汽车工程材料1

图1-7低碳钢的σ-ε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σ-ε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=σ/ε=tanα （MPa） 式中，σ为弹性变形阶段的应力，ε为 相应的应变，tanα为拉伸曲线的斜率。
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定。
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 后面按以下顺序表示试验条件：压头球体直径 （㎜）、试验荷载（Kg· f）、试验荷载保持时 间（S）（10～15S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1-9Ａ＆1 - 9Ｂ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。
车用汽油 燃料 轻柴油 其他代用燃料 发动机油 车辆齿轮油 液力传动油 液压油 润滑脂 制动液 减振器液 发动机冷却液 制冷剂
汽 车 运 行 材 料
润滑油
工作液
轮胎
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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。
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Ｃ、Ｈ）——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：
(2)弹性极限σe ： 指材料在弹性变形阶段所能承受的最 大应力。 σe = 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）；σe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σs ：表示材料产生屈服时对应的应力。 屈服点也称为屈服强度。 σs= 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）。
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 密度 1.74 铝 2.7 钛 4.5 铁 7.8
● 镁、铝合金和复合材料 —— 汽车轻量化的材料 —— 减少油耗
镁合金汽车轮 毂
镁合金汽缸盖
镁合金方向盘骨架
2.形状记忆合金
塑性 变形 塑性 变形
加热
2
加热
(
2
>
1
完全破坏 严重损坏 未达功能要求（安全工作）
(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
齿轮常见的失效形式:
1）轮齿折断 ：轮齿象一个悬臂梁，受载后齿根部 产生的 弯曲应力最大。当该应力值超过材料的弯曲疲劳极限时， 齿根处产生疲劳裂纹，并不断扩展使轮齿断裂。此外，突 然过载、严重磨损及安装制造误差等也会造成轮齿折断。
主要措施：提高齿面硬度；降低齿面粗糙度；增大润滑 油黏度；采用合理变位。
4）齿面胶合：高速重载传动中，齿面间压力大，瞬时温度高， 润滑油模被破坏，齿面间会发生黏接在一起的现象，在轮齿 表面沿滑动方向出现条状伤痕，称为胶合。
防止胶合的措施：提高齿面硬度；降低齿面粗糙度；增大 润滑油黏度；限制油温。
5）塑性变形：重载且摩擦力很大时，齿面较软的轮齿表面就 会沿摩擦力方向产生塑性变形。 主动齿轮齿面所受摩 擦力背离节线，齿面 在节线附近下凹；从 动齿轮齿面所受摩擦 力指向节线，齿面在 节线附近上凸。
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。
（2）抗拉强度σb 指试样在拉伸过程中所能承受的最 大应力值。 σb=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：σb，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：σs/σb，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0.65～0.75之间。 比强度：σb/ρ，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。
工作条件 零件 螺栓 传动轴 传动齿轮 弹簧 应力 种类 拉、剪 弯、扭 压、弯 扭、弯 荷载 性质 静载 循环 冲击 循环 冲击 交变 冲击 受载 状态 -轴颈 摩擦 摩擦 振动 振动 常见失效形式 过量变形，断裂 疲劳断裂，过量变 形，轴颈磨损 断齿，磨损， 疲劳断裂，接触疲 劳 弹性失稳， 疲劳破坏 性能要求 强度，塑性 综合力学性能 表面高硬度及疲劳极 限，心部强度及韧性 弹性极限，屈强比 ，疲劳极限
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五.材料的理化性能
1．材料的物理性能
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。
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、抗老化能力和耐热性差等问题。
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六. 材料的工艺性能
例3 非金属材料在汽车零部件中的应用：
2.汽车材料的应用
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%。
3.汽车运行材料
(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）。
(一)材料的拉压试验
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。
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--ΔL曲线； 再作出 应力-应变图，图1-7为低碳钢应力-应变 曲线。
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。
)
形状记忆合金 形状记忆效应示意图
普通材料
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
一张纳米光盘将可记 录1000部电影
● 颗粒直径 0.l～100 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。
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: 铸造性能：流动性、收缩性、偏析 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 热处理性能：淬透性
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七、零件材料的选用
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。
包括
措施：提高齿面硬度；增大润滑油黏度。
(二)失效原因
1.设计不合理 2.选材不合理 3.加工工艺不当 4.安装使新产品、产品的改进和 更新换代。 选材原则——使用性能
工艺性能
经济性
环境与资源原则
（一）材料的使用性能 —— 首要原则
１)零件的工作条件和失效形式 零件失效的原因 —— 设计、材料、加工、安装和使用。
5.其他材料
● 超导材料 ● 贮氢材料 ● 分离膜材料 超微外观 大体结构 纳米人工骨
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)
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 =
AK （J· cm2） F
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。
提高轮齿抗折断能力的措施之一： 对轮齿进行表面处理以提高齿面硬度。
2）齿面磨损：灰尘、砂粒、金属微粒等落入轮齿间，会使齿 面间产生摩擦磨损。严重时会因齿面减薄过多而折断。磨损 是开式传动的主要失效形式。
主要措施：采用闭式传动；提高齿面硬度；降低齿面粗糙 度；采用清洁的润滑油。
3）齿面点蚀：轮齿工作面某一固定点 受到近似脉动的变应力作用，由于疲 劳而产生的麻点状剥蚀损伤的现象。 点蚀是闭式传动常见的失效形式。开 始齿轮由于磨损很少出现点蚀。点蚀 首先出现在节线附近。
4.材料的塑性指标
（1）伸长率δ ：是指试样拉断后，标距伸长量 与原始标距的百分比。即
lu l0 100% l0
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ψ：
是指试样拉断后横截 即
面积的缩减量与原始横截面积之比。
ψ= （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。