汽车机械基础（第4版）课件 项目4 任务4.2 汽车典型零件选材依据分析

李亚杰汽车机械基础项目4

汽车典型零件选材任务4.2汽车典型零件选材依据分析铁碳合金相图是研究铁碳合金的工具，是研究钢和铸铁成分、温度、组织和性能之间关系的理论基础，也是制定各种热加工工艺方案的依据。了解与掌握铁碳合金相图，对铁碳合金材料的研究和选用具有重要的指导意义。【任务描述

】wC/%一、金属的晶体结构与同素异晶转变（1）晶体和非晶体

晶体：原子在空间呈有序排列的固态物质。具有规则的外形；具有一定的熔点；具有各向异性。没有规则的外形；没有固定的熔点；具有各向同性。

非晶体：原子或分子无规则的堆积在一起的固态物质。固态物质根据其原子排列特征，可分为晶体和非晶体两类。1.金属的晶体结构

晶体结构：指在晶体内部，原子、离子或原子集团规则排列的方式。晶格：抽象的用于描述原子在晶体中排列方式的空间几何格架。晶胞：组成晶格的能反映其特征和规律的最基本几何单元。（2）晶格和晶胞晶格

原子排列晶胞（3）3种典型的金属晶体结构α-铁（912℃以下的钝铁）、铬、钼、钨、钒体心立方晶格示意图

原子排列晶格晶胞①体心立方晶格γ-铁（1394－912℃的钝铁）、铜、铝、镍等

原子排列晶格晶胞面心立方晶格示意图②面心立方晶格铍、镁、锌、镉等原子排列晶格晶胞密排六方晶格示意图③密排六方晶格（4）实际金属的晶体结构由许多晶粒组成的晶体称为多晶体，实际金属就是多晶体。实际金属晶体结构晶体缺陷：①点缺陷：不规则区域在空间三个方向上的尺寸都很小，主要是空位、间隙原子、置换原子。实际晶体中，排列不规则的区域称为晶体缺陷。

在实际晶体结构中，晶格的某些结点上没有原子，则称这结点为空位。位于晶格空隙之间的原子称为间隙原子。②线缺陷：不规则区域在一个方向的尺寸很大，在另外两个方向的尺寸都很小，主要是位错，即晶体中某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象。③面缺陷：一维尺度很小，而二维尺度较大的原子错排区域，主要是晶界和亚晶界。2.金属的结晶（1）结晶的基本概念

结晶：物质由液态变为固态的过程称为凝固，凝固后的固态物质可以为晶态，也可以为非晶态。如果通过凝固形成晶体，称为结晶。

金属材料的凝固是典型的结晶过程，而玻璃的凝固过程是非晶体凝固过程。金属的结晶：是指液态金属凝固成固态金属晶体的过程。纯液态金属的冷却曲线（理想状态）纯液态金属的冷却曲线（实际状态）时间/s0T0：理论结晶温度T1：实际结晶温度ΔT=T0-T1（过冷度）T0温度/ºCT1时间/sa：结晶开始点b：结晶终了点温度/ºCT0ab0

结晶平台：由结晶潜热导致，即金属液固转变所释放的潜热与系统散热量相等的结果。（2）金属的结晶过程从宏观角度看结晶规律：①结晶是在一定的过冷度下完成的，即存在过冷现象。②结晶过程是在恒温下完成的。包括形核和长大两个基本过程。①形核方式：自发形核与非自发形核②长大方式：平面方式与树枝状方式从微观角度看结晶规律：*自发形核从液态内部由金属本身原子自发长出结晶核心的过程叫做自发形核，形成的结晶核心叫做自发晶核。*非自发形核

依附于杂质而生成晶核的过程叫做非自发形核，形成的结晶核心叫做非自发晶核。①晶核的形成均匀长大②晶核的长大树枝状方式平面方式结论：金属的结晶过程→形核与长大过程。金属液形成晶核晶核长大形成晶体3.金属的同素异晶转变体心立方晶格

体心立方晶格

面心立方晶格

物理性质：纯铁在1538℃熔化，纯铁液体结晶为固体后，在冷却至室温过程中，经历两次同素异晶转变。

同素异晶：元素相同，结构不同。

二次结晶

▲合金：由两种或两种以上的金属元素，或金属元素与非金属元素组成的具有金属性质的物质。▲组元：组成合金的基本物质。

▲相：指金属或合金中具有相同成分、相同结构并以界面相互分开的各个均匀的组成部分。

▲组织：指用肉眼或借助于放大镜、显微镜观察到的材料内部的形态结构。

如:黄铜：Cu-Zn，铝合金：Al-Si。1.合金的组元二、合金的晶体结构2.相和组织

根据构成合金各组元之间相互作用的不同，固态合金的相可分为固溶体、金属化合物和机械混合物3类。①固溶体3.合金的组织固溶体强度、硬度较低，塑性、韧性较好。

②金属化合物③机械混合物

金属化合物是合金组元之间相互发生作用而形成具有金属特性的一种新相。

金属化合物晶体结构复杂，熔点高，硬而脆。

机械混合物的性能介于固溶体和金属化合物之间，即强度、硬度较高，塑性、韧性较好。

三、铁碳合金的基本组织1.铁素体：碳溶解在α-Fe中的间隙固溶体（F），它仍保持α-Fe的体心立方晶格结构。由于α-Fe晶粒间隙小，碳在α-Fe中溶解度极小，室温时仅为0.0008%，727℃最大为0.0218%，所以是几乎不含碳的纯铁。塑性和冲击韧性较好，而强度、硬度较低。铁素体原子排列

因晶格间隙较大，碳在γ-Fe中的解度要比在α-Fe中大，在727℃时为0.77%，在1148℃时溶解度最大，可达2.11%。

奥氏体的强度、硬度较低，但具有良好的塑性，是绝大多数钢高温进行压力加工的理想组织。2.奥氏体：碳溶解在γ-Fe中的间隙固溶体（A），它扔保持γ-Fe的面心立方晶格结构。奥氏体原子排列3.渗碳体：铁与碳形成的金属化合物（Fe3C）。含碳量为6.69%，硬度很高（大于800HBW），脆性大，塑性和冲击韧度几乎为零。4.珠光体：铁素体和渗碳体组成的机械混合物（P）。力学性能介于铁素体和渗碳体之间，综合性能良好。即强度较好，硬度适中，并具有一定的塑性。

铁素体、奥氏体、渗碳体属于单相组织，珠光体、莱氏体属于两相混合组织。5.莱氏体：奥氏体和渗碳体组成的机械混合物（Ld）。莱氏体中由于大量渗碳体存在，其性能与渗碳体相似，即硬度高，塑性差。铁碳合金中的基本相：

在铁碳合金中一共有三个相，即铁素体、奥氏体和渗碳体。

但奥氏体一般仅存在于高温下，所以室温下所有的铁碳合金中只有两个相，就是铁素体和渗碳体。

由于铁素体中的碳含量非常少，所以可以认为铁碳合金中的碳绝大部分存在于渗碳体中。四、铁碳合金相图Fe3CFe2CFeC温度FeC(6.69%C)Fe–C二元相图1148℃1.共晶反应

一定成分的液相在一定的温度下，同时结晶出两种成分和结构均不相同的固相的反应。L4.3%cA2.11%c+Fe3C6.69%c共晶反应的产物即莱氏体。

Ld

=A2.11%c+Fe3C6.69%c三种反应

一定成分的固相在一定的温度下，同时析出两种成分和结构均不相同的新的固相的反应。A0.77%c

727℃F0.0218%c+Fe3C6.69%c共析反应的产物即珠光体。

P=F0.0218%c+Fe3C6.69%c2.共析反应三种反应3.包晶反应L0.53%c+δ0.09%c

1495℃A0.17%c

包晶反应是一个液相与一个固相相互作用，生成一个新的固相的过程。三种反应PSK共析线-A1线ECF共晶线ACD线—液相线AECF线—固相线GS线-A3线ES线-Acm线纯铁的熔点1538℃共晶点1148℃渗碳体熔点1227℃共析点727℃同素异晶转变点912℃碳在奥氏体中的最大溶解度点1148℃

特性点的符号

温度

t/℃

碳含量

wc%

含义ABCDEGPS

1538149511481227114891272772700.534.36.692.1100.02180.77纯铁熔点包晶反应液态合金的浓度共晶点

渗碳体的熔点（计算值）碳在γ-Fe中的最大溶解度点α-Fe

γ-Fe同素异晶转变点碳在α-Fe中的最大溶解度点共析点1.铁碳合金相图中的特性点单相区--5个:

液相区（L）--ABCD以上区域；固溶体区（δ）--AHNA；奥氏体区（A）--NJESGN；铁素体区（F）--GPQ；渗碳体区（Fe3C）--DFKL线段区域。两相区--7个:7个两相区分别存在于两个相应的单相区之间。

L+δ--AHJBA；A+δ--HNJH；

L+A--BJECB；L+Fe3C--DCFD；

A+F--GPSG；A+Fe3C--ESKFCE；

F+Fe3C--PQLKSP。三相区--3个:（三个恒温转变：包晶、共晶、共析）包晶线--（发生在1495℃）水平线HJB（L+δ+A）；共晶线--（发生在1148℃）水平线ECF（L+A+Fe3C）；共析线--（发生在727℃）水平线PSK（F+A+Fe3C）。2.铁碳合金相图中的特性线五、铁碳合金的分类根据铁碳合金相图，将铁碳合金分为3类：1.工业纯铁：wc

＜0.0218%；

2.钢：（0.0218~2.11%）亚共析钢（0.0218~0.77%）

共析钢（0.77%）

过共析钢（0.77~2.11%）

3.白口铸铁：（2.11~6.69%）亚共晶白口铸铁（2.11~4.30%）

共晶白口铸铁（4.30%）

过共晶白口铸铁（4.30~6.69%）

低碳钢（0.0218~0.25%）中碳钢（0.25~0.6%）高碳钢（0.6~1.5%）工程实践中钢的分类：亚共析钢过共析钢

过共晶白口铸铁

亚共晶白口铸铁工业纯铁共析钢共晶白口铸铁【任务实施】序号汽车典型零件零件使用工况和性能要求选材分析1

发动机曲轴曲轴与连杆、轴承连接，形状与受力复杂、应力集中严重，工作中承受冲击载荷作用。曲轴各轴颈在很高的比压下，以很大的相对速度在轴承中发生滑动摩擦。因此，曲轴材料要具有高的强度、一定的韧性、足够的疲劳强度和足够的刚度，并具有高的硬度和好的耐磨性。由Fe-Fe3C相图可知，曲轴可选用

材料，因为：

2

发动机活塞销活塞销在高温、高压、高速、润滑不良的条件下工作，承受着交变载荷作用。因此，活塞销材料应有足够的刚度和强度，足够的承受面积和耐磨性，还要表硬里韧、表面耐磨，同时具有较高的疲劳强度和韧性。由Fe-Fe3C相图可知，活塞销可选用

材料，因为：

3发动机气缸体气缸体形状复杂，在工作中承受扭转、弯曲，以及螺栓预紧力等载荷作用。因此，气缸体必须有足够的强度，尤其要具有足够的刚度，以减小变形，保证尺寸的稳定性。另外，气缸体还要具有良好的铸造性能和切削加工性能。由Fe-Fe3C相图可知，气缸体可选用