《汽車車身制造技術》課件-02汽車車身材料

車身材料的分類2.1車身材料的分類車身材料既要滿足車身的設計、生產(chǎn)、制造、裝配等方面的要求，同時還要滿足使用、維護等方面的要求。車身材料金屬材料非金屬材料復合材料1．金屬材料汽車車身金屬材料示意圖車身使用的鋼板根據(jù)制造方法分為冷成型鋼和熱成型鋼兩類。冷成型鋼主用在車身、機械零件等，熱成型鋼主用于車身上的車架，骨架和梁等。汽車車身上使用鋁板、鋁合金等之類的輕金屬材料越來越多。2．非金屬材料隨著非金屬材料的迅猛發(fā)展和汽車輕量化的要求，非金屬材料已越來越多地應用在汽車上。車身用非金屬材料包括塑料、橡膠、玻璃、樹脂等。尼桑藍鳥塑料保險杠汽車玻璃3．復合材料復合材料在汽車上使用的越來越多，車身外板零件如擋泥板、發(fā)動機罩、車頂蓋、行李箱蓋等，車室內(nèi)零件如變速桿、發(fā)動機殼、側門框裝飾、風窗窗框等。復合材料在汽車中的應用2.2車身鋼板材料的分類按照品質(zhì)分類按照鋼的品質(zhì)來分類，常用的沖壓用鋼板有優(yōu)質(zhì)碳素鋼、具有較高沖壓性能，汽車專用的低合金剛強度鋼板以及普通的碳素鋼。表

優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼板的牌號類型牌號沸騰鋼05F、08F、10F、15F、20F鎮(zhèn)靜鋼08、10、15、20、30半鎮(zhèn)靜鋼08b按照表面質(zhì)量分類按照鋼板的表面質(zhì)量分類代號，如表所示。表

鋼板的表面質(zhì)量分類代號表面質(zhì)量I高級精整表面II較高級精整表面III普通級精整表面按照拉深級別分類按照冷軋鋼板的拉深級別分類代號，見表所示。表

冷軋鋼板的拉深級別代號厚度/mm＜2普通拉深級P深拉深級S最深拉深級Z按尺寸精度分類鋼板的尺寸精度或厚度工程公差為：A高度精度B較高度精度C一般精度深沖壓用冷軋鋼板分A、B兩級。優(yōu)質(zhì)鋼板分A、B、C三級。普通鋼板分B、C兩級。板料常見的規(guī)格有710mm×1420mm，1000mm×2000mm；另外還有專門定制規(guī)格的待料。鋼板標注示例如下：

金屬塑性變形的機理2.3金屬塑性變形的基本理論金屬材料的性能是由這些金屬的化學成分和內(nèi)部的結構所決定的，想要了解金屬的性能，就必須首先了解金屬內(nèi)部的組織結構。2.3.1金屬塑性變形的機理1．晶體結構的概念固態(tài)物質(zhì)內(nèi)部粒子有規(guī)則的排列聚合被稱為晶體，用于描述原子在晶體中排列方式的空間格架稱為晶格，晶體中原子排列的規(guī)律性可以從晶體中提取能夠完全代表晶格結構特征的最基本的幾何單元，稱為晶胞。晶體結構（a）晶體（b）晶格（c）晶胞2．單晶體的塑性變形單晶體塑性變形的主要方式為滑移，單晶體受到切向力時，從未變形狀態(tài)（a）開始傾斜變形（b），消除切向力可恢復原狀；如果繼續(xù)增大切向力，就會發(fā)生滑移，即彈塑性變形（c）；消除切向力，彈性變形可恢復，但晶胞之間發(fā)生滑移是不能恢復到初始位置，發(fā)生了塑性變形（d）。

單晶體滑移變形示意圖（a）未變形（b）彈性變形（c）彈塑性變形（d）塑性變形3．多晶體的塑性變形多晶體的塑性變形的基本方式也是滑移和孿生。多晶體在變形的過程中增加了若干復雜的因素，具有區(qū)別于單晶體變形的一些特點：（1）多晶體的塑性變形受到晶界的阻礙和位向不同的晶粒的影響；（2）任何一個晶體的塑性變形都不是出于獨立的自由變形狀態(tài)，需要周圍的晶粒同時發(fā)生相適應的變形來配合，以保持晶粒之間的結合與整個物體的連續(xù)性。隨著晶內(nèi)滑移，滑移的阻力增大。晶體排列位向不適于產(chǎn)生滑移的晶粒將發(fā)生滑動和轉(zhuǎn)動，使自己的排列位向適用于產(chǎn)生滑移，而逐漸開始滑移。逐批進行的晶內(nèi)滑移與晶粒的轉(zhuǎn)動構成了多晶體的塑性變形。多晶體的塑性變形4．塑性變形后金屬的組織與性能纖維組織隨著金屬外形的壓扁或拉長，內(nèi)部的晶粒也會被壓扁或拉長，當變形量很大時，各晶粒將會被拉長成為細條狀或纖維狀，晶界也變得模糊不清；金屬的性能也將會具有明顯的方向性，縱向上的塑性、韌性提高，而橫向上的降低，出現(xiàn)各向異性。纖維組織的穩(wěn)定性非常高，不能用熱處理的方法加以消除，只有經(jīng)過塑性變形，才能改變其分布和方向金屬塑性變形后纖維組織（a）變形前；（b）變形后2.3.2金屬塑性變形的受力狀態(tài)1．點的應力狀態(tài)單元體上的應力狀態(tài)沿著六面體的三個空間坐標系可分解為九個應力分量，包括六個剪應力與三個正應力，如圖所示?；ハ啻怪逼矫嫔系募魬ο嗟?，τyz＝τzy，τzx＝τxz，τxy＝τyx。2．點的主應力由于坐標系所取的方位不一樣，這六個應力與分量的大小也不相同。對任何一種應力狀態(tài)，總存在某一方位的坐標系，使得單元體各表面上只有正應力，沒有無剪應力。一般按照代數(shù)值的大小依次為σ1、σ2、σ3，σ1≥σ2≥σ3。σ1≥σ2≥σ3時，最大的剪應力為τmax＝︱（σ1－σ3）/2︱，最大剪應力和材料塑性變形關系很大。一般情況下單元體的三個主方向都有主應力存在，稱為三向應力狀態(tài)。若三個主應力中有一個為零，只在一個平面內(nèi)有應力，稱為平面應力狀態(tài)。若三個主應力中有兩個為零，只在一個方向有應力，稱為單向應力狀態(tài)。3．點的主應變點的主應變狀態(tài)應力產(chǎn)生應變，存在應變主軸使單元體各表面上剪應變?yōu)榱悖刂鴳冎鬏S方向上的正應變稱之為主應變。主應變有三個，分別為ε1、ε2和ε3，按照代數(shù)值排列ε1≥ε2≥ε3。2.3.3塑性變形時應力和應變的關系1．應力與應變金屬材料在變形的作用力下，可以產(chǎn)生彈性的變形，又可以從彈性變形發(fā)展到塑性變形。靜載拉伸實驗是最基本的金屬力學性能試驗方法，圖（a）（b）分別為應力-應變曲線圖和退火低碳鋼的載荷-伸長曲線圖。

退火低碳鋼拉伸曲線示意圖（a）應力-應變曲線；（b）載荷-伸長曲線在上圖中，在e點一下，卸載后試樣立即完全恢復原形狀。特別是在p點以下，應力與應變之間和載荷與伸長量之間都是成正比，為線彈性變形，表現(xiàn)為主應力σ和正應變ε成正比：

這個公式就是胡克定律，公式中比例系數(shù)E為正彈性模量。從e點到K點在任意一點卸載，試樣都會保留一部分的殘余變形，為塑性變形階段。2．真實應力和真實應變概念真實應力應力指的是單位面積上的內(nèi)力，單向拉伸試驗過程中，試件橫截面上的拉應力有兩種計算方法。第一種就是不考慮橫截面積的變化，公式如下：

第二種就是考慮橫截面積的變化，在拉伸的過程中，試件的橫截面會明顯的縮小，如果仍然按照F0計算的話就會出現(xiàn)明顯誤差，就必須要按照每瞬間的實際橫截面積F來計算應力，公式如下：通過這個公式計算得到的結果σ就叫做真實應力。習慣上常常將用真實應力表示的每一瞬間的實際屈服應力直接成為該瞬間的真實應力，它反映了材料的塑性變形抗力。

真實應變塑性變形的拉深過程那個，某個瞬間的真實應變?yōu)椋?/p>

式中：dl——瞬時長度改變量；

l——試樣的瞬時長度2.3.4塑性變形的基本定律1．塑性變形體積不變定律金屬塑性變形后的體積與塑性變形前的體積相同，這就是塑性變形體積不變定律。2．最小阻力定律塑性變形時，變形體內(nèi)任一質(zhì)點或微小區(qū)域的流動總是沿著阻力最小的方向進行。這規(guī)律稱之為最小阻力定律。3．塑性和變形抗力塑性指固體材料在外力作用下，產(chǎn)生永久變形而不被破壞的能力。塑性變形時，抵抗塑性變形的力稱為變形抗力。車身材料的選擇與發(fā)展趨勢2.5車身材料的選擇與發(fā)展趨勢人們對汽車車身要求開始提高，車身的輕量化、車主需求的多樣化、材料工藝的復雜化、配件性能的高標準化、低碳減排節(jié)能化以及材料的供求問題，都致使汽車車身材料發(fā)展的形勢變得越來越復雜。2.5.1車身材料選擇的原則和步驟車身材料的選擇一般要考慮：材料成本成形難易制造成本生產(chǎn)效率焊裝難易回收環(huán)保1．車身材料選擇的原則承載件要滿足強度、剛度、韌性的要求；外覆蓋件要滿足美觀、耐腐蝕、抗沖擊、隔聲、隔熱、密封性好的要求；寒冷或高熱地區(qū)使用的車輛，具備低導熱性、低熱膨脹系數(shù)、抗高溫老化和低溫脆斷等；非承載、形狀復雜的零件要滿足成形性要求；沖擊吸能區(qū)零件，則要有很好的吸能特性。從節(jié)能與環(huán)保角度，所有材料最好都其有較低的密度，以減輕車身質(zhì)量。2．車身材料選擇的步驟車身材料原則的步驟如下所示：（1）根據(jù)設計要求建立材料優(yōu)化模型。描述“功能”、“約束”、“目標”和“自由變量”。（2）用“約束”條件進行篩查，去掉不合適的材料。（3）用“目標”對經(jīng)過篩查的材料進行排序，找到最優(yōu)。（4）尋求支撐信息，對排序在前的候選材料的詳細牌號進行研究。（5）選出最終材料。2.5.2汽車材料的發(fā)展趨勢近年來，汽車輕量化是汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向之一，有效的減輕汽車自身的重量是實現(xiàn)汽車節(jié)能減排最直接有效的辦法?？晒?jié)省6%～8%的汽油尾氣排放量減少4%～10%，減重10%可使電池充電續(xù)航里程增加5.5%如汽車自身減重10%：輕量化新材料的減重作用如表所示。表

輕量化新材料的減重作用1．鋁合金鋁合金替換傳統(tǒng)鋼板，可實現(xiàn)自身減重40%～50%，鋁合金比鋼具有更大的應變，在相同的碰撞過程中，可以吸收更大的能量。同時近90%的汽車用鋁可循環(huán)利用，鋁合金優(yōu)異的成形性、防腐性能、高導熱和高導電性使其成為汽車輕量化中最具使用前景的金屬。奧迪A8全鋁車身2．鎂合金鎂是比鋁更輕的金屬材料，密封只有鋁的2/3，鐵的2/9，鋼的1/4。美國的一些車型，鎂合金的用量為5.8kg～26.3kg每輛，歐洲僅次于北美，鎂合金的用量可達9.3kg～20.3kg每輛。

鎂合金方向盤骨架鎂合金的特點密度較小，較高的比強度、比彈性模量和剛性；有較高的穩(wěn)定性，鑄件和加工件尺寸精度高；具有良好的阻尼系數(shù)，良好的減振降噪性能；電磁屏蔽性好，與塑料相比，可回收性能好；切削加工性能好；鑄造成型性能好。鎂合金鑄件最小壁厚0.6mm，鋁合金為1.2mm～1.5mm。3．塑料塑料質(zhì)最輕，耐腐蝕，成型工藝簡單，低廉的價格更具有顯著的優(yōu)勢，當前在汽車工業(yè)大量使用塑料以代替各種昂貴的有色金屬和合金鋼材料，提高了汽車造型的美觀與設計的靈活性，降低了零部件加工、裝配與維修的費用，降低汽車質(zhì)量，減少汽車消耗。汽車塑料車燈燈罩塑料的發(fā)展80年代，每輛轎車用的塑料為