汽车典型零部件用材料的发展途径

（3）过度变形和断裂类：如前 轴、半轴、紧固螺栓、连杆螺栓、 活塞销等零件，工作时承受拉、 弯、压、扭、冲击等载荷，如果所 受应力超过所用材料的强度，则会 引起零件过度变形或断裂而失效。 汽车零件中发生这类失效的比率较 小。解决这类零件失效和减轻这类 零件质量的主要途径是提高所用材 料的抗塑性变形能力和抗脆性破裂 能力。前者是提高屈服强度，后者 是降低脆性、提高延性和韧性。
（2）汽车承受重载荷零件用高 强度钢
汽车中承受重载荷的零件需要 断面尺寸较大、质量较重的钢材来 制造，提高所用钢材的强度，在相 同服役条件下，增大钢件承受过载 的能力，可提高制件的安全性和延 长使用寿命。过载条件一定时，则 可减小制件的断面尺寸而减轻自 重。但是大幅度提高强度的同时， 又常常使韧性和延性（塑性）显著 降低。
由于各种零件承载性质不同， 受力大小有异，失效形式不一，对 所用材料的性能指标要求也有差 别。承受不同性质载荷的零件决定 其自重的材料性能组合如表2。其 中，E（或G）、σ y、KIC和ρ 分别 为材料的拉伸弹性模量（剪切弹性 模量）、屈服强度（包括疲劳强
度）、韧性（包括冲击韧性、断裂 韧性和密度）。此表所列为减轻零 件质量选择材料的性能提供了依 据。
E/ρ
σ y/ρ
KIC/ρ
G/ρ
σ y/ρ
KIC /ρ
承扭筒状零件 给定T、L、r；t(壁厚)可变
G/ρ
σ y/ρ
KIC /ρ
受弯梁、管类零件 给定S（弯曲力）、L； r可变
承压柱状零件 给定P（压力）、r；t可变
E1/2/ρ E1/2/ρ
σ y 2/3/ρ
KIC 2/3/ρ
承压板状零件 给定P、L、W（宽度）；t可变
（σ t）和冲击韧性（ak）
适当的韧性是提高耐磨性的基本途 径。由于各种磨损零件承受的应力 性质、大小不同，可以采用不同强 度水平的材料来制造，而通过表面 强化（硬化）来提高耐磨性，但为 了减轻零件质量仍应使用高强度材 料。对于像曲轴、凸轮轴这类承受 应力载荷不大以磨损失效为主并要 求较高刚度的零件，使用高强度材 料后，为了保持零件外观尺寸，可 采用中空的设计来减重。
不同的方法来减
重。如承受扭、弯
（包括疲劳）载荷
的零件，因表层承
受应力最大，心部
很少，可以采用表
层再强烈强化（如
表面淬火、渗碳淬
图1 各种钢的强度、延性和R值
火、渗氮等）以及
免造成事故的需要。所以承受重载 制成中空零件来减重。
的零件，所用的材料不仅要有高的
（3）汽车表面磨损零件用高强
强度，而且要具有足够的延性（塑 度钢铁材料
（1）汽车车身用高强度钢板 汽车车身可用的高强度钢板，
除了具有高的强度之外，还要具有 良好的延性和冷塑性加工成形性。 深冲成形、延伸成形和弯曲成形， 都要求钢板具有较高的R值（R=ε w/ ε t，ε w和ε t分别为钢板宽度方向
上的真应变和厚度方向上的真应 变 ） 、 n 值 （ 加 工 硬 化 率 ） 、ε T （总应变率）和低的屈强比（σ y/ σ t）。这类钢板中主要有IF（无间 隙原子）钢、双相（DP）钢、复 相（CP）钢，低碳贝氏体（LCB） 钢、低碳马氏体（LCM）钢和低碳 Si-Mn系TRIP（相变诱发塑性）钢。 这些钢的强度、延性和R值如图1。 可以看出，新钢种如IF钢、超细F晶 钢、低碳贝氏体、马氏体、B+M钢 以及低碳超级贝氏体钢都具有高的 强度和延性，与Al合金、Mg合金等 轻合金相比，作为制造汽车车身用 板材，具有较好的比较优势。
（4）腐蚀类：如滑动轴承、板 弹簧、螺旋弹簧、排气门等零件， 受到大气、雨水、发动机废气等的 作用，会造成零件表面发生腐蚀和 应力腐蚀，如果腐蚀过度也会导致 零件失效。但是，汽车典型零件中 发生腐蚀和应力腐蚀失效的很少。 解决零件失效问题的主要途径是提 高所用材料对腐蚀介质相应的耐蚀 性或进行表面防蚀处理。
E 1/2/ρ
σ y1/2/ρ
KIC1/2/ρ
承压板状零件失稳 给定P、L、W；t可变
E 1/2/ρ
基本保证，无论承受的载荷是拉伸、 弯曲、扭转、压缩、冲击、疲劳，都 要求所用的材料具有足够的抗塑性变 形和抗断裂能力，即具有高的强度。 为了减轻汽车自重实现轻量化，要求 承载零件具有高的比强度（强度/密 度）也就是强度高密度小。使用密度 小的材料是获得高比强度的重要措施 之一。如用密度为2.7~3.2 g/cm3的 铝合金和1.6~2.0 g/cm3镁合金代替 7.8~7.9 g/cm3的钢铁。但是通常密 度小的材料其强度都比较低，有些 密度较大的材料如钢材，其强度可 以在相当大的范围内调整，即可以 各种强化方法使强度大幅度提高从 而使比强度提高。
的疲劳抗力，它主要取决于屈服强 度。因此，提高材料的屈服强度， 即提高了零件的疲劳失效抗力，也 就可能减轻零件的质量。然而在高 强度水平下，疲劳抗力的提高需要 足够的韧性予以配合，而且要求材 料中的杂质和夹杂物含量很少。在 过载疲劳条件下，材料的抗过载疲 劳能力，除了应具有高强度之外， 还需要有较高的韧性和延性。在次 载条件下，为了充分发挥材料次载 锻炼的作用，也必须有一定的延性 和韧性配合。
图2。可以看出，
目前工业上广泛使
用的热处理（正
火、调质）组织形
态为F+P和回火索
氏体（S′）或回
火屈氏体（T′）
的钢，其综合强
度、韧性不高（如
图2中1和4），而
近期研发的Si-Mn
系（BF+A）型具
有TRIP效应的超
级贝氏体钢，在强 图2 各种钢材的类型、加工处理、显微组织形态的抗拉强度
度成倍提高的情况
（5）振动、颤动类：汽车是行 走机械，行驶时许多典型零件都在 转动、振动、颤动，并产生噪声， 这将引起能耗增高、环境污染和乘 员的不舒适感，也可因此而使汽车 失效。解决这类问题除了改进汽车 设计之外，主要是广泛使用减振材 料来制造汽车零部件。这也是汽车
2008年第4期
汽 车 工 艺 与 材 料 AT&M
117.1
204
高碳超级贝氏体钢 （等温处理）
2 200 208.5 58HRC
297
2008年第4期
汽 车 工 艺 与 材 料 AT&M
专 题报道
F
E
A
T
U
R
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S
下，冲击韧性仍高
于调质钢的水平，
因其具有最佳的强
度与韧性配合，应
成为汽车承载零件
首选材料。
此外，对于承
受不同性质载荷
的零件，可以采用
各种钢铁材料原剂在不同的成 分、加工处理和显微组织形态的情 况下，其硬度对耐磨性的影响如图 3。图中的耐磨性等于摩擦滑动距离 除以磨耗的体积。从图3看出，普 遍的规律是材料的硬度增高其耐磨 性增大，但当硬度相同时，材料成 分、加工处理工艺和所具备的显微 组织对耐磨性也有明显的影响。对 照图2可知，具有高强度、高韧性的 材料其耐磨性也高。
2 汽车典Leabharlann Baidu零件材料的发展 途径
材料的强度是汽车重要零件的
汽 车 工 艺 与 材 料 AT&M
2008年第4期
专 题报道
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表2 决定零件自重的材料性能组合
承载方式
承拉柱状零件 给定F（拉力）、L（长度）、r(直径)可变
承扭柱状零件 给定T（扭力）、L；r可变
决定零件最小自重的材料性能组合 刚性 塑变抗力 脆断抗力
长春工业大学 刘云旭
汽车由十几万个零件组成。其 中，承受载荷、传递功率的典型零 件占汽车总质量的绝大部分，而且 基本上都是由金属材料制成，包括 车身、覆盖件、轴、齿轮、弹簧、 连杆等类零件。因此，这些零件的 轻量化、安全化和节约化是实现汽 车现代化的根本条件，其途径是运 用先进科学技术，充分发挥合金资 源潜力和加工制造过程中能源的潜 力，使所用材料实现高强韧化。这 是汽车现代化和增强竞争能力的必 由之路。为此，本文对汽车典型零 部件的高强韧化进行了探讨。
几种轻质（密度小）材料和钢 材的力学性能及比强度如表3。可
以看出，现代轻质合金的比强度高 于传统使用的正火、调质态低、中 碳钢的水平。但是，随着科技的进 步，钢的强度也在不断的提高，近 期研发的Si-Mn系高碳超级贝氏体钢 的强度已超过2 200 MPa，其比强度 也超过Mg合金、Al合金和Ti合金。 加之钢材的工艺性能优越、成本 （包括价格/比强度）较低，因此钢 材仍然是汽车轻量化的主导材料、 首选材料。
300
600
44.1
70.0
90
150
167
200
表3 几种轻质合金及钢材的强度对比
钢材
Ti合金
10钢
45钢
低碳马氏体
（Ti-6Al-4V） （正火） （调质） （淬火、回火）
980 106.3 327
340 209.0 110
913 205.8 254
1 600 210.0 430
222.7
65.0
专 题报道
F
E
A
T
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R
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S
汽车典型零部件用材料的发展途径
目前，汽车零部件广泛使用的低碳（低合金）（F+P）钢和经专门淬火、高温回 火处理的调质钢，其强度和韧性较低，而低碳合金（B+M）复相钢特别是具有TRIP 效应的Si-Mn系（BF+A）超级B钢则具有高的和很高的强度和韧性。用这类钢来制造 汽车零部件将有利于汽车的轻量化，是汽车零部件用钢的发展方向。
性）、韧性以及较小的屈强比。
汽车零件工作时表面受到磨损
目前工程上使用强度高并具有 的零件，一般都承受一定的应力载
较高韧性而且价格较低的材料主要 荷，因此为了减轻零件的质量，也
是钢材。汽车零件可用的钢材类 应使用高强度材料来制造。而且，
型、加工处理和显微组织形态下的 如前所述，提高材料的强度并配合
强度和冲击韧性如
轴
△△
△
承
△△ △
△△△
疲劳， 屈服及 剪切强 度
△△△
△△△△
疲劳， 耐磨 △ 性，耐 蚀性
材料的发展方向之一。 综上所述，大幅度提高汽车典
型零件材料的强度和韧性，可以提 高所制零件的抗疲劳、抗磨损、抗 塑变、抗断裂能力，也为汽车的轻 量化、安全性提供了基础条件。为 了汽车减振、降噪，汽车重要零件 应广泛使用高强韧性减振材料。
轮
△△
△△
类
△△
△△△△
弯曲及 接触 疲劳强 度，耐 磨性
弹
簧
△
类
△△
△
△
△
△
疲劳强 度和弹 性极限
扭转、
曲 轴
△△
△△
△
△
△△△△△
弯曲疲 劳，耐
磨性
连
杆
△△△△
活
塞
△△
销
△△△△
连
杆 螺
△△△
△
栓
△
△
△
△
△
△
拉压、 疲劳
疲劳强 度和耐 磨性
拉压疲 劳、剪 切和屈 服强度
紧 固 螺△ 栓
△
△
△
滑
动
（2）磨损类：如曲轴、凸轮 轴、齿轮、球头销、气缸等零件， 工作时除应力作用之外，还受到摩 擦的作用，而且摩擦引起的磨损也 可能成为这类零件的失效形式。在 汽车零件中磨损失效占有相当的比 率。解决磨损失效的主要途径是提 高所用材料的耐磨性。一般认为， 材料的耐磨性随着硬度的增高而增 高。但是硬度过高其脆性增大，材 料的破断抗力降低，摩擦时局部材 料会脆裂成磨粒而加速磨损。研究 表明，材料的耐磨性主要受材料的 强度和韧性乘积的影响，实际上以 提高材料的强度为主，并配合以足 够的韧性，则是提高材料耐磨性根 本途径。
1 汽车典型零件的失效形式 和性能要求
汽车中的典型零件由于服役条 件不同，其失效形式也不尽相同。 几种典型的汽车典型零件的服役条 件、常见失效形式如表1，可以看 出，这些零件的主要失效形式有以 下几类。
（1）疲劳类：如前轴、曲轴、 齿轮、连杆、弹簧等零件，工作时 主要承受交变载荷，其主要失效形 式是疲劳断裂和接触疲劳引起的表 面麻点剥落。这类失效形式占汽车 重要零件失效的绝大多数。解决疲 劳失效的主要途径是提高所用材料
（4）汽车典型零件使用高强度 吸振材料
新近研究认为，对于新型结构 材料，除了要求具有高的使用性能 和工艺性能之外，还应具有良好的 吸振性能，这对高速行驶的汽车更 为重要，因为汽车就是在机械振动 状态下运行，机械振动产生噪声， 振幅越大、频率越高，产生的噪 声越大。噪声属于三大公害之一， 近年来世界各国都已用法律或规定 加以限制，振动和噪声不仅污染环 境，影响人的身体健康，而且影响 产品（汽车）的质量，削弱了在国 际上的竞争能力。除了采用机械减 振之外，最好采用承载零件的材料 减振。
专 题报道
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表1 典型汽车零件的服役条件和常见失效形式
服役条件
失效形式
零 件 类 型
载荷类型
应力状态
静疲冲
接
拉压弯 扭 切
拉劳击
触
磨温介 损度质
过 振量塑 动变断
形
表尺 脆面寸疲咬腐 断变变劳蚀蚀
化化
腐 蚀 疲 劳
主要失 效指标 抗力
传
动 轴
△△
△△
△
类
△△
△△
弯扭复 合疲劳 强度
齿
延性（塑性）是材料受力断裂 之前发生塑性变形的能力，韧性是 材料断裂之前吸收功（包括弹性变 形功、塑性变形功、断裂功）的 能力。材料具有足够的延性、韧 性是防止制件工作时发生脆断、避
性能
σ t /MPa E/GPa
硬度HBS （σ t /ρ ）
/MPa
轻质合金
Mg合金
Al合金
（MB15） （LC6）