汽车材料与金属加工课件第一章

汽车材料与金属加工第一章汽车材料概述第1节汽车材料概述•一、汽车的主要构成•1、发动机：机体组、曲柄连杆机构、配气机构、燃料供给系、润滑系、冷却系、起动系、点火系；•2、底盘：转向系、传动系、行驶系、制动系；•3、车身：驾驶室、车厢；•4、电气电子设备：电源；起动系、点火系；发动机电喷、防抱死制动等汽车材料概论概述二、汽车材料应用概况（按照重量比较）•钢材占汽车自重的55％～60％；•铸铁占5％一12％；•有色金属占6％一10％；•塑料占8％～12％；•橡胶占4％；玻璃占3％；•其他材料(油漆、各种液体等)占6％～12％。•结论：目前，汽车是以金属材料为主，塑料、橡胶、陶瓷等非金属材料占有一定的比例。汽车材料概论•汽车材料的分类汽车工程材料汽车运行材料汽车美容材料汽车材料概论•汽车材料的组成汽车材料概论概述•三、汽车工程材料•1、金属材料•(1)黑色金属材料•黑色金属材料包括钢和铸铁，即钢铁材料，它占金属材料总量的95%以上，由于钢铁材料力学性能优良和具有低廉的价格，所以在工程材料中一直占据不可代替的主导地位。•钢可以分为碳素钢和合金钢。铸铁由于具有良好的铸造性能、切削加工性能、耐磨性、减震性，而且价格低廉，因此，广泛应用汽车制造业。汽车材料概论概述•（一）汽车工程材料•1、金属材料•(2)有色金属材料•有色金属的特性：材质轻、导电性好。汽车的部分零部件已经用有色金属取代的钢铁材料。汽车材料概论概述•（一）汽车工程材料•2、高分子材料•高分子材料属于有机合成材料，亦称聚合物。•天然高分子材料:如蚕丝、羊毛、油脂、纤维素等•人工合成高分子材料:塑料、合成纤维、橡胶、胶粘剂和涂料•塑料:汽车保险杠、汽车内饰件、高档车用安全玻璃、仪表面板等零部件，汽车材料概论概述•（一）汽车工程材料•3、陶瓷材料陶瓷材料属于无机非金属材料，主要为金属氧化物和非金属氧化物•普通陶瓷、玻璃、特种陶瓷•制造火花塞;各种传感器(爆振传感器、氧传感器、温度传感器);发动机部件或整机、气体涡轮热交换器部件;•可以达到提高热效率、降低能耗、减轻自重的目的等汽车材料概论概述•玻璃:•钢化玻璃;区域钢化玻璃;普通复合玻璃;HPR(具有高穿透抗力)夹层玻璃。•应用：主要为窗玻璃•4、复合材料：复合材料是指由两种或两种以上不同材料组合成的材料。•纤维增强复合材料(FRP)：汽车车顶导流板、挡风窗框、车身外装板件，采用制造具有质轻、耐冲击、便于加工异形曲面、美观等优点；•纤维增强金属(FRM)：发动机的活塞顶、连杆、缸体等零件，可显著提高零件的耐磨性、热传导性、耐热性，并减小热膨胀；•防弹玻璃汽车材料概论•(二)汽车运行材料汽车材料概论概述•三、汽车材料的组成•(二)汽车运行材料•汽车运行材料：汽车在运行过程中所消耗的材料。•类型：燃料、润滑剂、工作液、轮胎、m等。•1、燃料燃料通常是指能够将自身贮存的化学能通过化学反应(燃烧)转变为热能的物质（汽油、轻柴油）。•汽油：点燃式发动机(汽油机)的主要燃料，•使用性能：蒸发性、抗爆性、化学稳定性、耐腐蚀性、清洁性等汽车材料概论概述•轻柴油(可简称柴油)：车用高速柴油机的燃料。•使用性能：低温流动性、燃烧性、蒸发性、粘度、腐蚀性和清洁性等•代用燃料：•有天然气、液化石油气、电能、氢、太阳能、醇类、醚类和合成燃料等。•由于天然气、液化石油气、醇类、醚类和合成燃料的相对分子质量比汽油、柴油小得多，有利于与空气的混合、燃烧，其尾气排放C0、HC、C02等污染比汽油、柴油低得多。汽车材料概论概述•2、车用润滑油•发动机润滑油、车辆齿轮油、汽车润滑脂•汽车发动机润滑油的主要功用：润滑、冷却、洗涤、密封、防锈和消除冲击负荷的作用。润滑主要对汽车曲轴、连杆、活塞、气缸壁、凸轮轴、气门等运动零件间进行润滑。•车辆齿轮油用于变速器、后桥齿轮传动机构等传动装置机件摩擦处的润滑油。作用：可以降低齿轮及其他部件的磨损、摩擦，分散热量，防止腐蚀和生锈，对保证齿轮装置正常运转和齿轮的寿命。•润滑脂：润滑脂是指稠化了的润滑油。与润滑油相比，润滑脂蒸发损失小，高温高速下的润滑性好，附着能力强，还可起到密封作用。汽车材料概论概述•3、汽车工作液•制动液、液力传动油、减振器油、冷却液及空调制冷剂等。•制动液是汽车液压制动系中传递压力的工作介质，俗称刹车油，是液压油中的一个特殊品种。•发动机冷却液是对发动机冷却系统的冷却介质。其中防冻冷却液不仅具有防止散热器冻裂的功能，而且具有防腐蚀、防锈、防垢和高沸点(防开锅)的功能，可以有效地保护散热器，改善散热效果，提高发动机效率，保障汽车安全行驶。汽车材料概论概述•3、汽车工作液•制动液、液力传动油、减振器油、冷却液及空调制冷剂等。•减振器液是汽车减振器的工作介质。它利用液体流动通过节流阀时产生的阻力起到减振作用。•制冷剂是汽车空调器工作介质。它在空调器的系统中循环达到制冷的目的。•三、汽车材料的组成•(三)汽车美容材料清洁保护用品、油漆护理用品、汽车整容和装饰用品。汽车材料概论概述汽车材料概论概述•四、汽车应用材料的展望•1、钢铁材料所占比例将逐步下降，有色金属、陶瓷材料、复合材料、高分子材料等新型材料的用量将有所上升。•2、铝合金、复合材料将获得广泛应用。使汽车向轻量化、高效、节能、低噪声、高舒适度，高安全性等方向发展。纤维增强聚合物基复合材料(FRP)、铝合金或纤维增强金属基复合材料(FRM)取代原有的钢铁结构零件；碳纤维增强树脂基复合材料(cFRP)制造驱动轴等。•3、新型高强度陶瓷材料制造汽车发动机部件乃至整机；•4、汽车运行材料趋向采用绿色环保材料或燃料。第二节金属材料的性能其他材料20%金属材料80%金属材料金属合金具有金属光泽。具有较好的延展性，容易加工成型。易导电、传热，是热和电的良导体。常见的钢、铸铁、铜、铜合金、铝、铝合金等都是金属材料。金属材料的特点金属材料性能工艺性能使用性能是指金属材料在使用条件下所表现出来的力学性能（指刚度、强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等）、物理性能（指熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性等）和化学性能（指抗氧化性、跟其他物质发生化学反应的性能等）等。工艺性能是指金属材料在制造加工过程中表现出来的各种性能。优良的使用性能可以满足生产和生活上的各种需要；而优良的工艺性能则可使金属材料易于采用各种加工方法，制成各种形状、尺寸的零件和工具。力学性能物理性能化学性能使用性能•1、密度•密度大于5X103kg/m3的金属属于重金属•密度于小于5X103kg/m3的金属属于轻金属•2、熔点•通常熔点低的金属加工是易于铸造和焊接•3、导电性•导电率越小，金属导电性越好一、金属的物理性能•4、导热性•热导率越高，金属的导热性越好•常采用铝、铜等材料•5、热膨胀性•线膨胀系数越大，金属的热膨胀性也越大•6、磁性•磁导率越高，金属的磁性越好二、金属的化学性能•1、耐腐蚀性•为了抵抗各种腐蚀介质的侵害课采用改变金属材料成分和表面处理的方法•2、抗氧化性通常采用抗氧化性好的耐热钢制造静载荷是指外力的大小和方向不变或变化很缓慢的载荷；冲击载荷是指突然增加的载荷；疲劳载荷则是指大小和方向随时间作周期性变化的载荷。根据载荷作用性质不同静载荷冲击载荷疲劳载荷三、金属的力学性能工件在不同载荷形式下产生的变形刚度、强度、塑性的概念刚度是指金属材料抵抗弹性变形的能力，金属材料在一定应力作用下产生的弹性变形越小，则其刚度越大。强度是指金属材料抵抗塑性变形和断裂的能力，强度愈高的材料，所承受的载荷愈大。塑性是指金属材料产生塑性变形而不断裂的能力。强度指材料抵抗塑性变形和断裂的能力。1、强度的指标1、屈服点符号：σs材料产生屈服现象时的最小应力σs=Fs/S0Fs：试样屈服时所承受的拉伸力（N）S0：试样原始横截面积（mm）汽车材料概论材料的力学性能σs2.抗拉强度：试样在断裂前所能承受的最大应力。用符号：b表示•它表示材料抵抗断裂的能力。σbσsσeMPaAFbb0注：s、b是设计与选材的重要依据另：e表示弹性极限。在外力作用下产生弹性变形时所承受的最大拉应力。•一、拉伸实验与拉伸曲线1.拉伸试样GB6397-86规定《金属拉伸试样》有：圆形、矩形、异型及全截面．常用标准圆截面试样。长试样：L0=10d0;短试样：L0=5d0拉伸试样汽车材料概论材料的力学性能拉伸试样的颈缩现象拉伸试验机2、拉伸试验2、塑性指标塑性是材料在静载荷作用下产生塑性变形而不破坏的能力。评定指标是断后伸长率和断面收缩率。1、断后伸长率2、断面收缩率指试样拉断后标距的伸长量与原标距长度的百分比。指试样拉断后缩项处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。δ=(L1-L)/Lx100%L:标距（本实验L=100）L1:拉断时的试件标距。用卡尺直接量出。Ψ=(A0-A1)/A0x100%A0:试件原横截面积。A1:断裂后颈缩处的横截面积，用卡尺直接量出。汽车材料概论材料的力学性能试样的形状试样标距试样直径拉伸前拉伸后1.1.1拉伸试样与拉伸试验3、硬度1、定义：指材料局部表面抵抗塑性变形和破坏的能力。它是衡量材料软硬程度的指标，其物理含义与试验方法有关。2、硬度的测试方法（1）布氏硬度（2）洛氏硬度（3）维氏硬度（4）肖氏硬度1、布氏硬度试验（布氏硬度计）原理:用一定直径的球体（淬火钢球或硬质合金球）以相应的试验力压入待测材料表面，保持规定时间并达到稳定状态后卸除试验力，测量材料表面压痕直径，以计算硬度的一种压痕硬度试验方法。2、布氏硬度值用球面压痕单位面积上所承受的平均压力表示。如：120HBS500HBW（一）布氏硬度汽车材料概论材料的力学性能(1)布氏硬度HB(Brinell-hardness)布氏硬度计适用范围:＜450HBS;＜650HBW;4、测量范围用于测量灰铸铁、结构钢、非铁金属及非金属材料等.（一）布氏硬度3、优缺点（1）测量值较准确，重复性好，可测组织不均匀材料（铸铁）（2）可测的硬度值不高（3）不测试成品与薄件（4）测量费时，效率低汽车材料概论材料的力学性能1、洛氏硬度试验（洛氏硬度计）原理:用金刚石圆锥或淬火钢球，在试验力的作用下压入试样表面，经规定时间后卸除试验力，用测量的残余压痕深度增量来计算硬度的一种压痕硬度试验。2、洛氏硬度值用测量的残余压痕深度表示。可从表盘上直接读出。如：50HRC（二）洛氏硬度汽车材料概论材料的力学性能(2)洛氏硬度HR(Rockwllhardness)h1-h0洛氏硬度测试示意图4、测量范围用于测量淬火钢、硬质合金等材料.（二）洛氏硬度3、优缺点（1）试验简单、方便、迅速（2）压痕小，可测成品，薄件（3）数据不够准确，应测三点取平均值（4）不能测组织不均匀材料，如铸铁。汽车材料概论材料的力学性能汽车材料概论材料的力学性能五、韧性(1)冲击韧度αK材料抵抗大能量一次冲击的能力原理:冲击试验机冲击试样和冲击试验示意图试样冲断时所消耗的冲击功Ak为:Ak=mgH–mgh(J)冲击韧性值ak就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。AKak=(J/cm²)S0汽车材料概论材料的力学性能五、韧性(2)多冲抗力材料抵抗小能量原理:多次冲击的能力。材料抵抗大能量一次冲击的能力主要取决于材料的塑性，而抵抗小能量多次冲击的能力主要取决于材料的强度。韧性与环境温度直接关联。低温度下—冷脆1.2疲劳强度疲劳破坏零件、工具等即使在低于材料屈服强度的交变载荷作用下，经过一定的循环次数后也会发生突然断裂，这种现象称为疲劳断裂。因此在零件设计之初，对零件所用的金属材料就应该进行疲劳试验，以便合理的估算零件的使用寿命。疲劳破坏材料在对称载荷下的应力变化规律。疲劳强度材料交变应力和断裂前应力循环次数之间的疲劳曲线。提高疲劳强度措施材料方面保证冶炼质量，减少夹杂物和热加工产生的气孔和疏松等缺陷。设计方面尽量使零件避免尖角、缺口和截面突变，以避免应力集中及其所引起的疲劳裂纹。工艺方面降低零件表面粗糙度，并避免表面划痕、碰伤，防止这些地方出现形成疲劳裂纹；采用表面强化方法，如化学热处理、表面淬火、