汽车材料(第二版)-课件(3)

1、第一篇 汽车制造用金属材料第二章 黑色金属材料学习目标: 1.掌握晶体结构的基础知识;2.了解金属的实际晶体结构与晶体缺陷; 3.掌握纯金属的结晶过程,掌握影响晶粒大小的因素、金属的同素异构转变概念;4.了解金属铸锭的组织与结构;5.掌握合金和相的基本概念、合金中相的基本结构;6.了解二元合金相图构成。 引言 材料的性能取决于材料的化学成分及其内部的组织结构。几乎所有的金属、大部分陶瓷以及一些聚合物在其凝固时都要发生结晶。所谓结晶:是指原子本身沿着三维空间有规格的周期性重复排列成有序结构,这种结构称为晶体如图2-1 所示。但某些常用材料,如玻璃、绝大多数塑料、天然金刚石、松香、沥青等,其内部原

2、子无规则地堆垛在一起,或视为三维方向的无序状态,这种结构为非晶体。由于金属由金属键结合, 其内部的金属离子在空间有规则的排列, 因此, 固态金属均是晶体。晶体具有固定熔点、规则的几何外形和各向异性的特性; 非金属没有固定熔点,且各向同性。由于金属材料的原子排列不同, 不同的金属材料具有不同的性能; 对于同一种金属材料, 如果进行不同的处理, 其内部的原子排列发生变化, 则会表现出不同的性能。因此,为了合理地选用材料,充分发挥材料的潜力,必须了解金属材料的内部结构,掌握影响金属材料结构性能的各种因素。一、纯金属的晶体结构及结晶指仅含有一种金属元素的金属材料。汽车中的各种导电体、传热器等,大多由纯

3、铜或纯铝制成,主要是由于这些纯金属具有优良的导电性和导热性。工业上的纯金属不是绝对纯的,由于制备和加工方法的不同,纯度有差别,如工业和日常所说的高纯铝是指含Al 达99. 98%,纯金是指含Au 达99. 99%。因此,一般所说的纯金属是指没有特意加入其他的元素。第一节 金属的结构与结晶（一）晶体结构的基本知识1.晶格、晶胞和晶格常数2.常见典型金属晶体晶胞结构类型3.晶体的各向异性金属是晶体 金属及合金的性能是由其成分及内部的结构所决定。一切固态物质按其构造可分为非晶体与晶体两种。非晶体： 原子排列不规则，如玻璃、沥青和松香等。晶体特点：1.原子都按一定的次序作有规则的排列；2.具有一定的熔

4、点；3.具有各向异性。 如金刚石、石墨和一切固态金属都是晶体。晶体结构的基本概念晶格：表示晶体中原子排列形式的空间格子。晶胞：晶格的最小单元，如下图所示。晶格与晶胞 晶胞中原子排列的规律能完全代表整个晶格中原子排列的规律，人们研究金属的晶格结构，一般都是取出晶胞来研究的。晶格参数： 晶胞的棱边长度a、b、c和棱边夹角、（轴间夹角）。晶格常数： 晶胞中各棱边的长度，以埃(A)为单位，1A=10-8cm。通常数值在2.55.0A之间。简单立方晶格 a=b=c , = 各种金属元素的主要差别就在于晶格类型和晶格参数的不同。2.常见晶格类型 常见的金属晶体晶格形式有如下三种：1)体心立方晶格原子分布在

5、立方体的各结点和中心处，其特点是金属原子占据着立方体的八个顶角和中心，如下图所示, 属于这一类的金属有铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)、钒(V)和-Fe(温度小于912纯铁)。 这类金属有相当大的强度和较好的塑性。2)面心立方晶格原子分布在立方体的各结点和各面的中心处。金属原子除占据立方体的八个顶角外，立方体的六个面的中心也各有一个金属原子。如下图所示 。属于这种晶格的金属有铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、铅(Pb)和-Fe等（温度在1394912纯铁)。3)密排六方晶格原子分布在六方柱体的各个结点和上下底面中心处各有一个原子，还有上下两个六方面的中间有三个原子，如图18-4所示。属于这种

6、晶格的金属有铍(Be)、镁(Mg)、锌(Zn)、镉(Cd)等。 （二） 金属的实际晶体结构1.单晶体与多晶体金属是由很多的小晶体组成的，这些小晶体叫做晶粒，金属是由很多大小、外形和晶格排列方向均不相同的晶粒所组成的多晶体，如图所示。多晶体：是由多晶粒组成的晶体结构。晶界：晶粒之间的接触面。 单晶体：一块晶体就是一颗晶粒(晶格排列方位完全一致) 。单晶体必须专门人工制作，如生产半导体元件的单晶硅、单晶锗等。 单晶体在不同方向上具有不同性能的现象称为各向异性。 普通金属材料都是多晶体。多晶体的金属虽然每个晶粒具有各向异性，但由于各个晶粒位向不同，加上晶界的作用，这就使得各晶粒的有向性互相抵消，因而

7、整个多晶体呈现出无向性，即各向同性。2.晶体的缺陷在实际晶体中，由于某种原因，原子的规律排列受到干扰和破坏，使晶体中的某些原子偏离正常位置，造成原子排列的不完全性称为晶体缺陷。1）点缺陷 晶体中的原子总是在某一位置上作热振动。温度升高时，动能特别高的原子就要脱离周围原子的束缚，可能进入别的晶格间隙处成为“间隙原子”或跑到金属表面上去。而原来的位置成为没有原子的“空位”。 空位和间隙原子的出现，使它们失去平衡而造成晶格畸变(歪扭)。 2）线缺陷 线缺陷是晶体中呈线状分布的缺陷，其具体形式是各种类型的位错，晶体中有一列或若干列原子发生有规则的错排现象，这就是位错。刃型位错是最常见的一种。3）面缺陷

8、面缺陷是指晶体中有一维空间方向上尺寸很小，另外两维方向上尺寸较大的缺陷。这类缺陷主要是指晶界和亚晶界。 晶界和亚晶界处区域内的原子排列不整齐，偏离其平衡位置，产生晶格畸变。（三）纯金属的结晶 1.基本概念结晶：是指金属从高温液体状态冷却凝固为固体(晶体)状态的过程。冷却曲线：通过实验将金属液体缓慢冷却凝固过程中温度与时间的关系绘制成的曲线，如图所示。冷却曲线上有一水平段，就是纯金属的实际结晶温度，图中T0表示理论结晶温度，也就是金属的结晶速度恰好等于它的熔化速度时所对应的温度，显然当高于这个温度时，固态金属便不断熔化，只有当低于这个温度时，液态金属才会不断结晶。所以实际结晶温度必须在理论结晶温

9、度以下，这种现象称为过冷。2.纯金属的结晶过程 过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度之差：T=T0-Tn 。 过冷是结晶的必要条件。 晶核：形成规则排列的原子集团而成为结晶的核心。晶核分自发晶核和外来晶核两种。液态金属中原子结晶的过程，即晶核不断地形成及长大的过程，直到液态金属已全部耗尽，结晶过程也就完成了，如图所示。（五）同素异构转变 大多数金属的晶格类型都是一成不变的，但是，铁、锰、锡、钛等金属的晶格类型都会随温度的升高或降低而发生改变。一种固态金属，在不同的温度区间具有不同的晶格类型的性质称为同素异构性。同素异构转变： 金属固态下晶格随温度发生改变的现象。 纯铁是具有同素异构性的金属，如图

10、是铁的同素异构转变的冷却曲线。金属的同素异构转变也是一种结晶过程，它同样包含晶核的形成和长大，故又叫重结晶。转变时也有结晶潜热的放出和过冷现象。铁的同素异构转变是钢铁能够进行热处理的重要依据。二、 合金的结构及相图（一）合金的基本概念 1.合金 合金是以一种金属为基础，加入其它金属或非金属，经过熔合而获得的具有金属特性的材料。即合金是由两种或两种以上的元素所组成的金属材料。例如，工业上广泛应用的钢铁材料就是铁和碳组成的合金。2.组元组成合金最简单的、最基本的、能够独立存在的元素称为组元，简称元。组元一般是指元素，但有时稳定的化合物也可以作为组元，如Fe3C、Al2O3、CaO等。合金按组元的数

11、目可分为二元合金、三元合金及多元合金。3.合金系 由两个或两个以上组元按不同比例配制成一系列不同成分的合金，这一系列合金构成一个合金系统，简称合金系。例如黄铜是由铜和锌组成的二元合金系。4.相 合金中具有同一化学成分、同一晶格形式并以界面分开的各个均匀组成部分称为相。如均匀的液体称为单相，液相和固相同时存在则称为两相。5.组织 由单相或多相组成的具有一定形态的聚合物，纯金属的组织是由一个相组成的，合金的组织可以是一个相或多个相组成。(二)合金中相的基本结构 合金之所以比纯金属性能优越主要是由于合金的内部结构不同于纯金属。合金的内部结构比较复杂，但根据各元素在结晶时相互作用的不同可以把它们归纳为

12、三种。1.固溶体 固溶体就是在固态下两种或两种以上的物质互相溶解构成的单一均匀的物质。例如，铜镍合金就是以铜(溶剂)和镍(溶质)形成的固溶体，固溶体具有与溶剂金属同样的晶体结构。 这种溶质原子溶入溶剂晶格而仍保持溶剂晶格类型的金属晶体叫做固溶体。 根据固溶体晶格中溶质原子在溶剂晶格中占据的位置不同，分为置换固溶体和间隙固溶体两种。如图所示。 固溶体晶格的畸变（如图）使合金强度和硬度升高，而塑性下降，这种现象称为固溶强化。固溶强化是提高合金机械性能的重要途径之一。2.金属化合物 是指合金各组元的原子按一定的整数比化合而成的一种新的金属化合物。它的晶体结构不同于组成元素的晶体结构，而且其晶格一般都

13、比较复杂。其性能特点是熔点高、硬度高、脆性大。例如铁碳合金中的Fe3C。当合金中出现金属化合物时，能提高其强度、硬度和耐磨性，但会降低其塑性和韧性。（三）二元合金相图 表示平衡条件下给定合金系中的合金的成份、温度与其相和组织状态之间关系的坐标图形，称为合金相图。 相图（状态图）是以温度为纵坐标，以成份为横坐标，表明不同成份合金的结晶过程的简明图形。1二元合金相图的建立均晶相图: 两组元液态下相互溶解，固态下形成无限固溶体的合金状态图，称作匀晶状态图。具有这类状态图的合金系有Cu-Ni、Fe-Ni、Cr-Mo、Au-Ag等。共晶相图: 在一定温度下，从液相中同时结晶出两种不同固相的转变，称作共晶

14、转变。具有共晶转变的二元合金有PbSn，PbSb，AlSi等。二元合金系中，两组元在液态下完全互溶，在固态下只能形成有限固溶体和化合物，有共晶转变的状态图，称为共晶状态图。共析转变: 单相固溶体冷却到某一温度发生析出两个成分、结构与母相都不同的新的固相的转变，这种转变称为共析转变。共析转变的特点：共析转变是固态转变，原子扩散比液态困难得多，需要较大的过冷度，转变温度较低。由于共析转变过冷度大，形核率高，共析组织比共晶体更为细密。共析转变前后晶体结构不同，转变时引起容积变化，产生较大的内应力。2相图与合金性能的关系合金性能与相图。 溶质的溶入量越多,晶格畸变越大,则合金的强度、硬度越高。合金工艺

15、性与相图。 相图液相线和固相线间距越小，结晶温度范围越窄，对浇注和铸造质量越有利。合金的液、固相线温度间隔大时，形成枝晶偏析的倾向性大；同时先结晶出的树枝晶阻碍未结晶液体的流动，而降低其流动性，增多分散缩孔。黑色金属： 铁和铁为基的合金。有色金属： 除黑色金属以外的所有金属及其合金。 第二节 黑色金属材料的组织结构及性能 学习目标:1. 掌握碳钢,合金钢,铸铁中的有关基本概念、分类、牌号、性能及用途;2. 掌握黑色金属在汽车零件上的应用状况;3. 了解铁碳合金的成分、组织、性能之间的关系;4. 了解合金元素在钢中的作用;5. 了解粉末冶金材料的特点和主要用途。一、铁碳合金相图二、铁碳合金的基本

16、组织及性能1固溶体1）铁素体(F)2）奥氏体(A)2渗碳体2渗碳体3机械混合物4莱氏体(Le) 三、FeFe3C相图分析 1FeFe3C相图中的特性点 2FeFe3C相图中的特性线 四、相图中重要的点和线1）C点为共晶点 2）S点为共析点 3）E点为钢和铁的分界点 4）相图中的重要线五、典型铁碳合金的平衡结晶过程1共析钢结晶过程分析 2亚共析钢结晶过程分析 3过共析钢结晶过程分析 4共晶白口铸铁结晶过程分析 5亚共晶白口铸铁结晶过程分析 6过共晶白口铸铁结晶过程分析 六、铁碳合金的成分组织性能关系七Fe -Fe3C相图的应用1在钢铁材料选用方面的应用2在铸造工艺方面的应用3在热锻、热轧工艺方面

17、的应用4在热处理工艺方面的应用第三节 钢的热处理及表面改性一、钢的热处理基本概念及分类第二节 钢的热处理及表面改性二、钢的热处理原理第三节 钢的热处理及表面改性1钢在加热时的组织转变（1）奥氏体的形成（2）奥氏体晶粒的长大及其控制2.钢在冷却时的转变（1）奥氏体的等温冷却转变 （2）C曲线有如下三个转变区珠光体转变区(高温转变区) 贝氏体转变区(中温转变区) 马氏体转变区(低温转变区) （3）过冷奥氏体的连续冷却转变钢的连续冷却转变曲线 三、 钢的热处理工艺对组织和性能的影响1.退火完全退火等温退火球化退火去应力退火球化退火组织2.正火作为预备热处理作为最终热处理改善钢切削性能。 3.淬火1)

18、淬火时的组织转变2)淬火工艺及影响因素3)淬火冷却介质 4)钢的淬透性及影响因素 5）影响钢淬透性的因素 4 钢的回火1）回火后的组织和性能回火马氏体回火屈氏体回火索氏体2）回火的种类和应用低温回火中温回火高温回火 四、钢的表面处理强化 1.表面淬火1) 电感应加热表面淬火2）火焰加热表面淬火2化学热处理强化1）渗碳2)氮化3)碳氮共渗及多元共渗4)渗铬5)渗硼第四节 钢的合金化一、合金元素在钢中的存在形式和作用1合金元素与碳的作用 2合金元素与铁的作用 二、合金元素对钢性能的影响第四节 钢的合金化三、 合金元素对钢热处理的影响1改变相区2 S和E点移动第四节 钢的合金化四、合金元素对加热和冷

19、却转变的影响1对加热转变的影响2对冷却转变的影响3提高回火稳定性五、合金元素对钢加工性能的影响铸造性 焊接性 热处理性 锻造性 冷加工性 切削性 第五节汽车用钢一、钢中常存元素对钢性能的影响1锰(Mn)2硅(Si)3硫（S）4磷(P)二、碳钢的分类1.按碳质量分数分（1）低碳钢 - 碳的质量分数 WC0.25的钢；（2）中碳钢 - 碳的质量分数为 0.25 WC 0.602.按材质（主要根据硫、磷质量分数）分（1）普通钢 - WS0.055，WP0.045；（2）优质钢 - WS0.040，WP0.040；（3）高级优质钢 - WS0.030，WP0.035；（4）特级优质钢 - WS0.02

20、5，WP0.030。3.按用途分（1）碳素结构钢 （2）碳素工具钢 4冶炼方法分：平炉钢、转炉钢和电炉钢；5按炼钢的脱氧程度分：沸腾钢、镇静钢和半镇静钢。三、碳钢的编号、性能和用途1碳素结构钢2“F”沸腾钢，“b”半镇静钢，Z”镇静钢，“TZ”特殊镇静钢。3优质碳素结构钢1）普通含锰量的优质碳素结构钢2）较高含锰量的优质碳素结构钢 3优质碳素结构钢(1)渗碳钢 (2)调质钢 (3)弹簧钢 4碳素5碳素铸钢铸钢（GB1135289）四、合金钢的分类与牌号 1合金钢的分类按用途分为：合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢 按合金元素的含量分为：低合金钢、中合金钢、高合金钢 按用途分为：合金结构钢、合金

21、工具钢和特殊性能钢三类 2合金钢的编号1）合金结构钢2）合金工具钢3）滚动轴承钢的表示方法 4）特殊性能钢五、合金结构钢1低合金结构钢（GB159188）牌 号应 用 举 例09MnRE水箱固定架底板，风扇叶片，横梁16Mn纵粱前加强板，横梁，角撑，保险杠16MnRE车架纵横梁，蓄电池固定框后板，汽油箱托架10Ti车架前横梁，中横梁前保险杠，角撑等牌 号 车 型零 件 名 称15CrECll092活塞销、气门弹簧座CAl093活塞销、气门挺杆及调整螺栓20CrMnTiEQl092二、三挡活动齿套，四、五挡滑动齿套，一挡及倒挡齿轮，变速器中间轴CAl093变速器齿轮及第一轴和中间轴，半轴齿轮、万

22、向节和差速器十字轴20MnVBECll092传动轴十字轴，转向万向节十字轴，后桥减速器齿轮、差速器十字轴15MnVBCAl093钢板弹簧中心螺栓EQl092变速器一轴、二轴、中间轴，中间轴常啮合齿轮，二、三挡滑动齿套，二、三、四、五挡齿轮2合金渗碳钢 3合金调质钢牌 号 应 用 举 例车 型零 件 名 称 40CrEQl092发动机支架固定螺栓、差速器壳螺栓、减振器销CAl093水泵轴、连杆、连杆盖、气缸盖螺栓 40MnBEQl092半轴、水泵轴、传动轴花键、万向节叉、转向节、气缸盖螺栓、连杆螺栓CAl093变速器二轴、转向节、转向臂、半轴 45Mn2EQl092进气门、半轴套管、钢板弹簧U形

23、螺栓CAl093半轴套管、板弹簧U形螺栓50Mn2EQl090离合器从动盘、减振盘4合金弹簧钢牌 号 应 用 举 例 车 型 零 件 名 称55SiMnVB EQ1092 钢板弹簧55Si2Mn CAl093 钢板弹簧65Mn EQl092 气门弹簧、制动室复位弹簧 CAl093气门弹簧、摇臂轴定位弹簧、离合器压紧弹簧60Si2Mn EQl092 牵引钩弹簧 CAl093 钢板弹簧5滚动轴承钢牌号硬 度（HRC）用 途 举 例GCr6626410mm的滚动体GCr9626420mm的滚动体GCr9SiMn6264壁厚12mm，外径250mm的套圈；直径2550mm的钢球；直径22mm的滚子GC

24、r156264GCr15SiMn6264壁厚12mm，外径250mm的套圈；直径50mm的钢球；直径22mm的滚子六、合金工具钢牌号淬 火（）回 火（）回火硬度（HRC）用 途 举 例Cr12830860油1501706163尺寸较大的钻头、铰刀等9SiCr860880油1802006062薄刃刀具如板牙、丝锥等9Mn2V780820油1502006062磨床主轴、车床丝杠、丝锥、板牙、量规、冷作模具等CrWMn800830油1401606265微变形钢、长铰刀、拉刀、丝杠、精密量具等CrW5800850油1601806465低速切削硬金属刀具如铣刀、车刀、刨刀等常用低合金刃具钢的牌号、热处理

25、、性能及用途 种类牌号 热处理（）回火硬度（HRC）用 途 举 例退火淬火回火铬系W18Cr4V860880126013005505706366一般高速切削刀具，如车刀、铣刀、刨刀、钻头等W12Cr4V4Mo8408601240127063形状简单，只需很少磨削的刀具铬钼系W6Mo5Cr4V2840860122012406366耐磨性与韧度很好配合的高速刀具如扭制钻头W6Mo5Cr4V38408851200124065形状复杂的刀具如拉刀、铣刀超硬W18Cr4VCo10870900120012605405906466切削硬金属的刀具W6Mo5Cr4V2Al8508701220125055057

26、06769常用高速钢的牌号、热处理、性能及用途 七、特殊性能钢1不锈钢常用不锈钢有铬不锈钢和铬镍不锈钢两类。铬不锈钢主要有1Crl3、2Crl3、3Crl3、4Crl3等。常见的铬镍不锈钢有1Crl8Ni9、2Crl8Ni9等2耐热钢1）抗氧化钢2)热强钢四、典型汽车零件的选材及热处理(一)汽车齿轮的选材及热处理用低碳钢进行渗碳处理来作重要齿轮。我国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。渗碳后表面碳含量大大提高，保证淬火后得到高硬度，提高耐磨性和接触疲劳抗力。由于合金元素提高淬透性，淬火、回火后可使心部获得较高的强度和足够的冲击韧度。为了进一步提高齿轮的耐

27、用性，渗碳、淬火、回火后，还可采用喷丸处理，增大表层压应力，有利于提高疲劳强度，并清除氧化皮。渗碳齿轮的工艺路线为：下料一锻造一正火一切削加工一渗碳、淬火及低温回火一喷丸一磨削加工表3-7汽车、拖拉机齿轮常用钢种及热处理方法（二） 汽车轴类零件选材轴是汽车上的最重要零件之一，一切回转运动的零件，如齿轮、凸轮等都装在轴上，所以轴主要起传递运动和转矩的作用。如图2-1所示。差速器机构传动轴。1轴类零件的失效方式由于轴类零件的受力情况及工作条件较复杂，所以其失效方式也是多样的。轴类零件的一般失效方式有长期交变载荷下的疲劳断裂(包括扭转疲劳和弯曲疲劳断裂），大载荷或冲击载荷作用引起的过量变形甚至断裂，

28、与其他零件相对运动时产生的表面过度磨损等。2轴类零件的性能要求根据轴类材料的工作条件和失效方式，对其有以下性能要求：(1)良好的综合机械性能，足够的强度、塑性和一定的韧度，以防止过载断裂、冲击断裂；(2)高的疲劳强度，对应力集中敏感性低，以防疲劳断裂；(3)足够的淬透性，热处理后表面要有高硬度、高耐磨性，以防磨损失效；(4)良好的切削加工性能，价格便宜。3.轴类零件材料的选材及热处理轴类零件选材时除主要考虑强度外，同时也要考虑材料的冲击韧度和表面耐磨性。为了兼顾强度和韧度，同时考虑疲劳抗力，轴一般用经锻造或轧制的低、中碳钢或合金钢制造。 由于碳钢比合金钢便宜，所以 一般轴类零件使用较多。常用的

29、优质碳结构钢有：35、40、45、50钢等，其中45钢最常用，为改善其性能，这类钢一般要经正火、调质或表面淬火热处理。合金钢比碳钢具有更好的力学性能和热处理性能，但对应力集中敏感性较高，价格也较贵。 当载荷较大并要求限制轴的外形、尺寸和重量，或轴颈的耐磨性等等要求高时采用合金钢。常用的合金钢有20Cr、40Cr、40CrNi、20CrMnTi、40MnB等。采用合金钢必须采取相应的热处理才能充分发挥其作用。内燃机曲轴选材内燃机曲轴选材原则，主要根据内燃机的类型、功率大小、转速高低和相应轴承材料等项条件而定。同时也需考虑加工条件，生产批量和热处理工艺及制造成本等。汽车发动机曲轴也可用45、40Cr钢制造。经过模锻、调质、切削加工后，在轴颈部位进行表面淬火。（三）汽车弹簧的选材及热处理弹簧钢主要用于悬架弹簧、气门弹簧、稳定杆支撑弹簧和变速箱等。弹簧种类很多，载荷大小相差悬殊，使用条件和环境各不相同。制造弹簧的材料很多，金属材料、非金属材料(如塑料、橡胶)都可用来制造弹簧。由于金属材料的成型性好、容易制造，工作可靠，在实际生产中，多选用弹性极高的金属材料来制造弹簧，如碳素钢、合金弹簧钢、铜合金等。如表 2-5 板簧主要用于重型车辆的悬架。由于对轻便性、舒适性和可靠性的