汽车材料(新编版)课件全书教学教程电子教案幻灯片.ppt

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材料的静态力学性能,一、强度,二、塑性,三、硬度,一、强度,1.,弹性极限,e,2.,屈服极限,(,屈服强度,),s,3.,强度极限,(,抗拉强度,),b,载荷作用的形式,普通低碳钢的圆形拉伸试样,低碳钢和铸铁的应力,-,应变曲线,1.,弹性极限,e,表示材料保持弹性变形,不产生永久变形的最大应力,是弹性零件的设计依据。设计车用弹性零件,(,如弹簧,),时,必须考虑弹性极限。,2.,屈服极限,(,屈服强度,),s,表示金属开始发生明显塑性变形的抗力,有些材料,(,如铸铁,),没有明显的屈服现象如上图所示,则用条件屈服极限来表示,:,产生,0.2%,残余应变时的应力值,用,0.2,表示。,3.,强度极限,(,抗拉强度,),b,表示金属受拉时所能承受的最大应力。,由应力,-,应变曲线可知,抗拉强度,b,表征材料在拉伸条件下所能承受最大载荷的应力值,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。,s,、,0.2,及,b,是机械零件或构件设计和选材的主要依据。,二、塑性,1.,延伸率,2.,断面收缩率,1.,延伸率,在拉伸试验中,试样拉断后,标距的伸长与原始标距的百分比称为延伸率。用符号,表示。,2.,断面收缩率,试样拉断后,缩颈处截面积的最大缩减量与原横断面积的百分比称为断面收缩率,用符号,表示。,三、硬度,1.,布氏硬度,2.,洛氏硬度,1.,布氏硬度,下图为布氏硬度测试原理图。一定直径的球体,(,钢球或硬质合金球,),在一定载荷作用下压入试样表面,保持一定时间后卸除载荷,测量其压痕直径,计算硬度值。布氏硬度值用球面压痕单位表面积上所承受的平均压力来表示。用符号,HBS(,当用钢球压头时,),或,HBW(,当用硬质合金球时,),来表示。,布氏硬度测试原理图,2.,洛氏硬度,下图为洛氏硬度测试原理图。将金刚石压头,(,或钢球压头,),在先后施加两个载荷,(,预载荷,F,0,和总载荷,F),的作用下压入金属表面。总载荷,F,为预载荷,F,0,和主载荷,F,1,之和。卸去主载荷,F,1,后,测量其残余压入深度,h,来计算洛氏硬度值。残余压入深度,h,越大,表示材料硬度越低,实际测量时硬度可直接从洛氏硬度计表盘上读得。,洛氏硬度测试原理图,常用的三种洛氏硬度的实验条件及应用范围,第二节 材料的动态力学性能,一、冲击韧度,二、断裂韧度,三、疲劳强度,一、冲击韧度,1.,摆锤式一次冲击弯曲试验,2.,小能量多次冲击,1.,摆锤式一次冲击弯曲试验,冲击试样（单位：,cm,）,冲击试验,2.,小能量多次冲击,小能量多次冲击试验原理示意图,二、断裂韧度,1.,裂纹扩展的基本形式,2.,应力场强度因子,K,1.,裂纹扩展的基本形式,裂纹扩展的基本形式,2.,应力场强度因子,K,当材料中存在裂纹时,在裂纹尖端处必然存在应力集中,从而形成了应力场。由于裂纹扩展总是从裂纹尖端开始向前推进的,故裂纹能否扩展与裂纹尖端处的应力场大小有直接关系。衡量裂纹尖端附近应力场强弱程度的力学参量称为应力场强度因子,K,。脚标,表示,型裂纹的应力场强度因子。,K,越大,则应力场的应力值也越大。,三、疲劳强度,1.,金属疲劳概念,2.,提高疲劳极限的途径,疲劳断裂宏观断口示意图,1.,金属疲劳概念,疲劳曲线和对称循环交变应力图,2.,提高疲劳极限的途径,(1),在进行设计时尽量避免尖角、缺口和截面突变,以免应力集中及由此引起疲劳裂纹,;,降低零件表面粗糙度,提高表面加工质量,以及尽量减少能成为疲劳源的表面缺陷,(,氧化、脆碳、裂纹、夹杂和刀痕、划伤等,),和各表面损伤等。,(2),采用各种表面强化处理,如化学热处理、表面淬火、喷丸、滚压等以形成表面残余压力提高疲劳抗力。,(3),改善零部件的结构形状、工作条件、表面加工质量、材料的材质以及内部组织的各类缺陷和残余应力等,同时采用表面淬火、喷丸处理等表面强化方法能显著地提高金属材料的疲劳极限。,常用力学性能指标及其含义,第三节 材料的工艺性能,一,、铸造性能,二、锻造性能,三、焊接性能,四、压力加工性能,五、切削加工性能,六、热处理工艺性能,一、铸造性能,1.,流动性,2.,收缩性,3.,偏析,1.,流动性,熔融金属的流动能力称为流动性。流动性好的金属容易充满铸型,从而获得外形完整、尺寸精确、轮廓清晰的铸件。,2.,收缩性,铸件在凝固和冷却过程中,其体积和尺寸减少的现象称为收缩性。铸件收缩不仅影响尺寸,还会使铸件产生缩孔、疏松、内应力、变形和开裂等缺陷。故铸造用金属材料的收缩率越小越好。,3.,偏析,金属凝固后,铸锭或铸件化学成分和组织的不均匀现象称为偏析。偏析大会使铸件各部分的力学性能有很大的差异,降低铸件的质量。,二、锻造性能,金属材料用锻压加工方法成形的适应能力称为锻造性能。锻造性能主要取决于金属材料的塑性和变形抗力。塑性越好,变形抗力越小，金属的锻造性能越好。铜合金和铝合金在室温状态下就有良好的锻造性能。碳钢在加热状态下锻造性能较好。其中低碳钢最好,中碳钢次之,高碳钢较差。低合金钢的锻造性能接近于中碳钢,高合金钢的较差。铸铁锻造性能差,不能锻造。,三、焊接性能,金属材料对焊接加工的适应性称为焊接性能。也就是在一定的焊接工艺条件下,获得优质焊接接头的难易程度。在汽车工业中,焊接的主要对象是钢材。碳质量分数是焊接性能好坏的主要因素。碳质量分数和合金元素质量分数越高,焊接性能越差。近焊缝区易产生淬硬组织和冷裂缝。铜合金和铝合金的焊接性能都较差。,四、压力加工性能,常用力学性能指标及其含义,五、切削加工性能,切削加工性能是指金属材料被机床刀具切削加工的难易程度。金属材料机加工的难易,视具体加工要求和加工条件而定,影响切削加工性的因素很多,主要有材料的化学成分、组织、硬度、韧度、导热性和形变硬化等。金属材料具有适当的硬度,(HBS=170230),和足够的脆性时切削性良好。,六、热处理工艺性能,金属材料适应各种热处理工艺的性能称为热处理工艺性能。衡量金属材料热处理工艺性能的指标包括导热系数、淬硬性、淬透性、淬火变形、开裂趋势、表面氧化及脱碳趋势、过热及过烧的敏感趋势、晶粒长大趋势、回火脆性等。钢的热处理工艺性能主要考虑其淬透性,即钢接受淬火的能力。,小结,1.,材料的性能是指材料的使用性能和工艺性能。,2.,材料的使用性能又包括力学性能和物理化学性能,对于汽车材料应重点了解力学性能。材料的力学性能包括材料的静态力学性能和动态力学性能。,3.,材料的力学性能指标,s,、,0.2,、,b,、,-1,、,a,k,、,HBS,、,HRC,是汽车零件设计、制造、使用的重要依据。,4.,布氏硬度和洛氏硬度的测试原理、应用场合。金属材料的工艺性能包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、压力加工性能、切削加工性能、热处理工艺性能。,本章结束,第二章,金属材料的结构及结晶,第二节 合金的结构及相图,第一节 纯金属的晶体结构及结晶,1.,掌握晶体结构的基础知识,;,2.,了解金属的实际晶体结构与晶体缺陷,;,3.,掌握纯金属的结晶过程,掌握影响晶粒大,小的因素、金属的同素异构转变概念,;,4.,了解金属铸锭的组织与结构,;,5.,掌握合金和相的基本概念、合金中相的基,本结构,;,6.,了解二元合金相图构成。,学习目标：,原子堆积图形、晶格、晶胞示意图,第一节 纯金属的晶体结构,及结晶,一、晶体结构的基本知识,二、金属的实际晶体结构与晶体缺陷,三、纯金属的结晶,四、金属铸锭的组织与结构,五、金属的同素异构转变,一、晶体结构的基本知识,1.,晶格、晶胞和晶格常数,2.,常见典型金属晶体晶胞结构类型,3.,晶体的各向异性,1.,晶格、晶胞和晶格常数,1,）晶格,2,）晶胞,3,）晶格常数,2.,常见典型金属晶体晶胞结构类型,1,）体心立方,2,）面心立方,3,）密排六方,金属的三种典型晶胞示意图,3.,晶体的各向异性,由于晶体内部原子的有规则的排列,使晶体内部不同位向原子排列密度不同,原子之间的结合力也不同,因此在不同的方向表现出不同的性能。这种现象就是晶体的“各向异性”特点。据测定,体心立方晶格的,-Fe,单晶体,不同位向的力学性能相差一倍以上。因此,在选用晶体时,必须注意这种各向异性的特点。,实际使用的金属,虽然结构上是晶体结构,但是并不表现出各向异性的特征。因为晶体各向异性特征在理想晶体,(,单晶体,),时可充分体现,而实际金属的晶体结构往往存在各种缺陷,同时大都并非单晶体组织,而是多晶体组织,(,许多位向不同的小单晶体晶粒集合组织,),因而不同位向的性能差异互相综合抵消,掩盖了晶体的“各向异性”。,二、金属的实际晶体结构与晶体缺陷,1.,多晶体结构,2.,晶体缺陷,1.,多晶体结构,晶体结构,2.,晶体缺陷,（,1,）点缺陷,（,2,）线缺陷,（,3,）面缺陷,晶体缺陷,三、纯金属的结晶,1.,结晶的概念,2.,纯金属的结晶过程,1.,结晶的概念,纯金属结晶时的冷却曲线,金属的热分析实验和冷却曲线,2.,纯金属的结晶过程,（,1,）均质形核,依靠液态金属本身在过冷条件下形成晶核,(,又称自发晶核,),。,（,2,）异质形核,金属原子依附于固态杂质微粒的表面形成晶核,(,又称非自发晶核,),。,纯金属结晶过程示意图,晶体生长示意图,形核速度,N,和晶核长大速度,G,与过冷度,T,的关系,四、金属铸锭的组织与结构,1.,铸锭的组织与结构,2.,镇静钢锭和沸腾钢锭的组织与缺陷,3.,细晶粒强化与变质处理,铸锭组织示意图,1.,铸锭的组织与结构,（,1,）细晶区,（,2,）柱状晶区,（,3,）等轴晶区,2.,镇静钢锭和沸腾钢锭的组织与缺陷,（,1,）镇静钢,（,2,）沸腾钢,（,3,）缩孔,（,4,）疏松,（,5,）偏析,（,6,）气泡,3.,细晶粒强化与变质处理,1,）细晶强化,2,）变质处理强化,不同晶粒大小纯铁的力学性能,2,）变质处理强化,（,1,）变质处理,（,2,）振动,五、金属的同素异构转变,纯铁的冷却曲线及同素异构转变,第二节 合金的结构及相图,一、合金和相基本概念,二、合金中相的基本结构,三、二元合金相图,一、合金和相基本概念,1.,合金,2.,相,1.,合金,是指由两种或两种以上的金属,或金属元素与非金属元素,经熔炼、烧结或其他方法组合而成,并具有金属特征的物质。组成合金的独立的、最基本的单元称为组元。组元可以是金属、非金属或稳定的化合物。由一系列相同组元组成的不同成分的合金称为合金系。,2.,相,是指合金系统中具有相同的化学成分、相同的晶体结构和相同的物理或化学性能并与该系统的其余部分界面分开的部分。液态物质称为液相,固态物质称为固相。合金在固态下可以形成均匀的单相合金,也可能是由几种不同相组成的多相合金。用金相观察方法,在金属及合金内部看到的组成相的大小、方向、形状、分布及相间结合状态称为组织。,二、合金中相的基本结构,1.,固溶体,2.,金属化合物,1.,固溶体,（,1,）置换固溶体,（,2,）间隙固溶体,（,3,）固溶体的晶格畸变及其对性能的影响,固溶体的类型,固溶体中晶格畸变示意图,2.,金属化合物,Fe,3,C,的晶体结构,三、二元合金相图,1.,二元合金相图的建立,2.,二元合金相图的基本类型,3.,合金性能与相图的关系,4.,合金力学性能与相图的关系,1.,二元合金相图的建立,纯铜在小坩埚内结晶时的冷却曲线,铜,镍合金相图的建立,2.,二元合金相图的基本类型,1,）匀晶相图,2,）共晶相图,1,）匀晶相图,（,1,）相图分析,（,2,）合金冷却过程分析,Cu-Ni,合金相图及冷却曲线,2,）共晶相图,Pb-Sn,合金相图,3.,合金性能与相图的关,合金的性能取决于合金的成分和组织,合金的某些工艺性能,(,如铸造性能,),还与合金的结晶特点有关。而相图既可表明合金成分与组织间的关系,又可表明合金的结晶特点。因此,合金相图与合金性能之间存在一定的联系。了解相图与性能的联系规律,就可以利用相图大致判断出不同成分合金的性能特点,并作为选用和配制合金、制定工艺的依据。,4.,合金力学性能与相图的关系,合金力学性能与相图的关系,小结,1.金属材料都是晶体,绝大多数金属皆为体心立方、面心立方、密排六方等三种晶体结构。,2.金属结晶的必要条件是过冷,金属的结晶过程是由形核与长大两个基本过程组成。通过控制形核、长大速度及过冷度T可调整晶粒大小。,3.实际金属不是单晶体而是多晶体。在实际金属中存在着各种晶体缺陷,包括点缺陷、线缺陷、面缺陷。,4.,晶体缺陷是金属强度的影响因素,工程上实际应用的金属,其强化方法就是靠增加晶体缺陷实现的。,5.,固溶强化、细晶粒强化是强化金属材料的重要措施之一。,6.,金属的因素异构转变过程。,本章结束,第三章,黑色金属材料,第二节 钢的热处理强化及表面改性,第三节 钢的合金化,第一节 铁碳合金相图,第四节 工业用钢及铸铁,第五节 典型汽车零件的选材及,热处理,1.掌握碳钢,合金钢,铸铁中的有关基本概念,、,分类、牌号、性能及用途;,2.掌握黑色金属在汽车零件上的应用状况;,3.了解铁碳合金的成分、组织、性能之间的关系;,4.了解合金元素在钢中的作用;,5.了解粉末冶金材料的特点和主要用途。,学习目标,:,第一节 铁碳合金相图,一、铁碳合金相图,二、铁碳合金的基本组织及性能,三、,Fe-Fe,3,C,相图分析,四、相图中重要的点和线,五、典型铁碳合金的平衡结晶过程,六、铁碳合金的成分,组织,性能关系,七、,Fe-Fe,3,C,相图的应用,一、铁碳合金相图,Fe-C,合金的各种化合物,Fe-Fe,3,C,相图,二、铁碳合金的基本组织及性能,1.,固溶体,2.,渗碳体,3.,机械混合物,4.,莱氏体,(Ld),1.,固溶体,（,1,）铁素体,(F),（,2,）奥氏体,(A),2.,渗碳体,渗碳体是一种铁碳化合物,用符号,Fe,3,C,表示。其含碳量为,6.69%,硬度很高,塑性、韧度很差,0,。渗碳体在金相显微镜下的形态很多,可呈片状、粒状、网状和板条状。它的形状和分布对钢的性能有很大影响,渗碳体是钢中的主要强化相。,3.,机械混合物,珠光体,(P),珠光体是铁素体与渗碳体的机械混合物。用符号,P,表示。其平均含碳量为,0.77%,。珠光体的强度、硬度比铁素体高,而塑性韧度比铁素体低。珠光体在金相显微镜下的组织为铁素体和渗碳体层片状相间排列,看上去有类似珍珠的光泽而得名。,4.,莱氏体,(Ld),莱氏体分为,:,（,1,）高温莱氏体由奥氏体和渗碳体组成,用符号,Ld,表示,;,（,2,）低温莱氏体由珠光体和渗碳体组成,用符号,Ld,表示。,铁碳合金基本相的力学性能,三、,Fe-Fe,3,C,相图分析,1.Fe-Fe,3,C,相图中的特性点,2.Fe-Fe,3,C,相图中的特性线,简化了的,Fe-Fe,3,C,相图,1.Fe-Fe,3,C,相图中的特性点,简化的,Fe-Fe,3,C,相图的特性点,2.Fe-Fe,3,C,相图中的特性线,简化的,Fe-Fe,3,C,相图特性线,四、相图中重要的点和线,1.,相图中的重要点,2.,相图中的重要线,1.,相图中的重要点,上图中,C,、,S,、,E,为三个最重要的点,:,（,1,）,C,点为共晶点,（,2,）,S,点为共析点,（,3,）,E,为钢和铁的分界点,2.,相图中的重要线,重要的点和线,ACD,为液相线,;AECF,为固相线。水平线,ECF,为共晶反应线,:,碳质量分数在,2.11%,6.69%,的铁碳合金,在平衡结晶过程中均发生共晶反应。水平线,PSK,为共析反应线,:,碳质量分数为,0.0218%,6.69%,的铁碳合金,在平衡结晶过程中均发生共析反应。,PSK,线亦称,A1,线。,相图中的,GS,线,:,是合金冷却时自,A,中开始析出,F,的临界温度线,通常称,A,3,线。,ES,线是碳在,A,中的固溶线,:,通常叫做,A,cm,线。由于在,1148,时,A,中溶碳量最大,碳质量分数可达,2.11%,而在,727,时仅为,0.77%,因此碳质量分数大于,0.77%,的铁碳合金自,1148,冷至,727,的过程中,将从,A,中析出,Fe,3,C,。析出的渗碳体称为二次渗碳体,(Fe,3,C,),。,A,cm,线亦为从,A,中开始析出,Fe,3,C,的临界温度线。,PQ,线是碳在,F,中固溶线,:,在,727,时,F,中溶碳量最大,碳质量分数可达,0.0218%,室温时仅为,0.0008%,因此碳质量分数大于,0.0008%,的铁碳合金自,727,冷至室温的过程中,将从,F,中析出,Fe,3,C,。析出的渗碳体称为三次渗碳体,(Fe,3,C,),。,PQ,线亦为从,F,中开始析出,Fe,3,C,的临界温度线。,Fe,3,C,数量极少,往往予以忽略。,五、典型铁碳合金的平衡结晶过程,1.,共析钢结晶过程分析,2.,亚共析钢冷却过程分析,3.,过共析钢冷却过程分析,4.,共晶白口铸铁冷却过程分析,5.,亚共晶白口铸铁冷却过程,6.,过共晶白口铸铁冷却过程,1.,共析钢结晶过程分析,共析钢结晶过程示意图,2.,亚共析钢冷却过程分析,亚共析钢冷却过程示意图,3.,过共析钢冷却过程分析,过共析钢冷却过程示意图,4.,共晶白口铸铁冷却过程分析,共晶白口铸铁冷却过程示意图,5.,亚共晶白口铸铁冷却过程,亚共晶白口铸铁冷却过程示意图,6.,过共晶白口铸铁冷却过程,过共晶白口铸铁冷却过程示意图,铁碳合金分类及室温平衡组织,标注组织的,Fe-Fe,3,C,相图,六、铁碳合金的成分,组织,性能关系,铁碳合金的成分,组织,性能的对应关系,碳钢的力学性能与碳质量分数的关系（正火）,七、,Fe-Fe,3,C,相图的应用,1.,在钢铁材料选用方面的应用,2.,在铸造工艺方面的应用,3.,在热锻、热轧工艺方面的应用,4.,在热处理工艺方面的应用,第二节 钢的热处理强化与表面改性,一、钢的热处理基本概念及分类,二、钢的热处理原理,三、钢的热处理工艺对组织和性能的影响,四、钢的表面处理强化,一、钢的热处理基本概念及分类,热处理的基本工艺曲线,二、钢的热处理原理,1.,钢在加热和冷却时的转变,1,）钢在加热时的组织转变,2,）钢在冷却时的转变,加热和冷却时,Fe-Fe,3,C,相图上临界点位置,1,）钢在加热时的组织转变,（,1,）奥氏体的形成,（,2,）奥氏体晶粒的长大及其控制,共析碳钢的奥氏体形成过程示意图,2,）钢在冷却时的转变,（,1,）奥氏体的等温冷却转变,（,2,）,C,曲线有三个转变区,分别为,（,3,）过冷奥氏体的连续冷却转变,热处理的不同冷却方式,共析碳钢奥氏体等温转变曲线,共析钢过冷奥氏体高温转变组织,上贝氏体形态,下贝氏体形态,高碳马氏体和低碳马氏体,共析钢的连续冷却速度对其组织与性能的影响,共析钢的连续冷却转变曲线（虚线是,C,曲线）,三、钢的热处理工艺对组织和性能的影响,1.,退火,2.,正火,3.,淬火,4.,回火,1.,退火,碳钢各种退火、正火加热范围,2.,正火,正火是将钢加热到,Ac,3,以上,30,50(,亚共析钢,),或者,A,ccm,以上,30,50(,过共析钢,),保温一定时间后在空气中冷却,得到索氏体组织。与退火的最大区别在于正火的冷却速度快,生产周期短,操作简便,强度和硬度稍有提高,因此,应用中可以根据实际情况考虑用正火代替退火,。,3.,淬火,1,）淬火时的组织转变,2,）淬火工艺及影响因素,3,）淬火冷却介质,4,）钢的淬透性及影响因素,5,）影响钢淬透性的因素,碳钢淬火温度范围,理想冷却介质,淬火冷却介质比较,钢淬火沿截面的不同冷却速度示意图,淬透性不同的钢调质后力学性能沿截面的分布,4.,回火,1,）回火后的组织和性能,2,）回火的种类和应用,四、钢的表面处理强化,1.,表面淬火,2.,化学热处理强化,表面处理强化的方法,1.,表面淬火,1,）电感应加热表面淬火,2,）火焰加热表面淬火,电感应加热表面淬火,火焰加热表面淬火示意图,2.,化学热处理强化,1,）渗碳,2,）氮化,3,）碳氮共渗及多元共渗,4,）渗铬,5,）渗硼,第三节 钢的合金化,一、合金元素在钢中的存在形式和作用,二、合金元素对钢性能的影响,三、合金元素对钢热处理的影响,四、合金元素对加热和冷却转变的影响,五、合金元素对钢加工性能的影响,一、合金元素在钢中的存在形,式和作用,1.,合金元素与碳的作用,2.,合金元素与铁的作用,1.,合金元素与碳的作用,按照合金元素形成碳化物的能力由大到小排列为,:Ti,、,Zr,、,Nb,、,V,、,W,、,Mo,、,Cr,、,Mn,、,Fe,。其中,:,强碳化物形成元素,:Ti,、,Zr,、,Nb,、,V,都形成特殊碳化物,其碳化物不同于一般渗碳体。,中等碳化物形成元素,:W,、,Mo,、,Cr,含量较低时与铁形成合金渗碳体,含量较高时可形成新的合金碳化物,;,弱碳化物形成元素,:Mn,、,Fe,少部分溶于渗碳体中,大部分溶于铁素体或奥氏体。,合金渗碳体,:,是部分铁原子被碳化物元素置换后的渗碳体,例如,(Fe,Cr),3,C,、,(Fe,W),3,C,它们的稳定性和硬度略高于渗碳体,可以提高钢的耐磨性。合金碳化物,Mn,3,C,、,Cr,7,C,3,、,Cr,23,C,6,和特殊碳化物,VC,、,TiC,、,NbC,等具有高的稳定性、熔点和硬度,加热时很难溶于奥氏体,对钢的力学性能和加工工艺都有很大影响,是合金钢的重要强化相。,上述的渗碳体、合金渗碳体、合金碳化物、特殊碳化物,其稳定性和硬度依次增高。,2.,合金元素与铁的作用,合金元素对铁素体力学性能的影响,二、合金元素对钢性能的影响,铬,(Cr),铬是一种常用的合金元素,含碳量低的钢加入铬能提高强度和硬度。它是不锈钢和耐热钢的主要成分,若和,Mn,、,Mo,、,Si,等元素配合,更能显示出它的特性。,镍,(Ni),含镍在,6%,以下时能使钢具有高强度和高的韧度。含镍,8%,11%,与铬配合可组成铬镍不锈钢。含镍超过,20%,可成为耐热钢。,锰,(Mn),锰在碳素钢中自然含量为,0.5%,0.8%,普通低合金钢中含,1%,2%,。合金结构钢中含锰量在,2%,以下时,就能使钢的强度显著提高,而且有一定的韧度。当含锰量在,11%,14%,时便成为高锰耐磨钢。,硅,(Si),硅已成为我国合金钢中的重要元素之一。在合金结构钢中的含量一般不超过,1.4%,否则钢的脆性会显著增加。硅能提高钢的强度、硬度、疲劳强度、耐蚀性和抗氧化性。当含硅量在,2.5%,4.4%,时,是很好的软磁材料,可制变压器或电动机线圈的铁芯。,钨,(W),钨能提高钢的强度及耐磨性,使钢具有良好的热硬性。,钒,(V),能使钢的强度和韧度同时提高,并提高钢的耐磨性和回火稳定性。,铝,(Al),能提高钢的抗氧化性能。与氮形成化合物,提高钢的硬度和耐热性。,钛,(Ti),能提高钢的强度,硬度和耐磨性,对塑性影响较小。,稀土元素,(RE),合金钢中加入的稀土元素有镧,(Ld),、铈,(Ce),、镨,(Pr),等稀土混合物。,三、合金元素对钢热处理的影响,1.,改变,相区,2.S,和,E,点移动,1.,改变,相区,合金元素对,Fe-Fe,3,C,相图的影响,2.S,和,E,点移动,合金元素的添加会显著改变共析钢的含碳量,S,点和奥氏体的最大含碳量,E,点在相图的位置,即移向含碳量较小的方向。因此,合金钢共析体的含碳量小于碳钢共析体,0.77%,的含碳量。,四、合金元素对加热和冷却转变的影响,1.,对加热转变的影响,2.,对冷却转变的影响,3.,提高回火稳定性,五、合金元素对钢加工性能的影响,（,1,）铸造性,（,2,）焊接性,（,3,）热处理性,（,4,）锻造性,（,5,）冷加工性,（,6,）切削性,第四节 工业用钢及铸铁,一、钢中常存元素对钢性能的影响,二、碳钢的分类,三、碳钢的编号、性能和用途,四、合金钢的分类与牌号,五、合金结构钢,六、合金工具钢,七、特殊性能钢,八、铸铁,九、汽车金属材料的应用,十、现代汽车常用金属材料,一、钢中常存元素对钢性能的影响,1.,锰,(Mn),2.,硅,(Si),3.,硫,(S),4.,磷,(P),二、碳钢的分类,1.,按碳质量分数分类,2.,按材质,(,主要根据硫、磷质量分数,),分类,3.,按用途分类,4.,冶炼方法分类,5.,按炼钢的脱氧程度分类,三、碳钢的编号、性能和用途,1.,碳素结构钢,2.“F”,沸腾钢,“b”,半镇静钢,“Z”,镇静钢,“TZ”,特殊镇静钢,3.,优质碳素结构钢,4.,碳素工具钢,5,.,碳素铸钢,1.,碳素结构钢,普通碳素结构钢的化学成分及力学性能,2.“F”,沸腾钢,“b”,半镇静钢,“Z”,镇静钢,“TZ”,特殊镇静钢,普通碳素钢结构钢在汽车上的应用,3.,优质碳素结构钢,1,）普通含锰量的优质碳素结构钢,2,）较高含锰量的优质碳素结构钢,常用优质碳素结构钢的力学性能和用途,含锰量较高的优质碳素结构钢牌号化学成分及力学性能,优质碳素结构钢在汽车上的应用,4.,碳素工具钢,碳素工具钢的牌号、化学成分及用途,5.,碳素铸钢,铸造用铸钢的牌号、化学成分及性能,工程用铸钢的牌号、化学成分及性能,铸钢在汽车上的应用,四、合金钢的分类与牌号,1.,合金钢的分类,2.,合金钢的编号,1.,合金钢的分类,按用途分为,:,合金结构钢用来制造各种机器零件及工程结构。,合金工具钢用来制造各种重要的工具和量具、刃具等。,特殊性能钢用来制造有特殊性能要求的结构件和机器零件等。,按合金元素的含量分为,:,低合金钢合金元素总含量小于,5%;,中合金钢合金元素的总含量为,5%,10%;,高合金钢合金元素的总含量,10%,。,按用途分为,:,可分为合金结构钢、合金工具钢和特殊性能钢三类。,2.,合金钢的编号,1,）合金结构钢,2,）合金工具钢,3,）滚动轴承钢的表示方法,4,）特殊性能钢,五、合金结构钢,1.,低合金结构钢,2.,合金渗碳钢,3.,合金调质钢,4.,合金弹簧钢,5.,滚动轴承钢,1.,低合金结构钢,常用低合金结构钢的钢号、成分、性能及用途,常用低合金渗碳钢的牌号、性能及用途,2.,合金渗碳钢,常用的合金渗碳钢牌号和力学性能,常用合金渗碳钢在汽车上的应用,3.,合金调质钢,常用的合金调质钢的牌号、性能及用途,合金调质钢在汽车上的应用,4.,合金弹簧钢,常用合金弹簧钢的牌号、性能及用途,合金弹簧钢在汽车上的应用,5.,滚动轴承钢,常用的滚动轴承钢的化学成分、热处理及用途,常用滚动轴承钢的牌号、硬度及用途（热处理后）,六、合金工具钢,常用低合金刃具钢的牌号、热处理方法、性能及用途,常用高速钢的牌号、热处理方法、性能及用途,七、特殊性能钢,1.,不锈钢,2.,耐热钢,1.,不锈钢,不锈钢具有抵抗空气、水、酸、碱类溶液或其他介质腐蚀作用的能力。常用的不锈钢有铬不锈钢和铬镍不锈钢两类。,不锈钢所具有的优良成形性和耐蚀性在汽车轻量化应用中正发挥作用。欧盟探索研究了高强度不锈钢在底盘防碰撞零件中减少重量的可行性,美国将不锈钢正式使用于城市公交车的车顶、地板、车身骨架等部件。,2.,耐热钢,1,）抗氧化钢,2,）热强钢,常用抗氧化钢的牌号、化学成分及用途,常用热强钢的牌号、热处理、使用温度及用途,八、铸铁,1.,铸铁的石墨化,2.,影响石墨化的因素,3.,铸铁的组织特征和分类,4.,铸铁的特性,5.,常用铸铁,1.,铸铁的石墨化,（,1,）化合状态的渗碳体,(Fe,3,C),（,2,）游离状态的石墨,(,常用,G,来表示,),2.,影响石墨化的因素,1,）化学成分的影响,2,）冷却速度的影响,3.,铸铁的组织特征和分类,1,）白口铸铁,2,）灰口铸铁,3,）可锻铸铁,4,）球墨铸铁,4.,铸铁的特性,铸铁组织,(,除白口铸铁外,),主要由与钢相似的基体组织及石墨两部分组成。石墨强度极低,相当于在金属的基体上形成了许多“微裂纹”,不仅减少了金属基体承受载荷的面积,更重要的是在其尖端引起应力集中,使得铸铁的抗拉强度、塑性和韧度远不如钢。,5.,常用铸铁,1,）灰铸铁,2,）球墨铸铁,3,）锻铸铁,4,）蠕墨铸铁,5,）合金铸铁,灰铸铁的牌号、力学性能及用途,灰铸铁在汽车上的应用,球墨铸铁在汽车上的应用,球墨铸铁的牌号、力学性能及用途,可锻铸铁的牌号、力学性能及用途,可锻铸铁在汽车上的应用,蠕墨铸铁的牌号、力学性能及用途,合金铸铁在汽车上的应用,九、汽车金属材料的应用,汽车材料分为制造汽车的材料和工厂为生产零部件或维修作业所必需的辅助材料。其中又可分为金属材料和非金属材料两大类。构成汽车的零件有两万多个,在这些零件中,所使用的钢铁材料占,80%,。就钢铁材料来说,有普通材料与优质材料之分,汽车则用优质材料制造。,十、现代汽车常用金属材料,1.,低碳钢,(MILD),2.,高强度钢,1.,低碳钢,(MILD),多年以来,低碳钢是汽车制造行业的首选。低碳钢相对较软且很容易加工,可以对它进行焊接、热加工、冷加工等。这些加工都不会影响它的强度。,然而,低碳钢相对较重,很容易损坏。正因为这些原因,低碳钢的应用明显下降,特别是在承受负载很重的汽车部件上。,2.,高强度钢,1,）高强度低合金钢,(HSLA),2,）高抗拉强度钢,(HSS),3,）马氏体钢,承载式汽车上采用高强度钢的典型零件,第五节 典型汽车零件的选材及热处理,一、汽车齿轮的选材及热处理,二、汽车轴类零件选材,三、汽车弹簧选材及热处理,四、汽缸体与缸盖,五、缸套,六、活塞、活塞销和活塞环,七、连杆,八、气门,九、车身、纵梁、挡板等冷冲压零件,一、汽车齿轮的选材及热处理,齿轮材料主要性能要求是,:,具有高疲劳强度,尤其是弯曲疲劳强度和接触疲劳强度。齿心应有足够的冲击韧度,以防止轮齿受冲击过载时断裂。,二、汽车轴类零件选材,1.,轴类零件的性能要求,2.,轴类零件材料的选材及热处理,1.,轴类零件的性能要求,（,1,）良好的综合力学性能,足够的强度、塑性和一定的韧度,以防止过载断裂、冲击断裂,;,（,2,）高的疲劳强度,对应力集中敏感性低,以防疲劳断裂,;,（,3,）足够的淬透性,热处理后表面要有高硬度、高耐磨性,以防磨损失效,;,（,4,）良好的切削加工性能,价格便宜。,2.,轴类零件材料的选材及热处理,半轴易损坏部位示意图,三、汽车弹簧选材及热处理,1.,弹簧的用途,2.,弹簧材料的性能要求,3.,汽车弹簧的选材及热处理,弹簧种类,1.,弹簧的用途,（,1,）缓冲或减振如汽车、拖拉机、火车中使用的悬挂弹簧。,（,2,）定位如机床及其夹具中利用弹簧将定位销,(,或滚珠,),压在定位孔,(,或槽,),中。,（,3,）复原外力去除后自动恢复到原来位置,如汽车发动机中的气门弹簧。,（,4,）储存和释放能量如钟表、玩具中的发条。,（,5,）,),测力如弹簧秤、测力计中使用的弹簧。,2.,弹簧材料的性能要求,（,1,）高的弹性极限,e,和高的屈强比,s,/,b,（,2,）高的疲劳强度,（,3,）好的材质和表面质量,（,4,）某些弹簧需要材料有良好的耐蚀性和耐热性,3.,汽车弹簧的选材及热处理,（,1,）汽车板簧,（,2,）气门弹簧,主要弹簧钢的特点及用途,四、汽缸体与缸盖,（,1,）汽缸体工作条件,（,2,）汽缸体性能要求,（,3,）汽缸体选材,（,4,）缸盖工作条件,（,5,）缸盖性能要求,（,6,）缸盖选材,五、缸套,（,1,）缸套工作条件,（,2,）缸套选材,六、活塞、活塞销和活塞环,（,1,）活塞组工作条件,（,2,）活塞组最常见的失效方式,（,3,）活塞组性能要求,（,4,）活塞组缸套选材,1-,机油泵,;2-,曲轴正时齿轮,;3-,凸轮轴正时齿轮,;4-,凸轮轴,;5-,气门弹簧,;6-,排气歧管,;7-,进气歧管,;8-,进气门,;9-,排气门,;10-,化油器,;11-,火花塞,;12-,汽缸盖,;13-,出水口,;14-,汽缸,;15-,活塞,;16-,水套,;17-,水泵,;18-,活塞销,;19-,进水口,;20-,连杆,;21-,飞轮,;22-,曲轴,;23-,机油管,;24-,油底壳,单缸四冲程汽油机构造示意图,七、连杆,（,1,）连杆工作条件,（,2,）连杆选材,连杆上的三个高应力区域,八、气门,气门的主要作用是开、闭进、排气道。对气门的主要要求是保证燃烧室的气密性。,（,1,）气门工作条件,（,2,）气门选材,九、车身、纵梁、挡板等冷冲压零件,在汽车零件中,冷冲压零件种类繁多,占总零件数的,50%,60%,。汽车冷冲压零件用的材料有钢板和钢带,其中主要是钢板,包括热轧钢板和冷轧钢板。,小结,1.通过学习能熟练掌握铁碳合金相图的全貌,并能画出铁碳合金相图,标出图上的特性点(G、C、E、F、P、S)线(ECF、PSK、GS、ES)的温度和成分,能填上各相区域的相和组织的组成。,2.利用冷却曲线会分析典型成分钢的铁碳合金的结晶过程。,3.熟练掌握铁碳合金的成分、组织、和性能之间的关系,即随碳质量分数的变化,其组织,和性能的变化规律。,4.了解合金的性能,组成合金的各组元之间相互作用、结构类型和性能特点。,5.钢的强化工艺特点及用途。,6.钢强化的途径,为选择强化方法、正确标注技术要求、合理制定加工工艺路线奠定必要的基础。,7.合金元素对钢的组织和性能、热处理和加工的影响。,8.碳素钢和合金钢的分类和牌号命名方法。,9.合金化改变微观组织对宏观性能的影响。,10.典型汽车零件的性能要求,汽车零件的选材及热处理。,本章结束,第四章,有色金属,第一节 铝和铝合金,第二节,铜和铜合金,第三节 镁和镁合金,第四节 轴承合金,第五节 汽车用有色金属板料,1.,掌握铝及铝合金、铜及铜合金、滑动轴承,中的基本概念,;,2.,掌握铝及铝合金的牌号、性能及用途,;,3.,了解锡基、铝基、铜基、镁基合金及减磨,轴承合金的性能及用途,牌号,;,4,掌握有色金属在汽车零件上的应用状况。,学习目标,:,第一节铝和铝合金,一、铝及铝合金特性,二、纯铝,三、铝合金,四、铝及铝合金在轿车上的应用,一、铝及铝合金特性,(1),密度小,(2),耐蚀性好,(3),加工性好,(4),能进行表面处理,(5),纯铝