《汽车工程材料.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《汽车工程材料.docx（15页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、第一章汽车工程材料授课题目 （章、节）汽车工程材料授课类型理论课1授课学时学时教学目的 及要求.掌握金属材料力学性能和使用性能指标.了解钢、铁的分类及碳钢分类及牌号，了解含碳量对钢性能的影 响.了解合金钢的分类、性能及用途，掌握有关合金钢的牌号并掌握 牌号的含义.了解铸铁的分类、性能及用途，掌握有关铸铁的牌号并掌握牌号 的含义.了解铝及铝合金、铜及铜合金的特点、性能及用途.了解非金属材料的特点、性能及用途重点 难点重点：.金属材料的力学性能.钢、铁的分类.碳钢分类及牌号.铸铁分类及牌号难点：.金属材料的力学性能教学方法 及手段理论讲授法、启发式教学法、演示教学过程设计教学步骤：.组织教学.复习
2、提问、引出本讲教学内容.新课讲解.穿插提问.归纳总结.布置作业理论教学内容：.金属材料的力学性能和工艺性能 金属材料的力学性能金属材料的工艺性能.金属材料黑色金属有色金属.非金属材料理论教学内容和过程：.金属材料的性能金属材料的使用性能请同学们回顾并思考以下两个问题：）你所知道的汽车材料有哪些？）汽车材料的选用与环境有关吗？（一）汽车材料分类：、金属材料黑色金属、有色金属、合金、非金属材料有机高分子、无机非金属材料、新型复合材料、汽车运行材料燃料、润滑剂、工作液（二）金属材料性能：（分组讨论每组给出答案，老师点拨）.使用性能力学性能、物理性能、化学性能.工艺性能压力加工性能、铸造性能、焊接性能
3、、切削加工 热处理（三）、力学性能定义：材料受到外力作用所表现出来的性能，又称机械能、力学性能包括：强度、塑性、硬度、冲击韧性、抗疲劳性（板书）（四）同学分组讨论你们所知的外力（载荷）指的是哪些？并指出实例载荷的分类根据外力作用 的类型可分为拉伸载荷中强度拉钩、绳、螺栓压缩载荷抗压强度活塞、连杆弯曲载荷抗弯强度曲轴、摇臂剪切载荷3强度销、轴扭转载荷扭转扭转曲轴等旋转零件根据作用力的 方向、时间可 分为静载荷缓慢增加后保持大小和方向不变的载荷冲击载荷不仅和作用力有关，而且作用时的速度有关交受载荷力的大小、方向随时间作周期性变化（五）力学性能指标:.强度在外力作用下，金属材料抵抗永久变形和断裂的能
4、力（1）强度的大小用应力表示，金属材料在受到外力作用时必然在材料内部产生与外力相等的抵抗力，即内力。（2）单位截面上的内力称为应力。（3）用符号（T表示，（T（4）单位：（5）通过拉伸试验得到的指标有；弹性极限、屈服强度、抗拉强度。. 塑性在外力作用下, 金属材料产生永久变形而不断裂的能力（ 1） 定 义：指材料受力时在断裂前产生永久变形的能力。（2）指标：伸长率（S）和断面收缩率少S （） x % 少（）x %（ 3） 伸 长率、断面收缩率与塑性的关系：八小值越大，塑性越好。. 硬度指材料表面抵抗局部塑性变形、压痕或划痕的能力。汽车零件根据工作条件的不同，要求具有一定的硬度以保证零件具有足够
5、的强度、耐磨性、和使用寿命等。常用硬度试验法；布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度布氏硬度的测试原理：采用直径为的球体，以一定的压力将其压入被测金属表面，并留下压痕。压痕的表面积越大，则材料的布氏硬度值越低。在实际测定中，只需量出压痕直径的大小，然后查表即可得布氏硬度值。主要用于测定各种不太硬的钢及灰铸铁和有色金属的硬度。洛氏硬度的测试原理：是以试样被测点的压痕深度为依据。压痕越深，硬度越低，以锥角为°的金刚石圆锥为压头。测量洛氏硬度时，根据压头和加载的不同，在洛氏硬度试验机上有、三种标尺代表三种载荷值，测得的硬度分别用、表示。硬度与耐磨性的关系：硬度越大，耐磨性也越好。. 冲击韧性（ 1）
6、 定 义：材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。（2）指标：冲击韧度. 疲劳强度（ 1） 交 变应力：许多零件，在工作过程中往往受到大小或大小及方向随时间呈周期性变化的应力作用，此应力称为交变应力。（ 2） 金 属的疲劳：金属材料在交变应力的长期作用下，虽然应力远小于材料的抗拉强度，甚至低于屈服点，也会发生突然断裂，这种现象叫金属疲劳。（ 3） 举 例变速箱上齿轮金属材料的工艺性能工艺性能是指材料在成形过程中，对某种加工工艺的适应能力，它是决定材料能否进行加工或如何进行加工的重要因素，材料工艺性能的好坏，会直接影响机械零件的工艺方法、加工质量、制造成本等。材料的工艺性能主要包括铸造性能、锻造性能
7、、焊接性能、热处理性能、切削加工性能等。、铸造性能指材料易于铸造成型并获得优质铸件的能力，衡量材料铸造性能的指标主要有流动性、收缩性等。流动性是指熔融材料的流动能力，主要受化学成分和浇注温度的影响，流动性好的材料容易充满铸型型腔，从而获得外形完整、尺寸精确、轮廓清晰的铸件；收缩性是指铸件在冷却凝固过程中其体积和尺寸减少的现象，铸件收缩不仅影响其尺寸，还会使铸件产生缩孔、疏松、内应力、变形和开裂等缺陷。、锻造性能是指材料是否容易进行压力加工的性能。它取决于材料的塑性和变形抗力的大小，材料的塑性越好，变形抗力越小，材料的锻造性能越好。如纯铜在室温下有良好的锻造性能；碳钢的锻造性能优于合金钢；铸铁则
8、不能锻造。、焊接性能是指材料是否易于焊接并能获得优质焊缝的能力。碳钢的焊接性能主要取决于钢的化学成分，特别是钢的碳含量影响最大。低碳钢具有良好的焊接性能，而高碳钢、铸铁等材料的焊接性能较差。、热处理性能是指材料进行热处理的难易程度。热处理可以提高材料的力学性能，充分发挥材料的潜力。、切削加工性能是指材料接受切削加工的难易程度，主要包括切削速度、表面粗糙度、刀具的使用寿命等。一般来说，材料的硬度适中（）其切削加工性能良好，所以灰铸铁的切削加工性比钢好，碳钢的切削加工性比合金钢好。改变钢的成分和显微组织可改善钢的切削加工性能。. 铁碳合金状态图多数金属在固态下只有一种晶格类型。但、 、等晶态固体并
9、不只有一种晶体结构，而是随着外界条件（如温度、压力）的变化而有不同类型的晶体结构。即在固态下会发生晶格类型的转变，这种转变称为同素异构转变。其中纯铁的同素异构转变尤为重要，它是钢能够进行热处理改变其组织与结构，从而改善力学性能和工艺性能的根本原因。高温下的液态纯铁在冷却至C时开始结晶，得到具有体心立方晶格的S ; 继续冷却到C时，则转变为面心立方晶格的丫；再冷却到C时，又转变成体心 立方晶格的口。（体心立方晶格的晶胞中，八个原子处于立方体的角上，一个原 子处于立方体的中心，角上八个原子与中心原子紧靠。面心立方晶胞，金属原子分布在立方体的八个角上和六个面的中心。面中心的原子与该面四个角上的原子紧
10、靠。）铁碳合金的基本组织在铁碳合金中，铁和碳互相结合的方式是：在液态时，铁和碳可以无限互溶；在固态时，碳可溶于铁中形成固溶体；当含碳量超过固态溶解度时，出现化合物（），此外还可以形成由固溶体和化合物组成的混合物。（）铁素体碳溶解在口中形成的间隙固溶体成为铁素体，用符号（或表示） 。由于体 心立方晶格的的晶格间隙很小，所以碳在口中的溶解度很低，在c时的最大 溶碳量为，随着温度的降低，溶碳量逐渐下降。铁素体的性能接近于,具有 良好的塑性和韧性，而强度和刚度都较低。（）奥氏体碳溶解在丫中所形成的间隙固溶体成为奥氏体，用符号（或丫）表示。由 于面心立方晶格的丫晶格的间隙较大，故溶碳能力较强，在c时，溶
11、碳量可达， 随着温度的降低，溶碳量逐渐下降，到时为。奥氏体的强度和硬度都不高， 但具有良好的塑性，因此绝大多数钢在高温时（处于奥氏体状态）具有良好的 锻造和轧制工艺性能。（）渗碳体渗碳体是铁和碳的金属化合物，他的分子式为，其碳的质量分数为，具有很高的硬度，但塑性很差，是一种脆而硬的组织。（）珠光体它是奥氏体从高温缓慢冷却至以下时，发生共析反应所形成的铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状复相物。用表示（）莱氏体是碳的质量分数为的熔体，在发生共晶反应所形成的奥氏体和渗碳体所组成的共晶体，用表示。继续冷却至时，莱氏体内的奥氏体转变为珠光体，转变后的莱氏体用表示。莱氏体的力学性能与渗碳体相似，硬度很高
12、，塑性很差。铁碳合金状态图分析横坐标上的任何一点, 均代表了一种成分的铁碳合金。图中的任何一点，表 明了某一成分的铁碳合金在一定温度下所具有的状态或组织Q尸书%3Gd图中温度为纵坐标点是()。°1L4S严 xL+F/CiFF+P 1 P-egCiII.“I P+FesCit+Ld' FgG+Ld' j碳的信量分菽为横坐标其左端 1 I IIA中总式ii+Ld | FegCi+Ld7270,0218 0,77 2,114.36.直是纯铁69(=)；右端拓从图中可以看出，含碳量越高，铁素体的量越少而渗碳体的量越多。因而随着含碳量的增加，钢的强度、硬度相应增加，而塑性、韧性
13、则下降。 铁碳合金的分类工业纯铁3.钢铁碳合金接含碳量和室温组织不同分类共析钢钢亚共析钢I过共析钢共晶白口铸铁 白口铸铁亚共晶白口铸铁过共晶白口铸铁钢，一般是指碳质量分数的铁碳合金。钢中除了铁和碳两种元素以外， 还有由炼钢原料带入炼钢过程中并残留下来的其他常存元素，称为杂质。这些 元素对钢的性能产生很大影响。常存元素有硅、镒、硫、磷。(1 )、镒的影响炼钢时加入镒，能使还原成铁，从而提高钢的质量。脱氧后残留在钢中的 镒可溶于铁素体和渗碳体中，使钢的强度和硬度提高。镒还可以和硫形成，减 轻硫对钢的有害作用。在钢中的含镒量一般为，镒属于有益元素。(2 )、硅的影响硅也是作为脱氧剂而加入钢中的，硅的
14、脱氧作用比镒还要强。硅大部分溶 于铁素体中，它能提高钢的强度和硬度，所以硅也是钢中的有益元素，硅作为 杂质而存在于钢中时，其含量一般不应超过。(3 )、硫的影响硫是钢中的有害杂质元素。它常以的形式存在于钢中，与铁形成易熔共晶 体，其熔点为C,分布于晶界。当钢在 C进行锻造时，由于共晶体溶化而导致 钢材开裂，这种现象称为热脆。为避免热脆，钢中含硫量必须严格控制，应小 于。硫对钢的焊接也有不利影响，会导致焊缝热裂现象，同时，硫易氧化形成气体， 使得焊缝中产生气孔。()、磷的影响磷也是钢中的有害元素，磷在钢中能溶于铁素体，使铁素体的强度、硬度 显著提高，却使塑性、韧性急剧下降，在低温时，这种情况更加
15、严重，这种现 象称为冷脆。因此，应严格控制钢中的含磷量，一般情况含磷量应小于。()、非金属夹杂物钢中的非金属夹杂物有氧化物(、)、硫化物(、)、硅酸盐等。这些夹杂物是炼钢时产生的而未能完全排除在钢液之上，或是从炉渣、炉体、铸锭设 备等耐火材料中带入的。非金属夹杂物降低钢的强度、塑性，因而夹杂物越少， 钢的质量越好。碳素钢碳素钢又称碳钢，在工业上占有很重要的地位。这是由于碳钢不仅具有较 好的机械性能，良好的工艺性能，而且价格低廉、品种多样，能够满足各种场 合的使用要求，所以约占钢总产量的以上。例如汽车的外壳、车架、车桥等，其中的零部件材料很多采用的是碳素钢。碳素钢的分类碳素钢的分类方法很多，最常
16、见的有以下三种:（）按钢中的含碳量分低碳钢 （3 ）；中碳钢（3）；高碳钢（3 ）（ 2）按钢的质量分普通钢、高级优质钢和特种钢（ 3）按用途分碳素结构钢、碳素工具钢一、 碳素结构钢（）普通碳素结构钢碳素结构钢的牌号由代表钢材屈服点的字母（）、屈服点数值、质量等级符号和脱氧方法符号等四部分按顺序组成。规定牌号有、和四种。这类钢的碳的质量分数较低，加上硫、磷等有害元素和其他杂质含量较多，故强度不够高。但塑性、韧性好，焊接性能优良，冶炼方便成本低，适合工程 用钢批量大的特点。（）优质碳素结构钢含碳量，有害杂质含量很少，通常经过热处理后可提高机械性能。牌号用两位数字表示，数字代表钢平均碳的质量万分数
17、，如牌号表示其平 均碳的质量分数为。较高含量（）的优质碳素结构钢，牌号后加“”，如、等。根据炭、热处理和用途的不同，优质碳素结构钢还可分为以下三类：）渗碳钢具3,常用的为钢。渗碳钢属于低碳钢，其强度较低，但塑性和韧性较好，切削加工性能和焊接性能优良，可直接用来制造各种受力不大，但要求较高韧性的零件以及焊接件和冷冲件，如拉杆、轴套等。但通常多进行表面渗碳处理、淬火和低温回火处理，以获得表面硬度高、耐磨、且心部韧性好的“表硬里韧”的性能，适用于要求承受一定冲击载荷和有摩擦、磨损的机器零件，如凸轮、滑块、活塞销等。）调质钢 3 ,常用的为钢。属于中碳钢，常用牌号为、等。调质钢多进 行调质处理，即进行
18、淬火和高温回火处理，已获得良好的综合力学性能等。调质钢多用于制造较重要的机器零件，如凸轮轴、曲轴、连杆和齿轮等。）弹簧钢 3 ,通常多进行淬火和中温回火，以获得较高的弹性极限。主 要用于制造弹簧等各种弹性元件以及易磨损的零件，如车轮等。）铸钢 铸钢是将熔化的钢水直接浇注到铸型中去，冷却后即获得零件毛 坯（或零件）的一种钢材。铸钢的牌号有、和五种。其中代号表示铸钢，代 号后面的两组数字表示屈服点和抗拉强度的值，单位均为。二、碳素工具钢碳素工具钢是用于制造刃具、模具和量具的钢。它应满足刀具在硬度、耐 磨性、强度和韧性等方面的要求。例如在金属切削过程中，随温度的升高，机 床刀具不仅要求在常温时具有高
19、的硬度，而且要求在高温时仍保持切削所需硬 度的性能，即热硬性。碳素工具钢的牌号用“"加数字表示。为“碳”字的汉语拼音字首，数 字表示平均含碳量的千分数，牌号末尾的字母表示高级优质。例如表示平均含 碳量为的碳素工具钢。由于碳素工具钢的热硬性较差，热处理变形较大，仅适用于制造不太精密的模具、木工工具盒金属切削的低速手用工具（锤刀、锯条、 手用丝锥）等。合金钢在碳钢的基础上，加入某些合金元素而得到的钢，常用的合金元素有、等。与碳素钢相比，热处理性能较好，力学性能指标更高，还能满足某些特殊 性能要求。但有些合金钢的冶炼、加工比较困难，经济差。所以，要合理地使 用合金钢，使之既能保证使用性能要
20、求，又可产生良好的经济效益。合金钢可分为合金结构钢、合金工具钢和特殊性能钢。一、合金结构钢（）低合金高强度结构钢、/I不中。它们都是在碳素结构钢的基础上加入少量的不同合金元素儿得到的低碳、 低合金的钢种，其力学性能较相应的碳素结构钢有明显的提高，并且具有良好 的塑性、韧性、耐蚀性和焊接性能，故广泛应用于各种重要的工程结构。（）低合金铸钢主要用于一般碳素结构钢不能满足使用要求的工程与结构的铸件。牌号（铸钢）（低合金）屈服点数值、抗拉强度值。如、等共八种。（）合金结构钢牌号用“数字合金元素符号数字”的方法来表示。前面的数字表示碳的质量分数的万分数，合金元素后面的数字表示该元素质量分数的百分数。当平
21、 均质量分数低于时，仅标出元素符号，如表示碳的质量分数为，硅的质量分数 为，镒的质量分数小于。（）专用合金结构钢滚动轴承钢是专门用于制造滚动轴承内、外套圈和滚动体的合金结构钢。 中小型轴承多采用（或）制造，平均碳的质量分数达，铭的质量分数为。牌号中的“”是滚动轴承钢的代号，为铸造滚动轴承钢。二、合金工具钢合金工具钢是在碳素工具钢的基础上加入少量合金元素（、等）制成的，由于合金元素的加入，提高了材料的热硬性，改善了热处理性能。合金工具钢 常用来制造各种量具、模具或切削工具。牌号的前一位数字表示钢中的碳的平均质量分数（用千分之几表示）；若碳的平均质量分数A时，一般不标出。合金元素符号后的数字表示该
22、元素的平均 质量分数，若合金元素的质量分数小于，一般不标出。例如：表示平均含碳量为左右，和后无数字表示该元素的平均质量分数在以下。机床切削加工的刀具常用高速钢制造。高速钢是一种含鸨、铭、钮等合金 元素较多的合金工具钢。它有很高的热硬性，当切削温度高达C左右时，硬度 仍无明显下降。高速钢具备足够的强度和韧性，可以承受较大的冲击和振动。止匕外，高速钢还具有良好的热处理性能和耐磨性能。常用的高速钢牌号有 和等。三、特殊性能钢特殊性能钢是一种含有较多合金元素，并具有某些特殊物理性能和化学性能的钢。常用的有不锈钢、耐热钢及软磁钢。不锈钢中主要的合金元素是铬和镍，并具有良好的耐蚀不锈性能，适用于制造化工设
23、备、医疗器械等。常用的不锈钢友、等。耐热钢是在高温下不发生氧化并具有较高强度的钢，适用于制造在高温条件下工作的零件。软磁钢又名硅片钢，它是在钢中加入硅并轧制而成的薄片状材料。具有很好的 磁性。4. 钢的热处理钢的热处理是将钢在固体状态下通过加热、保温和以不同的方式冷却，来改变钢的内部组织结构，从而获得所需性能的一种工艺方法。普通热处理1 退火定义：将金属加热到适当温度(应根据工件的钢号，热处理的目的等因素确定) ，保持一段时间，然后缓慢冷却(一般是随炉冷却，简称炉冷)的一种金属热处理工艺。退火的目的：() 降低硬度，改善切削加工性；() 消除残余应力，稳定尺寸，减少变形与裂纹倾向；() 细化晶
24、粒，调整组织，消除组织缺陷。2正火正火是将工件加热至一定温度后，保温一段时间后，从炉中取出在空气中或喷水、喷雾或吹风冷却的金属热处理工艺。其目的是在于使晶粒细化和碳化物分布均匀化。与退火相比，正火后材料的硬度、强度、韧性都高于退火，且操作简便、周期短、成本低。3淬火淬火是将工件加热到临界温度以上的某一温度，保温一定时间后，然后在水、盐水或油中急剧冷却的一种热处理工艺。淬火的目的是提高钢的硬度和耐磨性。4回火回火是把淬火后的工件重新加热到临界温度以下的某一温度，保温后再以适当冷却速度冷却到室温的一种热处理工艺。回火的目的是降低淬火钢的脆性，提高韧性；稳定组织和尺寸，使工件在使用过程中不发生组织转
25、变和形状、尺寸的变化；消除内应力，防止工件在使用过程中的变形和开裂倾向；调整硬度，以获得优良的力学性能和使用性能。表面热处理表面热处理是对工件表面进行强化的金属热处理工艺。它不改变零件心部的组织和性能，广泛用于既要求表层具有高的耐磨性、抗疲劳强度和较大的冲击载荷，又要求整体具有良好的塑性和韧性的零件，如曲轴、凸轮轴、传动齿轮等。表面热处理可分为表面淬火和化学热处理两大类。表面淬火仅改变表面组织而不改变表面成分。化学热处理同时改变表面成分和组织。是指将零件放入一定温度的活性介质中，使一种或几种元素渗入零件表面，以改变表层的化学成分、组织和性能的一种表面热处理工艺。5. 铸铁及有色金属在铁碳相图中
26、，为的铁碳合金称为白口铸铁，其中的碳极大的部分是以渗 碳体形式存在，这类铸铁由于硬而脆，很难进行切削加工，因此很少直接用来 制造及其零件，实用价值不大。实际上，在铸铁中的碳，如果经过石墨化过程， 就可以以石墨的形式存在。石墨化的铸铁中的碳以石墨形式存在，加之其中的硫、磷及其他杂质的含量较高，所以与钢相比，它的力学性能较低，但它具有 优良的铸造性能和切削加工性能以及耐压、耐磨和减震性能，并且生产工艺简 单，成本低廉，因此在工程中得到广泛的应用。这类铸铁按石墨的形态不同，又可分为灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁和蠕 墨铸铁。这里只介绍应用最多的灰铸铁和球墨铸铁。铸铁一、灰铸铁灰口铸铁中的碳全部或大部分以
27、片状石墨形态存在，其断口呈暗灰色，故 称灰铸。其机械性能虽不如钢，如抗拉强度较低，塑性和韧性很差，是一种典 型的脆性材料，但因石墨的存在带来一些优点，例如，吸振性；石墨能起润滑 作用，能提高耐磨性和可切削性；有良好的铸造性能，收缩小，不容易产生铸 造缺陷，是应用最广的铸造金属。牌号有、等六种。为灰铸铁的代号，后面的数字表示其抗拉强度值（）C二、球墨铸铁灰铸铁中的石墨是片状的。如果在铁水浇注之前加入球化剂， 进行球化处 理，则石墨呈球状，这就是球墨铸铁。球墨铸铁具有灰铸铁的许多优点，如良好的减震性、耐磨性等，都是钢所 不及的，同时组织中的球状石墨对基体的削弱和造成应力集中都较小，因此其 力学性能
28、又优于灰铸铁，在抗拉强度、屈服比、疲劳强度等方面都可以与钢媲 美（冲击韧度则不如钢），价格又比钢便宜，所以常用来代替部分铸钢和锻钢。球墨铸铁的牌号以球铁二字与两组数字表示，数字表示抗拉强度值（） 和伸长率。例如曲轴是球墨铸铁在汽车上应用最成功的典型零件。有色金属及其合金有色金属具有黑色金属所不具备的许多特殊的物理和化学性能，又有一定 的力学性能和较好的工艺性能，所以也是不可或缺的工程材料，但有色金属产 量少，价格贵，应节约使用。各种纯有色金属的力学性能都较差，所以工程上 使用的多为有色金属合金。铸造有色金属的牌号表示方法： “”和基体金属的化学元素符号、主要合金 化元素符号以及表明合金化元素质
29、量分数的数字组成。合金化元素符号按其名义质量分数递减的次序排列，合金化元素质量分数小于时，一般不表明含量。在牌号后面标注大写字母表示优质。如。一、铝及铝合金铝的性能特点: 密度小 ; 导电及导热性能好; 抗大气腐蚀性好; 塑性高 ; 强度低；硬度低; 无磁性 ; 加工工艺性好等。二、铜及铜合金密度大 ; 导电及导热性能好; 抗大气腐蚀性好; 塑性高 ; 强度低 ; 无磁性 ; 加工工艺性好等。普通黄铜：是合金，含锌一般不超过。特殊黄铜：在黄铜中加入、 、 、 、 、 等元素所形成的合金。合金元素的加入，提高了材料的硬度和强度、耐磨性、耐腐蚀性，改善了加工工艺性能，因此其综合性能较普通黄铜得到了普遍提高。铸造黄铜：力学性能不如普通或特殊黄铜，但铸造方法可获得形状复杂的零件，并减少机械加工量，仍得到广泛应用。三、滑动轴承合金用来制造滑动轴承轴瓦或内衬的合金称为滑动轴承合金。