汽車機(jī)械基礎(chǔ)：汽車常用工程材料

【任務(wù)描述】汽車上應(yīng)用最多的是金屬材料，金屬材料的選用主要依據(jù)就是其使用性能和工藝性能，力學(xué)性能是最重要的使用性能，不僅是一般機(jī)械零部件在設(shè)計(jì)、制造時(shí)選擇材料的主要依據(jù)，而且也是驗(yàn)收、鑒定材料性能的重要參數(shù)之一。項(xiàng)目二汽車常用工程材料任務(wù)一金屬材料的主要性能一、金屬材料的力學(xué)性能項(xiàng)目二汽車常用工程材料任務(wù)一金屬材料的主要性能

金屬材料的力學(xué)性能是指材料在不同環(huán)境（溫度、介質(zhì)、濕度）下，承受各種外加載荷（拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊等）時(shí)所表現(xiàn)出的力學(xué)特征。力學(xué)性能主要包括強(qiáng)度、塑性、硬度和韌性和抗疲勞性等，用來表征材料力學(xué)性能的各種臨界值或規(guī)定值均稱為力學(xué)性能指標(biāo)。金屬材料的力學(xué)性能的優(yōu)劣就是用這些指標(biāo)的具體數(shù)值衡量的1強(qiáng)度強(qiáng)度是指金屬材料在靜載荷作用下抵抗永久變形或斷裂的能力載荷靜載荷沖擊載荷交變載荷

任務(wù)一金屬材料的主要性能項(xiàng)目二汽車常用工程才料金屬材料受到載荷作用時(shí)，發(fā)生幾何尺寸和形狀的變化稱為變形。變形一般分為彈性變形和塑性變形。所謂彈性變形，是指材料受到載荷作用時(shí)產(chǎn)生變形，載荷卸除后恢復(fù)原狀的變形。而塑性變形則是指材料在載荷作用下發(fā)生變形，且當(dāng)載荷卸除后不能恢復(fù)的變形，故也叫永久變形。當(dāng)L0=10d0時(shí)，稱為長(zhǎng)試樣；L0=5d0時(shí)，稱為短試樣。

圖2-1-1圓形拉伸試樣圖

任務(wù)一金屬材料的主要性能項(xiàng)目二汽車常用工程材料2-1-2低碳鋼的拉伸曲線圖載荷F和伸長(zhǎng)量之間的關(guān)系曲線，稱為拉伸曲線，如圖2-1-2所示。曲線明顯地分為以下幾個(gè)變形階段彈性變形階段屈服階段強(qiáng)化階段明顯塑性變形階段縮頸階段試樣發(fā)生斷裂

任務(wù)一金屬材料的主要性能

項(xiàng)目二汽車常用工程材料1）彈性極限材料不產(chǎn)生永久變形時(shí)所承受的最大應(yīng)力，以σe表示，即:

Fe——試樣產(chǎn)生完全彈性變形的最大載荷(N)；2）屈服極限表示在外力作用下，材料剛開始產(chǎn)生塑性變形時(shí)的最小應(yīng)力值，以表示，即:A0——試樣原始橫截面積（mm2式中σe——彈性極限（MPa）Fs——試樣產(chǎn)生完全彈性變形的最大載荷(N)；式中σs——屈服極限（MPa）；

任務(wù)一金屬材料的主要性能

3）抗拉強(qiáng)度材料在斷裂前所承受的最大拉應(yīng)力，以σb表示，即式中Fb——試樣斷裂前所承受的最大拉伸力(N)。2.塑性塑性是金屬在外力作用下，斷裂前產(chǎn)生永久變形而不被破壞的能力，其大小用材料在斷裂前的最大變形量來衡量。金屬材料的塑性指標(biāo)為伸長(zhǎng)率與斷面收縮率，它們同樣可通過拉伸試驗(yàn)測(cè)定。1）斷后伸長(zhǎng)率試樣拉斷后標(biāo)距長(zhǎng)度的伸長(zhǎng)量與其原始標(biāo)距之比值的百分率，用符號(hào)δ表示。

項(xiàng)目二汽車常用工程材料

任務(wù)一金屬材料的主要性能即:式中

L1——試樣拉斷后的標(biāo)距長(zhǎng)度（mm）L0——試樣的原始長(zhǎng)度（mm）。2）斷面收縮率試件拉斷后斷口處（縮緊處）橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比，用符號(hào)表示。即:

式中A0——試樣的原始截面積（mm2）；A1——試樣拉斷后的截面積（mm2）。項(xiàng)目二汽車常用工程材料

任務(wù)一金屬材料的主要性能項(xiàng)目二汽車常用工程材料3.硬度硬度是衡量軟硬程度的指標(biāo)，表示抵抗局部變形和破壞的能力，是重要的力學(xué)性能指標(biāo)之一。汽車制造和維修常用壓入法測(cè)定硬度。硬度指標(biāo)分三種，洛氏硬度、布氏硬度和維氏硬度，其中應(yīng)用最廣泛的是洛氏硬度和布氏硬度。。

4韌度強(qiáng)度、塑性、硬度等都是在靜載荷作用下的力學(xué)性能。汽車上許多零件在工作時(shí)要受沖擊載荷。所謂沖擊載荷就是以很大的速度作用于零件上的負(fù)荷，如汽車的懸掛機(jī)構(gòu)，在汽車起步、制動(dòng)或改變速度是，鋼板彈簧、鋼板吊耳均要受到?jīng)_擊，剎車愈急，起步愈猛沖擊力愈大。任務(wù)一金屬材料的主要性能項(xiàng)目二汽車常用工程材料韌性實(shí)際上是材料強(qiáng)度和塑性的綜合反映。韌性與脆性是對(duì)立的，且能互相轉(zhuǎn)化，因?yàn)闆_擊韌度值與試驗(yàn)時(shí)的溫度有關(guān)，隨試驗(yàn)溫度下降而降低。a)試樣安放b)裝置示意圖圖2-1-5沖擊實(shí)驗(yàn)裝置示意圖5疲勞強(qiáng)度

項(xiàng)目二汽車常用工程材料任務(wù)一金屬材料的主要性能疲勞是指零件在交變應(yīng)力作用下，過早發(fā)生破壞的現(xiàn)象。所謂交變應(yīng)力，是指應(yīng)力的大小、方向或大小和方向都呈周期性變化的應(yīng)力。疲勞破壞事先沒有明顯的征兆，具有很大的突發(fā)性和危險(xiǎn)性，往往會(huì)造成嚴(yán)重事故，如汽車的軸頸、缸蓋、齒輪、彈簧等零件的損壞失效，大部分屬于疲勞破壞。疲勞強(qiáng)度是指材料經(jīng)受無數(shù)次應(yīng)力循環(huán)而不被破壞的最大應(yīng)力值。鋼鐵材料應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為107次，有色金屬應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為108次。任何材料發(fā)生脆斷，都是材料中微小裂紋突然失穩(wěn)擴(kuò)展的結(jié)果。為提高材料的疲勞強(qiáng)度，一般可從以下幾個(gè)方面考慮：

1)設(shè)計(jì)方面，盡量使零件避免尖角、缺口和截面突變，以避免應(yīng)力集中及其所引起的疲勞裂紋。2)材料方面，減少材料內(nèi)部存在的夾雜物和由于熱加工不當(dāng)而引起的缺陷，如疏松、氣孔和表面氧化等。3)機(jī)械加工方面，要降低零件表面的表面粗糙度值，表面刀痕、碰傷和劃痕都是疲勞裂紋源。二金屬材料的工藝性能

項(xiàng)目二汽車常用工程材料任務(wù)一金屬材料的主要性能1.沖壓性能2.焊接性能3.鑄造性能4.切削加工性能5.熱處理性能4)零件表面強(qiáng)度方面，可采用化學(xué)熱處理、表面淬火、噴丸處理和表面涂層等，在零件表面造成壓應(yīng)力，以抵消或降低表面拉應(yīng)力引起疲勞裂紋的可能性。

項(xiàng)目二汽車常用工程材料任務(wù)二汽車常用金屬材料

一、碳鋼1.雜質(zhì)元素對(duì)鋼性能的影響碳鋼是工業(yè)上用量最多的金屬材料，碳鋼中除了含有鐵元素和碳元素之外，還含有少量的雜質(zhì)元素，如Si、Mn、S、P等元素，他們對(duì)鋼的性能都有一定的影響。

鋼鐵材料是現(xiàn)代汽車工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的材料，占汽車用材總量的65%～70%，同時(shí)為了減重節(jié)能，實(shí)現(xiàn)汽車輕量化，鋁、鎂等有色金屬合金也得到了廣泛的應(yīng)用。純鐵的強(qiáng)度、硬度都很低，生產(chǎn)上很少用純鐵制造零件，通常都是用鐵碳合金。以鐵和碳為主要組成元素的合金，統(tǒng)稱為鐵碳合金。含碳量在0.0218%～2.11%范圍內(nèi)的鐵碳合金叫碳素鋼，簡(jiǎn)稱碳鋼；含碳量大于2.11%的鐵碳合金稱為鑄鐵；含碳量低于0.0218%的鐵碳合金稱為工業(yè)純鐵

任務(wù)二汽車常用金屬材料項(xiàng)目二汽車常用工程材料硫磷錳硅

項(xiàng)目二汽車常用工程材料任務(wù)二汽車常用金屬材料

2.碳鋼的分類1）按碳含量分類：①低碳鋼含碳量wc＜0.25％②中碳鋼含碳量wc＝0.25％～0.6％③高碳鋼含碳量wc＞0.6％2）按質(zhì)量分類（主要根據(jù)有害雜質(zhì)硫、磷的含量分類）：①普通碳素鋼含硫量wS≤0.05％，含磷量wP≤0.045％。②優(yōu)質(zhì)碳素鋼含硫量wS、含磷量wP均≤0.035％。

③高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素鋼含硫量wS≤0.02％，含磷量wP≤0.03％。3）按冶煉時(shí)的脫氧程度①沸騰鋼(F)脫氧不完全的鋼。②鎮(zhèn)靜鋼(Z)脫氧較完全的鋼。③半鎮(zhèn)靜鋼(B)脫氧程度介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間。4）按用途或使用特性①結(jié)構(gòu)鋼主要用于制造工程結(jié)構(gòu)、橋梁、建筑結(jié)構(gòu)和機(jī)器零件等，一般為低、中碳鋼。②工具鋼主要用于制造各種刃具、模具和量具。一般為高碳鋼。

活動(dòng)二汽車常用金屬材料項(xiàng)目二汽車常用工程材料3.常用碳鋼的牌號(hào)、性能及主要用途1）碳素結(jié)構(gòu)鋼。這類鋼的牌號(hào)由代表屈服點(diǎn)的字母“Q”、屈服點(diǎn)值（單位MPa）、質(zhì)量等級(jí)（分為A、B、C、D四級(jí)，A級(jí)質(zhì)量最低，D級(jí)質(zhì)量最高）、脫氧方法符號(hào)（F為沸騰鋼，Z為鎮(zhèn)靜鋼，B為半鎮(zhèn)靜鋼）按順序排列組成。例如Q235—AF，表示屈服強(qiáng)度為235MPa的A級(jí)質(zhì)量的碳素結(jié)構(gòu)鋼，屬于沸騰鋼。

項(xiàng)目二汽車常用工程材料任務(wù)二汽車常用金屬材料

項(xiàng)目二汽車常用工程材料任務(wù)二汽車常用金屬材料3）碳素工具鋼碳素工具鋼的含碳量在0.7%～1.4%。其牌號(hào)以“T”后面加數(shù)字表示鋼中平均含碳量的千分?jǐn)?shù)，若是高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼，則在數(shù)字后面加“A”，如T10A等

任務(wù)二汽車常用金屬材料項(xiàng)目二汽車常用工程材料1.合金鋼的分類合金鋼的種類繁多、分類方法有多種，常見的分類方法有以下兩種：1）按其合金元素總含量的多少分類：①低合金鋼：合金元素總含量＜5.0％；②中合金鋼：合金元素總含量5.0％~10.0％；③高合金鋼：合金元素總含量＞10.0%。2)按用途分類：①合金結(jié)構(gòu)鋼：用于制造各種機(jī)械零件合工程結(jié)構(gòu)件；②合金工具鋼：用于制造各種工具；③特殊性能鋼：特殊性能鋼是指具有特殊物理化學(xué)性能井可在特殊環(huán)境下工作的鋼，如不銹鋼，耐熱鋼，耐磨鋼等。2.合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼用于制造重要工程構(gòu)件和機(jī)器零件，是合金鋼中用途最廣、用量最大的一種鋼。按用途的不同，合金結(jié)構(gòu)鋼可以分為以下四種

項(xiàng)目二汽車常用工程材料任務(wù)二汽車常用金屬材料1）合金滲碳鋼合金滲碳鋼屬于低碳鋼（含碳量＜0.25%），滲碳層有高的硬度、優(yōu)良的耐磨性和抗疲勞性，心部具有良好的塑性和韌性。如

萬向節(jié)十字軸半軸齒輪2）合金調(diào)質(zhì)鋼合金調(diào)質(zhì)鋼屬于中碳鋼（含碳量0.25%～0.50%），具有良好的綜合力學(xué)性能。主要用于制造承受較大循環(huán)載荷與沖擊載荷或在各種復(fù)合應(yīng)力下工作，具有高強(qiáng)度、高韌性和高塑性的零件如

項(xiàng)目二汽車常用工程材料任務(wù)二汽車常用金屬材料任務(wù)實(shí)施

連桿萬向節(jié)叉3）合金彈簧鋼合金彈簧鋼屬于高碳鋼（含碳量0.5%～0.7%），具有高的抗拉強(qiáng)度、高疲勞強(qiáng)度、足夠的塑性和韌性、易成形。氣門彈簧項(xiàng)目二汽車常用工程材料任務(wù)二汽車常用金屬材料

4）滾動(dòng)軸承鋼滾動(dòng)軸承鋼用于制造各種滾動(dòng)軸承的滾動(dòng)體和內(nèi)外圈，由于滾動(dòng)軸承鋼的化學(xué)成分和主要性能特點(diǎn)與低合金工具鋼相近，噴油泵柱塞

任務(wù)二汽車常用金屬材料項(xiàng)目二汽車常用工程材料

3.合金工具鋼1）合金刃具鋼合金刃具鋼主要是制造切削金屬用的刀具材料，具有高硬度、高耐磨性、足夠的強(qiáng)度和韌性、高的熱硬性。合金刃具鋼一般可分為低合金刃具鋼和高速鋼兩類（a）絲錐(b)板牙車刀鉆頭

2）合金模具鋼合金模具鋼主要用于制造各種金屬成型用的工、模具，一般分為冷變形模具鋼和熱變形模具鋼。冷變形模具鋼具有高的強(qiáng)度、硬度和耐磨性并有足夠的韌性，以及熱處理時(shí)變形小，主要用于使金屬在冷態(tài)下變形的模具，如冷沖模、冷擠壓模等。常用的低合金模具鋼有9SiCr、Mn2V、CrWMn等。熱變形模具鋼不僅具有高的強(qiáng)度和硬度，而且還具有一定的韌性和耐熱疲勞性。主要用于使金屬在高溫下成型的模具，如熱鍛模、壓鑄模等。常采用5CrNiMo、5CrMnMo制作熱鍛模，用3Cr2W8V制作熱擠壓模和熱鑄模。

項(xiàng)目二汽車常用工程材料任務(wù)二汽車常用金屬材料合金量具鋼合金量具鋼應(yīng)具有高硬度、高耐磨性和高的尺寸穩(wěn)定性及足夠的韌性，還要有良好的磨削加工性，主要用于制造各種量具，如游標(biāo)卡尺、千分尺、塞規(guī)、樣板等，如圖2-2-6所示。常用的量具鋼有CrMn和CrWMn等。（a）游標(biāo)卡尺(b)千分尺

任務(wù)二汽車常用金屬材料項(xiàng)目二汽車常用工程材料三、鑄鐵1.白口鑄鐵白口鑄鐵性能特點(diǎn)是硬而脆，切削加工非常困難，一般不用于制造零件，一些具有高硬度和耐磨性要求的零件，如軋輥、球磨機(jī)的磨球等，以及可鍛鑄鐵的毛坯件。1.2灰鑄鐵灰鑄鐵斷口呈暗灰色，是使用最廣泛的一種鑄鐵，因?yàn)槠滂T造性能、切削加工性、耐磨性能和減振性等都優(yōu)于其他鑄鐵，且生產(chǎn)方便，成品率高，成本低圖2-2-7發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體

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3．球墨鑄鐵

球墨鑄鐵是力學(xué)性能最好的一種鑄鐵，與鋼接近，如疲勞強(qiáng)度與中碳鋼接近，屈服強(qiáng)度比鋼還高。此外，球墨鑄鐵還可以通過熱處理，使機(jī)械性能進(jìn)一步提高。因此，通常用來代替碳鋼、合金鋼制造一些形狀復(fù)雜、性能要求較高的零件，如柴油機(jī)曲軸、凸輪軸、齒輪、連桿（見圖2-2-8）。球墨鑄鐵的牌號(hào)由球鐵“QT”加兩組數(shù)字表示，兩組數(shù)字分別表示最低抗拉強(qiáng)度(MPa)和最小伸長(zhǎng)率，如QT400—18表示最低抗位強(qiáng)度為400MPa和最小伸長(zhǎng)率18％的球墨鑄鐵。球墨鑄鐵的牌號(hào)、性能、用途如表2-2-6所示表2-2-6球墨鑄鐵的牌號(hào)、性能及用途

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4.可鍛鑄鐵由于可鍛鑄鐵具有一定的塑性變形的能力，故得名可鍛鑄鐵，實(shí)際上可鍛鑄鐵并不能鍛造。由于可鍛鑄鐵生產(chǎn)周期長(zhǎng)，成本較高，其應(yīng)用已逐漸為球墨鑄鐵所替代?？慑戣T鐵分為黑心可鍛鑄鐵和白口可鍛鑄鐵兩種。其牌號(hào)分別用KTH、KTB加兩組數(shù)字表示，其兩組數(shù)字分別表示抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率的最小值。例如，KTH350—10表示：抗拉強(qiáng)度不低于350MPa，延伸率不低于10%的黑心可鍛鑄鐵。常用可鍛鑄鐵中，KTH350—10和KTH370—12強(qiáng)度較高，能承受一定沖擊力，適用于造汽車、拖拉機(jī)的前后輪殼、軸殼、差速器殼、彈簧鋼板支座、支架等（見圖2-2-9）。任務(wù)二汽車常用金屬材料項(xiàng)目二汽車常用工程材料

5．蠕墨鑄鐵蠕墨鑄鐵的性能介于灰鑄鐵和球墨鑄鐵之間，強(qiáng)度接近于球墨鑄鐵，具有一定的韌性、較高的耐磨性，同時(shí)又具有灰鑄鐵所具有的良好性能，是一種新型鑄鐵。蠕墨鑄鐵的牌號(hào)用蠕鐵兩漢字拼音字首”RuT”與一組數(shù)字表示，數(shù)字代表最低抗拉強(qiáng)度，如RuT380表示最低抗拉強(qiáng)度為380MPa的蠕墨鑄鐵。蠕墨鑄鐵廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)中，如RuT380，RuT420主要用于制造汽車剎車鼓、活塞環(huán)、汽缸套、制動(dòng)盤等；RuT340可用于制造汽車剎車鼓、飛輪、汽缸蓋等；RuT260可制造汽車、拖拉機(jī)的某些底盤零件等（見圖2-2-10）。

任務(wù)二汽車常用金屬材料項(xiàng)目二汽車常用工程材料

四、鋁及鋁合金當(dāng)前，全球汽車工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)是減重節(jié)能。因此，為了實(shí)現(xiàn)汽車輕量化，各汽車制造廠家都擴(kuò)大了鋁、鎂合金和塑料的應(yīng)用。鋁及鋁合金的密度小，屬輕金屬。有關(guān)試驗(yàn)測(cè)定，若采用鋁合金制造汽車的缸體和車身，整個(gè)汽車的自重可減輕40%，這樣，汽車的速度和載重增大了，而蠔油量卻能相應(yīng)的減小。任務(wù)三汽車材料的熱處理項(xiàng)目二汽車常用工程材料

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。一、普通熱處理低溫回火回火高溫回火中溫回火

普通熱處理退火正火淬火回火

任務(wù)三汽車材料的熱處理項(xiàng)目二汽車常用工程材料二、表面熱處理有些零件如齒輪、銷軸等，使用時(shí)希望它的心部保持一定的韌性，又要求表面層具有耐磨性、抗蝕性、抗疲勞性。這些性能可通過表面熱處理來得到。表面熱處理按處理工藝特點(diǎn)可分為表面淬火和表面化學(xué)熱處理兩大類。1．表面淬火鋼的表面淬火是通過快速加熱，將鋼件表面層迅速加熱到淬火溫度，不等熱量傳到工件內(nèi)層就予以快速冷卻下來的熱處理工藝。1)火焰加熱表面淬火其工藝方法是利用可燃?xì)怏w(如乙炔)的火焰將工件表面快速加熱到淬火溫度，然后立即用水噴射冷卻，通過控制火焰噴嘴的移動(dòng)速度可獲得不同厚度的淬硬層。此法適用于單件或小批量零件的表面淬火。2)感應(yīng)加熱表面淬火是利用在交變電磁場(chǎng)中工件表面產(chǎn)生的感生電流將工件表面快速加熱，并淬火冷卻的一種熱處理工藝。

項(xiàng)目二汽車常用工程材料圖2-3-2感應(yīng)加熱表面淬火原理示意圖任務(wù)三汽車材料的熱處理

項(xiàng)目二汽車常用工程材料任務(wù)四汽車非金屬材料

汽車常見非金屬材料一、塑料表2-4-1汽車常用塑料的種類、特性及用途塑料在汽車上的應(yīng)用發(fā)展很快，從最初的內(nèi)飾件和小機(jī)件，發(fā)展到可代替金屬制造各種配件，近年來，全塑料車身汽車也已問世。僅用塑料代替金屬，既可獲得汽車輕量化的效果，還可改善汽車某些性能，如耐磨、防腐、避振、減少噪聲等。因此，隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，塑料越來越受到人們的重視

任務(wù)四汽車非金屬材料項(xiàng)目二汽車常