第一章常用汽車材料學習目的：

通過本章的學習具備所必需的汽車所使用的其他非金屬材料基本知識。學習要求：

掌握汽車所用工程塑料的性能與用途。掌握汽車所用其他材料如橡膠、玻璃、陶瓷、復合材料的性能與用途。第一節鋼鐵材料

1、高強度鋼板

高強度鋼板是在低碳鋼內加入適量的微量元素，經各種處理軋制而成，其抗拉強度普遍高于440MPa（N/mm2)，是普通低碳鋼的2～3倍，深拉延性能極好，可軋制成很薄的鋼板，是車身輕量化的重要材料。到2000年，其使用量已達到50%以上。

車身高強度材料的應用：

高強度材料抗拉強度特點運用340MPa抗拉強度極高，屈服強度低、延伸性高，能量吸收性能好。

汽車外板如發動機罩、車門、行李箱、側圍外板等440MPa590MPa車身骨架部件780MPa980MPa1470MPa2、結構用鋼結構用鋼大多用于發動機、變速器、底盤等強度要求高的部件上，它們不僅需要低成本、高強度、輕量化，而且還需要環保。發動機的連桿、曲軸等部件通過省略熱處理而降低制造成本，廣泛應用非調質鋼，并且還在向更高強度化發展。

在環保方面，歐洲比較流行使用低壓滲碳、氣體淬火技術。為了減少環境污染物，還開發了無鉛材料。3、不銹鋼由于不銹鋼的耐熱性和耐腐蝕性好，所以被用于發動機和排氣系統的部件上。鑄鐵廉價且形狀設計自由度大、切削性好，對于復雜形狀的部件，控制化學成份和組織，可以帶來優良的特性(高強度、高耐熱性、高耐磨損性)。常應用于發動機的缸體、曲軸、凸輪軸和排氣管等處。缸體的輕量化除了使用鋁鑄件，還使用蠕墨鑄鐵，控制熔化過程的石墨組織，使之付予一定的性能，同時應考慮輕量、高強度、高韌性。4、鑄鐵材料

由于粉末；臺金的設計形狀自由度較大，認為可以替換鋼材。可用于氣門座和氣門導桿。

制造工藝的動向是：提高致密度，改進成形方法，現已應用在發動機的鏈輪和噴射器轉子鐵芯上。還有一種方法是燒結擴散結合法，就是多數部件在燒結的同時進行焊接的方式。5、鐵基粉末冶金材料1.鋁合金

鋁合金的比重為2.7，是鐵的1/3，與其它材料相比，輕量化效果好，成本較低，耐腐蝕性和回收利用性也好，被廣泛地應用于發動機、傳動系統、車身和底盤部件。鋁合金分為鑄件、鍛件、板材和軋制件，汽車上所用的鋁合金主要是鑄件。尤其是壓鑄鋁合金，尺寸精度和生產率很高。鋁合金常應用在缸體、缸蓋、變速器殼和接頭上。第二節有色金屬材料鋁合金車身大大降低了車身重量

2.鎂合金

鎂合金的比重是7.8，比鋁合金輕2／3，強度和剛性也很好，作為輕量化材料一直倍受人們的關注。但是除壓鑄外，其它的各種成形適應性差，再加上耐腐蝕性差、基體金屬成本高、耐熱性差，應用上受到了局限。通過減少雜質可以大幅度提高耐腐蝕性，其實它并不比鋁合金壓鑄遜色。主要應用在缸蓋和各類密封墊上，延性好的AM類合金(AM50A，AM60B)主要應用在轉向器芯棒上。大多應用于沒有腐蝕性和環境溫度不高的小部件上。歐美的情況是，應用在儀表板骨架和有耐熱性要求的驅動部件的罩類上。近年來，日本國內鎂合金應用在座椅和儀表板骨架等大部件的情況已進入了實用化階段。在鎂合金中添加Ca和稀土元素，提高其耐熱性，目前已開始應用在機油盤殼和變速器殼上。如果耐熱鎂合金部件的成本進一步降低的話，應用范圍還會更加廣泛。

除鑄造成形工藝外，還有鍛造、擠壓、軋制和焊接的新工藝也處在研究開發之中，今后研究成果將層出不窮。第三節工程塑料塑料是一種以有機合成樹脂為主要組成的高分子材料，它通常可在加熱、加壓條件下被注塑或固化成形，故稱為塑料。汽車用工程塑料，主要用于制造某些機器零件或構件，具有強度、韌度和耐磨性較好，價廉、耐腐蝕、降噪聲、美觀、質輕等特點。

一、塑料的組成

1．合成樹脂

樹脂是決定塑料性能和使用范圍的主要組成物，在塑料中，起粘結其他組分的作用。塑料中的合成樹脂質量分數一般為30％~100％。因此，大多數塑料都是以樹脂名稱來命名的，例如，聚氯乙烯塑料的樹脂就是聚氯乙烯。

2．添加劑

（1）填充劑；（2）增塑劑；（3）穩定劑；（4）著色劑；（5）其他

二、塑料的性質

1．物理性能

2．化學性能———耐蝕性

3．力學性能

三、常用工程塑料

工程塑料主要指綜合性能（包括力學性能、耐熱性、耐寒性、耐蝕性和絕緣性能等）良好的各種塑料。它們是制造工程結構用零部件、工業容器和設備等的一類新型結構材料。常用的工程塑料分為熱塑性工程塑料和熱固性工程塑料兩類。

1．熱塑性工程塑料

2．熱固性塑料

四、塑料在汽車上的應用

汽車用塑料按照用途可分為內飾件用塑料、工程塑料和外裝件用料。

1．汽車內飾用塑料內飾用塑料品種主要有：聚氨酯（PU）、聚氯乙烯（PVC）、聚丙烯（PP）和ABS等。它們用于制作座墊、儀表板、扶手、頭枕、門內襯板、頂棚襯里、地毯、控制箱、轉向盤等內飾塑料制品。

2．汽車用工程塑料汽車上常用的工程塑料有聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚苯烯、ABS、聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、酚醛樹脂等。

3．汽車的外裝件及結構件汽車的外裝件及結構件包括傳動軸、車架、發動機罩等，要求具備高強度，因而多采用纖維增強塑料復合材料制造。第四節其他非金屬材料

非金屬材料包括橡膠、玻璃、陶瓷、合成纖維、膠粘劑、摩擦材料、涂裝材料等各種材料，它們在汽車上的應用呈逐年增長的趨勢。

一、橡膠

所謂橡膠，是指在使用溫度范圍內處于高彈性狀態的高分子材料。

1．橡膠的特性

橡膠最顯著的特點是具有高的彈性和回彈性。同時，橡膠還有一定的強度，優異的抗疲勞性，以及良好的耐磨、絕緣、隔聲、防水、緩沖、吸振等性能。

2．橡膠的基本組成

橡膠是以生膠為原料，加入適量的配合劑，經硫化工藝處理以后得到的一種生產原材料。

3．常用橡膠材料的品種、性能及一般用途

4．橡膠制品在汽車上的應用

二、玻璃玻璃是一種非晶態固體，它是以石英砂、純堿、長石、石灰石等為主要原料，并加入某薹金屬氧化物等輔料，在高溫窯中煅燒至熔融后，經成形、冷卻所獲得的非金屬材料。

1．玻璃的性能

玻璃的一般性能有以下幾方面：（1）密度（2）力學性能（3）耐熱性（4）化學穩定性（5）絕緣性（6）光學性質

2．常用玻璃的種類、特點及主要用途

3．常用汽車玻璃

三、摩擦材料汽車用摩擦材料，是汽車上的消耗性材料之一，主要起到傳遞動力、制動減速、停車制動等作用，是汽車制動系統與行車系統的重要組成部分。

1．汽車用摩擦材料的性能要求

對于汽車用摩擦材料，主要有以下幾方面的性能要求（1）摩擦因數（2）耐磨性（3）物理、力學特性（4）噪聲

2．汽車摩擦材料的組成

汽車摩擦材料主要由骨架材料、粘結劑和填充材料所組成。

四、陶瓷材料

陶瓷大致可分為傳統陶瓷及特種陶瓷兩大類。其生產過程比較復雜，但基本的工藝是原料的制備、坯料的成型和制品的燒成或燒結三大步驟。

1．陶瓷的組成相及其結構

和金屬一樣，陶瓷材料的力學性能和物理、化學性能也是由它的化學組成和結構狀況決定的。陶瓷的組織結構非常復雜，一般由晶體相、玻璃相和氣相組成。各種相的組成、結構、數量、幾何形狀及分布狀況等都會影響陶瓷的性能。

2．陶瓷的性能

（1）力學性能（2）熱學性能（3）電學性能（4）化學性能

3．常用陶瓷

（1）普通陶瓷（傳統陶瓷）（2）特種陶瓷（現代陶瓷）

4．陶瓷在汽車上的應用

五、復合材料

復合材料是由兩種或兩種以上的物理和化學性質不同的物質，經一定方法合成而得到的一種新的多相固體材料。它不僅具有各組成材料的優點，還具有比單一材料更優良的綜合性能。

1．復合材料的分類

復合材料的分類至今尚不統一，目前主要采用以下幾種分類方法：

（1）按材料的用途分類

可分為結構復合材料和功能復合材料兩大類。（2）按增強材料的物理形態分類

可分為纖維增強復合材料、粒子增強復合材料及層疊復合材料。

（3）按基體類型分類

可分為非金屬基體及金屬基體兩大類。

2．復合材料的性能

（1）比強度和比模量高（2）抗疲勞性能好（3）減振性能好（4）高溫性能好（5）工作安全性好（6）成型工藝簡便靈活及可設計性強

3．常用復合材料

（1）纖維增強復合材料

（2）層疊復合材料

4．復合材料在汽車上的應用（1）玻璃鋼的應用（2）碳纖維增強塑料的應用學習目的：

通過本章的學習具備所必需的汽車所使用的金屬材料基本知識。學習要求：

掌握金屬的力學性能指標及常用數據。掌握鋼的熱處理的基本知識及常用的熱處理方法、工藝特點和應用范圍。掌握常用的機械工程材料類型、牌號、力學性能及用途。初步具有選擇工程材料的能力。第二章金屬材料與熱處理基礎第一節金屬的力學性能

材料的力學性能是指材料在外力作用下所表現出來的特性。力學性能包括強度、塑性、硬度、沖擊韌度及疲勞強度等。

一、強度強度是指金屬材料在載荷作用下抵抗變形和破壞的能力。強度指標一般可以通過金屬拉伸試驗來測定。把標準試樣裝夾在試驗機上，然后對試樣緩慢施加拉力，使之不斷變形直到拉斷為止。在此過程中，試驗機能自動繪制出載荷F和試樣變形量AL的關系曲線。此曲線叫做拉伸曲線。

1．拉伸曲線圖2-1為低碳鋼的拉伸曲線，圖中縱坐標表示載荷單位為N；橫坐標表示絕對伸長量△L，單位為mm。金屬材料的強化機制導致材料失效的最大應力結構材料陶瓷材料高分子材料金屬材料

強度

疲勞強度抗拉強度斷裂強度屈服強度材料強度的唯一性判據從圖2-1中可以看出下面幾個變形階段：（1）Oe———彈性變形階段 （2）es———屈服階段 （3）sb———強化階段 （4）bk———縮頸階段

2．強度指標材料受到外力作用會發生變形，同時在材料內部產生一個抵抗變形的力稱為內力。單位面積上的內力稱為應力，單位為Pa（帕），即N/m2工程上常用MPa(兆帕)，1MPa=106pa，或1Pa=1N/m2，或1MPa=1N/mm2。（1）屈服點σs材料產生屈服時的最小應力。單位為MPa。

σs=Fs/AO

（2-1）式中，Fs是屈服時的最小載荷(N)；A0是試樣原始截面積。對于無明顯屈服現象的金屬材料（如高碳鋼、鑄鐵），測量屈服點很困難，工程上經常采用殘余伸長為0.2％原長時的應力σ0.2作為屈服強度指標，稱為規定殘余伸長應力。

σ0.2=F0.2/AO

（2-2）（2）抗拉強度σb材料在拉斷前所承受的最大應力，單位為MPa。抗拉強度表示材料抵抗均勻塑性變形的最大能力，也是設計機械零件和選材的主要依據。

σb=Fb/AO

（2-3）式中，Fb是試樣斷裂前所承受的最大載荷（N）。

二、塑性

金屬材料在載荷的作用下，產生塑性變形而不斷裂的能力稱為塑性。通過拉伸試驗測得的常用塑性指標有：斷后伸長率和斷面收縮率。

1．斷后伸長率δ試樣拉斷后的標距伸長量和原始標距之比

δ=(L1—L0)/L0×100％（2-4）式中，L1試樣原始標距長度。L0試樣拉斷后的標距長度。

2．斷面收縮率ψ試樣拉斷處ψ=×100％橫截面積的縮減量與原始橫截面積之比

ψ==(A0—A1)/AO×100％（2-5）式中，Ao是試樣的原始橫截面積；A．是試樣斷口處的橫截面積。

三、硬度

硬度是指材料表面抵抗局部塑性變形、壓痕或劃痕的能力。常用來測定硬度的方法有布氏硬度試驗法和洛氏硬度試驗法。

1．布氏硬度試驗法如圖2-2所示采用直徑為D的淬火鋼球或硬質合金球，在規定載荷F的作用下，壓入被測金屬表面，保持一定時間后卸除載荷，測定壓痕直徑，求出壓痕球形的表面積，壓痕單位表面積上所承受的平均壓力（F/A）即為布氏硬度值，壓頭為淬火鋼球時用HBS表示，壓頭為硬質合金球用時HBW表示。例如120HBS，450HBW。

2．洛氏硬度試驗法采用頂角為120°的金剛石圓錐體或直徑為1.588mm的淬火鋼球作為壓頭．如圖2-3所示。試驗時先施加初載荷，使壓頭與試樣表面接觸良好，保證測量準確，再施加主載荷，保持到規定的時間后再卸除主載荷，依據壓痕的深度來確定材料的硬度值。

四、沖擊韌度

對于承受沖擊載荷的材料，如汽車發動機中的活塞，不僅要求具有高的強度和一定的塑性，還必須具備足夠的沖擊韌度。金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力稱為沖擊韌度。沖擊韌度的測定方法，如圖2-4所示。是將被測材料制成標準缺口試樣，在沖擊試驗機上由置于一定高度的重錘自由落下而一次沖斷。沖斷試樣所消耗的能量稱為沖擊功，其數值為重錘沖斷試樣的勢能差。沖擊韌度值aKV就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊功，這個值越大，則韌性越好，受沖擊時，越不容易斷裂。

五、疲勞強度

在汽車上的許多零件中，比如各種軸、齒輪、彈簧、連桿等，要受到大小和方向呈周期性變化的載荷作用。這種交變載荷雖然小于材料的強度極限，甚至小于其彈性極限，但經多次循環后，在沒有明顯的外觀變形時也會發生斷裂，這種破壞稱作疲勞破壞或疲勞斷裂。這種破壞都是突然發生的，具有很大的危險性。疲勞強度σ-1是表示材料以周期性交變載荷作用而不致引起斷裂的最大應力，其大小與應力變化的次數有關。對于黑色金屬規定循環次數為107次，有色金屬循環次數為108次。為了提高金屬的疲勞強度，可以通過改善零件的結構形狀，避免應力集中，減小表面粗糙度值，進行表面熱處理和強化處理等方法。

一、鋼的熱處理原理第二節鋼的熱處理常識

1．概述熱處理是將固態金屬或合金采用適當的方式進行加熱、保溫和冷卻以獲得所需要的組織結構與性能的工藝。根據熱處理的目的和工藝方法的不同，熱處理可分為：熱處理方法雖然很多，但任何一種熱處理工藝都是由加熱、保溫、和冷卻三個階段所組成的。熱處理工藝過程可用在溫度一時間坐標系中的曲線圖表示，這種曲線稱為熱處理工藝曲線，見圖2-5。

2．鋼在加熱時的轉變在熱處理工藝中，鋼的加熱目的是為了獲得奧氏體，奧氏體是鋼在高溫狀態時的組織，其強度及硬度高，塑性良好，晶粒的大小、成分及其均勻化程度，對鋼冷卻后的組織和性能有重要影響。因此，鋼在加熱時，為了得到細小均勻的奧氏體晶粒，必須嚴格控制加熱溫度和保溫時間，以求在冷卻后獲得高性能的組織。

3．鋼在冷卻時的轉變冷卻是熱處理的關鍵工序，成分相同的鋼經加熱獲得奧氏體組織后，以不同的速度冷卻時，將獲得不同的力學性能，見表2-1。

二、退火與正火

1．退火退火是將鋼加熱到適當溫度，保持一定時間，然后緩慢冷卻（一般隨爐冷卻）的熱處理工藝。

2．正火正火是指把鋼加熱到組織轉變為奧氏體的臨界溫度以上保溫，使其完全奧氏體化，在空氣中冷卻的熱處理工藝。

三、淬火與回火

1．淬火淬火是將鋼的組織加熱到轉變為奧氏體的臨界溫度以上，保溫一定時間，以大于臨界冷卻速度快速冷卻的熱處理工藝。

2．回火鋼的回火是指將淬火后的鋼，