项目二 汽车工程材料

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1、石石 器器 时时 代代 青 铜 器 时 代 铁 器 时 代 铁器时代 埃菲尔铁塔 伦敦塔桥 1889年 324米高 用金属7300吨 1894年 中央部分可升降 金属、无机非金属（陶瓷）、高分子并存 陶瓷材料 高 分 子 材 料 金属材料 现代文明的四大支柱 材料信息能源生物 结构材料 功能材料 中国制造在世界上的地位：制造大国， 非制造强国，材料方面的滞后是一大关键 金属 项目二 汽车工程材料 n n 一般来讲，一辆汽车由一般来讲，一辆汽车由3 3万个零件组装而成。汽车上每万个零件组装而成。汽车上每 个零件的生产制造都涉及到材料问题。据统计，汽车上个零件的生产制造都涉及到材料问题。据统计，汽

2、车上 的零部件采用了的零部件采用了40004000余种不同的材料加工制造。从汽车余种不同的材料加工制造。从汽车 的设计、选材、加工制造、到汽车的使用、维修和养护的设计、选材、加工制造、到汽车的使用、维修和养护 无一不涉及到材料。无一不涉及到材料。 n n 用以制造各种汽车零件的材料统称为汽车工程材料。一用以制造各种汽车零件的材料统称为汽车工程材料。一 般将其分为两大类：金属材料和非金属材料。在目前机般将其分为两大类：金属材料和非金属材料。在目前机 械工业生产中，普遍使用钢铁、铜、铝等金属材料；此械工业生产中，普遍使用钢铁、铜、铝等金属材料；此 外，工程塑料、橡胶、陶瓷等非金属材料的应用也日趋外

3、，工程塑料、橡胶、陶瓷等非金属材料的应用也日趋 广泛。广泛。 汽车制造业中使用的基本 原料，汽车中大约有80的零 件是用金属材料制造的，而金 属材料中又以钢铁材料的用量 为最多。 一、金属材料的分类 v 金属材料的力学性能是指金属材料在外力作用下表现出 来的性能。 主要指标包括：刚度、弹性、强度、塑性、硬度、 韧性及疲劳强度等。 金属材料的性能分为： 工艺性能是指金属材料使用某种工艺方法进行加工的 难易程度。包括铸造性能、焊接性能及切削加工性能等。 使用性能是指金属材料在正常工作条件下所表现出来 的力学性能、物理性能和化学性能。 金属材料基础知识金属材料基础知识 n n 二、金属材料的力学性能

4、二、金属材料的力学性能 n n 金属材料的力学性能主要决定于材料本身的化学成分、金属材料的力学性能主要决定于材料本身的化学成分、 组织结构、冶金质量、表面和内部的缺陷等内在因素，组织结构、冶金质量、表面和内部的缺陷等内在因素， 但一些外在因素如载荷性质、温度、环境介质等也会影但一些外在因素如载荷性质、温度、环境介质等也会影 响到材料的力学性能。因此，力学性能不仅是验收，鉴响到材料的力学性能。因此，力学性能不仅是验收，鉴 定材料性能的主要依据，而且也是零件设计和选择材料定材料性能的主要依据，而且也是零件设计和选择材料 的重要依据。的重要依据。 n n 属材料的力学性能是指金属材料在外加载荷（外力

5、）作属材料的力学性能是指金属材料在外加载荷（外力）作 用下表现出来的特性。用下表现出来的特性。载荷按其作用形式的不同，分为载荷按其作用形式的不同，分为 静载荷、冲击载荷和交变载荷等。静载荷、冲击载荷和交变载荷等。 n n 金属材料的静态力学性能金属材料的静态力学性能 金属的静态力学性能指标包括塑性、强度、硬度等。下面以低碳金属的静态力学性能指标包括塑性、强度、硬度等。下面以低碳 钢静载荷拉伸试验为例说明金属材料的各个静态力学性能指标。钢静载荷拉伸试验为例说明金属材料的各个静态力学性能指标。 1、强度 强度表征材料在外 力作用下抵抗变形和破 坏的最大能力，可分为 抗拉强度极限（ ）、 抗弯强度极

6、限（ ）、 抗压强度极限（ ）等 。 由于金属材料在外 力作用下从变形到破坏 有一定的规律可循，因 而通常采用拉伸试验进 行测定，即把金属材料 制成一定规格的试样， 在拉伸试验机上进行拉 伸，直至试样断裂。 金属材料的拉伸试验曲线 力学性质：在外力作用下材料在变形和破坏方面所 表现出的力学性能 试件和实验条件 常温、静载 抗拉强度：拉伸时的应力应变曲线 静载荷是指大小、方向不变或变动很慢的载荷。 1、 试件 L0 标点 标距 d0 （1）材料类型： 低碳钢： 灰铸铁： 2标准试件： 塑性材料的典型代表； 脆性材料的典型代表； （2）标准试件： 标距： 用于测试的等截面部分长度； 尺寸符合国标的

7、试件； 圆截面试件标距：L0=10d0或5d0 2、试验机 拉伸后： 拉伸前： 拉伸力拉伸力F F和试样伸长量和试样伸长量L L之间的关系曲线称为之间的关系曲线称为 力力- -伸长曲线。伸长曲线。 明显的四个阶段 1、弹性阶段oe 比例极限 弹性极限 3、明显塑性变形阶段sd（ 载荷不再增加，试样却继 续变形） 屈服极限 4、强化阶段db（恢复抵抗 变形的能力） 强度极限 5、局部径缩阶段bk 低碳钢拉伸曲线2、屈服阶段es（失去抵 抗变形的能力） (1)弹性阶段 比例极限p oa段是直线，应力与应变在此段成正比关系，材 料符合虎克定律，直线oa的斜率 就是材 料的弹性模量，直线部分最高点所对

8、应的应力值 记作p，称为材料的比例极限。曲线超过a点，图 上ab段已不再是直线，说明材料已不符合虎克定 律。但在ab段内卸载，变形也随之消失，说明ab 段也发生弹性变形，所以ab段称为弹性阶段。b点 所对应的应力值记作e ，称为材料的弹性极限。 弹性极限与比例极限非常接近，工程实际中通常对二者 不作严格区分，而近似地用比例极限代替弹性极限。 (2)屈服阶段 屈服点 曲线超过b点后，出现了一段锯齿形曲线，这 阶段应力没有增加，而应变依然在增加，材料 好像失去了抵抗变形的能力，把这种应力不增加 而应变显著增加的现象称作屈服，bc段称为屈服 阶段。屈服阶段曲线最低点所对应的应力 称为屈服点(或屈服极

9、限)。在屈服阶段卸载，将 出现不能消失的塑性变形。工程上一般不允许构 件发生塑性变形，并把塑性变形作为塑性材料破 坏的标志，所以屈服点 是衡量材料强度的一 个重要指标。 (3)强化阶段 抗拉强度 经过屈服阶段后，曲线从c点又开始逐渐上 升，说明要使应变增加，必须增加应力，材料 又恢复了抵抗变形的能力，这种现象称作强化 ，ce段称为强化阶段。曲线最高点所对应的应 力值记作 ，称为材料的抗拉强度(或强度极 限)，它是衡量材料强度的又一个重要指标。 (4)缩颈断裂阶段 曲线到达e点前，试件的变形是均匀发生的， 曲线到达e点，在试件比较薄弱的某一局部(材 质不均匀或有缺陷处)，变形显著增加，有效横 截

10、面急剧减小，出现了缩颈现象，试件很快被 拉断，所以ef段称为缩颈断裂阶段。 2.塑性 试件拉断后，弹性变形消失，但塑性变形仍保 留下来。工程上用试件拉断后遗留下来的变形 表示材料的塑性指标。常用的塑性指标有两个: 伸长率:% l1试样拉断后的标距,mm; l0试样的原始标距,mm。 断面收缩率 : % L1 试件拉断后的标距 L 是原标距 A1 试件断口处的最小横截面面积 A 原横截面面积。 、 值越大，其塑性越好。一般把 5的材 料称为塑性材料，如钢材、铜、铝等；把 5的 材料称为脆性材料，如铸铁、混凝土、石料等。 练习题一练习题一 拉力试样的原标距长度为拉力试样的原标距长度为50mm50m

11、m，直径为，直径为10mm10mm，经拉力试验，经拉力试验 后，将已断裂的试样对接起来测量，若最后的标距长度为后，将已断裂的试样对接起来测量，若最后的标距长度为 71mm71mm，颈缩区的最小直径为，颈缩区的最小直径为4.9mm4.9mm，试求该材料的伸长率，试求该材料的伸长率 和断面收缩率的值？和断面收缩率的值？ 解：解： = =（71-5071-50）/50x100%=42% /50x100%=42% S S 0 0 =3.14x(10/2)=3.14x(10/2) 2 2 =78.5(mm=78.5(mm 2 2) ) S S 1 1 =3.14x(4.9/2)=3.14x(4.9/2)

12、 2 2 =18.85(mm=18.85(mm 2 2) ) =(S =(S 0 0 -S-S 1 1 )/S)/S 0 0 x100%=24%x100%=24% 3. 硬度 （1）布氏硬度HBW 定义：硬度是衡量金属材料软硬程度的性能指标，也是指金属材 料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。 可用硬度试验机测定，常用的硬度指标有布氏硬度HBW、洛 氏硬度（HRA、HRB、HRC等）和维氏硬度HV 布氏硬度压痕 原理： HBW= HBW值的大小取决于压痕直径d，d值越大表明金属材 料的变形抗力越低，即硬度越低，反之硬度越高。 补充:布氏硬度的标注方法 布氏硬度值/HBW/D/F/t

13、 例如：150HBW10/1000/30表示直径为10mm的硬质合金球，在 9.807kN（1000Kgf）的作用下，保持30s测得的布氏硬度值为150 。 注：试验力保持时间为1015s时不标明。 思考：500HBW5/750的含义？ 布氏硬度试验的特点： 压痕大，测量值比较准确 ，数据重复性强，但是， 由于压痕大，对金属材料 表面的损伤较大，不宜测 定太小或太薄的试样。 主要用来测原材料的硬度 。 (2)洛氏硬度HR （一）实验原理 洛氏硬度计 试验方法是用一个顶角为120度的金刚石圆锥体或直径为 1.59mm/3.18mm的钢球，在一定载荷下压入被测材料表面，由压 痕深度求出材料的硬度。

14、根据实验材料硬度的不同，可分为三种不 同标度来表示： 常用三种洛氏硬度的试验条件及应用范围 标尺硬度符 号 所用压头 总试验力F/N 适用范围 HR 应用范围 A HRA 金刚石圆 锥 588.42088 硬、薄试件，如硬质合金、 表面淬火层和渗碳层。 B HRB 1.5875 mm球 980.7 20100 轻金属，未淬火钢，如有色 金属和退火、正火钢等。 C HRC 金刚石圆 锥 1471 20-70 较硬，淬硬钢制品；如调质 钢、淬火钢等。 4，材料的冲击韧度 材料的韧度是指材料在塑性变形和断裂的全过程中吸收能量的 能力，是材料塑性和强度的综合表现。 材料的冲击韧度是指材料抵抗冲击载荷作

15、用而不破坏的能力。 指标为冲击韧性值ak 。常用一次摆锤冲击试验方法测定。 冲击韧度指标的实际意义在于揭示材料的变脆倾向。 冲击韧度：试样缺口处 单位截面积上所吸收的 冲击功，即 ak冲击韧度(冲击值)； Ak冲断试样所消耗的冲击功 ，J； A试样缺口处的截面积， cm2 。 ak = Ak A （J/cm2 ） 5.疲劳强度 许多机械零件，如轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等，在 工作过程中各点的应力随时间作周期性的变化，这种随时间 作周期性变化的应力称为交变应力（也称循环应力）。 实验原理 疲劳强度是指金属材料在无限多次交变 载荷作用下而不破坏的最大应力。 实际上，金属材料并不可能作无限多 次交

16、变载荷试验。一般试验时规定，钢在 经受107次、非铁（有色）金属材料经受108 次交变载荷作用时不产生断裂时的最大应 力称为疲劳强度。 当施加的交变应力是对称循环应力时 ，所得的疲劳强度用1表示。 提高零件抗疲劳的方法 可通过合理的选材，细化晶 粒、减少材料和零件的缺陷 ；改善零件的结构设计，避 免应力集中，减少零件的表 面粗糙度；对零件表面进行 强化处理。 三、金属材料的工艺性能 1 铸造性能 2 锻造性能 5 切削加工性能 3 焊接性能 4 热处理性能 学习任务二 铁碳合金相图 一、金属及合金的构造与结晶 基本概念 l金属： l 合金： 由一种金属元素所组成。如Cu，Al， Mg，Zn 由一种金属元素为主，加入其他金属 （或非金属）元素所组成，例 Fe C 铁碳合金(钢、铸铁) Cu Zn 铜锌合金(