第1章 汽車機械常用材料應用

了解：1、金屬材料分類2、汽車機械用有色金屬及其合金理解：1、強度與塑性2、硬度3、韌性4、疲勞掌握：非合金鋼的分類、合金鋼、鑄鋼、鑄鐵第1章汽車機械常用材料應用學習目標：1.理解鋼鐵材料和鋼鐵基本組織；2.掌握非合金鋼、合金鋼、鑄鋼和鑄鐵牌號表示方法；3.了解有色金屬及其合金種類和新型材料；4.掌握材料的強度與塑性標準；5.掌握零件硬度測量的表示法；6.理解材料的沖擊韌性與疲勞極限的概念；7.理解金屬材料的工藝性能能力要求：1.能區(qū)分鋼鐵材料的種類；2.能知道為汽車機械選擇合適的材料種類；3.能掌握材料硬度與塑性的關系1.1金屬材料的分類與組織1.2汽車機械零件材料1.3金屬的力學性能和工藝性能第1章汽車機械常用材料應用第一節(jié)金屬材料的分類與組織一、金屬材料分類二、鋼鐵基本組織三、鋼中常存雜質元素的影響一、金屬材料分類金屬——是指具有良好的導電性和導熱性，具有一定的強度和塑性，并具有光澤的物質。1．鋼鐵材料由鐵或以鐵為主形成的物質，稱為鋼鐵材料，鋼鐵材料是鐵和碳的合金。鋼鐵材料按碳的質量分數(shù)WC進行分類工業(yè)純鐵WC<0.0218%（1）鋼鋼（0.0218%<WC<2.11%）第一節(jié)金屬材料的分類與組織（1）鋼1）板材2）管材3）線材4）其它材料型材第一節(jié)金屬材料的分類與組織（2）生鐵生鐵（2.11%＜WC＜6.69%）。生鐵是由鐵礦石經高溫冶煉而得，它是煉鋼和鑄造的原材料。2．非鐵金屬除黑色金屬以外的其它金屬，都稱為非鐵金屬，如銅、鋁、鎂、鋅等。第一節(jié)金屬材料的分類與組織第一節(jié)金屬材料的分類與組織二、鋼鐵基本組織1．鐵素體2．奧氏體3．滲碳體4．珠光體5．萊氏體第一節(jié)金屬材料的分類與組織1．鐵素體鐵素體是指α-Fe或其內固溶有一種或數(shù)種其它元素所形成的晶體點陣為體心立方的固溶體，常用符號F(或α)表示。α-Fe碳的質量分數(shù)很小，在727?C時碳的質量分數(shù)(WC=0.0218%)最大，隨著溫度的下降，其碳的質量分數(shù)逐漸減少，所以，在室溫狀態(tài)下鐵素體的性能幾乎和純鐵相同，即強度和硬度（50～80HBW）都較低，而塑性和韌性都高。第一節(jié)金屬材料的分類與組織2．奧氏體奧氏體是指γ-Fe內固溶有碳和其它元素所形成的晶體點陣為面心立方的固溶體，常用符號A表示。奧氏體仍保持γ-Fe的面心立方晶格。奧氏體溶碳能力較大，在1148℃時碳的質量分數(shù)（WC=2.11％)最大，隨著溫度下降，碳的質量分數(shù)逐漸減少，在727℃時的碳的質量分數(shù)為WC=0.77％。奧氏體具有一定的強度和硬度，塑性好，在機械制造中，鋼材大多數(shù)要加熱至高溫奧氏體狀態(tài)進行壓力加工，因塑性好而便于成形。第一節(jié)金屬材料的分類與組織3．滲碳體滲碳體的晶格形式與碳和鐵都不一樣，滲碳體是復雜的晶格類型。滲碳體碳的質量分數(shù)是6.69％，熔點為1227℃,常用符號Fe3C表示。滲碳體的結構較復雜，硬度高，脆性大，塑性與韌性極低。滲碳體是碳在鐵碳合金中的主要存在形式，是亞穩(wěn)定的金屬化合物，在一定條件下，滲碳體可分解成鐵和石墨，這一過程對于鑄鐵的生產具有重要意義。第一節(jié)金屬材料的分類與組織4．珠光體珠光體是奧氏體從高溫緩慢冷卻時發(fā)生共析轉變所形成的，珠光體是鐵素體(軟)和滲碳體(硬)組成的機械混合物，常用符號P表示。在珠光體中，鐵素體和滲碳體仍保持各自原有晶格類型。珠光體碳的質量分數(shù)為0.77％。珠光體的性能介于鐵素體和滲碳體之間，有一定的強度和塑性，硬度適中，是一種綜合力學性能較好的組織。第一節(jié)金屬材料的分類與組織5．萊氏體萊氏體是指高碳的鐵基合金在凝固過程中發(fā)生共晶轉變所形成的奧氏體和碳化物滲碳體所組成的共晶體。萊氏體碳的質量分數(shù)為4.3％，當碳的質量分數(shù)WC>2.11％的鐵碳合金從液態(tài)緩冷至1148℃時，將同時從液體中結晶出奧氏體和滲碳體的機械混合物，即萊氏體，常用符號Ld表示。由于奧氏體在727℃時轉變?yōu)橹楣怏w，所以在室溫時萊氏體由珠光體和滲碳體所組成。為了區(qū)別起見，將727℃以上的萊氏體稱為高溫萊氏體Ld，在727℃以下的萊氏體稱為低溫萊氏體Ld′，或稱變態(tài)萊氏體。萊氏體的性能和滲碳體相似，硬度很高，塑性很差。第一節(jié)金屬材料的分類與組織三、鋼中常存雜質元素的影響１．硫２．磷第一節(jié)金屬材料的分類與組織１．硫硫（S）是由生鐵和燃料帶入的雜質，煉鋼時難以除盡。在固態(tài)下硫不溶于鐵，在鋼中是有害元素。當鋼在1000~1200℃壓力加工時，由于低熔點共晶體熔化，顯著減弱晶粒之間的聯(lián)系，使鋼材在壓力加工時沿晶界開裂，這種現(xiàn)象為熱脆。因此，鋼中硫的質量分數(shù)必須嚴格控制。

第一節(jié)金屬材料的分類與組織２．磷磷（P）是由生鐵和燃料帶入的雜質，煉鋼時難以除盡。磷能全部熔于鐵素體，提高了鐵素體的強度、硬度；但在室溫下鋼的塑性、韌性急劇下降，變脆，這種現(xiàn)象稱為冷脆。所以，磷是一種有害雜質元素，因此要嚴格控制磷在鋼中的含量。第一節(jié)金屬材料的分類與組織小結1金屬材料分類2鋼鐵基本組織3鋼中常存雜質元素的影響第二節(jié)汽車機械零件材料一、非合金鋼二、合金鋼三、鑄鋼四、鑄鐵五、有色金屬及其合金一、非合金鋼1．按質量分類1．按質量分類1）普通鋼普通鋼是指對生產過程中控制質量無特殊規(guī)定的一般用途的非合金鋼，應用時不規(guī)定熱處理。質量等級分A級鋼和B級鋼兩種。硫、磷含量均≤0.050%。牌號用Q字打頭，Q表示屈服極限，如Q235表示σs=235MPaGB\T700-2006

。第二節(jié)汽車機械零件材料2）優(yōu)質鋼優(yōu)質鋼是指在生產過程中需要特別控制硫、磷的含量。硫、磷含量均應≤0.040%。牌號用碳的質量分數(shù)的萬分數(shù)表示如10號鋼、20號鋼、35號鋼、45號鋼等。如20表示碳的質量分數(shù)0.2%。常用牌號如表1-2或GB/T699-1999。2．按含碳量分類1）低碳鋼低碳鋼是指碳的質量分數(shù)Wc<0.25%的鐵碳合金。2）中碳鋼中碳鋼是指碳的質量分數(shù)0.25%≤Wc≤0.6%的鐵碳合金。3）高碳鋼高碳鋼是指碳的質量分數(shù)Wc>0.6%的鐵碳合金。3．按用途分類1）結構鋼碳的質量分數(shù)Wc<0.7%。主要用作制造不太重要的齒輪、軸、螺栓、螺母、彈簧等機械零件。2）工具鋼含碳量分數(shù)Wc>0.7%，這類鋼熱處理后具有高的硬度和耐磨性，主要用于制造工具，如制作刃具、模具、量具等，用含碳量的千分數(shù)表示，如T7表示含碳量為千分之七。若為高級優(yōu)質鋼則在排號后附以“A”字，如T12A等。牌號參見表1-3或合金工具鋼GB/T1299-2000，高速工具鋼GB/T9943-2008

。二、合金鋼常加的合金元素有：Mn（錳）、Si（硅）、Cr（鉻）、Ni（鎳）、Mo（鉬）、V（釩）、Ti（鈦）、Nb（鈮）、Co（鈷）、Al（鋁）、B（硼）、Re（錸）等。合金鋼的表示方法如40Cr、20CrMnTi、35SiMn、60Si2Mn、GCr15等。牌號GB3531-2008，GB/T8162-2008選用第二節(jié)汽車機械零件材料六、新型材料１.納米材料2.智能材料3.超導材料4.非晶態(tài)金屬5.光導纖維第二節(jié)汽車機械零件材料三、鑄鋼鑄鋼牌號是“ZG+數(shù)字+數(shù)字”。第一組數(shù)字代表屈服極限，第二組數(shù)字代表強度極限。合金鑄鋼是在的牌號前加“ZG”后面的第一組數(shù)字表示鑄鋼的名義萬分碳含量的質量分數(shù)，其后排列的是各主要合金元素符號及其名義質量分數(shù)。牌號參見GBT5613-1995

。第二節(jié)汽車機械零件材料四、鑄鐵1．普通灰鑄鐵斷口呈灰色。牌號用：HT+數(shù)字

如：HT200、HT250等。數(shù)字表示最低抗拉強度200表示最低抗拉強度為200MPa。鑄鐵是含碳量2.11%＜Wc≤6.69%或者組織中具有共晶組織的鐵碳合金?；诣T鐵在機械中的應用第二節(jié)汽車機械零件材料四、鑄鐵2．球墨鑄鐵牌號QT+數(shù)字+數(shù)字第一組數(shù)字代表最低抗拉強度第二組數(shù)字代表斷后延伸率如QT500-7、QT900-2等。第二節(jié)汽車機械零件材料3．可鍛鑄鐵分類：黑心可鍛鑄鐵、珠光體可鍛鑄鐵與白心可鍛鑄鐵等。性能：黑心可鍛鑄鐵具有一定的強度和較高的韌性；珠光體可鍛鑄鐵強度高、硬度高、耐磨性好。牌號：黑心可鍛鑄鐵是“KTH+數(shù)字+數(shù)字”。例：KTH300-6，強度-延伸率。珠光體與白口可鍛鑄鐵：只是將KTH中的H改成Z與B，其它不變。用途：黑心可鍛鑄鐵用于制造承受沖擊和振動的零件。例如彈簧鋼板支座、機床上用的把手等。珠光體與白口可鍛鑄鐵用于制造鑄造曲軸、凸輪軸、連桿及齒輪等重要零件。第二節(jié)汽車機械零件材料五、有色金屬及其合金1．鋁及鋁合金1)工業(yè)純鋁2)鋁合金通過加入硅、銅、鎂、鋅、錳等合金元素主要用于需要減輕質量的零件和結構。第二節(jié)汽車機械零件材料五、有色金屬及其合金2．銅及銅合金（1）純銅（2）銅合金1）錫青銅2）鋁青銅3）鈹青銅第二節(jié)汽車機械零件材料小結一、非合金鋼二、合金鋼三、鑄鋼四、鑄鐵五、有色金屬及其合金第三節(jié)金屬材料的力學性能和工藝性能金屬材料的力學性能是指金屬在力的作用下所顯示的如彈性、塑性、強度、硬度、韌性和疲勞強度等。彈性是指物體在外力作用下改變其形狀和尺寸，當外力卸除后物體又回復到其原始形狀和尺寸的特性。1.3金屬的力學性能和工藝性能1強度與塑性2硬度3韌性4疲勞5工藝性能一、強度與塑性強度是指金屬在外力作用下抵抗破壞的能力。塑性是指金屬在外力作用下抵抗永久變形的能力。1．拉伸試驗1）拉伸試樣各種各樣試驗機觀看試驗過程鑄鐵拉伸試驗塑材壓縮試驗2．強度指標金屬材料抵抗拉伸力的強度指標有屈服極限、抗拉強度1）屈服點和屈服應力2）抗拉強度3．塑性指標金屬材料的塑性，可以用拉伸試樣斷裂時的最大相對變形量來表示。1）斷后伸長率2）斷面收縮率

二、硬度硬度是衡量金屬材料軟硬程度的一種性能指標，也是指金屬材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力。硬度測定指標分類1、布氏硬度（HBS）2、洛氏硬度（HRC）3、維氏硬度（HV）硬度試驗機三、韌性1．試驗原理擺錘具有勢能AKl。擺錘的剩余勢能為AK2擺錘沖斷試樣的沖擊功為：AK=AKl－AK22．沖擊韌度沖擊韌度用表示，單位是J/cm2。

四、疲勞1．疲勞破壞現(xiàn)象機械零件中90％以上是因疲勞造成的。2．疲勞強度金屬在循環(huán)應力作用下能經受無限多次循環(huán)而不斷裂的最大應力值，稱為金屬的疲勞強度。對于對稱循環(huán)應力，其疲勞強度用σ－1表示。工程中規(guī)定，材料在循環(huán)應力作用下達到某一基數(shù)而不斷裂時，其最大應力就作為該材料的疲勞極限用σ-1。一般鋼鐵材料的循環(huán)基數(shù)取N=107。當金屬材料在無數(shù)次N=107重復或交變載荷作用下而不致引起斷裂的最大應力，叫做疲勞強度σ-1五、工藝性能工藝性能是指金屬材料在制造機械零件和工具的過程中，適應各種冷、熱加工的性能。1．鑄造性能2．鍛造性能3．焊接性能4．切削加工性能本章小結1.汽車機械常用材料分為塑性材料和脆性材料兩大類，塑性材料包括普通碳素鋼、優(yōu)質碳素鋼、合金鋼和有色金屬等，是汽車機械用的最多的材料。2.材料在外力作用下的性能指標主要有強度、塑性、硬度、沖擊韌性和疲勞強度等。屈服極限是工