第一節 金屬的性能

金屬材料:以一種金屬元素為基體，加入其它金屬元素或非金屬元素而形成的具有金屬特性的材料。大部分汽車零件是由金屬材料制造的，因此，汽車的性能很大程度上決定于金屬材料的性能。

一、金屬的機械性能

載荷：或稱為外力、負荷，分為拉力、壓力、扭矩等。

機械性能：是指金屬材料受到各種不同性質載荷的作用，所表現出的力學性能。它包括強度、塑性、硬度、韌度和抗疲勞強度等性能指标。

(一)強度

強度：金屬在載荷(外力)作用下，抵抗變形和不受損壞的能力。

按載荷的不同強度分為抗拉、抗壓、抗剪、抗扭、抗彎曲等五種。

内力：金屬内部原子阻止變形的抗力。其數值大小和外力相等，方向相反。

應力：材料單位面積上的内力大小。

注：載荷類型不同，内力的表現形式也不同，因此金屬強度指标也不同。但實際應用中最為廣泛的是拉伸強度指标，其它強度指标與拉伸強度指标有一定的關系，知道拉伸強度就可以近似地預測其它強度指标，而且測定金屬拉伸強度的方法——拉伸試驗法也最為簡單。

拉伸試驗 ：

試驗準備：試驗機、符合國家标準(GB 397——86)規定要求的圓形拉伸試樣，如圖14-1所示。

試驗時，将試樣放到試驗機上，勻速緩慢地向試樣兩端施加軸向靜拉力，直至拉斷為止。 做出拉伸曲線圖，又稱為“應力——應變曲線”，如圖14-2所示。

拉伸曲線圖的五個階段：

1. oe——彈性變形階段 ：

2. es——微量塑性變形階段

3. ss’——屈服階段

4. s’b——大量塑性變形階段

5. bk——頸縮階段

可見，金屬在外載作用下，變形有三個階段：彈性變形、彈塑性變形和斷裂。 注：隻有塑性材料的塑性變形有五個階段。

由上述各階段的應力——應變關系，可以得出幾個機械性能的強度指标：

彈性極限σe——金屬材料抵抗彈性變形的最大應力。

屈服極限(屈服強度)σs——金屬材料抵抗塑性變形的應力。

強度極限(抗拉強度)σb——金屬材料抵抗塑性變形不緻斷裂的最大應力。

以上三個強度指标具有重要的實際意義。例如，汽車上許多零件都不允許産生過量的塑性變形，象氣缸蓋螺栓，就是以屈服極限為設計依據。強度極限也是設計零件時的主要依據之一。

(二)硬度：

硬度：金屬表面上局部體積内抵抗塑性變形和破壞的能力。

硬度是金屬材料的重要機械性能。雖然硬度與強度間沒有嚴格的對應關系，但可以通過大量實驗數據找出粗略的換算關系。而硬度試驗設備簡單，操作容易迅速，性能測試時又不損壞金屬零部件。所以，可以通過硬度試驗檢驗工具和零件的質量。

硬度試驗廣泛應用的有布氏硬度和洛氏硬度試驗方法。

1. 布氏硬度

試驗原理：用直徑為D的淬硬圓鋼球以規定的載荷FP壓入被測試材料表面，保持一定時間後，卸除載荷，測量被測材料的表面壓痕直徑d和壓痕球面積A，計算平均壓力FP/A的大小作為材料的布氏硬度指标，如圖14-3所示。

布氏硬度試驗時，鋼球的直徑D和載荷FP是根據被測試材料的種類、性質和厚度，按國家标準(GB 231—84)的規定選擇，試驗後用專門的刻度放大鏡測出壓痕直徑d的大小，再查布氏硬度值表即可得到布氏硬度值。布氏硬度用符号HB表示，習慣不寫單位。

布氏硬度隻适用于硬度較低，尺寸較大的金屬材料。廣泛應用于退火或調質後的鋼件、灰口鑄鐵和有色金屬等較軟的材料。

由于布氏硬度是材料局部範圍抵抗變形的能力，所以布氏硬度與材料的抗拉強度之間存在一定的換算關系，對一般的碳鋼有如下近似關系： 當HBS<175時，σb≈0.36hbs;當hbs>175時，σb≈0.35HBS。

2.洛氏硬度

試驗原理：洛氏硬度試驗和布氏硬度試驗同樣采用壓入法測定硬度。兩者的區别是洛氏硬度試驗用的壓頭是一個120o的圓錐形金鋼石壓頭，施加相應載荷後，測定金屬材料壓痕的深度，以壓痕深度來表示硬度值。洛氏硬度用HRC表示，如圖14-4 所示。

洛氏硬度試驗可以直接從刻度盤上讀取硬度值;壓痕小，可測定成品及薄的工件;測試的硬度範圍大，可以測從極軟到極硬的金屬材料。但洛氏硬度測試壓痕小，測量值有時不夠準确，所以，同一試樣應測三點以上，取其平均值。

(三)塑性

塑性：材料在載荷作用下，産生塑性變形而不被破壞(不斷裂)的能力。

材料具有良好的塑性，有利于金屬的冷沖壓成型加工。如汽車駕駛室外殼、車箱闆、油箱等，在其成型過程中，若金屬材料塑性不好，則在成形時容易開裂。

衡量材料塑性好壞的指标是延長率和斷面收縮率。

1. 延長率：是指金屬試樣進行拉伸試驗被拉斷後标距長度的伸長量與原始标距長度之比值的百分比.用δ表示。

2. 斷面收縮率：是指金屬試樣進行拉伸試驗拉斷處橫截面積縮小量與原始橫截面積之比值的百分率。用ψ表示。

(四)韌度

沖擊載荷：在汽車運行時，汽車的許多零件要受到一些突然施加的外力作用。如發動機曲軸、彈簧鋼闆、大梁、前工字梁等在汽車起動、制動及速度突然改變時，都會受到突然施加的力作用。這種突然作用的力稱為沖擊載荷。

韌度：防止零件受沖擊載荷作用而破壞的能力。

受沖擊載荷作用的零件不僅要有較高的強度和一定的硬度，還要有足夠的沖擊韌度，以防止零件受沖擊載荷作用而破壞。

衡定材料韌度的方法是：擺錘式一次能量沖擊試驗、 小能量多次沖擊。

1. 擺錘式一次能量沖擊試驗

把帶有缺口的試樣放在一次擺錘試驗機上，測定金屬承受沖擊載荷的能力。如圖14-5所示.在實際應用中，直接從試驗機上讀出擺錘打斷試樣所作的沖擊功Ak，然後将沖擊功Ak的值除以試樣缺口處的橫截面積A便得到沖擊韌性αk。

2. 小能量多次沖擊

實際上，汽車上零件在動載荷作用下并非一次或幾次沖擊而破壞的。多數情況是零件承受的沖擊載荷屬于小能量的多次沖擊載荷。因此，利用小能量多次沖擊試驗，得到的韌度值更符合實際。試驗原理如圖14-6所示。

(五)疲勞

交變應力 ：載荷所産生的應力的大小和方向呈周期性變化 。

疲勞：零件在其遠低于該材料的強度極限、甚至低于屈服極限的交變應力作用下發生斷裂的現象。

許多汽車零件，如齒輪、鋼闆彈簧、曲軸等在工作時承受的載荷所産生的應力都是交變應力。容易發生疲勞或疲勞斷裂。

零件産生疲勞破壞的因素：

1. 材料的表面或内部的缺陷(如加工刀痕、原有裂紋、軟點、夾雜、夾角等應力集中源)

2. 零件受到交變應力的大小、應力循環次數和應力特性。

如圖14-7所示，是實驗測得的疲勞斷裂前應力循環次數N與交變應力σ的關系曲線--疲勞曲線。從曲線可以看出，應力值越低，則斷裂前的循環次數No越多。當應時，疲勞曲線與橫軸平行，應力低于此值時，材料經無數次應力循環而不斷裂，此應力值稱為疲勞極限，也叫疲勞強度。

提高零件的疲勞強度的措施：

除了改善結構形狀，避免内外部應力集中外，還可以通過提高零件表面加工質量或采取各種表面強化的方法來達到，如在零件表面進行噴丸、滾壓、抛光及表面熱處理等。力降到一定值

二、金屬的物理、化學性能及工藝性能

(一)物理性能：金屬材料的物理性能主要包括密度、熔點、導熱性、熱膨脹性、磁性和電阻率等。

不同用途的零件對物理性能的要求也不同。如散熱器水箱要選用導熱性好的材料;發動機活塞應選用比重輕的鋁合金。

常用金屬的物理性能見表14-1(查看此表)。

表14-1 常用金屬的物理性能

(二)化學性能：金屬的化學性能是指在室溫或高溫條件下發生或抵抗各種化學作用的能力。在工程上常指金屬抵抗活潑介質的化學侵蝕的能力，包括抗氧化性和抗腐蝕性。

工作于惡劣環境下的零件選擇材料時應注意其化學性能。

(三)工藝性能：工藝性能是指金屬材料接受加工成型的能力。它包括鑄造性能、壓力加工性能、焊接性能、切削加工性能及熱處理性能等。

在設計及制造零件時，要綜合考慮材料的選擇及加工方法，這時必須考慮金屬材料的工藝性能。如灰口鑄鐵鑄造性能好，但其壓力加工及焊接性能較差，故廣泛應用于鑄造形狀複雜、尺寸較大的零件。

第二節 汽車常用碳素鋼、鑄鋼及其熱處理

一、碳素鋼的基本知識

鋼鐵材料(鐵碳合金)：以鐵(Fe)為基礎的鐵碳合金統稱為鋼鐵材料。它是由多種元素組成的多成份的複雜合金，但最基本是由鐵和碳兩種元素組成，因此通常稱為鐵碳合金。 碳素鋼(碳鋼)：碳的質量分數低于2.11%的鐵碳合金稱為碳素鋼，簡稱碳鋼 。碳素鋼的機械性能可以滿足許多零件和工具的要求，又有良好的工藝性能，而且生産方便，價格低廉，因此在汽車、拖拉機行業得到了廣泛應用。

鑄造生鐵 ：碳的質量分數大于2.11%的鐵碳合金稱為鑄造生鐵。

(一)碳及幾種雜質元素對碳素鋼性能的影響

1.碳

碳是決定鋼性能的主要元素。當鋼中碳的質量分數低于0.77%時，其碳的質量分數愈高，鋼的強度和硬度也愈高，而塑性和韌性則愈低。當超過1.0%以後，鋼的硬度仍将升高，但鋼的強度、塑性和韌性都将顯著下降，脆性也增大。

碳的質量分數對鋼的加工工藝性能也有較大的影響。碳的質量分數低的鋼強度低、塑性好、容易鍛造和冷加工成型(如冷彎、冷沖壓、冷擠、冷鉚)等。碳的質量分數低的鋼其焊接性能良好，采用一般的焊接方法就能獲得良好的焊接質量。反之，碳的質量分數高的鋼，塑性變形抗力增加，塑性變形能力差而不易冷壓力加工成型;鋼中随着碳的質量分數增大其可焊接性能也逐漸變差。

2.錳

錳是煉鋼時作為脫氧除硫元素，以錳鐵合金形式加入鋼中的。錳具有很好的脫氧能力，它與鋼液中的氧結合，形成氧化錳(MnO)鋼渣，降低鋼中氧的質量分數，從而改善鋼的質量。錳的另一個重要作用是與硫化合，形成硫化錳(MnS)，以消除硫在鋼中的有害作用。錳也能溶于鐵素體和滲碳體形成(FeMn)3C，提高鋼的強度和硬度，但也降低了鋼的塑性。碳素鋼錳的質量分數一般為0.5%～0.8%時，錳在鋼中為有益元素。錳的質量分數再高，可使鋼成為各種性能不同的合金鋼。

3.矽

矽在鋼中也是一種有益元素。它能與鋼液中的氧化合，形成二氧化矽(SiO2)，再與其它氧化物(FeO、MnO、Al2O3)結合形成矽酸鹽鋼渣，降低鋼的氧的質量分數，可使鋼質緻密。矽在碳鋼中質量分數一般小于0.5%，它能溶于鐵素體，使鐵素體強化，從而使鋼的強度、硬度、彈性提高，而塑性、韌性降低。

4.硫

硫是随生鐵、廢鋼和燃料進入鋼中的有害元素。硫在鋼中不溶于鐵，而以FeS形式存在，其熔點為1190℃。而FeS還會與Fe反應形成熔點隻有985℃的共晶硫化物(FeS-Fe)分布在晶界上，當對鋼鐵材料進行軋制和鍛造熱加工時，由于鋼材的熱壓加工溫度均高于共晶硫化物溫度，從而造成共晶硫化物在晶界熔化而引起鋼材的開裂，這種現象稱為“熱脆”。

硫在鋼中的質量分數應有嚴格的控制。普通鋼硫的質量分數不得大于0.055%，優質鋼和高級優質鋼硫的質量分數應分别小于0.040%和0.030%。

5.磷

磷也是随同礦石、生鐵和廢鋼進入鋼中的有害雜質。磷在鋼中全部溶入鐵素體中，可使鋼的強度、硬度有所提高，卻使室溫下鋼的塑性、韌性急劇降低，尤其是低溫更為嚴重，這種在低溫時使鋼嚴重變脆的現象，稱為“冷脆”。在易切削鋼中适當地提高硫、磷的質量分數，增加脆性，可以提高切削效率，延長刀具壽命。

(二)碳素鋼的分類

碳素鋼分類方法很多，可按冶煉方法、碳的質量分數、品質、金相組織及用途等進行分類，下面介紹幾種主要的分類方法：

1.按鋼碳的質量分數分類

⑴ 低碳鋼：碳的質量分數低于0.25%，在建築上應用很廣，如鋼筋、橋梁等。

⑵ 中碳鋼：碳的質量分數介于0.25%～0.60%，主要用于制造傳動機件，如曲軸、連杆、凸輪軸等。

⑶ 高碳鋼：碳的質量分數高于0.6%(一般不高于1.3%)，主要用于制造工具，如锉刀、斧子、鋸及彈簧等。

2.按鋼的品質分類

即根據鋼中有害雜質元素的質量分數多少分類。碳鋼通常分三類：

⑴ 普通碳素鋼 鋼中S、P質量分數分别不高于0.055%和0.045%。

⑵ 優質碳素鋼 鋼中S、P質量分數均小于0.035%。

⑶ 高級優質碳素鋼 鋼中S、P質量分數分别不高于0.020%和0.030%。

3.按鋼的用途分類

⑴ 碳素結構鋼 主要用于制造機械零件和工程構件(如齒輪、軸、螺釘、橋梁、建築等的構件)。其碳的質量分數在0.70%以下。

⑵ 碳素工具鋼 主要用于制造刀具、量具、模具。這類鋼都是高碳鋼，一般碳的質量分數在0.7%～1.35%之間。

二、碳素鋼在汽車中的應用

碳素結構鋼按品質可分為普通碳素結構鋼和優質碳素結構鋼。

(一)普通碳素結構鋼

普通碳素結構鋼簡稱為普通碳鋼。

1.普通碳素結構鋼的牌号、力學性能，普通碳鋼的牌号表示方法由4部分組成。

例如Q215—A·F，Q——表示鋼材的屈服點(“屈”字漢語拼音的字頭);215——表示鋼材的屈服強度σs≤215MPa;A——表示鋼材的品質為A等級(A、B、C、D等級是指其硫和磷有害雜質質量分數依次降低);F——冶煉的脫氧方法，即沸騰鋼(“沸”字漢語拼音字頭)。

注：TZ即特殊鎮靜鋼“特鎮”漢語拼音字頭，在牌号表示時“Z”與“TZ”代号可以省略不寫。

普通碳素結構鋼的力學性能如表14-2所示(點此看表)。

表14-2 普通碳素結構鋼的力學性能

2.普通碳素結構鋼的應用

普通碳素結構鋼含硫、磷及其它非金屬雜質較多，但價格便宜，産量高，所以大量用于金屬結構或汽車上要求不高的零件。

Q195、Q215、Q235等幾種鋼的塑性較高，焊接性能良好，适用于金屬構件的制造;而Q255、Q275鋼的強度較高，适用于制造承受中等載荷的機械構件，普通碳素結構鋼在汽車上的應用如表14-3所示(點此看表)。

表 14-3 普通碳素結構鋼在汽車上的應用

(二)優質碳素結構鋼

優質碳素結構鋼按其錳的質量分數，又分為：普通錳的質量分數的優質碳素結構鋼和較高錳的質量分數的優質碳素結構鋼。

1.普通錳的質量分數的優質碳素結構鋼牌号、力學性能

當鋼中碳的質量分數≤0.25%，錳的質量分數在0.35%～0.65%範圍内，以及鋼中的碳的質量分數>0.25%，其錳的質量分數在0.5%～0.8%之間，其牌号表示是：用兩位數字代表鋼的平均碳的質量分數，以0.01%為單位，即這兩位數字等于平均碳的質量分數的“%”前的數字乘以100。而錳的質量分數則不需表示。

例如，15号鋼，表示碳的質量分數大約為0.15%的普通優質碳素結構鋼。又如，40鋼，40表示鋼中的平均碳的質量分數為0.40%，其鋼号寫成40鋼。

優質碳素結構鋼的牌号和力學性能如表14-4。(點此看表)

表 14-4 優質碳素結構鋼的力學性能

2.錳的質量分數較高的優質碳素結構鋼的牌号、力學性能

當鋼中碳的質量分數在0.15%～0.60%範圍的優質碳素結構鋼，其錳的質量分數在0.70%～1.00%範圍内;以及當鋼中碳的質量分數為0.60%～0.70%時，其錳的質量分數在0.90%～1.20%的範圍内。因其錳的質量分數較高而被稱為較高錳的質量分數的優質碳素結構鋼。

這類鋼的牌号是用兩位數字表示鋼中平均碳的質量分數，以0.01%作單位，并在這兩位數字後面标上“錳”字或元素符号“Mn”。

例如，15Mn(或15錳)，其中15表示該鋼的平均碳的質量分數為0.15%的優質碳素結構鋼。

該類鋼的牌号及機械性能如表14-5所示(點此看表)。

表 14-5 含錳量較高的優質碳素結構鋼的力學性能

3.優質碳素結構鋼的應用

優質碳素結構鋼中有害雜質硫、磷含量較少，鋼廠既保證鋼的化學成分又保證鋼的機械性能。這類鋼多在熱處理後廣泛使用，用于制造要求較高的零件。

08F、08、10等鋼的碳的質量分數較低、塑性好，廣泛應用于冷沖壓成型構件，如汽車駕駛室外殼、油箱等。

15、20等幾類鋼塑性好，有良好的冷沖壓性能和焊接性能，用于冷沖壓構件和需經過熱處理(如滲碳、氮化)而尺寸較小但需承受一定載荷的零件，如變速叉等。

30、35、40、45等鋼，經調質處理後具有良好的綜合機械性能，廣泛應用在曲軸、齒輪、凸輪軸、從動軸等零件的制造。

60、65、65Mn等屬于碳素彈簧鋼，這幾類鋼經過熱處理後，可用于要求具有較高韌性和強度的彈性零件或耐磨零件。

優質碳素結構鋼在汽車上的應用如表14-6。(點此看表)

表14-6 優質碳素結構鋼在汽車上的應用

三、鑄鋼在汽車中的應用

鑄鋼的機械性能有些已達到或接近碳素鋼的性能，而且随着鑄造工藝的提高，鑄件成品率也很高，并且鍛造無法鍛造的形狀複雜、尺寸大的工件，用鑄造的方法卻很容易實現，因此鑄鋼件在重型機械、冶金設備、運輸機械等各個領域得到廣泛應用。

(一)鑄鋼的牌号、力學性能

鑄鋼牌号是用“鑄鋼”兩字的漢語拼音字頭“ZG”代表。舊的鑄造用鑄鋼在“ZG”後面标出一組數字，用以表示該鑄鋼的平均碳的質量分數，以0.01%作單位(舊标準作為常識介紹);新的鑄鋼牌号是在“ZG”後面标出兩組數字，以表示屈服強度和抗拉強度。

例如，ZG230—450則表示屈服強度(σs)為230MPa、抗拉強度(σb)為450MPa的工程用鑄鋼。

常用鑄鋼的牌号、力學性能如表14-7(舊)和表14-8(新)。

表14-7　鑄鋼碳鋼的力學性能(舊)

表 14-8 工程用鑄鋼的牌号、力學性能

(二)鑄鋼的應用

ZG200-400和ZG330-450兩類工程鑄鋼因塑性、韌性較好，并有一定的焊接性能，所以被應用在閥體、機架、大型減速箱外殼等構件的制造。

ZG270-500、ZG310-570，其強度和切削加工性能比較好，應用于制動輪、軋輥、軋鋼機機架、大齒輪、曲軸、橫梁等零件制造。

ZG390-640，其強度與硬度較高、耐磨性好、焊接性差、裂紋傾向性大，一般用于需要耐磨的棘爪、叉頭等零件的制造。

鑄鋼在汽車上的應用如表14-9所示。

四、鋼的熱處理

熱處理是将鋼在固态加熱到一定溫度，并在此溫度保持一定時間，然後以選定的冷卻速度冷卻，改變鋼的内部組織，從而改善鋼的性能的一種工藝方法。因此熱處理是強化鋼材、使其發揮潛在能力的重要工藝措施。汽車、拖拉機工業中70%～80%的零件需經過熱處理這道工序。

鋼的熱處理分為普通熱處理和表面熱處理兩類。普通熱處理按加熱溫度和冷卻速度的不同又分為退火、正火、回火和淬火;表面熱處理又分為表面淬火和化學熱處理。

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