《汽车材料》教案.docx

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《汽车材料》教案

绪论

一、现代社会生产的三大支柱是：

材料、能源和信息。

（而材料的品种、数量和质量是衡量一个国家科学技术现代化程度的重要标志之一）

二、目前世界上的材料品种有40余万种，并以每年5%的速率递增。

一、汽车材料：

.金属材料，包括黑色金属（钢和铁），有色金属材料（铝、铜、铅等）及其合金；

.非金属材料，分为有机分子材料（塑料、橡胶），无机非金属材料（玻璃、陶瓷等）以及新型的复合材料。

.汽车运行材料，汽车运行过程中所消耗的燃料、润滑油，工作液和轮胎等。

第一章金属材料力学性能指标

教学目标

1.了解金属材料力学性能指标的概念

2.了解金属材料的拉伸试验、强度试验及冲击试验

重点和难点

金属材料的强度、塑性、硬度、冲击韧性及疲劳的基本概念

金属材料的性能一般分为两大类，见下表

使用性能

金属在使用过程中表想出来的特性

力学性能

强度、塑性、硬度、冲击韧性、抗疲劳性等

物理性能

密度、导电性、导热性、热膨胀性、磁性、熔点等

化学性能

抗氧化性、抗腐蚀性等

其他性能

耐磨性、吸振性等

工艺性能

金属在使用过程中表现出来的特性

铸造、压力加工、焊接、切削加工、热处理性能等

加工制造过程中，表想出来的是否容易被加工成形及加工的特性等

§1.1强度与塑性

强度---在外力作用下，金属材料抵抗永久变形和断裂的能力

塑性---在外力作用下,金属材料产生永久变形而不断裂的能力

1.1.1载荷

载荷；金属材料在使用过程中所受的外力称为载荷

载荷的类型见下表

载荷的分类

根据外力作用的类型可分为

拉伸载荷

抗拉强度

拉钩、绳、螺栓

压缩载荷

抗压强度

活塞、连杆

弯曲载荷

抗弯强度

曲轴、摇臂

剪切载荷

抗剪强度

销、轴

扭转载荷

扭转扭转

曲轴等旋转零件

根据作用力的方向、时间可分为

静载荷

缓慢`增加后保持大小和方向不变的载荷

冲击载荷

不仅和作用力有关，而且作用时的速度有关

交变载荷

力的大小、方向随时间作周期性变化

1.1.2拉伸试验与拉伸图（详见课本）

1.1.3强度

强度的大小用应力表示，金属材料在受到外力作用时必然在材料内部产生与外力相等的抵抗力，即内力。

单位截面上的内力称为应力。

用符号σ表示，单位：

Pa

σ=

通过拉伸试验得到的指标有；弹性极限、屈服强度、抗拉强度。

1.1.4塑性

塑性：

指材料受力时在断裂前产生永久变形的能力。

通过拉伸试验得到的指标有指标：

伸长率（δ）和断面收缩率（ψ）

1.1.4.1伸长率（δ）

δ=×100﹪

L0----试样原始标距长度，㎜。

L1-----试样拉断后的标距长度，

㎜δ100指L0=100mm的延伸率

1.1.4.2断面收缩率（ψ）

ψ=×100﹪

S0----试样原始横截面积

S1-----试样拉断后的横截面积，

伸长率、断面收缩率与塑性的关系：

δ、ψ值越大，塑性越好。

§1.2硬度

硬度：

指材料表面抵抗局部塑性变形、压痕或划痕的能力。

常用硬度试验法；布氏硬度HB、洛氏硬度HRC、维氏硬度HV

1.2.1布氏硬度HB主要用于测定铸铁、有色金属、及其合金，低合金结构钢以及非金属材料。

1.2.2洛氏硬度HRC主要用于测定铜、铝等有色金属及其合金、硬质合金、表面淬火、滲碳件以及退火、正火和淬火。

1.2.3维氏硬度HV主要用于测定金属镀层、薄片金属以及化学热处理后的硬度。

硬度与耐磨性的关系：

硬度越大，耐磨性也越好。

§1.3冲击韧性

冲击韧性：

材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。

指标：

冲击韧度αk=Ak/S

§1.4金属疲劳的概念

1.4.1交变应力：

许多零件，在工作过程中往往受到大小或大小及方向随时间呈周期性变化的应力作用，此应力称为交变应力。

1.4.2金属的疲劳：

金属材料在交变应力的长期作用下，虽然应力远小于材料的抗拉强度，甚至低于屈服点，也会发生突然断裂，这种现象叫金属疲劳。

总结：

强度与塑性、硬度、冲击韧性及金属疲劳概念

作业：

1、已知某材料的截面积为500mm2,工作时受到拉伸载荷为12000N，求该材料的抗拉强度。

2、硬度常用试验方法有哪些？

它与耐磨性有和联系。

3、强度与塑性、硬度、冲击韧性及金属疲劳是金属的什么性能？

第二章黑色金属

教学目标

1.了解铁碳合金基础知识，以及碳对铁碳合金性能的影响

2.了解金属和合金的内部结构及导致金属性能不同的根本原因

重点与难点

1.碳对铁碳合金组织和性能的影响

2.钢的热处理

§2.1铁碳合金的内部结构

2.1.1金属和合金的内部结构主要指的是：

晶体结构和显微组织

金属和合金的内部结构主要指的是：

晶体结构和显微组织

2.1.1.1金属和合金的晶体结构

一切金属在固态下都是晶体。

晶体是指其原子具有规则排列的物体。

晶体中原子（离子或分子）在空间的排列方式称为晶体结构

2.1.1.2金属晶格的基本类型：

晶格是指描述晶体排列规律的空间格架。

从晶格中取出一个最能代表原子排列特征的最基本的几何单元称为晶胞。

1）面心立方晶格：

属于这类金属：

γ-铁、铜、镍、金、银、铝

2）体心立方晶格：

属于这类金属有：

α铁、铬、钼、钒、钨等

3）密排六方晶格：

属于这类金属的：

镁、钛、锌、铍等

注意：

晶格是指描述晶体排列规律的空间格架，从晶格中取出最能代表原子排列特征的最基本的几何单元，成为晶胞

4）、实际金属的晶体结构：

实际金属都是多晶体。

在显微镜下观察都是有小晶体组成的，这些小晶体为晶粒。

2.1.2铁碳合金的组元与基本相：

1.铁碳合金的组元：

铁的熔点为1538。

C

同素异构转变：

金属在固态下随温度的变化由一种晶格转变为另一种晶格的现象

1）Fe组元（纯铁）

    δ-Fe--1394℃--γ-Fe--912℃---a-Fe（同素异构转变）

     强度低、硬度低、韧性、塑性好

2）在固态下，碳在铁碳合金中可以3种形式存在：

自由态石墨、碳溶解于铁的晶格中形成固态碳、碳与铁作用形成化合物。

2.铁碳合金的基本相：

1）α相铁素体（F）：

（C固溶到α-Fe中——α相）强度低、硬度低、塑性好、韧性好   （室温：

C%=0.0008%,727℃C%=0.0218%）

2）γ相奥氏体（A）：

（C固溶到γ-Fe中——γ相）强度低、硬度低，塑性、韧性比铁素体F高

3）渗碳体（Fe3C）：

铁和碳形成的具有稳定成分的化合物，渗碳体硬度高、塑性韧性极差

4）珠光体（P）：

由铁素体（F）和渗碳体（Fe3C）组成的复相化合物，

2.1.3碳合金状态图：

（相图）（简介）

三条水平线和三个重要点

液固相线,液相线ACD,固相线AECF

溶解度线 ES线碳在A中的固溶线，1148℃，2.11%

     727℃,0.77%,Fe3CII

     PQ线碳在F中的固溶线，

     727℃,0.0218%

     室温,0.0008%，Fe3CIII

GS线

包晶转变线HJB：

1495℃，C%=0.09-0.53%

LB+δH------AJ即L0.53+δ0.09-------A0.17

共晶转变线ECF,1148℃度，C%=2.11---6.69%

L4.3----A2.11+Fe3C（共晶渗碳体）——Le4.3高温莱氏体Le，Ld

共析转变线PSK，727℃，C%=0.0218---6.69%

As----FP+Fe3C（共析渗碳体）

A0.77----F0.0218+Fe3C——P（珠光体）

珠光体的强度较高，塑性、韧性和硬度介于Fe3C和F之间

Le----P+Fe3CII+Fe3C共晶------低温莱氏体Le’

五个基本区（请学生找）：

ABCD以上----液相区（L）AHNA---------δ固溶体（δ）

NJESGN-------奥氏体（A）GPQ以左------铁素体（F）铁素体

DFKL垂线----渗碳体“区“

七个两相区L+δ；L+A；L+F3C；δ+A；A+F；A+F3C；F+F3C

小结：

金属晶格的基本类型

铁碳合金相图

作业：

（1）金属晶格的基本类型有哪些？

奥氏体、铁素体、渗碳体特点是什么？

§2.2碳对铁碳合金组织和性能的影响

根据含碳量不同铁碳合金分为：

碳钢（含碳量为0.0218﹪---2.11﹪）

铸铁（含碳量大于2.11﹪）

2.2.1成分对组织的影响:

工业纯铁----C﹪≦0.0218-----F+Fe3C

亚共析钢----C﹪0.0218-0.77----F+P

共析钢------C﹪0.77-----P

过共析钢----C﹪0.77-2.11------P+Fe3C

亚共晶白口铁---C﹪2.11-4.3--------P+Fe3C+Ld

共晶白口铁---C﹪4.3-------Ld

过共晶白口铁------C﹪4.3-6.69-------Ld+Fe3C

2.2.2成分、组织对性能的影响

图见课本看图请同学分析：

HB线图C﹪↑硬度高的渗碳体含量增多硬度低的渗碳体减少

σb线图C﹪↑亚共析钢中珠光体（强度高）增多，铁素体（强度低）减少。

随含碳量的增加合金的强度增加。

但当含碳量超过共析成分后，由于强度底，脆性成分大Fe3C析出，合金的强度增加变慢，含碳量超过1﹪时，Fe3C的数量增多，钢的强度增大

α线图

ψ线图C﹪↑铁素体不断减少渗碳体增加合金的塑性、韧性减少

δ线图

随着含碳量的增加，硬度高的渗碳含量增多。

硬度低的铁素体含量减少从而使合金的硬度呈直线上升。

为使铁碳合金具有适当的塑性和韧性铁碳合金中碳的质量分数，通常在1.3%-1.4%之间。

§2.3碳钢

2.3.1碳钢的分类：

1）按化学成分分类：

低碳钢、中碳钢、高碳钢

2）按用途分类：

结构钢、工具钢、特殊性能钢

3）按质量分类：

普通钢、优质钢、高级优质钢

2.3.2碳钢中的杂质元素对性能的影响

锰、硅——有益；

硫、磷----有害杂质；

1.普通碳素结构钢：

牌号用Q+屈服强度值+等级+脱氧方法。

如：

Q235-A.F即表示屈服强度为235MPa的A级沸腾钢。

2.优质碳素结构钢

钢号用平均碳含量的万分数的数字表示。

如：

08F，20A，45，15Mn。

（F表沸腾钢）

（0.20%C，后有“A”表高级优质钢）（表含Mn量高）制作各种机器零件，一般进行热处理。

08F塑性好，冷冲压件

 10，20冷冲压件，焊接件，渗碳处理。

 35，4540，50?

齿轮、轴类

 60，65弹簧

3.碳素工具钢

0.65------1.35C%，用以制作刃具、量具、模具

钢号用平均碳含量的千分数的数字和T一起表示。

如：

T10A,T9,T12,

（1.0%C，A表示高级优质碳素工具钢）（0.9%C）（1.2%C,）

T7，T8，强度，韧性较高，可制作冲头、凿子、榔头

 T9，T10，T11，强度，韧性适中，可制作钻头、刨刀、丝锥、手锯及冷作模具。

 T12，T13，硬度很高，韧性低，可制作锉刀、刮刀、量规。

总结

含碳量对钢性能的影响

掌握钢、铁的分类及碳钢分类及牌号

作业：

1）钢和铸铁铁的划分

2）碳钢的分类

3）钢中杂质的影响

4）20钢属（）钢，其含碳量为（）；45钢属（）钢，其含碳量为（）；T8钢属（）钢，其含碳量为（）。

§2.4合金钢

合金钢：

钢中除了锰、硅、硫、磷