汽车材料概述课件

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1、目录,1 汽车材料概述,2 汽车应用材料的组成,3 汽车材料展望,4 材料的性能,5 材料的物理化学性能,6 材料的工艺性能,7 金属材料在汽车上的应用,7 非金属材料在汽车上的应用,主菜单,菜单,菜单,由以上分析可看出：,汽车是一个复杂的机械系统。通常，一辆汽车由约3万个零部件组装而成。 汽车零件按用途来分类: 通用零件： 在各种机器中经常使用的零件。 如：螺栓、螺母。 专用零件： 仅在特定类型机器中使用的零件，如：活塞，曲轴。,一、汽车材料概述,菜单,汽车上每个零部件的生产制造都涉及到材料问题。 据统计，汽车上的零部件采用了4千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

2、使用、维修和养护无一不涉及到材料。,材料是汽车工业的基础,现代汽车要满足: 安全、舒适、自重轻、污染排放低、能耗小、价格低等要求.材料是首要考虑方面。,1.汽车工程材料: (包括分类,性能,牌号,热处理工艺及应用) 2.汽车运行材料,二、汽车应用材料的组成,菜单,1.汽车工程材料的分类, 金属材料（纯金属及合金）, 黑色金属（钢铁), 有色金属 (Cu、Al、Ti、Mg ), 非金属材料, 有机高分子材料（主要成分是、）塑料、橡胶、合成纤维等。, 无机材料玻璃、水泥、陶瓷等, 复合材料玻璃纤维增强塑料等,例1 典型零部件材料应用：,例2 金属材料在汽车零部件中的应用：,例3 非金属材料在汽车零

3、部件中的应用：,以现代轿车用材为例，按照重量来换算， 钢材占汽车自重的55%-60%， 铸铁占5%-12%， 有色金属占6% 10%， 塑料占8% 12%，橡胶占4%，玻璃占3%， 其他材料（油漆、各种液体等）占6% 12%。,2.汽车材料的应用,车用汽油 燃料 轻柴油 其他代用燃料 发动机油 车辆齿轮油 润滑油 液力传动油 液压油 润滑脂 制动液 工作液 减振器液 发动机冷却液 制冷剂 轮胎,汽车运行材料,3.汽车运行材料,三、汽车材料的展望,汽车工业发展的方向:汽车轻量化和减少污染 汽车材料总的发展趋势是： 结构材料中钢铁材料所占比例将逐步下降，有色金属、陶瓷材料、复合材料、高分子材料等新

4、型材料的用量有所上升。在性能可靠的条件下，将尽可能多地采用铝合金、复合材料等轻型、新型材料取代钢铁材料。,菜单,几种新兴材料简介,1.镁合金 magnesium, 密度低、比强度和比刚度较高。, 镁、铝合金和复合材料 汽车轻量化的材料 减少油耗,镁合金方向盘骨架,镁合金汽车轮毂,镁合金汽缸盖,2.形状记忆合金,应用:丰田汽车的散热器护拦活门. 日产汽车冷却风扇离合器.,3.复合材料, 玻璃纤维增强塑料（玻璃钢） 比强度高、耐腐蚀.,4.纳米材料, 颗粒直径 0.l100 纳米（原子、分子尺度）, 具有卓越的性能和特殊功能，如： 纳米级铜不导电； 纳米冰柜可抑制细菌生长。,5.其他材料, 超导材

5、料, 贮氢材料, 分离膜材料,一张纳米光盘将可记录1000部电影,超微外观 大体结构 纳米人工骨,四、材料的性能,材料的性能包括使用性能和工艺性能。 使用性能：是指零部件在正常使用条件下材料所表 现出来的性能。 主要包括力学性能、物理性能和化学性能。 工艺性能：是指材料在被制成各种零部件的过程中 适应加工的性能。 对于金属材料来讲，工艺性能主要包括了铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能和热处理工艺性能。,菜单,1. 材料的力学性能,材料的力学性能：是指材料在外加荷载作用下所表现出来的性能。 包括强度、塑性、硬度、韧度、疲劳强度及断裂韧度等； 力学性能指标：用来表征材料力学性能的各种临界值

6、或规定值.可通过试验测定.,根据外加荷载的性质，荷载分为： 1、静荷载 2、冲击荷载 3、交变荷载。 金属材料 （受载）-变形,分： 弹性变形：荷载卸除后恢复原状 塑性变形：荷载卸除后不能恢复,也叫永久变形。(如图),拉压实验拉压图应力应变图力学性能（指标） 1)弹性：材料保持弹性变形的能力.（弹性模量，弹性极限） 2)强度：指材料抵抗破坏（塑性变形或断裂）的能力。 3)塑性：指材料在断裂前产生永久变形而不被破坏的能力。,(一)材料的拉压试验,1拉伸试验,根据国家标准金属材料拉伸试验（GB228-2008）规定，将材料制成标准拉伸试样，在试验机上加载拉伸至断裂，得 拉伸图：F-L曲线； 再作出

7、 应力-应变图，图1-7为低碳钢应力-应变曲线。,图1-6 低碳钢的F-L曲线,图1-7低碳钢的-曲线,塑性材料：断裂前有明显的塑性变形，称为塑性断裂,塑性断裂的断口呈“杯锥”状。如低碳钢。 脆性材料：在断裂前未发生明显的塑性变形，为脆性断裂，断口是平整的。如铸铁、玻璃等。 不同类型的材料，其-曲线有很大差异。反映出其所具有不同的抗拉性能特点。,2.材料的弹性指标,（1）弹性模量E 表征了材料抵抗弹性变形的能力，也称之为刚度。 E=/=tan （MPa） 式中，为弹性变形阶段的应力，为相应的应变，tan为拉伸曲线的斜率。,(2)弹性极限e ： 指材料在弹性变形阶段所能承受的最大应力。 e =

8、Fe /A0 （MPa） 式中，Fe是试样不产生塑性变形时的最大荷载（N）；A0是试样的原始横截面积（mm2）；e表示材料保持弹性变形的最大应力。,3.材料的强度指标,（1）屈服点s ：表示材料产生屈服时对应的应力。屈服点也称为屈服强度。 s= Fs/Ao （MPa） 式中，Fs为试样发生屈服变形时的荷载（N），A0为试样原始横截面积（mm2）。 （2）抗拉强度b 指试样在拉伸过程中所能承受的最大应力值。 b=Fb/Ao （MPa） 式中，Fb是试样断裂前所承受的最大荷载(N),Ao是试样的原始横截面积(2)。,抗拉强度：b，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。 屈强比：

9、s/b，是一个有意义的指标。其比值越大，越能发挥材料的潜力。但是为了使用安全，该比值亦不宜过大，适当的比值一般在0.650.75之间。 比强度：b/，它表征了材料强度与密度之间的关系。在考虑汽车轻量化的问题时，常常用到这个指标。,4.材料的塑性指标,（1）伸长率 ：是指试样拉断后，标距伸长量与原始标距的百分比。即 式中，lu是试样断裂后的标距（），l0是试样的原始标距（），同一材料的伸长率与试样尺寸有关。,（2）断面收缩率： 是指试样拉断后横截面积的缩减量与原始横截面积之比。 即 = （S0 - SU） / S0 100% 式中, SU是试样断裂处的最小横断面积（2）， S0是试样的原始横截面

10、积(2)。,(二)硬度,材料抵抗其他硬物压入其表面的能力。衡量材料软硬程度 最常用的硬度试验为 布氏硬度（HB） 洛氏硬度(HR) . 此外，还有维氏硬度(HV)、肖氏硬度（弹性回跳法）、显微硬度和锤击式布氏硬度等。,1布氏硬度,测试原理：用一定大小的荷载F，把直径为D的硬质合金球压入被测试样表面，保持规定时间后卸除荷载，移去压头，用读数显微镜测出压痕平均直径d。用荷载F除以压痕的表面积所得的商，即为被测材料的布氏硬度值。,用硬质合金球作为压头所测得的布氏硬度用符号 HBW表示，适用于测量硬度不超过650的材料。,布氏硬度的表示方法规定为： 符号HBS和HBW前面的数值为硬度值，符号后面按以下

11、顺序表示试验条件：压头球体直径（）、试验荷载（Kgf）、试验荷载保持时间（S）（1015S不标注）。 例120 HBW10/1000/30 实验测量d查表硬度,2.洛氏硬度,洛氏硬度采用直接测量压痕深度来确定度值的。试验原理如图1-91 - 9所示。 我国常用的是HRA、HRB、HRC三种，试验条件及应用范围见表1-2。 洛氏硬度值的表示方法规定为：硬度符号前面注明硬度值，例如52HRC、70HRA。 在硬度和强度之间，存在着一定的换算关系，如表1-3所示。,(三)冲击韧度,材料抵抗冲击荷载的能力，是指材料在受到冲击荷载而断裂之前吸收能量并进行塑性变形的能力。 对于两种不同的冲击荷载，分别采用

12、了 冲击韧度和多冲抗力两个指标来衡量材料的冲击性能。,1.冲击韧度,冲击韧度通常是采用一次摆锤冲击试验来测定的。冲击试验的原理如下图所示。 在忽略机械摩擦和空气阻力等条件下，摆锤冲断试样所消耗的冲击功Ak可以从试验机刻度盘上直接读出。且 Ak = G (H-h) （J） 式中，G为摆锤产生的重力（N）。,将冲击功Ak除以缺口处的截面积，即为材料的冲击韧度ak,则 ak = （Jcm2） 根据试样缺口形式的不同，U型缺口试样测得的冲击韧度用aku表示，V型缺口测得的冲击韧度用akv 表示。,2.多冲抗力,多冲抗力一般采用小能量多冲试验进行测定。图1-9所示为落锤式多次冲击弯曲试验示意图，将材料制

13、成标准试样放在试验机上，使之受到锤头的小能量（1500J)多次冲击。,3.材料的低温冲击性能,材料韧性状态变为脆性状态的温度TK称为该材料的脆性转变温度。 材料冲击韧性与温度有关。,(四)疲劳强度,承受交变应力的零件，在工作应力低于材料的屈服强度的情况下较长时间工作时，会产生裂纹或突然断裂，这种现象称为疲劳失效或疲劳破坏。 疲劳失效原因分析:由于材料表面或内部存在有划痕、尖角、夹杂等缺陷，这些有缺陷部位的局部应力大于屈服点，会产生局部变形引起微裂纹，成为疲劳源，随着应力循环次数的增加，微裂纹逐渐扩展，使零件承载的横截面大大减少，以至于不能承受荷载而突然断裂。可以通过疲劳试验，绘制疲劳曲线进行测

14、定。,1.疲劳曲线 ：,测定材料的疲劳强度。,2.疲劳极限: 使试样不发生疲劳断裂的最大循环应力。,3.断裂韧度:材料抵抗裂纹扩展断裂的能力。,实际上零件内往往存在着微裂纹以及夹杂、气孔等类裂纹的缺陷。当材料受外力作用时，这些裂纹的尖端附近便出现应力集中，形成一个裂纹尖端应力场，可能产生失稳而扩展，导致机件断裂。,五.材料的理化性能,指材料的固有属性， 如密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性和色泽等。,1材料的物理性能,菜单,1材料的物理性能,2.材料的化学性能,化学性能:是指材料抵抗周围介质侵蚀的能力。 对于金属材料来说，指耐蚀性和抗氧化性。 对于非金属材料，还存在着化学稳定性、抗老化

15、能力和耐热性差等问题。,材料在常温下抵抗周围介质（如大气、燃气、水、酸、碱、盐等）腐蚀的能力。 化学腐蚀 电化学腐蚀。 腐蚀防护途径： 1、采用耐蚀性好的不锈钢、铝合金等， 2、采用适当的涂料进行涂覆； 3、结构设计（防行成闭合回路）， 4、阴极保护。,1)耐蚀性,2) 抗氧化性,指材料在高温下抵抗氧化的能力，又称为热稳定性。 在钢中加入Cr、Si等元素，可大大提高钢的抗氧化性。,铸造性能：流动性、收缩性、偏析,热处理性能：淬透性,锻造性能：塑性、变形抗力,焊接性能：焊接性、碳当量,切削性能：表面粗糙度、刀具寿命,六. 材料的工艺性能,是指材料在被制成各种零部件的过程中适应加工的性能。包括:,菜单,1.零件的失效形式,失效的概念: 零件由于某种原因而丧失原设计所规定的功能。 完全破坏 包括 严重损坏 未达功能要求（安全工作）,七、零件材料的选用,菜单,(一)零件常见的失效形式,过量变形失效弹变、塑变、蠕变 断裂失效过载断裂，疲劳断裂 表面损伤失效磨损，点蚀、胶合,1）轮齿折断 ：轮齿象一个悬