汽车机械基础教案项目一.docx

教学目标知识目标:能力目标:教学重占教学难点教学手段理实一体实物讲解 小组讨论、协作教学学时6课时教学内容与教学过程设计模块一汽车工程材料单元1金属材料的性能【学习目标】；案例导入，引起学 生兴趣。1 .了解材料弹性变形和塑性变形的特点；2,掌握材料强度、硬度、塑性的概念、应用并了解其测定方法;3 ,了解材料疲劳破坏的机理；4 .了解疲劳极限和冲击韧度的意义；5 .了解材料的物理、化学与工艺性能。【知识导入】由于具体的汽车零件在汽车上的作用和功能各不相同，于是对其材料的性能要求也不尽 相同。汽车零件对材料的性能要求主要包括材料的使用性能和工艺性能两方面。材料在使用 中所表现的性能称为材料的使用性能，包括材料的物理性能、化学性能和力学性能；材料在 加工过程中所表现的性能称为材料的工艺性能，包括材料的铸造性能、锻压性能、焊接性能、 切削加工性能、热处理性能。图12所示为汽车金属材料的主要性能，汽车非金属材料的性1 能指标与金属材料基本相同或者相似。：汽车金属材图1-2汽车金属材料的性能课题1金属材料的力学性能> * *4»>«* * * fli*»* * * *B* * * *«* * * »4»* * * *»* *«>*>4I* * * *H»>*>*H*«*«*4MK »* * *«*«>* * *4MI* * *<* * * > *【学习目标】1 .了解有色金属及合金的分类、牌号、性能及应用；2 .了解粉末冶金材料及其在汽车上的应用。【知识导入】汽车常用有色金属材料主要有铜及铜合金、铝及铝合金、滑动轴承合金、镁及镁合金、 粉末冶金材料等。大多数有色金属的化学活性高，冶炼艰难，故生产成本高，并且在地壳中 的蕴藏量少，因此在使用有色金属时，要坚持合理使用、注意节约的原则。课题1铝及铝合金一、工业纯铝工业纯铝的纯度3闻=99%99.99%,呈银白色，具有密度小(2.7g/cm3),熔点低(660), Ml导电性与导热性良好(仅次于铜)，反光性好，无磁性，塑性高(b=35%40%,力=80%),强 度低(Ob=80100MPa),硬度低(2530HBS)等特点。可以进行冷、热压力加工，并可通过加 工硬化使强度提高(。b=15(T200MPa),但塑性下降。在空气中铝表面可生成一层致密的氧化膜，能阻挠铝进一步氧化，故在大气中具有良好 的耐腐蚀性。但铝不耐酸、碱、盐的腐蚀。工业纯铝分为纯铝(3网=99%99.85%)和高纯铝(0|>99.85%)两类。按加工方式纯铝又 可分为变形纯铝(可压力加工)和铸造纯铝(非压力加工)两种。工业纯铝主要用途是代替铜制作导线，配制不同的铝合金，制作强度不高的器皿。在汽 车上，纯铝主要用于制作空气压缩机垫圈、排气阀垫片、汽车铭牌等。工业纯铝编号采用“铝”字的汉语拼音首写字母加序号表示。有L1、 L2、L3、L4、L5o编号越大，纯度越低。二、铝合金纯铝强度很低，不适于创造机器零件。在纯铝中加入Si、Cu、Mg、Zn、Mn等合金元素 形成铝合金，可使其力学性能提高，而且仍保持其密度小、耐腐蚀的优点。根据铝合金的成份及生产工艺特点，将铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金。单元小结1 ,零件由于某种原因丧失原设计所规定的功能称为零件失效。2 .零件的失效判断原则、失效形式及失效原因。3 .零件选材的基本原则和方法。4 .典型汽车零件选材举例。复习思量题1 .零件常见失效的失效类型有哪些？引起失效的原因有哪些？2 .合理选材的普通原则是什么？3 .使概括汽车典型零件的材料有哪些？力学性能是汽车零件材料选择的主要依据，是材料所有性能中最为基本和重要的性能。 材料的力学性能是指在外力的作用下所表现出来的特性，常用的力学性能指标主要有强 度、 塑性、硬度、冲击韧度和疲劳极限等。一、 强度和塑性二、硬度i硬度实际上是指金属表面一个小的或者很小的体积内反抗弹性变形、塑性变形或者反抗 破裂的一种抗力。硬度能够反映出金属材料在化学成份、金相组织和热处理状态上的差异， 是检验产品质量、研制新材料和确定合理的加工工艺所不可缺少的检测性能指标之一。同 时硬度试验是金属力学性能试验中最简便、最迅速的一种方法。三、冲击韧度机械零部件在工作过程中不仅受到静载荷或者变载荷的作用，而且还会受到不同程度的1 冲击载荷的作用，如内燃机的活塞销与连杆、锻锤的锤杆、冲床的冲头等。金属在受冲击时， 应力分布与变形很不均匀，所以，在设计和创造承受冲击载荷作用的零件和工具时，仅考虑 静载荷强度指标是不够的，还必须考虑所用材料的冲击韧度。冲击韧度是指材料反抗冲击载 荷作用的能力。四、疲劳极限许多机械零件（如轴、齿轮、弹簧等）和工程结构都是在变应力下工作的，它们工作时所！ 承受的应力通常都低于材料的屈服点。材料在循环应力和应变作用下，在一处或者儿处产生! 局部永久性积累损伤，经一定循环次数后产生裂纹或者蓦地发生彻底断裂的过程称为材料的1 疲劳。疲劳失效与静载荷下的失效不同，断裂前没有明显的塑性变形，发生断裂也较蓦地; 这种断裂具有更大的危（wei）险性，往往造成重大事故。据统计，大部份机械零件的失效! 是由金属疲劳造 成的。反映材料抗疲劳性能的指标是疲劳极限。I课题2金属材料的物理、化学与工艺性能!一、物理性能i* 金属材料的物理性能是指金属固有的属性，包括密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀 性和磁性等。!由于机器零件的用途不同，对金属材料的物理性能要求也有所不同。例如，飞机零件是I 用密度小、强度高的铝合金创造，这样可以增加有效载荷；创造汽车发动机活塞，要求材料 具有较小的热膨胀系数；创造变压器用的硅钢片，要求具有良好的磁性。二、化学性能I金属材料的化学性能是指金属在化学作用下所表现出的性能，如耐腐蚀性、抗氧化性和 化学稳定性等。1 耐腐蚀性j2 抗氧化性3 .化学稳定性三、工艺性能金属材料的工艺性能是指材料加工成型获得合格产品的难易程度。工艺性能往往是由物i 理性能、化学性能和力学性能综合作用所决定的，不能简单用一个物理参数来表示。按照加I 工工艺的不同，工艺性能可分为铸造性能、可锻性、可焊性、切削加工性和热处理性能等。1 .铸造性能2 .锻造性能3 .焊接性能4 ,切削加工性能5 .热处理性能单元小结1 .金属材料的性能包括使用性能和工艺性能两大类。2 .使用性能包括力学性能、物理性能、化学性能。常用的力学性能包括强度、硬度、塑 性、韧性等。3 .材料的力学性能指标。0。Q。0.2、。b、。、3、HBW、HRC等是汽车零件设计、| 创造、使用的重要依据。4 .金属材料的硬度常用布氏硬度值和洛氏硬度值表示。5 .金属材料的工艺性能是指材料加工成型获得合格产品的难易程度。材料的工艺性能包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能、热处理性能等。 复习思量题一、填空题1 .材料常用的塑性指标有和2 .检验淬火钢成品件的硬度普通用 度。3 .材料的工艺性能是指性，两种。硬度，而布氏硬度合用于测定的硬性，性，性，性。图解相关性。流程说明。6 .表征材料反抗载荷能力的性能指标是冲击韧度，其单位是二、判断题1 .所有金属材料均有明显屈服现象。（）2 .同种材料不同尺寸试样所测得的伸长率相同。（）3 .是机械零件的设计和选材的主要依据之一，是主要的强度指标。 （）4 .拉伸试验可测量材料的强度和硬度。（）三、问答题1 ,什么是金属材料的力学性能？根据载荷形式的不同，力学性能主要包括哪些指标？2 .什么是强度？什么是塑性？衡量这两种性能的指标有哪些？各用什么符号表示？3 .什么是硬度？HB、HR各代表什么硬度？4 .I50HBS, 70HRC分别表示什么意思？5 .什么是冲击韧性？用什么符号表示？6 .什么是疲劳现象？什么是疲劳强度？7 .长期工作的弹簧蓦地断裂，属于哪种问题？与材料的哪些性能有关？8 .大能量冲击和小能量多次冲击的冲击韧性，各取决于金属材料的哪些力学性能指标?单元2金属材料基本知识【学习目标】1 .了解金属的晶体结构及其结晶过程、实际金属的晶体结构和性能特点；2 .掌握铁的同素异构转变规律；3 .掌握铁碳合金的基本组织、性能特点及分类；!4 .了解合金组元、相和组织的概念；5 .了解碳对钢性能的影响规律；6 .掌握钢的热处理概念及原理；7 .了解钢在加热和冷却时的转变产物；8 .了解钢的热处理分类、工艺及应用。|【知识导入】：工程材料的各种性能，特别是力学性能，与其微观结构关系密切。一切物质都是由原子 组成的，根据原子在固体物质内部会萃状态的不同，可将物质分为晶体与非晶体两类。晶体 物质的原子在三维空间呈现有规律的周期性重复罗列，而非晶体不具有这一特点。汽车上使用的金属材料都是晶体。不同的金属材料具有不同的性能，即使同一种金属材| 料，由于所处的状态不同，力学性能也不同，这主要是由于金属材料的原子罗列方式不同所| 致。为了合理选材，做到充分发挥材料潜力，必须了解金属材料的内部结构及其影响因素。！课题1金属与合金的晶体结构及结晶!材料的性能取决于其化学成份与内部组织结构。材料的化学成份不同，性能固然不同； 然而化学成份相同的材料，通过热处理改变其组织结构，性能也会差别很大。一、金属晶体结构的基本知识！1 .晶体和非晶体2 .晶格和晶胞3 .金属中常见的晶格类型二、合金的基本概念三、合金的相结构比较说明。四、实际金属的晶体结构五、纯金属的结晶I课题2铁碳合金|铁碳合金是以铁和碳为基本组元组成的合金，是钢和铸铁的统称。铁碳合金具有优良的 力学性能和工艺性能，是现代工业中应用最广泛的金属材料。要了解铁碳合金首先要了解铁 碳合金相图。！课题3钢的热处理热处理是指金属材料在固态下，采用适当的方式进行加热、保温、冷却，以获得预期的 组织结构与性能的一种工艺方法。热处理工艺过程由加热、保温、冷却三个阶段组成，如图 130所示。通过热处理之所以能改变一些金属的性能，是因为这些金属在加热和冷却过程中j 存在组织结构或者溶解度的变化，如图1-31所示。钢经过热处理后，不仅能消除其在前一加| 工工艺过程中所产生的内部组织结构上的缺陷，改善力学性能，充分发挥材料的性能潜力 而 且能改善钢的加工工艺性能，于是钢的热处理在机械加工中是一个强化材料的重要工艺i二、钢的普通热处理;1 .钢的退火退火是将钢件加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（普通采用随炉冷却的方| 式），使金属内部组织达到或者接近平衡状态的热处理工艺。退火的主要目的是：（1）降低硬度，提高塑性和韧性，改善钢的成形和切削加工性能。！（2）减小钢的化学成份及组织的不均匀性，消除或者减小钢件内应力，提高尺寸稳定性,;防止钢件变形和开裂。I（3）为后续的热处理做准备。!2 .钢的正火|正火是将钢加热到Ac3或者A”m以上30-50,经保温一定时间后在空气中冷却，获得“片状珠光体组织的热处理工艺。!与退火的主要区别：冷却速度快，组织比退火细，硬度、强度高，塑韧性较好。|正火的主要目的是： !3 .钢的淬火|淬火是将钢加热到Ac3（亚共析钢）或者A©（过共析钢）以上某一温度范围，保温一定时 间;奥氏体化完成后，以大于临界冷却速度的冷速在水、盐水或者油中冷却，获得马氏体或者（可）贝 氏体组织的热处理工艺。淬火的加热温度范围，如图1-41所示。!图1-41淬火的加热温度范围 复习思量题一、填空题1 .常见典型金属晶体晶格结构类型主要有? 和 三种。2 .金属由液态转变为固态晶体的过程称为,金属从一种固体晶格转变为另一 种 固体晶格的过程称为 o3 .金属由液态转变为,是原子由不规则罗列到 罗列的过程称为结晶。4 .金属在结晶过程中，冷却速度越大，则过冷度, 晶粒越 ，强度， 塑性越 O5 .结晶过程是由 和 两个基本过程组成。6 ,合金的基本相可分为 和 两大类。7 .固溶体可分为 和 两种。8,铁碳合金中的基本相有? 和 三种。9 .铁碳合金中基本组织有 : 、五种。10 .铁碳合金相图中，共晶线是指;液相线是指;共晶点是指， 其碳质量分数是 o11 .钢的热处理是将钢在固态下 r ?，以改变钢白勺，从而获得所需性能的一种工艺方法。12 .热处理可分为 热处理和 热处理两大类，其中常用的整体热处理包括、和四种，表面热处理包括 和 o13 .根据回火温度不同，回火分为 、和 三种。14 .调质处理是加 的统称。j二、判断题15 凡是由液体凝固成固体的过程都是结晶过程。（）16 .纯金属的实际结晶温度与其冷却速度有关。（）|17 普通来说，晶粒越细小，金属的力学性能如强度、韧性、塑性都越好，因此晶粒细化 是提高金属力学性能的重要手段之一。（）18 .热处理时加热温度越高越好。（）19 热处理时选择冷却速度的依据是C曲线。 （）20 ,渗碳以后不需要淬火。（）21 ,表面淬火用钢普通为中碳钢或者中碳合金钢。（）:22 表面淬火不改变工件表面的化学成份。（）9,渗碳以后，工件表面的含碳量与心部相同。（）23 .淬透性好的钢，其淬硬性也一定好。（）: （ *三、选择题1 ,热处理时选择加热温度的依据是。IA.铁碳相图B.C曲线C.拉伸曲线!2 ,热处理时选择冷却速度的依据是。IA.铁碳相图B.C曲线C.拉伸曲线3 .影响淬透性的主要因素是。A.合金元素 B.含碳量C.冷却速度j4 .影响淬硬性的主要因素是。'|A.合金元素 B.含碳量C.冷却速度i四、解释下列名词：|合金、组元、相、结晶、淬透性、淬硬性、调质处理。五、问答题1 .普通情况下，碳钢和合金钢淬火时各用何种冷却介质？为什么？!2 .实际金属中存在哪些晶体缺陷？它们对金属的力学性能有哪些影响？3何谓过冷现象、过冷度？过冷度与冷却速度有何关系？4 .晶粒大小对金属的力学性能有何影响？生产中有哪些细化晶粒的方法？5 .何谓金属的同素异晶转变？6 .什么是固溶体？固溶体有哪些类型？7 什么叫铁素体、奥氏体、珠光体和莱氏体?写出它们的符号。|8什么是共晶转变？什么是共析转变？|9 .试分析碳钢的组织、力学性能随含碳量增加的变化规律。|10 .根据相图说明下列现象产生的原因：1）钢适宜于锻压加工成形，而铸铁适宜于铸造；12）钢抑钉普通用低碳钢创造；3）锯高碳钢比锯低碳钢费力，锯条容易磨损。11 .什么是热处理?它由哪几个阶段组成？热处理的目的是什么？12 .化学热处理包括哪几个基本过程？常用的化学热处理方法有哪几种？!单元3钢铁材料【学习目标】1 .了解合金元素在钢中的作用2 ,了解钢的分类和常用钢材的牌号、性能及应用；3 ,了解铸铁的分类、牌号、性能及应用。【知识导入】金属材料是目前汽车上应用最广泛的工程材料。工业上，通常把金属材料分为两大类： 黑色金属和有色金属。黑色金属主要是指钢铁材料，有色金属是指除钢铁材料以外的其他所 有金属材料，如铝、铜、镁及其合金。钢铁材料在我国汽车工业中占主要地位。一辆中型载货汽车上钢铁材料约占汽车总质量| 的3/4,轿车上约占2/3o钢铁材料的最大特点是价格低廉，比强度(强度/密度)高，便于加工， 于是得到广泛的应用。有色金属及合金产量低、价格高，但有色金属及合金具有钢铁材料所 不可替代的优越性能，如密度小、强度高、耐腐蚀性能好等。在轿车中采用铝、镁、钛等轻金属代替钢铁材料减轻轿车自重，是轿车轻量化的一个重要手段。 汽车常用的钢铁材料主要有钢和铸铁两大类。具体见图1巧0。图1.50汽车常用的钢铁材料课题1碳素钢碳素钢(简称碳钢)是指含碳量小于2.11%的铁碳合金。碳钢中除了含有铁和碳元素之外， 还含有少量的杂质元素，如硅(Si)、钵(Mn)、硫(S)、磷(P)等元素，它们对钢的性能都有一定 的影响。课题2合金钢碳钢虽然能满足生产的普通需求，但是一些重要工作场合的零件，或者有耐热、耐腐蚀、 高磁性或者无磁性、高耐磨性等特殊要求的零件，这时就无法满足需要。为了改善钢的性能，炼钢时有目的地加入一些合金元素所形成的钢称为合金钢。合金钢| 通过热处理能获得优良的力学性能及一些特殊的物理、化学性能。常加入的合金元素有：钛 (Ti)、机(V)、锯(Nb)、鸨(W)、钥(Mo)、铭(Cr)、镒(Mn)、铝(A1)、钻(Co)、硅(Si)、硼(B)、 氮(N)及稀土元素。但是，合金钢的冶炼、加工艰难，价格较贵，所以应合理选用。课题3铸铁!铸铁是碳质量分数大于2.11%的铁碳合金。主要组成元素是铁、碳，还含有一定的硅、 钵、硫、磷等元素，而硫、磷等杂质的含量比碳素钢要高。铸铁的成本低，生产工艺简单并具有优良的铸造性能和良好的切削加工性能，有很高的! 耐磨减振性和极低的缺口敏感性，因此铸铁在机械创造中应用很广，按质量计算，汽车中铸 铁零件占50%70%,机床中占60%90%。课题4钢铁材料在汽车上的应用钢铁材料是汽车创造材料的主体。汽车用钢铁材料包括：碳素结构钢、优质碳素钢、合 金结构钢、耐热钢、粉末冶金材料、铸铁、复合钢板等。|一、钢板钢板在汽车中的用量占整车总质量的50%70%。用于汽车钢板的钢种主要包括：碳素结构钢(Q195、Q215)、优质碳素结构钢(08钢、10 钢等)、低合金结构钢(Q295、Q345)o汽车专用钢板可分为热轧钢板和冷轧钢板。在汽车上的! 应用主要是在车身覆盖件、部份支撑件等。目前在汽车中，特殊是在轿车中，低合金结构钢钢板的用量逐年加大，例如车身外面板、| 车身内蒙板、保险杠、驾驶室、覆盖件、轮辆和轮辐、车门边梁、车架、部份行驶部件等。i 采用强度较高的低合金结构钢钢板的意义在于其价格低、工艺性好、性能优越，可以大 幅I 度地减轻车身质量，促进汽车的轻量化，提高车辆燃料经济性和延长使用寿命。在寒冷地带、沿海地区以及环境和道路条件有腐蚀性(如寒冷地带在冬天为防止道路 冰 结冻要撒盐；沿海地区空气中含盐)的情况下，车辆外露部份应采用防锈钢板，例如采用钢板| 表面镀锌、镀锡、镀铝、镀锲、镀铭等做法。|二、结构钢：常用的渗碳钢有 20、20Cr、20CrMnTi> 20CrMnMo> 20MnVB、12Cr2Ni4 等。|常用的调质钢有 35、45、40Cr> 40MnB、40CrNiMoA 等。三、耐热钢在汽车上，高温部件(如燃烧室、排气管、蜗轮增压器、气门等部位)，由于工作温度较! 高，普通采用而寸热钢和而寸热合金，如SUS410、FCD45 > SUSXMI5II等。四、复合钢板、复合钢管复合钢板、复合钢管以其独特的性能在车辆上逐年增加其用量。复合材料可以耐腐蚀、 减震、隔声、轻量化。例如，在两层钢板中间加入黏弹性树脂可达到优良的减震性能，这种 性能使它应用在车辆的油底壳、气门室罩、驾驶室地板等零部件上。五、铸铁i复习思量题一、填空题I1 ,碳素钢是指含碳量小于,并含有少量Si、Mn、S、P杂质元素的合金。2 .根据含S、P杂质元素的多少，碳素钢可分为和 。3 .优质碳素结构钢根据用途又可分为、和 三类。4 .合金钢，是在的基础上，为获得特定的功能，故意识地加入或者非金属元素的钢。5 .合金钢按合金元素含量的多少可分为、和 。6 .在满足使用要求的情况下，应该优先选用钢，因为合金钢。|7 ,含碳量为的铁碳合金称为铸铁。|8 .常用铸铁根据石墨在其组织中存在形态的不同，可为、 、 和 等/ *9 .铸铁在结晶过程中，的现象称为石墨化。10 .促进石墨化的元素有和 ，妨碍石墨化的元素有、。13 .可锻铸铁是由通过退火处理使渗碳体分解而得到团絮状石墨的一种高强度铁。|14 .QT500-05牌号中，QT表示 ，数字500表示 ，数字05表示 。15 .HT250是 铸铁，250表示 。|二、判断题|16 .钢中合金元素含量越高，其淬透性越好。（）!17 .调质钢的合金化主要是考虑提高其红硬性。（）18 除铁、碳外，还含有其他元素的钢就是合金钢。（）4合金钢不经过热处理，其力学性能比碳钢提高不多。（）j三、选择题1 ,用40Cr钢创造的钢盖螺栓，要求具有良好的综合力学性能，最终热处理是 。!A.淬火B.淬火和中温回火C.淬火和低温回火D.调质处理|2 .为保证气门弹簧的性能要求，65Mn钢制成的气门弹簧最终要进行处理。A.淬火B.淬火和中温回火C.淬火和低温回火D.调质3,与钢相比，铸铁工艺性能的突出优点是：（）o!A.可焊性好B.淬透性好C.铸造性好4 .普通灰铸铁的力学性能主要取决于（）oA.基体组织B.石墨的大小和分布C.热处理方法D.石墨化程度5 .机床床身、机器底座应选用（）。A.白口铸铁B.麻口铸铁C.灰铸铁D.球墨铸铁6 .现有下列灰口铸铁，请按用途选材：iA.HT250B.KTH350-10C.QT600-02j（a）机床床身（）（b）汽车先后轮壳（）（c）柴油机曲轴（）|四、问答题1 .什么是碳素钢？什么是合金钢？2,按含碳量分，碳素钢主要有哪儿种类型？含碳量各是多少？3按用途分，碳素钢主要有哪几种类型？有哪些主要用途？I,4 .按用途分，合金钢主要有哪儿种类型？有哪些主要用途？j5 .什么叫铸铁？它与碳钢相比有何优缺点？!6 ,铸铁根据什么来分类？分为哪几类？各有何特点？9 .什么叫铸铁的石墨化？影响铸铁石墨化的主要因素有哪些？|*单元4有色金属材料及其合金