为固溶体；其中能保持晶格结构的组元，称为溶剂；晶格结构消失的组元，称为溶质。 金属化合物。合金组元之间按一定比例相互作用而生成的一种新的具有金属特性的固态物质，称为金属化合物。

11、 机械混合物。由两种或两种以上的固溶体和金属化合物所构成的混合物称为机械混合物。 4合金的结晶 其结晶过程和组织与纯金属相比较有以下区别：合金结晶不在恒温下进行，而是在一定温度范围内进行。合金在结晶过程中，在不同温度范围内存在着不同数量的相，且各相成分也会发生变化。同一合金系，因成分不同，其组织也不同。即使是同一成分的合金，其组织也会随温度不同而发生变化。二、铁碳合金基本组织(1)铁素体（F）。它是碳溶于-Fe中形成的间隙固溶体，用F表示。 (2)奥氏体（A）。它是碳溶于-Fe中形成的间隙固溶体，用A表示。 (3)渗碳体（Fe3C）。它是由碳和铁形成的一种金属化合物，其分子式为Fe3C，含碳量

12、为6.69，具有硬而脆的性能特点 （4）珠光体（P）。它是铁素体和渗碳体的机械混合物，用符号P表示。平均含碳量为0.77%。 （5）莱氏体（L）。它分为高温莱氏体和低温莱氏体。1）高温莱氏体是由奥氏体和渗碳体组成的共晶体，用符号Ld表示。2）低温莱氏体是由珠光体和渗碳体组成的共晶体，用符号Ld表示。莱氏体的平均溶碳量为4.3%，由于溶碳量高，其力学性能与渗碳体相似 三、铁碳合金相图1铁碳合金相图分析铁碳合金相图如下图所示。图中横坐标表示成分(碳的质量分数c)，纵坐标表示温度，由左向右c从0增加到6.69，横坐标左端(c0)，即纯铁；右端(c6.69)，即渗碳体。因此，铁碳合金相图又称FeFe3

13、C相图。 3个单相区：a液相区L(ACD线以上)。b奥氏体区A(AESGA)。c铁素体区F(GPQG)。5个双相区：a(L+A)区(ACEA)。b(L+Fe3C)区(DCFD)。c(A+Fe3C)区(ECFKSE)。d(A+F)区(GSPG)。e(F+Fe3C)区(PSK线以下)。任务实施绘制铁碳合金相图学习任务三 汽车典型零件选材及热处理 任务描述：汽车中的每个金属零部件的选材都要满足该零件工作时的要求（包括力学、工艺等），如何能正确为汽车典型零件选材及热处理，是影响专业课学习的重要因素。学习目标：熟悉碳钢、铸铁、合金钢的牌号和特点掌握钢的热处理方法及应用具有对汽车典型零件进行选材的能力具有

14、对汽车典型零件选择合适热处理的能力 一、碳素钢、合金钢及铸铁1碳素钢碳素钢是指含碳量小于2.11%的铁碳合金。是工业上用量最多的金属材料。 1）碳素钢的分类（1)按含碳量分类低碳钢：c0.25%；中碳钢:0.25%c0.6%；高碳钢：c0.60%。(2)按质量分类主要根据有害杂质硫、磷在钢中的含量多少进行分类。普通碳素钢：s0.05%，p0.045%。优质碳素钢：s，p0.035%。高级优质碳素钢：s0.02%，p0.03%。(3)按用途分类碳素结构钢：主要适用于工程构件、桥梁、建筑构件和机器零部件等，一般为中低碳钢。碳素工具钢：主要适用于制作各种刃具、量具、模具，一般为高碳钢。2）碳素钢的牌

15、号、性能及主要用途 (1)碳素结构钢碳素结构钢碳含量较低，而硫、磷等有害杂质的含量较高，故强度不高，但塑性、韧性较好，焊接性能好，价格低廉，大多数不进行专门的热处理即可使用。通常为热轧钢板、钢带、钢棒和型钢。 碳素结构钢牌号表示方法由代表屈服点的字母“Q”、屈服点值（单位MPa)、质量等级符号（A，B，C，D）及脱氧方法符号（F为沸腾钢，B为半镇静钢，Z为镇静钢）按顺序排列组成，其中A级的硫、磷等杂质的含量最高。Q235-AF，表示屈服点为235MPa的A级沸腾钢。碳素结构钢的规定牌号有Q195，Q215，Q235，Q255，Q275五类。(2)优质碳素结构钢优质碳素结构钢含碳量为0.050.

16、9%，有害杂质含量很少，常用来制造较重要的机械零件 。优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示，这两位数字表示该钢的平均含碳量的万分数。例，45表示含碳量0.45的优质碳素结构钢，20表示含碳量0.20的优质碳素结构钢。 (3)碳素工具钢碳素工具钢用于制造刃具、量具、模具等，在使用时应经淬火加低温回火，使其具有高的硬度和耐磨性。碳素工具钢的牌号以汉字“碳”的汉语拼音字母开头“T”及后面的阿拉伯数字表示，其数字表示钢中平均含碳量的千分数。例如，T8表示平均含碳量为0.80的碳素工具钢。 2合金钢的分类、牌号及用途为了改善钢的性能，炼钢时有目的地加入一些合金元素所形成的钢称为合金钢。 合金钢按用途分为合

17、金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢三大类；按其合金元素总含量分为低合金钢（合金元素总含量5.0%）、中合金钢（合金元素总含量5.010.0%）、高合金钢（合金元素总含量10.0%）。（1）合金结构钢合金结构钢是在碳素结构钢的基础上加入一种或几种合金元素的钢，用来制造各种重要工程构件和各种重要机械零件，主要包括低合金结构钢、合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢、滚动轴承钢及其他结构钢等。除了低合金高强度结构钢和滚动轴承钢外，其他合金结构钢的编号采用“数字化学元素数字”的表示方法。前面的数字表示钢的平均含碳量，以万分之几表示。例如，平均含碳量为0.25%，用25表示。合金元素直接用化学元素符号（或汉字

18、）表示，后面的数字表示该合金元素的平均含量的百分之几。当合金元素的含量小于1.5时，编号中只标明合金元素的符号，其后的数字一般不标出；如果平均含量为1.52.49%，2.53.49%，3.5%4.49%，则相应地以2，3，4，表示。如果为高级优质钢，则在编号后面加“高”或“A”字。例如，40Cr表示：碳含量为0.4%，Cr含量1.5%，60Si2Mn表示：碳含量为0.60%,Si含量约为2%，Mn含量1.5%。滚动轴承钢滚动轴承钢主要是用来制造滚动轴承中的内外套圈、滚动体（如滚珠、滚柱、滚针等）的专用钢。含碳量高（c=0.951.10%)，属过共析钢，添加元素以铬为主（cr=0.5%1.65%

19、)，辅以硅、锰等，可以提高淬透性，使其具有极高的硬度和耐磨性、良好的接触疲劳强度和抗压强度，较高的弹性极限和一定的冲击韧度及抗蚀性等。牌号用“GCr数字”表示，其中“G”为滚字的汉语拼音字首，数字为铬含量，其他合金元素的表示与合金结构钢相同。例如，GCr15表示：C含量0.951.05%；Cr含量为1.5%的滚动轴承钢。常用滚动轴承钢牌号有GCr9，GCr15，GCr15SiMn等，广泛用于汽车、拖拉机和内燃机等各种机械的轴承。（2）合金工具钢合金工具钢按用途可分为合金刃具钢、合金量具钢和合金模具钢3类。合金工具钢牌号中，平均含碳量1.0时，不标出数字；平均含碳量1.0时，标出数字。例如，9S

20、iCr表示：平均含碳量为1.0%，Si、Cr含量1.5%的合金工具钢。（3）特殊性能钢特殊性能钢是指具有特殊物理、化学或力学性能的合金钢。在工业中使用较多的有不锈钢、耐磨钢和耐热钢。其中，内燃机的进、排气阀采用的就是耐热钢。 3铸铁的分类、牌号及用途铸铁是指含碳量大于2.11%，并含有较多硅及锰、磷、硫等杂质元素的铁碳合金。 根据碳在铸铁中存在形式和形态不同，铸铁主要分为以下几种 ：白口铸铁 、灰铸铁 、球墨铸铁、可锻铸铁 、蠕墨铸铁 （1）白口铸铁白口铸铁是指铸铁中的碳几乎全部以渗碳体的形式存在，其性能特点是硬而脆，切削加工非常困难，一般不用于制造零件。 （2）灰铸铁灰铸铁是指铸铁中碳全部或

21、大部分以片状石墨形态存在，其断口呈暗灰色，故称灰铸铁。灰口铸铁力学性能较高，切削加工性能好，生产工艺简单，价格低廉，而且具有良好的减振性、减磨性和耐磨性，因此应用最广泛。灰铸铁的牌号由灰铁两字的汉语拼音字首“HT”与一组数字表示，数字表示最小抗拉强度（MPa)。HT150表示最小抗拉强度为150MPa的灰铸铁。（3）球墨铸铁球墨铸铁是指铸铁中的碳全部或大部分以球状石墨形式存在。灰铸铁中的石墨是片状的，如果在铁水浇注之前加入球化剂，进行球化处理，则可使石墨呈球状，即球墨铸铁。牌号由球铁两字的汉语拼音字首“QT”加两组数字表示，两组数字分别表示最低抗拉强度（MPa）和最小伸长率，如QT400-18

22、表示最低抗拉强度为400MPa和最小伸长率为18的球墨铸铁。（4）可锻铸铁可锻铸铁是指铸铁中的碳全部或大部分以团絮状石墨形式存在。它是将白口铸铁件在高温下经长时间的石墨化退火后得到的，又称马铁。因团絮状石墨对基体割裂作用小，不像片状石墨有尖端会引起应力集中，韧性比灰铸铁好。因其具有一定的塑性变形的能力，故得名可锻铸铁，实际上可锻铸铁并不能锻造。可锻铸铁分为黑心可锻铸铁（又称铁素体可锻铸铁）和白口可锻铸铁（又称珠光体可锻铸铁）两种。黑心可锻铸铁和白口可锻铸铁牌号，分别用“可铁黑”和“可铁珠”3个字汉语拼音字首“KTH”和“KTZ”与两组数字表示。其两组数字分别表示抗拉强度和伸长率的最小值。例如，

23、KTH350-10表示：抗拉强度不低于350MPa，延伸率不低于10的铁素体可锻铸铁。（5）蠕墨铸铁蠕墨铸铁是具有形似蠕虫状石墨的铸铁。在灰铸铁浇注时，向铁液中加人蠕化剂（镁钛合金、稀土镁合金等）即可获得。蠕墨铸铁的牌号用蠕铁两汉字拼音字首“RuT”与一组数字表示，数字代表最低抗拉强度，如RuT380表示最低抗拉强度为380MPa的蠕墨铸铁。 二、钢的热处理1钢的热处理及种类钢的热处理是将钢在固态下，采用适当的方式进行加热、保温和冷却，使其内部组织发生改变，从而得到所需性能的一种工艺方法。热处理分为普通热处理和表面热处理。普通热处理包括退火、正火、淬火、回火；表面热处理包括表面淬火（感应加热、

24、火焰加热）、化学热处理（渗碳、渗氮、碳氮共渗）。2钢的退火与正火（1）退火退火是将工件加热到一定温度，保温一定时间后再随炉缓慢冷却的一种热处理工艺。根据工艺和目的的不同分为：完全退火、球化退火、去应力退火、等温退火等。 （2）正火正火是将钢加热到Ac3（亚共析钢）或Accm（过共析钢）以上3050，保温一定时间后出炉并在空气中冷却的一种热处理工艺。 3钢的淬火与回火（1）淬火淬火是将钢加热到Ac3或Acl以上3050温度，保温一定时间，然后进行快速冷却的一种热处理工艺。其目的是获得马氏体组织，使钢具有高硬度和高耐磨性。淬火的关键是正确确定淬火温度和冷却方式。淬火方法a 单介质淬火法 b 双介质

25、淬火法 c 分级淬火法 d 等温淬火法 淬透性和淬硬性淬透性 是指钢在一定的淬火条件下获得淬硬层深度的能力。淬硬性 是指钢在理想条件下淬火所能达到最高硬度的能力。它取决于马氏体中碳的百分含量，含量越高，淬硬性越好。淬透性好的钢，其淬硬性不一定高。两者概念不同，不可混为一谈。（2）回火将淬火钢重新加热到Ac1以下某一温度，保温后以一定的冷速冷至室温的工艺称为回火。低温回火：回火温度为150250。 中温回火：回火温度为350500 高温回火：回火温度为500650 4钢的表面热处理汽车上许多零件（如传动齿轮、活塞销、花键轴等），是在各种交变、冲击载荷及摩擦力作用下工作的。要求零件表面具有高的硬度

26、和耐磨性，心部具有足够强的韧性。 三、汽车典型零件选材1汽车齿轮的选材齿轮材料主要性能要求是：具有高疲劳强度和接触疲劳强度。齿心应有足够的冲击韧度，以防止轮齿受冲击过载时断裂。一般选用低碳钢进行渗碳处理来作重要齿轮。应用最多的是合金渗碳钢20Cr或20CrMnTi，并经渗碳、淬火和低温回火处理。汽车后桥主动锥齿轮，心部硬度要求30HRC45HRC，齿面硬度要求58HRC62HRC。一般选用淬透性较好的20CrMnTi钢，油中淬火3040mm能淬透，钢中含有Ti，对过热不敏感，在渗碳后可直接缓冷淬火，变形较小，价格不贵，适宜批量生产。采用的加工工艺路线是：下料锻造正火切削加工局部镀铜（或涂防渗剂）渗碳、淬火+低温回火喷丸磨削加工零件。任务实施典型零件选材学习任务四 有色金属及非金属材料在汽车上的应用任务描述：汽车中除了黑色金属材料外，为了使汽车轻量化，很多有色金属及非金属材料在汽车上也获得了广泛的应用，如铜、铝及其合金，塑料等。要求学生能列举一些应用实例，并掌握这样