第一章-汽車常用材料

第一章汽車常用材料學習目的：通過本節(jié)的學習具備所必需的汽車所使用的金屬材料基本知識。學習要求：掌握金屬的力學性能指標及常用數(shù)據。掌握鋼的熱處理的基本知識及常用的熱處理方法、工藝特點和應用范圍。掌握常用的機械工程材料類型、牌號、力學性能及用途。初步具有選擇工程材料的能力。第一節(jié)金屬材料與熱處理基礎一、金屬的力學性能材料的力學性能是指材料在外力作用下所表現(xiàn)出來的特性。力學性能包括強度、塑性、硬度、沖擊韌度及疲勞強度等。

（一）強度強度是指金屬材料在載荷作用下抵抗變形和破壞的能力。強度指標一般可以通過金屬拉伸試驗來測定。把標準試樣裝夾在試驗機上，然后對試樣緩慢施加拉力，使之不斷變形直到拉斷為止。在此過程中，試驗機能自動繪制出載荷F和試樣變形量AL的關系曲線。此曲線叫做拉伸曲線。

1．拉伸曲線圖2-1為低碳鋼的拉伸曲線，圖中縱坐標表示載荷單位為N；橫坐標表示絕對伸長量△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———強化階段 （4）bk———縮頸階段

2．強度指標材料受到外力作用會發(fā)生變形，同時在材料內部產生一個抵抗變形的力稱為內力。單位面積上的內力稱為應力，單位為Pa（帕），即N/m2工程上常用MPa（兆帕），1MPa=106pa，或1Pa=1N/m2，或1MPa=1N/mm2。（1）屈服點σs材料產生屈服時的最小應力。單位為MPa。

σs=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，工程上經常采用殘余伸長為0.2％原長時的應力σ0.2作為屈服強度指標，稱為規(guī)定殘余伸長應力。

σ0.2=F0.2/AO

（2-2）（2）抗拉強度σb材料在拉斷前所承受的最大應力，單位為MPa。抗拉強度表示材料抵抗均勻塑性變形的最大能力，也是設計機械零件和選材的主要依據。

σb=Fb/AO

（2-3）式中，F(xiàn)b是試樣斷裂前所承受的最大載荷（N）。

（二）塑性金屬材料在載荷的作用下，產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有：斷后伸長率和斷面收縮率。

1．斷后伸長率δ試樣拉斷后的標距伸長量和原始標距之比

δ=（L1—L0）/L0×100％（2-4）式中，L1試樣原始標距長度。L0試樣拉斷后的標距長度。

2．斷面收縮率ψ試樣拉斷處ψ=×100％橫截面積的縮減量與原始橫截面積之比

ψ==（A0—A1）/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法。

1．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，壓頭為硬質合金球用時HBW表示。例如120HBS，450HBW。

2．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，依據壓痕的深度來確定材料的硬度值。

（四）沖擊韌度

對于承受沖擊載荷的材料，如汽車發(fā)動機中的活塞，不僅要求具有高的強度和一定的塑性，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準缺口試樣，在沖擊試驗機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。

（五）疲勞強度在汽車上的許多零件中，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于材料的強度極限，甚至小于其彈性極限，但經多次循環(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。疲勞強度σ-1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力，其大小與應力變化的次數(shù)有關。對于黑色金屬規(guī)定循環(huán)次數(shù)為107次，有色金屬循環(huán)次數(shù)為108次。為了提高金屬的疲勞強度，可以通過改善零件的結構形狀，避免應力集中，減小表面粗糙度值，進行表面熱處理和強化處理等方法。

（一）鋼的熱處理原理

1．概述熱處理是將固態(tài)金屬或合金采用適當?shù)姆绞竭M行加熱、保溫和冷卻以獲得所需要的組織結構與性能的工藝。根據熱處理的目的和工藝方法的不同，熱處理可分為：二、鋼的熱處理常識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系中的曲線圖表示，這種曲線稱為熱處理工藝曲線，見圖2-5。

2．鋼在加熱時的轉變在熱處理工藝中，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，為了得到細小均勻的奧氏體晶粒，必須嚴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．鋼在冷卻時的轉變冷卻是熱處理的關鍵工序，成分相同的鋼經加熱獲得奧氏體組織后，以不同的速度冷卻時，將獲得不同的力學性能，見表2-1。

（二）退火與正火

1．退火退火是將鋼加熱到適當溫度，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．正火正火是指把鋼加熱到組織轉變?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

1．淬火淬火是將鋼的組織加熱到轉變?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．回火鋼的回火是指將淬火后的鋼，在組織轉變?yōu)閵W氏體的臨界溫度以下加熱，保溫一定時間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝。

（四）表面熱處理常用的表面熱處理方法有表面淬火及化學熱處理兩種。

1．表面淬火（1）火焰加熱表面淬火（如圖2-8所示）（2）感應加熱表面淬火（如圖2-9所示）

2．化學熱處理化學熱處理是指將鋼件放入一定溫度的活性介質中保溫，使一種或幾種元素滲入它的表層，以改變其表層化學成分、組織和性能的熱處理工藝?；瘜W熱處理種類很多，最常用的是滲碳和滲氮。（1）鋼的滲碳將工件置于滲碳介質中加熱并保溫，使碳原子滲入工件表層的化學熱處理工藝，如圖2-10所示。（2）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熱處理工藝。三、常用金屬材料金屬材料可分為鋼鐵材料和非鐵材料（有色金屬材料）兩大類，而鋼又可分為碳素鋼和合金鋼，鋼鐵以外的其他金屬稱為非鐵金屬材料或有色金屬材料。

（鋼）鋼的分類方法很多，常用的是按鋼的用途分類，可分為結構鋼、工具鋼和特殊性能鋼。

（二）鑄鐵鑄鐵中的碳主要以滲碳體和石墨兩種形式存在，根據碳的存在形式不同，鑄鐵可以分為下列幾種：（1）白口鑄鐵（2）灰鑄鐵碳（3）麻口鑄鐵

根據鑄鐵中石墨形態(tài)不同，鑄鐵又可分為：灰鑄鐵中的石墨呈片狀；可鍛鑄鐵中的石墨呈團絮狀；球墨鑄鐵中的石墨呈球狀，蠕墨鑄鐵中的石墨呈蠕蟲狀。

（三）有色金屬及其合金有色金屬是指鋼鐵以外的其他金屬。有色金屬種類很多，又具有某些獨特的性能，是工業(yè)上不可缺少的金屬材料，有色金屬應用較廣的是鋁、銅、鈦及其合金和滑動軸承合金。

1．鋁及鋁合金

2．銅及銅合金

3．滑動軸承合金復習試題

一、選擇題

1.拉伸試驗時，試樣拉斷前所能夠承受的最大應力稱為材料的（）。

A、彈性極限B、抗拉強度C、屈服點

2.用拉伸試驗可測定材料的（）性能指標。

A、強度B、韌性C、硬度

3.將鋼件奧氏體化后，先浸入一種冷卻能力強的介質中，然后迅速浸入另一種冷卻能力弱的介質中，使之發(fā)生馬氏體轉變的淬火方法稱（）。

A、分級淬火B(yǎng)、等溫淬火C、水冷淬火D、雙介質淬火

4.如果鋼件有嚴重的碳化物網，應先進行（）消除碳化物，然后再球化退火。

A、去應力退火B(yǎng)、正火C、完全退火D、淬火

5.制造小彈簧宜選用（）

，制造冷壓件宜選用（）鋼。

A、08F

B、45

C、65Mn

D、T12A

6.滾動軸承鋼GCrl5中的平均含鉻量為（）

。

A、0.15

B、1.5

C、15

D、0.015

7.合金滲碳鋼滲碳后必須進行（）熱處理才能使用。

A、淬火加高溫回火B(yǎng)、淬火加中溫回火

C、淬火加低溫回火D、高溫回火

8.鑄鐵中的碳以石墨形態(tài)析出的過程稱為（）

。

A、石墨化B、變質處理C、球化處理D、結晶

9.選擇下列材料的零件：汽車后橋外殼（）

，柴油機曲軸（）

。

A、HT200

B、KTH350-10

C、QT500-05

D、RUT420

10.不是工業(yè)純鋁的特點的是（）

。

A、密度小B、導電性好C、強度高D、抗腐蝕能力高

二、判斷題

1.材料的屈服點越低，則允許的工作應力越高。（）

2.洛氏硬度值是沒有單位的。（）

3.布氏硬度測量法不適合于測量成品及較薄的零件。（）

4.鑄鐵的鑄造性能比鋼好得多，所以常用來鑄造復雜的工件。（）

5.對鋼進行熱處理的目的都是為了獲得細小、均勻的奧氏體組織。（）

6.退火與正火的目的大致相同，它們主要的區(qū)別是保溫時間長短。（）

7.回火的目的主要是消除應力，降低硬度，便于進行切削加工。（）

8.感應加熱表面淬火時所使用的電流頻率越高，則工件表面的淬硬層嘗試越大。（）

9.滲碳的零件可以是低碳鋼也可以是高碳鋼。（）

10.碳素工具鋼的碳的質量分數(shù)一般都大于0.7％。（）

11.灰口鑄鐵包括灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵和蠕墨鑄鐵。（）

12.從灰鑄鐵的牌號上可以看出它的抗拉強度和沖擊韌度值。（）

13.耐磨鑄鐵、耐熱鑄鐵、耐蝕鑄鐵都屬于合金鑄鐵。（）

14.通過熱處理可以改變灰鑄鐵的基體組織，故可以顯著地提高力學性能。（）

15.QT400-18是指σb=400MPa，σ=1.8％的球墨鑄鐵。（）

16.A1-Si系鑄造合金，又叫硅鋁明。鑄造性能良好，強度韌性較高。（）

17.在去應力退火過程中，鋼的組織不發(fā)生變化。（）

18.合金鋼只有經過熱處理，才能顯著提高其力學性能。（）

19.可鍛鑄鐵比灰鑄鐵的塑性好，因此可以進行鍛壓加工。（）

20、工業(yè)純鋁具有較高的強度，常用作工程結構材料。（）

三、填空題

1.金屬材料的使用性能包括————、————和————等；工藝性能包括————、————、————、————和————等。

2.材料的力學性能包括————、————、————、————和————等。

3.強度是指金屬材料在————作用下，抵抗————和————的能力。

4.斷裂前金屬材料————材料的能力稱為塑性。金屬材料的————和————的數(shù)值越大，表示材料的塑性越好。

5.金屬材料抵抗————作用而不破壞的能力，稱為沖擊韌度。

6.熱處理是將固態(tài)金屬或合金采用適當?shù)姆绞竭M行————、————和————以獲得所需要的組織結構與性能的工藝。

7.生產中常用的冷卻介質有————、————和————等。

8.生產中在鋼淬火后進行————的熱處理工藝稱為調質，調質后的組織為————。

9.Q235—A·F表示————為235MPa，質量為————級的鋼

10.ZG270-500表示σb=————，σs=————的工程用鑄鋼。

11.T10A表示碳的質量分數(shù)為————的鋼。

12.常用來制造高速切削的車刀、刨刀的高速工具鋼有————和————。

13.鑄鐵的性能決定于————和————。當基體一定時，鑄鐵的性能決定于————的形狀、數(shù)量、大小和分布。

14.合金彈簧鋼中硅、錳的主要作用是————。

15.不銹鋼是指在————介質或大氣中具有抗腐蝕性能的鋼，其成分特點是含————量較高，含————量較低。

16.表面要求具有高的————，而心部需要足夠的————的零件應進行表面熱處理。

17.滾動軸承鋼的熱處理首先采用————，以降低鍛造后鋼的硬度，便于切削加工，然后采用————，以提高軸承的硬度和耐磨性。

18.白口鑄鐵中的碳主要以————形式存在，而灰口鑄鐵中的碳主要以————形式存在。σbσsδψHRCakσ-1

19.普通黃銅是由————、————組成的二元合金。在普通黃銅中加入其他合金元素時稱————黃銅。

20.變形鋁根據其主要性能特點不同可分為：————鋁、————鋁、————鋁和————鋁等幾種。

四、連線題

1.連出下列力學性能指標的符號：屈服點抗拉強度沖擊韌度伸長率斷面收縮率疲勞極限洛氏硬度C標尺

2.正確選用下列材料：機床主軸板彈簧坦克履帶軸承滾動體儲酸槽汽車變速齒輪

3.正確選用下列工具材料：高精度長絲錐麻花鉆頭醫(yī)療手術器械冷沖模熱鍛模

1Cr18Ni9

40Cr

GCrl5

20CrMnTi

60Si2MnZGMnl3

CrWMn

Crl2Mo

4Crl3

W18Cr4V

5CrNiMo

4.正確選擇牌號表示方法：灰鑄鐵黑心可鍛鑄鐵珠光體可鍛鑄鐵球墨鑄鐵

5.正確選擇鋼材的分類：

20CrMnTi

50CrVA

9SiCr

W18Cr4V

1Crl3

ZGMnl3

4Crl4Nil4W2MoKTZ500-04QT600-02HT250KTH350—10合金刃具鋼合金彈簧鋼合金滲碳鋼不銹鋼高速鋼鑄鋼耐熱鋼

五、討論題

1.汽車中采用了哪些金屬材料?采用了什么樣的熱處理?用于什么地方?

2.汽車發(fā)動機應用了哪些金屬材料?采用了什么樣的熱處理?用于什么地方?第二節(jié)其他常用汽車材料學習目的：通過本節(jié)的學習具備所必需的汽車所使用的其他非金屬材料基本知識。學習要求：掌握汽車所用工程塑料的性能與用途。掌握汽車所用其他材料如橡膠、玻璃、陶瓷、復合材料的性能與用途。一、工程塑料塑料是一種以有機合成樹脂為主要組成的高分子材料，它通?？稍诩訜?、加壓條件下被注塑或固化成形，故稱為塑料。汽車用工程塑料，主要用于制造某些機器零件或構件，具有強度、韌度和耐磨性較好，價廉、耐腐蝕、降噪聲、美觀、質輕等特點。

（一）塑料的組成

1．合成樹脂樹脂是決定塑料性能和使用范圍的主要組成物，在塑料中，起粘結其他組分的作用。塑料中的合成樹脂質量分數(shù)一般為30％~100％。因此，大多數(shù)塑料都是以樹脂名稱來命名的，例如，聚氯乙烯塑料的樹脂就是聚氯乙烯。

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）塑料的性質

1．物理性能

2．化學性能———耐蝕性

3．力學性能

（三）常用工程塑料工程塑料主要指綜合性能（包括力學性能、耐熱性、耐寒性、耐蝕性和絕緣性能等）良好的各種塑料。它們是制造工程結構用零部件、工業(yè)容器和設備等的一類新型結構材料。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。

1．熱塑性工程塑料

2．熱固性塑料

（四）塑料在汽車上的應用汽車用塑料按照用途可分為內飾件用塑料、工程塑料和外裝件用料。

1．汽車內飾用塑料內飾用塑料品種主要有：聚氨酯（PU）、聚氯乙烯（PVC）、聚丙烯（PP）和ABS等。它們用于制作座墊、儀表板、扶手、頭枕、門內襯板、頂棚襯里、地毯、控制箱、轉向盤等內飾塑料制品。

2．汽車用工程塑料汽車上常用的工程塑料有聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚苯烯、ABS、聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、酚醛樹脂等。

3．汽車的外裝件及結構件汽車的外裝件及結構件包括傳動軸、車架、發(fā)動機罩等，要求具備高強度，因而多采用纖維增強塑料復合材料制造。二、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，它們在汽車上的應用呈逐年增長的趨勢。

（一）橡膠所謂橡膠，是指在使用溫度范圍內處于高彈性狀態(tài)的高分子材料。

1．橡膠的特性橡膠最顯著的特點是具有高的彈性和回彈性。同時，橡膠還有一定的強度，優(yōu)異的抗疲勞性，以及良好的耐磨、絕緣、隔聲、防水、緩沖、吸振等性能。

2．橡膠的基本組成橡膠是以生膠為原料，加入適量的配合劑，經硫化工藝處理以后得到的一種生產原材料。

3．常用橡膠材料的品種、性能及一般用途

4．橡膠制品在汽車上的應用

（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，經成形、冷卻所獲得的非金屬材料。

1．玻璃的性能玻璃的一般性能有以下幾方面：（1）密度（2）力學性能（3）耐熱性（4）化學穩(wěn)定性（5）絕緣性（6）光學性質

2．常用玻璃的種類、特點及主要用途

3．常用汽車玻璃

（三）摩擦材料汽車用摩擦材料，是汽車上的消耗性材料之一，主要起到傳遞動力、制動減速、停車制動等作用，是汽車制動系統(tǒng)與行車系統(tǒng)的重要組成部分。

1．汽車用摩擦材料的性能要求對于汽車用摩擦材料，主要有以下幾方面的性能要求（1）摩擦因數(shù)（2）耐磨性（3）物理、力學特性（4）噪聲

2．汽車摩擦材料的組成汽車摩擦材料主要由骨架材料、粘結劑和填充材料所組成。

（四）陶瓷材料陶瓷大致可分為傳統(tǒng)陶瓷及特種陶瓷兩大類。其生產過程比較復雜，但基本的工藝是原料的制備、坯料的成型和制品的燒成或燒結三大步驟。

1．陶瓷的組成相及其結構和金屬一樣，陶瓷材料的力學性能和物理、化學性能也是由它的化學組成和結構狀況決定的。陶瓷的組織結構非常復雜，一般由晶體相、玻璃相和氣相組成。各種相的組成、結構、數(shù)量、幾何形狀及分布狀況等都會影響陶瓷的性能。

2．陶瓷的性能（1）力學性能（2）熱學性能（3）電學性能（4）化學性能

3．常用陶瓷（1）普通陶瓷（傳統(tǒng)陶瓷）（2）特種陶瓷（現(xiàn)代陶瓷）

4．陶瓷在汽車上的應用

（五）復合材料復合材料是由兩種或兩種以上的物理和化學性質不同的物質，經一定方法合成而得到的一種新的多相固體材料。它不僅具有各組成材料的優(yōu)點，還具有比單一材料更優(yōu)良的綜合性能。

1．復合材料的分類復合材料的分類至今尚不統(tǒng)一，目前主要采用以下幾種分類方法：（1）按材料的用途分類可分為結構復合材料和功能復合材料兩大類。（2）按增強材料的物理形態(tài)分類可分為纖維增強復合材料、粒子增強復合材料及層疊復合材料。（3）按基體類型分類可分為非金屬基體及金屬基體兩大類。

2．復合材料的性能（1）比強度和比模量高（2）抗疲勞性能好（3）減振性能好（4）高溫性能好（5）工作安全性好（6）成型工藝簡便靈活及可設計性強

3．常用復合材料（1）纖維增強復合材料（2）層疊復合材料

4．復合材料在汽車上的應用（1）玻璃鋼的應用（2）碳纖維增強塑料的應用復習試題

一、選擇題

1.在塑料成形方法中，————成型是熱塑性塑料主要的成形方法之一。

A、壓制B、注射C、澆注

2.下列材料中，————是復合材料。

A、電木B、玻璃鋼C、有機玻璃D、聚丙烯酸酯

3.下列材料中，————是熱塑性塑料。

A、萬能膠B、電木C、尼龍D、塑料王

4.塑料作為最輕的工程材料之一，其密度是鋼的————。

A、1/2

B、1/7～1/4

C、1/10

D、1/3

5.下列材料中，————可用于制作切削淬火鋼或冷硬鑄鐵材料的刃具。

A、氮化硅陶瓷B、塑料C、聚氨酯

6.塑料中增加————可以提高塑料的塑性。

A、穩(wěn)固劑

B、增塑劑

C、著色劑

D、潤滑劑

7.轎車輪胎以————為主要原料。

A、天然橡膠B、合成橡膠C、再生膠

8.各國已制訂有關法規(guī)，規(guī)定轎車的前窗必須安裝————。

A、鋼化玻璃B、夾絲玻璃C、夾層玻璃D、浮法玻璃

9.下列材料中，————是熱固性塑料。

A、