汽车工程材料

用于生产汽车的材料种类很多：有钢铁、有色金属、塑料、橡胶、玻璃、陶瓷等，据统计，近几年生产的一辆普通轿车，其主要材料的重量构成比大致为：钢铁65%~70%、有色金属10%~15%、非金属材料20%左右。

其中钢铁类材料所占的比重比较过去虽有所下降，但仍是汽车材料的主体，有色金属中的铝及铝合金，非金属材料中的塑料所占的比重，有了较大幅度的提高，各种新型材料，如轻金属材料、复合材料、高技术合成材料等越来越多的用于现代汽车结构。

一、金属材料。

一）金属材料的性能。

1．金属材料的理化性能。

1）密度：单位体积的质量。

2）导热性：传导热量的能力。

3）导电性：传导电流的能力。

4）热膨胀性：受热时体积增大的能力。

5）熔点：由固态变化液态时的温度。

6）抗腐蚀性：抵御同周围介质发生化学反应而遭破坏的能力。

7）抗氧化性：抵抗周围氧气氧化的能力。

2．金属材料的机械性能。

金属材料的机械性能是指金属材料在各种载荷（外力）作用下表现出来的抵抗能力。

1）强度：金属材料在载荷作用下抵抗塑性变形和断裂的能力称为强度。按载荷作用方式不同，强度可分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪切强度等。通常多以抗拉强度作为基本的强度指标。

抗拉强度：材料被拉断前所能承受的最大应力值。用符号σb表示。抗拉强度值是用试验得到的。

强度是设计和选材的主要机械性能指标。机械零件在工作中一般不允许出现永久变形（塑性变形)，所以材料在开始出现屈服现象时的最小应力值，即屈服点，是设计零件时的主要依据。工程上所称的刚度则是指材料的弹性模量，是衡量金属材料抵抗弹性变形的难易程度，刚度越大，则抵抗弹性变形能力越强。

2）塑性：金属材料产生塑性变形而不被破坏的最大能力。常用塑性值的指标是伸长率和断面收缩率。

伸长率：试样被拉断时标距长度的伸长量与原始标距长度的百分比。用符号δ表示。

断面收缩率：试样被拉断时，缩径处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比，用符号ψ表示。伸长率和断面收缩率都是通过试验得到的。

金属材料的塑性，对零件的加工和使用都具有十分重要的意义，塑性好的材料不但容易进行切削、锻压、冲击等，而且所制成的零件在使用时，万一超载，也能由于塑性变形而避免突然断裂。因此，大多数机械零件除满足强度要求之外，还必须具有一定的塑性。

3）硬度：金属材料在抵抗比它更硬物体压人其表面的能力，即抵抗局部变形的能力。硬度值是通过试验得到的，因试验的方法不同，可分为布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等。

布氏硬度：用一定直径的淬火钢球或硬质合金球做压头，以相应试验力压入被测金属表面，经规定的保持时间后，卸除试验力，随即在金属表面出现一个压坑（压痕），以压痕单位面积上所承受试验力大小，确定被测金属材料的硬度值。在实际应用中，布氏硬度值是不标注单位的。

布氏硬度用符号hb表示。用淬火钢球作压头测得的布氏硬度值以符号hbs表示；用硬质合金球作压头测得的布氏硬度值以符号hbw表示。

洛氏硬度：与布氏硬度试验一样，也是一种压人硬度试验，但它不是测量压痕面积，而是测量压痕深度，以深度大小表示材料的硬度值。

洛氏硬度用符号hr表示。由于采用不同压头和载荷形成几种不同的试验方法，洛氏硬度标准又有hra、hrb、hrc之分：

hra 表示用120o 金刚石圆锥体做压头，总载荷为60kgf；

hrb 表示用φ1.588mm钢球做压头，总载荷为100 kgf；

hrc 表示用120o 金刚石圆锥体做压头，总载荷为150kgf。

维氏硬度：与布氏硬度试验一样，也是根据压痕单位面积上所承受的试验力大小来测量硬度值。不同的是，维氏硬度试验是用两相对夹角为136o 的正四棱金刚石作压头。用符号hv表示。

硬度是金属材料的重要力学性能之一。机械制造中所用的模具、刃具、量具等，汽车零部件中的气缸套、气门、气门座都应有足够的硬度或表面硬度，才能保证使用性能和寿命。

4）冲击韧性：金属材料在冲击载荷作用下，抵抗破坏的能力称为冲击韧性。为了确定金属材料的冲击韧性值，需要进行冲击试验。

可以根据需要选择一次冲击试验和多次冲击试验两种方法。材料的冲击韧性取决于材料的强度和塑性等综合性指标以及内部组织缺陷。

5）疲劳强度：金属材料在循环载荷作用下产生疲劳裂纹，并导致断裂称为疲劳断裂，而不产生断裂的最大应力称为疲劳强度。

疲劳强度值通过疲劳试验测定。当金属材料的应力循环次数达到107次时，零件仍不断裂，此时的最大应力可作为疲劳强度。工程上规定，某些高强度钢，应力循环次数达到108次时的最大应力作为它们的疲劳强度。

3. 金属材料的工艺性能。

1）铸造性能：铸造性能是指液态金属的流动性、冷却凝固过程中收缩偏析的大小（金属凝固后其化学成分和组织的不均匀性），以及对气体的排除和吸收等性能。

2）压力加工性能：压力加工性能是指金属在冷、热状态下，进行压力加工时，产生变形而不发生破坏的能力，塑性越大，变形抗力越小，压力加工性能越好。

3）焊接性能：焊接性能是指两块金属材料在局部加热到熔融状态下，能够牢固地焊合在一起的性能。焊接性好，易于用一般方法和工艺施焊，焊时不易形成裂纹、气孔、夹渣等缺陷，焊处强度能与原材料相近。

4）切削加工性能：切削加工性能是指金属材料被切削加工的难易程度。

5）热处理性能：热处理性能是指金属材料适应各种热处理工艺的能力。

二）黑色金属材料。

钢、铁一类的金属被称为黑色金属，黑色金属之外的其他金属材料如铜、铝等称为有色金属。钢铁材料的基本成分是铁和碳，所以又称为铁碳合金。含碳量小于2.

11%的铁碳合金是钢，含碳量大于2.11%的铁碳合金是铁。

1．钢。对钢的力学性能和物理性能影响最大的是碳的质量分数，随着含碳量的增加，钢的强度、硬度直线上升；而韧性和塑性不断下降。除此之外，在冶炼过程中加入，或原料中带入的其他元素也对钢的性能有产生重要的影响，如锰和硅元素可以提高钢的强度和硬度，硫和磷元素会使钢材变脆。

1）碳素钢：除含碳量小于2.11%之外，还含有少量的锰、硅、硫、磷等杂质元素的钢，我们称之为碳素钢，简称碳钢。

由于碳素钢具有一定的力学性能、良好的工艺性能、**低廉，所以是汽车生产和其他工业产品中用量最大的金属材料。

碳素钢有多种分类方法，如按钢中碳的含量多少可分为低碳钢、中碳钢、高碳钢；按钢的质量可分为普通质量钢、优质钢、高级优质钢；常用的分类方法是按钢的用途分为碳素结构钢、碳素工具钢和铸钢。

碳素结构钢：主要用于制作各种机器零件和工程构件，以低碳钢和中碳钢为多。汽车上受力不大、要求一定的强度、硬度、韧性和良好的加工性能的零部件大量的使用碳素结构钢。

碳素工具钢：主要用于制作各种工、量、刃具和模具，多属于高碳钢。

铸钢：主要用于制作形状复杂，难于用用锻压等方法成形的铸钢件，如汽车上的桥壳等。

常用碳素钢的牌号及含义举例如下：

碳素结构钢。其中q235代表屈服强度值，a代表质量等级（a含硫磷最多、d含硫磷最少），f代表沸腾钢（冶炼时脱氧不完全）。45mn 优质碳素结构钢。

其中45代表钢的平均含碳量为0.45%，mn的含量为0.7%~1%，zg310-570 铸钢。

其中310代表屈服强度值，570代表抗拉强度。

2）合金钢：合金钢是指为了改善钢的某些性能，冶炼时在碳素钢的基础上有目的地加入一种或多种合金元素所形成的钢种。常用的合金元素有：

锰（mn）、硅（si）、铬（cr）、镍（ni）、钼（mo）、钨（w）、钒（v）、钛（ti）、硼（b）、铝（al）、稀土（re）等。

合金元素对钢的性能影响很大，如在碳素钢中加入铬，能提高钢的强度、硬度和耐蚀性，加入。

镍既可以提高钢的强度，又不降低其韧性，加入硅能提高钢的强度、硬度、疲劳强度和耐腐蚀性。几种合金元素同时配合使用，对钢的性能影响比单一合金元素更为显著。需要指出的是，合金钢只有经过热处理后，才能达到改善机械性能的目的。

合金钢的种类很多，按用途大致可分为以下几类：

低合金结构钢：在低碳钢的基础上加入少量合金元素而得到的钢，这类钢比相同含碳量的碳素钢的强度要高10%~30%，并具有较好的塑性、韧性和焊接性能。又因为它的冶炼较简单，生产成本与碳钢相近，因此，被广泛用于制作各种机器零件和工程构件，如汽车上的车架纵梁、横梁、发动机吊耳等。

用低合金结构钢取代碳素结构钢，可节约钢材，减轻重量，且使用可靠。常用的钢种有：12mnv、16mn等。

合金结构钢：指合金渗碳钢和合金调质钢。合金渗碳钢制造的零件，经热处理后，不仅有较高的表面硬度和耐磨性，而且能大幅度提高零件心部的强度和韧性，从而提高抵抗冲击载荷的能力。

汽车上承受高速、重载、强冲击和剧烈摩擦的零件如活塞销、齿轮、轴类件和重要的螺栓等都是用合金渗碳钢加工经热处理制作的。合金调质钢是指经过调质处理(淬火后再高温回火处理)后使用的钢，具有较高的强度和韧性。若调质后再进行淬火，则能进一步改善零件表面的耐磨性。

常用于制造承受重载荷、冲击载荷的零件，如机床主轴、汽车半轴、连杆、转向节等。

合金结构钢的牌号采用两位数字和化学元素符号及数字的方法表示。前面两位数字表示钢的平均含碳量(万分之几)，后面是化学元素符号名称，如铅、硼、铬、锰等，各元素符号后面的数字表示元素平均含量(百分之几)。例如12crni2，表示钢的平均含碳量为0.

12％、平均含铬量小于1.5％、平均含镍量为2％。

其他合金钢和特殊性能钢：为了满足工业生产对钢材在性能方面的不同的要求，在冶炼过程中加入不同的合金元素，就可以生产出多种合金钢品种，其中常用的钢种有：合金弹簧钢、轴承钢、合金工具钢、耐候钢（良好的抗大气腐蚀能力）、不锈钢、耐热钢等。

2．铸铁。铸铁与钢相比，其强度低，特别是韧性、塑性差，但铸造性能优良．耐磨，切削加工性能良好。随着技术进步，某些传统上用铸铁制造的汽车零件，己逐步由轻金属替代。

铸铁分为白口铸铁、灰口铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁和合金铸铁几种。

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