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1、 常用汽车材料 常用汽车材料 概述金属材料非金属材料新材料 概述 汽车是由上万个零部件组装而成 而这些零部件又是由几百个品种 上千个规格的材料加工制成的 可以说材料是汽车的基础 用于生产汽车的材料种类很多 有钢铁 有色金属 塑料 橡胶 玻璃 陶瓷等 据统计 近几年生产的一辆普通轿车 其主要材料的重量构成比大致为 钢铁65 70 有色金属10 15 非金属材料20 左右 各种新型材料 如轻金属材料 复合材料 高技术合成材料等越来越多的用于现代汽车 金属材料 金属材料的性能黑色金属材料有色金属材料 金属材料的性能 金属材料的理化性能金属材料的机械性能金属材料的工艺性能 金属材料的理化性能 指金属材
2、料在各种物理条件下所表现出来的性能和抵抗各种化学介质侵蚀的能力密度 单位体积的质量导热性 传导热量的能力导电性 传导电流的能力热膨胀性 受热时体积增大的能力 金属材料的理化性能 熔点 由固态变为液态时的温度磁性 金属材料能导磁的性能称为磁性抗腐蚀性 金属在常温下抵御同周围介质发生化学反应而遭破坏的能力抗氧化性 金属在高温下抵抗氧化作用的能力 金属材料的机械性能 是指金属材料在各种载荷 外力 作用下表现出来的抵抗能力机械性能指标强度金属材料在载荷作用下抵抗塑性变形和断裂的能力称为强度常用强度指标是屈服强度 抗拉强度塑性金属材料产生塑性变形而不被破坏的最大能力常用塑性值的指标是伸长率和断面收缩率
3、硬度金属材料在抵抗比它更硬物体压入其表面的能力 即抵抗局部塑性变形的能力常用硬度试验方法有布氏硬度和洛氏硬度 金属材料的机械性能 冲击韧性金属材料在冲击载荷作用下 抵抗破坏的能力称为冲击韧性疲劳强度金属材料在循环载荷作用下产生疲劳裂纹 并导致断裂称为疲劳断裂在无数次 钢铁约为106 107 重复交变载荷作用下不产生断裂的最大应力称为疲劳强度疲劳强度值通过疲劳试验测定当金属材料的应力循环次数达到107次时 零件仍不断裂 此时的最大应力可作为疲劳强度 某些高强度钢 应力循环次数达到108次时的最大应力作为它们的疲劳强度 金属材料的工艺性能 铸造性能 铸造性能是指液态金属的流动性 冷却凝固过程中收缩
4、偏析的大小 金属凝固后其化学成分和组织的不均匀性 以及对气体的排除和吸收等性能压力加工性能 压力加工性能是指金属在冷 热状态下 进行压力加工时 产生变形而不发生破坏的能力塑性越大 变形抗力越小 压力加工性能越好焊接性能 焊接性能是指两块金属材料在局部加热到熔融状态下 能够牢固地焊合在一起的性能焊接性好 易于用一般方法和工艺施焊 焊时不易形成裂纹 气孔 夹渣等缺陷 焊处强度能与原材料相近切削加工性能 切削加工性能是指金属材料被切削加工的难易程度热处理性能 热处理性能是指金属材料适应各种热处理工艺的能力 黑色金属材料 钢 铁一类的金属被称为黑色金属 钢铁材料的基本成分是铁和碳 所以又称为铁碳合金
5、含碳量小于2 11 的铁碳合金是钢 含碳量大于2 11 的铁碳合金是铁 钢 碳素钢合金钢对钢的力学性能和物理性能影响最大的是碳的质量分布 随着含碳量的增加 钢的强度 硬度直线上升 而韧性和塑性不断下降 除此之外 在冶炼过程中加入的或原料中带入的其他元素也对钢的性能产生重要的影响 如锰和硅元素可以提高钢的强度和硬度 硫和磷元素会使钢材变脆 碳素钢 除含碳量小于2 11 之外 还含有少量的锰 硅 硫 磷等杂质元素的钢 我们称之为碳素钢 简称碳钢 碳素钢具有一定的力学性能 良好的工艺性能 价格低廉 是汽车生产和其他工业产品中用量最大的金属材料 分类按钢中碳的含量多少可分为低碳钢 中碳钢 高碳钢 按钢
6、的质量可分为普通质量钢 优质钢 高级优质钢 按钢的用途分为碳素结构钢 碳素工具钢和铸钢 碳素钢 碳素结构钢主要用于制作各种机器零件和工程构件 以低碳钢和中碳钢为多 汽车上受力不大 要求一定的强度 硬度 韧性和良好的加工性能的零部件大量的使用碳素结构钢 碳素工具钢主要用于制作各种工 量 刃具和模具 多属于高碳钢 铸钢主要用于制作形状复杂 难于用锻压等方法成形的零件 如汽车上的桥壳等 碳素钢的牌号 常用碳素钢的牌号及含义举例如下Q235 AF碳素结构钢 其中Q235代表屈服强度值 A代表质量等级 A含硫磷最多 D含硫磷最少 F代表沸腾钢 冶炼时脱氧不完全 45Mn优质碳素结构钢 其中45代表钢的平
7、均含碳量为0 45 Mn的含量为0 7 1 ZG310 570铸钢 其中310代表屈服强度值 570代表抗拉强度值 合金钢 合金钢是指为了改善钢的某些性能 冶炼时在碳素钢的基础上有目的地加入一种或多种合金元素所形成的钢种常用的合金元素有 锰 Mn 硅 Si 铬 Cr 镍 Ni 钼 Mo 钨 W 钒 V 钛 Ti 磞 B 铝 Al 稀土 Re 等合金元素对钢的性能影响很大 如在碳素钢中加入铬 能提高钢的强度 硬度和耐蚀性 加入镍既可以提高钢的强度 又不降低其韧性 加入硅能提高钢的强度 硬度 疲劳强度和耐腐蚀性 几种合金元素同时配合使用 对钢的性能影响比单一合金元素更为显著合金钢只有经过热处理后
8、才能达到改善机械性能的目的 合金钢 合金钢的种类很多 按用途大致可分为以下几类 合金结构钢合金工具钢特殊性能钢 合金结构钢 低合金结构钢在低碳钢的基础上加入少量 合金元素而得到的钢这类钢比相同含碳量的碳素钢的强度要高10 30 并具有较好的塑性 韧性和焊接性能 又因为它的冶炼较简单 生产成本与碳钢相近广泛用于制作各种机器零件和工程构件如汽车上的车架纵梁 横梁 发动机吊耳等用低合金结构钢取代碳素结构钢 可节约钢材 减轻重量 且使用可靠 常用的钢种有12MnV 16Mn等 合金结构钢 合金渗碳钢合金渗碳钢制造的零件 经热处理后 不仅有较高的表面硬度和耐磨性 而且能大幅度提高零件心部的强度和韧性 从
9、而提高抵抗冲击载荷的能力汽车上承受高速 重载 强冲击和剧烈摩擦的零件如活塞销 齿轮 轴类件和重要的螺栓等都是用合金渗碳钢加工经热处理制作的 合金结构钢 合金调质钢合金调质钢是指经过调质处理后使用的钢 具有较高的强度和韧性 若调质后再进行淬火 则能进一步改善零件表面的耐磨性 常用于制造承受重载荷 冲击载荷的零件 如机床主轴 汽车半轴 连杆 转向节等 合金钢 合金结构钢的牌号采用两位数字和化学元素符号及数字的方法表示 前面两位数字表示钢的平均含碳量 万分之几 后面是化学元素符号名称 如铅 铬 锰等 各元素符号后面的数字表示元素平均含量 百分之几 例如12CrNi2 表示钢的平均含碳量为0 12 平
10、均含铬量小于1 5 平均含镍量为2 合金钢 其他合金钢和特殊性能钢常用的钢种有合金弹簧钢 滚动轴承钢合金工具钢耐候钢 良好的抗大气腐蚀能力 不锈钢耐磨钢耐热钢 铸铁 性能特点 与钢相比 其强度低 特别是韧性 塑性差 但铸造性能优良 耐磨 切削加工性能良好 随着技术进步 某些传统上用铸铁制造的汽车零件 已逐步由轻金属替代 铸铁分为白口铸铁 灰口铸铁 可锻铸铁 球墨铸铁和合金铸铁几种 铸铁 白口铸铁白口铸铁断口呈白色 性能硬而脆 很难进行切削加工 主要用来炼钢灰口铸铁灰口铸铁断口呈灰色 由于生产工艺较简单 成本低 熔点低 收缩率小 具有良好的铸造性能 在汽车零件上应用较多灰口铸铁的牌号用 HT 及
11、数字组成 其中数字表示最低的抗拉强度 例如HT100 是最低抗拉强度为100N mm2的灰口铸铁 铸铁 可锻铸铁俗称马铁它具有较高的强度和韧性可用于制作承受冲击和振动的零件 不能进行锻造 铸铁 球墨铸铁俗称球铁球墨铸铁兼有铸铁和钢的理化性能 机械性能和工艺性能 也像钢一样可进行热处理 通过合金化和各种热处理后 可用来代替铸钢和锻钢制造一些受力复杂 性能要求较高的零件 如代替45号钢和35CrMo钢制造大马力柴油机的曲轴 凸轮轴 齿轮和连杆等球墨铸铁的牌号由 QT 及两组数字组成 其中第1组数字表示最低抗拉强度 第2组数字表示最低延伸率 例如QT400 18 表示最低抗拉强度为400N mm2
12、最低延伸率为18 的球墨铸铁 铸铁 合金铸铁 具体包括 在灰口铸铁或球墨铸铁中加入一定量的合金元素 获得特殊性能的铸铁称为合金铸铁 钢的热处理 钢件的热处理是利用加热 保温和冷却的操作方法 来改变钢的组织结构 使钢件获得所需性能的加工工艺 钢的热处理根据加热和冷却的方法不同 大体有以下几类 钢的热处理 退火退火是将钢件加热到一定温度 保温一段时间 然后随炉慢慢冷却到室温的热处理工艺 目的是降低材料硬度 改善切削加工性能 提高塑性和韧性 消除钢中的组织缺陷 消除内应力 2 正火正火是将钢件加热到临界温度以上50 70 充分保温 然后在空气中冷却的热处理工艺 目的与退火基本相同 但正火后钢件的强度
13、 硬度比退火后高 钢的热处理 淬火淬火是将钢件加热到临界温度以上30 50 保温后在冷却介质中快速冷却的热处理工艺常用的冷却介质有水 矿物油 盐 碱的水溶液等淬火的主要目的是提高钢件的硬度和强度回火回火是将淬火后的钢件再加热到临界温度以下的某一温度 保温一段时间 然后在空气或油中冷却的热处理工艺目的是减少或消除内应力 提高韧性和塑性 调整硬度 降低脆性 保证钢件的形状 尺寸不变 钢的热处理 表面淬火表面淬火是将钢件的表面淬透到一定的深度 而中心部分仍保持未淬火状态的一种局部淬火方法目的是使钢件表面获得较高的强度 耐磨性和疲劳强度 而心部仍具有足够的塑性和韧性 化学热处理化学热处理是将钢件置于某
14、一介质中加热 保温和冷却 使介质中的某些元素渗入钢件表层 从而改善表层性能目的是提高钢件表层的硬度 耐磨性 耐腐蚀性和抗氧化性主要有渗碳 氮化 碳氮共渗等 有色金属材料 除黑色金属材料之外的其他金属统称为有色金属在汽车制造生产中常用的主要是铝 铜及其合金 铝及铝合金 纯铝纯铝的熔点为660 密度为的1 3 是一种轻金属材料 其电导性 热导性仅次于银 铜 抗氧化 抗大气腐蚀性能好 常温下在大气中表面能生成一层致密的氧化铝膜 阻止铝表面进一步氧化 纯铝的强度硬度很低 但塑性很高 一般不能作为结构件使用 铝及铝合金 铝合金铝合金是在铝中加入适量的锡 铜 镁 锰等元素后获得的合金 经处理后 铝合金的机
15、械性能大为提高 铝合金的比强度高 具有良好的耐蚀性 切削加工性和铸造性 可以实现柔性的强度设计 表面美观在汽车上得到广泛的应用 如用铸铝合金制造汽缸体 汽缸盖 轮辋 保险杠 用铝合金材料制造散热器 冷凝器等部件 铝及铝合金在汽车上大量使用 一方面改善了这些零部件的使用性能 另一方面达到了汽车的轻量化的目的 是今后汽车材料中重要的发展方向 按铝合金的成分和加工特点 可分为形变铝合金和铸造铝合金 铝合金 形变铝合金分为防锈铝合金 硬铝合金 超硬铝合金等防锈铝合金主要指Al Mn系 Al Mg系合金特点是具有很高的抗蚀性 故常称为防锈铝合金 此外 还具有良好的塑性和一定的焊接性能 但强度较低 不能进
16、行热处理 只有经过冷加工变形才能使其强化防锈铝合金的牌号用 LF 加顺序号表示 LF 是 铝防 两字汉语拼音的第1个字母 例LF5 LF11表示顺序号为5或11的防锈铝合金 同理 LY12是顺序号为12的硬铝合金 LC6是顺序为6的超硬铝合金 LD10是顺序号为10的锻造铝合金 铝合金 硬铝合金主要指Al Cu Mn系 Al Cu Mg系合金通过淬火时效处理而获得相当高的强度 在淬火时效状态下有较好的切削加工性 但耐蚀性较差 超硬铝合金属于Al Cu Mg Zn系合金 另外还加入少量的铬 锰强度在铝合金中最高 故称超硬铝超硬铝主要用作要求重量轻而受力较大的结构件 铝合金 铸造铝合金用来制造铸件的铝合金 俗称铸铝铸铝分为铝硅合金 铝铜合金 铝镁合金 铝锌合金 即Al Si系 Al Cu系 Al Mg系 Al Zn系等 铝硅合金铝硅合金广泛用于制造内燃机的活塞 气缸体 气缸盖 风扇叶片 电机 仪表外壳及形状复杂的结构件 铝铜合金铝铜合金具有较高的耐热强度 可制作高温 300 条件下工作的零件 但抗蚀性较差 铝合金 铸造铝合金铝镁合金铝镁合金的特点是密度小 小于2 55g cd 耐蚀性好 强
