《汽车应用材料》-2-情境1金属的力学性能-02

任务引入【案例1-1】史上空前的海难——铁达尼号的沉没

1912年，在世界航海史上曾被骄傲地称为“永不沉没的巨轮”铁达尼号初航，同一座漂浮的冰山发生了仅仅为10秒钟的碰撞，35cm厚双层船体钢板就在水位线处像拉链拉开一样被撕裂，海水排山倒海般涌向船内，约三小时后,这辉煌的首航竟给它带来了葬身海底的厄运。人们不禁要问，到底是什么原因导致这场悲剧的发生？排除其他人为因素，设计、材料的选择和材料性能无疑起着至关重要的作用。【想一想】为什么铁达尼号船体要做成35cm，双层厚钢板？09四月2026第1章金属材料的性能问题回顾：1.强度的实际意义是什么？2.塑性的实际意义是什么？答案：若材料的强度高，则结实。在受力相同的条件下，零件的尺寸减小、重量减轻，可实现汽车轻量化。全新1.4t帕萨特答案：A.万一超载，有一定的安全储备，避免突然断裂、安全；

B.能通过塑变实现成型加工。如汽车车身覆盖件、油箱等大多是采用具有良好塑性的冷轧钢板冲压而成。1.1.2硬度硬度……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。实际意义：材料的硬度越高，耐磨性越好------硬度值是衡量材料耐磨性的重要指标汽车维修应用：磨具、量具、刀具---硬度高，耐磨性好

1.1.2硬度1.布氏硬度……重点

2.洛氏硬度……重点

3.维氏硬度……了解

设备：1.HB-3000布氏硬度计读数显微镜3.试样：退火状态的20钢、45钢、铸铁等1.布氏硬度2.读数显微镜：用来测量压痕大小HB-3000布氏硬度计指示灯：接通电源加载，红色指示灯亮，加载结束，红灯灭。压头：直接与被测金属接触工作台：放试样用砝码：加载用定时器：确定加载保持时间开关：接通电源

操作方法被测金属硬度<450时，用淬火钢球做压头，用HBS被测金属硬度>450时，用硬质合金做压头，用HBW读数显微镜1.布氏硬度

HBW=123456

试验原理：压头：D=10mm（1、2.5、5、10mm等）载荷：F=30D2

（1、2.5、5、10、15、30等）保持时间：黑色金属为10~15s、有色金属30s压痕：d=0.25~0.60mm有效计算压痕单位面积上所受的平均压力，即该金属布氏硬度值。用符号HBS或HBW表示。布氏硬度计附录A压痕直径与布氏硬度对照表压痕直径d/㎜HBWD=10F=30D2压痕直径d/㎜HBWD=10F=30D2压痕直径d/㎜HBWD=10F=30D22.402.422.442.462.482.502.522.542.562.582.602.622.642.662.682.702.722.742.762.782.802.822.842.862.882.902.922.942.962.983.003.023.043.063.083.103.123.143.166536436326216116015925825735645555475385305225145074994924854774714644574514444384324264204154094043983933883833783733.183.203.223.243.263.283.303.323.343.363.383.403.423.44.3.463.483.503.523.543.563.583.603.623.643.663.683.703.723.743.763.783.803.823.843.863.883.903.923.943683633593543503453413373333293253213173133093063022982952922882852822782752722692662632602572552522492462442412392363.963.984.004.024.044.064.084.104.124.144.164.184.204.224.244.264.284.304.324.344.364.384.404.424.444.464.484.504.524.544.564.584.604.624.644.664.684.704.72234231229226224222219217215213211209207204202200198197195193191189187185184182180179177175174172170169167166164163161特点：压痕面积较大(2.5~6.0㎜)，能反映较大范围内金属的平均性能，测定硬度值较准确、稳定，重复性好。应用：主要用于测定较软材料的硬度。有色金属、低合金结构钢等原材料及结构钢调质件的硬度。但:不适于太薄、太硬的材料。1.布氏硬度

表示方法：压痕直径：dHBS（W）表示为4.00229229HBS/10/1000/102.98420420HBS/10/1000/102.60555555HBW/10/1000/10洛氏硬度计2.洛氏硬度

设备：HR-150洛氏硬度计

试样：淬火状态的45钢、T8钢、T12钢等加载手柄：用于加载和卸载表盘：直接读数压头：直接与被测金属接触工作台：放试样用砝码：加载用（在里边）布氏硬度计洛氏硬度计2.洛氏硬度刻度盘的设计：HR=K-

操作方法压痕深度：h

试验原理压头：顶角α=120°的金刚石圆锥体直径D=1.588㎜的淬火钢球载荷：初始载荷F0=10㎏f，主载荷F1

=50、90、140㎏f洛氏硬度试验原理示意图h符号压头主载荷㎏fK测量范围

应用HRA金刚石5010020～88硬质合金、表面硬化层等（最硬）HRB淬火钢球9013020～100非铁金属、退火钢、正火钢等（最软）HRC金刚石14010020～70调质钢、淬火钢等（中等）根据压头和主载荷的不同，分别用2.洛氏硬度其中HRC应用最为广泛HRA、HRB、HRC表示。表示方法：58-62HRC特点：压痕小，代表性差，一般测三点取其平均值。应用：中等硬度材料的测试，如经淬火处理的钢制零件、成品、较薄的零件。2.洛氏硬度3.维氏硬度维氏硬度试验原理示意图

试验原理与布氏硬度相似，其值也用单位面积所受载荷表示

区别压头——两相对面夹角为136°的金刚石四棱锥。压痕——四边形。测量——对角线长度，取其平均值。最后查表即可求出HV值。表示方法：640HV30/20表示在30kgf试验力作用下，保持20s测得的维氏硬度值为640。特点：试验力小，压痕更小，轮廓清晰，数值准确可靠。但需要测量对角线的长度，然后经计算或查表确定，故效率低。不适于大批测试。用于：可测从极软到极硬的材料。常用来测薄片金属、金属镀层及表面硬化层的硬度。3.维氏硬度09四月2026第1章金属材料的性能静载荷：载荷从0逐渐max

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载荷。冲击载荷：载荷从0突然

max动载荷交变载荷：大小、方向随时间呈周期性变化的载荷。

※

汽车起步、加速、紧急制动、停车时，变速器中的齿轮、传动轴等零件受到的载荷为冲击载荷

※运转中的发动机曲轴、齿轮、弹簧等所承受的载荷均为交变载荷。韧性：金属材料抵抗冲击载荷作用而不被破坏的能力。1.1.3韧性

其值：单位面积所做的冲击功。即：αK=(J/cm2)

测试：摆锤式一次冲击试验——夏比冲击试验冲击韧性：1.1.3韧性

夏比冲击试验原理示意图冲击试验计——夏比冲击试验αK=

=

（J/㎝2）韧脆转变温度越低，材料的低温抗冲击性能越好。碳素钢：韧脆转变温度约为-20℃。在寒冷地区使用碳素钢制造车辆、桥梁、输油管道等，在冬天易发生脆断现象。低合金高强钢（16Mn）：韧脆转变温度约为-40℃，适合在较低温度下工作（桥梁结构）。——冲击吸收功—温度关系曲线1.1.3韧性韧脆转变温度示意图

汽车发动机中的活塞、活塞销、曲轴、连杆等，在工作中就受到冲击载荷的作用，应采用韧性好的材料制造。

1991年，深水机械人从4000米海底捞起一块铁达尼号上的钢板，其上有铁达尼号的标志。钢板出水后用高压水枪冲洗掉沉积物，居然还有油漆在上面；取了一块试样做拉伸强度试验，强度竞然比现代钢材还要高，据悉建造这艘豪华巨轮用的是当时最优质的钢材。它为什么会断裂沉没呢？原因：冰山---低温、反复撞击---低温脆性---裂纹---断裂【案例解析】1.疲劳现象

汽车上的齿轮、连杆、弹簧、发动机曲轴等零件，在工作过程中受到大小和方向都随时间作周期性变化的交变载荷作用，即使应力远远低于材料的屈服强度，但经过一定循环次数后，也可能发生突然断裂，这种现象称为疲劳断裂。疲劳断裂都是突然发生的，具有很大的危险性。例如：汽车的板弹簧或前轴发生疲劳而突然断裂，就会造成车毁人亡的重大交通事故。

2014年一汽大众速腾悬架出现裂纹或断裂1.1.4疲劳强度疲劳曲线示意图

工程上规定钢铁材料的循环基数为107；有色金属、超高强度钢为108。2.疲劳强度1.1.4疲劳强度材料经无限次交变载荷作用而不破坏的最大应力，称为疲劳强度，用（σ-1）表示。

疲劳断裂的原因材料夹杂表面划痕能引起应力集中的缺陷在汽车的维修、保养过程中，应及时排除隐患，以保证车辆的安全运行。

改善结构形状，避免应力集中避免提高表面光洁度表面强化：喷丸、表面淬火等1.1.4疲劳强度

1991年，深水机械人从4000米海底捞起一块铁达尼号上的钢板，其上有铁达尼号的标志。钢板出水后用高压水枪冲洗掉沉积物，居然还有油漆在上面；取了一块试样做拉伸强度试验，强度竞然比现代钢材还要高，据悉建造这艘豪华巨轮用的是当时最优质的钢材。它为什么会断裂沉没呢？【案例解析】为了进一步弄清导致泰坦尼克号沉没的原因，科学家们对打捞上的金属碎片作了进一步试验——冲击韧度试验，发现钢材断裂时吸收的冲击吸收功很低，是韧性差的脆性材料。Titanic号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果【案例解析】后经分析，当时造船工程师只考虑到要增加钢板的强度硬度，而没有想到增加其韧性。经实验，从海底打捞出来的钢在受到冰山低温高强度的撞击下，很快断裂，而拿当今用于造船的钢板在同样的温度和撞击强度下进行对比实验，结果钢板只是变成V型，而不断裂。结论：对于承受冲击载荷的零件，不仅要满足其强度、塑性、硬度等性能要求，还必须具备足够的韧性强度硬度高，耐磨性好，塑韧性差；强度硬度低，耐磨性差，塑韧性好1.4疲劳强度

泰坦尼克号沉没会不会和疲劳强度有关？为什么？如果我们手里没有任何工具，如何将直径为4mm的细纯铁丝或钢丝折断？为什么？想一想试一试物理性能BECDA密度熔点热胀性磁性导电性导热性1.2.1金属材料的物理性能1.2金属材料的物理性能和化学性能锻压性能铸造性能焊接性能热处理性能工艺性能可加工性能任务1.2金属材料的工艺性能

铸造性能——金属材料铸造成形获得优质铸件的能力。包括流动性、收缩性及偏析倾向等。曲轴凸轮轴汽缸体转向器壳体任务1.2金属材料的工艺性能

锻压性能——是指金属材料对采用压力加工方法成形的适应能力。任务1.2金属材料的工艺性能轿车侧围

焊接性能——金属材料对焊接加工的适应性。汽车一厂车身车间POLO底盘焊接任务1.2金属材料的工艺性能

热处理性能——通过热处理改变其组织和性能的能力汽车零件缝纫机零件机床电主轴任务1.2金属材料的工艺性能

可加工性能常用切削方法——用切削刀具进行加工时所表现出来的性能任务1.2金属材料的工艺性能疲劳强度是受循环交变载荷零件选材、检验依据断后伸长率A>5%断面伸缩率Z>10%布氏硬度——<650HBW洛氏硬度维氏硬度冲击吸收功AKV（AKU）是受冲击零件的选材、检验依据屈服强度—塑性材料产生明显永久变形的抗力可满足一般零件20～70HRC20～100HRB20～88HRA[5～1000HV]强度判据静载荷塑性判据硬度判据韧性判据疲劳判据动载荷金属的力学性能设计选材参考安全可靠保证测定麻烦结果精确测定简单不伤工件用来测薄件用来测成品或薄件用来测半成品测定麻烦结果精确设计选材依据抗拉强度—断裂前最大拉应力本章小结2.金属材料的物理性能和化学性能金属的物理性能主要包括密度、熔点、导热性、导电性热膨胀性和磁性等。金属材料的化学性能包括耐腐蚀性、抗氧化性和化学稳定性等物理性能和化学性能都会影响到汽车零件材料的选择。3.金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能主要包括铸造性能、锻压性能、焊接性能、热处理性能和可加工性能等。金属材料的工艺性能对保证汽车产品质量、降低成本、提高生产效率起着十分重要的作用。本章小结09四月2026第1章金属材料的性能综合训练题二、填空题1.载荷按照性质不同一般可分为静载荷和动载荷（冲击载荷和交变载荷）。2.金属材料在载荷作用下，形状和尺寸的变化称为变形。变形一般分为弹性变形和塑性变形。3.金属材料的力学性能主要包括强度、硬度、塑性、冲击韧性、疲劳强度等。4.拉伸低碳钢时，试样的变形可分为弹性变形、屈服、强化和缩颈四个阶段。5.通过拉伸试验测得的强度指标主要有屈服强度和抗拉强度，分别用符号

R

e

和

Rm

表示。6.金属材料的塑性也可通过拉伸试验测定，主要的指标有断后伸长率和断后收缩率，分别用符号

A

和

Z

表示。7.洛氏硬度采用了不同的压头和载荷组成不同的硬度标尺，常用的洛氏硬度标尺有

、

和

三种，其中

HRc

应用最为广泛。8.530HBW5/750，表示用直径

5mm

的硬质合金球，在

750

kgf（

7355

N）的载荷作用下，保持

15

s时测得的硬度值为

530

。9.工程技术上常用冲击韧性来测定金属承受冲击载荷的能力。10.材料经过无限次交变载荷作用而不发生断裂的最大应力，称为疲劳强度，用符号