3汽车常用材料

5.其他材料
ຫໍສະໝຸດ Baidu
● 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。
破坏的能力。
1．拉伸试验
根据国家标准《金属材料拉伸试验》（GB2282008）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。
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。
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。
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二、汽车应用材料的组成
➢ 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
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 …)
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)
(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
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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
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1发动机
2底盘 3车身
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一、汽车材料概述
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
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。
(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。
(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。
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。
普通材料
形状记忆效应示意图
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。
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。
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
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
3.汽车运行材料
汽车运行材料
燃料
车用汽油 轻柴油 其他代用燃料
润滑油 工作液
轮胎
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
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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。
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 = 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。
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）。
（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。
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。
材料是汽车工业的基础
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，到汽车的使用、维修和养护无一不涉及到材 料。
(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。
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。
(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
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。
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。
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。
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
钛
铁
密度 1.74 2.7 4.5 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
加热
形状记忆合金
2
( 2> 1)
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。
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面
积的缩减量与原始横截面积之比。 即
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)。
● 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：
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%。
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
完全破坏 严重损坏 未达功能要求（安全工作）
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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