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1、第一章 汽车材料,本章主要介绍的内容有： 第一节 金属材料 第二节 钢的热处理 第三节 其它常见的汽车材料,第一节 金属材料,本节主要介绍的内容有： 金属力学性能 常见的金属材料,一金属力学性能 1.强度与塑性,强度是抵抗永久变形和断裂的能力。按载荷的作用形式分为拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转等几种，载荷的作用形式不同，金属的强度判据不同。拉伸强度判据应用最普遍、测试方法最简单，通常采用拉伸试验法，在拉伸试验机上进行。 （1）常用强度判据 主要有屈服点和抗拉强度。 1）屈服点和规定残余伸长应力 在拉伸过程中力不增加（保持恒定），试样仍能继续伸长时的应力称为屈服点，以S表示，单位为MPa。 s=F
2、S/A0 式中：FS材料屈服日寸的拉伸力，N。 A0试样拉伸前d0。处横截面积。,屈服点是具有屈服现象的材料特有的强度指标。除退火或热轧的低碳钢和中碳钢等少数合金有屈服点外，大多数合金都没有屈服现象，因此提出“规定残余伸长应力”作为相应的强度指标。国家标准规定：当试样卸除拉伸力后，其标距部分的残余伸长达到规定的原始标距百分比时的应力，作为规定残余伸长应力r。表示此应力的符号应附以角标说明，例如r0.2表示规定残余伸长率为0.2H寸的应力。 r=Fr/A0 式中：Fr产生规定伸长时的拉力，N。 2）抗拉强度 拉伸过程中最大力Fb所对应的应力称为抗拉强度，以b表示。 b=Fb/A0 抗拉强度的物理
3、意义是表征材料对最大均匀变形的抗力，表征材料在拉伸条件下所能承受的最大力的应力值，它是设计和选材的主要依据之一，是工程技术上的主要强度指标。,抗拉强度,断裂前材料发生不可逆永久变形的能力叫塑性。常用的塑性判据是材料断裂时最大相对塑性变形，如拉伸时的断后伸长率和断后收缩率。 1）断后伸长率 试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比称为断后伸长率，以表示。 = L1- L0/ L0100% 式中：L1试样拉断后的标距，mm； L0试样原始标距。 2）断面收缩率 试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比称为断面收缩率，以表示。 = A0- A1/ A0100% 式中：A0试样原始
4、截面积，mm2； A1试样断裂后缩颈处的最小横截面积，mm2。 和越大，表示材料的塑性越好；反之，表示材料的塑性越差，脆性越大。,（）塑性判据,硬度是指材料抵抗局部变形，尤其是塑性变形、压痕或划痕的能力。硬度是衡量金属软硬程度的判据。 材料的硬度是通过硬度试验测得的。硬度试验所用设备简单，操作简便、迅速，可直接在半成品或成品上进行试验而不损坏被测件，而且还可根据硬度值估计出材料近似的强度和耐磨性。因此，硬度在一定程度上反映了材料的综合力学性能，应用很广。常将硬度作为技术条件标注在零件图样或写在工艺文件中。 硬度试验方法较多，生产中常用的是布氏硬度、洛氏硬度试验法。,2硬度,布氏硬度的测定是在布
5、氏硬度试验机上进行的，其试验原理如图1-1所示。,（1）布氏硬度,用直径为D的淬火钢球或硬质合金球做压头，以相应的试验力F（单位：N）将压头压人试件表面，经规定的时间后，去除试验力，在试件表面得到一直径为d的压痕。用试验力F除以压痕表面积A压，所得值即为布氏硬度值，用符号HB表示。用淬火钢球为压头时，符号为HBS；用硬质合金球为压头时，符号为HBW。 式中：A压压痕表面积，mm2； D、D、h压痕平均直径、压头直径、压痕深度，mm。 上式中只有d是变量，只要测出d值，即可通过计算或查表得到相应的硬度值。d值越大，硬度值越小；d值越小，硬度值越大。,布氏硬度公式,洛氏硬度的测定是在洛氏硬度试验机
6、上进行的，试验原理见图1-2。,（2）洛氏硬度,它是以顶角为120。金刚石圆锥体或直径为1.588 mm淬火钢球做压头，在初试验力和总试验力（初试验力+主试验力）先后作用下，压入试件表面，经规定保持日寸问后，去除主试验力，用测量的残余压痕深度增量（增量是指去除主试验力并保持初试验力的条件下，在测量的深度方向上产生的塑性变形量）来计算硬度的一种压痕硬度试验法。 洛氏硬度用符号HR表示。 式中：金刚石做压头，k值为100； 淬火钢球做压头，k为130。,洛氏硬度公式,为使同一硬度计能测试不同硬度范围的材料，可采用不同的压头和试验力。按压头和试验力不同，CB/T 230一l 99l规定洛氏硬度的标尺
7、有九种，但常用的是HRA、HRB、HRC三种，其中HRC应用最广范。洛氏硬度的试验条件和应用范围见表1-1。,洛氏硬度的试验条件和应用范围,常用的方法是摆锤式一次冲击试验法，它是在专门的摆锤试验机上进行的。试验日寸首先将材料按GBT 229一l 994金属夏比缺口冲击试验方法规定，将被测材料制作成标准冲击试样，后将试样缺口背向摆锤冲击方向放在试验机支座上（图1一3 a），摆锤举至。高度，然后使摆锤自由落下；摆锤冲断试样后，摆锤升至h2。摆锤冲断试样所消耗的能量，即试样在冲击力一次作用下折断时所吸收的功，称为冲击吸收功，用符号AK表示。,韧性及疲劳 （1）韧性,AK值不需计算，可由试验机刻度盘上
8、直接读出。冲击试样缺口底部单位横截面积上的冲击吸收功，称为冲击韧度，用符号AK表示，单位为J/cm2。 式中：A-试样缺口底部横截面积，cm2。,图1-3 摆锤式冲击试验原理示意图,许多零件如轴、齿轮、弹簧等是在交变应力作用下工作的。在循环应力作用下，零件在一处或儿处产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程，称为疲劳或疲劳断裂。零件疲劳断裂前无明显塑性变形，危险性大，常造成严重事故。,（2）疲劳强度,试验证明，金属材料能承受的交变应力，与断裂前应力循环基数N有关，见图14。由图可知，当低于某一值时，曲线与横坐标平行，表示材料可经无数次循环应力作用而不断裂，这一应
9、力称为疲劳强度，并用-1表示光滑试样对称弯曲疲劳强度。 一般，交变应力越小，断裂前所能承受的循环次数越多；交变应力越大，可循环次数越少。工程上用的疲劳强度，是指在一定的循环基数下不发生断裂的最大应力。通常规定钢铁材料的循环基数取107，有色金属取108。,疲劳强度的概念,二常见的金属材料,工业上常用的金属材料分为铁基（黑色金属）和非铁基（有色金属）金属材料两大类。铁基金属指钢和铸铁，非铁基金属则包括钢铁以外的金属及其合金。在汽车行业中应用最广的是铁基金属材料，即钢和铸铁。,铁基金属材料有钢和铸铁。钢是指以铁为主要元素，碳的质量分数在2.11以下，并含有其他元素的材料。其品种多、规格全、性能好、
10、价格低，并且可用热处理的方法改善性能，所以是工业中应用最广的材料。根据国家标准GB/T 133041991规定，钢按化学成分可分为非合金钢（碳钢）、低合金钢和合金钢三类；按用途又可分为结构钢、工具钢和特殊性能钢；按用途也可分为建筑及工程结构用钢、机械结构用钢、工具钢、专业用钢（如桥梁用钢、锅炉用钢）等。,（一）铁基金属材料,又称碳钢，是指碳的质量分数小于2.11，并含有少量硅、锰、磷、硫等杂质元素的铁碳合金。碳钢具有一定的力学性能和良好的工艺性能，且价格低廉，在工业中广泛应用。它按用途分结构钢和工具钢；按质量分为普通质量、优质和特殊质量（主要按钢中磷、硫的质量分数划分）。,1非合金钢,对生产过
11、程中控制质量无特殊规定的一般用途的（非合金钢）碳钢。该类钢通常不进行处理而直接使用，因此只考虑其力学性能和有害杂质的质量分数，不考虑碳的质量分数。 GB 7001988规定，碳素结构钢牌号由Q（屈服点的“屈”字汉语拼音字首）、屈服点数值级和脱氧方法四部分按顺序组成。质量等级有A（ws0.050、wp0.045）、B（ws0.045、wp0.045）、C（ws0.040、wp0.040）、D（ws0.035、wp0.035）四种。 脱氧方法用汉语拼音字首表示；“F”-沸腾钢、“B”-半镇静钢、“Z”-镇静钢、“TZ”-特殊镇静钢，通常“z”和“TZ”可省略。例如Q235-A表示s235 MPa，
12、质量等级为A级的碳素结构钢。 Q195、Q215钢有一定强度、塑性好。主要用于制作薄板（镀锌薄钢板）、钢筋、冲压件、地脚螺栓和烟筒等。Q235强度较高，用于制作钢筋、钢板、农业机械用型钢和重要的机械零件，如拉杆、连杆、转轴等。Q235-C、Q235-D钢质量较好，可制作重要的焊接结构件。Q255钢、Q275钢强度高、质量好，用于制作建筑、桥梁等工程质量要求较高的焊接结构件，以及摩擦离合器、主轴、刹车钢带、吊钩等。,（1）普通碳素结构钢,这类钢有害杂质元素磷、硫受到严格限制，非金属夹杂物含量较少，塑性和韧性较好，主要用于制作较重要的机械零件，一般均需进行热处理，故既要保证力学性能，又要保证化学成
13、分。该类钢按冶金质量分为优质钢、高级优质钢（A）、特级优质钢（E）。 优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示，其两位数字表示钢中平均碳的质量分数的万分数。如40钢表示平均碳的质量分数为0.40的优质碳素结构钢。钢中锰的质量分数较高（Mn= 0.7l.2）时，在数字后面附以符号“Mn”，如65Mn钢，表示平均碳的质量分数0.65，并含有较多锰（Mn：0.91.2）的优质碳素结构钢。高级优质钢在数字后面加“A”；特级优质钢在数字后面加“E”。 优质碳素结构钢按碳的质量分数又可分为低碳钢（碳的质量分数在0.25以下）、中碳钢（碳的质量分数为0.250.60）和高碳钢（碳的质量分数为0.600.85）。,
14、（）优质碳素结构钢,低碳钢强度低，塑性、韧性好，易于冲压加工，主要用于制造受力不大、韧性要求高的汽车车身、驾驶室、车门、散热器罩、柴油机活塞销、凸轮轴、凸轮等。 中碳钢强度较高，塑性和韧性也较好，一般需经正火或调质处理后使用，应用广泛。主要用于制作齿轮、轴类、套筒、丝杠、柴油机曲轴连杆等零件。 高碳钢经热处理后，可获得较高的弹性极限、足够的韧性和一定的强度常用来制作弹性零件和易磨损的零件，如转向系接头弹簧、弹簧垫圈和各种卡环、锁片等。,铸钢碳的质量分数为0.150.60，碳的质量分数过高则塑性差，易产生裂纹等缺陷，主要用来制作形状复杂、难以进行锻造或切削加工成形，且要求较高强度和韧性的零件，如
15、机油管法兰、化油器操纵杆接头等。 牌号首位冠以“ZG”（“铸钢”二字汉语拼音字首）。GB/T 56131995规定，铸钢牌号有两种表示方法：用力学性能表示时（按GB/T 113521989规定），在“ZG”后面有两组数字，第一组数字表示该牌号钢屈服点的最低值，第二组数字表示其抗拉强度的最低值。如ZG340-640钢。表示，s340MPa，b640MPa的工程用铸钢；用化学成分表示时，在“ZG后面的一组数字表示铸钢平均碳的质量分数的万分数（平均碳的质量分数大于1时不标出，平均碳的质量分数小于0.1时第一位数字为“0”。在碳的质量分数后面排列各主要合金元素符号，每个元素符号后面用整数标出其质量分数的百分数。如ZG15Cr1Mo1V钢，表示平均c=0.15、Cr=1、Mo=1、0.2v0.3的铸钢。,（）铸钢,在碳钢的基础上，加入一种或几种合金元素，使其具有易切削性能，以适应切削加工自动化、高速化和精密化的需要。目前常加入的合金元素是S、P、Pb、Ca、Se、Te等。易切削结构钢的牌号是在同类
