第三章汽车材料

2014-02-28第三章汽车覆盖件材料第一节汽车覆盖件板材的基本要求第二节汽车覆盖件常用板材第三节汽车覆盖件板材成形性能及试验方法2014-02-28第一节汽车覆盖件板材的基本要求为满足不同部位覆盖年的作用和简化工艺过程，对覆盖件有下列要求：1.强度高2.成形性好3.质量轻4.耐腐蚀5.良好的焊接性6.抗凹陷性7.表面光洁，易涂装8.不污染环境9.可以再生10.质量均匀11.供应渠道宽12.价格合理2014-02-28第二节汽车覆盖件常用板材自1912年以来，钢板一直是制造汽车覆盖件和结构件使用的主要材料。据统计，在汽车的两万多个零件中，有86%是金属材料，而在金属材料中有80%是钢铁材料，说明在汽车制造业中，钢板占有重要的地位。汽车用冲压钢分为：1）沸腾钢应用于20世纪50~60年代2）铝镇静钢应用于20世纪60~80年代3）无间隙原子钢应用于20世纪80年代以后2014-02-28表3-1三代冲压钢性能比较钢种屈服点σs/MPa抗拉强度σb/MPa断后伸长率δ（%）厚向异性系数r值硬化指数n值沸腾钢180~190290~31014~481.0~1.2约0.22铝镇静钢160~180290~30044~501.4~1.8约0.22IF钢100~150250~30045~551.8~2.80.23~0.282014-02-28一、汽车厂订货我国国家标准中冷轧钢板的表面精度分为两个或三个等级，I级，II级或III级，但是有的标准I是普通表面精度，有的却代表最高表面精度。在选择钢板钢带的表面质量时，一定要按照所选钢板或钢带的具体牌号和使用标准而定。应按国家标准GB/T708-2006《冷轧钢板和钢带的尺寸、外形、重量及允许偏差》进行选择钢带。2014-02-28二、钢板的分类按标准不同，可以将钢板按如下方式分类：按厚度分：薄板，中板，厚板，特厚板按轧制方法分：热轧钢板，冷轧钢板按表面特征分：镀锌板，镀锡板，复合钢板，彩色涂层钢板按强度级别分：普通强度钢板，高强度钢板，超高强度钢板按强化机理分：固溶强化，析出强化，组织强化等冷轧板按冲压级别分：商用级，普通冲压级，深冲压级，超深冲压级，特超深冲压级。2014-02-281.普通低碳钢板汽车车身生产用钢板几乎全是普通低碳钢板，用于汽车覆盖件的钢板厚度为0.3mm~3.0mm，其中0.6~2.0是优选厚度。钢件表面质量分为：超高级的精整表面FD（O5表面），高级的精整表面（O4表面），较高级的精整表面（O3表面）。2014-02-282.镀层钢板没有镀层的钢板称为基板，裸板或原板，为了防止基板氧化而锈蚀，提高钢板的耐腐蚀性，汽车车身覆盖件开始使用镀锌钢板生产。表3-2国外几个主要厂家轿车用镀锌板的生产工艺厂家外板内板及底部零件日产电镀Zn-Ni20/20+络酸盐处理层75g/m2+有机膜1um同外板丰田电镀Zn-Fe20/20热镀锌合金化45/45三菱单面热镀锌合金化0/45热镀锌合金化45/45马自达热镀Zn-Ni30/30同外板奥迪电镀Zn53/53热镀Zn70/70通用热镀Zn70/70热镀Zn65/652014-02-283.无间隙原子钢（IF）IF钢的生产工艺是：通过低温大气压下的热轧过程，轧后立即加速冷却。IF钢按微合金元素的不同通常分为：钛-IF钢，铌-IF钢，铌+钛-IF钢.钛-IF钢：对成分和工艺波动敏感性小，在力学性能上显示出相对较大的各向异性，存在涂层黏结力低和无规律的问题，所以汽车钢板多采用铌-IF钢。2014-02-284.高强度和超高强度钢板普通高强度钢板是在低碳钢内加入适当的微量元素，其屈服强度在275~400MPa。抗拉强度在700MPa以上的钢板称为超高强钢（AHSS）。低合金高强度钢板的品种有如下：1）高强度钢板强化机制2）烘烤硬化钢3）含磷高强度冷轧钢板4）双相钢5）低合金高强度钢板6）相变诱导塑性钢2014-02-285.激光拼焊板拼焊板技术的优点：1）减少车身零件的数量2）可以利用边角料提高材料的利用率3）提高了车身设计的灵活性，缩短了设计和开发周期4）减轻了车身的质量5)提高了车辆结构的整体性能和安全性能6）增强了耐撞性能2014-02-286.轻金属材料1）铝及铝合金材料铝的导热率、比热容比钢大，在常温中具有良好的耐蚀性，强度和刚度均高，使得铝在车身零件中得到广泛的应用。实例见P46的表3-19和表3-21。2）镁合金材料镁合金材料具有较高的比强度和比高度，可承受较大的冲击载荷，具有良好的可加工性和抛旋光性能，熔点低，压铸成型性能好。主要用于离合器踏板，离合器壳体，仪表板骨架，车轮轮辋等。3）钛合金材料钛合金具有比密度低，强度高，低温韧性好等优点，主要用于车阀，排气阀，连杆，车悬架弹簧，气门弹簧等关键部件。2014-02-287.非金属材料1）塑料汽车在车身外部件的应用分为：（1）垂直部件，如翼子板，门等。（2）水平部件，如发动机罩和车顶等。（3）装饰部件，如保险杠系统饰件、门槛等。塑料在新型轿车车身上的应用如图3-1所示。2）高强度纤维复合材料高强度纤维复合材料主要有碳纤维复合材料和玻璃钢两种。碳纤维复合材料具有质量轻，强度高，刚度高，良好的耐蠕变等特点，玻璃钢具有耐蚀，绝缘性好，比强度较高，车身模具成本低，工艺简单，生产周期短等特点。2014-02-28图3-1塑料在新型轿车车身上的应用2014-02-288.其他车身新型材料1）泡沫金属指泡沫铝合金，出现于20世纪90年代末，主要用于发动机舱盖，行李箱盖，翼子板等。泡沫金属密度低，热导率低，变形恢复性能佳，在汽车行业受到重视。2）蜂窝夹芯复合板由两层薄面板中间夹一层厚而轻的蜂窝材料组成的，具有轻质，比强度高，抗振，隔热，阻燃等特点，在车身的外板，车门，保险杠等。2014-02-28第三节汽车覆盖件板材成形性能及实验方法板材冲压成型性能试验间接试验直接试验拉伸试验金相试验硬度试验模拟试验Erichsen试验Swift拉深试验液压胀形试验扩孔试验实物试验和模型试验福井锥杯试验成形极限图试验2014-02-28一、汽车板成形性能的间接试验1.板料的单向拉伸试验（1）拉伸试样图a板材拉伸试样图b单向拉伸曲线图3-2拉伸试验2014-02-28（2）力学性能指标:屈服强度σs指板材由弹性变形进入塑性变形时的应力。其中Fs为拉伸曲线上屈服平台的力；Ao为试样原始面积。抗拉强度σb指拉伸试验时的拉伸力最大时的应力，为最大拉伸力Fmax与试样该时刻的瞬时截面积之比。osAFs2014-02-28屈强比σs/σb屈强比越小，说明σs和σb之间的距离越宽，材料塑性变形的能力越强；对压缩类成形，材料不易起皱；对弯曲成形，回弹变形小；对伸长类成形，零件形装尺寸冻结性好，工艺稳定性高，对冲压成形很有利。2014-02-28均匀伸长率δu和均匀应变Ɛj指板材试样产生局部塑性变形时的伸长率和真实应变。%100001lll0jlnll2014-02-28硬化指数n表示塑性变形时材料硬化的程度。根据不同的轧制方向计算出n的值。随着塑性变形程度的增加，材料的塑性指标降低，强度指标上升，这种现象称为加工硬化。硬化指数n值就是评价材料加工硬化性能的参数，n值增大，能够提高材料的局部应变能力，使变形均匀化，增大材料极限变形。式中σ、Ɛ——真实应力和真实应变；K——强化系数；nK42n90450nnn2014-02-28厚向异性系数r也称塑性应变比，是板材拉伸试验中宽度应变Ɛb与厚度应变Ɛt之比。r值越大，厚度方向上不容易变形，对于拉深成形就不易出现起皱。00/ln/lnrttbbtb42r90450rrr2014-02-28面内方向异性系数Δr指板材平面内不同方向上板厚方向异性系数r的平均差别。当Δr=0时，不产生凸耳；当Δr0时，在0°，90°方向产生凸耳；当Δr0时，在45°方向产生凸耳。2r2-r45900rr2014-02-28x1和x0.5x1为双向等拉与单向拉伸的抗拉强度之比[σb]α=1——双向等拉应力状态下板材的抗拉强度；[σb]α=0——单向拉应力状态下板材的抗拉强度。x0.5值为平面应变状态下与单向拉应力状态下的抗拉强度之比。011xbb05.05.0xbb2014-02-282.板材的金相试验通过金相试验，可以研究汽车板材的结晶组织结构、化学成分、板材表面质量、热处理工艺与成形性能之间的关系。3.板料的硬度试验金属板料的硬度，是衡量金属材料软硬程度的一种指标。汽车用板材通常用布氏硬度来反映硬度指标。2014-02-28二、汽车板成形性能的模拟试验1.Erichsen(杯突试验)1-凸模2-凹模3-压边圈4-试样图3-3杯突试验装置2014-02-28表3-3杯突试验方法标准2014-02-282.液压胀形试验液压胀形试验是将试件放在标准模具中，将周边严格压紧，不准周边材料参与变形，利用油压将试件鼓胀起来。在试件成形球面的过程中，在其顶点上的材料是处在双向等拉状态，从这个顶点的一个单元体上看，两个相互垂直的主应力是相等的。试验参数用K表示。hmax—开始产生裂纹时的高度；a—模口半径。2maxhaK2014-02-283.KWI扩孔试验1-凸模2-凹模3-试样4-压边圈图3-4KWI扩孔试验简图用扩孔系数λ作为扩孔性能指标，λ越大，材料扩孔性能越好。%10000dddf2014-02-284.Swift杯形件拉深成形试验Swift拉深试验（也叫冲杯试验、LDR试验），是采用φ50mm的平底凸模将试样拉深成形，试验过程中，采用逐级增大试件直径Do的办法，测定杯体底部不被拉破而又能将凸缘全部拉入凹模的最大直径Domax，并用下式计算极限拉深比（LDR）作为拉深成形性能指标。pdDLDRmaxDmax—不发生破裂所能拉深成形件的最大毛坯直径；dp—凸模直径。LDR值越大，板材的拉深性能越好。图3-5Swift试验简易装置2014-02-285.福井锥杯试验图3-6锥杯成形试验装置评定金属薄板的拉延与胀形的综合成形性能的常用试验方法。试验时，用钢球凸模将金属薄板压入锥形凹模内，使之成形为一球底锥杯形件，直至锥杯件底部出现破裂为止。该试验最早由日本学者福井(Fukui)提出，也称福井试验。minmax21DDCCVCCV越大，拉深—胀形成形性能越好。2014-02-285.凸耳试验试验时，将直径为60的圆形试样于凹模和压边圈之间，通过凸模对试样进行拉伸，成形一个空心圆柱形杯，用凸耳率e来作为评定金属薄板平面各项异性的程度。凸耳试验是评价板料平面各向异性的模拟试验。在凸耳试验中，凸耳率e越小，板料的平面各向异性越小。%1001hhe图3-7凸耳试验2014-02-286.成形极限图（FormingLimitDiagram）由金属薄板在各种应变状态时所能达到的极限应变值所构成的图形，简称FLD。它用来表示金属薄板在出现局部变薄(失稳或颈缩)和断裂之前可能达到的变形水平。（1）成形极限曲线的建立1）在试验用坯料上制备好坐标网格；2）以一定的加载方式使坯料产生胀形变形，测出试件破裂或失稳时的应变ε1、ε2（长、短轴方向）；3）改变坯料尺寸或加载条件，重复2）项试验，测得另一状态下的ε1、ε2；4）取得一定量的数值后，在平面坐标图上描绘出各试验点，然后圆滑连线，作出FLD。成形极限曲线将整个图形分成如图所示的三部分：安全区、破裂区及临界区。2014-02-28图3-8成形极限图2014-02-28（2）成形极限图的制作常用半球形凸模胀形法，网格形式如下图所示。图3-9常用网格形式绘制成形极限图时，以表面次应变为横坐标（e2），主应变为纵坐标（e1），在e1-e坐标系中习惯将e1和e2的比例取为2:1,但是在e1-e2坐标系中两者分度相同。201