汽车应用材料第一章.pptx

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1、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，人类社会的开展伴随着各种材料的不断开辟和利用。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。汽车应用材料 第一章1.材料开展经历的几个时代 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

2、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。汽车应用材料 第一章 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 汽车应用材料概述汽车应用材料 第一章典型轿车构造图汽车应用材料 第一章一.汽车的结构组成（三大局部）发动机：内燃机（动力、原动局

3、部）底盘：传动系、转向系、制动系、行驶系（传动、操作局部）车身:（工作局部）汽车应用材料 第一章发动机底盘车身汽车结构组成汽车应用材料 第一章 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:平安、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。汽车应用材料 第一章 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汽车应用

4、材料 第一章 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、）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，o 钢材占汽车自重的55%-60%，o 铸铁占12%-5%，o 有色金属占6%10%，o 塑料占8%12%，橡胶占4%，玻璃占3%，o 其他材料（油漆、各种液体等）占12%6%。2.汽车材料的应用汽车应用材料 第一章 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

5、减振器液 发动机冷却液 制冷剂 轮胎汽车运行材料3.汽车运行材料汽车应用材料 第一章三.汽车材料的展望o 汽车工业开展的方向:汽车轻量化和减少污染o 汽车材料总的开展趋势是：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。汽车应用材料 第一章 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

6、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.l100 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 别离膜材料u 认识汽车工程材料性能特点及操作技术u 掌握汽车工程材料的类型、性能特点、牌号及应用。u 了解新型材料应用及开展趋势四.本课程学习目的及要求汽车应用材料 第一章 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汽车应用材料 第一章第二节 材料的性能 一.材料的力

7、学性能 二.材料的物理性能 三.材料的化学性能 四.材料的工艺性能汽车应用材料 第一章一.材料的力学性能 u 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；u 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.汽车应用材料 第一章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)一.材料的力学性能 汽车应用材料 第一章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

8、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)材料的拉压试验汽车应用材料 第一章1拉伸试验 o 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-L曲线；再作出 应力-应变图，图1-7为低碳钢应力-应变曲线。(一)材料的拉压试验汽车应用材料 第一章图1-7低碳钢的-曲线(一)材料的拉压试验汽车应用材料 第一章 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

9、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-曲线有很大差异。反映出其所具有不同的抗拉性能特点。(一)材料的拉压试验汽车应用材料 第一章 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=/=tan（MPa）式中，为弹性变形阶段的应力，为相应的应变，tan为拉伸曲线的斜率。(一)材料的拉压试验汽车应用材料 第一章(2)弹性极限e：指材料在弹性变形阶段所能承受的最大应力。e=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）。e表示材料保持弹性变形的最大应力。2.材料的弹性指标(一)材料

10、的拉压试验汽车应用材料 第一章 3.材料的强度指标（1）屈服点s：表示材料产生屈服时对应的应力。屈服点也称为屈服强度。s=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b 指试样在拉伸过程中所能承受的最大应力值。b=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)。汽车应用材料 第一章 抗拉强度：b，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：s/b，是一个有意义的指标。其比值越大，越能发挥材料的潜力。但是为了使用平安，该比值亦不宜过大，适当的比值一般在0.6

11、50.75之间。比强度：b/，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 汽车应用材料 第一章4.材料的塑性指标（1）伸长率：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。汽车应用材料 第一章（2）断面收缩率：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=（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 汽车应用材料 第一章(二)硬度 材料抵抗其他硬物压入其外表

12、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。汽车应用材料 第一章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外表，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除以压痕的外表积所得的商，即为被测材料的布氏硬度值。汽车应用材料 第一章 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 汽车应用材料 第一章 u 布氏硬度的表示方法规定为：符号HBS和HBW前面的数值为硬

13、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（Kgf）、试验载荷保持时间（S）（1015S不标注）。例120 HBW10/1000/30 实验测量d查表硬度1布氏硬度 汽车应用材料 第一章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1-91-9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。汽车应用材料 第一章(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汲取能量

14、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。汽车应用材料 第一章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）。汽车应用材料 第一章 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=（Jcm2）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.冲击韧度汽车应用材料 第

15、一章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所示为落锤式屡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)屡次冲击。(三)冲击韧度 汽车应用材料 第一章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 汽车应用材料 第一章(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:由于材料外表或内部存在有划痕、尖角、夹杂等缺陷，这些有缺陷部位的局部应力大于屈服点

16、，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。汽车应用材料 第一章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)疲劳强度汽车应用材料 第一章汽车应用材料 第一章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)疲劳强度汽车应用材料 第一章二.材料的理化性

17、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材料的物理性能汽车应用材料 第一章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.材料的理化性能汽车应用材料 第一章铸造性能：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：外表粗糙度、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:汽车应用材料 第一章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

18、: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:汽车应用材料 第一章一.零件的失效形式 o 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 严峻损坏 未达功能要求（平安工作）汽车应用材料 第一章(一)零件常见的失效形式u 过量变形失效弹变、塑变、蠕变u 断裂失效过载断裂，疲劳断裂u 外表损伤失效磨损，点蚀、胶合一.零件的失效形式 汽车应用材料 第一章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、严峻磨损及安装制造误差等也会造成轮齿折

19、断。提高轮齿抗折断能力的措施之一：对轮齿进行外表处理以提高齿面硬度。齿轮常见的失效形式:汽车应用材料 第一章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。严峻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。齿轮常见的失效形式:汽车应用材料 第一章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

20、位。汽车应用材料 第一章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，在轮齿外表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。齿轮常见的失效形式:汽车应用材料 第一章5.塑性变形：重载且摩擦力很大时，齿面较软的轮齿外表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汽车应用材料 第一章(二)失效原因 u 1.设计不合理u 2.选材不合理u 3

21、.加工工艺不当u 4.安装使用不正确一.零件的失效形式 汽车应用材料 第一章二.选材原则 选材的动机 开辟新产品、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 环境与资源原则汽车应用材料 第一章1.材料的使用性能 首要原则)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

22、极限零件失效的原因 设计、材料、加工、安装和使用。汽车应用材料 第一章)工作环境 温度，介质（如腐蚀，摩擦）。)特殊功能要求 导电性、磁性、热膨胀性、比重、外观等。)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 b/MPa/%AKU/J850淬火5 800 16 12030 750 15 80500回火50 700 15 56100 600 13 40汽车应用材料 第一章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

23、理（正火、退火）粗加工 最终热处理（淬火回火，时效，渗C等）精加工汽车应用材料 第一章3、经济性 根本原则)产品本钱分析基本材料的本钱（价格、利用率）占总本钱的3070%制造（加工）本钱 约占零件本钱的30%加工本钱=工具与设备费用+每件产品本钱 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10,19012,720 玻璃纤维复合材料24003300 黄铜（型材）16502336 尼龙66 3289铝合金（型材）20002440 环氧树脂1650低碳钢

24、（型材）440480 天然橡胶1430铸铁260氧化铝1100-1760硬质合金66,000玻璃1500汽车应用材料 第一章4、环境与资源原则)减少材料使用量、延长零件寿命、材料再利用。)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 1106109 31.7Al 1170 35 16.9Cu 308 24 40.9Zn 123 18 21.2Mo 5.4 36Ag 0.2 14 41.0Cr 775 112Ti 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汽车应用材料 第一章选材方法与步骤三、汽车零件的选材 1）周密分析零件的工作特性和使用条件

25、。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).汽车应用材料 第一章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。选择方案可以是假设干种方案。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 汽车应用材料 第一章小 结:u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.u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 第一章汽车应用材料 第一章谢谢观看/欢送下载BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES.BY FAITH I BY FAITH