新能源汽車輕量化技術 課件全套 項目1-6 工程材料基本特性認識-結構性能仿真優(yōu)化案例介紹

新能源汽車輕量化技術項目1工程材料基本特性認識任務一材料基本物理特性認識1、密度的認識2、材料熱力學特性認識任務1材料基本物理特性認識1.密度的認識案例分析：生活中不難發(fā)現，不同物質組成同樣大小的物體，其質量并不相同。例如1立方米的鐵塊和1立方米的木塊質量差異明顯。你知道這是為什么嗎？這一現象蘊含什么物理特性呢？人們?yōu)榱烁陀^的認識這種差異，就引入密度的概念。材料的密度是指單位體積內材料的質量，這也通常用來描述物質的緊密程度或者集中度。密度的定義是一個物體的質量除以其體積。在國際制度中，密度的單位是千克每立方米（kg/m3）。（1）

密度的認識任務1材料基本物理特性認識

（1）密度的認識ρ表示材料密度，

m

表示物體的質量，單位通常為kg；V

表示物體的體積，單位通常為立方米。任務1材料基本物理特性認識（1）

密度的認識材料名稱密度(kg/m3)材料名稱密度(kg/m3)水1000玻璃2600冰920鉛11400銀10500酒精790水銀(汞)13600汽油750灰口鑄鐵6600~7400軟木250白口鑄鐵7400~7700鋅7100可鍛鑄鐵7200~7400純銅材8900工業(yè)純鐵7870鉛黃銅8500純鋁2700高強度合金鋼7820常見材料的密度任務1材料基本物理特性認識（2）

密度的特性密度是材料在一定條件下反映出來的基本物理性能，然而密度并不是一個固定不變的物理量。當外界條件發(fā)生變化時，材料的密度也會相應地發(fā)生變化，例如溫度變化、壓力變化等環(huán)境條件改變都會不同程度地影響材料的密度。任務1材料基本物理特性認識通常來說，多數氣體、液體和固體在溫度升高時都會引起密度減小，但有例外。例如，水在4°C以下時，其密度隨溫度降低而增大；4°C以上時，其密度隨溫度增加而減小。（3）

密度的測量及應用密度的測量方法通常有稱量法和比重杯法兩種。稱量法就是根據材料密度的意義，分別測量物體體積和質量，并應用公式計算質量與體積的比值而獲得材料的密度。任務1材料基本物理特性認識（3）

密度的測量及應用任務1材料基本物理特性認識比重杯法是以常溫下水的密度和相對密度為基礎，通過將物體浸入裝滿水的量杯中，分別記錄裝滿水的量杯質量m1，置入物體溢出水后的質量m2和取出物體后量杯質量m3三個狀態(tài)的質量數，根據下列公式計算。2.材料熱學基礎知識任務1材料基本物理特性認識材料的基本熱學性能主要包括熱容、熱膨脹、熱傳導、熱穩(wěn)定性等內容。從微觀結構角度理解，材料的這些熱學特性都直接與晶格振動有關。晶格是構成材料晶體的質點陣，這些質點總是在各自平衡位置附近作微小的振動，這被稱為晶體的晶格振動或點陣振動。溫度高低反應了晶格振動的強弱程度，因此晶格振動也常常被稱為熱振動。（1）熱容的認識任務1材料基本物理特性認識熱容是一個物理學概念，它描述了一定條件下的物質系統與環(huán)境之間進行熱量交換的能力。具體來說，熱容是指當系統因受到微小的熱量增量dQ而導致溫度增量dT時，這個增量的比值dQ/dT。熱容通常用符號C表示，其單位是焦耳每開爾文（J/K）。從物質的微觀角度講，熱容也是晶格振動在宏觀性質上的表現之一。熱容也是指當物質吸收熱量溫度升高時，溫度每升高1K所吸收的熱量。單位質量材料的熱容稱為比熱容或質量熱容，單位為J/（kg·K）。任務1材料基本物理特性認識材料名稱比熱容(J/kg?K)材料名稱比熱容(J/kg?K)水4200鋰3580導熱油2000~3000乙醇2460木材（松）2400石蠟2200空氣（室溫）1030軟木塞2000鋼450尼龍1700鐵450鋁900氫14000陶瓷840氨2050玻璃600汽油2200銅380（1）熱容的認識常見材料比熱容（2）熱膨脹系數任務1材料基本物理特性認識物體由于溫度變化通常會表現出體積膨脹或者收縮現象。物理學中采用熱膨脹系數表示物體的體積脹縮變化能力。即壓力一定的條件下，單位溫度變化所引起的物體的尺寸變化。不同物體的熱膨脹系數不盡相同。線脹系數是指固態(tài)物質當溫度改變1℃時，其某一方向上的長度的變化和它在20℃（即標準實驗室環(huán)境）時的長度的比值。任務1材料基本物理特性認識（2）熱膨脹系數材料的熱膨脹系數大多數情況之下為正值。也就是說溫度變化與長度變化成正比，溫度升高體積增大，溫度降低體積減少，這也就是常說的“熱脹冷縮”現象。但是也有例外，如水在0到4攝氏度之間，水的體積隨溫度增加而減??；而一些陶瓷材料在溫度變化情況下，幾乎不會發(fā)生幾何尺寸變化，也就說它的熱膨脹系數接近0。任務1材料基本物理特性認識（2）熱膨脹系數材料的熱膨脹系數在工程中具有廣泛的應用，了解材料的熱膨脹性能有助于產品設計時正確選用材料。零件尺寸是影響零件質量和安裝配合的重要因素，然而材料的熱膨脹性能決定了溫度變化會引起零件尺寸變化，這將進一步影響零件質量和裝配配合。因此，正確理解材料的熱膨脹性能和熱膨脹系數是研究不同工作溫度條件下零件正常服役的重要基礎。尤其是涉及多種不同熱膨脹性能差異明顯的材料存相互配合的工作場景。例如，汽車發(fā)動機的活塞缸和活塞機構。任務1材料基本物理特性認識材料名稱熱膨脹系數材料名稱熱膨脹系數銻10.5E-6/℃水銀180E-6/℃銅17.5E-6/℃水208E-6/℃鉻6.2E-6/℃汽油950E-6/℃鎳13.0E-6/℃聚乙烯200E-6/℃銀19.5E-6/℃聚丙烯70~150E-6/℃鋁23.3E-6/℃玻璃10E-6/℃鉛29.3E-6/℃石英1E-6/℃鐵12.2E-6/℃玻璃180E-6/℃鎂26.0E-6/℃ABS+PC70~75E-6/℃（2）熱膨脹系數常見材料熱膨脹系數任務1材料基本物理特性認識（3）熔點材料在緩慢加熱時由固態(tài)轉變?yōu)橐簯B(tài)并有一定潛熱吸收或放出時的轉變溫度，稱為熔點。工程應用中，常常關注不同材料的熔點特性并根據熔點差異加以利用。而塑料和一般玻璃等非晶態(tài)材料則沒有熔點，只有軟化點或稱玻璃化溫度。任務1材料基本物理特性認識材料名稱熔點/軟化點材料名稱熔點/軟化點冰0℃青銅900℃銀962℃黃銅1000℃金1064℃銅1084℃鋼1300~1400℃鋁660℃鉛327℃硅1420℃碳3500℃鎢3387℃ABS150~180℃PET245~260℃（3）熔點常見材料熔點或軟化點任務1材料基本物理特性認識（4）熱傳導熱量從物體溫度較高的一部分沿著物體傳到溫度較低的部分的傳遞方式稱為熱傳導。每種物質都能夠傳熱，但不同的物質其傳熱的能力卻各有差異。傳熱系數是一個描述熱量傳遞能力的物理參數，它反映了在穩(wěn)定傳熱條件下，單位時間內通過單位面積傳遞的熱量。傳熱系數有導熱系數和傳熱系數兩種常見的表示方法。導熱系數是指在穩(wěn)定傳熱條件下，截面積為1平方米的圓柱體沿軸向1米距離的溫差為1開爾文（K=℃+273.15）時的熱傳導功率。導熱系數的單位是瓦特每米·開爾文（W/m·K）。任務1材料基本物理特性認識材料名稱導熱系數材料名稱導熱系數純銅400W/m?K水0.5~0.7W/m?K純鋁237W/m?KPC0.2W/m?K鎂150W/m?KPP0.21~0.26W/m?K黃銅70~180W/m?KPVC0.14~0.17W/m?K鐵50~80W/m?KPU0.25W/m?K鋼35~55W/m?K玻璃0.5~1.0W/m?K不銹鋼15~20W/m?K空氣0.01~0.04W/m?K純鉛35W/m?K瓷磚1.99W/m?K純鎳90W/m?K泡沫0.045W/m?K（4）熱傳導常見材料導熱系數任務二材料基本物理特性認識1、拉伸實驗的認識2、基本力學性能參數認識項目1工程材料基本特性認識任務2材料基本力學特性認識材料的力學性能是指材料在不同環(huán)境因素（溫度、介質）下，承受外加載荷作用時所表現的行為，這種行為通常表現為材料的變形和斷裂。任務2材料基本力學特性認識（1）拉伸實驗拉伸試驗是指在承受軸向拉伸載荷下測定材料特性的試驗方法。以金屬材料為例，應用拉伸試驗得到的數據可以確定材料的彈性極限、伸長率、彈性模量、比例極限、面積縮減量、拉伸強度、屈服點、屈服強度和其它拉伸性能指標。在高溫條件下進行的拉伸試驗還可以得到金屬材料的蠕變數據。金屬材料的力學性能拉伸試驗研究起步較早并已經形成一系列試驗規(guī)范，例如金屬常溫拉伸試驗方法和步驟可參見GB/T228.1-2021《金屬材料拉伸試驗第1部分:室溫試驗方法》。任務2材料基本力學特性認識（1）拉伸實驗拉伸試驗機（英文名CuppingMachine）也叫材料拉伸試驗機、萬能拉伸強度試驗機，是集電腦控制、自動測量、數據采集、屏幕顯示、試驗結果處理為一體的新一代力學檢測設備。具有自動計算應力、延伸率（需加配引伸計）、抗拉強度、彈性模量的功能，自動統計結果；自動記錄最大點、斷裂點、指定點的力值或伸長量；采用計算機進行試驗過程及試驗曲線的動態(tài)顯示，并進行數據處理，試驗結束后可通過圖形處理模塊對曲線放大進行數據再分析編輯，并可打印試驗報表。萬能拉伸試驗機任務2材料基本力學特性認識（2）拉伸實驗試樣拉伸試驗是測試金屬材料力學性能的重要方法之一，不同測試需要和測試規(guī)范對測試樣件都有相關的規(guī)定。常見的拉伸試驗標準試件有圓柱形試件、平板試件和棒狀試件等類型。拉伸試驗標準試件的尺寸和形狀必須符合相關國際標準或行業(yè)標準，以確保測試結果的準確性和可比性。尺寸包括試件長度、直徑或寬度、厚度等參數，應根據具體測試要求確定。試驗試樣參照GB/T228.1-2021《金屬材料拉伸試驗第1部分:室溫試驗方法》相關規(guī)定執(zhí)行。圓棒拉伸試驗試樣任務2材料基本力學特性認識（3）拉伸實驗曲線1.彈性階段op這一階段試樣的變形屬于線彈性變形，全部卸除荷載后，試樣將恢復其初始長度。通過此階段的載荷與變形特征可以測定材料的彈性模量E。任務2材料基本力學特性認識（3）拉伸實驗曲線2.屈服階段es拉伸曲線在這一階段表現出試樣的伸長量明顯增加，而萬能試驗機上的荷載讀數卻在較小范圍內呈鋸齒狀波動。任務2材料基本力學特性認識（3）拉伸實驗曲線3.強化階段sb多數金屬材料經歷屈服變形后將被進一步強化，對應的拉伸曲線反映出試樣經過屈服階段后進一步加載，拉伸曲線的載荷可以進一步增加。任務2材料基本力學特性認識（3）拉伸實驗曲線4.頸縮與斷裂階段bk當拉伸載荷達到曲線的最高點b時，試樣的截面開始快速收縮并最終在曲線k點位置被拉斷。拉伸曲線的bk階段，就是拉伸載荷達到峰值后，開始下降并且伴隨試樣截面頸縮并斷裂。任務2材料基本力學特性認識3.基本力學性能參數彈性模量又稱楊氏模量，彈性材料的一種最重要、最具特征的力學性質，是物體彈性變形難易程度的表征，用字母E表示。彈性模量定義為理想材料有小形變時應力與相應的應變之比。F為拉伸載荷，S為拉伸試樣測量段橫截面面積，L為拉伸試樣變形測量段的初始長度，dL為拉伸載荷F對應的測試變形測量段對應的變形量，彈性模量的單位為MPa。任務2材料基本力學特性認識通常鋼材的彈性模量為2.0~2.1×105MPa；灰鑄鐵的彈性模量約為0.8~1.0×105MPa；球墨鑄鐵的彈性模量約為1.5~1.7×105MPa；鋁合金的彈性模量為6.9~8.1×104MPa；玻璃的彈性模量約為7×104MPa。3.基本力學性能參數任務2材料基本力學特性認識3.基本力學性能參數

任務2材料基本力學特性認識

3.基本力學性能參數

任務2材料基本力學特性認識3.基本力學性能參數斷裂延申率是指拉伸試驗中的試樣標距長度的伸長量與原標距長度的百分比，其表示方法如式（1-6）所示。鈑金材料的斷裂延伸率是評價金屬材料塑性成形能力的重要參數，在沖壓成型工藝設計中應用非常廣泛。任務2材料基本力學特性認識3.基本力學性能參數斷面收縮率是一個描述材料在受拉伸載荷后，試樣斷面尺寸相對于原始尺寸變化的性能指標。具體來說，它是試樣拉斷后頸縮部位截面積與原始截面積之差的比值，這個比值除以原始截面積得到的百分數就是斷面收縮率。拉伸試驗中的試樣斷面收縮率可以用公式（1-7）表示，其中A0為試件原始截面積，A1試件拉伸斷裂時頸縮出的截面積。任務3材料其他力學特性認識1.硬度硬度是材料在物理學上的一個專業(yè)術語，指的是材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力，是比較各種材料軟硬的指標。硬度主要關注材料的表面耐磨性和刮擦性，金屬的晶粒尺寸和方向、合金元素的添加、熱處理等都可以對硬度產生影響。硬度分類：劃痕硬度、回跳硬度和壓入硬度。常用的壓入硬度有：布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度等幾種任務3材料其他力學特性認識1.硬度布氏硬度是表示材料硬度的一種標準，它是由瑞典人布瑞納（J.A.Brinell）首先提出，因此被稱布氏硬度。如圖1-7所示，鋼球直徑的Dmm，在被測材料表面形成的壓痕直徑為dmm，壓痕深度為hmm。被測材料的布什硬度計算如公式（1-16）所示。布氏硬度測試示意任務3材料其他力學特性認識1.硬度洛氏硬度是美國的S.P.洛克韋爾于1919年提出的測定方法，它基本上克服了布氏測定法的上述不足。測量時，總載荷分初載荷和主載荷（總載荷減去初載荷）兩次施加，初載荷一般選用10千克力（1千克力=9.8N），加至總載荷后卸去主載荷，并以這時的壓痕深度來衡量材料的硬度任務3材料其他力學特性認識1.硬度洛氏硬度記為HR，所測數值寫在HR后，洛氏硬度值計算方法如公式（1-17）所示。式中h表示塑性變形壓痕深度（毫米）；k是規(guī)定的常量；分母中的0.002（毫米）是每洛氏硬度單位對應的壓痕深度。對應于金剛石圓錐壓頭的k=0.20（毫米），對應于鋼球壓頭的k=0.26（毫米）。任務3材料其他力學特性認識1.硬度維氏硬度的測定原理基本上和布氏硬度相同，也是根據壓痕單位面積上的載荷來計算硬度值。所不同的是維氏硬度試驗的壓頭是金剛石的正四棱錐體。任務3材料其他力學特性認識1.硬度維氏硬度計算如公式（1-18）所示，其中F為測試加載載荷，S為壓頭在被測材料表面壓痕的對角線長度（mm），a為四棱錐壓頭相對面夾角，a=136°。任務3材料其他力學特性認識2.疲勞的認識疲勞失效是一種材料在遠低于正常強度情況下的往復交替和周期循環(huán)應力下，產生逐漸擴展的脆性裂紋，導致最終斷裂的傾向。疲勞失效是各類機械構件（尤其是金屬材料構件）最主要的失效方式，研究疲勞失效是各類機械結構設計的重要工作.任務3材料其他力學特性認識2.疲勞的認識疲勞失效的基本過程疲勞失效過程將經歷：裂紋萌生、裂紋擴展和斷裂三個階段。裂紋萌生階段：也是裂紋起始階段，在這個階段材料內部出現了微小裂痕或缺陷，在應力循環(huán)的作用下，這些微小裂痕逐漸擴展，最終形成一個細小的疲勞裂紋。穩(wěn)定擴展階段：是指裂紋隨著時間和循環(huán)應力的作用，疲勞裂紋逐漸加深和擴展，裂紋長度也不斷增加。斷裂階段：是指疲勞裂紋長度增大，應力集中程度提高到一定程度時，疲勞裂紋的擴展速度將急劇加快，這就進入了加速擴展階段，并發(fā)生斷裂失效。任務3材料其他力學特性認識2.疲勞的認識疲勞的類型構件的疲勞失效類型通常可以分為：沖擊疲勞、接觸疲勞、熱疲勞和腐蝕疲勞等基本類型。疲勞失效構件的斷口具有疲勞源區(qū)、疲勞裂紋擴展區(qū)和瞬斷區(qū)等典型特征。任務3材料其他力學特性認識2.疲勞的認識疲勞的類型接觸疲勞是指是構件（如齒輪、滾動軸承，鋼軌和輪箍等）表面在接觸壓應力的長期不斷反復作用而引起的一種表面疲勞破壞現象。齒輪、滾動軸承等典型構件通過周期性表面接觸傳遞載荷，表現為接觸表面反復受到接觸應力作用而在接觸表面逐漸出現針狀或痘狀的凹坑，稱點蝕或麻點磨損。任務3材料其他力學特性認識2.疲勞的認識疲勞的類型由于溫度循環(huán)產生循環(huán)熱應力所導致的材料或零件的疲勞稱為熱疲勞。溫度循環(huán)變化導致材料體積循環(huán)變化，當材料的自由膨脹或收縮受到約束時，產生循環(huán)熱應力或循環(huán)熱應變。任務3材料其他力學特性認識2.疲勞的認識疲勞的類型由腐蝕介質和循環(huán)應力（應變）的復合作用所導致的疲勞稱為腐蝕疲勞。腐蝕疲勞在任何腐蝕環(huán)境及循環(huán)應力復合作用下，都會發(fā)生腐蝕疲勞斷裂。應力腐蝕開裂，有一個臨界應力強度因子KISCC，當應力強度因子KI≤KISCC，就不會發(fā)生應力腐蝕開裂；而腐蝕疲勞不存在臨界應力強度因子，只要在腐蝕環(huán)境中有循環(huán)應力繼續(xù)作用，斷裂總是會發(fā)生的。任務3材料其他力學特性認識2.疲勞的認識疲勞的影響：導致構件材料產生疲勞失效的原因很多，總體上可以分為內部原因和外部原因。其中，內部原因主要是構件材料的化學成分、組織、內部缺陷、材料強韌化等；外部原因主要指構件幾何形狀及表面質量、裝配與連接、使用環(huán)境因素、結構設計、載荷特性等多種因素。任務4

構件負荷與材料工藝性認識1.構件負荷機械零件在工作條件下可能受到力學負荷、熱負荷或者環(huán)境介質的作用。有時只受到一種負荷作用，更多時候受到兩種或三種負荷的同時作用。機械零件受到力負荷主要表現為內部的變形方式、應力分布狀態(tài)以及缺口效應作用等。熱負荷主要表現為外界高溫在構件或零件內部產生的熱沖擊、熱應力以及隨溫度升高而引起的構件承載能力降低。任務4

構件負荷與材料工藝性認識2.力學負荷力學負荷可以根據載荷是否隨時間變化分為靜態(tài)載荷和動態(tài)載荷。靜態(tài)載荷：不隨時間變化而變化的載荷稱為靜態(tài)載荷；動態(tài)載荷：隨時間變化而變化的載荷稱為動態(tài)載荷。按載荷隨時間變化的方式，動態(tài)載荷又可以分為交變載荷和沖擊載荷。交變載荷是隨時間作用呈周期性變化的載荷，例如齒輪勻速轉動時作用于每一個齒上的力都是隨時間按周期性變化。沖擊載荷則是物體的運動在瞬間內發(fā)生突然性的變化，例如車輛碰撞、鍛造時的錘擊等。任務4

構件負荷與材料工藝性認識2.力學負荷拉壓載荷：桿件典型的拉伸載荷如圖1-14a所示，桿件兩端承受大小相等，方向相反的拉伸載荷作用。桿件在拉伸載荷作用下沿拉伸載荷方向變形，促使桿件變形得更細長。壓縮載荷如圖1-14b所示，表現為桿件兩端承載壓縮載荷，促使桿件呈現壓縮變形。常見的活塞連桿、轉向拉桿、吊機鋼索、桁架桿件等零件工作承受的載荷都是典型的拉壓載荷。任務4

構件負荷與材料工藝性認識2.力學負荷任務4

構件負荷與材料工藝性認識2.力學負荷剪切載荷如圖1-15所示，剪切載荷的作用方向于構件軸線垂直，且載荷作用距離很近。構件受剪切載荷作用其變形形式表現為沿垂直構件軸線的面錯動變形。例如鍵的兩側分別受到大小相等、方向相反、作用線垂直鍵軸線的載荷作用，鍵的載荷作用交界面形成剪切載荷作用面。承受剪切載荷的構件內部截面應力主要表現為沿截面方向的剪切應力，構件抗剪切破壞能力明顯低于構件拉壓強度。任務4

構件負荷與材料工藝性認識2.力學負荷任務4

構件負荷與材料工藝性認識2.力學負荷扭轉載荷如圖1-16所示，構件兩端承受大小相等、方向相反、作用面垂直于桿件軸線的一對力矩載荷作用，構件將繞構件軸線發(fā)展相等轉動的變形。汽車轉向柱、轉動軸、電機軸等傳遞扭矩載荷的構件均的工作變形均是典型的扭轉變形。扭轉變形構件的失效形式一方面是結構受扭轉載荷作用出現破壞失效，另一方面主要是構件扭轉變形角度過大。任務4

構件負荷與材料工藝性認識2.力學負荷任務4

構件負荷與材料工藝性認識2.力學負荷彎曲載荷如圖1-17所示，構件兩端承受大小相等、方向相反且作用于構件軸線平面的力矩載荷，或者構件兩端承受垂直于桿件軸線，方向相同的對一橫向力作用，構件的變形表現為沿軸線彎曲變形。彎曲載荷作用的案例很多，典型結構有火輪軸、整體式車橋、橋式吊車大梁等構件承受的載荷都是典型的彎曲載荷。承受彎曲載荷的構件，其結構沿中性面分開，一邊受壓縮載荷，一邊受拉伸載荷作用，其應力表現分別為壓縮應力和拉伸應力。任務4

構件負荷與材料工藝性認識2.力學負荷任務4

構件負荷與材料工藝性認識2.力學負荷熱負荷：汽車發(fā)動機及其部分附件的工作環(huán)境是典型高溫環(huán)境，燃料在發(fā)動機缸內燃燒為車輛行駛輸出動力。發(fā)動機剛體、活塞、排氣歧管、渦輪等構件的工作溫度可以高達幾百攝氏度，甚至瞬時溫度接近1000℃。零件承受高溫和溫度反復變化將引起熱疲勞、高溫氧化等故障，同時高溫環(huán)境還將降低材料力學性能，產生蠕變現象。任務4

構件負荷與材料工藝性認識3.材料制造工藝性材料的制造工藝性主要是指材料在加工、成型中表現出的性能特點。不同材料類型其制造工藝性關注的內容不盡相同，本文以常用的金屬材料為例，其制造工藝性主要包括可加工性、成型性能、焊接性能、熱處理和表面處理性能等內容。這些性能對金屬構件設計的材料選用、制造工藝以及制品的質量、制造成本等都具有重要的影響。任務4

構件負荷與材料工藝性認識3.材料制造工藝性鑄造性能金屬鑄造成型是將熔煉的金屬液體澆注入鑄型內，經冷卻凝固獲得所需形狀和性能的零件的制造工藝。鑄造是機械制造領域常用的制造方法之一，具有制造成本低，工藝靈活性大，可以獲得復雜形狀和大型零件等優(yōu)點。據統計，鑄造成型工藝在機械制造領域的占比很大，例如機床制造中占比60～80%，汽車制造領域占比25%，拖拉機制造中占比50～60%。隨著鑄造技術的發(fā)展和市場要求的提高，鑄造技術向著精密化、大型化、高質量、自動化和清潔化的方向發(fā)展。金屬材料的鑄造性能主要包括流動性、收縮性、偏析、吸氣性等方面。任務4

構件負荷與材料工藝性認識3.材料制造工藝性壓力加工性能金屬材料的壓力加工利用外力作用是加工材料產生的塑性變形，來獲得具有一定形狀、尺寸和力學性能的原材料、毛坯或零件的生產加工方法。壓力加工性能與材料的成分、組織、形狀、溫度等因素密切相關，直接影響了材料加工過程中的變形、制造缺陷和工藝性能。壓力加工具有力學性能好、節(jié)省金屬材料、生產效率高等許多優(yōu)點。金屬壓力加工的方法包括軋制、擠壓、鍛造、沖壓、拉拔等，這些方法可以使金屬坯料細化顯微組織，提高材料組織的致密性，從而提高金屬的機械性能。任務4

構件負荷與材料工藝性認識3.材料制造工藝性焊接性能焊接制造工藝是連接兩個金屬零件或多個金屬零件，使其成為一個具有特定功能的部件。其制造工藝是在加熱或者加壓，或者兩者并用的條件下，應用填充材料（或者不用填充材料）將待連接部件結合到一起。焊接具有連接方便、封閉性能好、強度高等優(yōu)點，不僅對同種材料，而且對異種材料也能起到連接作用。大型裝備的制造及組裝：焊接能根據具體要求制造大型工程機械、火車等。焊接件的焊接接頭在良好的焊接工藝以及高性能的焊絲條件下，能得到焊接接頭的強度高于母材的焊件，大大提高焊接接頭的力學性能。任務4

構件負荷與材料工藝性認識3.材料制造工藝性焊接性能材料的焊接性能通常包括工藝焊接性和使用焊接性兩個方面。工藝焊接性是指一定焊接工藝條件下能否獲得優(yōu)質、無缺陷的連接接頭的性能；使用焊接性是指焊接接頭或者整體結構滿足結構技術要求所規(guī)定的各種是使用性能的程度，例如力學性能、耐蝕性等。鋼材的碳當量是影響鋼材焊接性能的重要參數，按公式進行換算所得。鋼材的碳當量越高，鋼材的焊接性越差，將碳當量CE＜0.4%，鋼材的焊接性良好；CE=0.4%~0.6%時，焊接性較差；CE＞0.6%時，焊接性差。任務4

構件負荷與材料工藝性認識3.材料制造工藝性切削加工性能切削加是常用也是最重要的去除材料加工工藝之一，切削加工可以制造各種復雜結構，是獲得高尺寸精度和高表面加工質量的制造工藝。常用的切削加工工藝包括車削加工、銑削加工、刨削加工、磨削加工等。材料的切削加工性能是各種切削加工工藝制造的難以程度。研究結果表明，一般情況下，影響材料切削加工工藝性能的主要因素是材料的硬度和組織狀態(tài)。工程實踐顯示，金屬材料的布氏硬度在170~230HBS區(qū)間，其切削加工性能較好。任務5材料基礎性能實踐任務內容1.零件質量測量汽車轉向節(jié)零部件質量測量實踐項目采用3D數據軟件導入設計數據，分別對零件定義不同密度的材料，測量零件體積和質量記錄測量數據。完成測量記錄并對比分析材料差異對零件質量的影響。本任務主要實踐內容如下：1）測量并記錄轉向節(jié)零件體積；2）至少完成兩種及以上常見金屬材料密度參數；3）對轉向節(jié)零件賦予材料并測量和記錄零件質量信息；4）分析材料選用對汽車輕量化的意義；任務5材料基礎性能實踐任務內容2.零件材料拉伸模擬實驗拉伸實驗是指標準試樣在承受軸向拉伸載荷下測定并獲得材料拉伸實驗對應的力-位移曲線的試驗方法。閱讀金屬常溫拉伸試驗方法和步驟可參見GB/T228.1-2021《金屬材料拉伸試驗第1部分:室溫試驗方法》，熟悉試驗標準相關知識。根據本實踐任務提供的拉伸試驗數據繪制材料力學性能曲線，解讀材料性能曲線的關鍵特征參數及意義；根據實驗樣件尺寸信息，計算材料屈服強度、抗拉強度等參數。本任務主要實踐內容如下：1）查看并記錄基礎模型的材料牌號；2）檢查模型并記錄拉伸試樣尺寸參數；3）查看拉伸試驗仿真結果，生成拉伸曲線并標記特征參數；4）解讀試驗數據并完善實踐報告。復習與思考：1.請簡要說明密度測量的稱重法是什么？2.請簡要說明密度測量比重杯法的原理？3.請分析，溫差明顯的工作環(huán)境，有配合連接要求的零件材料選用方法？4.請簡要說明典型金屬材料拉伸試驗曲線的特點？5.請簡要分析金屬材料屈服強度、抗拉強度的概念？6.請分析工程應力應變曲線和真實應力應變曲線的差異？7.請簡要說明常用硬度表示的方法？8.請簡要疲勞載荷和靜態(tài)載荷的差異？9.請簡要說明影響結構疲勞壽命的因素？10.請簡要說明常見結構典型的載荷類型？11.請簡要金屬鑄造性能主要因素因素？12.請簡要分析金屬焊接性能分類？新能源汽車輕量化技術項目2汽車常用材料認識任務一汽車常用黑色金屬介紹1、金屬分類2、鋼材分類及應用3、鑄鐵及應用

任務1汽車常用黑色金屬介紹1.金屬材料分類金屬材料是現代工業(yè)應用最廣的材料之一，其具有良好的導電性、導熱性、塑性和工藝性能等。冶金學上通常將金屬分為黑色金屬和有色金屬兩大類.黑色金屬是指鐵、鉻、錳及其合金材料，包括鑄鐵，碳鋼和合金鋼等材料；有色金屬是指鐵、鉻、錳以外的金屬材料，常用的有鋁、鎂、銅及其合金，稀有金屬等。任務1汽車常用黑色金屬介紹鋼材是指以鐵元素為基礎的合金材料，鋼材是應用最為廣泛的鐵碳合金材料，也被稱為“工業(yè)的骨骼”。鋼材的種類繁多，根據鋼材的生產方式、使用特點、力學性能等也有不同的分類方法。鋼材分類通常包括按鋼材的化學成分、鋼材冶煉質量、冶煉方法、金相組織特征、材料用途、力學性能等分類方式。2.鋼材分類及應用任務1汽車常用黑色金屬介紹按化學成分分類按材料的化學成分，鋼材可以分為碳素鋼和合金鋼兩大類。碳含量低于0.25%的碳素鋼稱為低碳鋼。碳素鋼低碳鋼包括大部分普通碳素結構鋼和一部分優(yōu)質碳素結構鋼。碳含量為0.25%～0.60%的碳素鋼稱為中碳鋼。中碳鋼具有良好的熱加工和切削加工性能，焊接性能較差。廣泛用于建筑結構材料和各種機械零件生產制造。碳含量從0.60%至1.70%的碳素鋼稱為高碳鋼。高碳鋼經過適當的熱處理工藝可以獲得優(yōu)良的力學性能，通常具有高強度、高硬度、高的彈性極限和疲勞極限等優(yōu)點。同時，高碳鋼可焊接性能和塑性變形能力差。高碳鋼主要用于制造彈簧和耐磨性要求高的零部件。2.鋼材分類及應用任務1汽車常用黑色金屬介紹按冶煉方法分類按鋼材冶煉方法可以分為平爐鋼、轉爐鋼和電爐鋼。平爐鋼是指用平爐冶煉的的鋼材，主要是碳素鋼和普通低合金鋼。冶煉中在平爐熔池中用氬氣處理鋼水的工藝，在容量為150t、300t和430t平爐中進行了試煉。轉爐鋼是指在轉爐內以液態(tài)生鐵為原料，將高壓空氣或氧氣從轉爐的頂部、底部、側面吹入爐內熔化的生鐵液中，使生鐵中的雜質被氧化去除而煉成的鋼。電爐鋼是以電為能源的煉鋼爐生產的鋼，主要包括電弧爐、感應電爐、電渣爐、電子束爐、自耗電弧爐等，通常所說的電爐鋼是用堿性電弧爐生產的鋼。電爐鋼有各種類型，多為優(yōu)質碳素結構鋼、工具鋼及合金鋼。2.鋼材分類及應用任務1汽車常用黑色金屬介紹按用途分類按照用途分類，鋼材可以分為結構鋼、工具鋼和特殊性能鋼等類型。其中，結構鋼包括優(yōu)質碳素結構鋼、合金結構鋼和合金彈簧鋼。優(yōu)質碳素結構鋼以兩位數字表示，這兩位數字代表鋼材平均碳含量。例如，45鋼即表示碳含量為0.45%的優(yōu)質碳素結構鋼。工具鋼包括碳素工具鋼、合金工具鋼和高速工具鋼。碳素工具的牌號以字母“T”開頭，以及含量數字組成，如T10A表示含碳量為1%的高級優(yōu)質碳素工具鋼。合金工具鋼和高速工具的牌號表示方法于合金結構鋼類似，但一般不標明含碳量數字，如圖Cr12MoV表示含平均含碳量1.6%，平均含鉻量為12%，平均含鉬量為0.5%的合金工具鋼。2.鋼材分類及應用任務1汽車常用黑色金屬介紹按力學性能分類屈服強度和抗拉強度是評價鋼材強度性能的兩個重要參數。根據鋼材強度性能等級可以分為低強度剛度、高強度和超高強度等類型。行業(yè)中對高強度鋼、超高強度鋼并沒有統一的定義，有的就采用低強度鋼和高強度鋼進行分類。本書參照超輕鋼車身先進汽車概念（UltraLightSteelAutoBody-AdvanceVehicleConcept，ULSAB-AVC）對汽車用鋼材進行分類如表2-1所示。2.鋼材分類及應用任務1汽車常用黑色金屬介紹鋼材牌號標記時可以按照鋼材屈服強度和抗拉強度特性進行標記，如X

a/b，中X為鋼材的種類標記，a為該鋼材的屈服強度下限值（單位為MPa），b為該鋼材的抗拉強度下限值（單位為MPa）。例如：DP590/980是指最低屈服強度為590MPa，最低抗拉強度為980MPa的雙相鋼。2.鋼材分類及應用任務1汽車常用黑色金屬介紹2.鋼材分類及應用高強鋼的特點高強鋼以其抗拉強度高而著稱，相比鋁合金、鎂合金等輕量化材料具有以下優(yōu)點：（1）原材料價格低、經濟性好。通常情況下，高強度原材料價格比普通鋼材略高，但僅相當于鋁合金材料價格的三分之一左右。（2）力學性能優(yōu)越，易于保證零件剛度。高強鋼的彈性模量通常為200～210GPa，其彈性模量相當于鋁合金彈性模量的3倍左右，有利于保證零件設計的剛度要求。（3）成型工藝性、焊接性能良好。高強鋼具有良好的斷裂延伸率，便于沖壓成型和焊接生產，適合制造復雜的汽車零件和焊接組裝，零件制造成本低。任務1汽車常用黑色金屬介紹2.鋼材分類及應用高強鋼與普通低碳相比具有以下優(yōu)勢：（1）具有較高的烘烤硬化性能，通過涂裝烘烤，可以提升強度。（2）能量吸收效率高，適合用于制造碰撞吸能區(qū)域的零件設計。（3）具有較高的疲勞強度性能，易于保證零件使用壽命。（4）具有較高的防撞能力和抗凹性能。任務1汽車常用黑色金屬介紹外覆蓋件汽車外覆蓋件包括翼子板、側圍外板、車門外板、發(fā)動機罩外板、行李箱蓋外板等各類外觀可見零件。因為這類零件始終暴露在用戶視線可見范圍，其表面質量要求高，必須具有抗腐蝕能力，同時應保證強度和剛性的要求。其次，由于用戶審美需要，車輛外觀造型越來越復雜，這就要求外覆蓋件材料需要有良好的成型性，因此要求其具備良好的塑性和延展性。現在的乘用車外覆蓋件一般使用料厚0.6mm～1.0mm的薄板沖壓成型，其表面采用鍍鋅涂層或使用鋅鐵合金鋼板。發(fā)動機罩、前后車門、側圍外板、行李箱蓋等外板多采用BH烘烤硬化鋼、優(yōu)質低碳鋼等材料制造，其屈服強度較低，多數都在200MPa左右，斷裂延伸率較高δ≥30%，這有利于保證零件完成較大成型拉延深度。2.鋼材分類及應用任務1汽車常用黑色金屬介紹2.鋼材分類及應用側圍外板任務1汽車常用黑色金屬介紹2.鋼材分類及應用內覆蓋件汽車內覆蓋件對外觀質量的要求沒有外覆蓋件那么高，但是通常內覆蓋件比外覆蓋件具有更復雜的結構、更深的拉延深度。因此汽車內覆蓋對塑性應變比和延伸率要求高，由于其拉伸深度大，對變形均勻性也要求較高，板料厚一般選用0.8mm~1.2mm優(yōu)質低碳鋼生產，斷裂延伸率可達40%以上。如圖2-4所示為采用優(yōu)質低碳鋼（DC06）拉伸成型的某尾門內板零件，該尾門內板結構復雜，整體拉伸深度達300mm，還涉多處局部凸臺、起筋和支架等細節(jié)特征。任務1汽車常用黑色金屬介紹2.鋼材分類及應用尾門內板任務1汽車常用黑色金屬介紹2.鋼材分類及應用汽車前碰撞橫梁通常是一個獨立的總成結構，采用螺栓與車輛前端縱梁進行連接。前碰撞橫梁的主要作用是通過變形來吸收車輛正面碰撞的能量。低速碰撞時，碰撞橫梁可以吸收絕大部分能量，可以有效保護車身結構。由于碰撞橫梁采用螺栓與前縱梁連接，即便碰撞橫梁碰撞變形后不能修復，也可以可以局部更換，這有助于降低車輛修理成本。高速碰撞時，前碰撞橫梁也是重要吸能裝置，有助于減小前縱梁或者乘員艙的結構變形。隨著整車結構耐撞性能要求的不斷提升，要求前碰撞橫梁更充分地發(fā)揮碰撞吸能功能，因此，高強鋼、超高強度鋼常被用于制造前碰撞橫梁。如圖2-5為某前碰撞橫梁結構設計，采用抗拉強度1000Mpa級的雙相鋼DP980成型并焊接組成封閉截面。根據整車質量和碰撞性能要求，前碰撞橫梁材料厚度為1.5mm~2.5mm。任務1汽車常用黑色金屬介紹2.鋼材分類及應用前碰撞橫梁任務1汽車常用黑色金屬介紹2.鋼材分類及應用汽車前縱梁是汽車中最重要的承載部件，絕大多數前置前驅車型的動力總成系統都是安裝在前縱梁上。同時，前縱梁也是正面高速碰撞主要吸能和變形區(qū)域。整車結構耐撞性開發(fā)通常要求高速碰撞時乘員艙盡量小，避免乘員因空間過度擠壓而導致嚴重傷害，這就要求車輛結構在前縱梁根部前完成絕大部分碰撞能量吸收和承擔結構變形功能。如圖2-6為某前縱梁結構，采用槽型內板加外板焊接形成封閉型腔，并且槽型內板內還布置加強件等，通常采用抗拉強度600~800Mpa的優(yōu)質高強度鋼，厚度1.5~2.5mm。任務1汽車常用黑色金屬介紹2.鋼材分類及應用前縱梁結構任務1汽車常用黑色金屬介紹2.鋼材分類及應用乘用車B柱結構除了安裝固定車門外，也是構成車身骨架主要部件，是側面碰撞保護乘員安全的重要結構。按照乘用車側面碰撞試驗規(guī)范，碰撞臂障撞擊位置主要集中在B柱前后區(qū)域。B柱下端連接門檻梁，上端連接頂蓋邊梁，共同組成車身承載框架結構。隨著碰撞安全性能要求的不斷提高，乘用車B柱結構廣泛采用高強鋼、超高強度鋼制造，提升乘員保護能力。如圖2-7所示為某B車型B柱及上下連接結構，根據碰撞設計需要B柱子通常由內外板及加強件組成，材料抗拉強度通常大于800MPa，甚至有的采用抗拉強度高達1200MPa以上的超高強鋼材料。與B柱連接的門檻梁和頂蓋邊梁的材料抗拉強度也通常達到600MPa以上，門檻梁已經較多的采用1000MPa及以上的超高強鋼材料制造。任務1汽車常用黑色金屬介紹2.鋼材分類及應用B柱及上下連接結構任務1汽車常用黑色金屬介紹2.鋼材分類及應用如圖2-8以某麥弗遜懸架為例，前懸架中的副車架總成、下控制總成等零件多數都采用鈑金沖焊形成封閉型腔結構。這類零件在工作過程將承載較大的沖擊載荷，零件強度性能要求高，因此通常采用高強度鋼制作而成。該案例中的副車架、下擺臂零件片體均采用屈服強度250MPa以上，抗拉強度500MPa以上鋼材制造。穩(wěn)定桿具有較大受力，左右兩端相對位移大等工作特點，要求零件具有高強度和抗扭變形能力，通常制作成實心桿件，材料多采用60Si2MnA等彈簧鋼制造。任務1汽車常用黑色金屬介紹2.鋼材分類及應用前懸架零件材料任務1汽車常用黑色金屬介紹2.鋼材分類及應用車架是非承載式車身車輛結構中最重要的承載結構，車身系統、懸架系統、動力系統等都是以車架為安裝基礎。皮卡、中大型SUV等車型較多的采用帶車架的非承載式車身結構，如圖2-9所示為某皮卡的車架。該車架結構主要采用剛強度鋼板沖壓和氣體保護焊制造工藝，前端碰撞吸能結構材料抗拉強度可達600~1000MPa，中后段及安裝連接支架使用鋼材主要是以抗拉強度達到500MPa以上的高強度鋼為主。任務1汽車常用黑色金屬介紹2.鋼材分類及應用車架結構任務1汽車常用黑色金屬介紹2.鋼材分類及應用汽車傳動軸和半軸主要用于傳遞扭矩載荷，是影響汽車安全及舒適度的重要部件。傳動軸和半軸在工作中承受著較高的扭轉和彎曲應力，因此既要考慮扭轉和彎曲強度，又必須有高的疲勞強度，轎車和輕型車的半軸多采用冷擠壓，載重汽車的半軸多采用鍛造。國內各大鋼廠目前生產的傳動牌號有：50MnB、40Cr、35CrMo等。如圖2-10所示的半軸采用40Cr制造，傳動軸采用35CrMo制造。任務1汽車常用黑色金屬介紹2.鋼材分類及應用半軸與傳動軸任務1汽車常用黑色金屬介紹2.鋼材分類及應用彈簧鋼主要用于生產制造汽車鋼板彈簧、汽車扭力桿、螺旋彈簧、氣門彈簧等。對于汽車懸架板簧用熱軋扁鋼，主要是Si-Mn系鋼，產量最大的是60Si2Mn(A),約占60%~70%。國產汽車閥門彈簧鋼在數量、質量、品種、規(guī)格上與汽車工業(yè)的需求由較大差距，鋼號以50CrVA、55SiCr為主，如圖2-11所示輕型汽車鋼板彈簧就是采用55SiCr制造任務1汽車常用黑色金屬介紹2.鋼材分類及應用齒輪鋼是對可用于加工制造齒輪的鋼材的統稱，汽車行業(yè)主要應用齒輪鋼生產制造汽車變速箱軸、齒類零件；汽車驅動橋差速器主從動齒、星形齒、半軸齒輪；轉向器蝸輪、蝸桿、齒條；發(fā)動機正時齒輪等。汽車齒輪鋼不但要求有良好的強韌性、耐磨性，承受沖擊、彎曲和接觸盈利，而且還要變形小、精度高、噪音低。齒輪鋼一般有低碳鋼如20#鋼，低碳合金鋼如：20Cr、20CrMnTi等，中碳鋼：35#鋼、45#鋼等，中碳合金鋼：40Cr、42CrMo、35CrMo等。如圖2-12所示汽車轉向機內部的蝸桿主要35CrMo制造。任務1汽車常用黑色金屬介紹2.鋼材分類及應用軸承鋼主要用于制造汽車電機軸承、輪轂軸承等零件。汽車用軸承鋼對材料的化學成分和內部組織及均有相應的要求。鋼材的物理、化學、機械性能和金相組織都是由化學成分決定的，改變了化學成分，就改變了鋼的基本性質，因此，軸承鋼的化學成分必須符合標準規(guī)定的允許范圍。軸承鋼材要求內部要致密、部組織要均勻、純凈度要高。常用的軸承鋼材料代表牌號GCr15、GCr15SiMn、GCr18Mo；汽車輪轂軸承常用材料代表牌號是S55C、R1070，如圖2-13所示。任務1汽車常用黑色金屬介紹3.鑄鐵及應用鑄鐵及分類鑄鐵是含碳量大于2.11%（一般為2.5～4%）的鐵碳合金。它是以鐵、碳、硅為主要組成元素并比碳鋼含有較多的錳、硫、磷等雜質的多元合金。鑄鐵材料具有多種分類方式，常見的分類主要包括按斷口特征分類和按石墨形態(tài)分類等。根據鑄鐵材料斷口特征通常分為白口鑄鐵、灰口鑄鐵和麻口鑄鐵三類。根據鑄鐵中石墨形態(tài)不同，鑄鐵可分為灰鑄鐵、可鍛鑄鐵和球墨鑄鐵三類。任務1汽車常用黑色金屬介紹3.鑄鐵及應用白口鑄鐵中碳除少數溶于鐵素體外，其余的碳都以滲碳體的形式存在于鑄鐵中，其斷口呈銀白色，故稱白口鑄鐵。白口鑄鐵質地硬而脆，抗沖擊載荷能力極差，不能進行切削加工。工業(yè)生產中很少直接應用白口鑄鐵來制作機械零件，其主要用于可鍛鑄鐵的毛坯或者制作耐磨性要求高的零部件。任務1汽車常用黑色金屬介紹3.鑄鐵及應用灰口鑄鐵：碳含量較高，通?？蛇_2.7%~4.0%。其碳元素主要以片狀石墨的形態(tài)存在，斷口呈現灰色，因此被成為灰鑄鐵。灰鑄鐵具有良好的抗壓強度和硬度性能，減震性良好，凝固收縮量小，具有良好的鑄造工藝性?；诣T鐵中的碳以片狀石墨存在，其耐磨性良好?；诣T鐵常用于制造機床床身、汽缸、箱體等結構。灰口鑄鐵的材料牌號通常以“HT”和最低抗拉強度組合而成，表示灰口鑄鐵，例如HT150表示抗拉強度下極限為150MPa的灰鑄鐵。任務1汽車常用黑色金屬介紹3.鑄鐵及應用由于灰鑄鐵具有良好的機械性能和鑄造工藝性能，以及優(yōu)越的減震性和耐磨性，自然成為汽缸體的首選材料。目前，大部分灰鑄鐵缸體鑄件均由HT200、HT250、HT300等材質制備而成。鑄鐵發(fā)動機缸體缸蓋任務1汽車常用黑色金屬介紹3.鑄鐵及應用麻口鑄鐵是兼有灰口鑄鐵和白口鑄鐵組織成分的混合體。通常認為麻口鑄鐵組織的形成是由于不恰當的合金成分和冷卻速度，使得鑄鐵的冷卻凝固中形成既有石墨又有滲碳體的組成成分。微觀成分分析發(fā)現麻口鑄鐵成分主要包括萊氏體+珠光體+石墨或珠光體+滲碳體+石墨。由于萊氏體或滲碳體的存在，所以麻口鑄鐵硬度高、很脆，加工性不好，力學性能也不好，生產制造中應該盡量避免出現麻口組織。任務1汽車常用黑色金屬介紹3.鑄鐵及應用可鍛鑄鐵是白口鑄鐵經過石墨化退火處理得到的一種高韌性的鑄鐵?？慑戣T鐵內部的石墨主要成團絮狀和絮狀，有時候也有少量的團球狀?？慑戣T鐵具有較高的強度、塑性和沖擊韌性。根據材料成分、熱處理工藝和性能特征等，可以分為黑口可鍛鑄鐵、珠光體可鍛鑄鐵、白心可鍛鑄鐵和球墨可鍛鑄鐵四類?？慑戣T鐵主要用于汽車車橋的橋殼、閥體、管接頭等受沖擊和振動載荷作用的零部件。可鍛鑄鐵的牌號是以鑄鐵類型、最低抗拉強度和最低斷裂延伸率等信息組成。例如：KTH330-08表示最低抗拉強度為330MPa，最低斷裂延伸率為8%的的黑心可鍛鑄鐵。KTZ550-04表示最低抗拉強度為550MPa，最低斷裂延伸率為4%的的珠光體可鍛鑄鐵。任務1汽車常用黑色金屬介紹3.鑄鐵及應用球墨鑄鐵是20世紀五十年代才逐步發(fā)展起來的一種高強度鑄鐵形式。通過球化處理使得鑄鐵內部呈現球狀石墨，極大程度的提高鑄鐵的機械性能，特別是其具有較高的塑性和韌性，其綜合性能幾近于鋼材。因此被廣泛用于鑄造結構復雜、受力復雜等機械零件，例如發(fā)動機曲軸、凸輪軸、齒輪機構、液壓缸體等。球墨鑄鐵的牌號通常采用材料名、材料最低抗拉強度和最低延伸率組成，例如：QT450-10是指最低抗拉強度為450MPa，最低斷裂延伸率為10%的球墨鑄鐵。任務1汽車常用黑色金屬介紹3.鑄鐵及應用對于工作載荷較大的部件連接，其支架對強度和耐久性能要求高，通常采用鑄造成型制造。不論是乘用車還是商用車行業(yè)，承載性能要求高的支架都可以采用灰鑄鐵、球墨鑄鐵等材料制造。任務1汽車常用黑色金屬介紹3.鑄鐵及應用球墨鑄鐵支架球墨鑄鐵轉向節(jié)任務2汽車常用有色金屬介紹1.有色金屬認識輕質有色金屬材料具有密度低、比強度和比剛度高等特性，在汽車輕量化領域具有廣泛的應用，尤其是在新能源汽車產業(yè)。按鋁合金抗拉強度進行分類，可以分為低強度鋁合金，中強度鋁合金，高強度鋁合金和超高強度鋁合金。低強度鋁合金是指抗拉強度小于100MPa的鋁合金材料；中強度鋁合金是指抗拉強度在100MPa到300MPa之間的鋁合金材料；高強度鋁合金是指抗拉強度為300MPa到500MPa的鋁合金材料；超高強度鋁合金是指抗拉強度大于500MPa的鋁合金材料。鎂合金是以鎂元素為基礎材料并加入其他元素組成的合金。鎂合金材料的其特點是：密度?。?.8g/cm3左右），比強度高，比彈性模量大，散熱性能好，減震性能良好，抗電磁干擾性能好，其承受沖擊載荷能力比鋁合金更大，具有良好的耐有機物和堿的腐蝕性能。鎂合金還具有良好的成型工藝性，廣泛的應用電子電器、汽車工業(yè)以及航空航天等領域。任務2汽車常用有色金屬介紹2.鋁合金及應用鋁合金按其成分和加工方法又分為變形鋁合金和鑄造鋁合金。變形鋁合金是先將合金配料熔鑄成坯錠，再進行塑性變形加工，通過軋制、擠壓、拉伸、鍛造等方法制成各種塑性加工制品。鑄造鋁合金是將配料熔煉后用砂模、鐵模、熔模和壓鑄法等直接鑄成各種零部件的毛坯。鋁合金材料具有比強度高的特性，被廣泛應用制造零部件以降低整車重量?，F如今，鋁合金材料幾乎可以代替鋼材，制造車輛絕大部零件。任務2汽車常用有色金屬介紹2.鋁合金及應用汽車輪轂:支撐輪胎的圓桶形、中心裝配在軸上的部件，如圖所示。常見的汽車輪轂有鋼質輪轂及鋁合金質輪轂。鋼質輪轂質量大，外形單一，不符合如今低碳、時尚的理念。鋁合金輪轂采用鑄造和機械加工相結合的方式生產，滿足車輪強度與安裝精度要求，同時具有失衡量與慣性矩小、易于結構輕量化、滿足高剛性要求、耐久性良好、制造工藝穩(wěn)定、方便大規(guī)模生產等優(yōu)點。任務2汽車常用有色金屬介紹2.鋁合金及應用鋁合金材料具有熔點低、液體流動性好等特點，方便采用鑄造進行成型制造，因此被廣泛應用于制造汽車零部件。鋁合金轉向節(jié)鋁合金動力總成殼體任務2汽車常用有色金屬介紹2.鋁合金及應用鋁合金后副車架任務2汽車常用有色金屬介紹2.鋁合金及應用全鋁合金車身任務2汽車常用有色金屬介紹3.鎂合金及應用鎂合金的比重雖然比塑料重，但其單位重量的強度和彈性率比塑料高得多。所以，在滿足同樣強度要求情況下的零部件，鎂合金的零部件能做得比塑料的薄而且輕。另外，由于鎂合金的比強度也比鋁合金和鐵高，因此，在不減少零部件的強度下，可減輕鋁或鐵的零部件的重量。鎂合金相對比強度（強度與質量之比）最高。比剛度（剛度與質量之比）接近鋁合金和鋼，遠高于工程塑料。鎂合金受到沖擊載荷時，吸收的能量比鋁合金件大一半，所以鎂合金具有良好的抗震減噪性能。鎂合金熔點比鋁合金熔點低，壓鑄成型性能好。鎂合金鑄件抗拉強度與鋁合金鑄件相當，一般可達250MPa，最高可達600MPa以上。屈服強度，延伸率與鋁合金也相差不大。鎂合金件穩(wěn)定性較高壓鑄件的鑄造行加工尺寸精度高，可進行高精度機械加工。鎂合金具有良好的壓鑄成型性能，壓鑄件壁厚最小可達0.5mm。適應制造汽車各類壓鑄件。任務2汽車常用有色金屬介紹3.鎂合金及應用座椅系統是汽車的重要組成部分，也是駕乘人員使用最多的部件之一。座椅系統由座椅骨架、調節(jié)裝置、泡沫和面料等部分組成，其中座椅骨架是座椅系統的核心部件，是支撐乘員的基礎結構。除了強度耐久性能要求外，緩沖減震性能對座椅骨架系統尤為重要，座椅骨架優(yōu)良的減震效果可以有效提升乘坐舒適性。鎂合金的阻尼系數大，減震吸能效果明顯優(yōu)于鋼材。以駕駛員座椅為例，采用傳統的鋼材制造座椅骨架其重量為10~15kg，在相同功能和強度要求下，采用鎂合金材料制造的座椅骨架可以減重40%~50%，減重效果非常明顯，如圖2-23所示。圖2-23鎂合金座椅骨架任務2汽車常用有色金屬介紹3.鎂合金及應用汽車方向盤由骨架、安裝附件和外蒙皮組成，其骨架為安裝需要，通常結構復雜。此外，汽車高速碰撞時，駕駛人員頭部甚至胸部不可避免的會撞擊方向盤，這就要求汽車方向盤骨架既要有一定的強度，又要具備一定的減震吸能功能，以減少駕駛人員傷害。如圖2-24所示，現在乘用車方向盤骨架多數都采用鎂合金材料制造。合理設計方向盤骨架結構，采用鑄造和機械加工相結合的方式制造，既保證方向盤骨架具有所需強度、固有頻率，由保證其具備充分碰撞吸能功能。圖2-24鎂合金方向盤骨架任務2汽車常用有色金屬介紹3.鎂合金及應用隨著鎂合金技術的發(fā)展以及人們對汽車輕量化的重視，鎂合金在汽車工業(yè)中的應用越來越廣泛。如圖2-25所示，鋁合金能制造汽車零部件產品，鎂合金基本都是適用的，包括制造鎂合金輪轂、鎂合金缸體缸蓋、鎂合金CCB管梁、鎂合金前端框架和鎂合金覆蓋件等。圖2-25鎂合金應用任務2汽車常用有色金屬介紹4.其他有色金屬及應用鋼材及合金鋼、鋁合金、鎂合金等金屬材料基本涵蓋了汽車整車產品材料使用。隨著汽車制造技術的進步發(fā)展，尤其是新能源汽車技術發(fā)展。作為汽車電力輸送載體的線纜制造要求越來越高。導電和導熱性能良好的銅及銅合金的應用日益普遍，部分高端車型的關鍵承載零件采用鈦合金制造。圖2-26銅芯高壓電線任務2汽車常用有色金屬介紹4.其他有色金屬及應用圖2-27特斯拉鈦合金底盤護板鈦合金相對傳統的汽車高強鋼、鋁合金等材料也有成本高、加工難度大、安全性差的缺點。鈦合金價格昂貴，制造一輛鈦合金車輛需要更多的材料和工藝成本，導致車輛售價更高。目前鈦合金材料僅僅應用在一些高端車型上。特斯拉ModelS采用鈦合金板加固電池包地板。利用鈦合金高強度性能保護汽車電池包，減少事故發(fā)生。任務3汽車常用非金屬材料介紹1.非金屬材料非金屬材料通俗的講就是指金屬材料以外的其他材料，是由非金屬元素或化合物構成的材料。非金屬材料種類眾多，按照不同的特點或者用途有不同的分類方式。例如按材料來源，按化學成分等分類。按材料來源可以分為天然非金屬材料和人造非金屬材料。按材料的化學成分主要分為有機非金屬材料和無機非金屬材料。任務3汽車常用非金屬材料介紹1.非金屬材料無機非金屬材料，是指以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、鹵素化合物、硼化物以及硅酸鹽、鋁酸鹽、磷酸鹽、硼酸鹽等物質組成的材料。無機非金屬材料也是除有機高分子材料和金屬材料以外的所有材料的統稱。在材料學中，無機非金屬材料是與有機高分子材料和金屬材料并列的三大材料類型之一。各種規(guī)格的平板玻璃、儀器玻璃和普通的光學玻璃以及日用陶瓷、衛(wèi)生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷和電瓷等與人們的生產、生活息息相關，它們具有產量大、用途廣等特點。除此之外，其他產品如搪瓷、碳化硅、氧化鋁、輝綠巖、玄武巖、碳素材料、非金屬礦（石棉、云母、大理石等）也都屬于傳統的無機非金屬材料。任務3汽車常用非金屬材料介紹1.非金屬材料有機非金屬材料也就是有機高分子材料，又稱聚合物或高聚物。有機高分子材料是由一種或幾種分子或分子團（結構單元或單體）以共價鍵結合成具有多個重復單體單元的大分子?？梢允翘烊划a物如纖維、蛋白質和天然橡膠等，也可以是用合成方法制得的，如合成橡膠、合成樹脂、合成纖維等非生物高聚物等。有機非金屬材料通常具有密度低、塑性好、耐腐蝕、剛度低、成型好等特性，被廣泛用于建筑行業(yè)、電子工業(yè)、醫(yī)療行業(yè)等領域。在汽車工業(yè)領域，有機非金屬材料被廣泛用于制造汽車儀表臺面板、車門護板、減震橡膠塊、排氣吊耳等零部件。任務3汽車常用非金屬材料介紹工程塑料是一種重要的有機非金屬材料，其主要成分是由含有碳和氫元素的有機物質制備而成的材料。工程塑料的特點主要包括：輕質、低成本、柔性、易塑性、耐腐蝕性等。工程塑料是目前汽車制造中應用最廣泛的非金屬材料之一。汽車的車身、內飾、機械設備和零部件中都大量使用了塑料制品。目前，汽車制造中主要采用的塑料有聚碳酸酯、聚丙烯、聚苯乙烯、尼龍、聚酰胺等。工程塑料具有密度小、物理性能良好、耐化學腐蝕等優(yōu)點。大多數工程塑料的密度為1100~1300kg/m3，據研究表明，每100kg工程塑料可以替代其它材料200～300kg,可有效減少汽車整體重量。2.工程塑料及應用任務3汽車常用非金屬材料介紹2.工程塑料及應用如圖2-28所示，汽車前保險杠主要用于外觀裝飾，通常設計通風孔，為散熱器、；冷凝器等通風散熱。汽車前保險杠結構尺寸大、造型復雜，通常采用工程塑料注塑成型，利用塑料材料良好制造工藝性和低成性。采用工程塑料制造汽車前保險杠可以大幅降低產品重量。利用塑料的高溫流動性，注塑形成復雜的加強筋結構和卡扣結構，便于零部件卡插安裝，總成產品具有良好的總裝工藝性。圖2-28塑料保險杠任務3汽車常用非金屬材料介紹2.工程塑料及應用如圖2-29所示為乘用車儀表臺產品，該儀表臺不均尺寸大、結構復雜，還涉及空調通風口、物料收納箱、儀表安裝、內部風管等結構。雖然，儀表臺部件系統結構復雜，但該產品工作中并不承受名稱載荷，因此其強度要求不高。圖2-29塑料儀表臺任務3汽車常用非金屬材料介紹2.工程塑料及應用如圖2-30a所示，車門金屬機構因內部安裝要求，不可避免地設計開孔、起筋、沉臺、凸臺等工藝特征。如圖2-30b所示，采用塑料可以制造出結構復雜、造型美觀等車門護板。同時，塑料門護板還兼具成本低、重量輕等優(yōu)點。圖2-30塑料儀門護板任務3汽車常用非金屬材料介紹2.工程塑料及應用燃油車前端通常要安裝冷凝器、散熱器、冷卻風扇等冷卻系統。傳統設計制造中都采用鋼材沖壓焊接組成冷卻系統安裝框架。如圖2-31所示，采用塑料材料注塑工藝可以成型網狀結構型腔結構，有效減輕冷卻系統安裝框架的重量。據統計，塑料前端模塊相比同等鋼材安裝模塊減重可達30%~40%。圖2-31塑料前端模塊任務3汽車常用非金屬材料介紹3.玻璃材料及應用玻璃是一種常見的非晶無機非金屬材料，主要由多種無機礦物（如石英砂、硼砂、硼酸、重晶石、碳酸鋇、石灰石、長石、純堿等）作為主要原料，并添加少量輔助原料制成。通常玻璃的密度為2400~2800kg/m3,具有熱膨脹系數小，能承受劇烈溫度變化等作用任務3汽車常用非金屬材料介紹3.玻璃材料及應用如圖2-33所示，采用夾層鋼化玻璃設計的汽車前擋風玻璃受到較大力量撞擊后，玻璃碎裂成不帶尖刺的小顆粒，并牢牢粘貼在夾層材料上，最大程度保護車內乘員不受玻璃碎片傷害。圖2-33汽車擋風玻璃任務3汽車常用非金屬材料介紹3.玻璃材料及應用如圖2-34所示為帶加熱功能的后封玻璃。后擋風玻璃加熱通常通過電阻絲通電加熱，使得玻璃溫度升高，從而使附著在其上的霜或霧受熱融化，形成水珠流下或霧氣蒸發(fā)，實現除霜和防霧效果。因此，這樣的玻璃通常采用夾層設計.圖2-34帶加熱后擋風玻璃任務3汽車常用非金屬材料介紹3.玻璃材料及應用車輛振動舒適性通常即NVH（Noise、Vibration和Harshness）已經成為現代車輛開發(fā)重點關注的性能，也是提升整車產品競爭力的重要技術指標之一。風噪問題是高速行駛最主要的噪聲來源。要降低汽車高速行駛的風噪，首先在汽車設計階段要盡量保持車輛外觀平順，比例不必要的局部凸起造型，比如采用內置天線或者流線型天線、采用隱藏式雨刮、減少擋風玻璃與A柱的短差、提高車輛密封性、加厚車窗玻璃或者采用隔離玻璃設計等等。如圖2-35所示，采用雙層夾膠膈應玻璃可以有效降低風阻傳遞到車內，提升車輛乘坐舒適性。圖2-35雙層隔音玻璃任務3汽車常用非金屬材料介紹4.皮革材料及應用皮革具有透氣性、經久耐用和易保養(yǎng)等優(yōu)良特性，是中高檔汽車內飾的理想材料，在增強汽車內飾的外觀觀賞性、提高駕駛員和乘客的舒適性方面扮演著重要的角色，對提升汽車的美觀和檔次也是不可或缺的。汽車內飾主要使用織物、人造革、皮革等材料，其中織物容易沾染污漬、美觀度較差，主要用于低端車型。皮革具有透氣性、耐用性、易保養(yǎng)等特性，主要用于中高端車型的座椅、方向盤、扶手、頭枕、門板等部件的裝飾覆蓋，提高汽車內飾觀賞性、檔次、乘員舒適性。任務3汽車常用非金屬材料介紹圖2-37真皮方向盤面料圖2-38真皮座椅面料4.皮革材料及應用任務3汽車常用非金屬材料介紹5.橡膠材料及應用橡膠是指具有可逆形變的高彈性聚合物材料，在室溫下富有彈性，在很小的外力作用下能產生較大形變，除去外力后能恢復原狀。橡膠屬于完全無定型聚合物，它的玻璃化轉變溫度低，分子量往往很大，大于幾十萬。橡膠分為天然橡膠與合成橡膠二種。天然橡膠是從橡膠樹、橡膠草等植物中提取膠質后加工制成；合成橡膠則由各種單體經聚合反應而得。通用型橡膠的綜合性能較好，應用廣泛。任務3汽車常用非金屬材料介紹5.橡膠材料及應用由于車輛對輪胎有各種性能要求，因此，汽車輪胎成為一個復雜的系統。如圖2-39為典型的橡膠基體輪胎。為提升橡膠輪胎的強度，在其內部增加鋼絲、纖維等鋪層用于增加輪胎結構。為增加輪胎的耐磨性能，輪胎面采用多層結構，采用耐磨橡膠制作胎面，此外，輪胎面還設置縱向和橫向溝槽用于增加積水路面車輛行駛的穩(wěn)定性和增加胎面摩擦力，增加車輪行駛的附著力。圖2-39橡膠輪胎任務3汽車常用非金屬材料介紹5.橡膠材料及應用發(fā)動機是汽車內在最重要的振動源，發(fā)動機與車架或者前縱梁的連接都需要采用懸置進行隔振。如圖2-40所示的懸置襯套，采用橡膠與金屬支架硫化成型。橡膠分別與金屬支架和中心安裝孔連接，金屬支架與車身縱梁和車架連接實現安裝固定，發(fā)動機安裝機構與懸置中心安裝孔連接。發(fā)動機工作振動經過橡膠懸置過濾再傳遞到車身結構，這將大幅減小車輛振動激勵。圖2-40發(fā)動機懸置襯套任務3汽車常用非金屬材料介紹5.橡膠材料及應用排氣系統中的波紋是柔性結構，且排氣管路徑長，車輛行駛變形大。采用橡膠吊耳連接排氣管和車身結構，既可以保正排氣波紋管與排氣管的柔性連接，又可以兼顧系統振動控制，保證排氣系統工作強度。如圖2-41所示，排氣吊耳通常都是采用橡膠材料制成。排氣吊耳一端連接排氣管側的掛鉤，另一端連接車身側對應的掛鉤，調節(jié)橡膠吊耳的彈性和剛度來控制排氣系統振動特性。圖2-41排氣吊耳任務3汽車常用非金屬材料介紹5.纖維材料及應用纖維材料是纖維狀物質通過紡織加工工藝形成的結構化材料，通常也被稱為紡織材料。纖維材料有天然纖維、無機纖維和合成纖維三大類。碳纖維是重要的合成纖維，其主要由碳元素組成，具有耐高溫、抗摩擦、導熱及耐腐蝕等特性外形呈纖維狀、柔軟、可加工成各種織物，由于其石墨微晶結構沿纖維軸擇優(yōu)取向，因此沿纖維軸方向有很高的強度和模量。碳纖維的密度小，因此比強度和比模量高。碳纖維的主要用途是作為增強材料與樹脂、金屬、陶瓷及炭等復合，制造先進復合材料。碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料，其比強度及比模量在現有工程材料中是最高的。任務3汽車常用非金屬材料介紹5.纖維材料及應用碳纖維材料具有密度小，比強度高，耐磨，耐高溫等優(yōu)點。隨著汽車輕量化要求和時尚造型設計需要，碳纖維材料陸續(xù)用于制造高端汽車零部件。如圖2-42所示的碳纖維前保險，造型線條復雜、時尚感強，整體成型制造，零件整體重量輕，強度高，耐磨性好。圖2-42碳纖維前保險杠任務3汽車常用非金屬材料介紹5.纖維材料及應用碳纖維材料不僅可以制造單體零部件系統，也可以制造復雜的車身結構。如圖2-43所示，部分豪華品牌打造的高端車型已經嘗試應用碳纖維材料打造復雜的車身結構。碳纖維預浸料是由碳纖維和樹脂組成的復合材料，其中樹脂起到粘合纖維的作用。圖2-43碳纖維車身結構任務4

鎂鋁合金材料應用實踐1.任務分析隨著鋁合金材料技術發(fā)展，先進鋁合金材料強度不斷提升，逐步用于制造汽車發(fā)動機、變速箱殼體、底盤零部件甚至車身結構件等。實際生產應用中，不同的鋁合金材料以及鋁合金產品有不同的生成制造工藝，例如