汽车材料与金属加工

《汽车材料与金属加工》教案学校名称：班级：教师：日期：一、课题：第一章汽车材料基础知识二、（1）基础知识：掌握强度与塑性、硬度、冲击韧性及金属疲劳概念（2）能力培养：通过本次学习，培养学生在生产和生活中树立善于思考的良好习惯三、教学重点：金属材料的力学性能教学难点：屈服强度和金属疲劳概念四、教学方法：讨论+讲授五、教学过程：第一节：汽车材料概述一）、请同学们思考以下两个问题：1）你所知道的汽车材料有哪些？2）汽车材料的选用与环境有关吗？二）引入新课：（一）、汽车材料分类：1、汽车零部件材料：2、汽车运行材料第二节：金属材料性能使用性能----力学性能、物理性能、化学性能、其他性能工艺性能----压力加工性能、铸造性能、焊接性能、切削加工热处理（一）、1、力学性能定义：材料受到外力作用所表现出来的性能，又称机械能。2、力学性能包括：强度、塑性、硬度、冲击韧性、抗疲劳性（二）、两个概念：强度---在外力作用下，金属材料抵抗永久变形和断裂的能力塑性---在外力作用下,金属材料产生永久变形而不断裂的能力(三)、同学分组讨论你们所知的外力（载荷）指的是哪些？并指出实例载荷的分类根据外力作用的类型可分为拉伸载荷抗拉强度拉钩、绳、螺栓压缩载荷抗压强度活塞、连杆弯曲载荷抗弯强度曲轴、摇臂剪切载荷抗剪强度销、轴扭转载荷扭转扭转曲轴等旋转零件根据作用力的方向、时间可分为静载荷缓慢`增加后保持大小和方向不变的载荷冲击载荷不仅和作用力有关，而且作用时的速度有关交变载荷力的大小、方向随时间作周期性变化（四）强度有关知识：（请同学描述你所知的强度）强度的大小用应力表示，金属材料在受到外力作用时必然在材料内部产生与外力相等的抵抗力，即内力。单位截面上的内力称为应力。用符号σ表示，σ=F/S单位：Pa通过拉伸试验得到的指标有；弹性极限、屈服强度、抗拉强度。（五）塑性定义：指材料受力时在断裂前产生永久变形的能力。指标：伸长率（δ）和断面收缩率ψδ=（L1-L0）/L0×100﹪δ100指L0=100mm的延伸率ψ=（S0-S1）/S0×100﹪伸长率、断面收缩率与塑性的关系：δ、ψ值越大，塑性越好。（六）硬度知识：（1）定义：指材料表面抵抗局部塑性变形、压痕或划痕的能力。（2）请同学举例并示范汽车零件根据工作条件的不同，要求具有一定的硬度以保证零件具有足够的强度、耐磨性、和使用寿命等。（3）常用硬度试验法；布氏硬度HB、洛氏硬度HRC、维氏硬度HV布氏硬度HB主要用于测定铸铁、有色金属、及其合金，低合金结构钢以及非金属材料。洛氏硬度HRC主要用于测定铜、铝等有色金属及其合金、硬质合金、表面淬火、滲碳件以及退火、正火和淬火。维氏硬度HV主要用于测定金属镀层、薄片金属以及化学热处理后的硬度。硬度与耐磨性的关系：（请同学回答）硬度越大，耐磨性也越好。（七）冲击韧性定义：材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。指标：冲击韧度αk=Ak/S举例汽车上哪些零件受到冲击力的作用(八)金属疲劳的概念交变应力：许多零件，在工作过程中往往受到大小或大小及方向随时间呈周期性变化的应力作用，此应力称为交变应力。金属的疲劳：金属材料在交变应力的长期作用下，虽然应力远小于材料的抗拉强度，甚至低于屈服点，也会发生突然断裂，这种现象叫金属疲劳。举例变速箱上齿轮（九）总结：强度与塑性、硬度、冲击韧性及金属疲劳概念一、课题：第二章钢铁材料及其在汽车上的应用二、（1）基础知识：掌握钢铁材料的概念及其分类、特性（2）能力培养：通过本次学习，培养学生树立善于观察的良好习惯三、教学重点：热处理类型及优点教学难点：如何区分碳素钢、合金钢及铸铁四、教学方法：讨论+讲授五、教学过程：一）复习上节课内容：（1）金属的力学性能包括哪些内容？（2）强度、硬度、塑性变形、疲劳的概念二）提问：（1）什么叫强度？你知道哪些类型的强度？（2）硬度与耐磨性有什么关系？（3）受力越大，强度越大？三）引入新课：第一节碳素钢（一）碳及常存元素对碳素钢性能的影响1、碳的影响：随着含碳量增加，强度硬度增加，塑性韧性降低，到0.9%时强度最大，随着含碳量继续升高，除了硬度升高，其他都降低2、常存元素的影响：锰、硅有益：流动性变好，减少硫的有害作用硫、磷有害：塑性韧性下降，出现“热脆”、“冷脆”（二）碳素钢的分类：1、碳含量（低碳钢C%[0.25%、中碳钢0.25C%[0.6%、高碳钢C0.6%）2、质量（S、P杂质含量）（普碳钢、优质碳素钢、高级优质碳素钢）3、按用途（碳素结构钢、碳素工具钢）（三）常用碳素钢：1、普通碳素结构钢甲类钢（A类钢）机械性能：A1,A2,A3,A4,A5,A6，A7,随钢号数字的增大，强度提高，塑性下降。用途:A1,A2,A3，塑性好，钢板、钢筋、螺钉、螺帽A4,A5型钢、钢板A6，A7工具、农机零件、轻轨热轧状态使用乙类钢（B类钢）按成分供应，B1，B2，B3.....B7,特类钢（C类）C2,C3,C4,C5,按机械性能及化学成分供应。2、优质碳素结构钢用平均碳含量的万分数的数字表示。如：08F，20A，45，15Mn。（F表沸腾钢）（0.20%C，后有“A”表高级优质钢）（表含Mn量高）制作各种机器零件，一般进行热处理。08F塑性好，冷冲压件10，20冷冲压件，焊接件，渗碳处理。35，4540，50?齿轮、轴类60，65弹簧3、铸钢“ZG”加平均碳含量万分数表示，如：ZG25，ZG45（0.25%C），~（0.45%C）形状复杂，需要一定强度、塑性和韧性的零件。第二节热处理简介（一）普通热处理1、退火：指金属材料加热到适当的温度，保持一定的时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。常见的退火工艺有：再结晶退火、去应力退火、球化退火、完全退火等。退火的目的：主要是降低金属材料的硬度，提高塑性，以利切削加工或压力加工，减少残余应力，提高组织和成分的均匀化，或为后道热处理作好组织准备等。2、正火：指将钢材或钢件加热到或（钢的上临界点温度）以上，30～50℃保持适当时间后，在静止的空气中冷却的热处理的工艺。正火的目的：主要是提高低碳钢的力学性能，改善切削加工性，细化晶粒，消除组织缺陷，为后道热处理作好组织准备等。3、淬火：指将钢件加热到Ac3或Ac1（钢的下临界点温度）以上某一温度，保持一定的时间，然后以适当的冷却速度，获得马氏体（或贝氏体）组织的热处理工艺。常见的淬火工艺有盐浴淬火，马氏体分级淬火，贝氏体等温淬火，表面淬火和局部淬火等。淬火的目的：使钢件获得所需的马氏体组织，提高工件的硬度，强度和耐磨性，为后道热处理作好组织准备等。4、回火：指钢件经淬硬后，再加热到Ac1以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。常见的回火工艺有：低温回火，中温回火，高温回火和多次回火等。回火的目的：主要是消除钢件在淬火时所产生的应力，使钢件具有高的硬度和耐磨性外，并具有所需要的塑性和韧性等。5、调质：指将钢材或钢件进行淬火及高温回火的复合热处理工艺。使用于调质处理的钢称调质钢。它一般是指中碳结构钢和中碳合金结构钢。6、渗碳：渗碳是指使碳原子渗入到钢表面层的过程。也是使低碳钢的工件具有高碳钢的表面层，再经过淬火和低温回火，使工件的表面层具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持着低碳钢的韧性和塑性。（二）表面热处理1、表面淬火通过不同的热源对工件进行快速加热，当零件表层温度达到临界点以上（此时工件心部温度处于临界点以下）时迅速予以冷却，这样工件表层得到了淬硬组织而心部仍保持原来的组织。为了达到只加热工件表层的目的，要求所用热源具有较高的能量密度。根据加热方法不同，表面淬火可分为感应加热（高频、中频、工频）表面淬火、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火、电解液加热表面淬火、激光加热表面淬火、电子束表面淬火等。工业上应用最多的为感应加热和火焰加热表面淬火。2、表面化学热处理将工件置于含有活性元素的介质中加热和保温，使介质中的活性原子渗入工件表层或形成某种化合物的覆盖层，以改变表层的组织和化学成分，从而使零件的表面具有特殊的机械或物理化学性能。通常在进行化学渗的前后均需采用其他合适的热处理，以便最大限度地发挥渗层的潜力，并达到工件心部与表层在组织结构、性能等的最佳配合。根据渗入元素的不同，化学热处理可分为渗碳、渗氮、渗硼、渗硅、渗硫、渗铝、渗铬、渗锌、碳氮共渗、铝铬共渗等。最常用的表面热处理工艺有感应加热热处理和火焰淬火，此外还有接触电阻加热淬火、电解加热淬火、激光热处理和电子束热处理等。第三节合金钢（一）、合金钢的分类和牌号1、合金钢的分类：1）、按合金元素含量：低合金钢（合金总量低于5%）中合金钢（合金总量为5%～10%）高合金钢（合金总量高于10%）2）、按用途分类：合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢2、合金钢的牌号：1）、合金结构钢：两位数字＋合金元素符号＋数字＋质量等级符号“A”（1）当合金元素的平均含量＜1.5%时，钢号中一般只标出元素符号，而不标明含量；但在特殊情况下易致混淆者，在元素符号后亦可标以数字“1”，例如钢号“12CrMoV”和“12Cr1MoV”，前者铬含量为0.4-0.6%，后者为0.9-1.2%，其余成分全部相同。（2）当合金元素的平均含量≥1.5%、≥2.5%、≥3.5%……时，则相应地在元素符号后面标以2、3、4……；如果为高级优质钢，则在其钢号后加“A”，以区别于一般优质钢。例如：18Cr2Ni4WA。（3）钢中的钒V、钛Ti、铝Al、硼B、稀土Re等合金元素，均属微合金元素，虽然含量很低，仍应在钢号中标出。例如20MnVB钢中，钒：0.07～0.12%，硼：0.001～0.005%。（4）专门用途的合金结构钢，钢号冠以（或后缀）代表该钢种用途的符号。例如，铆螺专用的30CrMnSi钢，钢号表示为ML30CrMnSi。2）、合金工具钢和高速工具钢：数字＋合金元素符号＋数字（1）合金工具钢中，当WC≥1.0%时，含碳量不标出，如Cr12、CrWMn；当WC＜1.0%时，以千分之几表示，如9SiCr、3Cr2W8V。（2）对于含铬量低的钢，其含铬量以千分之几表示，并在数字前加“0”，以示区别。如平均Cr=0.6%的低铬工具钢的钢号为“Cr06”。（3）高速钢，一般不标出含碳量，只标出合金元素平均含量的百分之几。如“钨18铬4矾”（W18Cr4V，简称18-4-1），“钨6钼5铬4矾2”（W6Mo5Cr4V2，简称6-5-4-2）。（一）、合金结构钢1、低合金高强度结构钢用途：在大气和海洋中工作的的大型焊接结构件，如建筑结构、桥梁、车辆、船舶、输油输气管道、压力容器等。性能特点：强度高，良好的塑性、韧性、冷冲压性能及焊接性能，可抵抗大气腐蚀。牌号：Q＋数字＋（质量等级符号A、B、C、D、E）共11个牌号，6个等级，以强度等级分类，如表所示。2、渗碳钢用途：主要作于制作承受交变载荷、很大的接触应力，并在冲击和严重磨损条件下工作的零件，如汽车、重型机床齿轮、活塞销，内燃机的凸轮轴等。性能要求：“表硬心韧”。要求零件表面硬度高、耐磨，心部则具有较高的韧性和足够的强度以承受冲击。一般渗碳件表面渗碳层淬火后硬度≥58HRC，心部35～45HRC。3、调质钢采用调质处理，即淬火+高温回火后使用的优质碳素钢和合金结构钢，统称为调质钢。应用：用于受力较复杂的重要结构零件。如机床主轴、火车发动机曲轴、汽车后桥半轴等轴类零件，以及连杆、螺栓、齿轮等。性能要求：具有良好的综合力学性能，即高的强度、良好塑性和韧性。4、弹簧钢应用：用于制造汽车、拖拉机和火车的板弹簧或螺旋弹簧。性能要求：具有高的弹性极限和屈强比，高的疲劳强度和足够的塑性、韧性。常用牌号：65Mn、60Si2Mn、50CrVA5、弹簧钢应用：用于制造汽车、拖拉机和火车的板弹簧或螺旋弹簧。性能要求：具有高的弹性极限和屈强比，高的疲劳强度和足够的塑性、韧性。常用牌号：65Mn、60Si2Mn、50CrVA（三）、特殊性能钢1、不锈钢：通常所说的不锈钢是不锈钢和耐酸钢的总称。不锈钢是指能抵抗大气腐蚀的钢；耐酸钢是指能抵抗化学介质腐蚀的钢。“不锈