1、2022-8-142022-8-142022-8-14汽车零件材料性能分析晶体结构与铁碳合金相图钢的热处理汽车常用金属材料汽车常用非金属材料一二三四五六模块小结2022-8-14 学习目标1了解材料的性能、金属晶体结构基础知识及铁碳合金相图的含义及应用；了解常用热处理方法及对金属材料的影响；了解材料的分类；2熟悉典型金属材料、非金属材料的牌号与性能；3掌握典型非金属材料与金属材料在汽车上的应用。1能利用材料的性能指标，合理评价零件；2能根据金属晶体结构基础知识分析并解决相关工程实践问题；3能使用仪器测定金属的强度、硬度；4能识别典型的金属材料与非金属材料及在汽车上的选用。2022-8-14汽车
2、工程材料是汽车制造、使用以及维修中常用的材料，是材料科学的一个分支。目前，汽车正朝着高速、经济、舒适、安全、环保的方向发展，特别是近年来人们对环保的高度重视，对汽车工程材料提出了更高的要求，因而在汽车产品设计及其制造与维修过程中，材料的选用问题将日趋突出。这使汽车工业的发展与材料学科之间的关系更为紧密。汽车工业已是世界各国的支柱产业之一，在汽车制造工业中应用最广泛的仍是金属材料，约占总质量的70%90%。在我国，汽车工业所用的钢铁材料占钢铁年产量的10%左右。金属材料之所以获得广泛的使用，是因为金属材料不仅来源丰富，而且具有耐用性好、工艺性好等优点。金属材料还可以通过不同成分配置、不同的加工和
3、热处理方法来改变组织与性能，以扩大其使用范围。随着科学技术的不断进步，高性能金属材料和高性能非金属材料在汽车上的应用范围逐渐扩大。一、汽车零件材料性能分析2022-8-14 一、汽车零件材料性能分析案例引入：了解发动机的工作情况，观察发动机曲柄连杆机构的运动，认识发动机的活塞（如图2-1所示）的工作环境和任务，分析：活塞要完成其工作任务，保证发动机正常工作，所用材料应具备什么性能？通常选用什么材料？图2-1 发动机活塞2022-8-14 一、汽车零件材料性能分析材料的性能包括使用性能和工艺性能。材料的使用性能，是指在正常使用条件下，零部件材料所表现出来的性能。主要包括物理性能、化学性能、工艺性
4、能和力学性能。材料的工艺性能直接影响着零部件质量，是零部件选材和制定加工工艺路线时必须考虑的因素之一。1 1材料的性能材料的性能2022-8-14 一、汽车零件材料性能分析1.材料的物理性能材料的物理性能，是指材料的固有属性，如密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性和色泽等。1）密度在机械制造中，一般将密度小于5.0103kg/m3的金属称为轻金属，如铝、镁、钛及其合金；将密度大于5.0103kg/m3的金属称为重金属，如铁、铅、钨等。2）熔点熔点，是指材料由固态向液态转变的温度。各种金属都具有固定的熔点。（一）材料的使用性能2022-8-14 一、汽车零件材料性能分析3）导热性导热性，是
5、指材料在加热和冷却时传导热量的性能，常用热导率表示。4）导电性导电性，是指材料传导电流的能力，常用电阻率表示。5）热膨胀性热膨胀性，是指材料随温度的变化产生膨胀、收缩的特性，常用线膨胀系数来表示。6）磁性磁性，是指材料能被磁场吸引或磁化的性能，常用磁导率表示。2022-8-14 一、汽车零件材料性能分析2材料的化学性能材料的化学性能，是指材料在化学作用下表现出来的性能。对于金属材料来说，化学性能一般指耐腐蚀性和抗氧化性。对于非金属材料来说，还存在着化学稳定性、抗老化能力和耐热性等问题。1）耐腐蚀性材料在常温下抵抗周围介质（如大气、燃气、水、酸、碱、盐等）腐蚀的能力称为耐腐蚀性。2）抗氧化性材料
6、在高温下抵抗氧化的能力称为抗氧化性，又称热稳定性。在钢中加入Cr、Si等元素，可大大提高钢的抗氧化性。如在高温下工作的内燃机排气门等轿车零部件，就是采用抗氧化性好的4CrSi2等材料来制造的。2022-8-144.材料的力学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，或称机械性能。材料的力学性能主要决定于材料的化学成分、组织结构、冶金质量、表面和内部的缺陷等内在因素，但一些外在因素如载荷性质、应力状态、温度、环境介质等也会有较大影响。材料的力学性能包括强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度等。载荷是指金属材料在加工及使用过程中所受的外力。根据载荷作用性质的不同，它可以分为静载荷、冲
7、击载荷及交变载荷三种。金属材料受不同载荷作用而发生的几何形状和尺寸的变化称为变形，变形一般分为弹性变形和塑性变形。一、汽车零件材料性能分析2022-8-141）强度与塑性金属抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度，强度大小通常用应力来表示。断裂前金属材料产生永久变形的能力称为塑性。根据载荷作用方式不同，强度可分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度和抗扭强度等。其中抗拉强度为最基本的强度指标，可通过拉伸试验来测定。图2-3 拉伸试样图2-4 低碳钢的力-伸长曲线2022-8-142）硬度硬度是材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力，也可以说是指金属材料抵抗比它更硬物体压入其表面的能力。
8、3）冲击韧性金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为韧性。目前，常用一次摆锤冲击弯曲试验、小能量多次冲击实验来测定金属材料的韧性。一、汽车零件材料性能分析2022-8-144）疲劳强度在周期性交变应力作用下，零件会在小于s 的情况下发生突然断裂，这种现象称为疲劳。金属因疲劳而产生的断裂，称为疲劳断裂。在机件断裂事故中，疲劳断裂约占断裂事故的8090%。一、汽车零件材料性能分析图2-4 疲劳曲线示意图2022-8-145）高温下金属的机械性能金属在高温下的机械性能指标，主要有热强度和热硬性。（1）热强度热强度的指标有蠕变极限和持久强度。（2）热硬性金属材料在高温下的硬度是高温轴承、高速切削刀具
9、、热作模具材料和某些机器零件材料的重要指标。材料在高温下具有较高硬度的性能，称为热硬性，又称红硬性。一、汽车零件材料性能分析2022-8-14 一、汽车零件材料性能分析汽车上使用的大多数零件是采用金属材料制造的。金属材料的工艺性能，是指金属在加工时所表现出来的适应能力和难易程度。它包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能等。1）铸造性能铸造性能，是指金属融化成液态后，在铸造成形时所具有的一种特性，它常用金属的液态流动性、冷却时的收缩率和偏析等指标衡量。汽车发动机上的气缸盖、气缸体、活塞、变速器箱体、转向器壳体等均是由金属材料铸造而成的。2）锻造性能锻造性能，是指金属材料利用锻
10、压加工方法成形的难易程度称为锻造性能。2022-8-14 一、汽车零件材料性能分析3）冷变形工艺性能各种钢板和各种管路在施工和安装中，有时需要进行各种冷变形，所以要求这些材料具有良好的冷变形工艺性能。4）焊接性能焊接性能，是指金属材料在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。5）切削加工性能切削加工性能，是指对材料进行切削加工的难易程度和切削加工后的表面质量，其难易程度与金属的强度、硬度、塑性和导热性有关。切削加工性能好的金属对刀具磨损量小、切削用量大、加工表面精度高。6）热处理性能热处理性能，是指金属进行热处理时所表现出来的性能，一般可以通过热处理来提高金属材料的机械性能。2022
11、-8-14 二、晶体结构与铁碳合金相图金属材料所具有的各种不同的机械性能、工艺性能、理化性能，除与金属材料的化学成分有关外，还与金属材料的内部构造有关。1.晶体结构与类型固态物质按其内部微粒（原子、离子或分子）的构成，可分为晶体和非非晶体两类。微粒呈无规则排列的固态物质称为非晶体，如玻璃、塑料、松香等；微粒呈规则排列的固态物质称为晶体，如盐、冰等。晶体有一定的熔点，非晶体则没有一定的熔点。在通常的情况下，处于固态的一切金属及其合金都是晶体。为了便于理解，把原子看成是一个个小球，则金属晶体就是由这些小球有规律地堆积而成，如图2-5所示。1 1晶体结构及其结晶晶体结构及其结晶图2-5 晶体中金属原
12、子的排列2022-8-14 二、晶体结构与铁碳合金相图图2-6 晶格和晶胞示意图 2022-8-14 二、晶体结构与铁碳合金相图体心立方晶格 属于这种晶格类型的金属有铬（Cr）、钒（V）、钨（W）、钼（Mo）、及-铁（-Fe）等金属。面心立方晶格 属于这种晶格类型的金属有铝（Al）、铜（Cu）、铅（Pb）、镍（Ni）及r-铁（r-Fe）等金属。密排六方晶格 属于这种晶格类型的金属有镁（Mg）、铍（Be）、钛（Ti）及锌（Zn）等金属。图2-9体心立方晶胞图2-10 面心立方晶胞图2-11密排六方晶胞2022-8-14 二、晶体结构与铁碳合金相图 在实际使用的金属材料中，由于加进了其它种类的外来
13、原子及材料在冶炼后的凝固过程中受到各种因素的影响，使本来该有规律的原子排列方式受到干扰，不像理想晶体那样规则。晶体中出现的各种不规则的原子堆积现象称为晶体缺陷。常见的晶体缺陷有空位、位错、晶界和亚晶界等，它们都对力学性能产生影响。金属塑性变形后，会引起金属性能的改变。主要是随着变形程度的加大，金属产生了硬度增高、塑性降低现象，即加工硬化，也即冷作硬化。加工硬化不利于金属的继续成形加工，但有时可以提高产品的表面硬度和性能。2022-8-14 二、晶体结构与铁碳合金相图2.金属的结晶 金属材料大部分都是经冶炼得到的，即经由液态转变为固态的过程，常称之为金属的结晶过程。铸造和焊接工艺都与金属的结晶过
14、程有关。图2-12 纯金属结晶时的冷却曲线2022-8-14 二、晶体结构与铁碳合金相图金属的同素异构转变有些金属，固态时在不同的温度范围内，会由一种晶格转变为另一种晶格，这种变化称为金属的同素异构转变。同素异构转变是铁的一个重要特性。钢和铸铁之所以能通过热处理显著地改变其性能，是与铁的同素异构转变有着密切联系的。图2-13纯铁的冷却曲线面心立方晶格）面心立方晶格）体心立方晶格）(912(1394(FeFeFeCC2022-8-14 二、晶体结构与铁碳合金相图纯金属一般具有良好的塑性、导电性、导热性，但强度、硬度较低且价格较高，种类有限，故生产中大量使用的是各种不同成分的合金，如铁碳合金、铝合
15、金、铜合金等。合金是由两种或两种以上的金属或金属与非金属元素构成的具有金属特性的物质。例如，钢和生铁就是铁与碳的合金，黄铜就是铜和锌的合金。1.合金的构造组成合金的独立的最基本单元称为组元。由两个组元组成的合金称为二元合金；由三个组元组成的合金称为三元合金；由三个以上组元组成的合金称为多元合金。合金的构造常可分为固溶体、金属化合物和机械混合物三类。2 2合金的结构合金的结构2022-8-14 二、晶体结构与铁碳合金相图2.合金的结晶 合金的结晶过程同样包括形成晶核与晶核长大，但是合金的结晶过程中经常会发生固相转变，即由一种固相转变为另一种固相。在大多数情况下，合金结晶时往往形成两种不同的固相组
16、成的多相组织。合金的结晶过程，是指合金的组织结构随温度、成分的变化而变化的过程，常用合金相图来反映。合金相图又称合金状态图，它表明了在平衡状态下（指在极缓慢的加热或冷却的条件下），合金的相结构随温度、成分发生变化的情况，故亦称为平衡图。2022-8-14 二、晶体结构与铁碳合金相图 钢和铸铁是汽车工业中应用最广泛的金属材料，虽然其种类和牌号很多，性能和用途各异，但都是以铁和碳为主要元素组成的合金，统称为铁碳合金。不同成分的铁碳合金在不同温度下具有不同的组织，因而表现出不同的性能。铁碳合金相图就是研究铁碳合金的成分、温度和组织三者之间关系的图形。3 3铁碳合金相图铁碳合金相图“探究钢铁内部结构的
17、宝图探究钢铁内部结构的宝图”2022-8-14 二、晶体结构与铁碳合金相图1铁碳合金的基本组织铁碳合金有下列几种组织：1）铁素体碳在-Fe 中形成的固溶体称为铁素体，用符号F表示。它仍保持-Fe 的体心立方晶格，铁素体在室温时的溶碳能力极低，随温度的升高，溶碳量略有增加，在727时溶碳量最大（为0.0218%）。因此，我们平时所说的纯铁，实际上是含碳量很低的铁素体。铁素体的强度和硬度较低，而塑性和韧性较好。2022-8-14 二、晶体结构与铁碳合金相图2）奥氏体碳在r-Fe中形成的固溶体称为奥氏体，常用符号A 表示。奥氏体仍保持面心立方晶格，其溶碳能力比铁素体高，在1148时溶碳量可达2.11
18、%，随着温度的下降溶解度逐渐减小，在727时溶碳量为0.77%。奥氏体的强度和硬度不高，塑性良好，没有磁性。3）渗碳体铁与碳所形成的金属化合物称为渗碳体。含碳量为6.69%，常用符号Fe3C 或Cm 表示，晶格复杂，硬度很高，塑性很差，在钢中，渗碳体以不同形态和大小的晶体出现于组织中，对钢的力学性能影响很大。在一定的条件下，渗碳体可分解成石墨状态的自由碳，这一过程对于铸铁具有重要意义。4）珠光体珠光体是铁素体和渗碳体的混合物，用符号P 来表示，其平均含碳量为0.77%。由于珠光体是硬而脆的渗碳体和软而韧的铁素体层片相间、交替排列而成的混合物，因此其性能介于铁素体和渗碳体之间，故珠光体的强度较高
19、，硬度适中，具有一定的塑性。2022-8-14 二、晶体结构与铁碳合金相图2铁碳合金相图铁碳合金状态图是表示在极缓慢冷却（或加热）情况下，不同成分的铁碳合金在不同温度所具有的组织或状态的图形。目前应用的铁碳合金状态图是含碳量为06.69%的合金部分，因为大于6.69%的铁碳合金在工业上无使用价值。现在的铁碳合金状态图因为只研究Fe-Fe3C 部份，实际上是Fe-Fe3C 状态图。图2-14为简化后的Fe-Fe3C 状态图。2022-8-14 二、晶体结构与铁碳合金相图图2-12 简化后的Fe-Fe3C 状态图2022-8-14 二、晶体结构与铁碳合金相图2022-8-14 二、晶体结构与铁碳合
20、金相图3.铁碳合金的分类铁碳合金是由铁和碳组成的合金，根据含碳量不同，铁碳合金可分为工业纯铁、钢和白口铸铁。1）c0.0218%的铁碳合金称为工业纯铁。（c 表示含碳量）2）c=（0.02182.11）%的铁碳合金称为钢，根据其含碳量的不同，可分为：亚共析钢0.0218%c0.77%；共析钢 c=0.77%；过共析钢0.77%c2.11%；3）含碳量大于2.11%的铁碳合金叫白口铸铁，根据含碳量的不同，可分为：亚共晶白口铸铁 2.11%c4.3%；共晶白口铸铁 c=4.3%；过共晶白口铸铁 4.3%c6.69%；4.含碳量对钢性能的影响含碳量越高，钢的强度和硬度越高，而塑性和韧性越低。当含碳量
21、超过0.9%时，随含碳量增加，强度也随之降低。2022-8-14 三、钢的热处理案例引入：如图2-13所示，某发动机曲轴采用含碳量0.45%的亚共析钢作为毛坯材料，在加工过程中，还要经过热处理工艺，热处理工艺是何含义，对材料的性能有何影响？能否去掉这些工艺？图2-13 发动机曲轴2022-8-14 三、钢的热处理热处理是将金属或合金在固态下进行加热、保温和冷却以获得所需要的组织结构和性能的工艺。热处理应用的主要对象是钢。钢的热处理方法有退火、正火、淬火、回火及各种表面热处理等。各种热处理的工艺过程都是由加热、保温和冷却三个阶段组成，其中加热温度对热处理影响最大，通常可用“温度时间”为坐标的曲线
22、图来表示，称为热处理工艺曲线，如图2-16所示。图2-14 热处理工艺曲线图2022-8-14 三、钢的热处理1钢的奥氏体化1 1钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变图2-15 共析钢中奥氏体形成过程示意图2022-8-14 三、钢的热处理2奥氏体晶粒的长大 刚转变的奥氏体晶粒往往是细小的，如果继续升温或进行长时间的保温，就会引起奥氏体晶粒的长大。一般来说，加热温度的影响远比保温时间的影响大。加热温度越高，奥氏体晶粒就越易长大，在高温下的停留时间越长，奥氏体晶粒也越易长大。冷却后,钢的晶粒完全由奥氏体晶粒大小所决定，只有细小的奥氏体晶粒，才会得到细小的钢的室温组织。因此，在加热时，如何获得
23、细而均匀的奥氏体晶粒，常常成为热处理产品质量的关键之一。2022-8-14 三、钢的热处理1.等温冷却转变 共析钢的等温冷却转变主要有三种：1）珠光体转变：共析钢奥氏体（A）过冷到727550之间进行等温转变得到的最产物，其显微组织属于珠光体类型，都是铁素体和渗碳体的层片壮组织构成的机械混合物。727650之间等温转变产物是正常珠光体（P），硬度为150220HBS；650600之间等温转变产物是细珠光体，又称索氏体（S），硬度为220270HBS之间；600550之间等温转变产物是极细珠光体，又称托氏体(T)，硬度为270430HBS。2）贝氏体转变：在550230温度范围等温转变，得到的最
24、终产物为贝氏体（B）。550350之间等温转变产物为上贝氏体，350230之间等温转变产物为下贝氏体。上贝氏体和下贝氏体比较，下贝氏体有较高的硬度和强度，同时塑性、韧性也好。2 2钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变2022-8-14 三、钢的热处理2.连续冷却转变马氏体转变：当钢从高温急冷到230时，便开始转变为马氏体（M），马氏体组织是碳在-Fe 中的过饱和固溶体，用M 表示。马氏体具有较高的强度和硬度，含碳量较低的马氏体（wc0.2%）具有良好的塑性和韧性，是一种强韧性很好的组织。含碳量高的马氏体的塑性、韧性差。马氏体转变是强化钢铁材料的有效手段。但马氏体形成时要伴随体积膨胀，因而产
25、生内应力，组织也不稳定。2022-8-14 三、钢的热处理1.退火退火是将金属或合金加热到适当温度保持一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。（1）退火的目的1）调整硬度，便于切削加工。2）消除或改善工件在铸、锻、焊等加工过程中所造成的成分不均匀或组织缺陷，以提高工件的工艺性能和使用性能。3）消除内应力或加工硬化，以防工件变形开裂。（2）退火的方法退火的方法一般有：完全退火、球化退火、均匀化退火和去应力退火。3 3典型热处理工艺方法典型热处理工艺方法2022-8-14 三、钢的热处理2.正火正火是将钢材或钢件加热到Ac3（或Accm）以上30500oC，保温适当的时间后在静止的空气中冷却的热处理工
26、艺。正火由于冷却速度比退火快，所以得到的组织是非平衡组织。正火主要有以下几方面的作用：1）对于普通结构钢中的低碳钢、低碳合金钢工件，正火的目的是消除铸造和焊接过程引起的过热缺陷，细化晶粒、提高硬度、改善切削加工性。2）对力学性能要求不高或尺寸较大的结构件，常用正火作为最终热处理，以提高其强度、硬度。3）对中碳结构钢工件，正火可消除成形工艺过程中产生的缺陷，保证合适的切削加工硬度，为后续热处理作好组织准备。4）消除过共析钢网状二次渗碳体，为球化退火作组织准备。2022-8-14 三、钢的热处理3.淬火淬火是将钢加热到Ac1或Ac3 线以上30500oC温度，保温一定时间，然后进行快速冷却的一种热
27、处理工艺。其目的是获得马氏体组织，使钢具有高硬度和高耐磨性。淬火是强化钢材的重要方法。常用的冷却介质有水、盐水、碱水、矿物油等。碳钢淬火时，一般用水淬，合金钢淬火时，一般用油淬。常用的淬火方法有单介质淬火、双介质淬火、马氏体分级淬火、贝氏体等温淬火等。钢在淬火时，奥氏体转变为马氏体的难易程度叫淬透性。钢的淬硬性指钢在理想条件下进行淬火硬化所能达到的最高硬度的能力。钢的淬硬性主要取决于钢的含碳量，低碳钢淬硬性差，高碳钢淬硬性好。2022-8-14 三、钢的热处理4.回火钢件淬火后，再加热到某一温度，经保温后，冷却到室温的热处理工艺称为回火。回火的主要目的是：获得所需要的力学性能；稳定工件尺寸；减
28、少或消除内应力，以防开裂。常用的回火方法有：（1）低温回火 是将淬火钢加热到150250回火，低温回火的目的是消除淬火应力，略提高韧性，保持硬度和高耐磨性。主要用于工具及发动机燃油系统中的精密偶件的热处理。（2）中温回火 是将淬火钢加热到350500回火，中温回火的目的是为了提零件的弹性及韧性。多用于各种弹簧的热处理。（3）高温回火 是将淬火钢在500600回火，通常将淬火后再进行高温回火的工艺称为调质处理。高温回火的目的主要是为了使零件具有高韧性、中等硬度、高强度和高疲劳强度，即具有良好的综合力学性能。2022-8-14 三、钢的热处理5.表面热处理发动机的曲轴、活塞销、连杆及齿轮等，工作中
29、常承受弯曲、扭转、冲击和交变载荷。这就要求零件表面具有高硬度、高耐磨性，而心部则需要有足够的塑性和韧性。为此常采用表面热处理，表面热处理包括表面淬火和表面化学热处理。表面淬火是仅对工件表层进行淬火的工艺，主要适用中碳钢和中碳合金钢，表面淬火后，一般应低温回火。表面化学处理是将零件置于一定加热介质中加热，并达到一定温度，使介质中某种活性原子渗入零件表面的一种热处理工艺。其目的是通过改变零件表面化学成分和组织，来改善表面的力学性能和理化性能。表面化学热处理常用工艺方法有：（1）渗碳（2）氮化（3）碳氮共渗2022-8-14四、汽车常用金属材料案例引入：金属材料是目前汽车上应用最广泛的工程材料。工业
30、上，通常把金属材料分为两大类：黑色金属和有色金属。黑色金属是指钢铁材料，钢铁材料在我国汽车工业中仍占主流地位。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2/3。试指出以下汽车结构件常采用何种黑色金属材料？为什么？轿车车身、中型货车车架、发动机缸体、半轴、变速器齿轮、减振器弹簧 2022-8-14四、汽车常用金属材料钢铁材料最大的特点是价格低廉，比强度（强度/密度）高，便于加工，因而得到广泛的应用。汽车用钢铁材料有钢板、结构钢、特殊用途钢、钢管、铸铁等，主要用于制造车架、车身、车轴、发动机缸体、曲轴、罩板、外壳等零件。1 1黑色金属材料黑色金属材料 2022-8-14四、汽车常
31、用金属材料1.碳素钢碳素钢又称碳钢，是含碳量小于2.11%（实际在1.35%以下）的铁碳合金，并含有冶炼中难以除净的少量杂质，如硅、锰、硫、磷等。1）碳素钢的分类、牌号和用途（1）按钢中的含碳量分低碳钢 含碳量c0.6%（2）按钢的质量分 普通碳素钢S0.05%，P0.045%，主要用于各类工程上。优质碳素钢S0.035%，P0.035%，主要用来制造各种机器零件，通常是热处理后使用。高级碳素钢S0.025%，P0.025%，主要用来制造工具和要求特别高的零件。（3）按钢的用途分碳素结构钢 主要用来制造各种工程构件（如机架、桥梁等）。一般为中、低碳钢。碳素工具钢 主要用来制造各种刃具，模具和量
32、具等。一般为高碳钢。2022-8-14四、汽车常用金属材料常用的碳素钢（1）碳素结构钢碳素结构钢的牌号由代表屈服点“屈”字的拼音字首Q、屈服点数植、质量等级符号（分A、B、C、D，A 级质量最差，D 级质量最好）和脱氧方法符号（F、B、Z、TZ）四个部分按顺序组成。例如Q 235-A表示S235MPa，质量等级为A级的碳素结构。Q 195、Q 215钢有一定强度、塑性好，主要用于制作薄板(镀锌簿钢板)、钢筋、冲压件、地脚螺栓和烟筒等；Q 235强度较高，用于制作钢筋、钢板、农业机械用型钢和重要的机械零件，如拉杆、连杆、转轴等；Q 235-C、Q235-D钢质量较好，可制作重要的焊接结构件；Q
33、255钢、Q 275钢强度高、质量好，用于制作建筑、桥梁等工程质量要求较高的焊接结构件，以及摩擦离合器、主轴、刹车钢带、吊钩等。2022-8-14四、汽车常用金属材料（2）优质碳素结构钢优质碳素结构钢的牌号用平均含碳量的万分之几（两位数字）表示。如钢号45，表示平均含碳量为0.45%的优质碳素结构钢。优质碳素结构钢具有较好的塑性、韧性，可通过热处理来提高力学性能，主要用来制造各种机器零件。08F 塑性好，可制造冲压零件；10、20冷冲压性与焊接性能良好，可作冲压件及焊接件，经过适当热处理（如渗碳）后也可制轴销等零件；30、40、45、50经热处理后，可获得良好的综合机械性能，用来制造齿轮、轴类
34、、套筒等零件；60、65主要用来制造弹簧。优质碳素结构钢使用前一般都要进行热处理。2022-8-14四、汽车常用金属材料（3）碳素工具钢碳素工具钢是用于制造刃具、模具和量具的钢。由于大多数工具都要求高硬度和高耐磨性，故工具钢含碳量都在0.7%以上，都是优质钢和高级优质钢。碳素工具钢的牌号用“T”加数字表示。“T”为“碳”字的汉语拼音字首，数字表示平均含碳量的千分数，牌号末尾的字母A 表示高级优质。例如T9表示平均含碳量为0.9%的碳素工具钢。碳素工具钢的热硬性差，一般刃部温度达到250以上时，硬度和耐磨性即迅速降低。各种牌号的碳素工具钢经淬火后的硬度相差不大，但随含碳量的增加，钢的硬度、耐磨性
35、增加，而韧性降低。因此，不同牌号的工具钢用于制造不同情况下使用的工具。2022-8-14四、汽车常用金属材料2.合金钢为改善碳钢的组织和性能，在碳钢基础上有目的地加入一种或几种合金元素所形成的铁基合金，称为低合金钢或合金钢。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等。由于合金元素的加入，合金钢的性能较碳钢好，提高了淬透性和综合力学性能。但应注意，使用合金钢时要进行热处理，以便充分发挥合金元素的作用。另外合金钢优点虽多，但也存在一些缺点，如合金钢的冲压、切削性能一般比较差；成本较高，价格较贵。因此在使用金属材料时，在满足零件性能要求的前提下应尽量使用碳钢。
36、合金钢按合金元素的质量分数可分为低合金钢（Mc5%）、中合金钢（5%Mc10%）、高合金钢（Mc10%）按用途可分为合金结构钢、合金工具钢和特殊性能钢等。2022-8-14四、汽车常用金属材料1）低合金结构钢 低合金结构钢是在低碳钢的基础上加入少量合金元素（合金元素总量小于3）而得到的钢。例如Q345表示屈服强度不低于345MPa的低合金结构钢。Q345是我国产量最大、使用最多的低合金结构钠，它的综合力学性能、焊接性能、加工件能良好。例如，国产载重汽车的大梁几乎都采用Q345钢。2）合金结构钢 合金结构钢的牌号采用两位数字（含碳量）十元素符号十数字来表示。前面两位数字表示钢中平均含碳量的万分之
37、几，元素符号表明钢中含有的主要合金元素，其后的数字则标明该元素的含量。凡合金元素含量小于1.5%时不标数，如果平均含量为（1.5%2.5%）、（2.5%3.5%）时，则相应地标2、3.例如，60Si2Mn为合金结构钢，平均含碳量为0.6%，含Mn量小于1.5%，含Si为（1.5%2.5%）。2022-8-14四、汽车常用金属材料（1）合金渗碳钢 适用于渗碳淬火低温回火的热处理方式的合金结构钢为合金渗碳钢。含碳量约（0.1%0.25%）；主要合金元素有Cr、Ni、B，另外还有少量辅助合金元素V、W、Ti等。经热处理后，表面具有高强度、高耐磨性和高的耐疲劳性能，而心部具有适当的强度和良好的韧性。合
38、金渗碳钢适用于工作在有强烈冲击、接触疲劳、严重摩擦磨损的条件下，表面要求具有坚硬的耐磨性而心部具有柔韧的抗冲击性的零件。20CrMnTi是应用最广泛的合金渗碳钢，用于制造汽车的变速齿轮、轴、发动机凸轮、活塞销等零件。2022-8-14四、汽车常用金属材料（2）合金调质钢 合金调质钢是在中碳钢的基础上加入一些合金元素，经调质处理后使用的钢。含碳量为0.3%0.6%的中碳钢，主要合金元素有Cr、Ni、Mn、Si等。具有高韧性、高塑性及相当高的强度，用于制造在重载荷下、受力复杂、要求综合力学性能的重要零件。40Cr、40MnB是常用的合金调质钢，与碳素调质钢40、45相比具有较高的淬透性和综合机械性
39、能，常用于制造较重要的调质件和表面淬火件，如汽车连杆、连杆螺栓、摇臂轴、进气阀、凸轮及汽车半轴等；又如40CrNi、37CrNi3钢具有很高的淬透性和高的强度、韧性、塑性，适用于大截面、承受大载荷的重要结构件，常用于制造曲轴、汽轮机转子轴等。2022-8-14四、汽车常用金属材料（3）合金弹簧钢 适用于做弹簧的合金结构钢称为合金弹簧钢。常用合金弹簧钢中，65Mn、55Si2Mn、60Si2Mn用于制造截面大于25mm的各种螺旋弹簧和钢板弹簧；55CrMnA、60CrMnA用于制造截面小于50 mm的各种螺旋弹簧和钢板弹簧。图2-16 合金结构钢的应用举例2022-8-14四、汽车常用金属材料3
40、）合金工具钢合金工具钢是在碳素素工具钢的基础上加入合金元素（Si、Mn、Cr、V、Mo等）制成的。合金元素的加入改善了热处理件能，因而提高了材料的热硬性、耐磨性。合金工具钢常用来制造各种量具、模具和切削刀具，也可对应地分为量具钢、模具钢和刃具钢，其化学成分、性能和组织结构也不同。合金工具钢的牌号和合金结构钢的区别仅在于含碳量的表示方法，它用一位数字表示平均含碳量的千分数，当含碳量1%时，则不予标出。例如5CrMnMO为合金工具钢，平均含碳量为0.5%（5/1000），含铬、锰、钼均小于1.5%。Cr12MOV为合金工具钢，平均含碳量大于1.0%，含量铬为（11.5%12.5%），含钼、钒均小于
41、1.5%。刃具钢又分低合金刃具钢和高速钢。低合金刃具钢主要是含铬的钢，而高速钢是一种含钨、铬、钒等合金元素较多的钢。高速钢有很高的热硬性，当切削温度高达600左右时，其硬度仍无明显下降。此外，它还具有足够的强度、韧性和耐磨性，所以它是重要的切削刀具材料。常用的高速钢有W18Cr4V、9W18Cr4V。2022-8-14四、汽车常用金属材料4）滚动轴承钢滚动轴承钢是用来制造各种滚动轴承的专用钢，是一种含碳量为0.95%1.10%，含铬量为（0.40%1.65%）的高碳低铬钢。尺寸较大的轴承还可以采用加锰、硅的高淬透性轴承钢。滚动轴承钢一般具有足够高的抗压强度、很高的疲劳强度、高的硬度和耐磨性、一
42、定的韧性、耐蚀性及尺寸稳定性。滚动轴承钢的常用热处理为球化退火十淬火十低温回火。球化退火的目的是获得粒状珠光体组织，使钢的硬度降低，以便切削加工并为淬火作组织准备。淬火十低温回火，是为了提高滚动轴承钢的硬度、强度、疲劳强度。滚动轴承钢主要用于制造高速运转机械中的滚动轴承零件，如滚珠、滚柱、套圈等，而且还用来制造精密量具和发动机的精密偶件。常用滚动轴承钢的牌号有GCr15、GCr9等。2022-8-14四、汽车常用金属材料5）特殊性能钢 特殊性能钢的牌号与合金工具钢的表示方法相同，如2Cr13为不锈钢，平均含碳量为0.20%，含铬量约为（12.5%13.5%）。另外当含碳量c0.03%和c0.0
43、8%时，在钢号前面分别标00和0，例如00 Cr18Ni10和0 Cr18Ni9等。特殊性能钢是指具有某些持殊的物理、化学、力学性能，因而能在特殊的环境、工作条件下使用的钢。常用的特殊性能钢有不锈钢、耐热钢、耐磨钢。在腐蚀介质中具有耐腐蚀性能的钢称为不锈钢。常用的不锈钢有1Crl3、2Crl3、3Cr13、1Cr17、1Cr18Ni9Ti和0Cr19Ni9Ti等，适用于制造化工设备、医疗和食品器械等。2022-8-14四、汽车常用金属材料 耐热钢是指在高温下不发生氧化并且有较高强度的钢。为提高耐蚀性和高温强度，常加入较多的Cr、Si、A1、Ni等合金元素。耐热钢用于制造在高温条件下工作的零件，
44、如内燃机气阀、汽轮机叶片等。在汽车上常用的耐热钢是4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo等，用于制造发动机排气门等。耐磨钢常用的一种是高锰钢，如ZGMnl3，成分特点是高碳、高锰，碳的含量(0.9 1.3)、锰的含量（12.5 13.5），该钢切削加工困难，大多铸造成形。适用于制造在强烈冲击下工作条件要求耐磨的零件，如铁路道岔、坦克履带、挖掘机铲齿等。这类零件要求必须具有表面硬度高、耐磨，心部韧性好、强度高的特点。2022-8-14四、汽车常用金属材料3.铸钢 铸钢可以通过铸造工艺制作形状复杂、难以进行锻造或切削加工成形，且要求较高强度和韧性的零件，如机油管法兰、操纵杆接头等。铸钢中碳的质量分数
45、为（0.150.6），碳的质量分数过高则塑性差，易产生裂纹等缺陷。铸钢牌号首位冠以“ZG”（“铸钢”二字汉语拼音字母），在“ZG”后面有两组数字，第一组数字表示该牌号钢屈服强度最低值，第二组数字表示其抗拉强度的最低值。如ZG340640，表示屈服强度不低于340 MPa，抗拉强度不低于640 MPa的工程用铸钢。2022-8-14四、汽车常用金属材料4.铸铁1）铸铁的分类铸铁是含碳量大于2.11%，并且含有硅、锰、硫、磷等杂质元素的铁碳合金。在铸铁中，碳可以以渗碳体形式存在，也可以以石墨（用符号G表示）的形式存在。根据碳的存在形式和铸铁中石墨的形态不同，铸铁可以分为下列几种：（1）白口铸铁 （
46、2）麻口铸铁 （3）灰铸铁 碳主要以片状石墨形式存在。其断口呈灰色，固称灰铸铁。它是应用最广泛的一类铸铁。（4）可锻铸铁 铸铁中的碳主要以团絮状石墨形式存在，从而使可锻铸铁具有较高的韧性和塑性。（5）球墨铸铁 铸铁中的碳主要以球状石墨形式存在，因而球墨铸铁具有更高的机械性能，并且可采用热处理强化，使其机械性能进一步提高。2022-8-14四、汽车常用金属材料2）常用铸铁的牌号、性能及用途（1）灰铸铁灰铸铁的组织由金属基体和片状石墨组成，可以认为，铸铁是在钢的基体上分布着一些片状石墨。灰铸铁常用于受力不大、冲击载荷小、需要减振或耐磨的各种零件如机床床身、机座、箱体、阀体等。灰铸铁是生产中使用最多
47、的铸铁。灰铸铁的牌号由“灰铁”两字的汉语拼音字母字头“HT”及后面一组数字组成，数字表示其最低的抗拉强度。如HT250，表示是最小抗拉强度为250 MPa的灰铸铁。HT200适用于承受大载荷的重要零件，如汽车的气缸体、气缸盖、刹车轮等，HT300、HT350适用于承受高载荷、要求耐磨和高气密性的重要零件，如大型发动机的气缸体、气缸盖、气缸套、油缸、泵体、阀体等。2022-8-14四、汽车常用金属材料（2）可锻铸铁 可锻铸铁是塑性和韧性远比灰铸铁高的铸铁，又称玛钢或马铁，其实并非可以锻造。我国常用的可锻铸铁有黑心可锻铸铁和珠光体可锻铸铁。1）黑心可锻铸铁有“可、铁、黑”三字的汉语拼音字头“KTH
48、”表示；如KTH30006，表示最低抗拉强度为300MPa，最小伸长率为6的黑心可锻铸铁。黑心可锻铸铁具有的一定的强度及较高的塑性和韧性，可以制造承受冲击和振动的零件，如电机机壳、汽车后桥壳、差速器壳、减速器壳等。2）珠光体可锻铸铁用“可、铁、珠”三字的汉语拼音字头“KTZ”表示，后面两组数字分别代表最抵抗拉强度和伸长率数值；KTZ45006表示最低抗拉强度为450MPa，最小伸长率为6的珠光体可锻铸铁。珠光体可锻铸铁具有较高的强度和硬度，良好的耐磨性，但塑性、韧性不如前者，一般用来制造承受高载荷、耐磨损和一定冲击的零件。如制造小型曲轴、连杆、轮轴、齿轮、摇臂等。2022-8-14四、汽车常用
49、金属材料3）球墨铸铁 铁水经球化处理而使石墨大部或全部呈球状的铸铁，称球墨铸铁。球墨铸铁的牌号是由“球铁”两字的汉语拼音字头及两组数字组成，第一组数字表示最低的抗拉强度值，第二组数字表示最低的伸长率值。如QT400-15，表示最低抗拉强度为400MPa，最小伸长率为15的球墨铸铁。球墨铸铁的组织由基体和球状石墨组成，其基体可分为铁素体基体、珠光体基体、及铁素体十珠光体基体三种。由于球墨铸铁中的石墨呈球状，其割裂基体的作用减小，可以充分发挥基体的性能，所以，它的强度和塑性已超过灰铸铁和可锻铸铁，甚至还超过某些低碳钢，接近铸钢。但球墨铸铁仍具有和灰铸铁相同的铸造性、减振性、耐磨性及切削加工性等优点
50、。2022-8-14四、汽车常用金属材料 引入：有色金属因具有质轻、导电性好等钢铁材料所不及的特性，在现代汽车上的用量呈逐年增加的趋势。例如，铝合金材料具有密度低、强度高和耐腐蚀性好的特性，在轿车的轻量化中占举足轻重的地位。据统计，近十年来，轿车上的铝及铝合金用量已从占汽车总量的5%左右上升至10%左右。此外，采用新型镁合金制造的凸轮轴盖、制动器等零件，可以减轻质量和降低噪音。在轿车制造行业，采用铝、镁、钛等轻金属替代钢铁材料减轻自重，是轿车轻量化的一个重要手段。2 2有色金属材料有色金属材料2022-8-14四、汽车常用金属材料1.铜及铜合金1）纯铜纯铜呈紫红色，故又称紫铜。密度8.9g/c
