汽车应用材料 课件全套 第1-9章 汽车主要构造及汽车材料 -汽车轮胎

第1章

汽车主要构造及汽车材料●汽车应用材料第1章

汽车主要构造及汽车材料【知识点】掌握汽车材料的类型；了解汽车材料的发展趋势。【技能点】通过网络，了解汽车材料的类型及其发展趋势。图1-11994-2009年我国汽车产销量第1章

汽车主要构造及汽车材料图1-2汽车产业对相关产业的带动作用1.1汽车的主要构成我国国家标准《汽车和挂车类型的术语和定义》（GB/T3730.1—2001）对汽车的定义是：由动力驱动，一般具有4个或4个以上车轮的非轨道承载的车辆，主要用于载运人或货物、牵引载运人或货物的车辆及其他一些特殊用途。无轨电车和整车整备质量超过400kg的三轮车辆也属于汽车。1.1汽车的主要构成大多数汽车的总体结构及其主要机构的构造和作用原理基本上是一致的。常用汽车的总体构造基本上由以下四个部分组成：发动机、底盘、车身、电器设备，如图1-3所示。图1-3汽车的总体构造1.1.1发动机发动机是汽车的动力系统，现代汽车发动机主要采用的是往复活塞式内燃机，负责将燃料燃烧所产生的热能转化为机械能，一般由两大机构和五大系统组成。两大机构为曲柄连杆机构和凸轮配气机构，五大系统为燃料供给系、润滑系、冷却系、点火系和启动系。发动机是汽车的动力装置，是汽车的“心脏”。其作用是使供入其中的燃料燃烧而发出动力，通过底盘传动系驱动汽车行驶。1.1.1发动机图1-4华晨1.8T发动机1.1.2底盘底盘将汽车各组成、部件连接成为一个整体，并具有传动、转向、制动等功能。底盘接受发动机发出的动力，使汽车得以正常行驶。底盘主要包括传动系(离合器、变速器、传动轴等)、行驶系(车架、车轮等)、转向系(转向盘、转向传动装置等)和制动系(前、后轮

制动器,控制、传动装置等)四

大系统，如图1-5所示。1.1.2底盘图1-5汽车底盘1.1.3车身图1-6车身车身用以承载驾驶员、乘客和货物。通常，货车车身由驾驶室、车厢等组成，客车、轿车则由车身结构件、车身覆盖件、车身外装件、车身内装件和车身附件等总成零件组成，如图1-6所示。1.1.4电器设备汽车电器设备是汽车的重要组成部分之一，其性能的好坏直接影响到汽车的动力性、经济性、可靠性、安全性、排气净化及舒适性。汽车电器设备主要包括电源、发动机的启动系和点火系、照明、信号、电子控制设备等。在现代汽车中，电子技术配备有了飞跃性的发展。目前，在汽车上，尤其是在轿车上较普遍地使用了电子打火、发动机动力输出控制(ElectronicPowerControl,EPC)、发动机电控喷射系统、防抱死制动系统(Anti-lockBrakingSystem,ABS)、速度感应式转向系统(SpeedSensitiveSteering,SSS)、卫星导航系统(GlobalPositioningSystem,GPS)、安全气囊系统(SupplementRestrainSystem,SRS)、自动诊断装置等电子设备，大大提高了轿车的可靠性能和安全性能。随着电子技术的不断发展，汽车将更加电子化和智能化。1.2汽车材料的应用通常，一辆汽车由约2万个零部件组装而成。汽车上每个零件的生产制造都涉及材料问题。据统计，汽车上的零部件采用了4000余种不同的材料加工制造。从汽车的设计、选材、加工制造，到汽车的使用、维修和养护无一不涉及材料。以现代轿车用材为例，按照质量来换算，钢材占汽车自重的55%～60%，铸铁占5%～12%，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6%～12%。目前，汽车制造用材仍以金属材料为主，塑料、橡胶、陶瓷等非金属材料占有一定的比例。本书将系统地介绍汽车应用材料的基础知识，使读者对汽车上应用的各种工程材料以及汽车在运行过程中使用的各种运行材料有一个大致的了解。1.2汽车材料的应用汽车工业的发展一直是与汽车材料及材料加工工艺的发展同步的。现代社会中，人们对汽车的要求从代步、运输逐渐转向多功能。因此，现代汽车要满足安全、舒适、自重轻、污染排放低、能耗小、价格低等要求，首先就要从材料方面考虑。目前，大量新型材料，如高分子材料、复合材料等的迅速发展，为现代汽车的发展提供了必要的条件。此外，复合材料将使传统的以汽油、柴油作为汽车燃料的状况发生根本性的变革。1.3汽车应用材料的组成1.3.1汽车工程材料概念汽车工程材料主要是指用于机械、车辆、船舶、建筑、化工、能源、仪器仪表、航空航天等工程领域中的材料。它既包括用于制造工程构件和机械零件的材料，也包括用于制造工具的材料和具有特殊性能的材料。1.3.1汽车工程材料金属材料高分子材料陶瓷材料复合材料1.3.2汽车运行材料概念汽车运行材料是指汽车在运行过程中所消耗的材料。它包括燃料、润滑剂、工作液和轮胎等，这些材料大多属于石油产品。据统计，全球石油产品的46%为汽车及相关工业所消耗。1.3.2汽车运行材料轮胎汽车用工作液汽车用润滑油燃料1.4汽车应用材料的展望21世纪是高新技术的世纪，信息、生物和新材料代表了高新技术发展的方向。对于汽车材料来说，其总的发展趋势是：结构材料中钢铁材料所占比例将逐步下降，有色金属、陶瓷材料、复合材料、高分子材料等新型材料的用量将有所上升。在性能可靠的前提条件下，将尽可能多地以铝合金、复合材料等轻型、新型材料取代钢铁材料，使汽车向轻量化、高效、节能、低噪声、高舒适度、高安全性等方向发展。全球能源消耗日益增加，消费者对汽车的需求也不断增长，这些都对油价施加了压力，150美元一桶的油价不再是天方夜谭。与此同时，发达国家和新兴国家的监管方都立法规定汽车排放标准，并鼓励循环使用，以期通过此方法解决能源成本和环境问题。1.4汽车应用材料的展望为了满足汽车轻量化的要求，汽车上采用纤维增强聚合物基复合材料(FRP)、铝合金或纤维增强金属基复合材料(FRM)取代原有的钢铁结构零件；采用新型高强度陶瓷材料制造汽车发动机部件乃至整机；运用碳纤维增强树脂基复合材料(CarbonFiberReinforcedComposites,CFRP)制造驱动轴等。此外，汽车运行材料趋向采用绿色环保材料或燃料。由于受到汽车舒适性和安全法规的影响，乘用车的单车平均质量在2004年以前持续攀升，从20世纪80年代初的平均单车质量1.4吨上升到2004年前后的单车1.8吨。而近年来排放和节能法规日趋严格，汽车轻量化已成新的发展趋势，预计到2020年乘用车的平均质量将下降到1.6吨左右，如图1-7所示。总质量似乎下降不大，但如果考虑到这个总下降量是不同材料的有增有减结果的综合效果，进而分解到车身的每种部件和不同材料时，可以发现每种汽车组成材料的变化还是相当显著的。1.4汽车应用材料的展望图1-7全球乘用车平均质量变化趋势及预测1.4汽车应用材料的展望目前，铝与塑料在乘用车制造中已经是普遍使用的材料，全球单车平均用量都在100kg以上，如图1-8所示。图1-82011年全球单台汽车用1.4汽车应用材料的展望高强度钢虽然成本略高，但其加工性能和在部分部件上的安全性能超越了铝与塑料，因而未来将是增加最多的材料，与今天相比，到2020年高强度钢总质量平均每车约增加51kg；其次为铝——平均每车增加45kg，以及塑料——平均每车增加约15kg，如图1-9所示。图1-92011—2020年全球单台汽车1.4汽车应用材料的展望为了保持最佳的燃油效率，汽车生产商使用质量更轻的材料——塑料和高分子零部件。专家预计，在下个十年中，塑料将占车辆平均质量的18%，比2000年的14%有所增加，如图1-10所示。图1-10预计2020年汽车应用材料分布谢谢！第2章

金属材料的性能●汽车应用材料（中国人民大学出版社2024）●第2章

金属材料的性能【知识点】了解金属材料的性能；掌握金属材料力学性能指标。【技能点】学会力学性能指标的测试方法和应用。第2章

金属材料的性能使用性能是指金属材料在使用过程中所表现出的性能，它包括物理性能(如密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性等)、化学性能(如耐腐蚀性、抗氧化性、化学稳定性等)、力学性能(如强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度等)。金属材料是现代机械制造业的基本材料，广泛地应用于工业生产。为了正确合理地使用金属材料，必须了解其性能。金属材料的性能分为使用性能和工艺性能两大类。工艺性能是指金属材料在各种加工过程中所表现出的性能，它包括铸造性能、锻压性能、焊接性能、热处理工艺性能、切削加工性能。2.1金属的力学性能金属材料的性能包括使用性能和工艺性能。金属材料的性能直接关系到汽车的制造装配、运行维护、使用寿命和加工成本，是合理选用汽车零部件材料的重要依据。使用性能是指金属材料为保证机械零件或工具正常工作应具备的性能，即在正常使用条件下所表现出来的性能，包括力学性能、物理性能和化学性能。使用性能决定了材料的使用范围、安全可靠性和使用寿命。工艺性能是指金属材料在各种加工过程中所表现出来的性能，包括铸造性能、锻压性能、焊接性能、热处理性能和切削加工性能等。2.1金属的力学性能概念金属的力学性能是指金属在外力作用下表现出来的性能。表征和判定金属力学性能所用的指标和依据，称为金属力学性能判据。判据的高低表征了金属抵抗各种损伤能力的大小，也是金属制件设计时选材和进行强度计算的主要依据。2.1金属的力学性能金属在加工和使用过程中都会受到外力的作用，这种外力通常称为荷载。静荷载指荷载的大小和方向不随时间发生变化或变化极缓慢的荷载。例如，汽车在静止状态下，车身自重引起的对车架和轮胎的压力属于静荷载。静荷载冲击荷载是指以较高的速度作用于零部件上的荷载。例如，当汽车在不平的道路上行驶时，车身对车架和轮胎的冲击即为冲击荷载。冲击荷载交变荷载指大小与方向随时间发生周期性变化的荷载，运转中的发动机曲轴、齿轮等零部件所承受的荷载均为交变荷载。交变荷载2.1金属的力学性能根据加载形式的不同，外加荷载也可分为拉伸荷载、压缩荷载、弯曲荷载、剪切荷载和扭转荷载等，如图2-1所示。图2-1荷载的作用形式2.1金属的力学性能金属材料在外加荷载作用下，形状和尺寸的变化称为变形。2.1金属的力学性能所谓弹性变形，是指构件受到外加荷载作用时产生变形，荷载卸除后可恢复原状的变形。塑性变形则是指构件在外加荷载作用下产生变形，且当荷载卸除后不能恢复原状的变形，也称之为永久变形。2.1金属的力学性能例如，汽车轮胎紧固螺栓材料及规格的选择，就必须能够保证螺栓在使用过程中不会由于承受不住剪切而扭断，从而保证驾乘人员的安全，如图2-2所示。图2-2汽车轮胎紧固螺栓2.1金属的力学性能金属材料的力学性能是设计和制造汽车零件的重要依据，也是控制汽车零件质量的重要参数。金属材料的选择离不开对金属力学性能的分析。2.1.1强度与塑性概念强度是指金属材料在静荷载作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。塑性是指金属材料在静荷载作用下产生塑性变形而不发生断裂的能力。强度和塑性指标都可以通过拉伸试验测定。2.1.1强度与塑性2.1.1.1拉伸试验概念拉伸试验是指在静拉伸力作用下，对试样进行轴向拉伸，直到拉断。根据拉伸试验绘制出的拉伸曲线，即可计算出强度和塑性的性能指标(《金属材料拉伸试验室温试验方法》GB/T288.1—2010)。2.1.1强度与塑性拉伸试验前，将被测金属制成一定形状和尺寸的标准拉伸试样，图2-3所示为常用的圆形拉伸试样。图2-3标准拉伸试样2.1.1强度与塑性将拉伸试样装夹在拉伸试验机(如图2-4所示)的两个夹头上，沿轴向缓慢加载进行拉伸，试样逐渐伸长、变细，直到最后拉断。图2-4拉伸试验机2.1.1强度与塑性在拉伸试验过程中，拉伸试验机上的自动记录装置可绘出能反映静拉伸荷载F与试样轴向伸长量ΔL对应关系的拉伸曲线，即F-ΔL曲线。图2-5低碳钢的F-ΔL曲线2.1.1强度与塑性由图2-5所示的曲线可以看出，拉伸过程中试样表现出以下几个变形阶段：(1)弹性变形阶段(Op、pe段)(2)屈服阶段(es段)(3)强化阶段(sb段)(4)缩颈阶段(bk段)2.1.1强度与塑性2.1.1.2强度指标(1)屈服强度。金属材料开始产生屈服现象时的最低应力称为屈服强度，用符号ReL表示。式中Fs——试样发生屈服时的最小荷载(N)；S0——试样原始横截面积(mm2)。通过拉伸试验测得的强度指标有屈服强度和抗拉强度。2.1.1强度与塑性除退火和热轧的低碳钢和中碳钢等材料在拉伸过程中有屈服现象以外，汽车上使用的某些金属材料如高碳钢、铸铁等在拉伸过程中没有明显的屈服现象，如图2-6所示。图2-6铸铁的F-ΔL曲线2.1.1强度与塑性2.1.1.2强度指标(2)抗拉强度。金属材料在断裂前所能承受的最大应力称为抗拉强度，用符号Rm表示。式中Fb——试样断裂前所承受的最大荷载(N)；

S0——试样原始横截面积(mm2)。通过拉伸试验测得的强度指标有屈服强度和抗拉强度。2.1.1强度与塑性2.1.1.3塑性指标(1)断后伸长率。试样拉断后，标距长度的伸长量与原始标距的百分比称为断后伸长率，用符号A表示。金属的塑性指标主要由断后伸长率和断面收缩率表示。式中Lu——试样拉断后标距的长度(mm)；L0——试样的原始标距(mm)。2.1.1强度与塑性2.1.1.3塑性指标(2)断面收缩率。试样拉断后横截面积的缩减量与原始横截面积之比称为断面收缩率，用符号Z表示。金属的塑性指标主要由断后伸长率和断面收缩率表示。式中Su——试样拉断处的最小横截面积(mm2)；

S0——试样的原始横截面积(mm2)。2.1.1强度与塑性2.1.2硬度概念硬度是指金属材料抵抗局部变形或者抵抗其他物质刻划或压入其表面的能力，是重要的力学性能指标之一。通常材料的硬度越高，耐磨性越好，因此，常将硬度值作为衡量材料耐磨性的重要指标。在汽车维修行业中所用的模具、量具、刀具等都要求有足够高的硬度，否则就无法正常工作。2.1.2硬度2.1.2.1布氏硬度布氏硬度是在布氏硬度计(如图2-7所示)上测得的，用符号HBW表示，其试验原理如图2-8所示。图2-7布氏硬度计图2-8布氏硬度试验原理示意图2.1.2硬度2.1.2硬度2.1.2.2洛氏硬度洛氏硬度是在洛氏硬度计(如图2-9所示)上测得的，用符号HR表示。其试验原理如图2-10所示。图2-9洛氏硬度计图2-10洛氏硬度试验原理示意图2.1.2硬度2.1.2硬度2.1.2.3维氏硬度维氏硬度的试验原理和布氏硬度基本相似，也是根据压痕单位面积上的荷载大小来计算硬度值。区别在于其压头采用相对面夹角为136°的金刚石正四棱锥，在规定荷载F的作用下压入被测金属表面，保持一定时间后卸除荷载，然后再测量压痕投影的两对角线的平均长度d，如图2-11所示。维氏硬度用符号HV表示，计算公式为式中F——作用在压头上的荷载(N)；d——压痕两条对角线长度的算术平均值(mm)。2.1.2硬度2.1.2.3维氏硬度图2-11维氏硬度试验原理示意图2.1.3冲击韧性图2-12摆锤式冲击试验示意图目前，工程技术上常用一次摆锤冲击试验来测定金属承受冲击荷载的能力，如图2-12所示。2.1.3冲击韧性2.1.3.1摆锤式一次冲击试验图2-13冲击试样首先，将被测金属按照国家标准制成带有U形或V形缺口(试样上开缺口是为了将试样从缺口处击断，脆性材料不开缺口)的标准试样，如图2-13所示。2.1.3冲击韧性2.1.3.1摆锤式一次冲击试验有些金属材料在室温时并不显示脆性，而在较低温度下则可能发生脆断。温度对冲击吸收功的影响如图2-14所示。图2-14温度对冲击吸收功的影响2.1.3冲击韧性2.1.3.2小能量多次冲击试验小能量多次冲击试验如图2-15所示。试验时试样受到试验机锤头的能量多次冲击。测定被测试样在一定冲击能量下，最后产生断裂的冲击次数，即为金属材料的多次冲击抗力。图2-15小能量多次冲击试验2.1.4疲劳强度材料的疲劳强度可以通过疲劳试验机测定，如图2-16所示。图2-16疲劳试验示意图2.1.4疲劳强度疲劳曲线示意图如图2-17所示，曲线表明，材料承受的交变应力越大，其断裂前能承受的循环次数越少；反之，则循环次数越多。图2-17疲劳曲线示意图2.2金属材料的工艺性能切削加工性能热处理性能锻压性能焊接性能铸造性能按照工艺方法，金属材料的工艺性能主要包括谢谢！第3章

汽车用钢铁材料●汽车应用材料第3章

汽车用钢铁材料【知识点】了解铁碳合金相图含义和应用，掌握铁碳合金的成分、组织和性能之间的关系；了解常用钢铁热处理方法和选用；熟悉常用碳钢、合金钢、铸铁的分类、性能、牌号及应用。【技能点】了解汽车常用钢铁材料的性能要求和失效形式以及常用钢铁热处理方法和选用；熟悉汽车上使用的钢铁材料的识别；学会汽车常用零部件选用钢铁材料的方法和应用。任务3.1铁碳合金钢铁材料的基本组成元素是铁和碳两种元素，故称为铁碳合金。不同成分的铁碳合金，在不同的温度下具有不同的组织，因而表现出不同的性能。铁碳合金相图是研究平衡条件下，铁碳合金的成分、温度和组织之间关系的图形，是制定钢铁材料各种热加工工艺、掌握材料的性能和合理选材的重要依据。3.1.1铁碳合金的基本相及组织3.1.1.1铁素体铁素体是碳溶于α-Fe中所形成的间隙固溶体，用符号F表示。图3-1铁素体的显微组织3.1.1铁碳合金的基本相及组织3.1.1.2奥氏体奥氏体是碳溶于γ-Fe中所形成的间隙固溶体，用符号A表示。图3-2奥氏体的显微组织3.1.1铁碳合金的基本相及组织3.1.1.3渗碳体奥氏体是碳溶于γ-Fe中所形成的间隙固溶体，用符号A表示。图3-3渗碳体的晶体结构3.1.1铁碳合金的基本相及组织3.1.1.4珠光体珠光体是由铁素体和渗碳体相间排列而成的层片状的机械混合物，用P表示，如图3-4所示。图3-4珠光体的显微组织3.1.1铁碳合金的基本相及组织3.1.1.5莱氏体低温莱氏体的显微组织可以看成是在渗碳体的基体上分布着颗粒状的珠光体，如图3-5所示。莱氏体硬度很高，塑性很差。图3-5莱氏体的显微组织3.1.1铁碳合金的基本相及组织铁碳合金的基本相及组织的力学性能见表3-1。3.1.2铁碳合金相图3.1.1.5莱氏体由于碳的质量分数wC＞6.69%的铁碳合金脆性很大，加工困难，没有实用价值，而且Fe3C又是一个稳定的化合物，可以作为一个独立的组元，因此铁碳合金相图实际上是碳的质量分数在0～6.69%的Fe－Fe3C相图，如图3-6所示。图3-6Fe-Fe3C相图3.1.3铁碳合金相图分析为便于研究，在分析铁碳合金相图时，将图3-6中左上角(包晶转变)部分予以简化，简化后的Fe-Fe3C相图如图3-7所示。图3-7简化的Fe-Fe3C相图3.1.3铁碳合金相图分析3.1.3.1Fe-Fe3C相图中的特性点3.1.3铁碳合金相图分析3.1.3.2Fe-Fe3C相图中的特性线(1)ACD线为液相线，任何成分的铁碳合金在此线以上均为液相，用L表示。液态铁碳合金缓慢冷至AC线，开始结晶出奥氏体，缓冷至CD线结晶出渗碳体。从液态中析出的渗碳体称为一次渗碳体，表示为Fe3CI。(2)AECF线为固相线，液态合金冷却至此线全部结晶为固相。(3)ECF线为共晶线，凡是wC＞2.11%的铁碳合金，缓冷至此线(1148℃)时，均发生共晶转变，从具有共晶成分的液相中，同时结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物，即莱氏体。(4)PSK线为共析线，又称A1线。凡是wC＞0.0218%的铁碳合金，缓冷至此线(727℃)时，均发生共析转变，从具有共析成分的奥氏体中，同时析出铁素体和渗碳体的机械混合物，即珠光体。3.1.3铁碳合金相图分析3.1.3.2Fe-Fe3C相图中的特性线(5)ES线为碳在γ-Fe中的溶解度曲线，又称Acm线。当奥氏体由高温缓冷至ES线时，碳在奥氏体中的溶解度达到饱和，随着温度的下降，溶解度减小，多余的碳将以渗碳体的形式从奥氏体中析出。从奥氏体中析出的渗碳体称为二次渗碳体，表示为Fe3CⅡ。(6)PQ线为碳在α-Fe中的溶解度曲线。在727℃时碳在α-Fe中的溶解度最大，为0.0218%。随着温度的降低，溶解度减小，多余的碳将以渗碳体的形式从铁素体中析出。从铁素体中析出的渗碳体称为三次渗碳体，表示为Fe3CⅢ。(7)GS线又称A3线，是冷却时奥氏体向铁素体转变的开始线；GP线为冷却时奥氏体向铁素体转变的终了线。3.1.3铁碳合金相图分析3.1.3.3铁碳合金的分类(1)工业纯铁为wC≤0.0218%的铁碳合金。(2)钢为0.0218%＜wC≤2.11%的铁碳合金。根据其室温组织不同又可分为：①亚共析钢，0.0218%＜wC＜0.77%；②共析钢，wC=0.77%；③过共析钢，0.77%＜wC≤2.11%。(3)白口铸铁为2.11%＜wC≤6.69%的铁碳合金，称为白口铸铁。根据其室温组织不同又可分为：①亚共晶白口铸铁，2.11%＜wC＜4.3%；②共晶白口铸铁，wC=4.3%；③过共晶白口铸铁，4.3%＜wC≤6.69%。铁碳合金根据其在Fe-Fe3C相图中的位置可分为以下几种。3.1.4典型铁碳合金的平衡结晶过程及室温组织3.1.4.1共析钢图3-7中合金Ⅰ为共析钢。当液态合金缓慢冷却到与液相线AC相交的1点时，开始从液相中结晶出奥氏体。随着温度的下降，奥氏体量逐渐增多，其成分沿AE线变化，而剩余液相逐渐减少，成分沿AC线变化。冷却至2点时，液相全部结晶为与原合金成分相同的奥氏体。在2～S点温度范围内为单一的奥氏体。待冷却至S点时，奥氏体将发生共析转变，同时析出P点成分的铁素体和K点成分的渗碳体，转变成铁素体和渗碳体层片相间的机械混合物，即珠光体。在S点以下继续冷却时，铁素体成分沿PQ线变化，将析出三次渗碳体，三次渗碳体与共析渗碳体混在一起，不易分辨，且数量极少，可忽略不计。因此共析钢在室温的组织是珠光体，如图3-4所示。3.1.4典型铁碳合金的平衡结晶过程及室温组织图3-8共析钢在冷却过程中的组织转变示意图共析钢在冷却过程中的组织转变情况如图3-8所示。3.1.4典型铁碳合金的平衡结晶过程及室温组织3.1.4.2亚共析钢图3-7中合金Ⅱ为亚共析钢。亚共析钢在3点以上温度冷却过程与共析钢在S点以上相似。当缓慢冷却到与GS线相交的3点时，开始从奥氏体中析出铁素体，随着温度的降低，铁素体量逐渐增多，其成分沿GP线变化，而奥氏体量逐渐减少，成分沿GS线向共析成分接近。当冷却到与PSK线相交的4点时，剩余奥氏体达到共析成分，将在共析温度下发生共析转变而形成珠光体。温度继续下降，从铁素体中析出极少量三次渗碳体可忽略不计。因此亚共析钢在室温的组织是铁素体+珠光体。亚共析钢在冷却过程中的组织转变情况如图3-9所示。3.1.4典型铁碳合金的平衡结晶过程及室温组织3.1.4.2亚共析钢图3-9亚共析钢在冷却过程中的组织转变3.1.4典型铁碳合金的平衡结晶过程及室温组织3.1.4.2亚共析钢所有亚共析钢的室温组织都是铁素体+珠光体，但随着碳的质量分数的增加，组织中珠光体的量增多，铁素体的量减少。如图3-10所示是不同成分亚共析钢的室温组织，图中白色部分为铁素体，黑色部分为珠光体。图3-10不同成分亚共析钢的室温组织3.1.4典型铁碳合金的平衡结晶过程及室温组织3.1.4.3过共析钢图3-7中合金Ⅲ为过共析钢。过共析钢在3点以上温度冷却过程与共析钢在S点以上相似。当缓慢冷却到与ES线相交的3点时，奥氏体中的溶碳量达到饱和，随着温度的降低，多余的碳以二次渗碳体的形式析出，并以网状形式沿奥氏体晶界分布。随着温度的降低，二次渗碳体量逐渐增多，而奥氏体量逐渐减少，奥氏体成分沿ES线向共析成分接近。当冷却到与PSK线相交的4点时，剩余奥氏体达到共析成分，将在共析温度下发生共析转变而形成珠光体。温度继续下降，组织不再变化。因此过共析钢在室温的组织是珠光体+网状二次渗碳体。过共析钢在冷却过程中的组织转变情况如图3-11所示。3.1.4典型铁碳合金的平衡结晶过程及室温组织3.1.4.3过共析钢图3-11过共析钢在冷却过程中的组织转变示意图3.1.4典型铁碳合金的平衡结晶过程及室温组织3.1.4.3过共析钢所有过共析钢的室温组织都是珠光体+网状二次渗碳体，但随着碳的质量分数的增加，组织中二次渗碳体的量逐渐增多，珠光体的量逐渐减少，当wC=2.11%时，二次渗碳体的量达到最大，其值为22.6%。图3-12所示是过共析钢的室温组织，图3-12中呈片状黑白相间的部分为珠光体，白色网状为二次渗碳体。图3-12过共析钢的室温组织3.1.4典型铁碳合金的平衡结晶过程及室温组织3.1.4.4共晶白口铸铁图3-7中合金Ⅳ为共晶白口铸铁。当共晶白口铸铁缓慢冷却到C点时将发生共晶转变，即从液态合金中同时结晶出E点成分的奥氏体和F点成分的渗碳体的机械混合物，即莱氏体。在C点以下继续冷却时，莱氏体中奥氏体将析出二次渗碳体，随着温度的下降，二次渗碳体的量不断增多，而奥氏体的量不断减少，其成分沿ES线向共析成分接近。当温度下降至与PSK线相交的1点时，奥氏体达到共析成分，将发生共析转变析出珠光体，二次渗碳体保留到室温。因此共晶白口铸铁在室温的组织是珠光体和渗碳体(共晶渗碳体+二次渗碳体)组成的两相组织，即低温莱氏体，如图3-5所示。3.1.4典型铁碳合金的平衡结晶过程及室温组织3.1.4.4共晶白口铸铁图3-13共晶白口铸铁冷却过程中的组织转变示意图3.1.4典型铁碳合金的平衡结晶过程及室温组织3.1.4.5亚共晶白口铸铁图3-7中合金Ⅴ为亚共晶白口铸铁。当亚共晶白口铸铁缓慢冷却到与AC线相交的1点时，开始从液相中结晶出奥氏体。随着温度的下降，奥氏体量逐渐增多，其成分沿AE线变化，而剩余液相量逐渐减少，其成分沿AC线向共晶成分接近。当冷却到与共晶线ECF相交的2点时，剩余液相达到共晶成分，将发生共晶转变形成莱氏体，此时的组织为奥氏体+莱氏体。随着温度的继续下降，奥氏体的成分将沿着ES线向共析成分接近，并不断从先结晶出来的奥氏体和莱氏体中的奥氏体析出二次渗碳体。当温度下降至与PSK线相交的3点时，奥氏体达到共析成分，将发生共析转变析出珠光体，二次渗碳体保留到室温。因此亚共晶白口铸铁室温的组织是珠光体+二次渗碳体+低温莱氏体，亚共晶白口铸铁冷却过程中的组织转变情况如图3-14所示。3.1.4典型铁碳合金的平衡结晶过程及室温组织3.1.4.5亚共晶白口铸铁图3-14亚共晶白口铸铁冷却过程中的组织转变情况3.1.4典型铁碳合金的平衡结晶过程及室温组织3.1.4.5亚共晶白口铸铁显微组织如图3-15所示，图中黑色块状或树枝状为珠光体，珠光体周围白色网状为二次渗碳体，黑白相间的基体为低温莱氏体。图3-15亚共晶白口铸铁的显微组织3.1.4典型铁碳合金的平衡结晶过程及室温组织3.1.4.6过共晶白口铸铁图3-7中合金Ⅵ为过共晶白口铸铁。当过共晶白口铸铁缓慢冷却到与CD线相交的1点时，开始从液相中结晶出一次渗碳体。随着温度的下降，一次渗碳体量逐渐增多，剩余液相量逐渐减少，其成分沿CD线向共晶成分接近。当冷却到与共晶线ECF相交的2点时，剩余液相达到共晶成分，将发生共晶转变形成莱氏体，此时的组织由莱氏体和一次渗碳体组成。随着温度的继续下降，合金的组织变化与共晶、亚共晶白口铸铁基本相同，即冷却至3点莱氏体转变成低温莱氏体，继续冷却合金组织不再变化。过共晶白口铸铁室温组织是低温莱氏体+一次渗碳体，过共晶白口铸铁冷却过程中的组织转变情况如图3-16所示。3.1.4典型铁碳合金的平衡结晶过程及室温组织3.1.4.6过共晶白口铸铁图3-16过共晶白口铸铁冷却过程中的组织转变3.1.4典型铁碳合金的平衡结晶过程及室温组织3.1.4.6过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁的显微组织如图3-17所示，图中白色条状为一次渗碳体，基体为低温莱氏体。图3-17过共晶白口铸铁的显微组织3.1.5铁碳合金的成分、组织、性能间的关系3.1.5.1铁碳合金的成分与组织间的关系由上述分析可知，随着碳的质量分数的提高，铁碳合金室温下的平衡组织依次为：F+Fe3CⅢ→F+P→P→P+Fe3CⅡ→P+Fe3CⅡ+L′d→L′d→L′d+Fe3CⅠ3.1.5铁碳合金的成分、组织、性能间的关系3.1.5.1铁碳合金的成分与组织间的关系任何成分的铁碳合金在室温均是由铁素体和渗碳体两相组成的，并且随着碳的质量分数的增加，铁素体的相对量在减少，而渗碳体的相对量在增加。铁碳合金的成分与组织组成物和相组成物相对量的关系如图3-18所示。图3-18铁碳合金的成分与组织组成物和相组成物相对量的关系3.1.5铁碳合金的成分、组织、性能间的关系3.1.5.2铁碳合金的成分与性能间的关系在铁碳合金中，渗碳体是一种强化相，所以渗碳体数量越多，分布越均匀，则铁碳合金的强度、硬度越高，塑性、韧性越低；但当渗碳体分布在晶界或作为基体存在时，则铁碳合金的塑性和韧性将大大下降，且强度也随之降低。图3-19所示是铁碳合金中碳的质量分数对钢力学性能的影响，从图中可以看出，当wC＜0.9%时，随着碳的质量分数的增加，钢的强度和硬度直线上升，而塑性和韧性却不断降低；而当wC＞0.9%时，由于二次渗碳体不断在晶界析出并形成完整的网状，不仅使钢的塑性、韧性进一步下降，而且强度也开始明显下降。因此，在机械制造中，为了保证钢既具有足够高的强度，同时又具有一定的塑性和韧性，钢中碳的质量分数一般都不超过1.4%。3.1.5铁碳合金的成分、组织、性能间的关系3.1.5.2铁碳合金的成分与性能间的关系图3-19铁碳合金中碳的质量分数对钢力学性能的影响3.1.5铁碳合金的成分、组织、性能间的关系3.1.5.3铁碳相图的应用1.在选材方面的应用由Fe-Fe3C相图可知，不同成分的铁碳合金，其室温组织不同，导致其力学性能也不同。因此，可根据零件的不同性能要求来合理地选择材料。例如，要求塑性、韧性好的金属构件(汽车上的机油盘、汽缸盖罩)，应选碳的质量分数较低的钢；要求强度、硬度、塑性和韧性都较高的机械零件(汽车曲轴)，则应选用碳的质量分数为0.25%～0.60%的中碳钢；对于汽车上承受交变荷载的弹簧，要求具有较高的弹性和韧性，则需选用碳的质量分数为0.60%～0.85%的中高碳钢；对于要求有高硬度、高耐磨性的切削刀具和测量工具，则应选用碳的质量分数为0.7%～1.3%的高碳钢。3.1.5铁碳合金的成分、组织、性能间的关系3.1.5.3铁碳相图的应用2.在制定热加工工艺方面的应用(1)在铸造方面(2)在锻压方面(3)在焊接方面(4)在热处理方面任务3.2钢的热处理根据加热和冷却方式的不同，热处理一般分为普通热处理和表面热处理。普通热处理又称整体热处理，主要包括退火、正火、淬火和回火；表面热处理包括表面淬火和化学热处理。图3-20最基本的热处理工艺曲线3.2.1钢在加热和冷却时的组织转变热处理工艺中加热和冷却的目的都是使钢的组织发生转变。在铁碳相图中，A1、A3、Acm线都是平衡状态的相变温度(又称临界点)，而在实际生产中加热和冷却过程不可能非常缓慢，因此往往造成相变点的实际位置比平衡状态时有所偏离。即加热时实际转变温度略高于平衡相变点，而冷却时却略低于平衡相变点。为了使两者有所区别，通常将加热时的实际相变点用Ac1、Ac3、Accm表示；冷却时的实际相变点用Ar1、Ar3、Arcm表示，如图3-21所示。图3-21钢在加热或冷却时各临界点的实际位置3.2.1钢在加热和冷却时的组织转变3.2.1.1钢在加热时的组织转变该过程可归纳为奥氏体晶核的形成、奥氏体晶核的长大、残余渗碳体的溶解和奥氏体成分均匀化四个阶段，如图3-22所示。图3-22共析钢奥氏体形成过程3.2.1钢在加热和冷却时的组织转变3.2.1.2钢在冷却时的组织转变等温冷却是将奥氏体化后的钢迅速冷至Ar1以下某一温度并保温，使其在该温度下发生组织转变，然后再冷却到室温的热处理工艺，如图3-23中曲线1所示；连续冷却是指将奥氏体化的钢自加热温度连续冷却至室温的热处理工艺，如图3-23中曲线2所示。图3-23两种冷却方式示意图3.2.1钢在加热和冷却时的组织转变3.2.1.2钢在冷却时的组织转变图3-24共析钢过冷奥氏体等温转变曲线1.过冷奥氏体的等温转变(1)过冷奥氏体等温转变曲线的建立。3.2.1钢在加热和冷却时的组织转变3.2.1.2钢在冷却时的组织转变1.过冷奥氏体的等温转变(2)过冷奥氏体等温转变产物的组织形态及性能。①珠光体转变。3.2.1钢在加热和冷却时的组织转变3.2.1.2钢在冷却时的组织转变1.过冷奥氏体的等温转变(2)过冷奥氏体等温转变产物的组织形态及性能。②贝氏体转变。图3-25贝氏体的显微组织3.2.1钢在加热和冷却时的组织转变3.2.1.2钢在冷却时的组织转变1.过冷奥氏体的等温转变(2)过冷奥氏体等温转变产物的组织形态及性能。③马氏体转变。图3-26板条马氏体和针片状马氏体的显微组织3.2.1钢在加热和冷却时的组织转变3.2.1.2钢在冷却时的组织转变2.过冷奥氏体的连续冷却转变共析钢的连续冷却转变曲线如图3-27所示。由图可见，连续冷却转变曲线只有C曲线的上半部分，因此连续冷却时只发生珠光体和马氏体转变，而不会发生贝氏体转变。图中Ps线为过冷奥氏体向珠光体转变的开始线；Pf线为过冷奥氏体向珠光体转变的终了线；KK′线为过冷奥氏体向珠光体转变的终止线，它表示冷却曲线与KK′线相交时，过冷奥氏体即停止向珠光体转变，剩余部分一直冷却到Ms线以下发生马氏体转变。υK是过冷奥氏体在连续冷却过程中不发生分解，全部转变为马氏体的最小冷却速度，也称为马氏体临界冷却速度；υ′K是获得全部珠光体型组织的最大冷却速度。3.2.1钢在加热和冷却时的组织转变3.2.1.2钢在冷却时的组织转变2.过冷奥氏体的连续冷却转变图3-27共析钢的连续冷却转变曲线3.2.2钢的普通热处理3.2.2.1钢的退火和正火1.钢的退火退火是将钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却(一般是随炉冷却，也可埋砂冷却或灰冷)的热处理工艺。根据钢的成分和退火目的不同，退火常分为完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火和去应力退火等。3.2.2钢的普通热处理3.2.2.1钢的退火和正火2.钢的正火3.2.2钢的普通热处理3.2.2.1钢的退火和正火2.钢的正火正火是将钢加热到Ac3(或Accm)以上30℃～50℃，保温一定时间，然后出炉在空气中冷却的热处理工艺。正火和退火的主要区别是正火的冷却速度稍快，得到的组织较细小，强度和硬度有所提高，操作简便，产生周期短，成本较低。3.2.2钢的普通热处理正火主要应用于以下几个方面：改善低碳钢和低碳合金钢的切削加工性。消除网状渗碳体。21作为中碳钢零件的预先热处理。3作为普通结构件的最终热处理。43.2.2钢的普通热处理图3-28退火和正火加热温度范围及热处理工艺曲线3.2.2钢的普通热处理3.2.2.2钢的淬火2.钢的正火淬火是将钢加热到Ac3(或Ac1)以上30℃～50℃，保温一定时间，然后以大于马氏体临界冷却速度快速冷却，以获得马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺。其目的是提高钢的硬度和耐磨性，淬火是强化钢材最重要的工艺方法。淬火必须与适当的回火工艺相配合，才能使钢具有不同的力学性能，以满足各类零件或工模具的使用要求。3.2.2钢的普通热处理3.2.2.2钢的淬火2.钢的正火(1)淬火加热温度的确定，淬火加热温度应以获得均匀而细小的奥氏体晶粒为原则。图3-29碳钢的淬火加热温度范围3.2.2钢的普通热处理3.2.2.2钢的淬火2.钢的正火(2)淬火冷却介质，为了保证淬火后获得马氏体组织，淬火冷却速度必须大于马氏体临界冷却速度，但过快的冷却速度必然产生较大的淬火内应力，导致工件产生变形或裂纹，所以，淬火时在获得马氏体组织的前提下，尽量选用较缓和的冷却介质。图3-30理想的淬火冷却速度3.2.2钢的普通热处理3.2.2.2钢的淬火2.钢的正火(3)常用的淬火方法。常用的淬火方法有单介质淬火、双介质淬火、分级淬火和等温淬火等，如图3

31所示。图3-31常用的淬火方法3.2.2钢的普通热处理3.2.2.2钢的淬火2.钢的正火(4)钢的淬透性。钢淬火的目的是获得马氏体组织，但并非任何钢种、任何成分的钢在淬火时都能在整个截面上得到马氏体，这是由于淬火冷却时表面与心部冷却速度有差异所致。显然只有冷却速度大于临界冷却速度的部分才有可能获得马氏体。钢的淬透性是指钢在淬火时获得淬硬层深度的能力，其大小通常用规定条件下淬硬层的深度来表示。淬硬层越深，其淬透性越好。凡是能增加过冷奥氏体稳定性，即使C曲线右移，减小钢的临界冷却速度的因素，都能提高钢的淬透性。反之，则降低淬透性。所以，钢的化学成分和奥氏体化条件是影响其淬透性的基本因素。3.2.2钢的普通热处理3.2.2.3钢的回火回火是将淬火后的钢重新加热到A1以下某一温度，保温一定时间后冷却到室温的热处理工艺。淬火后的工件不宜直接使用，必须及时进行回火。回火决定了钢的组织和性能，是重要的热处理工序，其目的是减少或消除淬火应力，防止工件变形开裂，稳定工件尺寸及获得必需的力学性能。3.2.2钢的普通热处理(1)回火的种类和应用。生产中根据回火温度不同分为低温回火、中温回火和高温回火三类，淬火后进行高温回火，称为调质。回火的工艺特点及应用范围见表3-5。3.2.2钢的普通热处理(2)回火脆性。淬火钢回火时，随着温度的升高，通常强度、硬度降低，而塑性、韧性提高。但在某些温度范围内钢的韧性有下降的现象，这种现象称为回火脆性。按回火脆性的温度范围，可分为低温回火脆性和高温回火脆性。①低温回火脆性。淬火钢在250℃～350℃回火时出现的回火脆性，称为低温回火脆性或第一类回火脆性。几乎所有的钢都存在这类脆性，这类回火脆性是不可逆的，因此，一般应避免在此温度范围内回火。②高温回火脆性。一些合金钢，尤其是含Cr、Mn、Ni等合金元素的钢，淬火后在450℃～650℃之间回火时也会产生回火脆性，称为高温回火脆性或第二类回火脆性。这类回火脆性是可逆的，生产中可采用快速冷却或在钢中加入W、Mo等合金元素来有效抑制这类回火脆性。3.2.3钢的表面热处理3.2.3.1钢的表面淬火概念表面淬火是指在不改变钢的化学成分及心部组织的情况下，利用快速加热，将表层加热到奥氏体化温度后进行淬火，使表层获得硬而耐磨的马氏体组织，而心部组织仍然不变的热处理工艺。目前生产中广泛应用的是感应加热表面淬火和火焰加热表面淬火。3.2.3钢的表面热处理3.2.3.1钢的表面淬火1.感应加热表面淬火图3-32感应加热表面淬火的原理3.2.3钢的表面热处理3.2.3.1钢的表面淬火1.感应加热表面淬火3.2.3钢的表面热处理3.2.3.1钢的表面淬火1.感应加热表面淬火(3)感应加热表面淬火的特点。感应淬火最适宜的钢种是中碳钢和中碳合金钢，也可用于高碳工具钢、低合金工具钢及铸铁等。一般表面淬火前应对工件进行正火或调质，以保证心部有良好的力学性能。与普通淬火相比，感应加热淬火具有加热速度快、加热温度高、淬火质量好、生产效率高等特点，但感应加热设备较贵，维修调整较困难，形状复杂的零件不易制作感应器，不适于单件生产。3.2.3钢的表面热处理3.2.3.1钢的表面淬火2.火焰加热表面淬火(3)感应加热表面淬火的特点。火焰加热表面淬火是利用氧-乙炔或煤气-氧的混合气体燃烧的火焰，将工件表层快速加热到淬火温度，然后立即喷水快速冷却的热处理工艺，如图3-33所示。火焰加热表面淬火的淬硬层深度一般为2～8mm。图3-33火焰加热表面淬火示意图3.2.3钢的表面热处理3.2.3.2钢的化学热处理化学热处理是将工件置于一定温度的活性介质中，使一种或几种元素渗入工件的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。与表面淬火相比，化学热处理不仅改变表层的组织，而且还改变其化学成分，获得一般表面淬火达不到的特殊性能(如耐热

性、耐蚀性以及减摩性等)，

从而提高钢的使用性能，延长

使用寿命。3.2.3钢的表面热处理3.2.3.2钢的化学热处理任务3.3碳素钢碳素钢简称碳钢，通常指碳的质量分数小于2

11%的铁碳合金。因其具有较好的力学性能和工艺性能，而且冶炼方便、价格低廉，因此是制造各种机器、工程结构、量具和刀具等最主要的材料，在汽车零件制造中也得到广泛的应用。图3-35常见碳素钢制造的汽车零件任务3.3碳素钢3.3.1常存杂质对钢性能的影响硫锰硅磷3.3.2碳钢的分类3.3.2.1按碳的质量分数分类(1)低碳钢。低碳钢是指碳的质量分数wC≤0.25%的钢。(2)中碳钢。中碳钢是指碳的质量分数0.25%＜wC≤0.60%的钢。(3)高碳钢。高碳钢是指碳的质量分数wC＞0.60%的钢。3.3.2碳钢的分类3.3.2.2按钢的质量分类(1)普通碳素钢。wS＜0.055%，wP＜0.045%。(2)优质碳素钢。wS＜0.040%，wP＜0.040%。(3)高级优质碳素钢。wS＜0.030%，wP＜0.035%。(4)特级优质碳素钢。wS＜0.025%，wP＜0.030%。3.3.2碳钢的分类3.3.2.3按钢的用途分类(1)碳素结构钢。用于制造汽车零件和工程构件，多为低碳钢和中碳钢。(2)碳素工具钢。用于制造刀具、量具和模具，多为高碳钢。此外，按炼钢的脱氧程度分类，可分为镇静钢(脱氧程度完全)、沸腾钢(脱氧程度不完全)和半镇静钢(脱氧程度不十分完全)等。3.3.3碳钢的牌号、性能和用途3.3.3.1普通碳素结构钢3.3.3碳钢的牌号、性能和用途3.3.3.1普通碳素结构钢3.3.3碳钢的牌号、性能和用途3.3.3.2优质碳素结构钢概念优质碳素结构钢是应用极为广泛的机械制造用钢。与普通碳素结构钢相比，其硫、磷等有害元素含量较少，因而强度较高，塑性和韧性较好，经过热处理后还可以进一步调整和改善其力学性能，因此，常用于制造较重要的机械零件。3.3.3碳钢的牌号、性能和用途3.3.3.2优质碳素结构钢3.3.3碳钢的牌号、性能和用途3.3.3.3碳素工具钢概念碳素工具钢的牌号是用“碳”字汉语拼音首位字母T加上数字表示。数字表示钢中平均碳的质量分数的千分之几。如牌号T8、T12分别表示其平均碳的质量分数为0

8%和1

2%。若是高级优质碳素工具钢，则在数字后面加符号A，如T10A。3.3.3碳钢的牌号、性能和用途3.3.3.3碳素工具钢3.3.3碳钢的牌号、性能和用途3.3.3.4铸钢铸钢是冶炼后直接铸造成形的钢种。铸钢的牌号有两种表示方法：用力学性能表示时，用“铸”和“钢”两字汉语拼音首位字母ZG后加两组数字表示，第一组数字表示屈服强度的最低值，第二组数字表示抗拉强度的最低值。铸钢主要有碳素铸钢和低合金铸钢两大类。碳素铸钢按用途分为一般工程用碳素铸钢和焊接结构用碳素铸钢，见表3-12。低合金铸钢是在碳素铸钢基础上，提高锰、硅的含量，以发挥其合金化的作用，另外还添加铬、钼等合金元素。3.3.3碳钢的牌号、性能和用途3.3.3.4铸钢3.3.3碳钢的牌号、性能和用途3.3.3.4铸钢任务3.4合金钢3.3.3.4铸钢概念所谓合金钢，是指在碳素钢的基础上，为了改善钢的某些性能，在冶炼时有目的地加入一些合金元素炼成的钢。常用的合金元素有硅(Si)、锰(Mn)、铬(Cr)、镍(Ni)、钨(W)、钼(Mo)、钒(V)、硼(B)、铝(Al)、钛(Ti)和稀土元素(RE)等。任务3.4合金钢合金钢和碳素钢相比有许多优点：在相同的淬火条件下，能获得更深的淬硬层；具有良好的综合力学性能；具有良好的耐磨性、耐腐蚀性和耐高温性等特殊性能。图3-36常见的合金钢制造的汽车零件任务3.4合金钢3.3.3.4铸钢图3-36常见的合金钢制造的汽车零件(续)3.4.1合金钢的分类及牌号3.4.1.1合金钢的分类1.按合金钢的用途分类(1)合金结构钢。用来制造各种重要机械零件和工程结构。(2)合金工具钢。用来制造各种重要的加工工具，如刃具、量具和模具等。(3)特殊性能钢。用来制造具有特殊性能要求的结构件和机械零件。3.4.1合金钢的分类及牌号3.4.1.1合金钢的分类1.按合金钢的用途分类(1)合金结构钢。用来制造各种重要机械零件和工程结构。(2)合金工具钢。用来制造各种重要的加工工具，如刃具、量具和模具等。(3)特殊性能钢。用来制造具有特殊性能要求的结构件和机械零件。3.4.1合金钢的分类及牌号3.4.1.1合金钢的分类2.按合金元素的含量分类(1)低合金钢。合金元素总含量小于5%。(2)中合金钢。合金元素总含量为5%～10%。(3)高合金钢。合金元素总含量大于10%。3.4.2合金结构钢3.4.1.2合金钢的牌号低合金高强度结构钢1合金渗碳钢2合金调质钢3合金弹簧钢4滚动轴承钢5超高强度钢63.4.3合金工具钢3.4.3.1合金刃具钢3.4.4特殊性能钢3.4.3.1合金刃具钢耐热钢不锈钢铬不锈钢铬镍不锈钢抗氧化钢热强钢3.4.4特殊性能钢3.4.4.3耐磨钢耐磨钢是指在强烈的冲击和巨大的压力下，才能产生硬化的钢。其碳的质量分数为1

0%～1

3%，锰的质量分数为11%～14%，因锰的质量分数高，故又称高锰耐磨钢。耐磨钢经热处理后塑性和韧性好，硬度并不高。当它受到强烈的冲击和挤压时，表面因塑性变形而迅速产生硬化，硬度大大提高，从而具有高的耐磨性。当表面磨损后，新露出的表面又因受到冲击和挤压而提高耐磨性。耐磨钢不宜切削加工，但有良好的铸造性能，所以一般都采用铸造成型。任务3.5铸铁图3-37常见铸铁制造的汽车零件3.5.1铸铁的石墨化3.5.1.1影响石墨化的因素12化学成分冷却速度3.5.1铸铁的石墨化3.5.1.1影响石墨化的因素图3-38化学成分和冷却速度对石墨化的影响3.5.1铸铁的石墨化3.5.1.2铸铁的分类白口铸铁1灰口铸铁2麻口铸铁33.5.1铸铁的石墨化3.5.1.2铸铁的分类3.5.2灰铸铁3.5.2.1灰铸铁的组织和性能灰铸铁的组织是由碳钢的基体加片状石墨组成。按基体组织不同，灰铸铁分为铁素体灰铸铁、铁素体-珠光体灰铸铁和珠光体灰铸铁三类。灰铸铁的性能取决于基体的组织和石墨的形态。由于石墨的强度极低，因此可以把铸铁看成是布满裂纹和孔洞的钢。石墨的存在不仅破坏了金属基体的连续性，而且减少了金属基体承受荷载的有效截面，使实际应力大大增加；另一方面在石墨尖角处易造成应力集中使尖角处的应力远大于平均应力。3.5.2灰铸铁3.5.2.2灰铸铁的变质处理(孕育处理)灰铸铁的变质处理就是在浇注前向铁水中加入少量变质剂(硅铁或硅钙合金)，改变铁水的结晶条件，以获得细小的珠光体基体和细小均匀分布的片状石墨组织。经变质处理后的灰铸铁称为变质铸铁或孕育铸铁。灰铸铁经变质处理后强度有较大的提高，塑性和韧性也得到改善，常用于要求力学性能较高、截面尺寸较大的铸件。灰铸铁组织中因有片状石墨的存在，因而它的力学性能较低。为了改善灰铸铁的组织，提高其力学性能，可对灰铸铁进行变质处理。3.5.2灰铸铁3.5.2.3灰铸铁的牌号及用途3.5.2灰铸铁3.5.2灰铸铁3.5.2.4灰铸铁的热处理去应力退火1消除铸件白口的高温退火2表面淬火33.5.3可锻铸铁3.5.3.1可锻铸铁的组织及性能可锻铸铁的组织一般为铁素体基体加团絮状石墨或珠光体基体加团絮状石墨。铁素体基体的可锻铸铁因其断口呈黑色，故称黑心可锻铸铁。可锻铸铁因基体组织不同，其性能也不相同。黑心可锻铸铁具有较高的塑性和韧性，而珠光体可锻铸铁则具有较高的强度、硬度和耐磨性，但塑性和韧性低于黑心可锻铸铁。由于可锻铸铁中的石墨呈团絮状，因此，极大程度地减轻了对金属基体的割裂作用和应力集中现象，所以其强度比灰铸铁高很多，塑性和韧性也有较大的提高。3.5.3可锻铸铁3.5.3.2可锻铸铁的牌号及用途可锻铸铁的牌号是由KTH或KTZ和两组数字组成。其中KT是可锻铸铁的代号，H表示黑心可锻铸铁，Z表示珠光体可锻铸铁；代号后面的两组数字分别表示最低抗拉强度值(MPa)和最低断后伸长率的百分数。例如，牌号KTH300-06表示最低抗拉强度为300MPa，最低断后伸长率为6%的黑心可锻铸铁。3.5.3可锻铸铁3.5.4球墨铸铁3.5.4.1球墨铸铁的组织及性能球墨铸铁的组织可看成是碳钢的基体加球状石墨。按基体组织不同，常用的球墨铸铁有铁素体球墨铸铁、铁素体-珠光体球墨铸铁、珠光体球墨铸铁、马氏体球墨铸铁和贝氏体球墨铸铁等。由于球墨铸铁中石墨呈球状，对基体的割裂作用和引起应力集中现象减至最小，因此基体的强度利用率高。在所有铸铁中，球墨铸铁的力学性能最高，与相应组织的铸钢相似；冲击疲劳抗力高于中碳钢；屈强比是钢的两倍。但球墨铸铁的塑性和韧性均低于铸钢。3.5.4球墨铸铁球墨铸铁的力学性能与基体组织和石墨的状态有关。石墨球越细小、越圆整、分布越均匀，则球墨铸铁的强度、塑性、韧性越好。铁素体基体具有较高的塑性和韧性；珠光体基体强度、硬度和耐磨性较高；马氏体基体硬度最高，但韧性最低；贝氏体基体具有良好的综合力学性能。球墨铸铁具有近似于灰铸铁的某些优良的铸造性能、减摩性、切削加工性等。但球墨铸铁也有一些缺点，如化学成分要求严格，白口倾向大，凝固时收缩率大等，因而对熔炼、铸造工艺要求高，生产成本高。由于球状石墨对基体割裂作用不大，因此球墨铸铁可通过热处理进行强化。常用的热处理方法有退火、正火、调质、等温淬火等，也可以进行表面淬火、渗氮等。其工艺过程可参考有关热处理资料。3.5.4球墨铸铁3.5.5蠕墨铸铁3.5.5.1蠕墨铸铁的组织及性能蠕墨铸铁的组织是由钢的基体和蠕虫状石墨组成。其基体也有铁素体基体、铁素体-珠光体基体和珠光体基体三种。由于蠕墨铸铁中的石墨呈蠕虫状(类似于片状，但片短而厚，头部较圆、较钝，形似蠕虫)，对基体的割裂作用介于灰铸铁与球墨铸铁之间，因此其力学性能也介于灰铸铁与球墨铸铁之间。蠕墨铸铁既具有灰铸铁良好的导热性、减振性、切削加工性和铸造性能，又有与球墨铸铁相近的抗拉强度、塑性和韧性。3.5.5蠕墨铸铁3.5.5.2蠕墨铸铁的牌号及用途3.5.6特殊性能铸铁任务3.6典型汽车零件的选材3.5.6.1耐热铸铁在汽车制造过程中，从设计新产品、改造老产品，到维修、更换零件，都会涉及零件的选材、热处理工艺的确定和热处理工序安排等问题。这对提高产品质量和生产率，降低成本有着重要的意义。

3.6.1汽车齿轮的选材齿轮是机械工业中应用最广泛的重要零件之一，主要用于传递动力、改变运动速度和运动方向。齿轮的选材要从齿轮的工作条件、失效形式及其对材料的性能要求等方面综合考虑。汽车变速齿轮如图3-40所示。图3-40汽车变速齿轮3.6.1汽车齿轮的选材3.6.1.2汽车齿轮的主要失效形式3.6.1汽车齿轮的选材3.6.1.3对汽车齿轮的性能要求根据工作条件及失效形式的分析，可以对齿轮材料提出如下性能要求：(2)高的齿面硬度和耐磨性。(1)高的弯曲疲劳强度，特别是齿根处要有足够的强度。3.6.1汽车齿轮的选材3.6.1.3对汽车齿轮的性能要求根据工作条件及失效形式的分析，可以对齿轮材料提出如下性能要求：(4)热处理变形小。(3)较高的心部强度和足够的冲击韧性。3.6.1汽车齿轮的选材3.6.1.4典型汽车齿轮的选材合金渗碳钢齿轮的工艺路线一般为：下料→锻造→正火→切削加工→渗碳、淬火及低温回火→喷丸→磨削加工。汽车、拖拉机齿轮常用钢种及热处理方法见表3-31。3.6.1汽车齿轮的选材3.6.2汽车轴类零件的选材轴是汽车上的最重要零件之一，主要用于支撑传动零件(如齿轮、凸轮等)、传递运动和动力。根据轴类零件的工作条件和失效形式，对其材料有以下性能要求：

(1)良好的综合力学性能，足够的强度、硬度、塑性和一定的韧性，以防止过载断裂和冲击断裂。

(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。3.6.2汽车轴类零件的选材根据曲轴的工作条件和失效形式，要求曲轴应具备以下性能：(1)高的强度和一定的冲击韧性。(2)足够的抗弯、扭转和疲劳强度。(3)足够的刚度。(4)轴颈表面有高的硬度和耐磨性。3.6.2汽车轴类零件的选材3.6.2.2汽车半轴的选材曲轴是汽车发动机中形状复杂的重要零件之一，如图3-41所示。图3-41汽车发动机曲轴3.6.2汽车轴类零件的选材3.6.2.2汽车半轴的选材汽车半轴是驱动车轮转动的直接驱动零件，也是汽车后桥中的重要受力部件，如图3-42所示。图3-42汽车半轴3.6.2汽车轴类零件的选材3.6.3汽车弹簧的选材弹簧的种类很多，按形状分主要有螺旋弹簧、板弹簧、蜗卷弹簧几种，如图3-43所示。图3-43弹簧的种类3.6.3汽车弹簧的选材3.6.3.1汽车板簧的选材汽车板簧一般选用弹性高的合金弹簧钢制造，如65Mn、60Si2Mn钢等。对于中型或重型汽车，板簧还采用50CrMn、55SiMnVB钢；对于中型载货汽车用的大截面积板簧，则采用55SiMnV、55SiMnVNb钢制造。汽车板簧用于缓冲和吸振，承受很大的交变应力和冲击荷载。其主要失效形式为刚度不足引起的过度变形或疲劳断裂。因此对汽车板簧材料的要求是要有较高的屈服强度和疲劳强度。板簧一般采用的加工工艺路线为：热轧钢板冲裁下料→压力成型→淬火、中温回火→喷丸处理。喷丸强化处理也是对板簧进行表面强化的重要手段，目的是为了提高板簧的疲劳强度。3.6.3汽车弹簧的选材3.6.3.2气门弹簧的选材概念气门弹簧是一种压缩螺旋弹簧，其用途是在凸轮、摇臂或挺杆的联合作用下，使气门打开和关闭。气门弹簧受力不是很大，可采用淬透性比较好、晶粒细小、有一定耐热性的50CrVA钢制造。其工艺路线为：冷卷成型→淬火、中温回火→喷丸处理→两端磨平。3.6.4箱体类零件的选材图3-44内燃机汽缸体3.6.5其他零件的选材汽车(车身、纵梁、挡板等)冷冲压零件的选材气门的选材连杆的选材活塞组的选材发动机缸套的选材3.6.6钢铁材料在汽车上的应用3.6.6钢铁材料在汽车上的应用谢谢！第4章

汽车用有色金属及其合金●汽车应用材料第4章

汽车用有色金属及其合金【知识点】熟悉常用有色金属的分类、性能、牌号及应用。【技能点】了解汽车常用有色金属的性能要求；熟悉汽车上使用的有色金属的识别；学会汽车常用零部件选用有色金属的方法和应用。第4章

汽车用有色金属及其合金汽车上常用的有色金属主要有铝、铜及其合金和滑动轴承合金。近年来钛、镁、锌及其合金和粉末冶金材料的应用也日趋广泛。在工业生产中，通常把铁及其合金称为黑色金属，把黑色金属以外的其他金属称为有色金属。有色金属具有特殊的电、磁、热性能和耐腐蚀性、高的比强度(强度／密度)，它是实现汽车轻量化的理想材料，因而在现代汽车工业中得到了广泛的应用。4.1.1纯铝4.1.1.1纯铝的特性及应用纯铝的主要用途是代替贵重的铜制作导线、电缆、电器元件等，还可制作质轻、导热、耐大气腐蚀的器具及包覆材料。在汽车上常用于制作垫片、内外装饰件和铭牌等。工业纯铝导电性好，仅次于银、铜和金，居第四位；其导热性是铁的三倍；由于铝的表面能生成一层致密的氧化铝薄膜，可以阻止铝进一步氧化，因此其抗大气腐蚀性能好，但对酸、碱、盐的耐蚀性较差。纯铝具有极好的塑性(A＝30%～50%，Z＝80%)，容易加工成各种丝、线、棒、箔、片等型材。但纯铝强度、硬度很低(Rm=70～100MPa，20HBS)，焊接性能较差，一般不适宜制作各种结构件。4.1.1纯铝4.1.1.2纯铝的牌号铝的含量不低于99.00%时为纯铝，其牌号用1×××表示。牌号的最后两位数字表示最低铝百分含量，牌号的第二位字母表示原始纯铝的改型，如果是字母为A，则表示原始纯铝，如果是B～Y的其他字母，则表示为原始纯铝的改型，如牌号1A60的铝板，表示其最低铝的百分含量应为99.60%的原始纯铝。4.1.2铝合金铝合金在汽车上的应用日趋广泛，不仅可用于制造活塞、汽缸体、汽缸盖、连杆和进气歧管等发动机零件，还可用于制造轮毂、离合器壳、转向器壳和变速器拔叉等底盘零件，甚至车身、车架等也开始采用铝合金制造。常见铝合金制造的汽车零件如图4-1所示。图4-1常见铝合金制造的汽车零件4.1.2铝合金4.1.2.1变形铝合金变形铝合金的塑性好，变形抗力小，适合通过压力加工成型，通常在冶金厂加工成各种规格的型材，用于各种汽车零件的制造。按其化学成分与主要性能特点，变形铝合金分为防锈铝、硬铝、超硬铝和锻铝四种，其中防锈铝是不能热处理强化的铝合金。变形铝合金4.1.2铝合金4.1.2铝合金4.1.2.2铸造铝合金1.Al-Si系铸造铝合金2.Al-Cu系铸造铝合金3.Al-Mg系铸造铝合金4.Al-Zn系铸造铝合金4.1.2铝合金4.1.3铝及铝合金在汽车上的应用铝具有比强度高、耐腐蚀性优良、适合多种成型方法、较易再生利用等优点，是汽车工业应用较多的金属材料，特别是能源、环境、安全等方面的原因使对汽车轻量化的要求越来越迫切，使用轻量化材料是实现汽车轻量化的重要途径，而铝是应用得比较成熟的轻量化材料。近20年来，铝在汽车上的用量和在汽车材料构成中所占份额都有明显的增加。由铝合金制造的零件已