第1章 汽車常用材料

汽車機械基礎(chǔ)第1章汽車常用材料金屬材料的性能

1.1常用工程材料

1.2鋼的常用熱處理

1.3【學習目標】1．了解工程材料的主要性能類型及應(yīng)用特點2．掌握金屬材料的力學性能特點，了解金屬材料的工藝性能3．掌握測定材料硬度的類型及方法4．了解常用金屬材料及非金屬材料的機械性能5．了解各種鋼熱處理方法的應(yīng)用特點1.1金屬材料的性能1.1.1金屬材料的力學性能力學性能的主要指標是強度、塑性、硬度、沖擊韌性和疲勞強度等。上述指標既是選材的重要依據(jù)，又是控制、檢驗材料質(zhì)量的重要參數(shù)。拉伸試驗是測定靜態(tài)力學性能指標的常用方法。圖1-1所示為低碳鋼的拉伸曲線，圖中的縱坐標表示載荷F，橫坐標表示變形量l。通過拉伸曲線可測定材料的強度與塑性。圖1-1低碳鋼拉伸曲線1．強度強度是材料在載荷（外力）作用下抵抗塑性變形和破壞的能力。抵抗外力的能力越大，則強度越高。（1）屈服極限由圖1-1可知，當載荷增加到Fs時，在不再繼續(xù)增加載荷的情況下，試樣仍能繼續(xù)伸長，這種現(xiàn)象稱為屈服。將開始發(fā)生屈服現(xiàn)象時的應(yīng)力，也即開始出現(xiàn)塑性變形時的應(yīng)力，叫做屈服極限（σs）。（1-1）（2）強度極限當載荷超過Fs以后，試樣將繼續(xù)變形。載荷達到最大值后，試樣產(chǎn)生縮頸，有效截面急劇減小，直至斷裂。強度極限是試樣在斷裂前所能承受的最大應(yīng)力，用σb表示。2．塑性塑性是材料斷裂前發(fā)生不可逆永久變形的能力。材料斷裂前的塑性變形愈大，表示它的塑性愈好，反之則表示其塑性差。常用的塑性指標是斷后伸長率和斷面收縮率。（1）斷后伸長率（2）斷面收縮率３．硬度硬度是指金屬材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃傷的能力。因此硬度也可以看作是材料對局部塑性變形的抗力。硬度是衡量材料性能的一個綜合的工程量或技術(shù)量。通常材料硬度越高，耐磨性越好，強度也越高。測定硬度的方法很多，常用的有布氏硬度測試法、洛氏硬度測試法和維氏硬度測試法。4．沖擊韌性沖擊韌性是指金屬材料在沖擊載荷的作用下折斷時吸收變形能量的能力，常用沖擊吸取功或沖擊韌度來表示。5．疲勞強度疲勞是指在循環(huán)應(yīng)力和應(yīng)變作用下，在一處或幾處產(chǎn)生局部永久性累積損傷，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后產(chǎn)生裂紋或突然產(chǎn)生斷裂的過程。這種破壞稱為疲勞破壞（或疲勞斷裂）。金屬的疲勞破壞與很多因素有關(guān)，人們可通過改善零件的結(jié)構(gòu)形狀避免應(yīng)力集中，以及改善表面粗糙度、進行表面熱處理和表面強化處理來提高金屬材料的疲勞強度。1.1.2金屬材料的物理性能金屬材料的物理性能指金屬材料的熔點、導熱性、導電性、熱膨脹性、磁性和耐磨性等。1．熔點2．導熱性3．導電性4．熱膨脹性5．磁性6．耐磨性1.1.3金屬材料的化學性能金屬材料在室溫或高溫下，抵抗介質(zhì)對它化學浸蝕的能力，稱為金屬材料的化學性能。金屬材料的化學性能一般包括抗氧化性和抗腐蝕性等。所謂抗氧化性，是指金屬材料在高溫時抵抗氧化性氣氛腐蝕作用的能力。金屬材料抵抗各種介質(zhì)（大氣、酸、堿、鹽）浸蝕的能力稱為抗腐蝕性。1.1.4金屬材料的工藝性能金屬材料的工藝性能是指金屬材料所具有的能夠適應(yīng)各種加工工藝要求的能力。它是力學、物理、化學性能的綜合表現(xiàn)，包括鑄造性、鍛造性、焊接性、切削加工性和熱處理性等。1．鑄造性2．鍛造性3．焊接性4．切削加工性1.2常用工程材料各類機電產(chǎn)品，大多是由種類繁多、性能各異的工程材料通過加工制成的零件構(gòu)成的。工程材料按照化學元素成分可分為金屬材料和非金屬材料兩種，其中金屬材料是工程中應(yīng)用最廣泛的。1.2.1黑色金屬材料通常，工業(yè)上對鐵、鉻和錳及這三種金屬的合金尤其是鐵碳合金稱為黑色金屬。除這三種金屬（合金）以外的金屬（合金）稱為有色金屬。1．鑄鐵鑄鐵是含碳質(zhì)量分數(shù)大于2.06%的鐵碳合金。根據(jù)碳在鑄鐵中存在形態(tài)的不同，鑄鐵可分為下列幾種。（1）白口鑄鐵（2）灰鑄鐵表1-1所示為常用灰鑄鐵的牌號、力學性能及應(yīng)用。類別牌號鑄鐵壁厚/mm抗拉強度（b）/MPa硬度/HBS用途舉例鐵素體灰鑄鐵HT1002.5～10≥130110～166低載荷和不重要的零件，如蓋、外罩、手輪、支架、底板、手柄等10～20≥10093～14020～30≥9087～13130～50≥8082～122鐵素體珠光體灰鑄鐵HT1502.5～10≥175137～205承受中等應(yīng)力的鑄件，如普通機床的支柱、底座、齒輪箱、刀架、床身、軸承座、工作臺、帶輪、泵殼、閥體、法蘭、管路及一般工作條件的零件10～20≥145119～17920～30≥130110～16630～50≥120105～157珠光體灰鑄鐵HT2002.5～10≥220157～236承受較大應(yīng)力和要求一定氣密性或耐蝕性的較重要鑄件，如汽缸、齒輪、機座、機床床身、立柱、汽缸體、汽缸蓋、活塞、制動輪、泵體、閥體、化工容器等10～20≥195148～22220～30≥170134～20030～50≥160129～192HT2504.0～10≥270175～26210～20≥240164～24720～30≥220157～23630～50≥200150～225孕育鑄鐵HT30010～20≥209182～272承受高的應(yīng)力，要求耐磨、高氣密性的重要鑄件，如剪床、壓力機、自動機床和重型機床床身、機座、機架、齒輪、凸輪、襯套、大型發(fā)動機曲軸、汽缸體、缸套、高壓油缸、水缸、泵體、閥體等20～30≥250168～25130～50≥230161～241HT35010～20≥340199～29820～30≥290182～27230～50≥260171～257表1-1 常用灰鑄鐵的牌號、力學性能及應(yīng)用（部分摘自GB/T9439—1988）（3）球墨鑄鐵表1-2所示為常用球墨鑄鐵的牌號、力學性能及應(yīng)用。（4）可鍛鑄鐵基本類型牌號力學性能用途舉例b/MPa0.2/MPa/%HBS不小于鐵素體QT400—1840025018130～180農(nóng)機具犁鏵、犁柱；汽車拖拉機輪轂、離合器殼、差速器殼、撥叉；閥體、閥蓋、汽缸；鐵路墊板、電動機殼、飛輪殼等QT400—1540025015130～180QT450—1045031010160～210鐵素體+珠光體QT500—75003207170～230內(nèi)燃機油泵齒輪；鐵路機車軸瓦、機器座架；傳動軸、飛輪、電動機等珠光體

+

鐵素體QT600—36003703190～270柴油機/汽油機曲軸、凸輪軸、汽缸套、連桿；部分磨床、銑床、車床主軸；農(nóng)機具脫粒機齒條、負荷齒輪；起重機滾輪；小型水輪機主軸等珠光體QT700—27004202225～305珠光體或回火組織QT800—28004802245～335貝氏體

+

回火馬氏體QT900—29006002280～360內(nèi)燃機曲軸、凸輪軸；汽車螺旋齒輪、轉(zhuǎn)向軸；拖拉機減速齒輪；農(nóng)機犁鏵等表1-2 常用球墨鑄鐵的牌號、力學性能及應(yīng)用（部分摘自GB/T1348—1988）2．碳素鋼通常把含碳質(zhì)量分數(shù)在2.11%以下的鐵碳合金稱為鋼。碳素鋼一般可按含碳質(zhì)量分數(shù)、質(zhì)量和用途三種情況來分類。按含碳質(zhì)量分數(shù)，碳素鋼分為低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼。低碳鋼—含碳質(zhì)量分數(shù)≤0.25%。中碳鋼—0.25%＜含碳質(zhì)量分數(shù)≤0.6%。高碳鋼—含碳質(zhì)量分數(shù)＞0.6%。按鋼的質(zhì)量，即主要根據(jù)鋼中有害雜質(zhì)（硫、磷）的含量可分為普通碳素鋼、優(yōu)質(zhì)碳素鋼和高級優(yōu)質(zhì)碳素鋼。普通碳素鋼—含硫質(zhì)量分數(shù)≤0.055%，含磷質(zhì)量分數(shù)≤0.045%。優(yōu)質(zhì)碳素鋼—含硫質(zhì)量分數(shù)≤0.045%，含磷質(zhì)量分數(shù)≤0.040%。高級優(yōu)質(zhì)碳素鋼—含硫質(zhì)量分數(shù)≤0.03%，含磷質(zhì)量分數(shù)≤0.035%。按用途碳素鋼可分為碳素結(jié)構(gòu)鋼和碳素工具鋼。表1-3所示為普通碳素結(jié)構(gòu)鋼的力學性能和應(yīng)用舉例。鋼號質(zhì)量等級/MPab/MPas/%應(yīng)用舉例鋼材厚度（直徑）/mm鋼材厚度（直徑）/mm≤16＞16～40＞40～60＞60～100≤16＞16～40＞40～60＞60～100不小于不小于Q195—（195）（185）——315～3903332——塑性好，有一定的強度，用于制造受力不大的零件。如螺釘、螺母、墊圈等，以及焊接件、沖壓件及橋梁建筑等金屬結(jié)構(gòu)件Q215AB215205195185335～41031302928Q235ABCD235225215205375～46036252423

Q255AB255245235225410～51024232221強度較高，用于制造承受中等載荷的零件。如小軸、銷子、連桿、農(nóng)機零件等Q275—275265255245490～61020191817表1-3 普通碳素結(jié)構(gòu)鋼的力學性能和應(yīng)用舉例表1-4所示為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的化學成分、力學性能和用途。鋼號化學成分/%力學性能應(yīng)用舉例CSiMnPSb/MPas/MPas/%/%AK/J不小于08F0.05～0.11≤0.030.25～0.50≤0.035≤0.0352951753560—受力不大但要求高韌性的沖壓件、焊接件、緊固件，如螺栓、螺母、墊圈等滲碳淬火后可制造要求強度不高的受磨零件，如凸輪、滑塊、活塞銷等10F0.07～0.14≤0.070.25～0.50≤0.035≤0.0353151853355—15F0.12～0.19≤0.070.25～0.50≤0.035≤0.0353552052955—080.05～0.120.17～0.370.35～0.65≤0.035≤0.0353251953360—100.07～0.140.17～0.370.35～0.65≤0.035≤0.0353352053155—150.12～0.190.17～0.370.35～0.65≤0.035≤0.0353752252755—200.17～0.240.17～0.370.35～0.65≤0.035≤0.0354102452555—250.22～0.300.17～0.370.50～0.80≤0.035≤0.035450275235071表1-4 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的化學成分、力學性能和用途鋼號化學成分/%力學性能應(yīng)用舉例CSiMnPSb/MPas/MPas/%/%AK/J不小于300.27～0.350.17～0.370.50～0.80≤0.035≤0.035490295215063載荷較大的零件，如連桿、曲軸、主軸、活塞銷、表面淬火齒輪、凸輪等350.32～0.400.17～0.370.50～0.80≤0.035≤0.035530315204555400.37～0.450.17～0.370.50～0.80≤0.035≤0.035570335194547450.42～0.500.17～0.370.50～0.80≤0.035≤0.035600355164039500.47～0.550.17～0.370.50～0.80≤0.035≤0.035630375144031550.52～0.600.17～0.370.50～0.80≤0.035≤0.0356453851345—600.57～0.650.17～0.370.50～0.80≤0.035≤0.0356754001235—要求彈性極限或強度較高的零件，如軋輥、彈簧、鋼絲繩、偏心輪等650.62～0.700.17～0.370.50～0.80≤0.035≤0.0356954101030—700.67～0750.17～0.370.50～0.80≤0.035≤0.035715420930—750.72～0.800.17～0.370.50～0.80≤0.035≤0.0351

080880730—800.77～0.850.17～0.370.50～0.80≤0.035≤0.0351

080930630—續(xù)表鋼號化學成分/%力學性能應(yīng)用舉例CSiMnPSb/MPas/MPas/%/%AK/J不小于850.82～0.900.17～0.370.50～0.80≤0.035≤0.0351

130980630—15Mn0.12～0.190.17～0.370.70～1.00≤0.035≤0.0354102452655—應(yīng)用范圍和普通含錳量的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼相同20Mn0.17～0.240.17～0.370.70～1.00≤0.035≤0.0354502752450—25Mn0.22～0.300.17～0.370.70～1.00≤0.035≤0.03549029522507130Mn0.27～0.350.17～0.370.70～1.00≤0.035≤0.03554031520456335Mn0.32～0.400.17～0.370.70～1.00≤0.035≤0.03556033519455540Mn0.37～0.450.17～0.370.70～1.00≤0.035≤0.03559035517454745Mn0.42～0.500.17～0.370.70～1.00≤0.035≤0.03562037515403950Mn0.48～0.560.17～0.370.70～1.00≤0.035≤0.03564539013403160Mn0.57～0.650.17～0.370.70～1.00≤0.035≤0.0356954101135—65Mn0.62～0.700.17～0.370.70～1.00≤0.035≤0.035735430930—70Mn0.67～0.750.17～0.370.70～1.00≤0.035≤0.035785450830—續(xù)表注：表中數(shù)據(jù)摘自國家標準GB/T699—1988。3．合金鋼為了提高鋼的性能，有意識地在碳素鋼中加入一定量的合金元素（如硅、錳、鉻、鎳、鉬、釩、鈦等），即可煉成合金鋼。由于合金元素的加入，細化了鋼的晶粒，提高了鋼的綜合力學性能和其熱硬性、淬透性。合金鋼按用途一般可分為合金結(jié)構(gòu)鋼、合金工具鋼和特殊性能鋼三類。1.2.2有色金屬材料工業(yè)生產(chǎn)中通常稱鋼鐵為黑色金屬，而稱銅、鋁、鎂、鉛、軸承合金等及其合金為有色金屬。由于有色金屬具有某些特殊的性能，如良好的導熱性、導電性及耐腐蝕性，已成為現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)中不可缺少的重要材料。1．銅與銅合金（1）純銅（2）黃銅（3）青銅2．鋁及鋁合金3．軸承合金軸承合金是用來制造滑動軸承的特定材料。對軸承合金的要求是摩擦系數(shù)小、耐磨性好、抗壓強度高、導熱性好等。1.2.3非金屬材料非金屬材料通常指以無機物為主體的玻璃、陶瓷、石墨、巖石和以有機物為主體的木材、塑料、橡膠等一類材料。1．塑料按受熱后所表現(xiàn)性能的不同，塑料可分為熱塑性塑料和熱固性塑料兩大類。常用的工程塑料有以下幾種。（1）ABS塑料（2）聚酰胺（3）酚醛塑料（4）氨基塑料（5）環(huán)氧樹脂（6）有機玻璃2．橡膠橡膠是一種天然的或人工合成的高聚物的彈性體。3．陶瓷陶瓷硬度高、抗壓強度大、耐高溫、抗氧化、耐磨損和耐腐蝕，但質(zhì)脆、韌性差，不能承受沖擊，抗急冷、急熱性能差，易碎裂。4．復合材料復合材料是由兩種或兩種以上不同化學性質(zhì)或不同組織結(jié)構(gòu)的材料，復合材料按增強材料的類型可分為以下四大類。①纖維增強復合材料，如玻璃纖維、碳纖維、硼纖維和碳化硅纖維等。②顆粒增強復合材料，如陶瓷粒與金屬復合、金屬粒與塑料復合等。③疊層復合材料，如雙金屬復合、多層板復合等。④夾層結(jié)構(gòu)復合材料，如夾層內(nèi)填充蜂窩結(jié)構(gòu)或填充泡沫塑料，具有質(zhì)