汽车机械基础材料

汽车机械基础本章的教学目标：1）了解本课程研究对象，认识机器的组成，掌握机器、机构、构件、零件的基本概念及正确识别；2)初步了解本课程学习内容，及在专业人才培养中的地位及作用，从而明确本课程学习目标；绪论研究对象及内容•研究对象•是汽车机械，即汽车机械常用零部件及传动机构、汽车液压与元件为主。•内容（五大模块）•汽车材料基础知识、构件力学分析、传动机构分析及应用、汽车零部件、汽车液压与气压传动•机械是人类祖先在长期的生活和生产劳动探索中逐渐产生的.•机械是人类的生产劳动工具，是人类社会生产力发展的重要标志，是人类文明的产物.•最古老的机械形式：杠杆、水车、风车、手工纺织机等.•机械是减轻或替代体力劳动、提高生产效率的辅助工具，是机器和机构的总称。引入:机械的产生•十八世纪蒸汽机的发明促进了欧洲机械工业的发展，原动机的出现标志着机械工业的质的飞跃；•各门力学学科的发展为机械的设计制作奠定了科学基础，使机械工业迅猛发展；•汽车是机械设备中的典型代表；•机械设备的其它典型例子：•加工机床、机械手、机器人、日用机械设备等。引入:机械的发展简况机械的典型例子：汽车机械的典型例子:飞机机械的典型例子:龙门起重机机械的典型例子:数控加工中心机械的典型例子:压路机控制器(控制)电能带(传动)减速器(传动)波轮(工作)原动机部分：将其它（热能）能量变换为机械能，是驱动整部机器的动力源。活塞上下往复运动工作机部分：其功能是利用机械能去变换或传递能量、物料、信号。曲轴的旋转运动传动部分：把原动机的运动和动力转变为工作部分运动和动力。连杆机器组成机械基础基本概念机器的定义及三个特征：•机器是执行机械运动的装置，用来变换或传递能量、物料与信息，以代替或减轻人的劳动。•1）人为的各种实物组合；•2）各构件间具有确定的相对运动；•3）能够完成有效的机械功或变换机械能。•机构：具有机器的前两个特征•机械：机器和机构的总称机构：具有机器前两个特征的多构件组合体；或由多构件组成且各构件间有确定的相对运动.如:脚踏自行车、脚踏缝纫机、发动机中的曲柄滑块机构.构件：机器中运动的基本单元；如:发动机的连杆零件：机器中最小的制造单元；如：螺钉部件：一套协同工作且完成共同任务的零件组合。如:轴承机器组成部件机械的作用•机械的重要意义：减轻人类的体力和脑力劳动、提高劳动生产率。金属材料的基本知识教学目标1、了解材料的主要力学性能指标：屈服强度、抗拉强度、伸长率、断面收缩率、硬度、冲击韧性、疲劳强度、断裂韧性等力学性能及其测试原理；２、强调各种力学性能指标的生产实际意义；３、了解工程材料的物理性能、化学性能及工艺性能。金属材料的基本知识金属材料的使用性能包括物理性能、化学性能、工艺性能和力学性能，对于工程材料来说，其中最重要的是力学性能。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、金属材料的使用性能材料的其他性能物理性能密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性等；化学性能：耐腐蚀性、抗氧化性、化学稳定性等；工艺性能：铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性、热处理工艺性等。2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ΔL的关系曲线。此曲线叫做拉伸曲线。一）强度1强度是指金属材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的能力。拉伸试验标距与直径的比例为:010dl005dlzbFesl0SF0llsFeFbFo1、oe段：直线、弹性变形2、es段：曲线、弹性变形+塑性变形5、b点出现缩颈现象，即试样局部截面明显缩小试样承载能力降低，拉伸力达到最大值，而后降低，但变形量增大，z点时试样发生断裂。3、ss/段：水平线（略有波动）明显的塑性变形屈服现象，作用的力基本不变，试样连续伸长。4、s/b曲线：均匀塑性变形s/强度指标-采用应力的大小来度量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。FFF=F’（MPa）F’Fσ=F’/SSFSF'（1）屈服点σs材料产生屈服时的最小应力。单位为MPa。σs=Fs/AO（1-1）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（1-2）（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。σb=Fb/AO（1-3）式中，Fb是试样断裂前所承受的最大载荷（N）。强度意义：一般机械零件或工具使用时，不允许发生塑性变形，故屈服点σs是机械设计强度计算的主要依据；抗拉强度代表材料抵抗拉断的能力，若应力大于抗拉强度，则会发生断裂而造成事故。工程上还通过计算屈强比（σs/σb，屈服点与抗拉强度的比值来判别材料强度的利用率，屈强比高，材料性能使用效率高，一般材料的屈强比以0.75为宜。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。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％（1-4）式中，L1试样原始标距长度。L0试样拉断后的标距长度。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。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％（1-5）式中，Ao是试样的原始横截面积；A1是试样断口处的横截面积。二）塑性练习题一广州华商职业学院机电工程系学生买一批钢材，进行塑性拉伸试验。拉力试样的原标距长度为50mm，直径为10mm，经拉力试验后，将已断裂的试样对接起来测量，若最后的标距长度为71mm，颈缩区的最小直径为4.9mm，试求该材料的伸长率和断面收缩率的值？解：δ=[（71-50）/50]x100%=42%S0=3.14x(10/2)2=78.5(mm2)S1=3.14x(4.9/2)2=18.85(mm2)Ψ=[(S0-S1)/S0]x100%=24%某工厂买回一批材料（要求：бs≥230MPa；бb≥410MPa；δ5≥23%；ψ≥50%）。做短试样（ｌ0=5ｄ0；ｄ0=10mm）拉伸试验，结果如下：Fs=19KN，Fb=34.5KN；l1=63.1mm；d1=6.3mm;问买回的材料合格吗？练习题二某工厂买回一批材料（要求：бs≥230MPa；бb≥410MPa；δ5≥23%；ψ≥50%）．做短试样（ｌ0=5ｄ0；ｄ0=10mm）拉伸试验，结果如下：Fs=19KN，Fb=34.5KN；l1=63.1mm；d1=6.3mm问买回的材料合格吗？解：根据试验结果计算如下：бs＝Fs／s０＝(19x1000)/(3.14x52)=242＞230MPaбb＝Fb／s０＝(34.5x1000)/(3.14x52)=439.5＞410MPaδ5＝[Δl／l0]x100%＝[(63.1-50)/50]x100%=26.2%＞23%ψ＝[ΔS／S0]x100%＝60.31%＞50%材料的各项指标均合格，因此买回的材料合格。练习题二硬度是指材料表面抵抗局部塑性变形、压痕或划痕的能力。三）硬度布氏硬度HB洛氏硬度HR维氏硬度HV锉刀法常用测量硬度的方法h1-h0洛氏硬度测试示意图计算公式：2NHBmm压入载荷（）压痕的表面积（）2220.102()FDDDd压头是直径为D的钢球或硬质合金球。HBS——压头为钢球，用于测量450HBSHBW——压头为硬质合金,用于测量450HBW（650HBW）三）硬度三）硬度布氏硬度HB(Brinell-hardness)符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。如:120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。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。1－试样表面2－基准线F0－初始试验力F1－主试验力F－总试验力三）硬度1－试样表面2－基准线F0－初始试验力F1－主试验力F－总试验力三）硬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。四）冲击韧性金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为冲击韧性。冲击韧度的测定方法，如图2-4所示。是将被测材料制成标准缺口试样，在冲击试验机上由置于一定高度的重锤自由落下而一次冲断。冲断试样所消耗的能量称为冲击功，其数值为重锤冲断试样的势能差。冲击韧度值AK就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功，这个值越大，则韧性越好，受冲击时，越不容易断裂。冲击功AK=G（H1-H2）单位截面上所受的冲击功，称为冲击韧度ak四）冲击韧性冲击韧度在汽车上的许多零件中，比如各种轴、齿轮、弹簧、连杆等，要受到大小和方向呈周期性变化的载荷作用。这种交变载荷虽然小于材料的强度极限，甚至小于其弹性极限，但经多次循环后，在没有明显的外观变形时也会发生断裂，这种破坏称作疲劳破坏或疲劳断裂。这种破坏都是突然发生的，具有很大的危险性。五）疲劳强度疲劳强度(fatiguestrength):表示材料经无数次交变载荷作用而不致引起断裂的最大应力值。疲劳强度σ-1是表示材料以周期性交变载荷作用而不致引起断裂的最大应力，其大小与应力变化的次数有关。对于黑色金属规定循环次数为107次，有色金属循环次数为108次。为了提高金属的疲劳强度，可以通过改善零件的结构形状，避免应力集中，减小表面粗糙度值，进行表面热处理和强化处理等方法。五）疲劳强度