《汽车应用材料》-模块1 金属材料的性能

模块1金属材料的性能

任务1.1金属材料的力学性能

任务1.2金属材料的工艺性能

模块1金属材料性能1912年，世界航海史上曾被骄傲地称为“永不沉没的巨轮”泰坦尼克号初航时，在北大西洋撞上冰山，仅仅10秒钟的碰撞，35cm厚双层船体钢板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2小时40分钟后，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，船身的设计、材料的选择和性能无疑起着至关重要的作用。【案例引入】史上空前的海难——铁达尼号的沉没图1-1铁达尼号轮船2026年5月15日典型轿车构造图2026年5月15日任务1.1金属材料的力学性能1.1.1强度与塑性强度：金属在静载荷作用下，抵抗塑变（永久）和断裂的能力；包括：拉伸、压缩、弯曲、扭转等强度。塑性：金属在静载荷作用下，产生塑性变形而不破坏的能力。

静载荷:载荷从0逐渐增加到max测定：拉伸强度和塑性都是通过拉伸试验测定的。2026年5月15日（1）设备（2）试样

拉伸试样L0=100㎜D0=10㎜（3）试样材料退火低碳钢铸铁1.拉伸试验拉伸试验机2026年5月15日退火低碳钢拉伸曲线铸铁拉伸曲线1.拉伸试验——（4）拉伸曲线韧性断口脆性断口2026年5月15日弹性变形阶段——（op、pe段）

屈服阶段——（es段）强化阶段——（sb段）

缩颈阶段——（bk段）

退火低碳钢拉伸曲线1.拉伸试验低碳钢拉伸过程中的变形阶段2026年5月15日（1）屈服强度——试样产生屈服现象时的最小应力。

ReL=

(MPa)

脆性材料的屈服强度表示为：Rr0.2

（2）抗拉强度——试样被拉断前所承受的最大应力。

Rm

=(MPa)

（3）意义——金属材料的强度越高，则越结实。在承受相同载荷的条件下，零件的尺寸减小，重量减轻，可实现汽车的轻量化——节油、环保。2.强度指标铸铁拉伸曲线退火低碳钢拉伸曲线2026年5月15日（1）断后伸长率——试样拉断后，标距长度的伸长量与原标距长度的百分比，用A表示。

A=×100%（2）断面收缩率——试样拉断后，缩颈处横截面积的收缩量与原横截面积的百分比用Z表示。

Z=×100%

塑性材料：δ＞5%，低碳钢

脆性材料：δ＜5%，铸铁、高碳钢3.塑性指标2026年5月15日（3）意义——塑性好的材料

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。汽车车身覆盖件、油箱等大多是采用塑性好的冷轧钢板冲压而成。车身油箱3.塑性指标2026年5月15日表1-1金属材料强度与塑性的新、旧标准名词和符号对照GB/T228.1-2010新标准GB/T228-1987旧标准名称符号名称符号屈服强度Re屈服点σs上屈服强度ReH上屈服点σsU下屈服强度ReL下屈服点σsL规定残余伸长强度Rr，如Rr0.2规定残余伸长应力σr，如σr0.2抗拉强度Rm抗拉强度σb断后伸长率A和A11.3断后伸长率δ5和δ10断面收缩率Z断面收缩率ψ2026年5月15日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2026年5月15日

试验原理：将直径为D的硬质合金球作为压头，以规定的试验载荷F压入被测金属表面，保持规定时间后卸除载荷，此时在被测金属表面上会留下直径为d的球形压痕。计算压痕单位面积上所受的平均压力，即为该金属布氏硬度值。用符号HBW表示。HBW=读数显微镜表示方法：120HBS/10/3000/30500HBW5/750

1.布氏硬度布氏硬度计2026年5月15日特点：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。1.布氏硬度应用：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。2026年5月15日试验原理：用顶角为120°的金刚石圆锥体或直径为1.588㎜的淬火钢球作为压头，先施加初始载荷F0，压入金属表面的深度为h1（图中1—1），然后施加主载荷F1，在总载荷F的作用下，压入金属表面的深度为h2（压头到2—2），待表头指针稳定后，卸除主载荷，由于金属弹性变形的恢复而使压头回升至h3（压头到3—3），压头实际压入金属的深度为h=h3-h1，以压痕深度h值的大小衡量被测金属的硬度。

可用符号：HRA、HRB、HRC表示。2.洛氏硬度洛氏硬度试验原理示意图洛氏硬度计2026年5月15日符号压头主载荷㎏fK测量范围

应用HRA金刚石5010020～88硬质合金、表面硬化层等HRB淬火钢球9013020～100非铁金属、退火钢、正火钢等HRC金刚石14010020～70调质钢、淬火钢等根据压头和主载荷的不同，分别用2.洛氏硬度2026年5月15日表示方法：60-62HRC2.洛氏硬度应用：测定铜、铝等非铁金属及其合金，硬质合金，表面淬火、渗碳件以及退火、正火和淬火钢件的硬度。

特点：压痕小，代表性差，一般测三点取其平均值。2026年5月15日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。2026年5月15日表示方法：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2026年5月15日韧性：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

夏比冲击试验原理示意图1.夏比冲击试验冲击吸收能量：

K=mg（h1-h2）冲击试验计2026年5月15日韧脆转变温度越低，材料的低温抗冲击性能越好。非合金钢韧脆转变温度约为-20℃。在寒冷地区使用非合金钢制造车辆、桥梁、输油管道等，在冬天易发生脆断现象。低合金高强钢韧脆转变温度约为-40℃，适合在较低温度下工作。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

2026年5月15日1.1.3韧性2.小能量多次冲击试验小能量多次冲击试验示意图

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。2026年5月15日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。

1.1.4疲劳强度2026年5月15日疲劳曲线示意图

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S（旧标准为σ-1）表示。

2026年5月15日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2026年5月15日任务1.2金属材料的工艺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2026年5月15日

铸造性能——金属材料铸造成形获得优质铸件的能力。任务1.2金属材料的工艺性能包括流动性、收缩性及偏析倾向等。曲轴凸轮轴汽缸体转向器壳体2026年5月15日

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2026年5月15日

焊接性能——金属材料对焊接加工的适应性。任务1.2金属材料的工艺性能汽车一厂车身车间POLO底盘焊接2026年5月15日

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2026年5月15日

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2026年5月15日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能量K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2026年5月15日本章小结金属材料的工艺性能铸造性能

是金属材料铸造成形获得优质铸件的能力锻压性能

是金属材料锻压成型的难易程度焊接性能

是指金属材料对焊接加工的适应性热处理性能

是金属材料适应各种热处理工艺的性能切削加工性能

是指金属材料接受切削加工的难易程度据2026年5月15日二、填空题1.载荷按照性质不同一般可分为

和

。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

变形和

变形。3.金属材料的力学性能主要包括

、

、

、

、

等。4.拉伸低碳钢时，试样的变形可分为

、

、

和

四个阶段。5.通过拉伸试验测得的强度指标主要有

强度和

强度，分别用符号

和

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

和

，分别用符号

和

表示。