第一章 汽车工程材料

第一章汽车工程材料理论教学内容和过程：1.金属材料的性能1.1 金属材料的使用性能请同学们回顾并思考以下两个问题：1）你所知道的汽车材料有哪些？2）汽车材料的选用与环境有关吗？（一）汽车材料分类：1、金属材料---黑色金属、有色金属、合金2、非金属材料----有机高分子、无机非金属材料、新型复合材料3、汽车运行材料---燃料、润滑剂、工作液（二）金属材料性能：（分组讨论每组给出答案，老师点拨）1.使用性能----力学性能、物理性能、化学性能2.工艺性能----压力加工性能、铸造性能、焊接性能、切削加工热处理（三）1、力学性能定义：材料受到外力作用所表现出来的性能，又称机械能。

2、力学性能包括：强度、塑性、硬度、冲击韧性、抗疲劳性（板书）（五）力学性能指标：1.强度---在外力作用下，金属材料抵抗永久变形和断裂的能力（1）强度的大小用应力表示，金属材料在受到外力作用时必然在材料内部产生与外力相等的抵抗力，即内力。

（2）单位截面上的内力称为应力。

（3）用符号σ表示，σ=F/S（4）单位：Pa（5）通过拉伸试验得到的指标有；弹性极限、屈服强度、抗拉强度。

2.塑性---在外力作用下,金属材料产生永久变形而不断裂的能力（1）定义：指材料受力时在断裂前产生永久变形的能力。

（2）指标：伸长率（δ）和断面收缩率ψδ=（L-L0）/L0×100﹪ψ=（S0-S）/S0×100﹪（3）伸长率、断面收缩率与塑性的关系：δ、ψ值越大，塑性越好。

3.硬度——指材料表面抵抗局部塑性变形、压痕或划痕的能力。

汽车零件根据工作条件的不同，要求具有一定的硬度以保证零件具有足够的强度、耐磨性、和使用寿命等。

常用硬度试验法；布氏硬度HB、洛氏硬度HRC、维氏硬度HV布氏硬度的测试原理：采用直径为D的球体，以一定的压力F将其压入被测金属表面，并留下压痕。

压痕的表面积越大，则材料的布氏硬度值越低。

在实际测定中，只需量出压痕直径d的大小，然后查表即可得布氏硬度值。

主要用于测定各种不太硬的钢及灰铸铁和有色金属的硬度。

洛氏硬度的测试原理：是以试样被测点的压痕深度为依据。

压痕越深，硬度越低，以锥角为120°的金刚石圆锥为压头。

测量洛氏硬度时，根据压头和加载的不同，在洛氏硬度试验机上有A、B、C 三种标尺代表三种载荷值，测得的硬度分别用HRA、HRB、HRC表示。

硬度与耐磨性的关系：硬度越大，耐磨性也越好。

4.冲击韧性（1）定义：材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。

（2）指标：冲击韧度αk=Ak/S5.疲劳强度（1）交变应力：许多零件，在工作过程中往往受到大小或大小及方向随时间呈周期性变化的应力作用，此应力称为交变应力。

（2）金属的疲劳：金属材料在交变应力的长期作用下，虽然应力远小于材料的抗拉强度，甚至低于屈服点，也会发生突然断裂，这种现象叫金属疲劳。

（3）举例变速箱上齿轮1.2 金属材料的工艺性能工艺性能是指材料在成形过程中，对某种加工工艺的适应能力，它是决定材料能否进行加工或如何进行加工的重要因素，材料工艺性能的好坏，会直接影响机械零件的工艺方法、加工质量、制造成本等。

材料的工艺性能主要包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能、切削加工性能等。

1、铸造性能指材料易于铸造成型并获得优质铸件的能力，衡量材料铸造性能的指标主要有流动性、收缩性等。

流动性是指熔融材料的流动能力，主要受化学成分和浇注温度的影响，流动性好的材料容易充满铸型型腔，从而获得外形完整、尺寸精确、轮廓清晰的铸件；收缩性是指铸件在冷却凝固过程中其体积和尺寸减少的现象，铸件收缩不仅影响其尺寸，还会使铸件产生缩孔、疏松、内应力、变形和开裂等缺陷。

2、锻造性能是指材料是否容易进行压力加工的性能。

它取决于材料的塑性和变形抗力的大小，材料的塑性越好，变形抗力越小，材料的锻造性能越好。

如纯铜在室温下有良好的锻造性能；碳钢的锻造性能优于合金钢；铸铁则不能锻造。

3、焊接性能是指材料是否易于焊接并能获得优质焊缝的能力。

碳钢的焊接性能主要取决于钢的化学成分，特别是钢的碳含量影响最大。

低碳钢具有良好的焊接性能，而高碳钢、铸铁等材料的焊接性能较差。

4、热处理性能是指材料进行热处理的难易程度。

热处理可以提高材料的力学性能，充分发挥材料的潜力。

5、切削加工性能是指材料接受切削加工的难易程度，主要包括切削速度、表面粗糙度、刀具的使用寿命等。

一般来说，材料的硬度适中（180～220HBS）其切削加工性能良好，所以灰铸铁的切削加工性比钢好，碳钢的切削加工性比合金钢好。

改变钢的成分和显微组织可改善钢的切削加工性能。

2.铁碳合金状态图多数金属在固态下只有一种晶格类型。

但Fe、Ti、Co、Mn等晶态固体并不只有一种晶体结构，而是随着外界条件（如温度、压力）的变化而有不同类型的晶体结构。

即在固态下会发生晶格类型的转变，这种转变称为同素异构转变。

其中纯铁的同素异构转变尤为重要，它是钢能够进行热处理改变其组织与结构，从而改善力学性能和工艺性能的根本原因。

高温下的液态纯铁在冷却至1538℃时开始结晶，得到具有体心立方晶格的δ-Fe；继续冷却到1394℃时，则转变为面心立方晶格的γ-Fe；再冷却到912℃时，又转变成体心立方晶格的α-Fe。

(体心立方晶格的晶胞中，八个原子处于立方体的角上，一个原子处于立方体的中心，角上八个原子与中心原子紧靠。

面心立方晶胞，金属原子分布在立方体的八个角上和六个面的中心。

面中心的原子与该面四个角上的原子紧靠。

)2.1 铁碳合金的基本组织在铁碳合金中，铁和碳互相结合的方式是：在液态时，铁和碳可以无限互溶；在固态时，碳可溶于铁中形成固溶体；当含碳量超过固态溶解度时，出现化合物（Fe3C），此外还可以形成由固溶体和化合物组成的混合物。

（1）铁素体碳溶解在α-Fe中形成的间隙固溶体成为铁素体，用符号F（或α表示）。

由于体心立方晶格的α-Fe的晶格间隙很小，所以碳在α-Fe中的溶解度很低，在727℃时的最大溶碳量为0.0218%，随着温度的降低，溶碳量逐渐下降。

铁素体的性能接近于α-Fe，具有良好的塑性和韧性，而强度和刚度都较低。

（2）奥氏体碳溶解在γ-Fe中所形成的间隙固溶体成为奥氏体，用符号A（或γ）表示。

由于面心立方晶格的γ-Fe晶格的间隙较大，故溶碳能力较强，在1148℃时，溶碳量可达2.11%，随着温度的降低，溶碳量逐渐下降，到727℃时为0.77%。

奥氏体的强度和硬度都不高，但具有良好的塑性，因此绝大多数钢在高温时（处于奥氏体状态）具有良好的锻造和轧制工艺性能。

（3）渗碳体渗碳体Cm是铁和碳的金属化合物，他的分子式为Fe3C，其碳的质量分数为6.69%，具有很高的硬度，但塑性很差，是一种脆而硬的组织。

（4）珠光体P它是奥氏体从高温缓慢冷却至727℃以下时，发生共析反应所形成的铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状复相物。

用P表示（5）莱氏体Ld是碳的质量分数为4.3%的熔体，在1148℃发生共晶反应所形成的奥氏体和渗碳体所组成的共晶体，用Ld表示。

继续冷却至727℃时，莱氏体内的奥氏体转变为珠光体，转变后的莱氏体用Ld’表示。

莱氏体的力学性能与渗碳体相似，硬度很高，塑性很差。

2.2 铁碳合金状态图分析横坐标上的任何一点,均代表了一种成分的铁碳合金。

图中的任何一点，表明了某一成分的铁碳合金在一定温度下所具有的状态或组织。

图中温度为纵坐标，碳的质量分数为横坐标，其左端点是纯铁(Wc＝0)；右端点是Fe3C(Wc=6.69%)。

从图中可以看出，含碳量越高，铁素体的量越少而渗碳体的量越多。

因而随着含碳量的增加，钢的强度、硬度相应增加，而塑性、韧性则下降。

2.3 铁碳合金的分类3.钢钢，一般是指碳质量分数＜2.11%的铁碳合金。

钢中除了铁和碳两种元素以外，还有由炼钢原料带入炼钢过程中并残留下来的其他常存元素，称为杂质。

这些元素对钢的性能产生很大影响。

常存元素有硅、锰、硫、磷。

（１）、锰的影响炼钢时加入锰，能使FeO还原成铁，从而提高钢的质量。

脱氧后残留在钢中的锰可溶于铁素体和渗碳体中，使钢的强度和硬度提高。

锰还可以和硫形成MnS，减轻硫对钢的有害作用。

在钢中的含锰量一般为0.25-0.8%，锰属于有益元素。

（２）、硅的影响硅也是作为脱氧剂而加入钢中的，硅的脱氧作用比锰还要强。

硅大部分溶于铁素体中，它能提高钢的强度和硬度，所以硅也是钢中的有益元素，硅作为杂质而存在于钢中时，其含量一般不应超过0.4%。

（３）、硫的影响硫是钢中的有害杂质元素。

它常以FeS的形式存在于钢中，FeS与铁形成易熔共晶体，其熔点为985℃，分布于晶界。

当钢在1000-1200 ℃进行锻造时，由于共晶体溶化而导致钢材开裂，这种现象称为热脆。

为避免热脆，钢中含硫量必须严格控制，应小于0.05%。

硫对钢的焊接也有不利影响，会导致焊缝热裂现象，同时，硫易氧化形成SO2气体，使得焊缝中产生气孔。

（4）、磷的影响磷也是钢中的有害元素，磷在钢中能溶于铁素体，使铁素体的强度、硬度显著提高，却使塑性、韧性急剧下降，在低温时，这种情况更加严重，这种现象称为冷脆。

因此，应严格控制钢中的含磷量，一般情况含磷量应小于0.045%。

（5）、非金属夹杂物钢中的非金属夹杂物有氧化物（FeO、 Fe3O4、MnO、SiO2）、硫化物（MnS、FeS）、硅酸盐等。

这些夹杂物是炼钢时产生的而未能完全排除在钢液之上，或是从炉渣、炉体、铸锭设备等耐火材料中带入的。

非金属夹杂物降低钢的强度、塑性，因而夹杂物越少，钢的质量越好。

3.1碳素钢碳素钢又称碳钢，在工业上占有很重要的地位。

这是由于碳钢不仅具有较好的机械性能，良好的工艺性能，而且价格低廉、品种多样，能够满足各种场合的使用要求，所以约占钢总产量的90%以上。

例如汽车的外壳、车架、车桥等，其中的零部件材料很多采用的是碳素钢。

碳素钢的分类碳素钢的分类方法很多，最常见的有以下三种：（1）按钢中的含碳量分低碳钢（ωc<0.25%）；中碳钢（ωc=0.25-0.6%）；高碳钢（ωc>0.6%）（2）按钢的质量分普通钢、高级优质钢和特种钢（3）按用途分碳素结构钢、碳素工具钢一、碳素结构钢（1）普通碳素结构钢碳素结构钢的牌号由代表钢材屈服点的字母（Q）、屈服点数值、质量等级符号和脱氧方法符号等四部分按顺序组成。

规定牌号有Q195、Q215、Q235和Q275四种。

这类钢的碳的质量分数较低，加上硫、磷等有害元素和其他杂质含量较多，故强度不够高。

但塑性、韧性好，焊接性能优良，冶炼方便成本低，适合工程用钢批量大的特点。

（2）优质碳素结构钢含碳量0.05-0.9%，有害杂质含量很少，通常经过热处理后可提高机械性能。

牌号用两位数字表示，数字代表钢平均碳的质量万分数，如牌号45表示其平均碳的质量分数为0.45%。