汽車(chē)機(jī)械基礎(chǔ)機(jī)工配套課件：1 單元1 金屬材料的性能

1、汽車(chē)機(jī)械基礎(chǔ)模塊一 汽車(chē)工程材料單元一 金屬材料的性能學(xué)習(xí)目標(biāo)一、知識(shí)目標(biāo)(1)明確汽車(chē)零件對(duì)材料和結(jié)構(gòu)工藝性的要求(2)掌握金屬材料的力學(xué)性能和工藝性能(3)了解金屬材料的物理和化學(xué)性能二、能力目標(biāo)能利用材料的性能指標(biāo)，合理評(píng)估和選用零件，培養(yǎng)初步的汽車(chē)故障分析能力目錄01任務(wù)一 金屬材料的力學(xué)性能02任務(wù)二 金屬材料的工藝性能03任務(wù)三 金屬材料的物理和化學(xué)性能任務(wù)引入 汽車(chē)是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng),它通常由上萬(wàn)個(gè)零部件組裝而成,如圖1-1所示,這些零部件是由種類(lèi)繁多的材料加工而成的,所以了解汽車(chē)常用的材料對(duì)合理選材、降低汽車(chē)成本具有重要意義。材料的選擇主要依據(jù)材料的機(jī)械性能(力學(xué)性能),同時(shí)

2、也要綜合考慮材料的工藝性能和物理和化學(xué)性能。目錄01任務(wù)一 金屬材料的力學(xué)性能02任務(wù)二 金屬材料的工藝性能03任務(wù)三 金屬材料的物理和化學(xué)性能金屬材料的在汽車(chē)上的應(yīng)用以現(xiàn)代轎車(chē)材料為例, 汽車(chē)上選用材料占汽車(chē)總質(zhì)量的比例如圖1-2所示。按照重量來(lái)?yè)Q算，鋼材占汽車(chē)自重的55%60%，鑄鐵占12%5%,有色金屬占6%10%,塑料占8%12%,橡膠占4%,玻璃占3%，其他材料(油漆、各種液體等)占12%6%。強(qiáng)度1.強(qiáng)度概念金屬在力的作用下，抵抗永久變形和斷裂的能力，稱(chēng)為強(qiáng)度。強(qiáng)度與變形，有著直接的關(guān)系，變形是指在外力作用下，材料由于內(nèi)部原子之間的位置發(fā)生改變，而導(dǎo)致的宏觀形狀和尺寸的變化，根據(jù)撤

3、去外力后能否恢復(fù)，變形分為彈性變形和塑性變形，材料發(fā)生彈性變形時(shí)，撤去外力后，能恢復(fù)到原來(lái)的形狀和尺寸，發(fā)生塑性變形時(shí)，撤去外力后，不能恢復(fù)到原來(lái)的形狀和尺寸，故塑性變形，又稱(chēng)為永久變形，如汽車(chē)碰撞后保險(xiǎn)杠的變形。強(qiáng)度強(qiáng)度是材料的一項(xiàng)重要力學(xué)性能指標(biāo)，當(dāng)材料承受的載荷超出其強(qiáng)度范圍時(shí)，其結(jié)構(gòu)將發(fā)生破壞，導(dǎo)致機(jī)器無(wú)法運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至造成嚴(yán)重的事故，如汽車(chē)大梁、連桿由于強(qiáng)度不足而斷裂的現(xiàn)象，如圖1-3所示。（a）汽車(chē)大梁斷裂 （b）連桿斷裂強(qiáng)度2.拉伸試驗(yàn)金屬材料的強(qiáng)度有專(zhuān)門(mén)的試驗(yàn)來(lái)測(cè)定，其中應(yīng)用最普遍的是拉伸試驗(yàn)，拉伸實(shí)驗(yàn)是指用靜拉伸力，對(duì)試樣進(jìn)行軸向拉伸，通過(guò)測(cè)量拉伸力和相應(yīng)的伸長(zhǎng)量，測(cè)量其力學(xué)性能

4、的試驗(yàn)。材料進(jìn)行拉伸時(shí)，需要使用拉伸試驗(yàn)機(jī)和特制的試樣。常用試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)如圖，其中，d0表示原始直徑，L0表示原始標(biāo)距長(zhǎng)度，d1表示斷后直徑，L1表示斷后標(biāo)距長(zhǎng)度。（a）拉伸前（b）拉伸后強(qiáng)度2.拉伸試驗(yàn)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)，將試樣兩端分別固定在拉伸試驗(yàn)機(jī)上，逐步增加軸向拉力（又稱(chēng)拉伸力），連續(xù)記錄拉伸力和試樣的伸長(zhǎng)量，直至試樣被拉斷。根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)，可以繪制拉伸力和伸長(zhǎng)量之間的關(guān)系曲線(xiàn)，稱(chēng)為拉伸曲線(xiàn)。 低碳鋼拉伸曲線(xiàn)低碳鋼拉伸曲線(xiàn)中，橫坐標(biāo)表示試樣的形變量L,縱坐標(biāo)表示拉伸力F強(qiáng)度2.拉伸試驗(yàn) 低碳鋼拉伸曲線(xiàn)階段曲線(xiàn)特征力學(xué)性能OE段：彈性變形階段直線(xiàn)試樣長(zhǎng)度隨著拉伸力的增大而增大，撤去外力后，試樣

5、變形消失，恢復(fù)原長(zhǎng)ES段：屈服階段上下波動(dòng)在該階段，拉力一旦超過(guò)Fe，試樣將產(chǎn)生塑性變形。等拉力增加到Fel時(shí)，在拉力不斷增加，略有減小的情況下，試樣將繼續(xù)生長(zhǎng)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為屈服。SB段：強(qiáng)化階段非線(xiàn)性增大需要不斷的增加拉力，試樣才能繼續(xù)生長(zhǎng)。隨著塑性變形的增大，試樣抵抗變形的內(nèi)力也逐漸增大，這種現(xiàn)象稱(chēng)為形變強(qiáng)化。BZ段：頸縮階段下降拉力達(dá)到最大后，試樣中間某處的直徑會(huì)發(fā)生局部收縮，稱(chēng)為“頸縮”。由于橫截面積減小，拉力不斷減小強(qiáng)度3.強(qiáng)度指標(biāo) 強(qiáng)度的大小可由應(yīng)力來(lái)表示。材料在受外力作用時(shí)，為抵抗變形，其內(nèi)部組織間產(chǎn)生的相互作用力稱(chēng)為內(nèi)力。單位面積上的內(nèi)力稱(chēng)為應(yīng)力，用符號(hào)表示。在拉伸試驗(yàn)中，試樣

6、斷裂前處于受力平衡狀態(tài)，內(nèi)力與外力大小相等，此時(shí)橫截面上的應(yīng)力大小 =F/S式中：-橫截面上的應(yīng)力，單位Pa F-試樣所受拉力，單位N S-試樣的橫截面積，單位mm2常用的應(yīng)力單位為MPa，存在換算關(guān)系：1MPa=1N/ mm2 =106N/m2=106Pa對(duì)于鑄鐵、高碳鋼等材料，它們沒(méi)有明顯的屈服現(xiàn)象，則很確定正確的Fel，此時(shí)可用試樣產(chǎn)生0.2%永久變形時(shí)的應(yīng)力，作為一種條件屈服強(qiáng)度。強(qiáng)度強(qiáng)度指標(biāo)：抗拉強(qiáng)度b屈服強(qiáng)度s 強(qiáng)度指標(biāo)硬度硬度是衡量金屬材料軟硬的一種性能指標(biāo)，也是指金屬材料抵抗外部硬物壓人其表面的能力。硬度越高，材料表面越不容易產(chǎn)生壓痕或劃痕。工業(yè)中通常利用硬度試驗(yàn)來(lái)測(cè)定材料的硬

7、度。常用的硬度試驗(yàn)方法有布氏測(cè)試法、洛氏測(cè)試法和維氏測(cè)試法等，所測(cè)試所得的硬度，分別為布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度。布氏測(cè)試法維氏測(cè)試法洛氏測(cè)試法硬度測(cè)試法硬度1.布氏硬度布氏硬度的符號(hào)用HB表示。用一定直徑D的淬硬鋼球在規(guī)定負(fù)荷P的作用下壓入試件表面，保持一段時(shí)間后卸去載荷，在試件表面將會(huì)留下表面積為F的壓痕，以試件的單位表面積上能承受負(fù)荷的大小表示該試件的硬度：HB=P/F，在實(shí)際應(yīng)用中，通常直接測(cè)量壓坑的直徑，并根據(jù)負(fù)荷P和鋼球直徑D從布氏硬度數(shù)值表上查出布氏硬度值（顯然，壓坑直徑越大，硬度越低，表示的布氏硬度值越?。?。 硬度2.洛氏硬度洛氏硬度的符號(hào)用HR表示。用有一定頂角（例如120

8、）的金剛石圓錐體壓頭或一定直徑D的淬硬鋼球，在一定負(fù)荷P作用下壓入試件表面，保持一段時(shí)間后卸去載荷，在試件表面將會(huì)留下某個(gè)深度的壓痕，由洛氏硬度機(jī)自動(dòng)測(cè)量壓坑深度并以硬度值讀數(shù)顯示（顯然，壓坑越深，硬度越低，表示的洛氏硬度值越小）。根據(jù)壓頭與負(fù)荷的不同，洛氏硬度還分為HRA、HRB、HRC三種，其中以HRC為最常用。 硬度3.維氏硬度維氏硬度的硬度符號(hào)用HV表示，以120kg以?xún)?nèi)的載荷和頂角為136的金剛石方形錐壓入器壓入材料表面，用材料壓痕凹坑的表面積除以載荷值，即為維氏硬度值（HV），如圖所示。硬度三種硬度比較：類(lèi)別試驗(yàn)原理簡(jiǎn)圖測(cè)試方法應(yīng)用范圍表示方法布氏硬度（HB）采用直徑為D的淬火鋼球

9、或硬質(zhì)合金鋼球作為壓頭，以規(guī)定壓力P擠壓材料表面并保持規(guī)定的時(shí)間，測(cè)量圓形壓痕的直徑d，利用公式求出硬度值，或從專(zhuān)門(mén)編制的硬度表中查出對(duì)應(yīng)的硬度值適用于測(cè)定各種退火及調(diào)質(zhì)的鋼材、非鐵合金及鑄鐵等不太硬的工件，不適合測(cè)定太薄的工件硬度值+HBW+球體直徑+試驗(yàn)壓力+保持時(shí)間洛氏硬度（HR） 采用120頂角的金剛石或f1.587 5 mm鋼球作為壓頭，以一定的壓力擠壓材料表面，根據(jù)壓痕的深度計(jì)算材料的硬度。根據(jù)試驗(yàn)壓力的不同，可分為三種標(biāo)度：HRA，HRB和HRC 適用于測(cè)定布氏硬度值大于450或尺寸較小的工件硬度值+符號(hào)維氏硬度（HV）以相對(duì)面夾角為136的正四棱錐形金剛石作為壓頭，以49.03

10、980.7 N的載荷擠壓材料表面并保持規(guī)定時(shí)間，測(cè)量壓痕對(duì)角線(xiàn)的長(zhǎng)度d，然后按公式計(jì)算硬度值 由于壓痕較小，適用于測(cè)定較薄工件、工具表面或帶鍍層工件硬度值+HV+試驗(yàn)壓力+保持時(shí)間塑性塑性沖擊韌性沖擊韌性是指金屬材料斷裂前吸收變形能量的能力。沖擊韌性越好，材料的抗沖擊能力愈強(qiáng)，發(fā)生斷裂的可能性越小。沖擊韌性是金屬材料的一項(xiàng)重要力學(xué)性能，許多金屬零件和機(jī)械設(shè)備在工作中需要承受沖擊載荷的作用，如發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞、鍛壓機(jī)床的鍛錘等，為了保證他們的正常工作，在選擇材料時(shí)，必須要考慮材料的沖擊韌性。金屬材料的沖擊韌性通常用沖擊吸收功來(lái)衡量。沖擊韌性，可以通過(guò)一次擺錘沖擊試驗(yàn)來(lái)測(cè)定。1-試樣 2-刻度盤(pán) 3-

11、指針 4-擺錘 5-機(jī)架發(fā)動(dòng)機(jī)連桿疲勞強(qiáng)度零件在承受外部載荷作用時(shí)，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)外部載荷成周期性變化時(shí)，應(yīng)力也會(huì)作周期性變化，稱(chēng)為交變應(yīng)力。齒輪、軸承、曲軸等機(jī)械零件工作時(shí)，需要承受交變應(yīng)力的作用，雖然應(yīng)力水平低于材料的屈服強(qiáng)度，但經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的反復(fù)作用后，零件會(huì)產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生斷裂破壞，這種現(xiàn)象稱(chēng)為金屬的疲勞破壞，簡(jiǎn)稱(chēng)疲勞。金屬材料的疲勞性能由疲勞強(qiáng)度來(lái)衡量。疲勞強(qiáng)度是指金屬材料承受無(wú)限多次交變載荷的作用，而不發(fā)生破壞的最大應(yīng)力，它表示材料抵抗交變載荷作用，而不發(fā)生疲勞破壞的能力。金屬材料的疲勞強(qiáng)度可以通過(guò)疲勞試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)量，但實(shí)際操作中，金屬材料不可能做無(wú)限多次交變載荷試驗(yàn)。通常規(guī)定，

12、鋼在經(jīng)受107次、非金屬材料經(jīng)受108次交變載荷作用時(shí)不產(chǎn)生斷裂的最大應(yīng)力稱(chēng)為疲勞強(qiáng)度。疲勞強(qiáng)度疲勞破壞是機(jī)械零件失效的主要形式之一，由于前期不易察覺(jué)，具有較強(qiáng)的突發(fā)性，所以疲勞破壞容易造成很?chē)?yán)重的后果。齒輪斷裂 曲軸斷裂目錄01任務(wù)一 金屬材料的力學(xué)性能02任務(wù)二 金屬材料的工藝性能03任務(wù)三 金屬材料的物理和化學(xué)性能金屬材料的工藝性能金屬材料的工藝性能反映了金屬材料加工難易程度。良好的工藝性能表示材料的加工難度小。工藝性能主要包括鑄造性能、鍛造性能、焊接性能和切削加工性能等。鑄造性能焊接性能鍛造性能工藝性能切削加工性能鑄造性能鑄造是將熔融的金屬澆入鑄型中，經(jīng)凝固后獲得一定尺寸、形狀和力學(xué)性

13、能的鑄件或零件的成形方法。金屬材料通過(guò)鑄造的方法獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的能力，稱(chēng)為金屬材料的鑄造能力，它反映了金屬材料熔化澆鑄成為鑄件的難易程度。金屬材料融化成液體時(shí)的流動(dòng)性越好，冷凝時(shí)的收縮性越小，凝固后的偏析性（指各化學(xué)成分的不均勻性）越小，則獲得鑄件的質(zhì)量越好。鑄造性能汽車(chē)用鑄件的主要特點(diǎn)是壁薄、形狀復(fù)雜、尺寸精度高、質(zhì)量輕、可靠性好、生產(chǎn)批量等。鑄件一般占汽車(chē)自重的12%左右,僅次于鋼材用量,居第二位。就材質(zhì)而言,鑄鐵鑄鋼、鑄鋁、鑄銅等應(yīng)有盡有,僅鑄鐵就采用了灰鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵、可鍛鑄鐵及合金鑄鐵等。很多典型的汽車(chē)零件都采用鑄造,如柴油機(jī)缸體、汽油機(jī)缸體、汽油機(jī)缸蓋曲軸、變速器和離合器殼

14、體、各類(lèi)連接板、支架及車(chē)門(mén)框架等,如圖1-12所示。 （a）發(fā)動(dòng)機(jī)缸體 （b）汽車(chē)變速箱壓力加工性能固態(tài)金屬在外力作用下，通過(guò)塑性變形，改變尺寸和形狀、改善內(nèi)部組織，從而獲得具有一定形狀、尺寸和力學(xué)性能的原材料，毛坯或零件的加工方法，又稱(chēng)金屬塑性加工。常用的金屬壓力加工方法有軋制、擠壓、冷拔、鍛造和冷沖壓等（a）軋制 （b）擠壓 （c）冷拔 （d）鍛造 （e）冷沖壓常用壓力加工方法壓力加工性能模鍛一般用于制造強(qiáng)度高、可靠性好的汽車(chē)零件毛坯,如發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸、凸輪軸、連桿，底盤(pán)的驅(qū)動(dòng)軸、十字軸、前車(chē)軸、后車(chē)軸,轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向節(jié)臂等,如圖1-14所示。（a）連桿 （b）凸輪軸圖1-14 汽車(chē)

15、模鍛壓零件壓力加工性能據(jù)統(tǒng)計(jì),汽車(chē)中有60%70%的零件是用沖壓工藝生產(chǎn)出來(lái)的。因此,沖壓工藝對(duì)汽車(chē)的質(zhì)量、生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本都有重要的影響。如圖1-15所示,車(chē)身覆蓋件基本上都是板料沖壓加工的。（a）車(chē)門(mén) （b）翼子板圖1-15 汽車(chē)沖壓零件焊接性能通過(guò)加熱或加壓，或者兩者并用，使兩工件產(chǎn)生原子間結(jié)合的加工辦法稱(chēng)為焊接。常用的焊接方法有手工電弧焊、氣焊、自動(dòng)焊等。金屬材料在焊接過(guò)程中得到優(yōu)質(zhì)焊接接頭的能力稱(chēng)為焊接性能，又稱(chēng)可焊性。焊接性能好的金屬材料，焊接時(shí)焊縫不容易產(chǎn)生夾渣、氣孔、裂紋等缺陷。手工電弧焊自動(dòng)焊氣焊焊接方法焊接性能常用焊接方法切削加工性能切削加工是機(jī)械工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的零件

16、加工方法，常見(jiàn)的切削加工方法有車(chē)削、銑削、磨削、鉆削等。切削加工性能是指對(duì)金屬材料進(jìn)行切削加工的難易程度。衡量切削加工性能的因素有刀具的使用壽命、零件的表面質(zhì)量、工時(shí)等。金屬材料的切削加工性能，主要受金屬材料的化學(xué)成分、硬度、塑性等性能的影響。通常情況下，可以通過(guò)熱處理來(lái)提高鋼件的切削加工性能。切削加工性能（a）車(chē)削加工 （b）銑削加工（c）磨削加工 （d）鉆削加工目錄01任務(wù)一 金屬材料的力學(xué)性能02任務(wù)二 金屬材料的工藝性能03任務(wù)三 金屬材料的物理和化學(xué)性能金屬材料的物理性能金屬材料的物理性能是指金屬材料在重力、電磁場(chǎng)、熱力（溫度）等物理因素作用下所表現(xiàn)出來(lái)的性能或固有的屬性。物理性能包

17、括密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、熱膨脹性和磁性。導(dǎo)熱性導(dǎo)電性物理性能熔點(diǎn)熱膨脹性密度磁性密度金屬材料的密度是指單位體積金屬的質(zhì)量。密度是金屬材料的特性之一，不同金屬材料的密度是不同的。在體積相同時(shí)，金屬材料的密度越大，其質(zhì)量越大。一般將密度小于5103KG/M2的金屬材料稱(chēng)為輕金屬,將密度大于5103KG/M2的金屬稱(chēng)為重金屬。金屬材料的密度是零件設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮的性能之一，如航天構(gòu)件常采用密度小的鋁合金、鈦合金、鋁鎂合金進(jìn)行制造。熔點(diǎn)金屬材料從固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)的溫度稱(chēng)為熔點(diǎn)。純金屬有固定的熔點(diǎn)。合金的熔點(diǎn)取決于它的化學(xué)成分，如鋼和生鐵雖然都是鐵和碳的合金，但由于其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同，其熔點(diǎn)也不

18、同。熔點(diǎn)對(duì)于金屬材料的冶煉、鑄造、焊接等是重要的工藝參數(shù)。熔點(diǎn)高的金屬材料稱(chēng)為難熔金屬（如鎢、鉬、釩），可用來(lái)制造耐高溫零件，在火箭，導(dǎo)彈，燃?xì)廨啓C(jī)和噴氣飛機(jī)等方面得到廣泛應(yīng)用。熔點(diǎn)低的金屬材料稱(chēng)為易熔金屬（如錫、鉛等），可用來(lái)制造印刷鉛字（鉛與銻的合金）、熔斷器和防火安全閥等零件。導(dǎo)熱性金屬材料傳導(dǎo)熱量的能力稱(chēng)為導(dǎo)熱性。金屬材料的導(dǎo)熱能力，常用熱導(dǎo)率（亦稱(chēng)導(dǎo)熱系數(shù)）來(lái)表示。金屬材料的熱導(dǎo)率越大，說(shuō)明其導(dǎo)熱性越好。一般來(lái)說(shuō)，純金屬的導(dǎo)熱能力比合金好。金屬材料的導(dǎo)熱能力以銀為最好，銅、鋁次之。導(dǎo)熱性好的金屬材料，其散熱性能也較好，可用來(lái)制造散熱器、熱交換器交換器。導(dǎo)電性金屬材料能夠傳導(dǎo)電流的能力

19、稱(chēng)為導(dǎo)電性。金屬材料的導(dǎo)電性常用電阻率來(lái)表示，其單位是.m。金屬材料的電阻率越小，其導(dǎo)電性越好。導(dǎo)電性與導(dǎo)熱性一樣，是隨化學(xué)成分的復(fù)雜化而降低，因而純金屬的導(dǎo)電性總比合金好。因此，工業(yè)上常用純銅、純鋁作為導(dǎo)電材料，而用導(dǎo)電性差的銅合金和鐵鉻鋁合金制作電熱元件。熱膨脹性金屬材料隨溫度變化而膨脹或收縮的特性稱(chēng)為熱膨脹性。一般來(lái)說(shuō)，金屬材料受熱時(shí)膨脹而體積增大，冷卻時(shí)收縮而體積縮小。金屬材料的熱膨脹性可用線(xiàn)脹系數(shù)1和體脹系數(shù)V來(lái)表示，體脹系數(shù)近似為線(xiàn)脹系數(shù)的三倍。在實(shí)際工作中需要考慮熱膨脹性的地方很多，如軸與軸瓦之間要根據(jù)膨脹系數(shù)來(lái)控制其間隙尺寸.磁性金屬材料在磁場(chǎng)中被磁化而呈現(xiàn)磁性強(qiáng)弱的性能稱(chēng)為磁性。根據(jù)金屬材料在磁場(chǎng)中受到磁化程度的不同，金屬材料又分為鐵磁性材料和非鐵磁性材料。鐵磁性材料是指在外磁場(chǎng)中能被磁化到很大程度的金屬材料，如鐵、鎳、鈷等。非鐵磁性材料是指在外磁場(chǎng)中能夠抗拒或減弱外加磁場(chǎng)磁化作用的金屬材料如金、銀、銅、鉛、鋅等。