汽车工程材料

汽车机械基础项目一汽车工程材料任务一汽车常用材料主要性能分析任务二铁碳合金任务三汽车典型零件热处理任务四汽车零件常用材料汽车机械基础汽车机械基础任务引入图1-1汽车曲轴、活塞、齿轮汽车曲轴、活塞、齿轮的主要性能有哪些？汽车机械基础1．掌握汽车常用材料的性能指标。2．具有对不同汽车零件进行主要性能分析的能力。学习目标汽车机械基础相关知识一、金属材料的使用性能二、金属材料的工艺性能汽车机械基础力学性能是指金属材料在外力的作用下表现出来的特性。力学性能指标强度硬度疲劳强度塑性冲击韧性（一）力学性能一、金属材料的使用性能汽车机械基础（一）力学性能两个定义：★载荷:金属材料在加工及使用过程中所受到的外力。★变形:金属材料受载荷作用而发生的几何形状和尺寸的变化称为变形。分类:静载荷、冲击载荷、变载荷分类:弹性变形、塑性变形汽车机械基础A.拉伸试样按国标规定标准拉伸试样可分为：（1）板形试样：原材料为板材或带材。短试样l0＝5d0。l0为试样标距，d0为试样直径。（2）圆形试样：长试样l0＝10d0，强度和塑性是根据拉伸试验测定出来的。标准拉伸试样d1汽车机械基础拉伸试验机标准拉伸试样d1汽车机械基础缩颈现象拉伸试验中得出的拉伸力F与伸长量△L的关系曲线。屈服弹性变形缩颈断裂塑性变形B.拉伸曲线（力-伸长曲线）图1-4低碳钢的拉伸曲线（应力—应变曲线）强化汽车机械基础C.应力-应变曲线（1）应力：单位面积上试样承受的载荷。（2）应变：单位长度的伸长量。应力-应变曲线0(MPa)FA0ll汽车机械基础1．强度（1）屈服强度和规定残余伸长应力•材料的屈服强度（屈服极限），用s表示。ss0(MPa)FA•材料的规定残余伸长应力，用0.2表示。0.20.20(MPa)FA强度是材料在载荷（外力）作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。汽车机械基础在拉伸试验中具有屈服现象的金属材料称为塑性材料，而工程上使用的金属材料，大多数没有明显的屈服现象，这类金属材料称为脆性材料。有些脆性材料，不仅没有屈服现象，而且也不产生缩颈。铸铁的拉伸曲线汽车机械基础（2）抗拉强度bb0(MPa)FA在工程上把称为屈强比。屈强比高表示材料的抗变形能力较强，不易发生塑性变形，材料强度的有效利用率高；屈强比低表示材料的塑性较好，零件的安全可靠性越高。sb/屈服强度和抗拉强度是机械零件设计和选材的主要依据。•材料的抗拉强度，用b表示。汽车机械基础2．塑性（1）断后伸长率塑性是材料断裂前发生不可逆塑性变形的能力。试样拉断后，标距伸长量和原始标距的百分比。100100%lll≥5%，塑性材料；5%，脆性材料。长试样：；短试样：。105汽车机械基础试样拉断后，缩颈处横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比。（2）断面收缩率010100%AAA材料的δ或ψ值越大，表示材料的塑性越好。塑性直接影响到零件的成形加工及使用。汽车机械基础3．硬度硬度是指金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划伤的能力。布氏硬度HB洛氏硬度HR维氏硬度HV压入法硬度试验方法：汽车机械基础（1）布氏硬度压头淬火钢球HBS：布氏硬度值450的材料；硬质合金球HBW：布氏硬度值450～650的材料。222HBS(HBW)0.1020.1020.102ππ()FFFADhDDDd汽车机械基础优点：测量误差小（因压痕大），数据稳定，重复性强。缺点：压痕面积较大，测量费时，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。应用：常用于测量较软材料、灰铸铁、有色金属、退火正火钢材的硬度。不适于测量成品零件或薄件的硬度。汽车机械基础（2）洛氏硬度压头120º金刚石圆锥体HRA与HRC淬火钢球HRB初试验力F1总试验力F主试验力F2F=F1+F2汽车机械基础测量操作简单，方便快捷，压痕小；测量范围大，能测较薄工件。测量精度较低，可比性差，不同标尺的硬度值不能比较。例如：50HRC70HRA×50HRB40HRC×优点：缺点：应用：可用于成品检验和薄件表面硬度检验。不适于测量组织不均匀材料。汽车机械基础（3）维氏硬度与布氏硬度试验原理基本相同，只是改用金刚石四棱锥体作压头。特点：可测较薄的硬化层及很软、很硬的材料。2HV0.1020.1891压痕FFSd汽车机械基础4．冲击韧性冲击韧性采用的测定方法是摆锤式一次冲击试验方法。冲击韧性是指金属材料在冲击载荷作用下断裂时吸收变形能量的能力。汽车机械基础冲击韧度是指冲击试样缺口处单位横截面面积上的冲击吸收功。2KK(J/cm)NAS冲击韧度（）：K冲击试验原理示意图K()(J)AGHGhGHh冲击吸收功：汽车机械基础-40-20020204060T↓，αk急剧↓，韧性→脆性。韧脆转变温度：材料由韧性状态向脆性状态转变的温度。K()T℃汽车机械基础Titanic钢板强度高，韧性很差，特别是在低温呈脆性，冲击试样是典型的脆性断口，近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性。Titanic钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果Titanic沉没原因：汽车机械基础疲劳强度（σ-1）是材料在无数次重复的交变载荷作用下不发生断裂的最大应力，其大小与应力变化的次数有关。5.疲劳强度在循环应力和应变作用下，零部件在一处或几处产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后，产生裂纹或突然产生断裂的过程，这种破坏称为疲劳破坏（或疲劳断裂）。对于黑色金属（钢材）规定循环次数为N=107次，对应有色金属循环次数为N=108次。汽车机械基础（二）物理性能1.密度；2.熔点；3.导热性；4.导电性；5.热膨胀性。金属材料的物理性能是指金属固有的属性。物理性能汽车机械基础（三）化学性能化学性能1.耐腐蚀性；2.抗氧化性；3.化学稳定性。化学性能是指金属材料在常温或高温条件下抵抗外界介质对其化学侵蚀的能力。汽车机械基础二、金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能是指材料加工成形的难易程度。零件冷轧、冷拔、冷冲机加工焊接材板材、棒材、型材、管热轧机加工锻件热锻铸锭机加工铸件铸造冶炼工艺性能往往是由物理性能、化学性能和力学性能综合作用所决定的，不能简单用一个物理参数来表示。零件的制造过程：1．铸造性能2．锻造性能3．焊接性能4．切削加工性能汽车机械基础3．焊接性能铸造性能是指金属在铸造生产中表现出的工艺性能。焊接性能是指金属材料对焊接成形的适应性，也就是指在一定的焊接工艺条件下，金属材料获得优质焊接接头的难易程度。切削加工性能是指金属材料被切削加工的难易程度。锻造性能是指锻造金属材料的难易程度。1．铸造性能2．锻造性能4．切削加工性能汽车机械基础任务实施一、汽车曲轴的主要性能分析二、汽车发动机活塞的主要性能分析三、汽车变速器齿轮的主要性能分析汽车机械基础一、汽车曲轴的主要性能分析1．具有高的强度、一定的冲击韧性，以抵抗冲击载荷。2．具有足够的弯曲和扭转疲劳强度，以抵抗弯曲和扭转载荷。3．具有足够的刚度，以抵抗曲轴磨损变形。4．轴颈表面具有高的硬度和耐磨性。汽车机械基础二、汽车发动机活塞的主要性能分析1．要有足够的强度，以抵抗不同载荷。2．要有足够的刚度，以抵抗变形磨损。3．导热性好，耐高压、耐高温，以适应恶劣的工作条件。4．耐腐蚀性好，以抵抗燃气的化学腐蚀。5．质量小，重量轻，尽可能减小往复惯性力。汽车机械基础三、汽车变速器齿轮的主要性能分析1．齿面有足够的硬度，以抵抗齿面磨损、点蚀、胶合以及塑性变形等。2．齿心有足够的强度和较好的韧性，以抵抗齿根折断和冲击载荷。3．有良好的加工工艺性能及热处理性能，使之便于加工且便于提高其力学性能。汽车机械基础汽车机械基础任务引入钢和铸铁都是以铁和碳为主要元素组成的合金，统称为铁碳合金。铁碳合金基本组织包含哪些，力学性能如何？铁碳合金相图有哪些应用？汽车机械基础1．掌握金属的晶体结构和同素异晶转变。2．掌握铁碳合金的基本组织。3.掌握铁碳合金相图的应用。学习目标汽车机械基础相关知识一、金属的晶体结构和同素异晶转变二、合金的晶体结构三、铁碳合金的基本组织四、铁碳合金相图五、铁碳合金的分类汽车机械基础一、金属的晶体结构与同素异晶转变（1）晶体和非晶体晶体：原子在空间呈有序排列的固态物质。①具有规则的外形；②具有一定的熔点；③具有各向异性。①没有规则的外形；②没有固定的熔点；③具有各向同性。非晶体：原子或分子无规则的堆积在一起的固态物质。固态物质根据其原子排列特征，可分为晶体和非晶体两类。1.金属的晶体结构汽车机械基础晶体结构：指在晶体内部，原子、离子或原子集团规则排列的方式。晶格：抽象的用于描述原子在晶体中排列方式的空间几何格架。晶胞：组成晶格的能反映其特征和规律的最基本几何单元。（2）晶格和晶胞原子排列晶格晶胞汽车机械基础（3）三种典型的金属晶体结构α-铁（912℃以下的钝铁）、铬、钼、钨、钒体心立方晶格示意图原子排列晶格晶胞①体心立方晶格汽车机械基础γ-铁（1394－912℃的钝铁）、铜、铝、镍等原子排列晶格晶胞面心立方晶格示意图②面心立方晶格汽车机械基础铍、镁、锌、镉等原子排列晶格晶胞密排六方晶格示意图③密排六方晶格汽车机械基础（4）实际金属的晶体结构由许多晶粒组成的晶体称为多晶体，实际金属就是多晶体。实际金属晶体结构汽车机械基础晶体缺陷：①点缺陷：不规则区域在空间三个方向上的尺寸都很小，主要是空位、间隙原子、置换原子。实际晶体中，排列不规则的区域称为晶体缺陷。在实际晶体结构中，晶格的某些结点上没有原子，则称这结点为空位。位于晶格空隙之间的原子称为间隙原子。汽车机械基础②线缺陷：不规则区域在一个方向的尺寸很大，在另外两个方向的尺寸都很小，主要是位错，即晶体中某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象。汽车机械基础③面缺陷：一维尺度很小，而二维尺度较大的原子错排区域，主要是晶界和亚晶界。汽车机械基础2．金属的结晶（1）结晶的基本概念结晶：物质由液态变为固态的过程称为凝固，凝固后的固态物质可以为晶态，也可以为非晶态。如果通过凝固形成晶体，称为结晶。金属材料的凝固是典型的结晶过程，而玻璃的凝固过程是非晶体凝固过程。金属的结晶：是指液态金属凝固成固态金属晶体的过程。汽车机械基础纯液态金属的冷却曲线（理想状态）纯液态金属的冷却曲线（实际状态）时间/s0T0：理论结晶温度T1：实际结晶温度ΔT=T0-T1（过冷度）T0温度/ºCT1时间/sa：结晶开始点b：结晶终了点温度/ºCT0ab0结晶平台：由结晶潜热导致，即金属液固转变所释放的潜热与系统散热量相等的结果。汽车机械基础（2）金属的结晶过程从宏观角度看结晶规律：①结晶是在一定的过冷度下完成的，即存在过冷现象。②结晶过程是在恒温下完成的。包括晶核形核和长大两个基本过程。①形核方式：自发形核与非自发形核②长大方式：平面方式与树枝状方式从微观角度看结晶规律：汽车机械基础*自发形核从液态内部由金属本身原子自发长出结晶核心的过程叫做自发形核，形成的结晶核心叫做自发晶核。*非自发形核依附于杂质而生成晶核的过程叫做非自发形核，形成的结晶核心叫做非自发晶核。①晶核的形成汽车机械基础均匀长大②晶核的长大树枝状方式平面方式汽车机械基础结论：金属的结晶过程→形核与长大过程。金属液形成晶核晶核长大形成晶体汽车机械基础3．金属的同素异晶转变体心立方晶格体心立方晶格面心立方晶格物理性质：纯铁在1538℃熔化，纯铁液体结晶为固体后，在冷却至室温过程中，经历两次同素异晶转变。同素异晶：元素相同，结构不同。二次结晶汽车机械基础▲合金：由两种或两种以上的金属元素，或金属元素与非金属元素组成的具有金属性质的物质。▲组元：组成合金的基本物质。▲相：指金属或合金中具有相同成分、相同结构并以界面相互分开的各个均匀的组成部分。▲组织：指用肉眼或借助于放大镜、显微镜观察到的材料内部的形态结构。如:黄铜：C