汽车机械基础机工配套课件：1 单元1 金属材料的性能

1、汽车机械基础模块一 汽车工程材料单元一 金属材料的性能学习目标一、知识目标(1)明确汽车零件对材料和结构工艺性的要求(2)掌握金属材料的力学性能和工艺性能(3)了解金属材料的物理和化学性能二、能力目标能利用材料的性能指标，合理评估和选用零件，培养初步的汽车故障分析能力目录01任务一 金属材料的力学性能02任务二 金属材料的工艺性能03任务三 金属材料的物理和化学性能任务引入 汽车是一个复杂的机械系统,它通常由上万个零部件组装而成,如图1-1所示,这些零部件是由种类繁多的材料加工而成的,所以了解汽车常用的材料对合理选材、降低汽车成本具有重要意义。材料的选择主要依据材料的机械性能(力学性能),同时

2、也要综合考虑材料的工艺性能和物理和化学性能。目录01任务一 金属材料的力学性能02任务二 金属材料的工艺性能03任务三 金属材料的物理和化学性能金属材料的在汽车上的应用以现代轿车材料为例, 汽车上选用材料占汽车总质量的比例如图1-2所示。按照重量来换算，钢材占汽车自重的55%60%，铸铁占12%5%,有色金属占6%10%,塑料占8%12%,橡胶占4%,玻璃占3%，其他材料(油漆、各种液体等)占12%6%。强度1.强度概念金属在力的作用下，抵抗永久变形和断裂的能力，称为强度。强度与变形，有着直接的关系，变形是指在外力作用下，材料由于内部原子之间的位置发生改变，而导致的宏观形状和尺寸的变化，根据撤

3、去外力后能否恢复，变形分为弹性变形和塑性变形，材料发生弹性变形时，撤去外力后，能恢复到原来的形状和尺寸，发生塑性变形时，撤去外力后，不能恢复到原来的形状和尺寸，故塑性变形，又称为永久变形，如汽车碰撞后保险杠的变形。强度强度是材料的一项重要力学性能指标，当材料承受的载荷超出其强度范围时，其结构将发生破坏，导致机器无法运转，甚至造成严重的事故，如汽车大梁、连杆由于强度不足而断裂的现象，如图1-3所示。（a）汽车大梁断裂 （b）连杆断裂强度2.拉伸试验金属材料的强度有专门的试验来测定，其中应用最普遍的是拉伸试验，拉伸实验是指用静拉伸力，对试样进行轴向拉伸，通过测量拉伸力和相应的伸长量，测量其力学性能

4、的试验。材料进行拉伸时，需要使用拉伸试验机和特制的试样。常用试验的结构如图，其中，d0表示原始直径，L0表示原始标距长度，d1表示断后直径，L1表示断后标距长度。（a）拉伸前（b）拉伸后强度2.拉伸试验进行拉伸试验时，将试样两端分别固定在拉伸试验机上，逐步增加轴向拉力（又称拉伸力），连续记录拉伸力和试样的伸长量，直至试样被拉断。根据记录的数据，可以绘制拉伸力和伸长量之间的关系曲线，称为拉伸曲线。 低碳钢拉伸曲线低碳钢拉伸曲线中，横坐标表示试样的形变量L,纵坐标表示拉伸力F强度2.拉伸试验 低碳钢拉伸曲线阶段曲线特征力学性能OE段：弹性变形阶段直线试样长度随着拉伸力的增大而增大，撤去外力后，试样

5、变形消失，恢复原长ES段：屈服阶段上下波动在该阶段，拉力一旦超过Fe，试样将产生塑性变形。等拉力增加到Fel时，在拉力不断增加，略有减小的情况下，试样将继续生长，这种现象称为屈服。SB段：强化阶段非线性增大需要不断的增加拉力，试样才能继续生长。随着塑性变形的增大，试样抵抗变形的内力也逐渐增大，这种现象称为形变强化。BZ段：颈缩阶段下降拉力达到最大后，试样中间某处的直径会发生局部收缩，称为“颈缩”。由于横截面积减小，拉力不断减小强度3.强度指标 强度的大小可由应力来表示。材料在受外力作用时，为抵抗变形，其内部组织间产生的相互作用力称为内力。单位面积上的内力称为应力，用符号表示。在拉伸试验中，试样

6、断裂前处于受力平衡状态，内力与外力大小相等，此时横截面上的应力大小 =F/S式中：-横截面上的应力，单位Pa F-试样所受拉力，单位N S-试样的横截面积，单位mm2常用的应力单位为MPa，存在换算关系：1MPa=1N/ mm2 =106N/m2=106Pa对于铸铁、高碳钢等材料，它们没有明显的屈服现象，则很确定正确的Fel，此时可用试样产生0.2%永久变形时的应力，作为一种条件屈服强度。强度强度指标：抗拉强度b屈服强度s 强度指标硬度硬度是衡量金属材料软硬的一种性能指标，也是指金属材料抵抗外部硬物压人其表面的能力。硬度越高，材料表面越不容易产生压痕或划痕。工业中通常利用硬度试验来测定材料的硬

7、度。常用的硬度试验方法有布氏测试法、洛氏测试法和维氏测试法等，所测试所得的硬度，分别为布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。布氏测试法维氏测试法洛氏测试法硬度测试法硬度1.布氏硬度布氏硬度的符号用HB表示。用一定直径D的淬硬钢球在规定负荷P的作用下压入试件表面，保持一段时间后卸去载荷，在试件表面将会留下表面积为F的压痕，以试件的单位表面积上能承受负荷的大小表示该试件的硬度：HB=P/F，在实际应用中，通常直接测量压坑的直径，并根据负荷P和钢球直径D从布氏硬度数值表上查出布氏硬度值（显然，压坑直径越大，硬度越低，表示的布氏硬度值越小）。 硬度2.洛氏硬度洛氏硬度的符号用HR表示。用有一定顶角（例如120

8、）的金刚石圆锥体压头或一定直径D的淬硬钢球，在一定负荷P作用下压入试件表面，保持一段时间后卸去载荷，在试件表面将会留下某个深度的压痕，由洛氏硬度机自动测量压坑深度并以硬度值读数显示（显然，压坑越深，硬度越低，表示的洛氏硬度值越小）。根据压头与负荷的不同，洛氏硬度还分为HRA、HRB、HRC三种，其中以HRC为最常用。 硬度3.维氏硬度维氏硬度的硬度符号用HV表示，以120kg以内的载荷和顶角为136的金刚石方形锥压入器压入材料表面，用材料压痕凹坑的表面积除以载荷值，即为维氏硬度值（HV），如图所示。硬度三种硬度比较：类别试验原理简图测试方法应用范围表示方法布氏硬度（HB）采用直径为D的淬火钢球

9、或硬质合金钢球作为压头，以规定压力P挤压材料表面并保持规定的时间，测量圆形压痕的直径d，利用公式求出硬度值，或从专门编制的硬度表中查出对应的硬度值适用于测定各种退火及调质的钢材、非铁合金及铸铁等不太硬的工件，不适合测定太薄的工件硬度值+HBW+球体直径+试验压力+保持时间洛氏硬度（HR） 采用120顶角的金刚石或f1.587 5 mm钢球作为压头，以一定的压力挤压材料表面，根据压痕的深度计算材料的硬度。根据试验压力的不同，可分为三种标度：HRA，HRB和HRC 适用于测定布氏硬度值大于450或尺寸较小的工件硬度值+符号维氏硬度（HV）以相对面夹角为136的正四棱锥形金刚石作为压头，以49.03

10、980.7 N的载荷挤压材料表面并保持规定时间，测量压痕对角线的长度d，然后按公式计算硬度值 由于压痕较小，适用于测定较薄工件、工具表面或带镀层工件硬度值+HV+试验压力+保持时间塑性塑性冲击韧性冲击韧性是指金属材料断裂前吸收变形能量的能力。冲击韧性越好，材料的抗冲击能力愈强，发生断裂的可能性越小。冲击韧性是金属材料的一项重要力学性能，许多金属零件和机械设备在工作中需要承受冲击载荷的作用，如发动机的活塞、锻压机床的锻锤等，为了保证他们的正常工作，在选择材料时，必须要考虑材料的冲击韧性。金属材料的冲击韧性通常用冲击吸收功来衡量。冲击韧性，可以通过一次摆锤冲击试验来测定。1-试样 2-刻度盘 3-

11、指针 4-摆锤 5-机架发动机连杆疲劳强度零件在承受外部载荷作用时，内部会产生应力，当外部载荷成周期性变化时，应力也会作周期性变化，称为交变应力。齿轮、轴承、曲轴等机械零件工作时，需要承受交变应力的作用，虽然应力水平低于材料的屈服强度，但经过长时间的反复作用后，零件会产生裂纹或突然发生断裂破坏，这种现象称为金属的疲劳破坏，简称疲劳。金属材料的疲劳性能由疲劳强度来衡量。疲劳强度是指金属材料承受无限多次交变载荷的作用，而不发生破坏的最大应力，它表示材料抵抗交变载荷作用，而不发生疲劳破坏的能力。金属材料的疲劳强度可以通过疲劳试验进行测量，但实际操作中，金属材料不可能做无限多次交变载荷试验。通常规定，

12、钢在经受107次、非金属材料经受108次交变载荷作用时不产生断裂的最大应力称为疲劳强度。疲劳强度疲劳破坏是机械零件失效的主要形式之一，由于前期不易察觉，具有较强的突发性，所以疲劳破坏容易造成很严重的后果。齿轮断裂 曲轴断裂目录01任务一 金属材料的力学性能02任务二 金属材料的工艺性能03任务三 金属材料的物理和化学性能金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能反映了金属材料加工难易程度。良好的工艺性能表示材料的加工难度小。工艺性能主要包括铸造性能、锻造性能、焊接性能和切削加工性能等。铸造性能焊接性能锻造性能工艺性能切削加工性能铸造性能铸造是将熔融的金属浇入铸型中，经凝固后获得一定尺寸、形状和力学性

13、能的铸件或零件的成形方法。金属材料通过铸造的方法获得优质铸件的能力，称为金属材料的铸造能力，它反映了金属材料熔化浇铸成为铸件的难易程度。金属材料融化成液体时的流动性越好，冷凝时的收缩性越小，凝固后的偏析性（指各化学成分的不均匀性）越小，则获得铸件的质量越好。铸造性能汽车用铸件的主要特点是壁薄、形状复杂、尺寸精度高、质量轻、可靠性好、生产批量等。铸件一般占汽车自重的12%左右,仅次于钢材用量,居第二位。就材质而言,铸铁铸钢、铸铝、铸铜等应有尽有,仅铸铁就采用了灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、可锻铸铁及合金铸铁等。很多典型的汽车零件都采用铸造,如柴油机缸体、汽油机缸体、汽油机缸盖曲轴、变速器和离合器壳

14、体、各类连接板、支架及车门框架等,如图1-12所示。 （a）发动机缸体 （b）汽车变速箱压力加工性能固态金属在外力作用下，通过塑性变形，改变尺寸和形状、改善内部组织，从而获得具有一定形状、尺寸和力学性能的原材料，毛坯或零件的加工方法，又称金属塑性加工。常用的金属压力加工方法有轧制、挤压、冷拔、锻造和冷冲压等（a）轧制 （b）挤压 （c）冷拔 （d）锻造 （e）冷冲压常用压力加工方法压力加工性能模锻一般用于制造强度高、可靠性好的汽车零件毛坯,如发动机的曲轴、凸轮轴、连杆，底盘的驱动轴、十字轴、前车轴、后车轴,转向系统的转向节、转向节臂等,如图1-14所示。（a）连杆 （b）凸轮轴图1-14 汽车

15、模锻压零件压力加工性能据统计,汽车中有60%70%的零件是用冲压工艺生产出来的。因此,冲压工艺对汽车的质量、生产效率和生产成本都有重要的影响。如图1-15所示,车身覆盖件基本上都是板料冲压加工的。（a）车门 （b）翼子板图1-15 汽车冲压零件焊接性能通过加热或加压，或者两者并用，使两工件产生原子间结合的加工办法称为焊接。常用的焊接方法有手工电弧焊、气焊、自动焊等。金属材料在焊接过程中得到优质焊接接头的能力称为焊接性能，又称可焊性。焊接性能好的金属材料，焊接时焊缝不容易产生夹渣、气孔、裂纹等缺陷。手工电弧焊自动焊气焊焊接方法焊接性能常用焊接方法切削加工性能切削加工是机械工业中应用最为广泛的零件

16、加工方法，常见的切削加工方法有车削、铣削、磨削、钻削等。切削加工性能是指对金属材料进行切削加工的难易程度。衡量切削加工性能的因素有刀具的使用寿命、零件的表面质量、工时等。金属材料的切削加工性能，主要受金属材料的化学成分、硬度、塑性等性能的影响。通常情况下，可以通过热处理来提高钢件的切削加工性能。切削加工性能（a）车削加工 （b）铣削加工（c）磨削加工 （d）钻削加工目录01任务一 金属材料的力学性能02任务二 金属材料的工艺性能03任务三 金属材料的物理和化学性能金属材料的物理性能金属材料的物理性能是指金属材料在重力、电磁场、热力（温度）等物理因素作用下所表现出来的性能或固有的属性。物理性能包

17、括密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性和磁性。导热性导电性物理性能熔点热膨胀性密度磁性密度金属材料的密度是指单位体积金属的质量。密度是金属材料的特性之一，不同金属材料的密度是不同的。在体积相同时，金属材料的密度越大，其质量越大。一般将密度小于5103KG/M2的金属材料称为轻金属,将密度大于5103KG/M2的金属称为重金属。金属材料的密度是零件设计过程中需要考虑的性能之一，如航天构件常采用密度小的铝合金、钛合金、铝镁合金进行制造。熔点金属材料从固态向液态转变时的温度称为熔点。纯金属有固定的熔点。合金的熔点取决于它的化学成分，如钢和生铁虽然都是铁和碳的合金，但由于其碳的质量分数不同，其熔点也不

18、同。熔点对于金属材料的冶炼、铸造、焊接等是重要的工艺参数。熔点高的金属材料称为难熔金属（如钨、钼、钒），可用来制造耐高温零件，在火箭，导弹，燃气轮机和喷气飞机等方面得到广泛应用。熔点低的金属材料称为易熔金属（如锡、铅等），可用来制造印刷铅字（铅与锑的合金）、熔断器和防火安全阀等零件。导热性金属材料传导热量的能力称为导热性。金属材料的导热能力，常用热导率（亦称导热系数）来表示。金属材料的热导率越大，说明其导热性越好。一般来说，纯金属的导热能力比合金好。金属材料的导热能力以银为最好，铜、铝次之。导热性好的金属材料，其散热性能也较好，可用来制造散热器、热交换器交换器。导电性金属材料能够传导电流的能力

19、称为导电性。金属材料的导电性常用电阻率来表示，其单位是.m。金属材料的电阻率越小，其导电性越好。导电性与导热性一样，是随化学成分的复杂化而降低，因而纯金属的导电性总比合金好。因此，工业上常用纯铜、纯铝作为导电材料，而用导电性差的铜合金和铁铬铝合金制作电热元件。热膨胀性金属材料随温度变化而膨胀或收缩的特性称为热膨胀性。一般来说，金属材料受热时膨胀而体积增大，冷却时收缩而体积缩小。金属材料的热膨胀性可用线胀系数1和体胀系数V来表示，体胀系数近似为线胀系数的三倍。在实际工作中需要考虑热膨胀性的地方很多，如轴与轴瓦之间要根据膨胀系数来控制其间隙尺寸.磁性金属材料在磁场中被磁化而呈现磁性强弱的性能称为磁性。根据金属材料在磁场中受到磁化程度的不同，金属材料又分为铁磁性材料和非铁磁性材料。铁磁性材料是指在外磁场中能被磁化到很大程度的金属材料，如铁、镍、钴等。非铁磁性材料是指在外磁场中能够抗拒或减弱外加磁场磁化作用的金属材料如金、银、铜、铅、锌等。