常用汽车材料与热处理基础

2．强度指标
材料受到外力作用会发生变形，同时在材料内部产生一个抵抗变形 的力称为内力。单位面积上的内力称为应力，单位为Pa（帕），即N/m2 工程上常用MPa(兆帕)，1MPa=106pa，或1Pa=1N/m2，或1MPa=1N/mm2。
（1）屈服点σs材料产生屈服时的最小应力。单位为MPa。
σs= Fs/AO （2-1）
1．复合材料的分类
复合材料的分类至今尚不统一，目前主要采用以下几种分类方 法：
（1）按材料的用途分类 料两大类。
可分为结构复合材料和功能复合材
（2）按增强材料的物理形态分类 粒子增强复合材料及层叠复合材料。
可分为纤维增强复合材料、
（3）按基体类型分类 可分为非金属基体及金属基体两大类。
2．复合材料的性能 （1）比强度和比模量高 （2）抗疲劳性能好 （3）减振性能好 （4）高温性能好 （5）工作安全性好 （6）成型工艺简便灵活及可设计性强 3．常用复合材料 （1）纤维增强复合材料 （2）层叠复合材料 4．复合材料在汽车上的应用 （1）玻璃钢的应用 （2）碳纤维增强塑料的应用
1．拉伸曲线 图2-1为低碳钢的拉伸曲线，图中纵坐标表示载荷单位为N；横坐 标表示绝对伸长量△L，单位为mm。
金属材料的强化机制
金属材料
结构材料 高分子材料
强度
陶瓷材料
屈服强度
断裂强度
抗拉强度
疲劳强度
材料强度的唯一性判据
导致材料失效 的最大应力
从图2-1中可以看出下面几个变形阶段： （1）Oe———弹性变形阶段 （2）es———屈服阶段 （3）sb———强化阶段 （4）bk———缩颈阶段
除铸造成形工艺外，还有锻造、挤压、轧制和焊接的新工艺也处 在研究开发之中，今后研究成果将层出不穷。
第三节 工程塑料
塑料是一种以有机合成树脂为主要组成的高分子材料，它通常可在 加热、加压条件下被注塑或固化成形，故称为塑料。汽车用工程塑料， 主要用于制造某些机器零件或构件，具有强度、韧度和耐磨性较好，价 廉、耐腐蚀、降噪声、美观、质轻等特点。
一、橡胶
所谓橡胶，是指在使用温度范围内处于高弹性状态的高分子材料。 1．橡胶的特性 橡胶最显著的特点是具有高的弹性和回弹性。同时， 橡胶还有一定的强度，优异的抗疲劳性，以及良好的耐磨、绝缘、隔声、 防水、缓冲、吸振等性能。 2．橡胶的基本组成 橡胶是以生胶为原料，加入适量的配合剂，经 硫化工艺处理以后得到的一种生产原材料。 3．常用橡胶材料的品种、性能及一般用途 4．橡胶制品在汽车上的应用
第一章 常用汽车材料
学习目的：
通过本章的学习具备所必需的汽车所使用的其他非金属材料基本 知识。
学习要求：
掌握汽车所用工程塑料的性能与用途。 掌握汽车所用其他材料如橡胶、玻璃、陶瓷、复合材料的性能与 用途。
第一节 钢铁材料
1、高强度钢板
高强度钢板是在低碳钢内加入适量的微量元素，经各种处理轧制而 成，其抗拉强度普遍高于440MPa（N/mm²)，是普通低碳钢的2～3 倍，深拉延性能极好，可轧制成很薄的钢板，是车身轻量化的重要材 料。
结构用钢大多用于发动机、变速器、底盘等强度要求高的部件上， 它们不仅需要低成本、高强度、轻量化，而且还需要环保。发动机的 连杆、曲轴等部件通过省略热处理而降低制造成本，广泛应用非调质 钢，并且还在向更高强度化发展。
在环保方面，欧洲比较流行使用低压渗碳、气体淬火技术。为了 减少环境污染物，还开发了无铅材料。
二、玻璃
玻璃是一种非晶态固体，它是以石英砂、纯碱、长石、石灰石等为 主要原料，并加入某薹金属氧化物等辅料，在高温窑中煅烧至熔融后， 经成形、冷却所获得的非金属材料。
1．玻璃的性能 玻璃的一般性能有以下几方面： （1）密度 （2）力学性能 （3）耐热性 （4）化学稳定性 （5）绝缘性 （6）光学性质 2．常用玻璃的种类、特点及主要用途 3．常用汽车玻璃
一、塑料的组成
1．合成树脂
树脂是决定塑料性能和使用范围的主要组成物，在塑料中，起粘结 其他组分的作用。塑料中的合成树脂质量分数一般为30％~100％。因 此，大多数塑料都是以树脂名称来命名的，例如，聚氯乙烯塑料的树脂 就是聚氯乙烯。
2．添加剂
（1）填充剂；（2）增塑剂；（3）稳定剂；（4）着色剂；（5） 其他
四、塑料在汽车上的应用
汽车用塑料按照用途可分为内饰件用塑料、工程塑料和外装件用 料。
1．汽车内饰用塑料
内饰用塑料品种主要有：聚氨酯（PU）、聚氯乙烯（PVC）、聚 丙烯（PP）和ABS等。它们用于制作座垫、仪表板、扶手、头枕、门 内衬板、顶棚衬里、地毯、控制箱、转向盘等内饰塑料制品。
2．汽车用工程塑料
四、陶瓷材料
陶瓷大致可分为传统陶瓷及特种陶瓷两大类。其生产过程比较复 杂，但基本的工艺是原料的制备、坯料的成型和制品的烧成或烧结三 大步骤。
1．陶瓷的组成相及其结构
和金属一样，陶瓷材料的力学性能和物理、化学性能也是由它的 化学组成和结构状况决定的。陶瓷的组织结构非常复杂，一般由晶体 相、玻璃相和气相组成。各种相的组成、结构、数量、几何形状及分 布状况等都会影响陶瓷的性能。
铝合金分为铸件、锻件、板材和 轧制件，汽车上所用的铝合金主要是 铸件。尤其是压铸铝合金，尺寸精度 和生产率很高。
铝合金常应用在缸体、缸盖、变速 器壳和接头上。
铝合金车身大大降低了车身重量
2.镁合金
镁合金的比重是7.8，比铝合金轻2／3，强度和刚性也很好，作为 轻量化材料一直倍受人们的关注。但是除压铸外，其它的各种成形适 应性差，再加上耐腐蚀性差、基体金属成本高、耐热性差，应用上受 到了局限。通过减少杂质可以大幅度提高耐腐蚀性，其实它并不比铝 合金压铸逊色。
第二章 金属材料与热处理基础
学习目的：
通过本章的学习具备所必需的汽车所使用的金属材料基本知 识。
学习要求：
掌握金属的力学性能指标及常用数据。 掌握钢的热处理的基本知识及常用的热处理方法、工艺特点和 应用范围。 掌握常用的机械工程材料类型、牌号、力学性能及用途。 初步具有选择工程材料的能力。
第一节 金属的力学性能
材料的力学性能是指材料在外力作用下所表现出来的特性。力学 性能包括强度、塑性、硬度、冲击韧度及疲劳强度等。
一、强度
强度是指金属材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的能力。 强度指标一般可以通过金属拉伸试验来测定。把标准试样装夹在 试验机上，然后对试样缓慢施加拉力，使之不断变形直到拉断为止。 在此过程中，试验机能自动绘制出载荷F和试样变形量AL的关系曲线。 此曲线叫做拉伸曲线。
式中，Fs是屈服时的最小载荷(N)；A0是试样原始截面积。
对于无明显屈服现象的金属材料（如高碳钢、铸铁），测量屈服点 很困难，工程上经常采用残余伸长为0.2％原长时的应力σ0.2作为屈服 强度指标，称为规定残余伸长应力。
σ0.2= F0.2/AO （2-2）
（2）抗拉强度σb材料在拉断前所承受的最大应力，单位为MPa。 抗拉强度表示材料抵抗均匀塑性变形的最大能力，也是设计机械零件和 选材的主要依据。
2．洛氏硬度试验法 采用顶角为120°的金刚石圆锥体或直径为1.588mm的淬火钢球作 为压头．如图2-3所示。试验时先施加初载荷，使压头与试样表面接 触良好，保证测量准确，再施加主载荷，保持到规定的时间后再卸除 主载荷，依据压痕的深度来确定材料的硬度值。
四、冲击韧度
对于承受冲击载荷的材料，如汽车 发动机中的活塞，不仅要求具有高的强 度和一定的塑性，还必须具备足够的冲 击韧度。金属材料抵抗冲击载荷作用而 不破坏的能力称为冲击韧度。
5、铁基粉末冶金材料
由于粉末；台金的设计形状自由度较大，认为可以替换钢材。可 用于气门座和气门导杆。
制造工艺的动向是：提高致密度，改进成形方法，现已应用在发 动机的链轮和喷射器转子铁芯上。还有一种方法是烧结扩散结合法， 就是多数部件在烧结的同时进行焊接的方式。
第二节 有色金属材料
1.铝合金
铝合金的比重为2.7，是铁的1/3，与其它材料相比，轻量化效果 好，成本较低，耐腐蚀性和回收利用性也好，被广泛地应用于发动机、 传动系统、车身和底盘部件。
三、摩擦材料
汽车用摩擦材料，是汽车上的消耗性材料之一，主要起到传递 动力、制动减速、停车制动等作用，是汽车制动系统与行车系统的 重要组成部分。
1．汽车用摩擦材料的性能要求 对于汽车用摩擦材料，主要有以下几方面的性能要求 （1）摩擦因数 （2）耐磨性 （3）物理、力学特性 （4）噪声 2．汽车摩擦材料的组成 汽车摩擦材料主要由骨架材料、粘结剂和填充材料所组成。
1．布氏硬度试验法 如图2-2所示采用 直径为D的淬火钢球或 硬质合金球，在规定载 荷F的作用下，压入被 测金属表面，保持一 定时间后卸除载荷，测 定压痕直径，求出压痕 球形的表面积，压痕单 位表面积上所承受的平 均压力（F/A）即为布 氏硬度值，压头为淬火 钢球时用HBS表示，压 头为硬质合金球用时 HBW表示。例如120HBS， 450HBW。
到2000年，其使用量已达到50%以上。
车身高强度材料的应பைடு நூலகம்：
抗拉强度
特点
运用
高 340MPa
汽车外板如发动机罩、车
强 度
440MPa 590MPa
抗拉强度极高， 门、行李箱、侧围外板等 屈服强度低、 延伸性高，能
材 780MPa 量吸收性能好。 车身骨架部件
料 980MPa
1470MPa
2、结构用钢
3、不锈钢
由于不锈钢的耐热性和耐腐蚀性好，所以被用于发动机和排气系统 的部件上。
4、铸铁材料
铸铁廉价且形状设计自由度大、切削性好，对于复杂形状的部件， 控制化学成份和组织，可以带来优良的特性(高强度、高耐热性、高耐 磨损性)。
常应用于发动机的缸体、曲轴、凸轮轴和排气管等处。缸体的轻量 化除了使用铝铸件，还使用蠕墨铸铁，控制熔化过程的石墨组织，使 之付予一定的性能，同时应考虑轻量、高强度、高韧性。
汽车上常用的工程塑料有聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚苯 烯、ABS、聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、酚醛树脂等。
3．汽车的外装件及结构件
汽车的外装件及结构件包括传动轴、车架、发动机罩等，要求具 备高强度，因而多采用纤维增强塑料复合材料制造。
第四节 其他非金属材料
非金属材料包括橡胶、玻璃、陶瓷、合成纤维、胶粘剂、摩擦材料、 涂装材料等各种材料，它们在汽车上的应用呈逐年增长的趋势。
式中，L1试样原始标距长度。L0试样拉断后的标距长度。
2．断面收缩率ψ
试样拉断处ψ=×100％横截面积的缩减量与原始横截面积之比
ψ= =(A0—A1)/AO ×100％
（2-5）
式中，Ao是试样的原始横截面积；A．是试样断口处的横截面积。
三、硬度
硬度是指材料表面抵抗局部塑性变形、压痕或划痕的能力。 常用来测定硬度的方法有布氏硬度试验法和洛氏硬度试验法。
2．陶瓷的性能 （1）力学性能 （2）热学性能 （3）电学性能 （4）化学性能
3．常用陶瓷 （1）普通陶瓷（传统陶瓷） （2）特种陶瓷（现代陶瓷） 4．陶瓷在汽车上的应用
五、复合材料
复合材料是由两种或两种以上的物理和化学性质不同的物质， 经一定方法合成而得到的一种新的多相固体材料。它不仅具有各组 成材料的优点，还具有比单一材料更优良的综合性能。
σb= Fb/AO （2-3）
式中，Fb是试样断裂前所承受的最大载荷（N）。
二、塑性
金属材料在载荷的作用下，产生塑性变形而不断裂的能力称为塑性。 通过拉伸试验测得 的常用塑性指标有：断后伸长率和断面收缩率。
1．断后伸长率δ
试样拉断后的标距伸长量和原始标距之比
δ=(L1—L0)/L0×100％
（2-4）
二、塑料的性质
1．物理性能 2．化学性能———耐蚀性 3．力学性能
三、常用工程塑料
工程塑料主要指综合性能（包括力学性能、耐热性、耐寒性、耐 蚀性和绝缘性能等）良好的各种塑料。它们是制造工程结构用零部件、 工业容器和设备等的一类新型结构材料。
常用的工程塑料分为热塑性工程塑料和热固性工程塑料两类。 1．热塑性工程塑料 2．热固性塑料
主要应用在缸盖和各类密封垫上， 延性好的AM类合金(AM50A，AM60B) 主要应用在转向器芯棒上。大多应用于 没有腐蚀性和环境温度不高的小部件上。 欧美的情况是，应用在仪表板骨架和有 耐热性要求的驱动部件的罩类上。
近年来，日本国内镁合金应用在座椅和仪表板骨架等大部件的情 况已进入了实用化阶段。在镁合金中添加Ca和稀土元素，提高其耐热 性，目前已开始应用在机油盘壳和变速器壳上。如果耐热镁合金部件 的成本进一步降低的话，应用范围还会更加广泛。