3汽车常用材料

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主菜单菜单1发动机2底盘3车身菜单由以上分析可看出：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。一、汽车材料概述菜单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。材料是汽车工业的基础现代汽车要满足: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。1.汽车工程材料:(包括分类,性能,牌号,热处理工艺及应用)2.汽车运行材料二、汽车应用材料的组成菜单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…)●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：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%。2.汽车材料的应用车用汽油燃料轻柴油其他代用燃料发动机油车辆齿轮油润滑油液力传动油液压油润滑脂制动液工作液减振器液发动机冷却液制冷剂轮胎汽车运行材料3.汽车运行材料三、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。菜单几种新兴材料简介1.镁合金magnesium●密度低、比强度和比刚度较高。镁铝钛铁密度1.742.74.57.8●镁、铝合金和复合材料——汽车轻量化的材料——减少油耗镁合金方向盘骨架镁合金汽车轮毂镁合金汽缸盖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普通材料2(21)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●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。5.其他材料●超导材料●贮氢材料●分离膜材料一张纳米光盘将可记录1000部电影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。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)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破坏的能力。(一)材料的拉压试验1．拉伸试验根据国家标准《金属材料拉伸试验》（GB228-2008）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。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。(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。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。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。%10000lllu（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)。(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。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120HBW10/1000/30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=（J·cm2）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。FAK2.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。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。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。五.材料的理化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。1．材料的物理性能菜单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。铸造性能：流动性、收缩性、偏析热处理性能：淬透性锻造性能：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、刀具寿命六.材料的工艺性能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:菜单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。完全破坏包括严重损坏未达功能要求（安全工作）七、零件材料的选用菜单(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。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。齿轮常见的失效形式: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。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。措施：提高齿面硬度；增大润滑油黏度。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。(二)失效原因1.设计不合理2.选材不合理3.加工工艺不当4.安装使用不正确2.选材原则选材的动机——开发新产品、产品的改进和更新换代。选材原则——使用性能工艺性能经济性环境与资源原则（一）材料的使用性能——首要原则１)零件的工作条件和失效形式零件工作条件常见失效形式性能要求应力种类荷载性质受载状态螺栓拉、剪静载--过量变形，断裂强度，塑性传动轴弯、扭循环冲击轴颈摩擦疲劳断裂，过量变形，轴颈磨损综合力学性能传动齿轮压、弯循环冲击摩擦振动断齿，磨损，疲