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汽车材料介绍——培训教材1.金属材料及其应用1.1高强度钢板1.2铸态金属1.3金属材料性能检测2.非金属材料及其应用2.1工程塑料2.2橡胶2.3强化玻璃2.4黏接剂2.5垫片材料2.6非金属材料性能检测3.汽车用新兴材料3.1轻金属基复合材料3.2高强度碳纤维复合材料汽车用钢板的分类根据不同的加工工艺，可将高强度钢板分为热轧钢板与冷轧钢板，热轧钢板是指以铸坯为原料，经加热后由粗轧和精轧机组制成的带钢；冷轧钢板是以热轧钢为原料，经酸洗后进行冷轧的薄带钢。在汽车领域，热轧钢板主要应用于汽车车架结构件上，冷轧钢板主要用于车外板，如车门、顶盖和行李箱盖，即所谓的“四门两盖”。1.1金属材料及其应用——高强度钢板热轧钢与冷轧钢的性能比较硬度强度韧性塑性加工性表面美观热轧钢低强度低于冷轧钢，屈服点远离抗拉强度高延展性好容易加工表面存在氧化皮，平整性差冷轧钢高强度高，屈服点接近抗拉强度低塑性较差加工硬化没有氧化皮，光洁度好，适做外观件总体来说，热轧钢与冷轧钢不同的机械性能决定了其所适用的零件部位，车辆的结构件(如大梁)承载较多的交变应力，故韧性和疲劳强度较好的热轧钢较为适用。常用的高强度热轧钢从安全角度来说，车身上的钢板强度不一定都是越高越好。车身框架不同部位应不同选用特定性能的钢板，车身前部和尾部的钢板要求强度适中，能吸收一定冲击力，而驾驶室框架尽量适用强度与刚度较高的钢板。汽车框架常用的高强度热轧钢根据不同的强化机制可将高强度热轧钢板分为：固溶强化钢板、组织强化钢板、贝氏体双相钢、高延性TRIP钢和析出强化钢。举例而言：应用于防撞结构件的高强度相变诱导塑性钢——Trip钢，其具有良好的能量吸收特性，强化机理是在形变时产生内部相变。在形变过程中，诱发马氏体形核，残余奥氏体转变为马氏体，铁素体基体中位错密度增大，产生位错强化。名称性能/优点应用含磷高强度钢板良好的强度与塑性平衡，即强度增加，延伸率和应变硬化指数下降甚微具有良好的耐腐蚀性和点焊性能。车外板：车门、顶盖、行李箱盖冷轧双向钢板具有连续屈服、屈强比低和加工硬化高、兼备高强度及高塑性的特点。车门加强板、保险杠超低碳高强度冷轧钢板含碳量低于0.005%，加入适量的钛和铌，极好的深冲性能。形状复杂而强度要求高的冲压零件轻量化叠层钢板由两层厚度为0.2~0.3mm的薄钢板以及中间夹入的塑料复合材料组成。具有重量轻、隔热防震性能好等特点。发动机罩、行李箱盖、车身底板车身常用高强度冷轧板包括：汽车外板件要求材料具有较好的强度与成型性，并且应具有一定美观性，近些年来，铝合金也应用到车身板制件上，但铝制品的成本较高，现在普遍使用高强度薄冷轧钢板作为车身材料。1.2金属材料及其应用——铸态金属铸造是比较经济的毛坯成形方法，在制作形状复杂的零件更能显示出其经济性，如汽车的发动机的缸体和缸盖等。铸件在具有一般机械性能的同时，还具有耐磨、耐腐蚀、吸震等综合性能，是其他成形方法(锻、轧、焊、冲)等所做不到的。对于铸件也需要进行相应的热处理，以改变铸件内部组织结构，获得更高的强度、硬度和磨耗抵抗能力。气缸体，水冷发动机的气缸体和上曲轴箱常铸成一体，称为气缸体，一般由灰口铸铁铸成，气缸体上部的圆柱形空腔称为气缸，下部部位支承曲轴的曲轴箱，其内腔为曲轴运动的空间。在气缸体内部铸有许多加强筋，冷却水套和润滑油道等。缸体加工工艺：毛坯外观检查，上料→利用毛坯初级基准定位→利用加工过渡基准定位→工艺销孔定位→中间清洗、烘干→试漏→安装框架/主盖→上缸体和下缸体的工艺销孔定位→缸孔、曲轴孔衍磨→最终清洗→压装堵漏，密封试漏→测量打号→外观检查，下线目前制造汽车发动机缸体的材料主要有铸铁和铝合金。金属材料的性能包括力学性能、物理性能(如磁性)和化学性能(如抗应力腐蚀性能)，考虑到材料试验室的设备配置情况，着重就力学性能进行介绍。材料的力学性能主要包括强度、弹性、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。其中强度、弹性和塑性可由材料的应力—应变曲线得到。1.3金属材料性能与检测强度曲线中包含五阶段信息：弹性形变(oe)：试样的伸长量与载荷的增加成正比阶段。微型塑性变形(es)：在载荷卸载后，试样不再完全恢复到原来尺寸阶段。屈服(ss’)：当载荷增加到屈服阶段后，在载荷不增加情况下，试样仍然伸长，此阶段为屈服阶段。大量塑变(s’b)：经过屈服阶段后，随着载荷的增加，试样产生大量均匀塑变，直到应变最高值。颈缩阶段(bz)：当载荷增加到应力最高值后，产生颈缩现象，当达到断裂点时，试样被拉断。强度：指材料在静态载荷作用下，抵抗变形和破坏的能力。一般衡量强度的数值为屈服强度σs和抗拉强度σb。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/So（MPa）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）弹性：指在外力作用下金属材料发生变形，当外力撤销后，材料恢复至原状的特性。衡量数值为弹性极限σe和弹性模量E(刚度)。弹性极限，指材料在弹性变形阶段所能承受的最大应力。σe=Fe/s0（MPa）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）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。常用的硬度测量方法为布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HR)和维氏硬度(HV)。韧性：金属材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力，全称为冲击韧性。疲劳强度：承受交变应力的零件，在工作应力低于材料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，材料抵抗疲劳失效的能力称为疲劳强度。布氏硬度布氏硬度是以规定试验力(F)压入试样表面，保持规定时间后卸除试验力，测量试样表面压痕直径(L)，布氏硬度值是以试验力除以压痕球形表面积所得的商，单位为HB。布氏硬度一般用于材料较软的时候，如有色金属、经退火、正火和调质的钢件。洛氏硬度洛氏硬度是以初始试验力(F0)及总试验力(F)先后作用，将压头(金刚石圆锥体)压入试样表面，测量压痕深度增量(e)计算硬度值，单位为HR。洛氏硬度多用于测量硬度较高的材料，如淬火钢等。维氏硬度维氏硬度是以正四棱锥(棱锥角为136°)的金刚石压头，在试验力(F)作用下压入试样表面，保持规定时间后，测量压痕对角线长度，以此运算材料的硬度值，单位为HV维氏硬度中的显微维氏硬度，适用于微小区域的硬度测量，特别对于测量薄小的材料优势特别明显。工程塑料包括聚酰胺PA(即尼龙)、聚碳酸酯PC、聚甲醛POM、聚对苯二甲酸丁二醇酯PBT、聚苯醚PPO(即树脂)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)。2.1非金属材料及其应用——工程塑料名称性能适用部位PA低比重、高抗拉强度、耐磨、自润滑性好、冲击韧性优异一般机械零件、耐磨零件，如泵叶轮、风扇叶片、阀座、衬套、轴承、仪表盘、电器仪表、冷热空气调节阀等PC延展性和强韧性较好、抗冲击强度极高，透明度好挡风玻璃、汽车反光镜POM俗称“超钢”，摩擦系数低，几何稳定性好精密度高的小模数齿轮，几何面复杂的仪表精密件PBT加工性能和电性能较好汽车分电盘和点火线圈PPO优良的耐热性和电器绝缘性电传终点设备连接器ABS抗冲击、耐热、耐低温、易加工并尺寸稳定仪器仪表、车外壳、方向盘、导油管、把手、按钮、前散热器护栅、灯罩等除此以外，还包括热塑性塑料——聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA，即有机玻璃)、聚氯乙烯(PVC)、聚四氟乙烯(PTEE、特富龙)，聚对苯二酸乙二醇在(PET，PETE)。2.1非金属材料及其应用——工程塑料橡胶具有良好的弹性与耐磨性，橡胶类材料主要包括：天然橡胶、丁苯橡胶、丁基橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶。2.2非金属材料及其应用——橡胶名称性能应用部位天然橡胶良好的耐磨性，韧性，加工性能好，但耐高温、耐油、抗氧化性较差，易老化轮胎、胶带、胶管及通用橡胶制品等丁苯橡胶优良的耐磨性、耐老化性和韧性，但加工性能、特别是黏着性较天然橡胶差轮胎、制动摩擦片、离合器摩擦片、胶带、胶管及通用橡胶制品等氯丁橡胶耐臭氧、耐腐蚀、耐油、黏着性好，但密度大，电绝缘性差，加工时易粘附，脱模胶带、胶管，橡胶黏合剂、模压制品、汽车门窗嵌条等丁腈橡胶耐油、耐老化、耐磨性能、耐热性、气密性好，但低温性能与加工性较差油封、皮碗、O形密封圈，油管等耐油配件强化玻璃包括钢化玻璃、夹层玻璃和着色玻璃等。1.钢化玻璃：通过淬火处理(近溶态玻璃+风急冷)，玻璃表面具有冷硬后的压应力，可抵抗外界拉应力变形，表现为强度升高，常用于挡风玻璃，而且在碰撞瞬间破碎成钝边小碎块，不会给人员造成更大伤害。2.夹层玻璃：用聚丙烯酸甲酯或聚乙酸脂透明薄膜将2~3块薄钢化玻璃板黏接称为一体，由于曲率一致，其透明度不受影响，形成夹层式安全玻璃。用于前挡风玻璃。3.着色玻璃：在钢化玻璃基础上，为了使车窗玻璃具有遮挡阳光照射的功能，在硅酸盐玻璃中加入钴、铁等金属离子，使之成为可抵抗紫外线照射的着色玻璃。2.3非金属材料及其应用——强化玻璃黏接材料主要用于焊接件、内外饰件结合处边缘、门窗缝隙处等，防止水分和灰尘侵入，包括：点焊密封胶、焊缝胶、折边黏接剂、风窗玻璃黏接剂、密封条黏接剂、内饰件黏接剂。2.4非金属材料及其应用——黏接剂垫片材料主要用于功能部件连接处，主要功能是防止液体与气体的渗漏，常用的垫片材料包括纸板制品和石棉制品。2.5非金属材料及其应用——垫片材料名称组成使用部位钢纸板纤维纸板+蓖麻油+氧化锌汽车发动机与总成密封件连接处滤芯纸滤清器内滤片防水纸板车身外部水接触部件衬垫浸渍衬垫纸板纸浆+胶料+甘油水溶液发动机与变速箱中与汽油、润滑油接触的部件软纸板颗粒状软木+骨胶+干酪黏合气阀盖衬垫、水套孔盖板衬垫、水泵衬垫、机油盘衬垫石棉板石棉+填料+黏结材料高温部件，如气缸、排气管接口处衬垫内衬补充：石棉材料除了用于高温区域的垫片外，还有一个重要的部件——摩擦片，石棉摩擦片由石棉、辅助材料和黏合剂混合加热压制而成，主要用于汽车的动力传递和制动，如离合器和制动器的摩擦片等。2.6非金属材料性能检测根据非金属材料的性能检测主要包括：力学性能、电性能、耐热性能、阻燃性能、加工成型性能和耐老化性能六个方面进行。力学性能：与金属材料相似，非金属材料也要进行相关的拉伸试验以测定样品的拉伸强度、弹性模量、断裂强度和延伸率等性能。电性能：通过测量电气强度、体积电阻、介电常数和节电损耗检测非金属材料的绝缘性。耐热性能：通过测量样品的热变形温度(GB/T1634)、维卡软化温度(GB/T1633)、球压试验(GB/T5169.21)来检测材料的耐热性能。阻燃性能：包括灼热丝试验、标称50W(20mm)火焰燃烧试验、针焰燃烧试验、热丝引燃试验、大电流引燃试验来模拟评定灼热元件或过载电阻的热源造成热应力影响的着火危险性。加工成型性能：包括熔体流动速率(或称为熔融指数)和模塑收缩率。耐老化性能：对材料施加一定的高温、低温、恒定湿热、交变湿热、盐雾、紫外光照等条件，以考察样品对自然环境的耐候性。除此以外，还有对内饰件的蒸发性能的检验方法光泽度法和重量测试法(ISO6452)，对座椅材料透气性和透湿性的检测(GB/T10655-2003)等。轻金属基复合材料(MMC)指铝、镁等金属材料为基体，以纤维、晶须、颗粒(如SiC)等为增强体的复合材料，性能表现为将组成相的性能综合起来，实现材料间的强强联合。在德国，轻金属复合材料已开始用于气缸体、曲轴、连杆、活塞及刹车鼓与刹车盘的试生产。3.1汽车用新兴材料——轻金属基复合材料高强度碳纤维复合材料(CFRP):碳纤维具有质量轻、强度高的特点，是汽车轻量化的理想材料，基本思路是采用轻质的碳复合材料取代钢铁，减轻车自身重量以提高燃油效率，并且碳纤维汽车在碰撞后，材料会破碎成很小的碎片，碎片在经过缓冲器后失去大部分能量，不会给用户造成更大的伤害。美国早已采用CFRP制造汽车传动轴、发动机罩、上下悬架等零部件。3.2汽车用新兴材料——高强碳纤维复合材料兰博基尼碳纤维超级跑车，仅重999kg