第一章 汽车工程材料及其选用.ppt

1、第一章 汽车工程材料及其选用,在远古时代，人类祖先是以石器为主要工具的。他们在不断改进石器和寻找石料的过程中发现了天然铜块和铜矿石，并在用火烧制陶器的过程中发现了冶铜术，后来又发现把锡矿石加到红铜里一起熔炼，制成的物品更加坚韧耐磨。这就是青铜。公元前5000年人类进入青铜器时代。 公元1200年左右人类进入铁器时代，开始使用的是铸铁，后来制钢工业迅速发展，成为18世纪产业革命的重要内容和物质基础。所以也有人将18-19世纪称为“铁器”时代。 进入20世纪后半叶，新材料的研制日新月异，出现了所谓“高分子时代”“半导体时代”“先进陶瓷时代”和“复合材料时代”等，材料发展进入了丰富多彩的新时期。,第

2、一节 材料及其成形工艺的简要发展过程,第二节 汽车工程材料的分类,第三节 金属材料的性能,一、金属材料的力学性能二、金属材料的物理性能三、金属材料的化学性能四、金属材料的工艺性能,一、金属材料的力学性能,1、 强度： 强度是指金属在静载荷的作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。塑性变形是指金属在外力的作用下发生永久变形（不能恢复原状的变形）的能力。,拉伸试验可以测定出强度指标有：比例极限应力 、屈服点 、抗拉强度应力 等。不同的零件设计和选材所依据的强度指标是不一样的。,金属材料的抗拉强度可以通过拉伸实验来测定的。,低碳钢 曲线：,2、 塑性,塑性指金属材料在静载荷作用时，在断裂前产生塑性变形的能

3、力，塑性指标有延伸率和断面收缩率，它们也是通过拉伸试验获得的。,（1）断后伸长率：,（2）断面收缩率,3、 硬度,硬度指金属材料抵抗外物压入其表面、造成局部塑性变形、压痕、划痕的能力，也是衡量金属材料软硬程度的一种力学性能指标。 材料的硬度是通过硬度试验得到的。工程上常用的有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。,（1）布氏硬度HBS(HBW),布氏硬度是在布氏硬度计上进行测量的，用一定直径的钢球或硬质合金球为压头，以相应的实验力压入试样表面，保持规定的时间后，卸除实验力，在试样表面形成压痕，以压痕球形表面所承受的平均负荷作为布氏硬度值，如图示。,在做布氏试验时，只需测量出d值即可从有关表格上查出相应

4、的布氏硬度值。压头为钢球时，为HBS，适用于布氏硬度450以下的材料；压头为硬质合金球时，为HBW，适用于布氏硬度650以下的材料。,（2）洛氏硬度HR,洛氏硬度是用压头压入的压痕深度作为测量硬度值的依据，如图所示。可以直接从洛氏硬度计的表盘上读出，它是一个相对值，人们规定每0.002mm压痕深度为一个洛氏硬度单位。洛氏硬度用HRA、HRB和HRC来表示。,HRC采用顶角为120的金刚石圆锥体为压头，施加150kgf的外力，主要用于淬火钢等较硬材料的测定，常用硬度值为20-67HRC； HRA采用外加载荷为60kgf，用于测量高硬度薄层，常用硬度值为70-85HRA；HRB采用直径1.588m

5、m的钢球，100kgf的外加载荷，用于硬度较低的材料，常用硬度值为25-100HRB。,（3）维氏硬度（HV）,维氏硬度测试的基本原理与布氏硬度相同，但压头采用锥面夹角136的金刚石正四棱锥体，如图所示。,4、 韧性,韧性是指金属在断裂前吸收变形能量的能力，它表示材料抗冲击的能力。韧性评价指标是通过冲击试验确定的。 韧性常用的试验方法是摆锤式一次冲击试验法，它是在专门的摆锤试验机上进行的，如图所示。冲击试验缺口底部单位横截面积上的冲击吸收功，称为冲击韧度，用符号k表示，单位为J/cm2。,5、 疲劳强度,构件在低于屈服强度的交变应力作用下，经过较长时间工作，经一定循环次数后，无明显的塑性变形而

6、发生突然断裂的现象，称为疲劳或疲劳断裂。 金属材料的疲劳破坏，首先是在其薄弱部位，如在应力集中或缺陷（划伤、夹渣、显微裂纹等）处产生微细裂纹，称疲劳源。在后续交变载荷的作用下，裂纹进一步扩展，达到一定临界尺寸时，突然发生脆性断裂。 试验证明，金属材料能承受的交变应力与断裂前的应力循环基数有关。当应力低到一定值时，材料可经无限次应力循环而不失效；此应力即为疲劳强度（疲劳极限）。对称弯曲疲劳极限用-1表示 。,二、金属材料的物理性能,金属材料的物理性能包括密度、熔点、导电性、导热性、热膨胀和磁性。,1、密度,密度指物质单位体积的质量，用符号表示，单位kg/m3。 密度大于5103 kg/m3的金属

7、称为重金属，如铜、铁等；密度小于5103 kg/m3的金属称为轻金属，如铝、钛等。 汽车发动机活塞要求质量轻、运动冲击惯性小，因此常用密度小的铝合金制造。,2、熔点,熔点指金属从固态变为液态的温度。 各种金属都有固定的熔点，常用金属中钨、铬等熔点较高，锡、铅等熔点较低。熔点低的金属材料易于铸造和焊接。,3、导电性,金属传导电流的性能称为导电性。 通常，用电阻率衡量金属的导电性，用符号表示，单位为m(欧姆米)。 电阻率越小，金属的导电性越好。,4、导热性,金属传导热的性能称为导热性。 通常，用热导率衡量金属的导热性，用符号表示，单位为W/(Mk),即瓦特/ (米开尔文)。 电热率越大，金属的导热

8、性越好。导热性好的金属的散热性能好，汽车上的散热器材料常采用导热性好的铝、铜等金属材料制造。,5、热膨胀性,金属在受热时膨胀、冷却时缩小的性能称为热膨胀性。 通常，用热膨胀系数来衡量金属的热膨胀性，用符号表示，单位为1/。,6、磁性,金属的导磁的性能称为磁性。 通常，用磁导率来衡量金属的磁性，用符号表示，其单位为H/m（亨利/米）。 导磁率越高，金属的磁性越好。具有较高磁性的材料称为磁性材料，如铁、钴、镍等。,三、金属材料的化学性能,1耐腐蚀性 金属在常温下抵抗各种腐蚀介质侵蚀的能力称为金属的耐腐蚀性。 金属材料被周围各种腐蚀介质，如空气中的水蒸气、有害气体以及酸、碱、盐等介质腐蚀的现象是很常

9、见的 为防止金属的腐蚀，一般可采用改变金属材料的成分和表面处理的方法（如镀金、镀银等）来抗腐蚀。2耐氧化性 金属在高温下抵抗氧化作用的能力称为金属的抗氧化性。 汽车发动机气门长期工作在高温、高压环境下，一般要选用抗氧化性能好的材料制造。,四、金属材料的工艺性能,1铸造性能 铸造性能是指金属材料能否用铸造方法获得优良铸件的能力。一般来说铸铁、铸造铝合金具有良好的铸造性能。2压力加工性能 压力加工性能是指金属材料在冷、热状态下进行压力加工的难易程度。一般说来，低碳钢具有良好的压力加工性能，铸铁不能进行压力加工。3焊接性能 焊接性能是指金属材料对焊接加工的适应性，一般说来。低碳钢具有良好的焊接性能，

10、高碳钢、铸铁及铝合金的焊接性能较差。,4切削加工性能 切削加工性能是指金属用刨削刀具切削加工的难易程度。一般说来，铸铁、铝合金具有良好的切削加工性能，高碳合金钢的切削加工性能则较差。5热处理性能 热处理性能是指金属材料适应各种热处理方法的能力。钢一般都可以通过热处理来提高其性能。,第四节 影响金属材料性能的因素,一、 纯金属的晶体结构二、 合金的晶体结构与结晶,一、 纯金属的晶体结构,1晶体结构,固体材料按内部原子的聚集状态不同分为晶体和非晶体，金属是晶体。晶体结构就是晶体内部原子排列的方式及特征。,a） 晶体中的原子排列,b） 晶格,c） 晶胞,2金属中常见的晶体结构,（1）体心立方晶格：晶

11、胞是一个立方体。具有这种晶格的金属有-铁（-Fe）、铬（Cr）、钨（W）、钼（Mo）、矾（V）等。,（2）面心立方晶格：晶胞也是一个立方体。具有这种晶格的金属有-铁（-Fe）铝（Al）、铜（Cu）、镍（Ni）、金（Au）、银（Ag）等。,（3）密排六方晶格：晶胞是一个正六方柱体。具有这种晶格的金属有镁（Mg）、锌（Zn）、铍（Be）等。,体心立方晶格,面心立方晶格,密排六方晶格,3纯金属的结晶,（1）结晶,指纯纯金属由液态转变成固态的过程，实质是金属的原子由近程有序状态（液态）转变成长程有序状态（晶态）的过程。,（2）结晶过程,晶体形核和长大的过程。,（3）金属的实际晶体结构,结晶后，若由单个

12、晶核长成为一个晶体，称为单晶体。而实际整个金属则由许多外形不规则、大小不等、排列位向不同的小颗粒晶体组成，称为多晶体。,多晶体,实际晶体中，原子的排列并不像理想晶体那样规则和完整。由于许多因素的影响，使某些区域的原子排列受到干扰和破坏，这种区域称为晶体缺陷。常见的晶体缺陷有晶界、间隙原子、晶格空位等，如下图所示。金属中的晶体缺陷对性能有很大的影响。例如晶界的抗腐蚀性差、熔点低等，但能提高金属的强度和硬度,（4）晶体缺陷,（5）细晶强化,晶粒的大小影响材料的力学、物理、化学性能，一般情况下，晶粒越细，强度和硬度越高，塑性和韧性越好。因为晶粒越细小，晶界就多，晶界处的晶体排列极不规则，界面犬牙交错

13、，互相咬合，因而加强了金属之间的结合力。用细化晶粒的方法来提高金属材料的力学性能叫细晶强化。,金属凝固后的晶粒大小与凝固过程中形核的多少和晶核长大速度有关，晶核越多，长大速度越慢，晶粒越细。而过冷度越大，产生的晶核越多，晶核多，每个晶核长大受到制约，形成的晶粒就越细小。,二、 合金的晶体结构与结晶,1合金的基本概念,固体材料按内部原子的聚集状态不同分为晶体和非晶体，金属是晶体。晶体结构就是晶体内部原子排列的方式及特征。,（1）合金,（2）组元,（3）相,（4）组织,2合金的晶体结构,根据合金中各组元间的相互作用，合金的晶体结构大致可归纳为3类，即固溶体、金属化合物和机械混合物。,（1）固溶体,

14、当溶质原子溶解在溶剂晶体中时，溶剂的晶格将发生畸变，增加了晶格变形抗力。原子尺寸相差大，化学性质不同，都使畸变增大，结果合金的强度、硬度和电阻增高，塑性，韧性下降。溶入的溶质原子越多，引起的晶格畸变也越大。这种由于溶质原子的溶入，使基体金属（溶剂）的强度、硬度升高的现象就叫固溶强化。,碳原子铁中形成的间隙固溶体,（2）金属化合物,组成合金的元素相互化合形成一种新的晶格组成的物质。它的晶体结构与性能，和原两组元都不同，如渗碳体（Fe3C）就是铁和碳组成的晶格复杂的碳化物，其晶格结构如下图所示。金属化合物一般具有高硬度和高脆性，当合金中出现金属化合物时，通常能提高合金的强度、硬度和耐磨性，但会降低

15、塑性和韧性。,Fe3C的晶体结构,（3）机械混合物,由两种或两种以上的组元、固溶体或金属化合物按一定重量比例组成的均匀物质称为机械混合物。 纯金属、固溶体、金属化合物均是组成合金的基本相，在机械混合物中各组成部分（相）仍保持着它原有的晶格类型和性能，如铁素体和渗碳体形成珠光体。混合物的性能取决于组成混合物的各部分的性能，及其数量、大小、分布和形态。,3合金的结晶,合金的结晶过程如同纯金属一样，仍为晶核形成和晶核长大两个过程，结晶时也需要一定的过冷度，最后形成由多晶粒组成的晶体。但合金结晶后可形成不同类型的固溶体、金属化合物或机械混合物。,纯金属结晶是在恒温下进行的，只有一个临界点。而合金则绝大

16、多数都是在一定温度范围内进行结晶的，结晶开始与终了的温度不相同，有两个临界点。只有在某一特定成分的合金系中才会出现一个临界点。合金在结晶过程中，在局部范围内其化学成分有变化，当结晶终了后，整个晶体的平均化学成分与原合金的化学成分相同。 合金结晶后的组织状态有三种：单相固溶体；单相金属化合物或同时结晶出两相机械混合物；结晶开始形成单相固溶体，剩余液体又同时结晶出两相机械混合物。,合金与纯金属结晶的不同之处有：,第五节 铁碳合金,一、 铁碳合金的基本组织及其性能二、 铁碳合金状态图,一、 铁碳合金的基本组织及其性能,1铁的同素异晶转变,钢和铸铁是工业生产中应用最广泛的金属材料，称为铁碳合金，因为形

17、成钢和铸铁的主要元素是铁和碳。不同成分的铁碳合金具有不同的组织和性能。,某些金属如铁、钛、钴等在固态下发生的晶格结构的转变叫同素异晶（构）转变。金属的同素异构转变也是一种结晶过程，有一定的转变温度和过冷度；也有晶核的形成和长大两个阶段。故同素异构转变又称为重结晶。,铁的同素异晶转变,2铁碳合金中的基本组织,（1）铁素体（F）,碳或其他溶质元素溶于-Fe中构成的固溶体，保持体心立方晶格结构。性质接近纯铁，强度、硬度低，塑性、韧性好。,（2）奥氏体（A）,碳溶于-Fe中的固溶体，用符号A表示，它保持面心立方晶格结构。强度和硬度略高于铁素体，塑性、韧性较好，因此生产中常将工件加热到奥氏体状态进行锻造

18、。,（3）渗碳体（Fe3C）,渗碳体是铁碳合金中碳的主要存在形式，含碳量为6.69%，硬度很高（HBS800），塑性、韧性几乎为零，脆性极大 。,（4）珠光体（P）,珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物，是奥氏体从高温缓慢冷却时发生共析转变所形成的。碳的质量分数平均为0.77% ，是一种综合力学性能较好的组织 。,（5）莱氏体（Ld）,碳的质量分数大于2.11%的铁碳合金，从液态结晶过程中冷却到1148时，发生共晶转变，而形成的奥氏体和渗碳体所组成的共晶体（机械混合物）称为莱氏体。,二、 铁碳合金状态图,铁碳合金状态图（相图）是表示在平衡状态下（极缓慢冷却或加热的条件下），铁碳合金的化学成分、相

19、、组织与温度的关系图，如图示。,1Fe-Fe3C相图的坐标,横坐标是含碳量（Wc），纵坐标是温度。生产实践表明，碳的质量分数c5%的铁碳合金，尤其当c6.69%时，铁碳合金几乎全部变为化合物Fe3C。而Fe3C是一个稳定的化合物，性能脆而硬，机械加工困难，没有实用意义。,2Fe-Fe3C相图的建立过程,配制不同成分的铁碳合金，加热后缓慢地冷却，记录数据，绘制它们的冷却曲线（时间、温度）。,3铁碳合金状态图的分析,（1）四个相区：液相（L）、奥氏体相（A）、铁素体相（F）、渗碳体相（Fe3C）（2）特性点：,3铁碳合金状态图的分析,（3）特性线：,ACD：液相线，液相冷却至此开始析出固相，固相加

20、热至此全部转化为液相。 AECF：固相线，液态合金至此线全部结晶为固相，固相加热至此开始转化。 GS：A开始析出F的转变线，加热时F全部溶入A，又称A3线。 ES：C在A中的溶解度曲线，又称Acm线。 ECF： 共晶线，含C量2.11 % -6.69%的铁碳合金至此发生共晶反应，结晶出A与Fe3C混合物-莱氏体Ld。 PSK： 共析线，含C量在0.0218 % -6.69%的铁碳合金至此反生共析反应，产生珠光体P ，又称A1线。,4铁碳合金的分类,（1）工业纯铁：成分在P点以左，碳的质量分数小于0.0218%，其显微组织为单相铁素体。（2）钢：成分在P点与E点之间。碳的质量分数0.0218%2

21、.11,高温固态组织为奥氏体。按室温组织的特点，以S点（Wc=0.77）为界分为三类： 1）亚共析钢：Wc0.77，室温组织为铁素体+珠光体。 2）共析钢：Wc0.77，室温组织为珠光体。 3）过共析钢：Wc0.77，室温组织为珠光体+渗碳体。（3）白口铸铁：即生铁。成分在E点与F点之间。碳的质量分数2.116.69,其组织中有莱氏体。其按室温组织的不同，分为三类 1）亚共晶铸铁：Wc4.3 2） 共晶铸铁：Wc4.3 3）过共晶铸铁：Wc4.3,5碳对铁碳合金组织和性能的影响,一般地，随着含碳量的增加，材料的强度、硬度提高，塑性、韧性降低。,第六节 钢的热处理,一、 概述二、 普通热处理三、

22、 表面热处理和化学热处理,一、 概述,热处理是采用适当的方法将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变其整体或表面组织，从而获得所需性能的工艺方法。,热处理按目的、加热和冷却方法等的不同，分为：,二、 普通热处理,钢的普通热处理，也叫钢的整体热处理。特点是对工件进行整体加热至内外温度相同，再用适当的方法冷却。 常用的热处理方法有退火、正火、淬火、回火。,1退火,退火是将钢加热到Ac3（亚共析钢）、Accm（过共析钢）以上某一温度范围，保温一定时间，然后缓慢冷却（一般随炉冷却），得到接近平衡状态组织的热处理工艺。 退火的目的：降低钢的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷变形加工；消除钢中

23、的残余内应力，以防工件变形和开裂； 改善组织，细化晶粒，改变钢的性能或为以后热处理做准备。,退火的类型：完全退火。球化退火。去应力退火。扩散退火(均匀化退火)。,2正火,正火是将工件加热到Ac3（亚共析钢）或Accm（过共析钢）以上30500C，保温适当时间，在自由流通的空气中冷却，得到珠光体类组织的热处理工艺。 正火主要目的： 对不太重要的零件，可细化晶粒，组织均匀，提高机械性能，作为最终热处理； 对低碳钢火低碳合金钢，可提高硬度，改善切削加工性；对于过共析钢或工具钢，可减少二次渗碳体，并使其不呈连续网状碳化物，便于球化退火。,3淬火,淬火是将钢加热到相变温度以上，保温一定时间，然后快速冷却

24、以获得 氏体或 下贝氏体组织的热处理工艺。 淬火可提高工件的硬度和耐磨性，一般淬火后的工件再配合适当温度的回火，可获得较好的综合力学性能，如刀具、模具、轴和齿轮等的淬火热处理。淬火质量取决于加热温度和冷却方式。 淬透性是指钢在淬火后，获得淬透层（淬硬层）深度的能力。 淬硬性是指钢淬火时能达到的最高硬度。淬透性越好，淬硬层越深，淬硬性也越好。淬透性对钢的力学性能影响很大，所以，机械设计中选材时，要考虑材料的淬透性。,4回火,回火是将淬火后的工件加热到Ac1以下某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。 （1）回火目的 淬火时冷却速度较快，工件内部产生很大的内应力，且淬火后的组织不稳定，

25、故淬火后必须回火。回火的目的是：减少和消除淬火应力。稳定工件尺寸，防止变形和开裂 。获得工件所需的组织和性能，即获得要求的强度、硬度和韧性。（2）回火的种类及应用低温回火（加热温度为1502500C ）。用于各类高碳钢的工具、模具、量具。 中温回火（加热温度为3505000C ）。 用于各种弹簧、弹簧夹头及锻模。 高温回火（ 加热温度为5006500C， ）。工厂一般把淬火和高温回火叫调质处理。 用于重要的零件如轴、齿轮、连杆和螺栓。,三、 钢的表面热处理和化学热处理,表面热处理是为改变工件表面的组织和性能，仅对其表面进行热处理的工艺。表面淬火是最常用的表面热处理方法。,1表面淬火,表面淬火是

26、将工件的表面层淬硬到一定深度，而心部仍保持未淬火状态的一种局部淬火工艺方法。 表面淬火一般适用于表面硬而耐磨、心部具有较高韧性的零件，如曲轴、花键轴、凸轮、齿轮等。零件在表面淬火前一般需进行正火或调质处理，表面淬火后要进行低温回火。 按加热方法的不同，表面淬火分为感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火、电解加热表面淬火等。,按加热方法的不同，表面淬火分为感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火、电解加热表面淬火等。,2化学热处理,化学热处理是将工件置于活性介质中加热和保温，使介质中活性原子渗入工件表层，以改变其表面层的化学成分、组织结构和性能的热处理工艺。,根据渗

27、入元素的类别，化学热处理可分为渗碳、氮化、碳氮共渗等。（1）钢的渗碳 渗碳是将工件置于渗碳介质中加热并保温，使碳原子渗入工件表层的热处理工艺。其目的是增加工件表面碳的质量分数。经渗碳温度一般为900950.（2）钢的渗氮 渗氮是在一定温度下使活性氮原子渗入工件表面的化学热处理方式。渗氮又叫氮化，其目的是提高工件表层的硬度、耐磨性、疲劳强度和抗蚀性。 氮化主要适用于表面要求耐磨、耐高温、耐腐蚀的精密零件，如精密齿轮、精密机床主轴、汽缸套、阀门等。（3）钢的碳氮共渗 碳氮共渗是碳、氮原子同时渗入工件表面的一种化学热处理工艺。它兼渗碳和渗氮的优点。目前生产应用较广的碳氮共渗（以渗碳为主）主要用于低碳

28、及中碳钢零件，如汽车和机床上各种齿轮、蜗轮蜗杆和轴类零件等；还有氮碳共渗（以渗氮为主）常用于模具、量具、刃具和小型轴类零件。,第七节 钢铁材料在汽车上的应用,一、 钢材的加工及生产过程二、 钢的分类、牌号及其应用三、 铸铁,一、 钢材的加工及生产过程,钢是指以铁为主要元素，含碳量在2.11%以下，并含有其他元素的黑色金属材料。钢的品种多、规格齐全、性能好、价格低，并且能用热处理的方法改善性能，是工业中应用最广的材料。,1炼钢方法,2钢的脱氧,钢液中的过剩氧气与铁生成氧化物，对钢的力学性能会产生不良影响，因此须在浇注前对钢液进行脱氧。按脱氧的程度不同，钢可分为特殊镇静钢（TZ）、镇静钢（Z）、半

29、镇静钢（bZ）、沸腾钢（F）等四类。（1）镇静钢。是脱氧完全的钢。这类钢锭化学成分均匀，内部组织致密，质量较高。（2）沸腾钢。是脱氧不完全的钢。这类钢化学成分不均匀，组织不够致密，质量较差。（3）半镇静钢。其脱氧程度和性能介于镇静钢和沸腾钢之间。（4）特殊镇静钢。脱氧质量优于镇静钢，内部材质均匀，非金属夹杂物少，可满足特殊需要。,3钢的浇注,钢液经脱氧后，少数用于浇注成铸钢件，其余浇注成钢锭或通过连铸法制成连铸坯。钢锭用于轧钢或锻造大型锻件的毛坯。连铸法由于生产率高，钢坯质量好，节约能源，生产成本低，得到广泛应用。,4钢材,钢锭经过轧制，最终形成板材、管材、线材和其他材料。（1）板材。分为厚板

30、和薄板。46为厚板，常用于制造船舶和压力容器。4以下为薄板，分为冷轧和热轧钢板。（2）管材。分为无缝钢管和有缝钢管。无缝钢管用于石油、锅炉等行业。有缝钢管用带钢焊接而成，用于煤气、自来水的管道。（3）型材。常用的有方钢、圆钢、扁钢、角钢、槽钢、工字钢、钢轨等。（4）线材。由圆钢经冷拔而成，如高碳钢丝用于制作弹簧丝或钢线绳等，低碳钢丝用于捆绑或编织等。,5杂质对钢质量的影响,钢的常存元素是在冶炼过程中带入的，它们对钢的性能具有一定影响。其中硅是作为脱氧剂加入钢中，残余的硅能提高钢的强度和硬度，是有益元素，其含量不超过0.5%。锰作为脱氧剂和除硫剂加入钢中，残余的锰也可提高钢的强度和硬度，所以锰也

31、是有益元素。 硫和磷是炼钢时残留的有害元素，硫它会导致钢在加热时开裂（即“热脆”现象）。磷它会导致钢在常温下脆性过高而开裂（即“冷脆”现象）。 钢的质量是以磷、硫的含量来划分的。硫的含量一般应控制在小于0.055%。磷的含量一般应控制在小于0.045%。,二、 钢的分类、牌号及应用,钢按化学成分可分为：碳素钢（非合金钢）、合金钢（包括低合金钢和合金钢）； 按用途分为：结构钢、工具钢和特殊性能钢； 按含碳量分为：低碳钢（c0.25%）、中碳钢（c=0.25%0.60%）、高碳钢（c0.60%）； 钢按以磷、硫的含量分为：普通质量钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢。,1钢的分类,碳素钢简称碳钢，是

32、含碳量小于2.11%，并含有少量硅、锰、硫、磷等杂质元素的铁碳合金。碳素钢价格低廉，冶炼容易，具有较好的机械性能和优良的工艺性能。,2碳素钢,含碳量在0.06%0.38%之间，硫、磷含量较高，在供应状态下使用，不需热处理。常用于一般工程结构及普通零件。其牌号由代表屈服点的字母Q、屈服点的数值、质量等级符号(A、B、C、D)和脱氧方法符号(F、b、Z、TZ)组成。如Q235-AF，表示其屈服点为235MPa，质量等级为A级，沸腾钢。,（1）碳素结构钢,（2）优质碳素结构钢,按化学成分和力学性能供应，杂质含量少，表面质量、组织结构的均匀性较好，需经热处理，用于制作重要的零件。 其牌号采用两位数字来

33、表示，表示该钢号的平均含碳量的万分数。这类钢按冶金质量分为优质钢、高级优质钢（A）、特级优质钢（E）；按含锰量不同分为普通含锰量（0.25%0.8%）和较高含锰量（0.75%1.2%）两种。当为较高含锰量时，在钢号后加 “Mn”。如20钢，表示平均含碳为0.2%；65Mn平均含碳量为0.65%，为较高含锰量。,碳素工具钢为高碳钢，c=0.65%1.35%。其牌号由字母“T”（“碳”字汉语拼音字首）+数字组成，数字表示碳含量的千分数。 碳素工具钢按质量分为优质碳素工具钢和高级优质碳素工具钢两类。若牌号末尾加“A”，则为高级优质碳素工具钢，如T10A。 常用碳素工具钢有T7、T8、T9、T10、T

34、11、T12、T13等，这类钢经热处理后，具有较高的硬度和耐磨性，主要用于制作低速切削刃具、量具和对热处理要求较低的一般模具。,（3）碳素工具钢,（4）铸钢,铸钢含碳量为c=0.15%0.6%。其牌号首位为字母“ZG”（“铸钢”十字的汉语拼音字首）。,合金钢就是在碳素钢的基础上，在冶炼时有目的地加入一些合金元素，称为合金钢。通常加入的合金元素有硅(Si)、锰(Mn)、铬(Cr)、镍(Ni)、钼(Mo)、钨(W)、钒(V)、钛(Ti)及稀士元素(RE)等。,3合金钢,合金钢按合金元素含量分为低合金钢、合金钢；按用途分为结构钢、工具钢、特殊性能钢。,（1）低合金结构钢 低合金结构钢是一类可焊接的低

35、碳低合金结构用钢，一般在热轧或正火状态下使用。这类钢成本低，强度较高，广泛应用于建筑、桥梁、车辆、船舶石油、化工等行业。 低合金结构钢的牌号表示法与普通碳素结构钢相同，如Q390A表示s390MPa、质量为A级的低合金高强度结构钢。常用牌号有Q295、Q345、Q390、Q420、Q460。,（2）合金结构钢 合金结构钢根据性能和用途分为合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢和滚动轴承钢等。 合金结构钢的牌号采用“数字+化学元素+数字”的方法。前面两位数字表示平均含碳量的万数，化学元素后面的数字表示合金元素含量的百分数。当合金元素平均含量小于1.0%时，不标出数字，当平均含量分别是1.5%2.4%

36、、2.5%3.4%、3.5%4.4%等时，则在相应化学元素符号后标出2、3、4等。如20CrMnTi钢，表示钢中平均含碳量c=0.2%、Cr、Mn、Ti均小于1.5%。,合金渗碳钢 合金渗碳钢是按热处理命名的合金钢，主要热处理方法是渗碳后淬火加低温回火。,合金调质钢 合金调质钢也是按热处理命名的合金钢，主要热处理方法是淬火加高温回火（调质）。,合金弹簧钢 合金弹簧钢是用于制造弹簧和弹性元件的专业钢。其含碳量一般在c=0.45%0.7%之间。加入锰、硅、铬合金元素提高钢的淬透性、强度和弹性。汽车上的气门弹簧、离合器弹簧、转向纵拉杆弹簧和活塞销等小型弹簧常采用合金弹簧钢65Mn制造，钢板弹簧等大截

37、面弹簧选用合金弹簧钢55Si2Mn、60Si2Mn制造。滚动轴承钢 滚动轴承钢是制造滚动轴承的专用钢，其牌号由“滚”字汉语拼音字首“G”和铬元素符号“Cr”和数字组成。数字表示平均铬含量的千分数。如GCr15表示平均铬含量为1. 5%的轴承钢。,（4）合金工具钢 合金工具碳是在碳素工具钢的基础上加上合金元素（Si、Cr、Mn、Mo、W等）而成的钢种。由于合金元素的加入改善了钢的热处理性能，提高了钢的热硬性、耐磨性。合金工具钢按用途分为量具钢、模具钢、刃具钢。 合金工具钢牌号为数字+化学元素符号+数字。前面数字表示钢的平均含碳量，以千分数表示，但高于1.0%时不标出，牌号其余部分同合金结构钢。如

38、5CrMnMo表示含碳量c=0.5%，Mn、Mo含量小于1.5%的钢。,（5）特殊性能钢 特殊性能钢是指具有某些特殊的物理、化学、力学性能，因而能在特殊的环境中工作.特殊性能钢牌号与合金工具钢基本相同，用“数字+化学元素符号+数字”表示。前面数字表示钢的平均含碳量，以千分数表示，但当平均含碳量小于0.03%时标为“00”，小于等于0.08%时标为0，如2Cr13、00 Cr17Ni14Mo2、0 Cr18Ni11Ti等。常用的特殊性能钢有不锈钢、耐热钢、耐磨钢。,三、 铸铁,铸铁的含碳量大于2.11%(一般在2.5%4.0%之间)，除含有铁和碳两种主要元素外，还含有一定的硅、锰、硫、磷等元素。

39、铸铁抗拉强度、塑性、韧性低，但它具有良好的铸造性能、耐磨性、减振性和切削加工性能等。汽车制造中铸铁得到广泛应用，汽车发动机汽缸体、汽缸盖、变速器壳和后桥壳等大多采用铸铁铸造。,（1）白口铸铁 铸铁中的碳全部或大部分以化合物渗碳体形式存在，其断口呈白色。其性能硬而脆，难以切削加工，极少直接制造零件，主要用于炼钢原料或可锻铸铁毛坯。,（2）灰口铸铁 铸铁中的碳大部分以片状石墨形态存在，其断口呈暗灰色，故称灰口铸铁或灰铸铁。灰铸铁有一定的机械性能和良好的切削加工性能，是工业中应用最广泛的铸铁。 国家标准中灰铸铁的牌号用“HT+一组数字”表示。 灰铸铁具有许多优良的性能，价格低廉。在汽车制造上广泛应用

40、。,（3）可锻铸铁 可锻铸铁俗称马铁，它是由碳和硅含量较低的铁水浇注成白口铸铁，再经过高温长时间退火，使渗碳体分解除碳以团絮状石墨而形成的。 国标中，黑心可锻铸铁和珠光体可锻铸铁的牌号用“KTH或KTZ+两组数字”表示。 可锻铸铁实际上不能锻造，主要用于铸造一些形状复杂和韧性好的薄壁零件。,（4）球墨铸铁 俗称球铁，其中碳绝大部分以球状石墨形态存在，故称球墨铸铁。球墨铸铁的强度和韧性笔灰口铸铁、可锻铸铁都好，因此可以代替部分钢材制造某些主要零件。 球墨铸铁的牌号用“QT+两组数字”表示。第一组数字表示最低抗拉强度，第二组数字表示最低延伸率。如QT300-18。,（5）蠕墨铸铁 蠕墨铸铁是在20

41、世纪60 年代中期发展起来的一种新型铸铁材料。它在高碳、低硫和低磷的灰口铸铁浇注时，向铁水中加入蠕化剂（稀土钛镁合金等），使石墨形成短蛹状形态而形成的，故称为蠕墨铸铁。 蠕墨铸铁中的蠕虫状石墨形态是介于球状和片状石墨之间的一种过渡型石墨。它既有较高的强度、塑性和韧性，又有好的导热性、减振性、铸造性和切削加工等性能。 蠕墨铸铁常用的牌号有RuT340、RuT330、RuT260等，数字表示蠕墨铸铁的最低抗拉强度。 目前，汽车上蠕墨铸铁主要用于柴油机汽缸盖、进排气管、制动盘和制动鼓等。,第八节 有色金属材料在汽车上的应用,一、 铝及铝合金二、 铜及铜合金三、 新型合金材料,在工程上，通常把钢铁材料

42、称为黑色金属，除黑色金属以外的金属称为有色金属。有色金属具有很多钢铁材料所没有的性能，可以满足某些机械零件的特殊性能的需要。在汽车制造业中有色金属也大量使用。包括铝及铝合金、铜及铜合金等,一、 铝及铝合金,1纯铝 纯铝呈银白色，密度小，仅为27103kg/m3，约为铁的1/3。纯铝的塑性好，压力加工性能好，易于加工成板材、箔材、线材等型材。纯铝易吸收冲击、减振性好。纯铝的导热性、导电性较好，仅次于银、铜和金。纯铝在大气、弱酸、弱碱介质中的耐腐蚀性能也较好，但纯铝的强度、硬度和熔点低。焊接性能差。 我国工业纯铝的代号用“L+顺序号”表示，有L1、L2、L3等6种，其中L1所含的杂质最少，L6中所

43、含的杂质最多。 纯铝一般不能制造结构件。它在汽车上主要用做电线、电缆等电气元件，散热器等导热元件，以及汽车内外的装饰件和铭牌等。,2铝合金 铝合金是在纯铝中加入硅、铜、镁、锰等元素而形成的合金。由于合金元素的作用，铝合金的强度、硬度得到提高。铝合金在汽车上常用于制造质量要求轻、强度要求高的零件。根据化学成分和加工方法不同，铝合金可分为形变铝合金和铸造铝合金。（1）形变铝合金 形变铝合金是指适宜于压力加工成型的铝合金。它具有良好的塑性，可冷、热加工成各种型材。形变铝合金又可分为防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金和锻造铝合金等。（2）铸造铝合金 铸造铝合金是指适宜于铸造成型的铝合金，简称铸铝。汽车上

44、应用的铝合金大多为铸造铝合金。,三、 铜及铜合金,1纯铜 纯铜呈紫红色，又称紫铜。其密度为8.96103kg/m3。纯铜具有优良的导热行和导电性，较好的耐热性和塑性，但纯铜的硬度、强度低。 我国工业纯铜的代号用“T+顺序号”表示，有T1、T2、T3、T4等4种，其中T1所含的杂质最少，T4中所含的杂质最多。由于纯铜得成本高、强度低，一般不宜用做结构件。 纯铜在汽车上主要应用：一是利用其导电性，制造电线、电缆和电路接头等元件；二是利用其导热性，制造散热器等导热元件。,2黄铜 黄铜是以锌为主要添加元素的合金。黄铜又分为普通黄铜和特殊黄铜两类。 普通黄铜由铜和锌两种元素组成的合金。具有良好的耐腐蚀性

45、和压力加工性能，其含锌量一般在35%40%之间，具有一定的塑性和强度。普通黄铜在汽车上主要用于制造散热器管、油管接头、汽缸水套和黄油嘴等。 特殊黄铜是在普通黄铜中加入铝、硅、锰、锡、铅等元素形成的合金。按其所加合金元素不同，特殊黄铜可分为铝黄铜、硅黄铜、锡黄铜、铅黄铜等，其性能比普通黄铜具有一些特殊性能，如强度、硬度更高或改善切削性或更具耐腐蚀能等。特殊黄铜在汽车上用于制造转向节衬套，钢板销衬套或垫圈等。,3青铜 青铜指除黄铜和白铜（铜镍合金）以外的铜合金。它又可分为锡青铜和特殊青铜两类。,四、 新型合金材料,1镁及镁合金 镁的密度为1.74103kg/m3，是金属材料中密度最小的金属。纯镁强

46、度低，镁合金经热处理后强度有所提高。镁易于吸收冲击能，减振性好。镁熔点低铸造性好且回收利用性好。镁的塑性差、压力加工性、耐热性、耐蚀性差，价格比铝贵。 汽车上一般用铸造镁合金作为轻量化材料。随着镁合金性能的改进，汽车上镁合金的应用正在逐步扩大，如汽车发动机的汽缸体、曲轴箱、滤清器壳体、风扇叶片、离合器壳、变速器壳、转向器壳、车门铰链、仪表板、车身饰框等都有用镁合金制造的。,2锌及锌合金 锌的密度为71103kg/m3。 锌合金的强度高，铸造性好，价格也不贵，主要用于铸造受力不大而形状复杂的小型构件和装饰件。 锌合金在汽车上可用于制造汽油泵壳、机油泵壳，变速器壳、车门手柄、雨刮器、安全带扣等。,

47、3钛及钛合金 钛呈银白色，钛的密度为4.5103kg/m3，熔点高达1700，是一种高熔点的轻合金。 钛合金的比强度（单位质量的强度）极高，耐蚀性好，并且高温、低温性能都很好。但加工困难，成本高。 钛合金在航空航天工业中普遍应用。目前，汽车上也得到了应用，通常可用其制造发动机连杆、曲轴、气门、气门弹簧和悬架弹簧等。,4粉末合金 粉末合金是将几种金属粉末和非金属粉末压制成型，再经过高温烧结而成的材料。粉末合金的冶炼、制取工艺称为粉末冶金。粉末冶金是一种新兴技术，它能在完成金属冶炼的同时，获得形状大小合乎要求的机械零件。 粉末冶金获得的粉末合金零件只需少量切削或无须切削，不仅节省材料、简化加工。而且能获得传统材料所不具备的某些特殊性能。 粉末合金零件在汽车上已得到广泛的应用。国外粉末冶金产品的60%以上用于汽车制造。,