汽车机械基础（第4版）课件 项目4 任务4.1 汽车典型零件主要性能分析

李亚杰汽车机械基础项目4

汽车典型零件选材任务4.1汽车典型零件主要性能分析汽车发动机曲轴用于动力输出，带动其他部件运动；汽车齿轮安装在变速器、差速器中，用于将发动机的动力传递给各轴。曲轴和齿轮的使用工况不同，所承受载荷的性质不同，对其制造材料的性能要求也就不同。只有了解汽车常用材料（金属材料）的主要性能，才能在汽车零件的设计和制造过程中正确地选择和使用材料。【任务描述】齿轮曲轴工艺性能金属材料的主要性能力学性能使用性能物理性能化学性能铸造性能锻造性能焊接性能切削加工性能力学性能是指金属材料在力的作用下显示的与弹性和非弹性反应相关或包含应力-应变关系的性能。力学性能指标强度硬度疲劳强度塑性冲击韧性（一）力学性能一、金属材料的使用性能刚度（一）力学性能两个定义：★

载荷:金属材料在加工及使用过程中所受到的外力。★

变形:金属材料受载荷作用而发生的几何形状和尺寸的变化

称为变形。分类:静载荷、冲击载荷、变载荷分类:弹性变形、塑性变形1.刚度刚度是材料弹性变形难易程度的一个象征。刚度越大，金属材料在一定应力作用下，发生的弹性变形越小。刚度是金属材料在载荷作用下抵抗弹性变形能力。

拉伸试验机低碳钢圆形横截面比例试样强度和塑性是根据拉伸试验测定出来的。拉伸试验是金属力学试验中最基本的试验。拉伸试验通常在室温下进行，选用具有代表性的常用材料（低碳钢或铸铁）制成拉伸试验试样，在拉伸试验机上进行。拉伸试验（GB/T228.1—2021）采用低碳钢圆形横截面比例试样。图中，d0称为试样直径，L0称为试样原始标距，Lc称为试样平行长度。A.拉伸试验

试验时，将试样两端夹在拉伸试验机上，然后开动拉伸试验机，在试样上慢慢施加拉力F，直到试样被拉断为止。缩颈现象屈服弹性变形缩颈断裂塑性变形开始B.拉伸应力-应变曲线低碳钢试样的拉伸应力-应变曲线强化（应变硬化)在拉伸过程中，试验机上的绘图仪能自动绘出所加拉力F与试样标距延伸DL之间的关系曲线，称为拉伸图或力-延伸曲线。由于拉伸图与拉伸试样的几何尺寸有关，为消除试样几何尺寸的影响，将纵坐标的拉力F除以试样原始横截面积S0变为应力，将横坐标的延伸L除以试样的原始标距L0变为应变e，得到能反映材料力学性能的拉伸应力-应变曲线。拉伸过程，大致分为6个阶段：①弹性变形阶段（曲线oa段）。oa段试样发生的是弹性变形，变形完全可逆，即卸除拉力，试样将恢复到原始长度，应力与应变成线性关系，即符合胡克定律。②滞弹性变形阶段（曲线ab段）。ab段试样发生的仍是弹性变形，变形仍然可逆，但弹性变形滞后发生，而且是非线性的，应力不与应变成线性关系，此阶段相对很短。④屈服变形阶段（曲线cde段）。cde段试样塑性屈服变形不连续，在试样的表面可以看到滑移线。c点为不连续屈服的开始，从c点到d点为第一条滑移线产生。由于突然发生塑性延伸，其延伸速率超过试验机施加的位移速率，因而使力下降，应力减小。⑤均匀塑性变形阶段（曲线ef段）。进入ef段，随着变形量的不断增加，试样呈现强化，称为“应变硬化”。表现为ef段曲线光滑而单调地上升，但在宏观上试样变形均匀。③屈服前微塑性变形阶段（曲线bc段）。bc段试样开始出现连续的均匀微小塑性变形，此阶段也相对很短。⑥局部塑性变形阶段（曲线fg段）。拉伸达到最高点时，试样最弱横截面中心处附近产生微小裂纹，并很快扩展，导致试样几何软化，使该处横截面的有效承载面积减小，应力亦因此进一步升高，使变形集中于缩颈处。而力很快下降，直至到达g点试样断裂。2.强度（1）屈服强度Re：上屈服强度ReH和下屈服强度ReL

上屈服强度为力首次下降前的最大力值对应的应力，用ReH表示；下屈服强度为不计初始瞬时效应时屈服阶段中最小的应力，用ReL表示。

屈服强度是具有屈服现象材料特有的强度指标。当金属材料在拉伸试验过程中没有明显屈服现为象发生时，应测定“规定塑性延伸强度RP”。强度是材料在载荷作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。式中，FeH为力首次下降前的最大力，N；FeL为不计初始瞬时效应时屈服阶段中的最小力，N；S0为试样的原始横截面积，mm2。拉伸试验中具有屈服现象的金属材料称为塑性材料，而工程上使用的金属材料，大多数没有明显的屈服现象，这类金属材料称为脆性材料。有些脆性材料，不仅没有屈服现象，而且也不产生缩颈。铸铁的拉伸图（2）抗拉强度

工程上所用的金属材料，不仅希望具有较高的屈服强度、抗拉强度值，而且希望具有一定的屈强比（屈服强度/抗拉强度）。屈强比越小，零件的安全可靠性越高。屈强比越大，材料强度的有效利用率越高。

抗拉强度的物理意义是表征材料对最大均匀变形的抗力，表征材料在拉伸条件下所能承受最大力的应力值，是设计和选材的主要依据之一。

抗拉强度是指试样在屈服阶段之后所能抵抗的最大应力，用Rm表示。式中，Fm为试样在屈服阶段之后所能抵抗的最大力，N；S0为试样的原始横截面积，mm2。3.塑性（1）断后伸长率

塑性是金属材料在载荷作用下，断裂前发生塑性变形（永久变形）而不被破坏的能力。材料断裂前的塑性变形越大，表示它的塑性越好；反之则表示其塑性越差。

断后伸长率是指试样断裂后的断后伸长量和原始标距的百分比，用A表示。通常，把A≥5%的材料称为塑性材料，A＜5%的材料称为脆性材料。式中，L0为试样的原始标距，mm；Lu为试样的断后标距，mm。（2）断面收缩率材料的A或Z值越大，表示材料的塑性越好。塑性直接影响到零件的成形加工及使用。例如，钢的塑性较好，能通过锻造成形；而灰铸铁塑性极差，不能进行锻造。金属材料经塑性变形（屈服）后能得到强化，因此塑性好的零件超载时，仍有强度储备，比较安全。断面收缩率是指试样断裂后其横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比，用符号Z表示。式中，S0为试样的原始横截面积，mm2；Su为试样拉断后的最小横截面积，mm2。4.硬度

硬度是材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划伤的能力。因此，硬度也可以看作是材料对局部塑性变形的抗力。布氏硬度试验HB

洛氏硬度试验

HR维氏硬度试验

HV压入法

硬度是衡量材料性能的一个综合性能指标。通常材料硬度越高，耐磨性越好，强度也越高。

硬度试验方法：（1）布氏硬度试验对一定直径D的碳化钨合金球施加试验力F压入试样表面，经规定保持时间后，卸除试验力，测量试样表面压痕的直径。布氏硬度与试验力除以压痕表面积的商成正比，用符号HBW表示。式中，d为压痕平均直径，mm；d1、d2为在两相互垂直方向测量的压痕直径，mm；h为压痕深度，mm；D为球形压头直径，mm；F为所加试验力，N。布氏硬度计布氏硬度值标注方法为布氏硬度符号HBW前面注明硬度数值。例如，500HBW表示测得的布氏硬度值为500。优点：测量误差小（因压痕大），数据稳定，重复性强。缺点：压痕面积较大，测量费时，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。应用：常用于测量较软材料、灰铸铁、有色金属、退火正火钢材的硬度。不适于测量成品零件或薄件的硬度。（2）洛氏硬度试验初试验力F0总试验力F主试验力F1F=F0+F1将顶角为120°的金刚石圆锥体压头按照两级试验力压入试样表面，初试验力F0加载后，测量初始压痕深度。随后施加主试验力F1，增加至总试验力F。经规定保持时间后，卸除主试验力F1，保持初试验力F0时，测量最终压痕深度。X—时间Y—压头位置1—初试验力下的压入深度2—主试验力引起的压入深度3—卸除主试验力后的弹性回复深度4—残余压痕深度5—试样表面6—测量基准面7—压头位置8—压头深度相对时间的曲线洛氏硬度计洛氏硬度根据最终压痕深度和初始压痕深度的差值h及常数N和S通过下式计算得出，用符号HR表示。式中，N为给定标尺的全量程常数；S为给定标尺的标尺常数，mm；h为残余压痕深度，mm。洛氏硬度值标注方法为硬度符号HR前面注明硬度数值。例如，52HRC表示洛氏硬度值为52。测量操作简单，方便快捷，压痕小；测量范围大，能测较薄工件。测量精度较低，可比性差，不同标尺的硬度值不能比较。例如：

50HRC<70HRA×50HRD>40HRC×优点：缺点：应用：可用于成品检验和薄件表面硬度检验。不适于测量组织不均匀材料。（3）维氏硬度试验维氏硬度的试验原理与布氏硬度的试验原理基本相同。将顶部两相对面夹角为136°的正四棱锥体金刚石用一定的试验力F（≥49.3N）压入试样表面，保持规定时间后，卸除试验力，测量试样表面压痕对角线长度。维氏硬度与试验力除以压痕表面积的商成正比，用符号HV表示。压痕被视为具有正方形基面并与压头角度相同的理想形状。式中，F为所加试验力，N；d为两压痕对角线长度d1和d2的算数平均值，mm。维氏硬度计

特点：维氏硬度试验所测得的压痕轮廓清晰，数值较准确，测量范围广，采用较小的压力即可测量硬度高的薄件（如硬质合金、渗碳层、渗氮层），而不至于将被测件压穿。维氏硬度值标注方法为维氏硬度符号HV前面注明硬度数值。例如，640HV表示测得的维氏硬度值为640。5.冲击韧性

冲击韧性（简称韧性）是材料在冲击载荷的作用下，断裂前吸收变形能量的能力。

夏比冲击试验是一种常用的评定金属材料韧性指标的动态试验方法。将规定几何形状的缺口（V型或U型）试样置于试验机两支座之间，缺口背向打击面放置，用摆锤一次打击试样，测定试样的吸收能量K。由于大多数材料冲击值随温度变化，因此试验应在规定温度下进行。当不在室温下试验时，试样必须在规定条件下加热或冷却，以保持规定的温度。冲击试验原理示意图冲击吸收能量K的大小直接由试验机的刻度盘上读出。V型缺口试样和U型缺口试样的冲击能量分别用KV和KU表示。用KV和KU（J）除以试样缺口处的截面积S（cm2），即得到冲击韧度，用aK表示，其单位为J/cm2。与K相比，aK没有明确的物理意义，只是一种数学表达方法。所以，现在多用冲击吸收能量K作为材料韧性的判据。一般把冲击吸收能量低的材料称为脆性材料，冲击吸收能量高的材料称为韧性材料。冲击吸收能量或冲击韧度值越大，承受的冲击载荷也越大。Titanic钢板强度高，韧性很差，特别是在低温呈脆性，冲击试样是典型的脆性断口，近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性。

Titanic钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果Titanic沉没原因：

疲劳强度是衡量金属疲劳的指标。金属材料在无限多次交变载荷作用下而不破坏的最大应力，称为疲劳强度（或疲劳极限）。6.疲劳强度

金属材料在交变应力或应变作用下产生裂纹或失效，材料性能的变化过程称为疲劳。

金属材料在疲劳现象下，在一处或几处产生裂纹或突然发生完全断裂的过程，称为疲劳断裂（或疲劳破坏）。

一般试验（GB/T4337—2015）规定，钢在经受107次、有色金属或某些高强度钢经受108次交变载荷的作用下不产生断裂时的最大应力称为疲劳强度。当施加的交变应力是对称循环应力时，所得的疲劳强度用σ-1表示。

彗星（Comet）客机是英国的德·哈维兰公司（deHavilland）研制的历史上第一种喷气式民航客机。DeHavillandComet坠毁原因：彗星1型客机

长时间飞行以及频繁起降使机体反复承受增压和减压，而引发金属疲劳是发生“彗星”1型客机解体坠毁事故的原因。1953年-1954年期间，接连发生了3次坠毁事故。

Comet空难夺去了68人的生命。增压座舱方形舷窗（二）物理性能

1.密度金属材料单位体积内的质量称为密度。在体积相同的情况下，金属材料的密度越大，其质量也越大。

2.熔点金属材料从固态向液态转变时的温度称为熔点。熔点高的金属称为难熔金属，可用来制造耐高温零件；熔点低的金属称为易熔金属，可用来制造熔断丝和防火安全阀等零件。

3.导热性金属材料传导热量的性能称为导热性。金属的导热性以银为最好，铜、铝次之。导热性好的金属散热也好，因此在制造散热器、热交换器与活塞等零件时，要选用导热性好的金属材料。

4.导电性金属材料传导电流的性能称为导电性。金属的导电性以银为最好，铜、铝次之。导电性好的金属，如纯铜、纯铝适于做导电材料；导电性差的金属，如铁铬铝合金适于做电热元件。

5.热膨胀性金属材料随温度变化而膨胀、收缩的特性称为热膨胀性。在实际工作中要考虑热膨胀性的场合很多，例如，轴与轴瓦之间要根据热膨胀性来控制其间隙尺寸；测量工件的尺寸时，要注意热膨胀性的影响，以减小测量误差。金属材料的物理性能是指金属固有的属性。（三）化学性能

化学性能是指金属材料在常温或高温条件下抵抗外界介质对其化学侵蚀的能力。

1.耐腐蚀性金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其他化学介质腐蚀破坏作用的能力称为耐腐蚀性。腐蚀对金属材料的危害很大，它不仅使金属材料本身受到损伤，严重时还会使金属零部件遭到破坏，引起重大的伤亡事故。因此，提高金属材料的耐腐蚀性，对于节约金属、延长金属材料的使用寿命，具有现实的经济意义。

2.抗氧化性金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力称为抗氧化性。金属材料的氧化随温度的升高而加速。例如，钢材在铸造、锻造、热处理、焊接等热加工过程中，氧化比较严重，这不仅造成材料过量的损耗，也可形成各种缺陷。因此，在加热时，常在工件的周围提供一种还原或保护气体，以避免金属材料的氧化。

3.化学稳定性化学稳定性是金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性的总称。金属材料在高温下的化学稳定性称为热稳定性。在高温条件下工作的零部件，需要选择热稳定性好的材料来制造。二、金属材料的工艺性能工艺性能是指金属材料在被制造成机械零件或工具的过程中，适应各种冷加工和热加工的性能。工艺性能往往是由物理性能、化学性能和力学性能综合作用所决定的，不能简单用一个物理参数来表示。零件的制造过程：1.铸造性能2.锻造性能3.焊接性能4.切削加工性能3.焊接性能铸造性能是指金属材料在铸造成形时获得优良铸件的难易程度。焊接性能是指金属材料获得优质焊接接头的难易程度。切削加工性能是指金属材料被切削加工的难易程度。锻造性能是指金属材料在经受压力加工时获得合格零件的难易程度。1.铸造性能2.锻造性能4.切削加工性能【任务实施】序号典型零件使用工况与结果分析主要性能分析1

发动机曲轴①曲轴在工作中是否受到弯曲、扭转、剪切、冲击等交变应力的作用，容易出现疲劳断裂现象？

是

否②曲轴的形状是否极不规则，其上的应力分布是否极不均匀？

是

否③曲轴轴颈与轴承之间是否会发生滑动摩擦，轴颈是否会严重磨损？

是

否①具有高的

、一定的

，以抵抗冲击载荷。②具有足够的

和扭转疲劳强度，以抵抗弯曲和扭转载荷。③具有足够的

，以抵抗曲轴磨损变形。④轴颈表面具有高的

和

。