汽車材料與金屬加工課件第一章

汽車材料

掌握金屬材料的剛度、強度和塑性的概念；掌握金屬材料的疲勞強度的概念；掌握掌握金屬材料沖擊韌性的概念；掌握材料硬度的概念和三種硬度表示方法；了解材料性能的表示方法。教學目的和要求剛度、強度、塑性；疲勞強度；沖擊韌性；硬度。教學內容摘要利用剛度、強度、硬度和塑性等指標綜合評價材料。教學重點、難點教學方法和使用教具講授、現場教學、課件。4學時。教學時間材料的基本知識金屬材料金屬合金具有金屬光澤。具有較好的延展性，容易加工成型。易導電、傳熱，是熱和電的良導體。

常見的鋼、鑄鐵、銅、銅合金、鋁、鋁合金等都是金屬材料。金屬材料的特點金屬材料性能工藝性能使用性能是指金屬材料在使用條件下所表現出來的力學性能（指剛度、強度、塑性、硬度、韌性和疲勞強度等）、物理性能（指熔點、導熱性、導電性、熱膨脹性、磁性等）和化學性能（指抗氧化性、跟其他物質發生化學反應的性能等）等。工藝性能是指金屬材料在制造加工過程中表現出來的各種性能。優良的使用性能可以滿足生產和生活上的各種需要；而優良的工藝性能則可使金屬材料易于采用各種加工方法，制成各種形狀、尺寸的零件和工具。力學性能物理性能化學性能使用性能1.1剛度、強度、塑性

靜載荷是指外力的大小和方向不變或變化很緩慢的載荷；沖擊載荷是指突然增加的載荷；疲勞載荷則是指大小和方向隨時間作周期性變化的載荷。根據載荷作用性質不同靜載荷沖擊載荷疲勞載荷工件在不同載荷形式下產生的變形

剛度、強度、塑性的概念剛度是指金屬材料抵抗彈性變形的能力，金屬材料在一定應力作用下產生的彈性變形越小，則其剛度越大。強度是指金屬材料抵抗塑性變形和斷裂的能力，強度愈高的材料，所承受的載荷愈大。塑性是指金屬材料產生塑性變形而不斷裂的能力。試樣的形狀

試樣標距試樣直徑拉伸前拉伸后1.1.1拉伸試樣與拉伸試驗試樣的標距試樣的標距拉伸試驗過程中用以測量試樣伸長的兩標記之間的長度，稱為標距。試樣的分類長試樣(L0=10d0)，100mm和200mm短試樣(L0=5d0)，50mm和80mm拉伸試驗曲線

1）OE——彈性變形階段試樣的伸長量與載荷成正比例增加，Fe為能恢復原狀的最大拉力。2）ES——屈服階段當拉力增大到Fs時，試樣會繼續伸長，材料喪失了抵抗變形的能力，這種現象稱為屈服，Fs稱為屈服載荷。3）SB——均勻塑性變形階段載荷超過Fs時，試樣開始產生明顯塑性變形，伸長量隨載荷增加而增大。Fb為試樣拉伸試驗中的最大載荷。4）BK——斷裂載荷達到最大值Fb之后，試樣直徑局部開始急劇縮小，出現“縮頸”現象，當變形達到一定程度時試樣斷裂。

在彈性變形階段，即F—△L曲線上的OE段，與曲線的關系為直線OE，這表示應力與應變成正比，可寫成，式中的E為與材料有關的常數，稱為彈性模量，單位為GPa(109Pa)。彈性模量E表示引起單位變形時所需的應力。工程上常用E作為衡量材料剛度的指標，E值越大，在一定應力作用下產生的彈性變形越小，則剛度越大。彈性模量主要取決于金屬材料的種類。通常淬火、冷作硬化等強化金屬的方法對E值影響很小。常用材料的E值，碳鋼為196～216GPa、灰鑄鐵為78～157GPa，銅合金為72～128GPa，鋁合金為70GPa。1.1.2剛度用于表征金屬材料抵抗彈性變形的能力。1.1.3強度用于表征金屬材料在外力作用下抵抗塑性變形和破壞的能力。抗拉強度抗壓強度抗彎強度抗剪強度屈服點屈服強度抗拉強度根據所加載荷形式的不同工程上常用的強度衡量指標屈服點、屈服強度對具有明顯屈服現象的材料如低碳鋼，用屈服點來表征材料對產生明顯塑性變形的抗力。屈服點就是指材料產生屈服時的最小應力。即式中——應力（MPa）；——試樣產生屈服時的最小屈服力（N）；——試樣原始橫截面積（）。

對無明顯屈服現象的金屬材料如高碳鋼、銅合金、鋁合金等，用屈服強度來表征材料對產生明顯塑性變形的抗力。抗拉強度是指試樣在拉斷前所承受的最大應力，即式中：——抗拉強度（MPa）；——試樣在拉斷前所受到的最大載荷（N）；——試樣原始橫截面積（）。1.1.4塑性

在外力作用下的金屬材料在斷裂前產生不可逆的永久變形的能力稱為塑性。材料的塑性指標通常用斷后伸長率和斷面收縮率來表征。1.斷后伸長率是指試樣拉斷后標距的伸長量與原始標距的百分比，用表示，即

2.斷面收縮率是指試樣拉斷后斷口（縮頸）處截面積的最大縮減量與原始截面積的百分比，用下式表示，即1.2疲勞強度

疲勞破壞

零件、工具等即使在低于材料屈服強度的交變載荷作用下，經過一定的循環次數后也會發生突然斷裂，這種現象稱為疲勞斷裂。因此在零件設計之初，對零件所用的金屬材料就應該進行疲勞試驗，以便合理的估算零件的使用壽命。疲勞破壞材料在對稱載荷下的應力變化規律。

疲勞強度材料交變應力和斷裂前應力循環次數之間的疲勞曲線。

提高疲勞強度措施

材料方面保證冶煉質量，減少夾雜物和熱加工產生的氣孔和疏松等缺陷。設計方面盡量使零件避免尖角、缺口和截面突變，以避免應力集中及其所引起的疲勞裂紋。工藝方面降低零件表面粗糙度，并避免表面劃痕、碰傷，防止這些地方出現形成疲勞裂紋；采用表面強化方法，如化學熱處理、表面淬火、噴丸處理和表面涂層等，降低材料表面形成裂紋的可能性。。1.3韌性

1.3.1沖擊韌性是指金屬材料在沖擊載荷作用下抵抗變形和斷裂的能力。沖擊韌性的測定方法擺錘式一次沖擊試驗小能量多次沖擊試驗擺錘式一次沖擊試驗根據功能原理擺錘擊斷試樣所消耗的功Aku值為

小能量多次沖擊試驗

工程實踐中，在沖擊載荷作用下工作的機械零件往往都是受多次小能量沖擊而破壞的。很少受大能量沖擊一次而破壞的，如沖模的沖頭、鑿巖機上的活塞等。所以工程實際中，常采用小能量多次重復沖擊試驗來測定。1.3.2斷裂韌性低應力脆斷工程零（構）件有時在應力低于許用應力的情況下也會發生突然斷裂，稱為低應力脆斷。低應力脆斷的原因由于實際應用的材料中常常存在一些裂紋和本身缺陷，如夾雜物、氣孔等或加工和使用過程中產生的缺陷，裂紋在應力的作用下失穩而擴展，最終導致零（構）件斷裂。1.4硬度硬度的含義布氏硬度洛氏硬度維氏硬度是材料性能的一個綜合物理量，對于金屬材料而言，表示金屬材料在一個小的體積范圍內抵抗彈性變形、塑性變形、斷裂或其他物質壓入其表面的能力。硬度的表示方法硬度試驗的方法大多采用壓