第二章汽車運用材料

1、第一節(jié)金屬的力學(xué)性能第一節(jié)金屬的力學(xué)性能 材料的力學(xué)性能是指材料在外力作用下所表現(xiàn)出來的特性。力材料的力學(xué)性能是指材料在外力作用下所表現(xiàn)出來的特性。力學(xué)性能包括強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌度及疲勞強(qiáng)度等。學(xué)性能包括強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌度及疲勞強(qiáng)度等。一、強(qiáng)度一、強(qiáng)度強(qiáng)度是指金屬材料在載荷作用下抵抗變形和破壞的能力。強(qiáng)度是指金屬材料在載荷作用下抵抗變形和破壞的能力。強(qiáng)度指標(biāo)一般可以通過金屬拉伸試驗來測定。把標(biāo)準(zhǔn)試樣裝夾強(qiáng)度指標(biāo)一般可以通過金屬拉伸試驗來測定。把標(biāo)準(zhǔn)試樣裝夾在在試驗機(jī)上，然后對試樣緩慢施加拉力，使之不斷變形直到拉斷為止。試驗機(jī)上，然后對試樣緩慢施加拉力，使之不斷變形直到拉斷為止。在

2、此過程中，試驗機(jī)能自動繪制出載荷在此過程中，試驗機(jī)能自動繪制出載荷F和試樣變形量和試樣變形量AL的關(guān)系曲的關(guān)系曲線。線。此曲線叫做拉伸曲線。此曲線叫做拉伸曲線。1 1拉伸曲線拉伸曲線圖2-1為低碳鋼的拉伸曲線，圖中縱坐標(biāo)表示載荷單位為N；橫坐標(biāo)表示絕對伸長量L，單位為mm。從圖2-1中可以看出下面幾個變形階段：（1）Oe彈性變形階段 （2）es屈服階段 （3）sb強(qiáng)化階段 （4）bk縮頸階段圖2-1低碳鋼的拉伸曲線低碳鋼的拉伸曲線2 2強(qiáng)度指標(biāo)強(qiáng)度指標(biāo)材料受到外力作用會發(fā)生變形，同時在材料內(nèi)部產(chǎn)生一個抵抗變形的力稱為內(nèi)力。單位面積上的內(nèi)力稱為應(yīng)力，單位為Pa（帕），即N/m2工程上常用MPa(

3、兆帕)，1MPa=106pa，或1Pa=1N/m2，或1MPa=1N/mm2。（1）屈服點s材料產(chǎn)生屈服時的最小應(yīng)力。單位為MPa。s= Fs/AO （2-1）式中，F(xiàn)s是屈服時的最小載荷(N)；A0是試樣原始截面積。對于無明顯屈服現(xiàn)象的金屬材料（如高碳鋼、鑄鐵），測量屈服點很困難，工程上經(jīng)常采用殘余伸長為0.2原長時的應(yīng)力0.2作為屈服強(qiáng)度指標(biāo)，稱為規(guī)定殘余伸長應(yīng)力。0.2= F0.2/AO （2-2）（2）抗拉強(qiáng)度b材料在拉斷前所承受的最大應(yīng)力，單位為MPa?？估瓘?qiáng)度表示材料抵抗均勻塑性變形的最大能力，也是設(shè)計機(jī)械零件和選材的主要依據(jù)。b= Fb/AO （2-3）式中，F(xiàn)b是試樣斷裂前所承

4、受的最大載荷（N）。二、塑性二、塑性金屬材料在載荷的作用下，產(chǎn)生塑性變形而不斷裂的能力稱為塑性。通過拉伸試驗測得 的常用塑性指標(biāo)有：斷后伸長率和斷面收縮率。1斷后伸長率斷后伸長率試樣拉斷后的標(biāo)距伸長量和原始標(biāo)距之比 =(L1L0)/L0100 （2-4） 式中，L1試樣原始標(biāo)距長度。L0試樣拉斷后的標(biāo)距長度。2斷面收縮率斷面收縮率試樣拉斷處=100橫截面積的縮減量與原始橫截面積之比= =(A0A1)/AO 100（2-5）式中，Ao是試樣的原始橫截面積；A是試樣斷口處的橫截面積三、硬度三、硬度硬度是指材料表面抵抗局部塑性變形、壓痕或劃痕的能力。常用來測定硬度的方法有布氏硬度試驗法和洛氏硬度試驗

5、法。1 1布氏硬度試驗法布氏硬度試驗法如圖2-2所示采用直徑為D的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球，在規(guī)定載荷F的作用下，壓入被測金屬表面，保持一定時間后卸除載荷，測定壓痕直徑，求出壓痕球形的表面積，壓痕單位表面積上所承受的平均壓力（F/A）即為布氏硬度值，壓頭為淬火鋼球時用HBS表示，壓頭為硬質(zhì)合金球用時HBW表示。例如120HBS，450HBW。 2 2洛氏硬度試驗法洛氏硬度試驗法采用頂角為120的金剛石圓錐體或直徑為1.588mm的淬火鋼球作為壓頭如圖2-3所示。試驗時先施加初載荷，使壓頭與試樣表面接觸良好，保證測量準(zhǔn)確，再施加主載荷，保持到規(guī)定的時間后再卸除主載荷，依據(jù)壓痕的深度來確定材料的硬度值

6、。圖2-2圖2-3四、沖擊韌度四、沖擊韌度 對于承受沖擊載荷的材料，如汽車發(fā)動機(jī)中的活塞，不僅要求具有高的強(qiáng)度和一定的塑性，還必須具備足夠的沖擊韌度。金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力稱為沖擊韌度。 沖擊韌度的測定方法，如圖2-4所示。是將被測材料制成標(biāo)準(zhǔn)缺口試樣，在沖擊試驗機(jī)上由置于一定高度的重錘自由落下而一次沖斷。沖斷試樣所消耗的能量稱為沖擊功，其數(shù)值為重錘沖斷試樣的勢能差。沖擊韌度值aKV就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊功，這個值越大，則韌性越好，受沖擊時，越不容易斷裂。圖2-4五、疲勞強(qiáng)度五、疲勞強(qiáng)度在汽車上的許多零件中，比如各種軸、齒輪、彈簧、連桿等，在汽車上的許多零件中，

7、比如各種軸、齒輪、彈簧、連桿等，要受到大小和方向呈周期性變化的載荷作用。這種交變載荷雖然小要受到大小和方向呈周期性變化的載荷作用。這種交變載荷雖然小于材料的強(qiáng)度極限，甚至小于其彈性極限，但經(jīng)多次循環(huán)后，在沒于材料的強(qiáng)度極限，甚至小于其彈性極限，但經(jīng)多次循環(huán)后，在沒有明顯的外觀變形時也會發(fā)生斷裂，這種破壞稱作疲勞破壞或疲勞有明顯的外觀變形時也會發(fā)生斷裂，這種破壞稱作疲勞破壞或疲勞斷裂。這種破壞都是突然發(fā)生的，具有很大的危險性。斷裂。這種破壞都是突然發(fā)生的，具有很大的危險性。疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度-1是表示材料以周期性交變載荷作用而不致引起斷是表示材料以周期性交變載荷作用而不致引起斷裂的最大應(yīng)力，其大小

8、與應(yīng)力變化的次數(shù)有關(guān)。對于黑色金屬規(guī)定裂的最大應(yīng)力，其大小與應(yīng)力變化的次數(shù)有關(guān)。對于黑色金屬規(guī)定循環(huán)次數(shù)為循環(huán)次數(shù)為107次，有色金屬循環(huán)次數(shù)為次，有色金屬循環(huán)次數(shù)為108次。次。為了提高金屬的疲勞強(qiáng)度，可以通過改善零件的結(jié)構(gòu)形狀，避為了提高金屬的疲勞強(qiáng)度，可以通過改善零件的結(jié)構(gòu)形狀，避免應(yīng)力集中，減小表面粗糙度值，進(jìn)行表面熱處理和強(qiáng)化處理等方免應(yīng)力集中，減小表面粗糙度值，進(jìn)行表面熱處理和強(qiáng)化處理等方法。法。第二節(jié)鋼的熱處理第二節(jié)鋼的熱處理一、鋼的熱處理原理一、鋼的熱處理原理1 1概述概述熱處理是將固態(tài)金屬或合金采用適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行加熱、保溫和冷卻以獲得所需要的組織結(jié)構(gòu)與性能的工藝。根據(jù)熱處理的

9、目的和工藝方法的不同，熱處理可分為：熱處理方法雖然很多，但任何一種熱處理工藝都是由加熱、保溫、和冷卻三個階段所組成的。熱處理工藝過程可用在溫度一時間坐標(biāo)系中的曲線圖表示，這種曲線稱為熱處理工藝曲線， 熱處理工藝曲線示意圖熱處理工藝曲線示意圖 2 2鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變 在熱處理工藝中，鋼的加熱目的是為了獲得奧氏體，奧氏體是鋼在高溫狀態(tài)時的組織，其強(qiáng)度及硬度高，塑性良好，晶粒的大小、成分及其均勻化程度，對鋼冷卻后的組織和性能有重要影響。因此，鋼在加熱時，為了得到細(xì)小均勻的奧氏體晶粒，必須嚴(yán)格控制加熱溫度和保溫時間，以求在冷卻后獲得高性能的組織。3 3鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變冷

10、卻是熱處理的關(guān)鍵工序，成分相同的鋼經(jīng)加熱獲得奧氏體組織后，以不同的速度冷卻時，將獲得不同的力學(xué)性能，見表2-1。 表表2-12-1冷卻速度與力學(xué)性能冷卻速度與力學(xué)性能二、退火與正火二、退火與正火1退火退火退火是將鋼加熱到適當(dāng)溫度，保持一定時間，然后緩慢冷卻（一般隨爐冷卻）的熱處理工藝。2正火正火正火是指把鋼加熱到組織轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的臨界溫度以上保溫，使其完全奧氏體化，在空氣中冷卻的熱處理工藝。三、淬火與回火三、淬火與回火1淬火淬火淬火是將鋼的組織加熱到轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的臨界溫度以上，保溫一定時間，以大于臨界冷卻速度快速冷卻的熱處理工藝。2回火回火鋼的回火是指將淬火后的鋼，在組織轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的臨界溫度

11、以下加熱，保溫一定時間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝。四、表面熱處理四、表面熱處理常用的表面熱處理方法有表面淬火及化學(xué)熱處理兩種。1表面淬火（1）火焰加熱表面淬火 （2）感應(yīng)加熱表面淬火 火焰加熱表面淬火感應(yīng)加熱表面淬火2 2化學(xué)熱處理化學(xué)熱處理 化學(xué)熱處理是指將鋼件放入一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使一種或幾種元素滲入它的表層，以改變其表層化學(xué)成分、組織和性能的熱處理工藝?；瘜W(xué)熱處理種類很多，最常用的是滲化學(xué)熱處理種類很多，最常用的是滲碳和滲氮。碳和滲氮。（1 1）鋼的滲碳將工件置于滲碳介質(zhì)）鋼的滲碳將工件置于滲碳介質(zhì)中加熱并中加熱并保溫，使碳原子滲入工件表層的化學(xué)保溫，使碳原子滲入工件表層的化學(xué)

12、熱處理工藝，如圖所示。熱處理工藝，如圖所示。（2 2）鋼的滲氮是指在一定溫度下，）鋼的滲氮是指在一定溫度下，使活性氮原子滲入工件表面的化學(xué)熱處使活性氮原子滲入工件表面的化學(xué)熱處理工藝。理工藝。氣體滲碳法示意圖氣體滲碳法示意圖 第三節(jié)常用金屬材料第三節(jié)常用金屬材料 3.1鋼鋼一、鋼的分類一、鋼的分類鋼的分類方法很多，常用的是按鋼的用途分類，可分為結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼和特殊性能鋼。二、鋼鐵產(chǎn)品牌號表示方法二、鋼鐵產(chǎn)品牌號表示方法(參照參照GB/T2212000)1.標(biāo)準(zhǔn)的基本概況 GB/T2212000標(biāo)準(zhǔn)是參照國外鋼鐵產(chǎn)品牌號表示方法和國內(nèi)鋼鐵產(chǎn)品牌號表示方法變化( 如Q345代替16Mn)等情況修訂

13、后，于2000年4月1日發(fā)布，并于2000年11月1日開始實施。 2.主要技術(shù)內(nèi)容變動情況3.鋼鐵產(chǎn)品牌號表示方法的基本原則(1)凡國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中鋼鐵產(chǎn)品的牌號均應(yīng)按GB/T2212000標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的牌號表示方法 編寫。凡不符合規(guī)定編寫的鋼鐵產(chǎn)品牌號，應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)修訂時予以更改，一些新的鋼鐵產(chǎn)品，其牌號也應(yīng)按此予以編寫牌號。(2)產(chǎn)品牌號的表示，一般采用漢語拼音字母，化學(xué)元素符號和阿拉伯?dāng)?shù)字相結(jié)合的方法來表示。(3)采用漢語拼音字母表示產(chǎn)品名稱、用途、特性和工藝方法時，一般從代表產(chǎn)品名稱的漢語拼音中選取第一個字母。當(dāng)和另一個產(chǎn)品所選用的字母重復(fù)時，可改用第二個字母或第三個字母，或同時選取兩個漢

14、字中的第一個拼音字母。(4)暫時沒有可采用的漢字及漢語拼音的，采用符號為英文字母。4.鋼鐵產(chǎn)品名稱、用途、特性和工藝方法表示符號 5.鋼鐵產(chǎn)品牌號表示方法示例及說明(1)生鐵牌號表示方法生鐵牌號采用規(guī)定的符號和阿拉伯?dāng)?shù)字表示。（2）碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)牌號表示方法以上用鋼通常分為通用鋼和 專用鋼兩大類。（3）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼和優(yōu)質(zhì)碳素彈簧鋼牌號表示方法(4)合金結(jié)構(gòu)鋼和合金彈簧鋼牌號表示方法(5)易切削鋼牌號表示方法易切削鋼采用標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)元素符號、規(guī)定的符號和阿拉伯?dāng)?shù)字 表示。阿拉伯?dāng)?shù)字表示平均含碳量(以萬分之幾計)。(6)非調(diào)質(zhì)機(jī)械結(jié)構(gòu)鋼牌號表示方法非調(diào)質(zhì)機(jī)械結(jié)構(gòu)鋼，在牌號頭部分別加符號

15、“YF”和“F”表示易切削非調(diào)質(zhì)機(jī)械結(jié)構(gòu)鋼和熱鍛用非調(diào)質(zhì)機(jī)械結(jié)構(gòu)鋼，牌號表示方法的其他內(nèi)容與合金結(jié)構(gòu)鋼相同。例如：“YF35V”、“F45V”。(7)工具鋼牌號表示方法工具鋼分為碳素工具鋼、合金工具鋼和高速工具鋼三類。(8)塑料模具鋼牌號表示方法塑料模具鋼牌號除在頭部加符號“SM”外，其余表示方法與優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金工具鋼牌 號表示方法相同。(9)軸承鋼牌號表示方法軸承鋼分為高碳鉻軸承鋼、滲碳軸承鋼、高碳鉻不銹軸承鋼和高 溫軸承鋼等四大類。(10)不銹鋼和耐熱鋼的牌號表示方法不銹鋼和耐熱鋼牌號采用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的合金元素符號和阿拉伯?dāng)?shù)字表示，為切削不銹鋼、易切削耐熱鋼在牌號頭部加“Y”。(11)焊

16、接用鋼牌號表示方法3.2 鑄鐵鑄鐵一、鑄鐵的特點與分類一、鑄鐵的特點與分類1.白口鑄鐵（white cast iron）2.灰口鑄鐵（gray cast iron）3.可鍛鑄鐵(malleable iron)4.球墨鑄鐵(nodular cast iron) 5.蠕墨鑄鐵 二、鑄鐵的石墨化及影響因素二、鑄鐵的石墨化及影響因素1.化學(xué)成分化學(xué)成分(1)碳和硅 (2)硫 (3)錳 (4)磷 2.冷卻速度冷卻速度 冷卻速度對鑄鐵石墨化的影響很大。冷卻越慢，原子擴(kuò)散越充分，越有利于石墨化進(jìn)行。而快冷阻止石墨化越容易得到白口組織。3.3有色金屬及其合金有色金屬及其合金一、鋁及其合金一、鋁及其合金1.純鋁

17、2.鋁合金二、二、 銅及其合金銅及其合金1.純銅2.銅合金3.青銅(bronze)3.白銅3.4 滑動軸承合金滑動軸承合金一、對滑動軸承合金性能的要求一、對滑動軸承合金性能的要求(一)機(jī)械性能1.硬度要合適，太低易變形，不耐磨，太高不易同軸頸磨合，軸的運轉(zhuǎn)情況惡化。2.良好的塑性和韌性，以抵抗受沖擊和振動而發(fā)生開裂；較高的疲勞強(qiáng)度，避免疲勞破裂。3.足夠的抗壓強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，以承受軸的壓力和摩擦生熱抵抗熱變形。(二)磨合性和耐磨性并能保持住潤滑油(三)良好的抗蝕性和導(dǎo)熱性以及較小的膨脹系數(shù)。(四)容易制造，價格低廉。二、常用滑動軸承合金二、常用滑動軸承合金(一)錫基軸承合金（tin beari

18、ng alloy）(二)鉛基軸承合金（lead-base bearing alloy）(三)銅基軸承合金(四)鋁基軸承合金第四節(jié)其他常用材料第四節(jié)其他常用材料4.1工程塑料工程塑料一、塑料的組成一、塑料的組成1合成樹脂2添加劑 （1）填充劑；（2）增塑劑；（3）穩(wěn)定劑；（4）著色劑；（5）其他 二、常用工程塑料二、常用工程塑料 常用的工程塑料分為熱塑性工程塑料和熱固性工程塑料兩類。三、塑料在汽車上的應(yīng)用三、塑料在汽車上的應(yīng)用汽車用塑料按照用途可分為內(nèi)飾件用塑料、工程塑料和外裝件用料。1汽車內(nèi)飾用塑料2汽車用工程塑料3汽車的外裝件及結(jié)構(gòu)件 4.2其他非金屬材料其他非金屬材料 其他非金屬材料包括橡膠、玻璃、陶瓷、合成纖維、膠粘劑、摩擦材料、涂裝材料等各種材料，它們在汽車上的應(yīng)用呈逐年增長的趨勢。 一、橡膠一、橡膠 所謂橡膠，是指在使用溫度范圍內(nèi)處于高彈性狀態(tài)的高分子材料。 1橡膠的特性 2橡膠的基本組成 二、玻璃二、玻璃 玻璃是一種非晶態(tài)固體，它是以石英砂、純堿、長石、石灰石等為主要原料，并加入某薹金屬氧化物等輔料，在高溫窯中煅燒至熔融后，經(jīng)成形、冷卻所獲得的非金屬材料。 三、摩擦材料三、摩擦材料 四、陶瓷材料四、