《数控机床故障诊断与维修》-第二章 汽车车身常用材料

第二章汽车车身常用材料

第一章

汽车车身结构随着科学技术的发展汽车的功能日益完善对经济性、安全性、便捷性等方面提出了较高要求展示整车特征的车身是汽车的重要组成部分ꎬ是驾驶员和乘员活动的空间因此车身材料必须既能满足节能、环保、安全、舒适的使用性能要求也能满足车身生产制造工艺要求并往轻量化、高强度、高性能等方向发展除金属材料、非金属材料外ꎬ具有优异性能的复合材料和纳米材料也将获得广泛的应用车身材料可分为金属材料、非金属材料和复合材料三大类ꎮ金属材料包括钢板、铸铁等第一节金属材料主要性能金属材料主要性能包括使用性能和工艺性能两大类使用性能是指金属材料在使用过程中所表现出来的力学、物理和化学性能力学性能对于结构件来说非常关键它指的是金属在外力作用下所表现出来的性能反映的是金属材料抵抗外力的能力故又称机械性能工艺性能是指金属材料在加工制造过程中所表现出来的性能反映的是材料接受加工的难易程度如冲压性能、焊接性能、切削加工性能和铸造性能等。一般情况下不同的金属材料具有不同的机械性能即使同一种金属材料在不同的条件下其机械性能也是不同的金属材料机械性能的差异从本质上来说是由其内部构造所决定的因此有必要了解金属的内部构造进而掌握其对金属性能的影响。一、金属的晶体结构(一)晶格与晶胞在金属晶体中原子是按一定几何形状作有规律的排列ꎮ不同金属的原子有不同的排列方式金属的晶体结构ꎮ金属的晶体结构是决定金属性能极为重要的内在因素从图２－１(ａ)可以看出金属晶体中各原子都是紧密地堆积在一起的为了便于分析晶体中原子排列的规律可以把这些原子简化为一个点用假想的线条将各个点连接起来就得到了一个一定几何形状的空间格架如图２－１(ｂ)所示ꎮ这种描述原子在晶体中排列形式的几何空间格架称为结晶格子简称“晶格”一、金属的晶体结构(二)金属常见晶格类型金属晶体结构的主要差别就在于晶格类型及晶格常数不同所以表现出各不相同的机械性能和物理性能金属元素的晶格类型有多种一般常见的有体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格三种类型如图２－２所示体心立方晶格的晶胞是一个立方体在晶胞的中心和八个顶点各有一个原子(图２－２(ａ))面心立方晶格的晶胞也是一个立方体ꎬ在晶胞的八个顶点和六个面的中心各有一个原子(图２－２(ｂ))密排六方晶格的晶胞是一个六棱柱体ꎬ在晶胞的十二个顶点和上下两面的中心处各有一个原子且晶胞内部还包含着三个原子(图２－２(ｃ))二、金属材料的机械性能生产过程中经常用弹性、塑性、强度、硬度、冲击韧性、疲劳强度等来反映金属的性能弹性变形和塑性变形如图２－３所示(一)弹性材料在外力作用下产生变形当外力撤销后材料变形可全部恢复或部分恢复能完全恢复原来形状的性能称为弹性ꎮ随外力消失而完全恢复的变形称为弹性变形如图２－３(ａ)所示这种变形量越大说明材料的弹性越好ꎮ(二)塑性材料在外力作用下产生永久变形而不破坏的能力叫做塑性对这种外力去除后能保留的永久变形称为塑性变形如图２－３(ｂ)所示如一般受拉会伸长受压会变形这种伸长或变形量愈大而又不出现破坏现象的材料说明塑性好塑性好的材料容易进行各种成形加工如冷冲压、冷拔、冷镦、压延、弯曲等(三)强度材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力叫作强度是衡量零件本身承载能力(即抵抗失效能力)的重要指标因此强度是机械零件首先应满足的基本要求抵抗外力的能力越强则材料的强度越高工程上常用的指标是屈服强度和抗拉强度抵抗塑性变形的能力称为屈服强度材料在拉力作用下抵抗破坏的能力称为抗拉强度当施加的外力分别为压力或弯曲力时这种抵抗破坏的能力则分别称为抗压强度或抗弯强度二、金属材料的机械性能(四)硬度硬度是指材料抵抗更硬物体压入其表面的能力是衡量材料软硬程度的指标表示材料抵抗局部塑性变形的能力抵抗的能力越大不易被压入则硬度越高反之则硬度越低一般情况下硬度越高材料的耐磨性越好硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和显微硬度等常用的两种指标是布氏硬度和洛氏硬度(五)冲击韧性材料在冲击载荷作用下抵抗断裂的能力称为冲击韧性以单位横截面积上所耗用的功来表示也称冲击值其值的大小表示材料韧性的强弱韧性低的材料由于脆性大断裂前无明显征兆一旦发生危险则后果非常严重韧性高的材料在断裂前会发生明显的塑性变形在工程实践中能引起注意故可以避免严重事故的发生(六)疲劳强度材料在多次重复或交变载荷(即大小、方向反复变化的载荷)作用下在远低于其屈服强度时即发生断裂的现象称为疲劳材料在无数次交变载荷作用下不致引起断裂的最大应力称为疲劳强度为提高零件的疲劳强度一方面在设计时应考虑结构形状以避免应力集中另一方面可以提高零件的表面质量如减少表面的粗糙度、表面喷丸及表面热处理等三、金属材料的工艺性能材料的工艺性能主要包括冲压性能、焊接性能、切削加工性能和铸造性能(一)冲压性能金属在冷或热的状态时在压力作用下进行塑性变形的能力叫做冲压性能即金属可进行热锻、冷冲压、冷镦、冷挤压等的能力如汽车车身、搪瓷制品的胎料及许多日用品都是用冲压方法制成的用于冲压的金属材料必须有良好的冲压性能或延展性能金属材料的冲压性能常用金属的塑性和变形抗力来综合衡量塑性越大则变形抗力越小压力加工性能越好(二)焊接性能金属材料对焊接加工的适应性称为金属的焊接性能金属材料的焊接性能越好则说明该金属材料易于用一般焊接方法与工艺施焊而且焊接时不易形成裂纹、气孔、夹渣等缺陷其接头强度可与母材相近焊接性能差的材料必须用特定的方法与工艺进行焊接通常低碳钢具有良好的焊接性能而中碳钢、高碳钢高合金钢、铸铁和铝合金焊接性能较差三、金属材料的工艺性能(三)切削加工性能切削加工性能是指金属材料在切削加工过程中所表现出来的性能反映了材料被切削加工的难易程度影响切削加工性能的因素很多如材料本身的成分、组织和性能及刀具的几何参数等以硬度对其产生的影响来分析若硬度越高则刀具磨损越严重材料的切削加工性能越差硬度越低越容易发生粘刀现象且切屑不易断裂会降低表面加工质量材料的切削加工性能也越差切削加工性能好的材料不仅刀具磨损小，切屑易脱落而且具有较好的表面加工质量(四)铸造性能铸造是熔炼金属、制造铸型并将熔融金属浇入铸型凝固后获得一定形状与性能的毛坯或零件的成型方法铸造所获得的毛坯或零件称为铸件材料在铸造过程中所表现出来的工艺性能称为铸造性能它对能否获得优质铸件具有很大影响铸造性能通常用流动性和收缩性来衡量流动性是指液态金属本身的流动能力流动性越好液态金属充满铸型的能力越强易于获得形状完整、轮廓清晰、尺寸准确、薄而复杂的铸件反之铸件容易产生浇不足或冷隔等缺陷第二节汽车车身常用金属材料一、钢(一)概述1.碳素钢和合金钢钢铁材料在生产中应用广泛它是由铁和碳两种元素为主所构成的合金即铁碳合金根据含碳量的不同铁碳合金可分为工业纯铁、碳钢以及铸铁含碳量为0.0218%~2.11%的铁碳合金称为碳素钢简称碳钢含碳量大于2.11%的铁碳合金称为铸铁含碳量低于0.0218%的铁碳合金称为工业纯铁第二节汽车车身常用金属材料一、钢2.钢的分类根据化学成分、质量、用途可将钢进行分类见表2-1表2-1第二节汽车车身常用金属材料一、钢2.钢的分类根据化学成分、质量、用途可将钢进行分类见表2-1表2-1一、钢(二)钢板汽车车身上的钢板可分为热轧钢板与冷轧钢板、低碳钢板、高强度钢板和特殊钢版等１.热轧钢板2.低碳钢板3.高强度钢板４.特殊钢板二、铝合金(一)概述铝是地壳中储量最丰富的金属元素占地壳总重量的８.２％由于具有优异的性能因此铝在几乎所有工业领域中得到应用１.纯铝２.铝合金３.铝合金车身的优点二、铝合金(二)变形铝合金以压力加工方法生产的铝合金称为变形铝合金也称为塑性铝合金一般以板、型材、带、棒、管、条等形式供应它的牌号由４位字符组成即数字２－８(１为纯铝)＋字母＋两位数值表示铝合金系列符号与种类的对应关系见表２－３第１位数值为主要合金元素的顺序号依据第１位数值或铝合金中的主要合金元素将其称为“Ｘ系铝合金”例如主要合金元素为Ｍｎ顺序号为３则称为“３系铝合金”三、其他金属材料(一)铜合金１.概述铜是一种非常重要的有色金属具有与其他金属不同的许多优异性能因此铜及铜合金的应用非常广泛我国拥有丰富的铜资源是最早使用铜合金的国家(１)纯铜(２)铜合金根据加入的元素不同常用铜合金分为黄铜、青铜和白铜三大类以锌作为主要合金元素的铜合金称为黄铜以镍作为主要合金元素的铜合金称为白铜除黄铜和白铜外其他的铜合金统称为青铜在普通机器制造业中应用较为广泛的是黄铜和青铜三、其他金属材料(二)镁合金１.概述(１)纯镁纯镁熔点为６５０℃在熔化温度时极易氧化甚至燃烧密度很小仅有１.７４ｇ/ｃｍ３冷变形能力很差但高纯度镁具有一定的塑性变形能力强度低与铝差不多化学性质很活泼冶炼非常困难正是以上特点使得镁在工业上的应用较晚第三节汽车车身常用非金属材料汽车制造中广泛使用非金属材料的原因是由于非金属材料具有许多优良的理化性能可以满足某些特殊要求且原料来源丰富加工简便车身非金属材料的使用是实现汽车轻量化的有效途径节能增效作用强大ꎮ非金属材料的种类很多汽车制造中主要使用的有塑料、橡胶、玻璃、黏结剂、密封剂等一、塑料(一)概述1.概念及分类塑料是以合成树脂为主要成分然后加入各种添加剂在加工过程中可塑制成各种形状的高分子材料合成树脂的种类、性质及加入量的多少对塑料的性能起着很大的作用因此大部分的塑料是以所加树脂的名称来命的工程上常用的合成树脂有酚醛树脂、环氧树脂、氨基树脂、有机硅树脂和聚氯乙烯、聚苯乙烯等塑料的性能主要取决于树脂但添加剂也起着相当重要的作用添加剂是为了改善塑料的使用性能或成形工艺性能而加入的其他组分包括填料(又称填充剂或增强剂)、增塑剂。一、塑料2.特点及应用塑料的主要缺点是强度、硬度、刚度低耐热性、导热性差热膨胀系数大易燃烧易老化与此同时塑料也具有许多优点:质轻、比强度高良好的耐蚀性、减摩性与自润滑性绝缘性、耐电弧性、隔音性、吸振性优良工艺性能好塑料在工业生产和日常生活中的应用十分广泛近年来塑料在汽车上的应用越来越受到人们的重视甚至出现了全塑料车身汽车用塑料代替一、塑料汽车常用塑料的名称、主要特性及应用举例见表二、橡胶(一)概述1.概念及分类橡胶是以生胶为主要成分加入适量的配合剂和增强材料而制成的一种具有高弹性的有机高分子材料生胶是橡胶工业的主要原料不能直接用来制造橡胶制品需经过特种的物理化学过程方可使用不同的生胶可以制成不同性能的橡胶制品其来源可以是天然的也可以是合成的增强材料主要作用是提高橡胶制品的强度、硬度、耐磨性和刚性等力学性能并限制其变形主要有各种纤维织品、帘布及钢丝等如轮胎中的帘布橡胶按原料分为天然橡胶和合成橡胶按其性能和用途分为通用橡胶和特种橡胶二、橡胶2.特点及应用橡胶的缺点是导热性差、硬度和抗拉强度不高、容易老化等但橡胶也具有许多优点:独特的高弹性使其可作为减振材料用于制造各种减轻冲击和吸收振动的零件良好的热可塑性可把橡胶加工成不同形状的制品良好的粘着性可与其他材料粘结成整体而不分离良好的绝缘性可用于制造电线、电缆等导体的绝缘材料其他良好性能如耐寒、耐蚀和不渗漏水、气等二、橡胶二、橡胶(二)天然橡胶天然橡胶是橡树流出的胶乳经过凝固、干燥、加压制成片状生胶再经硫化处理成可以使用的橡胶制品（三）合成橡胶合成橡胶是以石油、天然气为原料经聚合反应而成的高分子由于原料来源丰富、成本低廉因此合成橡胶的品种和数量都有很大发展空间目前其产量已超过天然橡胶三、玻璃(一)概述玻璃是以石英砂、纯碱、长石、石灰石等为主要原料并加入某些金属氧化物等辅料制成的非金属材料玻璃具有以下特点:良好的透视、透光性能隔音、有一定的保温抗拉强根据用途和加工工艺汽车用玻璃主要分为钢化玻璃、夹层玻璃、特殊功能玻璃、区域钢化玻璃和有机玻璃等

四、黏结剂(一)概述1.概念及分类黏结剂又称黏合剂是将两种材料黏结在一起或填补零件裂纹、空洞等缺陷的材料黏结剂一般由基料、固化剂或催化剂、填料、溶剂和助剂所构成化学作用才能获得满足性能要求的黏结剂黏结剂的种类很多汽车修理常用的主要有环氧树脂黏结剂、酚醛树脂黏结剂和氧化铜黏结剂等。四、黏结剂2.特点及应用黏结剂具有较高的黏接强度和良好的耐水、耐油、耐腐蚀、电绝缘等性能用它来修复零件具有工艺简单、连接可靠、成本低的优点不会使零件引起变形和组织发生变化等优点目前黏结剂已经渗透到现代工业和日常生活中，在汽车向轻量化、高速节能、延长寿命和提高性能方向发展的道路上黏结剂在汽车生产中的作用越来越重要四、黏结剂(二)环氧树脂黏结剂环氧树脂黏结剂是以环氧树脂及固化剂为主再加入增韧剂稀释剂、填料和促进剂等配制而成的一种有机黏结剂环氧树脂是人工合成的高分子化合物优点是黏接力强、固化收缩率小、耐蚀和绝缘性好、使用方便但缺点是脆性大耐热性差固化剂是黏结剂的主要成分它与环氧树脂化合使树脂的线状结构变成网状结构待固化后形成热固性物质温度升高也不软化和熔化也不溶于有机溶剂而且还具有良好的耐油四、黏结剂四、黏结剂(三)酚醛树脂黏结剂酚醛树脂黏结剂也是一种有机黏结剂它的基本成分为酚醛树脂酚醛树脂黏结剂具有较高的黏接强度耐热性好可在２００℃以下长期工作但其脆性大不耐冲击酚醛树脂黏结剂可以单独使用也可以与其他树脂或橡胶混合使用它与环氧树脂混合使用时用量为环氧树脂的３０％~４０％且要加增韧剂和填料为了加速固化可加入５％６％的乙二胺这样既改善了耐热性又提高了韧性四、黏结剂(三)酚醛树脂黏结剂２０４黏结剂是酚醛树脂与缩甲醛组成的黏结剂它的特点是具有优良的耐热性可在２００℃以下长期工作主要用于在高温环境下工作的零部件的修复四、黏结剂(四)氧化铜黏结剂氧化铜黏结剂是一种无机黏结剂,具有良好的耐热性(在600℃高温下不软化)和耐油、耐酸性,固化前溶于水而固化后不溶于水等特点,但其脆性大,不耐冲击以及耐强碱能力差等氧化铜黏结剂由氧化铜粉、无水磷酸和氢氧化铝调和而成。其中,氢氧化铝用于进行无水处理。氧化铜与磷酸反应生成的磷酸铜,吸水后会形成结晶水化物而固化。这一固化过程与硅酸盐水泥相类似,因此它能如“水泥”一样进行黏补,而且磷酸铜在黏结时与钢铁件表面接触,铁元素与铜元素会发生置换反应,因此能提高其黏结强度。氧化铜黏结剂在固化后,体积略有膨胀,因此,它特别适用于管件套接或槽接,也可用于填补裂缝、堵漏和黏合零件,如黏补发动机气缸上平面、气阀室附近处的裂纹以及黏接硬质合金刀头五、密封剂(一)概述汽车车身板件连接部位和焊接部位容易受到碰撞冲击,且焊接部位是金属防腐的敏感区域,水、雪、灰尘和路面上的沙子都很容易在此聚集,因此汽车上的连接处必须采用密封剂,以消除材料和车身板件表面的缝隙,同时,还起到碰撞保护及防腐的作用。常用的汽车用密封剂有稀薄密封剂、稠密封剂、固体密封剂和涂刷密封剂等多种类型,而且其应用部位和使用方法也有所不同。五、密封剂(二)稀薄密封剂稀薄密封剂在保持减振作用的同时会产生微小的收缩,以保证连接处的精确度,具有黏合性能好的特点,可用于密封4mm以下的缝隙,适用于干净裸露的金属。由于大多数缝隙都在一个垂直的表面,因此使用时应注意防止密封剂流出缝隙 (三)稠密封剂稠密封剂既可以遮盖缝隙也可以以珠状形式存在适用于密封4mm-8mm宽的缝隙ꎮ密封剂的收缩量应减到最小保证其具有很好的抵抗收缩的能力和柔性以防止发生断裂常用于汽车构件连接处和重叠缝隙处(四)固体密封剂固体密封剂是条形堵缝形状的用手指即可压入缝隙用于密封板件连接和空洞处的巨大缝隙ꎮ(五)涂刷密封剂涂刷密封剂用于隐藏擦痕防止盐类物质及像汽油、齿轮油和制动液等第四节汽车车身常用复合材料一、概述(一)概念及特点随着现代机械、电子、化工、国防等工业的发展及航天、信息、能源、激光、自动化等高科技的进步人们对材料性能的要求越来越高除要求材料具有高比强度、高比模量、耐高温、耐疲劳等性能外还对材料的耐磨性、尺寸稳定性、减震性、无磁性、绝缘性等提出特殊要求甚至有些构件要求材料同时具有相互矛盾的性能如既导电又绝热强度比钢好而弹性又比橡胶强并能焊接等这对单一材料来说是不易实现的若采用复合技术把一些具有不同性能的材料复合起来取长补短则能实现这些性能要求于是现代复合材料应运而生第四节汽车车身常用复合材料一、概述(二)分类第四节汽车车身常用复合材料二、玻璃纤维复合材料玻璃纤维复合材料又称玻璃钢出现于第二次世界大战期间它的应用范围很广，从各种机器的护罩到形状复杂的构件从各种车辆的车身到不同用途的配件从电机电器上的绝缘抗磁仪表和器件到石油化工中的耐蚀耐压容器、管道等都有玻璃钢的身影大量地节约了金属提高了构件性能水平玻璃纤维复合材料是汽车上应用最多的复合材料ꎮ根据树脂基体的性质玻璃钢分为热塑性玻璃钢和热固性玻璃钢两种第四节汽车车身常用复合材料三、碳纤维复合材料碳纤维复合材料是２０世纪６０年代迅速发展起来的碳以石墨的形式存在碳纤维比玻璃纤维具有更高的强度和高得多的弹性模量且在２０００℃以上的高温下强度和弹性模量基本上保持不变在－１８０℃以下的低温环境中也不变脆根据基体不同碳纤维复合材料有碳纤维树脂复合材料、碳纤维碳复合材料、碳纤维金属复合材料和碳纤维陶瓷复合材料等碳纤维树脂复合材料的基体是树脂目前应用最多的是环氧树脂、酚醛树脂和聚四氟乙烯这类材料比玻璃钢的性能还要优越其比重比铝轻强度比钢高弹性模量比铝合金和钢大疲劳强度、冲击韧性高耐水耐湿气化学稳定性、导热性好摩擦系数小受Ｘ射线辐射时强度和模量不变化第四节汽车车身常用复合材料四、硼纤维复合材料用于基体的材料主要有树脂和金属等硼纤维树脂复合材料基体主要为环氧树脂、聚苯并咪唑和聚酰亚胺树脂等是２０世纪６０年代中期发展起来的新材料其特点是抗压强度(为碳纤维树脂复合材料的２~２.５倍)和剪切强度很高蠕变小硬度和弹性模量高有很高的疲劳强度(达３４０~３９０ＭＮ/ｍ２)耐辐射对水、有机溶剂和燃料、润滑剂都很稳定由于硼纤维是半导体因此其复合材料的导热性和导电性很好硼纤维金属复合材料常用的基体为铝、镁及其合金、钛及其合金等用高模量连续硼纤维增强的铝基复合材料的强度、弹性模量和疲劳极限一直到５００℃都比高强度铝合金和耐热铝合金高它在４００℃时的持久强度为烧结铝的５倍比强度比钢和钛合金还高第四节汽车车身常用复合材料五、金属纤维复合材料用于增强纤维的金属主要是强度较高的高熔点金属钨、钼、钢、不锈钢、钛、铍等用于基体的材料主要是金属、陶瓷等金属纤维金属复合材料除了强度和高温强度较高外主要是塑性和韧性较好而且比较容易制造金属纤维陶瓷复合材料采用金属纤维增强可以充分利用金属纤维的韧性和抗拉能力第四节汽车车身常用复合材料【知识链接】新材料在汽车车身上的应用汽车作为交通运输工具之一自诞生后历经１００多年的发展给人们生活带来了方便现代汽车设计和制造的要求集中反映在洁净化、安全化、轻量化、舒适化信息化等五大方面人们尤其关注的是轻量化２１世纪以来对现代汽车减重节能的要求不断高涨轻量化已成为汽车优化设计和选材的主要方向汽车轻量化是通过降低汽车的整车质量提高汽车的动力性减少燃料消耗降低排气污染有关数据表明汽车轻量化在很大程度上取决于车身轻量化但车身轻量化的前提是既应保持汽车原有的性能不受影响又要保证汽车行使的安全性、耐撞性、抗振性及舒适性同时汽车本身的造价不被提高以免造成消费者经济上的压力车身轻量化的实现可以从以下三方面着手:一是采用新材料或材料(轻质高强)替代二是采用先进的制造工艺三是优化车身结构材料是影响汽车重量的重要因素使用轻质材料是目前降低汽车总质量的主要途径同时实现轻量化的材料也必须具有较高的强度以及良好的成型、耐腐蚀、焊接等性能除本章前面所介绍的各类轻质材料外还出现了以下车用新材料第四节汽车车身常用复合材料一、