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1、项目一 汽车工程材料,任务一 汽车常用材料主要性能分析,任务二 铁碳合金,任务三 汽车典型零件热处理,任务四 汽车零件常用材料,图1-1 汽车曲轴、活塞、齿轮,汽车曲轴、活塞、齿轮的主要性能有哪些,1掌握汽车常用材料的性能指标。 2具有对不同汽车零件进行主要性能 分析的能力,一、金属材料的使用性能 二、金属材料的工艺性能,力学性能是指金属材料在外力的作用下表现出来的特性,力 学 性 能 指 标,强度,硬度,疲劳强度,塑性,冲击韧性,一）力学性能,一、金属材料的使用性能,一）力学性能,两个定义,载荷: 金属材料在加工及使用过程中所受到的外力,变形: 金属材料受载荷作用而发生的几何形状和尺寸 的变
2、化称为变形,分类: 静载荷、冲击载荷、变载荷,分类: 弹性变形、塑性变形,A.拉伸试样,按国标规定标准拉伸试样可分为,1）板形试样：原材料为板材或带材,短试样l0 5d0,l0为试样标距，d0为试样直径,2）圆形试样,长试样l010d0,强度和塑性是根据拉伸试验测定出来的,拉伸试验机,标准拉伸试样,d1,缩颈现象,拉伸试验中得出的拉伸力F与伸长量L的关系曲线,屈服,弹性变形,缩颈,断裂,塑性变形,B.拉伸曲线（力-伸长曲线,图1-4 低碳钢的拉伸曲线（应力应变曲线,强化,C.应力-应变曲线,1）应力：单位面积上试样承受的载荷,2）应变：单位长度的 伸长量,应力-应变曲线,1强度,1）屈服强度和
3、规定残余伸长应力,材料的屈服强度（屈服极限），用s表示,材料的规定残余伸长应力，用0.2表示,强度是材料在载荷（外力）作用下抵抗塑性变形和断裂的能力,在拉伸试验中具有屈服现象的金属材料称为塑性材料，而工程上使用的金属材料，大多数没有明显的屈服现象，这类金属材料称为脆性材料。有些脆性材料，不仅没有屈服现象，而且也不产生缩颈,铸铁的拉伸曲线,2）抗拉强度,在工程上把 称为屈强比。 屈强比高表示材料的抗变形能力较强，不易发生塑性变形，材料强度的有效利用率高； 屈强比低表示材料的塑性较好，零件的安全可靠性越高,屈服强度和抗拉强度是机械零件设计和选材的主要依据,材料的抗拉强度，用b表示,2塑性,1）断后
4、伸长率,塑性是材料断裂前发生不可逆塑性变形的能力,试样拉断后，标距伸长量和原始标距的百分比,5%，塑性材料； 5%，脆性材料,长试样： ；短试样：,试样拉断后，缩颈处横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比,2）断面收缩率,材料的或值越大，表示材料的塑性越好。塑性直接影响到零件的成形加工及使用,3硬度,硬度是指金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划伤的能力,布氏硬度 HB 洛氏硬度 HR 维氏硬度 HV,压入法,硬度试验方法,1）布氏硬度,压头,淬火钢球 HBS：布氏硬度值 450的材料； 硬质合金球 HBW：布氏硬度值450650的材料,优点,测量误差小（因压痕大），数据稳定，重复性强
5、,缺点,压痕面积较大，测量费时，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料,应用,常用于测量较软材料、灰铸铁、有色金属、退火正火钢材的硬度,不适于测量成品零件或薄件的硬度,2）洛氏硬度,压头,120金刚石圆锥体 HRA与HRC 淬火钢球 HRB,初试验力F1,总试验力F,主试验力F2,F = F1 + F2,测量操作简单，方便快捷，压痕小；测量范围大，能测较薄工件,测量精度较低，可比性差，不同标尺的硬度值不能比较。 例如： 50HRC40HRC,优点,缺点,应用,可用于成品检验和薄件表面硬度检验,不适于测量组织不均匀材料,3）维氏硬度,与布氏硬度试验原理基本相同，只是改用金刚石四棱锥体作压头,特
6、点：可测较薄的硬化层及很软、很硬的材料,4冲击韧性,冲击韧性采用的测定方法是摆锤式一次冲击试验方法,冲击韧性是指金属材料在冲击载荷作用下断裂时吸收变形能量的能力,冲击韧度是指冲击试样缺口处单位横截面面积上的冲击吸收功,冲击韧度（,冲击试验原理示意图,冲击吸收功,T，k 急剧，韧性脆性,韧脆转变温度：材料由韧性状态向脆性状态转变的温度,Titanic钢板强度高，韧性很差，特别是在低温呈脆性，冲击试样是典型的脆性断口，近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性,Titanic钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果,Titanic沉没原因,疲劳强度（-1 ）是材料在无数次重复的交变载荷作用下
7、不发生断裂的最大应力，其大小与应力变化的次数有关,5.疲劳强度,在循环应力和应变作用下，零部件在一处或几处产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后，产生裂纹或突然产生断裂的过程，这种破坏称为疲劳破坏（或疲劳断裂,对于黑色金属（钢材）规定循环次数为N=107次，对应有色金属循环次数为N=108次,二）物理性能,1.密度； 2.熔点； 3.导热性； 4.导电性； 5.热膨胀性,金属材料的物理性能是指金属固有的属性,物 理 性 能,三）化学性能,化 学 性 能,1.耐腐蚀性,2.抗氧化性,3.化学稳定性,化学性能是指金属材料在常温或高温条件下抵抗外界介质对其化学侵蚀的能力,二、金属材料的工艺性能,金
8、属材料的工艺性能是指材料加工成形的难易程度,工艺性能往往是由物理性能、化学性能和力学性能综合作用所决定的，不能简单用一个物理参数来表示,零件的制造过程,1铸造性能,2锻造性能,3焊接性能,4切削加工性能,3焊接性能,铸造性能是指金属在铸造生产中表现出的工艺性能,焊接性能是指金属材料对焊接成形的适应性，也就是指在一定的焊接工艺条件下，金属材料获得优质焊接接头的难易程度,切削加工性能是指金属材料被切削加工的难易程度,锻造性能是指锻造金属材料的难易程度,1铸造性能,2锻造性能,4切削加工性能,一、汽车曲轴的主要性能分析 二、汽车发动机活塞的主要性能分析 三、汽车变速器齿轮的主要性能分析,一、汽车曲轴
9、的主要性能分析,1具有高的强度、一定的冲击韧性，以抵抗冲击载荷。 2具有足够的弯曲和扭转疲劳强度，以抵抗弯曲和扭转载荷。 3具有足够的刚度，以抵抗曲轴磨损变形。 4轴颈表面具有高的硬度和耐磨性,二、汽车发动机活塞的主要性能分析,1要有足够的强度，以抵抗不同载荷。 2要有足够的刚度，以抵抗变形磨损。 3导热性好，耐高压、耐高温，以适应恶劣的工作条件。 4耐腐蚀性好，以抵抗燃气的化学腐蚀。 5质量小，重量轻，尽可能减小往复惯性力,三、汽车变速器齿轮的主要性能分析,1齿面有足够的硬度，以抵抗齿面磨损、点蚀、胶合以及 塑性变形等。 2齿心有足够的强度和较好的韧性，以抵抗齿根折断和冲 击载荷。 3有良好
10、的加工工艺性能及热处理性能，使之便于加工且 便于提高其力学性能,钢和铸铁都是以铁和碳为主要元素组成的合金，统称为铁碳合金。铁碳合金基本组织包含哪些，力学性能如何？铁碳合金相图有哪些应用,1掌握金属的晶体结构和同素异晶转变。 2掌握铁碳合金的基本组织。 3. 掌握铁碳合金相图的应用,一、金属的晶体结构和同素异晶转变 二、合金的晶体结构 三、铁碳合金的基本组织 四、铁碳合金相图 五、铁碳合金的分类,一、金属的晶体结构与同素异晶转变,1）晶体和非晶体,晶 体：原子在空间呈有序排列的固态物质,具有规则的外形； 具有一定的熔点； 具有各向异性,没有规则的外形； 没有固定的熔点； 具有各向同性,非晶体：原
11、子或分子无规则的堆积在一起的固态物质,固态物质根据其原子排列特征，可分为晶体和非晶体两类,1.金属的晶体结构,晶体结构：指在晶体内部，原子、离子或原子集团规则排列的方式,晶格：抽象的用于描述原子在晶体中排列方式的空间几何格架,晶胞：组成晶格的能反映其特征和规律的最基本几何单元,2）晶格和晶胞,原子排列,晶格,晶胞,3）三种典型的金属晶体结构,铁（912以下的钝铁）、铬、钼、钨、钒,体心立方晶格,铁（1394912的钝铁）、 铜、铝、镍等,面心立方晶格,铍、镁、锌、镉等,密排六方晶格,4）实际金属的晶体结构,由许多晶粒组成的晶体称为多晶体，实际金属就是多晶体,实际金属晶体结构,晶体缺陷,点缺陷：
12、不规则区域在空间三个方向上的尺寸都很小，主要是空位、间隙原子、置换原子,实际晶体中，排列不规则的区域称为晶体缺陷,在实际晶体结构中，晶格的某些结点上没有原子，则称这结点为空位。位于晶格空隙之间的原子称为间隙原子,线缺陷：不规则区域在一个方向的尺寸很大，在另外两个方向的尺寸都很小，主要是位错，即晶体中某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象,面缺陷：一维尺度很小，而二维尺度较大的原子错排区域，主要是晶界和亚晶界,2金属的结晶,1）结晶的基本概念,结晶：物质由液态变为固态的过程称为凝固，凝固后的固态物质可以为晶态，也可以为非晶态。如果通过凝固形成晶体，称为结晶,金属材料的凝固是典型的结晶过程，而
13、玻璃的凝固过程是非晶体凝固过程,金属的结晶：是指液态金属凝固成固态金属晶体的过程,纯液态金属 的冷却曲线 （理想状态,纯液态金属的冷却曲线（实际状态,结晶平台：由结晶潜热导致，即金属液固转变所释放的潜热与系统散热量相等的结果,2）金属的结晶过程,从宏观角度看结晶规律,结晶是在一定的过冷度下完成的，即存在过冷现象。 结晶过程是在恒温下完成的,包括晶核形核和长大两个基本过程,形核方式：自发形核与非自发形核,长大方式：平面方式与树枝状方式,从微观角度看结晶规律,自发形核 从液态内部由金属本身原子自发长出结晶核心的过程叫做自发形核，形成的结晶核心叫做自发晶核。 *非自发形核 依附于杂质而生成晶核的过程
14、叫做非自发形核，形成的结晶核心叫做非自发晶核,晶核的形成,晶核的长大,树枝状方式,平面方式,结论：金属的结晶过程形核与长大过程,金属液,形成晶核,晶核 长大,形成晶体,3金属的同素异晶转变,体心立 方晶格,体心立方晶格,面心立方晶格,物理性质：纯铁在1538熔化，纯铁液体结晶为固体后，在冷却至室温过程中，经历两次同素异晶转变。 同素异晶：元素相同，结构不同。 二次结晶,合金：由两种或两种以上的金属元素，或金属元素与非金属元素组成的具有金属性质的物质,组元：组成合金的基本物质,相：指金属或合金中具有相同成分、相同结构并以界面相互分开的各个均匀的组成部分,组织：指用肉眼或借助于放大镜、显微镜观察到
15、的材料内部的形态结构,如: 黄铜：Cu-Zn，铝合金：Al-Si,1.合金的组元,二、合金的晶体结构,2.相和组织,根据构成合金各组元之间相互作用的不同，固态合金的相可分为固溶体、金属化合物和机械混合物三类,固溶体,3.合金的组织,固溶体强度、硬度较低，塑性、韧性较好,金属化合物,机械混合物,金属化合物是合金组元之间相互发生作用而形成具有金属特性的一种新相,金属化合物晶体结构复杂，熔点高，硬而脆,机械混合物的性能介于固溶体和金属化合物之间，即强度、硬度较高，塑性、韧性较好,三、铁碳合金的基本组织,1.铁素体：碳溶解在-Fe中的间隙固溶体（F），它仍保持-Fe的体心立方晶格结构,由于-Fe晶粒间
16、隙小，碳在-Fe中溶解度极小，室温时仅为0.0008%， 727最大为0.0218%，所以是几乎不含碳的纯铁。 塑性和冲击韧度较好，而强度、硬度较低,铁素体原子排列,因晶格间隙较大，碳在-Fe中的解度要比在-Fe中大，在727时为0.77%，在1148时溶解度最大，可达2.11%。 奥氏体的强度、硬度较低，但具有良好的塑性，是绝大多数钢高温进行压力加工的理想组织,2.奥氏体：碳溶解在-Fe中的间隙固溶体（A），它扔保持-Fe的面心立方晶格结构,奥氏体原子排列,3.渗碳体：铁与碳形成的金属化合物（Fe3C）。含碳量为6.69%，硬度很高（大于800HBW），脆性大，塑性和冲击韧度几乎为零,4.珠
17、光体：铁素体和渗碳体组成的机械混合物（P）。力学性能介于铁素体和渗碳体之间，综合性能良好。即强度较好，硬度适中，并具有一定的塑性,铁素体、奥氏体、渗碳体属于单相组织，珠光体、莱氏体属于两相混合组织,5.莱氏体：奥氏体和渗碳体组成的机械混合物（Ld）。莱氏体中由于大量渗碳体存在，其性能与渗碳体相似，即硬度高，塑性差,铁碳合金中的基本相,在铁碳合金中一共有三个相，即铁素体、奥氏体和渗碳体,但奥氏体一般仅存在于高温下，所以室温下所有的铁碳合金中只有两个相，就是铁素体和渗碳体,由于铁素体中的含碳量非常少，所以可以认为铁碳合金中的碳绝大部分存在于渗碳体中,四、铁碳合金相图,6.69%C,FeC二元相图,
18、PSK共析线-A1线,ECF共晶线,ACD线液相线,AECF线固相线,GS线-A3 线,ES线-Acm线,纯铁的熔点1538,共晶点1148,渗碳体熔点1227,共析点727,同素异晶转变点912,碳在奥氏体中的最大溶解度点1148,铁碳合金相图中主要特性点的含义,Fe-Fe3C相图相区分析,单相区-5个: 液相区（L）-ABCD以上区域； 固溶体区（）-AHNA； 奥氏体区（A）-NJESGN； 铁素体区（F）-GPQ； 渗碳体区（Fe3C）-DFKL线段区域,两相区-7个: 7个两相区分别存在于两个相应的单相区之间。 L +-AHJBA； A +-HNJH； L + A-BJECB； L
19、+ Fe3C-DCFD； A + F-GPSG； A + Fe3C-ESKFCE； F + Fe3C-PQLKSP,三相区-3个: （三个恒温转变：包晶、共晶、共析） 包晶线-（发生在1495）水平线HJB（L + + A）； 共晶线-（发生在1148）水平线ECF（L + A + Fe3C）； 共析线-（发生在 727）水平线PSK（F + A + Fe3C,五、铁碳合金的分类,根据相图，将铁碳合金分为三大类7种,1.工业纯铁： wc 0.0218,2.钢：（0.02182.11,亚共析钢（0.02180.77,共析钢（0.77,过共析钢（0.772.11,3.白口铸铁：（2.116.69,
20、亚共晶白口铸铁（2.114.30,共晶白口铸铁（4.30,过共晶白口铸铁（4.306.69,低碳钢（0.02180.25,中碳钢（0.250.6,高碳钢（0.61.5,工程实践中钢的分类,一、铁碳合金的基本组织及其力学性能 二、铁碳合金相图在选材方面的应用 三、铁碳合金相图在热处理工艺方面的应用,一、铁碳合金的基本组织及其力学性能,1铁素体 铁素体的强度、硬度很低，其硬度值为5080HBS， 但它具有良好的塑性和韧性。 2奥氏体 奥氏体具有良好的塑性和较低的变形抗力。 3渗碳体 渗碳体的硬度高、脆性大，塑性和冲击韧度几乎等于 零，在钢中起强化作用。 4珠光体 珠光体的力学性能介于铁素体和渗碳体
21、之间。 5莱氏体 莱氏体的性能和渗碳体相似，硬度很高约700HBW，塑 性极差,二、在选材方面的应用,需要塑性、韧性好的材料，可选用低碳钢；对工作中承受冲击载荷和要求较高强度的各种机械零件，希望强度和韧性都比较好，可选用中碳钢；制造各种切削工具、模具及量具时，需要高的硬度、耐磨性，可选用高碳钢。对于形状复杂的箱体、机器底座等，可选用熔点低、流动性好的铸铁材料,铁碳合金在固态加热或冷却过程中均有相的变化，所以钢和铸铁可以进行有相变的退火、正火、淬火和回火等热处理。奥氏体有溶解碳和其他合金元素的能力，而且溶解度随温度的提高而增加,三、在热处理方面的应用,汽车发动机曲轴轴颈处要求有高的硬度和耐磨性；
22、汽车齿轮要求齿面具有足够的硬度，同时齿心具有较好的韧性。 为达到使用要求，曲轴、齿轮必须进行热处理。那么，它们采用了哪些热处理工艺，其作用如何,1掌握钢的热处理概念。 2掌握汽车典型零件的热处理方法及应用,一、钢的热处理的组织改变原理 二、钢的热处理,热处理是将钢铁材料在固态下以适当的方式进行加热、保温和冷却，以获得所需组织和性能的工艺过程，可用下图所示的工艺曲线表示,一、钢的热处理的组织改变原理,1钢在加热时的转变,1）钢的相变点,平衡相变点,加热相变点,冷却相变点,A1、A3、Acm,Ac1、Ac3、Accm,Ar1、Ar3、Arcm,加热工序目的：得到奥氏体（A,1）奥氏体晶核的形成 （
23、2）奥氏体晶核的长大 （3）剩余渗碳体的溶解 （4）奥氏体的均匀化,奥氏体形成过程四个阶段,2）奥氏体的形成,任何成分的钢加热到Ac1点以上时，都要发生珠光体向奥氏体的转变，并使其成分均匀化，即进行奥氏体化,转变过程遵从结晶的普遍规律,使零件内外温度均匀和转变完全，而且还可以获得成分均匀的奥氏体，以便钢冷却后获得良好的组织和性能,表1-3冷却速度与力学性能,2钢的热处理保温阶段的目的,3钢在冷却时的转变,1）珠光体（P）：形成温度为 A1650，片层较厚，500倍光镜下可辨，硬度值小于20HRC。 （2）索氏体（S）：形成温度为650600，片层较薄，800-1000倍光镜下可辨，硬度值为22
24、35HRC,共析钢冷却转变后所获得组织的形成温度和硬度,3）托氏体（T）：形成温度为600550，片层极薄，电镜下可辨，硬度值为3542HRC,托氏体,珠光体、索氏体、托氏体三种组织无本质区别，只是形态上有粗细之分，因此其界限也是相对的,4）贝氏体（B,上贝氏体（B上）：形成温度为550350，在光镜下呈羽毛状，硬度值为4045HRC。 下贝氏体（B下）：形成温度为350230，在光镜下呈竹叶状，硬度值为4555HRC,500,500,板条状-低碳马氏体（C%0.2%），在光镜下呈细板条状； 针片状-高碳马氏体（C% 1%），在光镜下呈竹叶状,5）马氏体（M）：形成温度在230以下，硬度值为5
25、565HRC,1000,1500,热 处 理,普 通 热处理,表 面 热处理,退火、正火、 淬火、回火,表面 淬火,化学热处理,感应加热淬火,火焰加热淬火,钢的渗碳,钢的渗氮,二、钢的热处理,根据热处理的作用不同，热处理一般可分为预备热处理和最终热处理,只有当工件性能要求不高时，才作为最终热处理,一般零件生产的工艺路线,退火是将钢件加热到高于或低于钢的临界点，保温一定时间，随后在炉中或埋入导热性较差的介质中缓慢冷却，以获得接近平衡组织的一种热处理工艺，又称“焖火,一）普通热处理,1退火,2. 正火,正火是将钢件加热到Ac3（对于亚共析钢）或Accm （对于过共析钢）以上3050，保温后从炉内取
26、出，在空气中冷却的热处理工艺,正火目的： 对于低、中碳钢（wc0.6%），目的与退火的相同。 对于过共析钢，用于消除网状二次渗碳体，为球化退火作组织准备。 对于普通件，作为最终热处理,3.淬火,将钢件加热到Ac3或Ac1以上3050，保温一定时间后，在水、盐水或油等介质中快速冷却，从而获得马氏体或贝氏体组织的一种热处理工艺,淬火目的： 提高钢的强度、硬度，使钢强化； 与不同回火处理相配合，获得所需要的力学性能,淬透性和淬硬性,淬透性：是指钢在淬火时奥氏体转变为马氏体的难易程度。 淬硬性：是指钢在理想条件下进行淬火硬化所能达到的最高硬度的能力,4.回火,把淬火后的钢件重新加热到Ac1线以下，保温
27、一段时间，再以适当的冷却速度冷却到室温的热处理工艺,回火目的： 减少或消除淬火内应力，防止变形或开裂。 获得所需要的力学性能。淬火钢一般硬度高，脆性大，回火可调整硬度、韧性,淬火 + 高温回火 = 调质处理,回火分类,调质处理，简称“调质”，广泛用于连杆、轴、齿轮等要求具有较好综合力学性能的零件,柴油机连杆,1.表面淬火,1）感应加热表面淬火,基本原理： 感应圈通入交流电 形成涡流（集肤效应） 表层得A 水冷得M。 电流频率越高，集肤效应越强烈，加热层越薄,用钢：中碳钢、中碳合金钢、40、45、40Cr,二）表面热处理,2）火焰加热表面淬火,a.设备简单，操作方便，成本低。 b.淬火质量不稳定
28、。 c.适于单件、小批量及大型零件的生产,2.化学热处理,基本过程,1）分解: 化学介质在高温下释放出待渗的活性原子。 （2）吸收: 活性原子被零件表面吸收和溶解。 （3）扩散: 活性原子由零件表面向内部扩散, 形成一定厚度的扩散层,1）钢的渗碳,目的：使低碳工件的表面层增碳，改善表层的热处理性能,渗碳用钢：低碳钢或低碳合金钢,淬火工艺方法： 直接淬火法； 一次淬火法； 两次淬火法,工件渗碳后，必须进行淬火和低温回火,加热温度：900950,渗氮用钢：中碳合金钢,目的：提高工件表面硬度、耐磨性、疲劳强度、热硬性和耐腐蚀性,2）钢的渗氮,气体渗氮的特点,表面硬度较高，可达6972HRC,工件变形
29、很小，渗氮后工件的疲劳强度可提高1535,渗氮层具有高耐腐蚀性,加热温度：500600,一、汽车发动机曲轴使用的热处理工艺及 其作用 二、汽车齿轮使用的热处理工艺及其作用,一、汽车发动机曲轴使用的热处理工艺及其作用,发动机曲轴采用调质处理和表面淬火（或渗氮处理）。 发动机曲轴采用调质处理，使材料具有较高的综合力学性能，以适应弯曲、扭转、剪切、冲击等交变应力的作用；轴颈表面再进行表面淬火（高频淬火）或渗氮处理，提高表面硬度及耐磨性，进而承受较高的工作应力,二、汽车齿轮使用的热处理工艺及其作用,汽车齿轮采用渗碳处理或调质处理。 采用渗碳处理的作用是提高齿轮表层的硬度、耐磨性和疲劳强度，进而满足齿轮
30、齿面具有足够的硬度，同时齿心具有较好的韧性的性能要求。 采用调质处理使齿轮获得较高的强度和韧性，即具有较好的综合力学性能，进而满足齿轮齿面具有足够的硬度，同时齿心具有较好的韧性的性能要求,汽车中不可拆的、最小的组成部分是零件，那么汽车零件常选取哪些材料？汽车发动机曲轴、活塞选用哪些材料？典型汽车零件选用哪些材料,1掌握黑色金属材料的分类、性能、用途和 牌号。 2掌握有色金属材料、非金属材料和复合材 料的分类和用途,一、金属材料 二、非金属材料 三、复合材料,一）黑色金属材料,1钢,1）碳素钢中的常存杂质元素及对碳素钢性能的影响,在碳钢中的常存元素一般指：Si、Mn - 冶炼时作为脱氧剂加入而残
31、留在钢中的，对性能无不利影响；S、P - 冶炼时从原料或大气中带入钢中，难以彻底清除而存在的有害元素,通常把含碳质量分数小于2.11% 的铁碳合金称为钢。其中非合金钢（碳素钢）价格低廉，工艺性能好，是机械工业中用量最大的金属材料,一、金属材料,常存元素对碳素钢性能的影响,硫：常以FeS形式存在。S易与Fe形成 FeS，而 FeS 与 Fe 又能形成低熔点的共晶体（985），分布在 A 的晶界上，在热加工（11501200）过程中造成沿晶界开裂 热脆。 但适量的 S 可改善钢的切削性能,钢中的硫应控制在0.045%以下,S + Fe FeS,有害元素,磷：P 可溶入铁素体，提高钢的强度和硬度，但
32、显著降低了塑性和韧性，特别是低温下会使钢脆化冷脆,炮弹钢中加入较多的 P，可使炮弹爆炸时产生更多的弹片，使之有更大的杀伤力,比利时阿尔伯特运河钢桥因磷高产生冷脆于1938年冬发生断裂坠入河中,硅：Si是脱氧剂，是对钢有利的杂质元素，Si提高强度，强化铁素体,有益元素,锰：Mn是脱氧剂，Mn可优先与S反应生成MnS，起到脱氧去硫的作用，从而可降低钢的热脆性,FeS + Mn Fe + MnS,MnS熔点高（1600,2）钢的分类,按冶炼方法：转炉钢、平炉钢、电炉钢,按用途：结构钢、工具钢、特殊钢,按钢的质量（P、S含量）： 普通碳素钢：WP 0.045 WS 0.055 优质碳素钢：WP 0.0
33、40 WS 0.040 高级优质碳素钢：WP 0.035 WS 0.030,按钢的含碳量： 低碳钢：0.0218 WC 0.25 中碳钢：0.25 WC 0.6 高碳钢：0.6 WC 1.5,按合金元素的总质量分数：低合金钢、高合金钢,分类： 一般工程结构用钢 a. 碳素结构钢 b. 优质碳素结构钢 c. 低合金高强度结构钢 d. 铸造碳钢 渗碳钢 调质钢 弹簧钢 滚动轴承钢,1）结构钢,结构钢、工具钢和特殊钢的性能、用途和牌号知识,凡用于各种机器零件及各种工程结构的钢都称为结构钢,钢的牌号简称钢号，是对每一种具体钢产品所取的名称，是人们了解钢的一种共同语言,钢的牌号：Q + 屈服强度数值 +
34、 质量等级符号 + 脱氧方法符号 Q235Bb 脱氧方法：F、b、Z、TZ 质量等级：A、B、C、D （表示P,S含量不同） 屈服强度（屈服点）值（MPa） 屈服强度“屈”字的拼音首位字母,牌号举例：Q195F、Q215AF、Q235Bb、Q255A、Q275 质量等级：A、B、C、D四个等级。其中A级钢硫、磷质量分数最高，D级钢硫、磷质量分数最低，即 A、B、C、D 表示钢材质量依次提高。 脱氧方法：F、b、Z、TZ（特殊镇静钢）；其中Z、TZ 在牌号中不标出,一般工程结构用钢,a. 碳素结构钢,用途：通常轧制成型材，如钢板、钢管，用于桥梁、建筑、车辆行业；这类钢一般在热轧状态使用，不再进行
35、热处理,螺纹钢,热轧钢板,钢的牌号：用2位数字表示，数字表示钢的平均含碳量的万分数。 50 Mn（F）A 质量等级：无符号（优质）、A（高级优质） 脱氧方法：同碳素结构钢 锰元素：含Mn较高（0.70%1.00%）时标出 含碳量：以平均万分之几表示,牌号举例：08F、45、20A、40Mn、70Mn 例子：45钢表示平均含碳量为0.45的优质碳素结构钢，钢号为“45”，它不是顺序号，所以不能读成45号钢。 沸腾钢数字后加F，如08F；含锰量较高的钢数字后加Mn，如40Mn,b. 优质碳素结构钢,用途：主要用来制造各种机器零件，使用前一般都需要进行热处理,螺旋弹簧,曲 轴,联轴器,齿 轮,钢的牌
36、号：Q + 屈服强度数值 + 质量等级符号 + 脱氧方法符号 Q390 A 质量等级：A、B、C、D、E 屈服强度（屈服点）值（MPa） 屈服强度“屈”字的拼音首位字母,牌号举例：Q295、Q345、Q390。 注：低合金高强度结构钢是在低碳碳素钢的基础上加入少量合金元素（ 3）得到的钢，这类钢比相同含碳量碳素钢的强度约高10%30%，因此得名，又常被称为“普低钢”。 锰是低合金高强度结构钢的主加元素,c. 低合金高强度结构钢,用途：主要用于制造汽车、桥梁、大型结构钢等。这类钢通常是在热轧或正火状态下使用，一般不再进行热处理,英国福斯湾河桥,芜湖长江大桥,储气罐,轮 船,钢的牌号：“ZG”+
37、最低屈服强度 + 最低抗拉强度 例子：ZG200-400 表示最低屈服强度为200MPa和最低抗拉强度为400MPa的铸造碳钢。 用途：主要用于制造形状复杂，并需要一定强度、塑性和韧性的零件，如齿轮、联轴器等,大齿轮,d. 铸造碳钢,钢的牌号：牌号中的前2位数字表示钢的平均含碳量的万分数，其它数字表示其前面元素平均含量的百分数,渗碳钢指经渗碳处理、淬火+低温回火后使用的钢,渗碳钢,牌号举例：15、18、20、20CrMnTi、20Mn2B、20MnVB。 成分特点：低碳，碳的质量分数一般为 0.10%0.25%。 经渗碳处理后的性能特点是工件表层强度高、心部具有良好的塑性和韧性。 用途：主要用
38、于制造承受冲击载荷和摩擦磨损的机械零件，如汽车变速器齿轮、内燃机凸轮轴、活塞销等,渗碳钢按化学成分，可分为碳素渗碳钢和合金渗碳钢,汽车变速器齿轮,传动齿轮,凸轮轴,活塞销（20Cr,钢的牌号：2位数字，钢号中的数字表示平均碳含量的万分之几,经调质后使用的钢，按化学成分可分为碳素调质钢和合金调质钢,调质钢,牌号举例：40、45、40Cr、40MnB。 成分特点：中碳，碳的质量分数一般为 0.30%0.5%。 经调质处理后的性能特点是零件具有高强度、高韧性相结合的良好综合力学性能。 用途：主要用于制造在重载荷下，同时又受冲击载荷作用的一些重要零件，如汽车上的轴类件、连杆等,破碎机主轴,机床齿轮,单
39、缸汽车曲轴,连 杆,调质件（螺杆,曲 轴,钢的牌号：2位数字，钢号中的数字表示平均碳含量的万分之几。 牌号举例：65，70，65Mn是典型的弹簧钢牌号。 成分特点：中高碳，碳的质量分数一般为 0.45%0.7%。 热处理：淬火+中温回火，获得回火托氏体组织。 弹簧钢具有高的弹性极限和屈强比，还应具有足够的疲劳强度和韧性。 用途：主要用于制造弹簧等弹性元件,按化学成分可分为碳素弹簧钢和合金弹簧钢,弹簧钢,钢的牌号：“G”，表示滚动轴承钢类。 高碳铬轴承钢钢号的碳含量不标出，铬的平均含量以千分之几表示。如，GCr15、GCr9。 成分特点：高碳，碳的质量分数一般为 0.95%1.15%。 热处理：
40、淬火+低温回火，极细的回火马氏体。 用途：主要用于制造滚动轴承的内、外套圈以及滚动体,滚动轴承钢,2）工具钢,碳素工具钢,用于制造各种工具的钢称为工具钢,钢的牌号：T + 数字 钢号中的数字表示平均碳含量，以平均碳含量的千分之几表示。 例如：“T8”表示平均碳含量为0.8%。锰含量较高者，在钢号最后标出“Mn”，例如“T8Mn”。 碳素工具钢都是优质钢，在钢号最后加注字母“A”表示该钢是高级优质钢,锉 刀,手 锤,木工凿,钻 头,丝锥,锉刀,手锯条,合金工具钢,钢的牌号：数字 + 元素符号 + 数字 钢号中的首位数字表示平均含碳质量分数的千分数，当其1%时标出，1%时不标出。元素符号及后面的数
41、字表示所含合金元素及其平均含量的百分数。若合金元素平均含量1.5%，则不标出。 例如：9SiCr表示平均含碳质量分数为0.9%，平均含硅、铬质量分数均1.5%的铬钢；Cr12MoV则表示平均含碳质量分数1%，平均含铬质量分数为12%，含钼、钒质量分数1.5%的铬钼钒钢。 合金工具钢常用来制作各种刃具、量具和模具,模具,量具,刃具,按用途,刃具钢,模具钢,量具钢,合金工具钢,a.刃具钢 刃具钢是用来制造各种切削加工工具（车刀、铣刀、刨刀、钻头、丝锥、板牙等）的钢种。 9SiCr、9Cr2,b.量具钢 量具钢是用来制造各种测量工具（卡尺、千分尺、块规、塞规及螺旋测微仪等）的钢种。 CrWMn、Si
42、Mn,c.模具钢 模具钢是用来制造冷冲模、热锻模、压铸模等模具的钢种。常用牌号：5CrMnMo、Cr12W、9Mn2V,高速工具钢,高速工具钢的钢号一般不标出碳含量，只标出各种合金元素平均含量的百分之几。如，W18Cr4V,高速工具钢通常用作高速切削工具，简称高速钢，俗称锋钢。主要用于制造高效率的切削刀具。 W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2,3）特殊钢,在自然环境或一定工业介质中具有耐腐蚀性能的钢种,具有某些特殊的物理、化学和力学性能的钢,在高温下具有良好的抗氧化性能并具有较高强度的钢种,在冲击和摩擦条件下产生加工硬化而具有高耐磨性的高锰钢,耐热钢,不锈钢,耐磨钢,不锈钢,主要用于制造各种
43、管道、阀门、医疗手术器械、防锈刃具等在各种腐蚀介质中工作的零件或构件。 2Cr13、1Cr18Ni19Ti,耐热钢,主要用于制造高压锅炉、汽轮机、内燃机及航空发动机等在高温下工作的机械零件或构件。 4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo,耐磨钢,主要用于制造抗冲击而又耐磨的零件，如拖拉机的履带板、挖掘机铲齿和铁路道岔等。 ZGMn13,2.铸铁,铸铁是含碳量大于2.11%，并含有较多硅、锰、硫、磷等元素的多元铁碳合金。 铸铁具有许多优良的性能及生产简便、成本低廉等优点，因而是应用最广泛的材料之一,铸铁曲轴,碳在铸铁中的存在形式有两种，即石墨和碳化物。根据碳在铸铁中存在形式的不同，铸铁可分为以下三
44、种,1）白口铸铁-碳几乎全部以Fe3C形式存在。 （2）麻口铸铁-碳以石墨和Fe3C两种形式存在的铸铁。 （3）灰口铸铁（工程铸铁）-碳除了微量溶于铁素体外主要以石墨形式存在的铸铁,根据石墨形貌的不同，灰口铸铁可分为,1）灰铸铁,灰铸铁的牌号： “HT”+ 最低抗拉强度值。 例子：HT200表示最低抗拉强度为200MPa的灰铸铁,灰铸铁的性能特点： 力学性能较低；铸造性能、切削加工性能、减震性、耐磨性好；缺口敏感性低,灰铸铁的用途： 制造承受压力和震动的零件，如机床床身、各种箱体、壳体、泵体、缸体,2）可锻铸铁,可锻铸铁的牌号： “KT”+ 基体种类 + 最低抗拉强度值 + 最低断后伸长率值。
45、铁素体基用黑心“KTH”表示；珠光体基用“KTZ”表示。 KTH370-12表示铁素体可锻铸铁b370MPa，12,可锻铸铁的性能特点： 力学性能优于灰铸铁；强度为碳钢的4070%，接近于铸钢。 名为可锻，实不可锻,可锻铸铁的用途： 用于制造形状复杂且承受振动载荷的薄壁小型件，如汽车、拖拉机的前后轮壳、管接头、低压阀门等,球墨铸铁的牌号： “QT”+ 最低抗拉强度值 + 最低断后伸长率值。 例子：QT400-15表示抗拉强度不低于400MPa，伸长率不低于15的球墨铸铁,3）球墨铸铁,球墨铸铁的性能特点： 力学性能远远超过灰铸铁；铸造性能、切削加工性能、减震性、耐磨性好；缺口敏感性低,球墨铸铁
46、的用途： 承受震动、载荷大的零件，如曲轴、传动齿轮等,核燃料贮存运输容器(QT350-22,蠕墨铸铁的牌号： RuT + 最低抗拉强度值,4）蠕墨铸铁,蠕墨铸铁的性能特点： 强度较高，其力学性能介于灰铸铁与球墨铸铁之间,蠕墨铸铁的用途： 用于制造承受热循环载荷的零件和结构复杂、强度要求高的铸件，如柴油机气缸、气缸盖、排气阀等,制动鼓,阀门,柴油机气缸,二）有色金属材料,1铝与铝合金,密度小；熔点低，导电、导热性好，塑性好，强度、硬度低的金属。主要用作导电材料或制造耐腐蚀零件,铝 线,1）纯铝,2）铝合金,在铝中加入一定的合金元素使之合金化，可获得较高的强度，并保持良好的加工性能。 根据成分及生
47、产工艺特点，分为变形铝合金和铸造铝合金。前者塑性优良，适于压力加工；后者塑性低，更适于铸造成形,汽缸盖,活塞,2铜与铜合金,1）纯铜,纯铜外观呈紫红色，又称紫铜，具有良好的导电性和导热性、极好的塑性以及较好的耐腐蚀性，但力学性能较差，不宜用来制造结构零件，常用来制造导电材料和耐腐蚀性元件,2）黄铜,Cu-Zn 二元合金为普通黄铜；Cu-Zn+其它合金元素的黄铜为特殊黄铜,黄铜一般用于制造耐腐蚀和耐磨零件，如阀门、螺栓、机油泵衬套等,汽车机油泵衬套,3）白铜,Cu-Ni 二元合金为白铜,白铜主要用于制造船舶仪器零件、化工机械零件和医疗器械中的关键零件,Cu-Sn 二元合金为青铜，包括锡青铜和无锡
48、青铜。 锡青铜主要用于制造摩擦零件和耐腐蚀零件，如蜗轮、轴瓦、衬套。 铝青铜主要用来制造各种弹性元件、高强度零件、耐磨零件、轴承、轴瓦、齿轮、摩擦片、蜗轮等,马踏飞燕,司母戊鼎,4）青铜,船用软管快速接头阀,3. 锌与锌合金,4. 钛与钛合金,锌的密度略小于钢铁，熔点为419.5。锌合金是在Zn中加入了Al、Cu、Mg的锌基合金。目前，锌合金可用于制造汽车上的汽油泵壳、机油泵壳、变速器壳、车门手柄、雨刮器电机、减速器壳体、安全带扣和内饰件等,钛的密度约为铁的1/2，呈银灰色，熔点为1668，耐腐蚀性比不锈钢还好，抗拉强度为300MPa700MPa，韧性与钢铁相当。缺点是成本高，加工性差，切削加
49、工、焊接、表面处理都较困难。为了提高钛在室温时的强度和在高温下的耐热性等，加入Al、Mo、V、Mn、Cr、Fe等合金元素，以得到不同类型的钛合金。钛合金已用于制造发动机零件及轴、轮盘类等在高温、重载下工作的零部件,5. 镁与镁合金,镁在金属中是最轻的，密度为1.7，约为铝的2/3，约为钢铁的1/4，熔点为650。镁的加工性比铝好，延展性好，有优良的减震性，但耐腐蚀性比铝差，成本高,镁合金是在镁中加入铝、锌、锰的合金。主要用于制造汽车离合器壳、车轮轮毂、变速器手柄等,镁合金汽车轮毂,镁合金方向盘骨架,6轴承合金,1）锡基轴承合金（锡基巴氏合金,2）铅基轴承合金（铅基巴氏合金,主要用于制造滑动轴承
50、的轴瓦,二、非金属材料,一）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、加压的条件下被塑造或固化成形，得到所需要的固体制品,汽车用工程塑料，在汽车上主要用作结构件，这要求塑料具有足够强度、抗蠕变特性以及尺寸稳定性。随着现代塑料工业的发展，工程塑料能够满足这些技术要求。汽车上常用的工程塑料有聚丙烯（PP），聚乙烯（PE），聚苯乙烯（PS），ABS塑料、聚酯酞胺、聚甲醛、聚碳酸酯、酚醛树脂等,在汽车上，采用聚乙烯制造汽油箱,二）橡胶,1.车用橡胶的品种,1）汽车轮胎,2.橡胶制品在汽车上的应用,汽车内胎-丁基橡胶,天然橡胶,合成橡胶,再生胶,2）密封制品 密封条 油封 皮
51、碗 防尘套 胶管 胶带 减振块,三）玻璃,四）摩擦材料,汽车摩擦材料主要由增强材料、黏结材料及填充材料等组成。主要用于制造汽车制动摩擦片、汽车离合器摩擦片及手制动摩擦片等,1.钢化玻璃,2.夹层玻璃,3.防爆玻璃,4.中空玻璃,5.防水玻璃,6.防雾玻璃,7.特种挡风玻璃,五）陶瓷材料,陶瓷材料是用天然或合成化合物经过成形和高温烧结制成的一类无机非金属材料,2.汽车用结构陶瓷材料,功能陶瓷材料在各种传感器中得到非常广泛的应用。在倒车报警系统上，作为超声波传感器,结构陶瓷材料具有良好的综合性能，用氮化硅陶瓷材料制成的陶瓷纤维活塞替代铝合金活塞，可以有效防止因热膨胀系数大而产生的“冷敲热拉”现象,1.汽车用功能陶瓷材料,三、复合材料,复合材料是指由两种或多种不同性能的材料用某种工艺方法合成的多相材料,1复合材料的种类,2复合材料的性能特点,优点,比强度和比模量高，强度高，质量轻；抗疲劳性能好；减振能力强；耐高温性能；断裂安全性好；化学稳定性好；还具有一些特殊性能，如隔热性、特殊的电磁性能等,断裂伸长率较小；抗冲
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