汽车应用材料

汽车应用材料第一章

第一章

汽车材料概论


本章导入

1. 材料是人类生产和生活所必需的物质，人类社会的发展伴随着各种材料的不断开发和利用。

材料科学简介

2. 材料、能源、信息被称为现代技术的三大支柱

3. 材料是汽车工业的基础。


1. 材料发展经历的几个时代

◆ 石器

◆ 青铜器

◆ 铁器

◆ 钢铁、铝合金◆ 复合材料、钛镁金属、纳米材料新石器时代的石制农具

司母戊鼎

通高 133 厘米 , 横长 110 厘米 , 宽 78厘米 , 重 875 公斤 .根据目前发掘的商代熔铜坩锅 , 一次约能熔铜 12.7 公斤.

铸造司母戊这样的大鼎 , 就需要七十多个坩锅 . 如果一个坩锅配备三至四人 , 就需要二、三百人同时操作。

云版又叫“点”，是军营中遇有急事敲打报警用的。此块云版用生铁铸成，上下两端勾卷如云，故名。

材料科学简介


2. 材料在的现代科技中的地位

21 世纪三大科技

◆ 信息技术

◆ 生物技术

◆ 纳米材料

超微外观大体结构纳米人工骨

一张纳米光盘将可记录 1000 部电影

材料科学是其基础

◆ 能源技术


3. 材料是汽车工业的基础

汽车应用材料包括了制造汽车各种零部件用的汽车工程材料，以及汽车在使用过程中使用的燃料和工作液等汽车运行材料。


一、汽车的主要构成二、汽车应用材料的组成三、汽车应用材料张望四、该课程的性质、任务和学习方法

第一节汽车应用材料概述


典型轿车构造图


一 . 汽车的结构组成（三大部分）

发动机：内燃机（动力、原动部分）底盘：传动系、转向系、制动系、

行驶系（传动、控制部分）车身 : （工作部分）


发动机

底盘

车身

汽车结构组成


通常，一辆汽车由约 3 万个零部件组装而成。汽车上每个汽车零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。

二 . 汽车应用材料的组成

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


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 …)

◆ 有机高分子材料（主要成分Ｃ、Ｈ）—— 塑料、橡胶、合成纤维等

◆ 无机材料 —— 玻璃、水泥、陶瓷等

● 非金属材料

● 复合材料　——玻璃纤维增强塑料等


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 12%-5%，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 12% ~ 6%。

2. 汽车材料的应用


车用汽油燃料轻柴油其它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。


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 1.74 2.7 4.5 7.8

● 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

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 .

直升飞机的旋翼


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. 其它材料

● 超导材料

● 贮氢材料● 分离膜材料


认识汽车工程材料性能特点及控制技术掌握汽车工程材料的类型、性能特点、牌

号及应用。了解新型材料应用及发展趋势

四 .本课程学习目的及要求


抓好基本学习环节注重理论知识的实际应用　总结归纳

本课程学习方法


第二节材料的性能

一 . 材料的力学性能

二 . 材料的物理性能

三 . 材料的化学性能

四 . 材料的工艺性能



材料的力学性能：是指材料在外加载荷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 .


根据外加载荷的性质，载荷分为： 1 、静载荷 2 、冲击载荷 3 、交变载荷。金属材料（受载） - 变形 , 分：弹性变形：载荷卸除后恢复原状塑性变形：载荷卸除后不能恢复 ,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-

2002 ）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载荷（ 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。

2. 材料的弹性指标



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载荷（ 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载荷 (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。

3. 材料的强度指标


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， l1 是试样断裂后的标距（㎜）， l 0是试样的原始标距（㎜），同一材料的伸长率与试样尺寸有关。

%1000

01

l

ll


（ 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= （ A0 - A1 ） / A0 ×100%

式中 ,A1 是试样断裂处的最小横断面积（㎜ 2 ），

A0 是试样的原始横截面积 (㎜ 2) 。

4. 材料的塑性指标


( 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）(如图）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：用一定大小的载荷 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载荷，移去压头，用读数显微镜测出压痕平均直径 d。用载荷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。

1．布氏硬度


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（㎜）、试验载荷（ Kg·f）、试验载荷保持时间（ S）（ 10～ 15S不标注）。

例 120 HBW10/1000/30

实验测量 d—查表—硬度

1．布氏硬度


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

材料抵抗冲击载荷的能力，是指材料在受到冲击载荷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载荷，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。冲击试验的原理如图 1-10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。

1.冲击韧度

F

AK


2.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。

( 三 )冲击韧度


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。

( 三 )冲击韧度


( 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，以至于不能承受载荷而突然断裂。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。

( 四 )疲劳强度


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。

( 四 )疲劳强度


二 . 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


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等问题。

二 . 材料的理化性能


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

三 . 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 :


1. 零件的失效形式2 . 零件的选材原则

第三节零件材料的选用

学习目标 :

认识零件失效形式，掌握选材的一般原则和方法，典型零件的选材分析

学习内容 :


一 . 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）


( 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

一 . 零件的失效形式


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；增大润滑油粘度；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，齿面间会发生粘接在一起的现象，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；增大润滑油粘度；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；增大润滑油粘度。

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。

齿轮常见的失效形式


( 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

一 . 零件的失效形式


二 . 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　


1. 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

载荷性质

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，疲劳断裂，接触疲

劳表面高硬度及疲劳极限，心部强度及韧性

弹簧扭、弯交变冲击振动弹性失稳，

疲劳破坏弹性极限，屈强比

，疲劳极限

零件失效的原因 —— 设计、材料、加工、安装和使用。


２ ) 工作环境 —— 温度，介质（如腐蚀，摩擦）。３ )特殊功能要求 —— 导电性、磁性、热膨胀性、比重、外观等

。

４ ) 性能要求的指标化 —— 如强硬度、塑韧性等的具体数值。

　　手册数据、经验公式的局限性 —— 力学性能与零件尺寸有关40钢不同尺寸毛坯的力学性能

热处理条件毛坯尺寸 /mm σb / MPa δ/ % AKU / J

850淬火5 800 16 120

30 750 15 80

500回火50 700 15 56

100 600 13 40


2 、工艺性能 —— 铸、锻、焊、机加工、热处理

零件的加工工艺路线一般零件 —— 毛坯 → 正火或退火 → 切削加工

轴、齿轮等——毛坯 → 预先热处理（正火、退火）→ 粗加工→ 最终热处理（淬火＋回火，时效，渗 C 等）→精加工


3 、经济性 —— 根本原则１ ) 产品成本分析　基本材料的成本（价格、利用率）—— 占总成本的 30~70%　制造（加工）成本 —— 约占零件成本的 30%

　加工成本 = 工具与设备费用 + 每件产品成本 × 生产批量

材料美元 / t 材料美元 / t

铂 26,000,000 工业金刚石 900,000,000

金 19,100,000 硼—环氧树脂复合材料 330,000

钨 26,000 碳纤维复材料 200,000

钛合金 10,190～ 12,720 玻璃纤维复合材料 2400～ 3300

黄铜（型材） 1650～ 2336 尼龙 66 3289

铝合金（型材） 2000～ 2440 环氧树脂 1650

低碳钢（型材） 440～ 480 天然橡胶 1430

铸铁 260 氧化铝 1100-1760

硬质合金 66,000 玻璃 1500


4 、环境与资源原则

　　１ )减少材料使用量、延长零件寿命、材料再利用。

　　　２ )环境污染小

　废气排放少

　材料回收及降解

储量（ 106t ）可用年数再生率 (%)

Fe 1×106 109 31.7

Al 1170 35 16.9

Cu 308 24 40.9

Zn 123 18 21.2

Mo 5.4 36

Ag 0.2 14 41.0

Cr 775 112

Ti 147 51

—— 贯穿材料生产、使用、废弃的全过程重要金属的世界储量


选材方法与步骤

三、汽车零件的选材

1 ）周密分析零件的工作特性和使用条件。找出主要损坏形式，提出主要抗力指标，如表 1-6所示。

2)根据零件的工作条件，提出必要的设计制造技术条件。3 ）根据所提出的技术条件、要求，结合考虑工艺性、经济性，对材料进行预选择 .(可以通过与相类似机器零件的比较和已有的实践经验的判断，或者通过各种材料选用手册来进行选择 ).


4)预选方案材料进行计算，以确定是否能满足上述工作条件要求。

5) 二次（或最终）选择。选择方案可以是若干种方案。6) 通过实验室试验、台架试验和工艺性能试验，最终确定合理选材方案。

7)最后，在中试生产的基础上，接受生产考验，以检验选材的合理与否。

选材方法与步骤 :

三、汽车零件的选材

汽车应用材料第一章图 1-12 零件的一般选材步骤


小结 :本章重点 :

1. 本课程的学习内容 . 汽车材料的组成 .2. 材料的性能及性能指标 .

3. 汽车零件失效形式及选材原则 .

基本概念 :材料性能 ,强度 , 塑性 ,弹性 ,硬度 ,韧性 , 工艺性能 ,失效 .

汽车应用材料

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