第一章金屬材料的力學(xué)性能.ppt

汽車(chē)材料 汽車(chē)技術(shù)學(xué)院主講 陸志農(nóng) 第一章金屬材料的力學(xué)性能 工藝性能 在制造機(jī)械零件的過(guò)程中 材料適應(yīng)各種冷 熱加工和熱處理的性能 使用性能 材料在使用過(guò)程中所表現(xiàn)的性能 力學(xué)性能 物理性能 化學(xué)性能 鑄造性能 鍛造性能 焊接性能 沖壓性能 切削加工性能 熱處理工藝性能 材料的力學(xué)性能 指材料在外力作用下表現(xiàn)出來(lái)的性能 主要有強(qiáng)度 塑性 硬度 沖擊韌度和疲勞強(qiáng)度等 力學(xué)性能是金屬材料最重要的使用性能 是選材和設(shè)計(jì)的主要依據(jù) 材料的性能 1 煉鐵 鋼鐵材料的生產(chǎn) 2 煉鋼 3 鋼材生產(chǎn) 1 煉鐵 鋼鐵材料的生產(chǎn) 鐵是鋼鐵材料的基本組成元素 在自然界 鐵以各種化合物的形式存在 并同其他元素的化合物混在一起而成為鐵礦石 煉鐵本質(zhì)上就是把鐵從其他化合物中還原 分離出來(lái) 加入還原劑進(jìn)行冶煉后 得到一種高碳的 同時(shí)含有硅 錳 硫 磷等雜質(zhì)的鐵碳合金 稱(chēng)之為生鐵 由于生鐵性硬而脆 一般不直接用作工程材料 主要用于煉鋼 含硅量較高的生鐵可用于鑄造 2 煉鋼 鋼鐵材料的生產(chǎn) 由于生鐵中含有較多的雜質(zhì)和過(guò)多的碳 使其性能無(wú)法滿(mǎn)足加工和使用的要求 為此 必須降低生鐵中過(guò)量的碳及其他雜質(zhì)的含量 采用的辦法就是氧化 加入氧化劑 將雜質(zhì)和碳氧化后 生成各種氧化物及CO 最終以爐渣和氣體的形式排除 這就是煉鋼 由于氧化 鋼中必然殘留大量的O2及FeO 使其力學(xué)性能下降 故在煉鋼過(guò)程中的后期還必須加入脫氧劑脫氧 常見(jiàn)煉鋼方法有 轉(zhuǎn)爐煉鋼法 平爐煉鋼法 電爐煉鋼法等 電爐煉鋼法主要用于冶煉高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼和合金鋼 在汽車(chē)工業(yè)中應(yīng)用較多 3 鋼鐵生產(chǎn) 鋼鐵材料的生產(chǎn) 煉好的鋼液大部分都澆鑄成鋼錠 然后采用軋制 擠壓 拉拔 鍛造等壓力加工方法 將鋼錠加工成各種不同的形狀 規(guī)格和尺寸的鋼材 在投入使用 鋼材的種類(lèi)繁多 一般按其外形分為型材 板材 管材和線(xiàn)材等幾大類(lèi) 1 型材 鋼鐵材料的生產(chǎn) 型材是鋼材中最重要的一類(lèi) 也是數(shù)量最多的一類(lèi) 根據(jù)其斷面形狀 常見(jiàn)型材有圓鋼 方鋼 扁鋼 六角鋼 槽鋼 工字鋼 螺紋鋼等 鋼鐵材料的生產(chǎn) 圓鋼 方鋼 鋼鐵材料的生產(chǎn) 扁鋼 六角鋼 鋼鐵材料的生產(chǎn) 角鋼 槽鋼 鋼鐵材料的生產(chǎn) 工字鋼 螺紋鋼 2 板材 鋼鐵材料的生產(chǎn) 板材俗稱(chēng)鋼板 一般包括中厚鋼板 薄鋼板 鋼帶 亦稱(chēng)帶鋼 和硅鋼片等幾大品種 3 管材 鋼鐵材料的生產(chǎn) 管材的品種很多 一般主要以無(wú)縫鋼管和焊接鋼管 即有縫鋼管 進(jìn)行區(qū)分 無(wú)縫鋼管由于其斷面上沒(méi)有接縫 所以強(qiáng)度遠(yuǎn)高于焊接鋼管 4 線(xiàn)材 鋼鐵材料的生產(chǎn) 線(xiàn)材的直徑為6 9mm的圓鋼及直徑在10mm以下的螺紋鋼 一般稱(chēng)之為線(xiàn)材 由于常盤(pán)成圓形供給 所以通常又稱(chēng)為盤(pán)圓和盤(pán)條 線(xiàn)材經(jīng)過(guò)進(jìn)一步拉伸加工即為鋼絲 強(qiáng)度是指金屬材料抵抗永久變形和斷裂的能力 塑性是指金屬材料斷裂前永久變形的能力 強(qiáng)度與塑性 載荷性質(zhì)靜載荷 沖擊載荷 交變載荷 載荷形式拉伸載荷 壓縮載荷 彎曲載荷 剪切載荷 扭轉(zhuǎn)載荷等 1 金屬材料 金屬材料是目前汽車(chē)上應(yīng)用最廣泛的工程材料 工業(yè)上 通常把金屬材料分為兩大部分 黑色金屬和有色金屬 黑色金屬是指鋼鐵材料 有色金屬是指除鋼鐵材料以外的所有金屬材料 如 鋁 銅 鎂及其合金 按照特性來(lái)分 有色金屬又可分為輕金屬 重金屬 貴金屬 稀有金屬和放射性金屬等多個(gè)種類(lèi) 汽車(chē)工程材料 黑色金屬 鋼鐵材料 鋼鐵材料在我國(guó)汽車(chē)工業(yè)生產(chǎn)中仍占主流地位 一輛中型載貨汽車(chē)上鋼鐵材料約占汽車(chē)總重量的3 4 鋼鐵材料最大的特點(diǎn)是價(jià)格低廉 比強(qiáng)度 強(qiáng)度 密度 高 便于加工 因而得到廣泛的應(yīng)用 汽車(chē)用鋼鐵材料有鋼板 結(jié)構(gòu)鋼 特殊用途鋼 鋼管 燒結(jié)合金 鑄鐵及部分復(fù)合材料等 主要用于制造車(chē)架 車(chē)軸 車(chē)身 齒輪 發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸 缸體 罩板 外殼等零件 汽車(chē)工程材料 有色金屬 有色金屬因具有質(zhì)輕 導(dǎo)電性好等鋼鐵材料所不及的特性 在現(xiàn)代汽車(chē)上的用量呈逐年增加的趨勢(shì) 例如 鋁合金材料具有密度低 強(qiáng)度高和耐蝕性好的特性 在轎車(chē)的輕量化中占舉足輕重的地位 據(jù)統(tǒng)計(jì) 近10年來(lái) 轎車(chē)上的鋁及其合金用量已從占汽車(chē)總重量的5 左右上升至10 左右 此外 采用新型鎂合金制造的凸輪軸蓋 制動(dòng)器等零部件 可以減輕重量和降低噪聲 在轎車(chē)制造行業(yè) 采用鋁 鎂 鈦等輕金屬替代鋼鐵材料減輕自重 是轎車(chē)輕量化的一個(gè)重要手段 汽車(chē)工程材料 2 高分子材料 高分子材料屬于有機(jī)合成材料 亦稱(chēng)聚合物 高分子材料可分為天然高分子材料 如蠶絲 羊毛 油脂 纖維素等 和人工合成高分子材料 后者因具有較高的強(qiáng)度 良好的塑性 較強(qiáng)的耐腐蝕性 很好的絕緣性和較輕的質(zhì)量等特點(diǎn) 很快成為工程上發(fā)展最快 應(yīng)用最廣的一類(lèi)新型結(jié)構(gòu)材料 在工程上 根據(jù)人工合成高分子材料的力學(xué)性能和使用狀態(tài) 一般將其劃分為塑料 合成纖維 橡膠 膠粘劑和涂料等種類(lèi) 汽車(chē)工程材料 2 高分子材料 塑料主要指強(qiáng)度 韌性和耐磨性較好的 可用于制造某些零部件的工程塑料 塑料具有價(jià)廉 耐蝕 降噪 質(zhì)輕等特點(diǎn) 它正式用于汽車(chē)始于20世紀(jì)60年代石油化工工業(yè)的興盛期 現(xiàn)代汽車(chē)的許多構(gòu)件 如汽車(chē)保險(xiǎn)杠 汽車(chē)內(nèi)飾件 高檔車(chē)用安全玻璃 儀表面板等零部件 均采用工程塑料制造 與鋼鐵材料相比更具有安全性 并可降低造價(jià) 大大改善了汽車(chē)的安全性 舒適性和經(jīng)濟(jì)性 汽車(chē)工程材料 2 高分子材料 其他高分子材料在汽車(chē)上也有著廣泛的應(yīng)用 合成纖維是指由單體聚合而成具有很高強(qiáng)度的高分子材料 如常見(jiàn)的尼龍 聚酯等 汽車(chē)的座墊 安全帶 內(nèi)飾件等 多數(shù)是由合成纖維制造的 橡膠通常用來(lái)制造汽車(chē)的輪胎 內(nèi)胎 防震橡膠 軟管 密封帶 傳動(dòng)帶等部件 各種膠粘劑起到粘接 密封等作用 并可簡(jiǎn)化制造工藝 各種車(chē)用涂料對(duì)車(chē)身的防銹 美化及商品價(jià)值有不可忽視的作用 汽車(chē)工程材料 3 陶瓷材料 陶瓷材料是人類(lèi)最早利用自然界提供的原料加工制造而成的材料 具有耐高溫 硬度高 脆性大等特點(diǎn) 陶瓷材料屬于無(wú)機(jī)非金屬材料 主要為金屬氧化物和非金屬氧化物 傳統(tǒng)的陶瓷多采用粘土等天然礦物質(zhì)原料燒制 而現(xiàn)代陶瓷則多采用人工合成的化學(xué)原料燒制 典型的工業(yè)用陶瓷材料有普通陶瓷 玻璃和特種陶瓷等 汽車(chē)工程材料 3 陶瓷材料 普通陶瓷 傳統(tǒng)陶瓷 主要為硅 鋁氧化物的硅酸鹽材料 特種陶瓷 現(xiàn)代陶瓷 主要為高熔點(diǎn)的氧化物 碳化物 氮化物 硅化物等的燒結(jié)材料 近年來(lái) 還發(fā)展了金屬陶瓷 主要指用陶瓷生產(chǎn)方法制取的金屬與碳化物或其他化合物的粉末制品 汽車(chē)工程材料 3 陶瓷材料 陶瓷在汽車(chē)上的最早應(yīng)用是制造火花塞 現(xiàn)代汽車(chē)中 陶瓷的用途得到大大的拓展 一部分陶瓷作為功能材料被用于制作各種傳感器 如爆震傳感器 氧傳感器 溫度傳感器等部件 另一部分陶瓷則作為結(jié)構(gòu)材料用于替代金屬材料制作發(fā)動(dòng)機(jī)和熱交換器零件 近年來(lái) 一些特種陶瓷用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)部件或整機(jī) 氣體渦輪部件等 可以達(dá)到提高熱效率 降低能耗 減輕自重的目的 汽車(chē)工程材料 3 陶瓷材料 玻璃的主要成分是SiO2 汽車(chē)上使用的玻璃制品主要為窗玻璃 要求其具有良好的透明性 耐候性 對(duì)氣溫變化不敏感 足夠的強(qiáng)度和很高的安全性 因而 車(chē)用玻璃必須是安全玻璃 主要有鋼化玻璃 區(qū)域鋼化玻璃 普通復(fù)合玻璃和HPR夾層玻璃等幾種類(lèi)型 其中 HPR HighPenetrationResistance 夾層玻璃是指具有高穿透抗力的夾層玻璃 當(dāng)汽車(chē)受到?jīng)_撞時(shí) 乘員若撞到車(chē)窗玻璃 HPR玻璃不會(huì)被擊穿 從而避免了乘員因玻璃碎裂而受傷的危險(xiǎn) 在歐美等國(guó)家 已規(guī)定前擋風(fēng)玻璃只允許使用HPR夾層玻璃 汽車(chē)工程材料 4 復(fù)合材料 復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上不同材料組合而成的材料 由于它是由不同性質(zhì)或不同組織結(jié)構(gòu)的材料以微觀或宏觀形式組合形成的 不僅保留了組成材料各自的優(yōu)點(diǎn) 而且具有單一材料所沒(méi)有的優(yōu)異性能 在強(qiáng)度 剛度 耐蝕性等方面比單純的金屬材料 陶瓷材料和高分子材料都優(yōu)越 汽車(chē)工程材料 4 復(fù)合材料 原則上來(lái)說(shuō) 復(fù)合材料可以由金屬材料 高分子材料和陶瓷材料中任意兩種或幾種制備而成 按基體材料的種類(lèi)來(lái)分 復(fù)合材料可分為非金屬基復(fù)合材料和金屬基復(fù)合材料兩大類(lèi) 非金屬基復(fù)合材料是指以聚合物 陶瓷 石墨 混凝土為基體的復(fù)合材料 其中纖維增強(qiáng)聚合物基和陶瓷基復(fù)合材料最常用 金屬基復(fù)合材料是指以金屬及其合金為基體 與一種或幾種金屬或非金屬增強(qiáng)的復(fù)合材料 汽車(chē)工程材料 4 復(fù)合材料 復(fù)合材料是一種新型的 具有很大發(fā)展前途的工程材料 它起初主要用于宇航工業(yè) 近年來(lái)在汽車(chē)工業(yè)中也逐步得到應(yīng)用 對(duì)于汽車(chē)車(chē)頂導(dǎo)流板 風(fēng)擋窗框等車(chē)聲外裝板件 采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 FRP 制造 具有質(zhì)輕 耐沖擊 便于加工異形曲面 美觀等優(yōu)點(diǎn) 汽車(chē)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞頂 連桿 缸體等零件 采用纖維增強(qiáng)金屬 FRM 來(lái)制造 可顯著提高零件的耐磨性 熱傳導(dǎo)性 耐熱性 并減小熱膨脹 汽車(chē)工程材料 圖0 2汽車(chē)運(yùn)行材料的分類(lèi) 汽車(chē)運(yùn)行材料通常是指汽車(chē)賴(lài)以運(yùn)行并且在運(yùn)行過(guò)程中因消耗而需不斷補(bǔ)充 更新的消耗性材料 主要包括燃料 潤(rùn)滑油 工作液及輪胎等 這些材料大多屬于石油產(chǎn)品 汽車(chē)運(yùn)行材料的大致分類(lèi)如圖0 2所示 汽車(chē)運(yùn)行材料 汽車(chē)運(yùn)行材料 燃料 車(chē)用汽油輕柴油其他代用燃料 工作液 潤(rùn)滑油 輪胎 汽車(chē)潤(rùn)滑油車(chē)輛齒輪油液力傳動(dòng)液液壓油潤(rùn)滑脂 制動(dòng)液減振器液發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液制冷劑 1 燃料 燃料通常是指能夠?qū)⒆陨碣A存的化學(xué)能通過(guò)化學(xué)反應(yīng) 燃燒 轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿奈镔|(zhì) 汽車(chē)燃料主要指汽油和輕柴油 汽油作為點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī) 汽油機(jī) 的主要燃料 是從石油提煉出來(lái)的密度小 易于揮發(fā)的液體燃料 輕柴油 可簡(jiǎn)稱(chēng)柴油 是車(chē)用高速柴油機(jī)的燃料 與汽油相比 輕柴油的密度較大 易自燃 汽車(chē)運(yùn)行材料 2 車(chē)用潤(rùn)滑油 汽車(chē)用潤(rùn)滑油主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油 汽車(chē)齒輪油和汽車(chē)潤(rùn)滑脂 液力傳動(dòng)油 液壓油等 汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油的主要功用是對(duì)汽車(chē)摩擦零件間 曲軸 連桿 活塞 氣缸壁 凸輪軸 氣門(mén) 進(jìn)行潤(rùn)滑 除此以外 性能優(yōu)良的發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油還應(yīng)具有冷卻 洗滌 密封 防銹和消除沖擊負(fù)荷的作用 汽車(chē)齒輪油是用于變速器 后橋齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及傳動(dòng)器等傳動(dòng)裝置機(jī)件摩擦處的潤(rùn)滑油 它可以降低齒輪及其他部件的磨損 摩擦 分散熱量 防止腐蝕和生銹 對(duì)保證齒輪傳動(dòng)裝置正常運(yùn)轉(zhuǎn)和齒輪壽命具有十分重要的作用 潤(rùn)滑脂是指稠化了的潤(rùn)滑油 與潤(rùn)滑油相比 潤(rùn)滑脂蒸發(fā)損失小 高溫 高速下的潤(rùn)滑性好 附著能力強(qiáng) 還可起到密封作用 汽車(chē)運(yùn)行材料 3 汽車(chē)工作液 汽車(chē)用制動(dòng)液 減振器液 冷卻液及制冷劑等 統(tǒng)稱(chēng)為汽車(chē)用工作液 制動(dòng)液是汽車(chē)液壓制動(dòng)系中傳遞壓力的工作介質(zhì) 俗稱(chēng)剎車(chē)油 是液壓油中的一個(gè)特殊品種 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的冷卻介質(zhì) 其中防凍冷卻液不僅具有防止散熱器凍裂的功能 而且具有防腐蝕 防銹 防垢和高沸點(diǎn) 防開(kāi)鍋 的功能 可以有效地保護(hù)散熱器 改善散熱效果 提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率 保障汽車(chē)安全行駛 減振器液是汽車(chē)減振器的工作介質(zhì) 它利用液體流動(dòng)通過(guò)節(jié)流閥時(shí)產(chǎn)生的阻力起到減振作用 制冷劑是汽車(chē)空調(diào)器的工作介質(zhì) 它在空調(diào)器的系統(tǒng)中循環(huán) 不斷地被壓縮和膨脹 在膨脹蒸發(fā)時(shí)吸熱 達(dá)到制冷的目的 汽車(chē)運(yùn)行材料 4 輪胎 輪胎的主要作用是支承全車(chē)重量 與汽車(chē)