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1第一章汽车材料概论第一节汽车应用材料概述一、汽车的主要构成发动机：内燃机（动力、原动部分）底盘：传动系、转向系、制动系（制动器、控制及传动装置）、行驶系（车轮、车架部分）车身:车身结构件等。二、汽车应用材料的组成通常，一辆汽车由约3万个零部件组装而成。汽车上每个汽车零件的生产制造都涉及到材料问题。据统计，汽车上的零部件采用了4千余种不同的材料加工制造。从汽车的设计、选材、加工制造，到汽车的使用、维修和养护无一不涉及到材料。汽车应用材料包括了制造汽车各种零部件用的汽车工程材料，以及汽车在使用过程中使用的燃料和工作液等汽车运行材料。以现代轿车用材为例，按照重量来换算，（1）钢材占汽车自重的55%-60%，（2）铸铁占12%-5%，（3）有色金属占6%~10%，（4）塑料占8%~12%，橡胶占4%，玻璃占3%，（5）其他材料（油漆、各种液体等）占12%~6%。三、汽车工程材料分类1、金属材料（1）黑色金属黑色金属主要指铁及铁基合金，如钢、铸铁等。（2）有色金属有色金属是指除黑色金属以外的所有金属，如铜、铝、镁、钛等以及它们的合金。2、非金属材料（1）有机高分子材料（主要成分Ｃ、Ｈ）——塑料、橡胶、合成纤维、胶粘剂和涂料等。汽车保险杠、内饰件、高档车用安全玻璃、仪表面板等塑料。汽车座垫、安全带、内饰件等合成纤维。轮胎、防震橡胶、软管、密封带、传动带等橡胶材料。（2）陶瓷材料（无机非金属材料）——金属和非金属氧化物。火花塞、各种传感器、替代金属材料作发动机和热交换器零部件，制造发动机部件或气体涡轮部件等。3、复合材料——玻璃纤维增强塑料等车顶导流板、风挡窗框、发动机活塞、连杆等。四、汽车材料的展望汽车工业发展的方向:汽车轻量化和减少污染汽车材料总的发展趋势是：（1）高强度钢、超高强度钢、铝合金、镁合金、塑料和复合材料的用量增加，铸铁和中、低强度钢比例下降。（2）轻量化技术与汽车产品设计及制造的结合更为密切，车身结构材料趋向多材料设计方向。（3）重视材料的回收。（4）代用燃料、专用材料的开发和应用工作加强。2几种新兴材料简介1、铝合金材料抗拉强度高，密度小、比强度高，导热性好；壳体类铸件，如汽缸体、缸盖、气室罩盖等；变形铝合金的车身系统、热交换系统等。2、镁合金密度低、比强度和比刚度较高；镁、铝合金和复合材料——汽车轻量化的材料——减少油耗。3、形状记忆合金：1932年,瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到记忆效应，即合金的形状被改变之后，一旦加热到一定的跃变温度时，它又可以魔术般地变回到原来的形状，人们把具有这种特殊功能的合金称为形状记忆合金。记忆合金的开发迄今不过20余年，但由于其在各领域的特效应用，正广为世人所瞩目，被誉为神奇的功能材料。4、复合材料玻璃纤维增强塑料（玻璃钢）——比强度高、耐腐蚀。5、纳米材料颗粒直径0.l～100纳米（原子、分子尺度）；具有卓越的性能和特殊功能，如：纳米级铜不导电；纳米冰柜可抑制细菌生长。6、其它材料超导材料、贮氢材料、分离膜材料。第二节材料的性能使用性能：是指零部件在正常使用条件下材料所表现出来的性能。主要包括力学性能、物理性能和化学性能。工艺性能：是指材料在被制成各种零部件的过程中适应加工的性能。对于金属材料来讲，工艺性能主要包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能和热处理工艺性能。一.材料的力学性能材料的力学性能：是指材料在外加载荷作用下所表现出来的性能。包括强度、塑性、硬度、韧度、疲劳强度及断裂韧度等。力学性能指标：用来表征材料力学性能的各种临界值或规定值.可通过试验测定。根据外加载荷的性质，载荷分为：根据加载形式的不同，分为：拉伸载荷压缩载荷弯曲载荷剪切载荷扭转载荷静载荷冲击载荷交变载荷3金属材料（受载）-变形,分：弹性变形：载荷卸除后恢复原状塑性变形：载荷卸除后不能恢复,也叫永久变形。(一)材料的强度与塑性1)弹性：材料保持弹性变形的能力.（弹性模量，弹性极限）2)强度：指材料抵抗破坏（塑性变形或断裂）的能力。3)塑性：指材料在断裂前产生永久变形而不被破坏的能力。拉伸试验：1）op、pe段——弹性变形阶段op段，伸长量与载荷成正比例增加，pe段不再成正比例。2）es、ss’段——屈服阶段当拉力增大到Fs时，试样会继续伸长，材料丧失了抵抗变形的能力，存在塑性变形，这种现象称为屈服，Fs称为屈服载荷。3）s’b段——均匀塑性变形阶段载荷超过Fs时，试样开始产生明显塑性变形，伸长量随载荷增加而增大。Fb为试样拉伸试验中的最大载荷。4）bk段——断裂载荷达到最大值Fb之后，试样直径局部开始急剧缩小，出现“缩颈”现象，当变形达到一定程度时试样断裂。塑性材料：断裂前有明显的塑性变形，称为塑性断裂,塑性断裂的断口呈“杯锥”状。如低碳钢。脆性材料：在断裂前未发生明显的塑性变形，为脆性断裂，断口是平整的。如铸铁、玻璃等。不同类型的材料，其σ-ε曲线有很大差异。反映出其所具有不同的抗拉性能特点。2.材料的刚度指标（1）弹性模量E表征了材料抵抗弹性变形的能力，也称之为刚度。E=σ/ε=tanα（MPa）式中，σ为弹性变形阶段的应力，ε为相应的应变，tanα为拉伸曲线的斜率。(2)弹性极限σe：指材料在弹性变形阶段所能承受的最大应力。σe=Fe/A0（MPa）4式中，Fe是试样不产生塑性变形时的最大载荷（N）；A0是试样的原始横截面积（mm2）。σe表示材料保持弹性变形的最大应力。3.材料的强度指标（1）屈服点σs：表示材料产生屈服时对应的应力。屈服点也称为屈服强度。σs=Fs/Ao（MPa）式中，Fs为试样发生屈服变形时的载荷（N），A0为试样原始横截面积（mm2）。（2）抗拉强度σb指试样在拉伸过程中所能承受的最大应力值。σb=Fb/Ao（MPa）式中，Fb是试样断裂前所承受的最大载荷(N),Ao是试样的原始横截面积(㎜2)。抗拉强度：σb，它是设计和选材的主要依据之一，是工程技术上的主要强度指标。屈强比：σs/σb，是一个有意义的指标。其比值越大，越能发挥材料的潜力。但是为了使用安全，该比值亦不宜过大，适当的比值一般在0.65～0.75之间。比强度：σb/ρ，它表征了材料强度与密度之间的关系。在考虑汽车轻量化的问题时，常常用到这个指标。4.材料的塑性指标（1）伸长率δ：是指试样拉断后，标距伸长量与原始标距的百分比。即式中，l1是试样断裂后的标距（㎜），l0是试样的原始标距（㎜），同一材料的伸长率与试样尺寸有关。（2）断面收缩率ψ：是指试样拉断后横截面积的缩减量与原始横截面积之比。即ψ=（A0-A1）/A0×100%式中,A1是试样断裂处的最小横断面积（㎜2），A0是试样的原始横截面积(㎜2)。(二)硬度材料抵抗其他硬物压入其表面的能力。衡量材料软硬程度，硬度试验的方法大多采用压入法。此外，还有维氏硬度(HV)、肖氏硬度（弹性回跳法）、显微硬度和锤击式布氏硬度等。1．布氏硬度测试原理：用一定大小的载荷F，把直径为D的硬质合金球压入被测试样表面，保持规定时间后卸除载荷，移去压头，用读数显微镜测出压痕平均直径d。用载荷F除以压痕的表面积所得的商，即为被测材料的布氏硬度值。布氏硬度的表示方法规定为：符号HBW前面的数值为硬度值，符号后面按以下顺序表示试验条件：压头球体直径（㎜）、试验载荷（kgf，1kgf=9.807N）、试验载荷保持时间（S）（10～15S不标注）。例120HBW10/1000/302.洛氏硬度我国常用的是HRA、HRB、HRC三种，洛氏硬度值的表示方法规定为：硬度符号前面注明硬度值，例如52HRC、70HRA、60HRBW。在硬度和强度之间，存在着一定的换算关系：硬度在200~600HBW范围内，HRC=1/10HBW(三)韧性材料抵抗冲击载荷的能力，是指材料在受到冲击载荷而断裂之前吸收能量并进行塑性变形的能力。%100001lll5对于两种不同的冲击载荷，分别采用了冲击韧度和多冲抗力两个指标来衡量材料的冲击性能。1.冲击韧度冲击韧度通常是采用一次摆锤冲击试验来测定的。在忽略机械摩擦和空气阻力等条件下，摆锤冲断试样所消耗的冲击功Ak可以从试验机刻度盘上直接读出。且Ak=G(H-h)（J）式中，G为摆锤产生的重力（N）。将冲击功Ak除以缺口处的截面积，即为材料的冲击韧度ak则ak=（J·cm2）根据试样缺口形式的不同，U型缺口试样测得的冲击韧度用aku表示，V型缺口测得的冲击韧度用akv表示。2.多冲抗力多冲抗力一般采用小能量多冲试验进行测定。图1-12所示为落锤式多次冲击弯曲试验示意图，将材料制成标准试样放在试验机上，使之受到锤头的小能量（＜1500J)且多次冲击。3.材料的低温冲击性能材料韧性状态变为脆性状态的温度TK称为该材料的脆性转变温度。材料冲击韧性与温度有关。(四)疲劳强度承受交变应力的零件，在工作应力低于材料的屈服强度的情况下较长时间工作时，会产生裂纹或突然断裂，这种现象称为疲劳失效或疲劳破坏。疲劳失效原因分析:由于材料表面或内部存在有划痕、尖角、夹杂等缺陷，或横截面面积发生突变以及夹角部位在工作时产生应力集中。这些有缺陷部位的局部应力大于屈服点，会产生局部变形引起微裂纹，成为疲劳源，随着应力循环次数的增加，微裂纹逐渐扩展，使零件承载的横截面大大减少，以至于不能承受载荷而突然断裂。可以通过疲劳试验，绘制疲劳曲线进行测定。2.疲劳极限:使试样不发生疲劳断裂的最大循环应力。3.断裂韧度:材料抵抗裂纹扩展断裂的能力。二.材料的理化性能1．材料的物理性能指材料的固有属性，如密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性和色泽等。62.材料的化学性能化学性能:是指材料抵抗周围介质侵蚀的能力。对于金属材料来说，指耐蚀性和抗氧化性。对于非金属材料，还存在着化学稳定性、抗老化能力和耐热性等问题。1)耐蚀性材料在常温下抵抗周围介质（如大气、燃气、水、酸、碱、盐等）腐蚀的能力。化学腐蚀电化学腐蚀。腐蚀防护途径：1、采用耐蚀性好的不锈钢、铝合金等；2、采用适当的涂料进行涂覆；3、结构设计（防止形成闭合回路）；4、阴极保护。2)抗氧化性：指材料在高温下抵抗氧化的能力，又称为热稳定性。名称定义表示符号单位意义密度单位体积物质的质量ρkg/m3材料的密度关系到产品的重量和效能。熔点材料由固态向液态转变的温度。制定冶炼、铸造、锻造和焊接等热加工工艺规范的一个重要的参数。导热性指材料传导热量的能力。λ瓦特每米开文W/(m·K)材料的热导率越大，导热性就越好。导电性材料传导电流的能力称为导电性。ρδΩ.cm1/(Ω.cm)热膨胀性材料随着温度的变化产生膨胀、收缩的特性。线膨胀系数αL和体膨胀系数αv生产中，在热加工和热处理时要考虑材料的热膨胀性的影响，可减少工件的变形和开裂。磁性材料能被磁场吸引或被磁化的性能称为磁性或导磁性。磁导率μ亨利每米H/m7在钢中加入Cr、Si等元素，可大大提高钢的抗氧化性。如高温下工作发动机的气门、内燃机排气阀。三.材料的工艺性能是指材料在被制成各种零部件的过程中适应加工的性能。包括:铸造性能：流动性、收缩性、偏析；锻造性能：塑性、变形抗力；焊接性能：焊接性、碳当量；切削性能：表面粗糙度、刀具寿命；热处理性能：淬透性、变形开裂倾向、过热敏感性等。第三节零件材料的选用一.零件的失效形式失效：零件由于某种原因而丧失原设计所规定的功能。包括：完全破坏、严重损坏、未达功能要求（安全工作）。(一)零件常见的失效形式过量变形失效——弹变、塑变、蠕变过量变形失效：指零件在使用过程中，整体或局部因外力作用而产生超过设计允许变形量的失效形式。包括：弹性变形失效：由于材料的刚性不足，使零件在受力过程中产生过量弹性变形或弹性失稳而使零件失效。长轴、杆件等容易发生。塑性变形失效：零件的实际工作应力超过其屈服强度时，产生了塑性变形引起的失效。材料缺陷、使用不当、设计失误等。蠕变变形失效：指在固定载荷下，随着时间的延长，变形不断缓慢增加，最终导致变形过大引起的失效。材料熔点越高，抗蠕变的能力越大。陶瓷、金属材料好，高分子差。断裂失效——韧性断裂、低应力脆性断裂、疲劳断裂、蠕变断裂、