第九章-汽车机械基础

汽车机械基础机电工程系《汽车机械基础课程组》第一节金属的晶体结构一、晶体的基本概念在自然界中除了一些少数的物质（如普通玻璃、松香等）以外，包括金属在内的绝大多数固体都是晶体晶体:所谓晶体是指其原子（离子或分子）在空间呈规则排列的物体。非晶体晶体第9章黑色金属二、常见金属的晶体结构类型常见金属的晶体结构1.晶格把点阵中的结点假想用一系列平行直线连接起来构成空间格子称为晶格。体心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格常见金属的晶体结构体心立方晶格原子数1＋8×(1/8)=2典型金属：-Fe、Cr、Mo、W、V、K、Na、Ba、Nb性能特点：强度很高，塑性较好致密度：68％（原子占有晶胞体积的百分数）原子数6×(1/2)＋8×(1/8)=4典型金属：-Fe、Cu、Al、Ni、Au、Ag、Pt性能特点：塑性极好致密度：74％面心立方晶格原子数3＋2×(1/2)＋12×(1/6)=6典型金属：Be、Mg、Zn、Cd、-Ti、-Co性能特点：性能介于体心立方和面心立方之间致密度：74％密排六方晶格2.单晶体与多晶体对于单晶体，由于各个方向上原子排列不同，导致各个方向上的性能不同，即“各向异性”的特点；而多晶体对每个小晶粒具有“各向异性”的特点，而就多晶体的整体，由于各小晶粒的位向不同，表现的是各小晶粒的平均性能，不具备“各向异性”的特点。单晶体多晶体晶体缺陷当晶格中某些原子由于某种原因，（如热振动等）脱离其晶格结点而转移到晶格间隙这样就形成了点缺陷，点缺陷的存在会引起周围的晶格发生畸变，从而使材料的性能发生变化，如屈服强度提高和电阻增加等。点缺陷（晶格空位、置换原子、间隙原子）点缺陷将导致晶格畸变线缺陷：呈线状分布的缺陷——位错(刃型、螺型)位错密度通常为106-108cm/cm3导致晶格畸变┴面缺陷–晶界：晶粒之间的位向为30o-40o–亚晶界：晶粒内的小位向为1o-2o面缺陷导致晶格畸变体缺陷：各种夹杂物二、金属的结晶1.结晶的基本概念一切物质从液态到固态的转变过程称为凝固，如凝固后形成晶体结构，则称为结晶。金属在固态下通常都是晶体，所以金属自液态冷却转变为固态的过程，称为金属的结晶。液态金属与固态金属的主要差别在于：液态金属无一定形状，易流动，原子间的距离大，但在一定温度条件下，在液态金属中存在与固态金属的“远程排列”不同的“近程排列”。金属的结晶过程形核（自发形核、非自发形核）长大树枝晶的形成1.形核和核长大形核和核长大方式2）影响晶核形成和长大的因素晶粒大小对金属机械性能影响较大，在常温下工作的金属其强度、硬度、塑性和韧性，一般是随晶粒细化而有所提高的。影响晶粒大小的因素有：1）过冷度：ΔT大，ΔF大，结晶驱动力大，形核率和长大速度都大，且N的增加比G增加得快，提高了N与G的比值，晶粒变细，但过冷度过大，对晶粒细化不利，结晶发生困难。2）变质处理：在液态金属结晶前，特意加入某些合金，造成大量可以成为非自发晶核的固态质点，使结晶时的晶核数目大大增加，从而提高了形核率，细化晶粒的处理方法。2影响晶核形成和长大的因素成核速率、长大速度与过冷度的关系过冷度的影响难熔杂质（孕育处理）非自发形核二、合金的构造与结晶1.合金是指两种或两种以上的金属元素，或金属与非金属元素组成的具有金属特性的物质。2.组元组成合金最基本的，独立的物质称为组元。3.合金的结构与结晶1）固溶体固溶体是指合金在固态下，组元间能互相溶解而形成的均匀相。2）金属化合物金属化合物是指金属组元间相互作用而生成的具有金属特性的一种新相。其晶格类型不同于它的任一组元；其性能特点是熔点高、硬而脆。3）机械混合物由两相或多相按固定比例构成的组织称为机械混合物。工业上使用的大多数合金属于机械混合物，如钢、生铁、铝合金、黄铜、青铜等。3.合金的结构与结晶遵循形核与长大的规律，结晶过程有潜热释放。合金的结晶过程在某一温度范围内进行，结晶过程中各相的成分还不断发生变化。合金状态图是用图解的方式表示在十分缓慢的冷却条件（平衡条件）下，合金组织、成分与温度之间的关系,又称合金相图或合金平衡图。4.合金的结晶一、铁碳合金的基本组织1.铁素体（F）铁素体是碳溶于α-Fe中所形成的间隙固溶体，体心立方晶格。其性能是强度、硬度很低，塑性、韧性好。显微组织是明亮的多边形晶粒。第二节铁碳合金相图奥氏体是碳溶于γ-Fe中所形成的间隙固溶体，面心立方晶格。其强度和硬度比铁素体高，塑性、韧性也好。其晶粒呈多边形，晶界较铁素体平直。2.奥氏体（A）渗碳体是铁与碳形成的金属化合物，碳含量是6.69％，具有复杂的晶体结构。其硬度很高，塑性和韧性很差，δ、Ak接近于零，脆性很大。3.渗碳体（Fe3C）珠光体是由铁素体和渗碳体组成的机械混合物。铁素体与渗碳体片层状交替排列，平均碳含量为0.77％。性能介于铁素体和渗碳体之间，强度较高，硬度适中，有一定的塑性。4.珠光体（P）莱氏体是由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物,平均碳含量4.3％。存在于1148-727℃的莱氏体称为高温莱氏体(Ld);存在于727℃以下的莱氏体称为变态莱氏体（ld’），它是由渗碳体基体与珠光体组成。莱氏体的力学性能与渗碳体相近硬度很高、塑性很差。5.莱氏体Fe-Fe3C相图ACDEFGSPQ1148℃727℃LAL+AL+Fe3CⅠ4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFeFe3CT°(A+Fe3C)LdLd+Fe3CⅠA+Ld+Fe3CⅡFA+FA+Fe3CⅡ(F+Fe3C)PP+F0.77%CP+Fe3CⅡLd’Ld’+Fe3CⅠP+Ld’+Fe3CⅡK共晶相图共析相图匀晶相图(P+Fe3C)二.Fe-Fe3C相图的分析五个重要的成份点:P、S、E、C、K。四条重要的线:EF、ES、GS、FK。三个重要转变:包晶转变反应式、共晶转变反应式、共析转变反应式。二个重要温度:1148℃、727℃。1.包晶转变反应式:LB+HAJ1495℃3.共析转变反应式:AS(FP+Fe3C)P727℃2.共晶转变反应式:LC(AE+Fe3C)Le1148℃三个重要转变三.典型铁碳合金的结晶过程分析工业纯铁(ingotiron)共析钢(eutectoidsteel)亚共析钢(hypoeutectoidsteel)过共析钢(hypereutectoidsteel)共晶白口铁(eutectoidwhiteiron)亚共晶白口铁(hypoeutectoidwhiteiron)过共晶白口铁(hypereutectoidwhiteiron)1.工业纯铁(Wc0.0218%)工业纯铁组织金相图2.共析钢(Wc=0.77%)共析钢组织金相图3.亚共析钢(Wc=0.45%)亚共析钢组织金相图4.过共析钢(Wc=1.2%)过共析钢组织金相图5.共晶白口铁(Wc=4.3%)共晶白口铁组织金相图6.亚共晶白口铁(Wc=3.0%)亚共晶白口铁组织金相图7.过共晶白口铁(Wc=5.0%)过共晶白口铁组织金相图2.相图的实际应用1．为选材提供成分依据2．为制定热加工工艺提供依据一.选择材料方面的应用1.分析零件的工作条件,根据铁碳合金成分、组织、性能之间的变化规律进行选择材料。2.根据铁碳合金成分、组织、性能之间的变化规律,确定选定材料的工作范围。2)为制定热加工工艺提供依据对铸造：确定铸造温度；根据相图上液相线和固相线间距离估计铸造性能的好坏.对于锻造：确定锻造温度。对焊接：根据相图来分析碳钢焊缝组织，并用适当热处理方法来减轻或消除组织不均匀性。对热处理：相图更为重要，这在下面一章中详细介绍。制定热加工工艺碳钢的分类按含碳量分类低碳钢、中碳钢、高碳钢按质量分类普通碳素钢优质碳素钢高级优质碳素钢按用途分类碳素结构钢碳素工具钢第三节碳钢一)碳素钢的分类1.按碳的质量分数分类:*低碳钢:Wc≤0.25%*中碳钢:0.25%≤Wc≤0.6%*高碳钢:Wc0.6%2.按钢的质量分类:*碳素钢:Wp=(0.035%～0.045%)Ws=(0.035%～0.050%)*优质碳素钢:Wp=0.035%Ws=(0.030%～0.035%)*高级优质碳素钢:Wp≤0.030%Ws=(0.020%～0.025%)3.按钢的用途分类:•碳素结构钢(carbonstructuralsteel)用于制造各种机械零件、工程构件。一般为低、中碳钢。•碳素工具钢(carbontoolsteel)用于制造各种工具。一般为高碳钢。二)碳素钢的编号及用途1.碳素结构钢:Q235—A·F沸腾钢A等级235MPa屈服强度普通碳素结构钢牌号和用途Q+数字表示牌号,Q235表示屈服点是235MPa,Q235-A·F,表示屈服点为235的A级沸腾钢。制成薄板、钢筋、焊接钢管等，用于桥梁、建筑等钢结构，也可制造普通的铆钉、螺钉、螺母、垫圈、地脚螺栓、轴套、销轴等等2.优质碳素结构钢*45---Wc=45%00*较高锰质量分数的优质碳素结构钢45Mn---Wc=45%00;WMn=0.7%-1.0%优质碳素结构钢牌号和用途两位数字表示钢材中的平均含碳量的万分数的数字,20钢表示平均含碳量为0.20%,15Mn：表示钢材中的含锰量比较高。08、08F、10、10F钢，塑性、韧性好，具有优良的冷成型性能和焊接性能，常冷轧成薄板，用于制作仪表外壳、汽车和拖拉机上的冷冲压件，如汽车车身，拖拉机驾驶室等；15、20、25钢用于制作尺寸较小、负荷较轻、表面要求耐磨、心部强度要求不高的渗碳零件，如活塞钢、样板等；30、35、40、45、50钢经热处理（淬火+高温回火）后具有良好的综合机械性能，即具有较高的强度和较高的塑性、韧性，用于制作轴类零件；55、60、65钢热处理（淬火+高温回火）后具有高的弹性极限，常用作弹簧。3.碳素工具钢T12A高级优质Wc=12%0碳素工具钢碳素工具钢牌号和用途数字表示钢材中平均含碳量千分数的数值,T10A表示平均含碳量为1.0%,A表示高级优质钢碳素工具钢用于制造各种量具、刃具、模具等。碳素工具钢经热处理（淬火+低温回火）后具有高硬度，用于制造尺寸较小要求耐磨性的量具、刃具、模具等。4.铸造碳钢ZG200-400σb≥400MPaσs≥200MPa铸钢碳素钢的主要缺点：综合机械性能差热稳定性差耐腐蚀性差淬透性差不能满足某些特殊性能第四节合金钢合金钢是为了改善和提高碳素钢的性能，在碳素钢的基础上添加一定的合金元素所炼制的一类钢。合金钢的分类合金钢的编号不论结构钢或工具钢均采用：数字+化学元素+数字的方法表示。结构钢的含碳量用两位数字表示。如：60Si2Mn;20CrMnTi滚动轴承钢，在编号前加G（“滚”）。含量1.5％，不标数字，含量1.5％，按整数标出合金元素的作用合金元素固溶于铁素体，提高钢的强度，不降低塑性合金元素固溶于奥氏体，增加钢的稳定性合金元素形成碳化物、非金属化合物合金元素改变相变温度合金元素改变共析点的位置一、合金结构钢合金结构钢是用于制造各种机器零件和各类工程结构的钢。普低钢又称低合金高强度钢，英文缩写HSLA钢。从成分上看其为含低碳(0.2%)低合金(3%)元素钢种，主添合金元素为锰。性能：良好塑性、韧性和焊接性能。一般在供应状态下使用，不再进行热处理。1.低合金结构钢车身用钢材低合金高强度钢板含碳量低且所含元素也少，并具有一定的耐磨性、耐腐蚀性和抗高、低温能力；这种钢的生产成本与普钢相近，但合金元素的强化作用却使其屈服强度比普钢高得多。低合金高强度钢板高强度低合金钢（HSLA），又称回磷钢。前后梁、车门槛板、保险杠面杆、保险杠加强筋、车门立柱等。注意：通过加热对各种高强度低合金钢板释放应力时，必须特别小心。一般加热温度不可超过371-482℃，加热时间不可超过3min。高抗拉强度钢高抗拉强度钢（HSS），又称Si-Mn固溶体淬火钢。应用：车门边护板、保险杠加强筋等常规的加热和焊接方法不会降低这种钢的强度。对受到碰撞的部位加热，促使它