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【技术干货】汽车常用金属材料分析第上篇:金属性能以及汽车常用碳素钢、铸钢及其热处理
发布日期:2019-04-29  来源:第一压铸网  浏览次数:238
核心提示:第一节 金属的性能金属材料:以一种金属元素为基体,加入其它金属元素或非金属元素而形成的具有金属特性的材料。大部分汽车零件是
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第一节  金属的性能 
金属材料:以一种金属元素为基体,加入其它金属元素或非金属元素而形成的具有金属特性的材料。大部分汽车零件是由金属材料制造的,因此,汽车的性能很大程度上决定于金属材料的性能。
一、金属的机械性能
载荷:或称为外力、负荷,分为拉力、压力、扭矩等。  
机械性能:是指金属材料受到各种不同性质载荷的作用,所表现出的力学性能。它包括强度、塑性、硬度、韧度和抗疲劳强度等性能指标。
(一)强度
 强度:金属在载荷(外力)作用下,抵抗变形和不受损坏的能力。
 按载荷的不同强度分为抗拉、抗压、抗剪、抗扭、抗弯曲等五种。 
 内力:金属内部原子阻止变形的抗力。其数值大小和外力相等,方向相反。
应力:材料单位面积上的内力大小。
注:载荷类型不同,内力的表现形式也不同,因此金属强度指标也不同。但实际应用中最为广泛的是拉伸强度指标,其它强度指标与拉伸强度指标有一定的关系,知道拉伸强度就可以近似地预测其它强度指标,而且测定金属拉伸强度的方法——拉伸试验法也最为简单。 
拉伸试验 :
试验准备:试验机、符合国家标准(GB 397——86)规定要求的圆形拉伸试样,如图14-1所示。
试验时,将试样放到试验机上,匀速缓慢地向试样两端施加轴向静拉力,直至拉断为止。 做出拉伸曲线图,又称为“应力——应变曲线”,如图14-2所示。
 
 
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拉伸曲线图的五个阶段:
1. oe——弹性变形阶段 :
2. es——微量塑性变形阶段
3. ss’——屈服阶段
4. s’b——大量塑性变形阶段
5. bk——颈缩阶段
可见,金属在外载作用下,变形有三个阶段:弹性变形、弹塑性变形和断裂。 注:只有塑性材料的塑性变形有五个阶段。
QQ截图20190425115530
 
由上述各阶段的应力——应变关系,可以得出几个机械性能的强度指标:
弹性极限σe——金属材料抵抗弹性变形的最大应力。
屈服极限(屈服强度)σs——金属材料抵抗塑性变形的应力。
强度极限(抗拉强度)σb——金属材料抵抗塑性变形不致断裂的最大应力。
以上三个强度指标具有重要的实际意义。例如,汽车上许多零件都不允许产生过量的塑性变形,象气缸盖螺栓,就是以屈服极限为设计依据。强度极限也是设计零件时的主要依据之一。
(二)硬度:
硬度:金属表面上局部体积内抵抗塑性变形和破坏的能力。
   硬度是金属材料的重要机械性能。虽然硬度与强度间没有严格的对应关系,但可以通过大量实验数据找出粗略的换算关系。而硬度试验设备简单,操作容易迅速,性能测试时又不损坏金属零部件。所以,可以通过硬度试验检验工具和零件的质量。
     硬度试验广泛应用的有布氏硬度和洛氏硬度试验方法。 
 1. 布氏硬度
    试验原理:用直径为D的淬硬圆钢球以规定的载荷FP压入被测试材料表面,保持一定时间后,卸除载荷,测量被测材料的表面压痕直径d和压痕球面积A,计算平均压力FP/A的大小作为材料的布氏硬度指标,如图14-3所示。
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布氏硬度试验时,钢球的直径D和载荷FP是根据被测试材料的种类、性质和厚度,按国家标准(GB 231—84)的规定选择,试验后用专门的刻度放大镜测出压痕直径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,习惯不写单位。
布氏硬度只适用于硬度较低,尺寸较大的金属材料。广泛应用于退火或调质后的钢件、灰口铸铁和有色金属等较软的材料。
由于布氏硬度是材料局部范围抵抗变形的能力,所以布氏硬度与材料的抗拉强度之间存在一定的换算关系,对一般的碳钢有如下近似关系:  当HBS<175时,σb≈0.36HBS;当HBS>175时,σb≈0.35HBS。 
2.洛氏硬度 
试验原理:洛氏硬度试验和布氏硬度试验同样采用压入法测定硬度。两者的区别是洛氏硬度试验用的压头是一个120o的圆锥形金钢石压头,施加相应载荷后,测定金属材料压痕的深度,以压痕深度来表示硬度值。洛氏硬度用HRC表示,如图14-4 所示。
 
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洛氏硬度试验可以直接从刻度盘上读取硬度值;压痕小,可测定成品及薄的工件;测试的硬度范围大,可以测从极软到极硬的金属材料。但洛氏硬度测试压痕小,测量值有时不够准确,所以,同一试样应测三点以上,取其平均值。
(三)塑性
 塑性:材料在载荷作用下,产生塑性变形而不被破坏(不断裂)的能力。
 材料具有良好的塑性,有利于金属的冷冲压成型加工。如汽车驾驶室外壳、车箱板、油箱等,在其成型过程中,若金属材料塑性不好,则在成形时容易开裂。
 衡量材料塑性好坏的指标是延长率和断面收缩率。
 1. 延长率:是指金属试样进行拉伸试验被拉断后标距长度的伸长量与原始标距长度之比值的百分比.用δ表示。
2. 断面收缩率:是指金属试样进行拉伸试验拉断处横截面积缩小量与原始横截面积之比值的百分率。用ψ表示。  
(四)韧度 
冲击载荷:在汽车运行时,汽车的许多零件要受到一些突然施加的外力作用。如发动机曲轴、弹簧钢板、大梁、前工字梁等在汽车起动、制动及速度突然改变时,都会受到突然施加的力作用。这种突然作用的力称为冲击载荷。
 韧度:防止零件受冲击载荷作用而破坏的能力。
 受冲击载荷作用的零件不仅要有较高的强度和一定的硬度,还要有足够的冲击韧度,以防止零件受冲击载荷作用而破坏。
 衡定材料韧度的方法是:摆锤式一次能量冲击试验、 小能量多次冲击。
1. 摆锤式一次能量冲击试验
    把带有缺口的试样放在一次摆锤试验机上,测定金属承受冲击载荷的能力。如图14-5所示.在实际应用中,直接从试验机上读出摆锤打断试样所作的冲击功Ak,然后将冲击功Ak的值除以试样缺口处的横截面积A便得到冲击韧性αk。
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 2. 小能量多次冲击
    实际上,汽车上零件在动载荷作用下并非一次或几次冲击而破坏的。多数情况是零件承受的冲击载荷属于小能量的多次冲击载荷。因此,利用小能量多次冲击试验,得到的韧度值更符合实际。试验原理如图14-6所示。
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(五)疲劳
    交变应力 :载荷所产生的应力的大小和方向呈周期性变化 。
    疲劳:零件在其远低于该材料的强度极限、甚至低于屈服极限的交变应力作用下发生断裂的现象。
    许多汽车零件,如齿轮、钢板弹簧、曲轴等在工作时承受的载荷所产生的应力都是交变应力。容易发生疲劳或疲劳断裂。  
    零件产生疲劳破坏的因素:
   1. 材料的表面或内部的缺陷(如加工刀痕、原有裂纹、软点、夹杂、夹角等应力集中源)
   2. 零件受到交变应力的大小、应力循环次数和应力特性。
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   如图14-7所示,是实验测得的疲劳断裂前应力循环次数N与交变应力σ的关系曲线--疲劳曲线。从曲线可以看出,应力值越低,则断裂前的循环次数No越多。当应时,疲劳曲线与横轴平行,应力低于此值时,材料经无数次应力循环而不断裂,此应力值称为疲劳极限,也叫疲劳强度。
   提高零件的疲劳强度的措施:
   除了改善结构形状,避免内外部应力集中外,还可以通过提高零件表面加工质量或采取各种表面强化的方法来达到,如在零件表面进行喷丸、滚压、抛光及表面热处理等。力降到一定值 
  二、金属的物理、化学性能及工艺性能 
(一)物理性能:金属材料的物理性能主要包括密度、熔点、导热性、热膨胀性、磁性和电阻率等。
不同用途的零件对物理性能的要求也不同。如散热器水箱要选用导热性好的材料;发动机活塞应选用比重轻的铝合金。
常用金属的物理性能见表14-1(查看此表)。
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表14-1  常用金属的物理性能 
(二)化学性能:金属的化学性能是指在室温或高温条件下发生或抵抗各种化学作用的能力。在工程上常指金属抵抗活泼介质的化学侵蚀的能力,包括抗氧化性和抗腐蚀性。
工作于恶劣环境下的零件选择材料时应注意其化学性能。
(三)工艺性能:工艺性能是指金属材料接受加工成型的能力。它包括铸造性能、压力加工性能、焊接性能、切削加工性能及热处理性能等。
在设计及制造零件时,要综合考虑材料的选择及加工方法,这时必须考虑金属材料的工艺性能。如灰口铸铁铸造性能好,但其压力加工及焊接性能较差,故广泛应用于铸造形状复杂、尺寸较大的零件。
第二节 汽车常用碳素钢、铸钢及其热处理
一、碳素钢的基本知识
 钢铁材料(铁碳合金):以铁(Fe)为基础的铁碳合金统称为钢铁材料。它是由多种元素组成的多成份的复杂合金,但最基本是由铁和碳两种元素组成,因此通常称为铁碳合金。 碳素钢(碳钢):碳的质量分数低于2.11%的铁碳合金称为碳素钢,简称碳钢 。碳素钢的机械性能可以满足许多零件和工具的要求,又有良好的工艺性能,而且生产方便,价格低廉,因此在汽车、拖拉机行业得到了广泛应用。 
 铸造生铁 :碳的质量分数大于2.11%的铁碳合金称为铸造生铁。
(一)碳及几种杂质元素对碳素钢性能的影响
1.碳
       碳是决定钢性能的主要元素。当钢中碳的质量分数低于0.77%时,其碳的质量分数愈高,钢的强度和硬度也愈高,而塑性和韧性则愈低。当超过1.0%以后,钢的硬度仍将升高,但钢的强度、塑性和韧性都将显著下降,脆性也增大。
      碳的质量分数对钢的加工工艺性能也有较大的影响。碳的质量分数低的钢强度低、塑性好、容易锻造和冷加工成型(如冷弯、冷冲压、冷挤、冷铆)等。碳的质量分数低的钢其焊接性能良好,采用一般的焊接方法就能获得良好的焊接质量。反之,碳的质量分数高的钢,塑性变形抗力增加,塑性变形能力差而不易冷压力加工成型;钢中随着碳的质量分数增大其可焊接性能也逐渐变差。
2.锰
      锰是炼钢时作为脱氧除硫元素,以锰铁合金形式加入钢中的。锰具有很好的脱氧能力,它与钢液中的氧结合,形成氧化锰(MnO)钢渣,降低钢中氧的质量分数,从而改善钢的质量。锰的另一个重要作用是与硫化合,形成硫化锰(MnS),以消除硫在钢中的有害作用。锰也能溶于铁素体和渗碳体形成(FeMn)3C,提高钢的强度和硬度,但也降低了钢的塑性。碳素钢锰的质量分数一般为0.5%~0.8%时,锰在钢中为有益元素。锰的质量分数再高,可使钢成为各种性能不同的合金钢。
 3.硅
      硅在钢中也是一种有益元素。它能与钢液中的氧化合,形成二氧化硅(SiO2),再与其它氧化物(FeO、MnO、Al2O3)结合形成硅酸盐钢渣,降低钢的氧的质量分数,可使钢质致密。硅在碳钢中质量分数一般小于0.5%,它能溶于铁素体,使铁素体强化,从而使钢的强度、硬度、弹性提高,而塑性、韧性降低。 
 4.硫
      硫是随生铁、废钢和燃料进入钢中的有害元素。硫在钢中不溶于铁,而以FeS形式存在,其熔点为1190℃。而FeS还会与Fe反应形成熔点只有985℃的共晶硫化物(FeS-Fe)分布在晶界上,当对钢铁材料进行轧制和锻造热加工时,由于钢材的热压加工温度均高于共晶硫化物温度,从而造成共晶硫化物在晶界熔化而引起钢材的开裂,这种现象称为“热脆”。
      硫在钢中的质量分数应有严格的控制。普通钢硫的质量分数不得大于0.055%,优质钢和高级优质钢硫的质量分数应分别小于0.040%和0.030%。
 5.磷
      磷也是随同矿石、生铁和废钢进入钢中的有害杂质。磷在钢中全部溶入铁素体中,可使钢的强度、硬度有所提高,却使室温下钢的塑性、韧性急剧降低,尤其是低温更为严重,这种在低温时使钢严重变脆的现象,称为“冷脆”。在易切削钢中适当地提高硫、磷的质量分数,增加脆性,可以提高切削效率,延长刀具寿命。
(二)碳素钢的分类
碳素钢分类方法很多,可按冶炼方法、碳的质量分数、品质、金相组织及用途等进行分类,下面介绍几种主要的分类方法:
1.按钢碳的质量分数分类
      ⑴ 低碳钢:碳的质量分数低于0.25%,在建筑上应用很广,如钢筋、桥梁等。
      ⑵ 中碳钢:碳的质量分数介于0.25%~0.60%,主要用于制造传动机件,如曲轴、连杆、凸轮轴等。
      ⑶ 高碳钢:碳的质量分数高于0.6%(一般不高于1.3%),主要用于制造工具,如锉刀、斧子、锯及弹簧等。   
2.按钢的品质分类
      即根据钢中有害杂质元素的质量分数多少分类。碳钢通常分三类:
      ⑴ 普通碳素钢  钢中S、P质量分数分别不高于0.055%和0.045%。
      ⑵ 优质碳素钢  钢中S、P质量分数均小于0.035%。
      ⑶ 高级优质碳素钢  钢中S、P质量分数分别不高于0.020%和0.030%。
3.按钢的用途分类
      ⑴ 碳素结构钢  主要用于制造机械零件和工程构件(如齿轮、轴、螺钉、桥梁、建筑等的构件)。其碳的质量分数在0.70%以下。
      ⑵ 碳素工具钢  主要用于制造刀具、量具、模具。这类钢都是高碳钢,一般碳的质量分数在0.7%~1.35%之间。
二、碳素钢在汽车中的应用 
  碳素结构钢按品质可分为普通碳素结构钢和优质碳素结构钢。
    (一)普通碳素结构钢 
    普通碳素结构钢简称为普通碳钢。
    1.普通碳素结构钢的牌号、力学性能,普通碳钢的牌号表示方法由4部分组成。
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例如Q215—A·F,Q——表示钢材的屈服点(“屈”字汉语拼音的字头);215——表示钢材的屈服强度σs≤215MPa;A——表示钢材的品质为A等级(A、B、C、D等级是指其硫和磷有害杂质质量分数依次降低);F——冶炼的脱氧方法,即沸腾钢(“沸”字汉语拼音字头)。
    注:TZ即特殊镇静钢“特镇”汉语拼音字头,在牌号表示时“Z”与“TZ”代号可以省略不写。
    普通碳素结构钢的力学性能如表14-2所示(点此看表)。
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表14-2   普通碳素结构钢的力学性能 
 
 
2.普通碳素结构钢的应用
普通碳素结构钢含硫、磷及其它非金属杂质较多,但价格便宜,产量高,所以大量用于金属结构或汽车上要求不高的零件。
    Q195、Q215、Q235等几种钢的塑性较高,焊接性能良好,适用于金属构件的制造;而Q255、Q275钢的强度较高,适用于制造承受中等载荷的机械构件,普通碳素结构钢在汽车上的应用如表14-3所示(点此看表)。
 
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表 14-3   普通碳素结构钢在汽车上的应用
(二)优质碳素结构钢
  优质碳素结构钢按其锰的质量分数,又分为:普通锰的质量分数的优质碳素结构钢和较高锰的质量分数的优质碳素结构钢。
    1.普通锰的质量分数的优质碳素结构钢牌号、力学性能 
    当钢中碳的质量分数≤0.25%,锰的质量分数在0.35%~0.65%范围内,以及钢中的碳的质量分数>0.25%,其锰的质量分数在0.5%~0.8%之间,其牌号表示是:用两位数字代表钢的平均碳的质量分数,以0.01%为单位,即这两位数字等于平均碳的质量分数的“%”前的数字乘以100。而锰的质量分数则不需表示。
    例如,15号钢,表示碳的质量分数大约为0.15%的普通优质碳素结构钢。又如,40钢,40表示钢中的平均碳的质量分数为0.40%,其钢号写成40钢。
    优质碳素结构钢的牌号和力学性能如表14-4。(点此看表)
 
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表 14-4  优质碳素结构钢的力学性能 
 
2.锰的质量分数较高的优质碳素结构钢的牌号、力学性能 
当钢中碳的质量分数在0.15%~0.60%范围的优质碳素结构钢,其锰的质量分数在0.70%~1.00%范围内;以及当钢中碳的质量分数为0.60%~0.70%时,其锰的质量分数在0.90%~1.20%的范围内。因其锰的质量分数较高而被称为较高锰的质量分数的优质碳素结构钢。
     这类钢的牌号是用两位数字表示钢中平均碳的质量分数,以0.01%作单位,并在这两位数字后面标上“锰”字或元素符号“Mn”。
     例如,15Mn(或15锰),其中15表示该钢的平均碳的质量分数为0.15%的优质碳素结构钢。
     该类钢的牌号及机械性能如表14-5所示(点此看表)。
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表 14-5  含锰量较高的优质碳素结构钢的力学性能 
 
3.优质碳素结构钢的应用
优质碳素结构钢中有害杂质硫、磷含量较少,钢厂既保证钢的化学成分又保证钢的机械性能。这类钢多在热处理后广泛使用,用于制造要求较高的零件。
      08F、08、10等钢的碳的质量分数较低、塑性好,广泛应用于冷冲压成型构件,如汽车驾驶室外壳、油箱等。
      15、20等几类钢塑性好,有良好的冷冲压性能和焊接性能,用于冷冲压构件和需经过热处理(如渗碳、氮化)而尺寸较小但需承受一定载荷的零件,如变速叉等。
      30、35、40、45等钢,经调质处理后具有良好的综合机械性能,广泛应用在曲轴、齿轮、凸轮轴、从动轴等零件的制造。
      60、65、65Mn等属于碳素弹簧钢,这几类钢经过热处理后,可用于要求具有较高韧性和强度的弹性零件或耐磨零件。
      优质碳素结构钢在汽车上的应用如表14-6。(点此看表)
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 表14-6  优质碳素结构钢在汽车上的应用 
三、铸钢在汽车中的应用
  铸钢的机械性能有些已达到或接近碳素钢的性能,而且随着铸造工艺的提高,铸件成品率也很高,并且锻造无法锻造的形状复杂、尺寸大的工件,用铸造的方法却很容易实现,因此铸钢件在重型机械、冶金设备、运输机械等各个领域得到广泛应用。
    (一)铸钢的牌号、力学性能
     铸钢牌号是用“铸钢”两字的汉语拼音字头“ZG”代表。旧的铸造用铸钢在“ZG”后面标出一组数字,用以表示该铸钢的平均碳的质量分数,以0.01%作单位(旧标准作为常识介绍);新的铸钢牌号是在“ZG”后面标出两组数字,以表示屈服强度和抗拉强度。
      例如,ZG230—450则表示屈服强度(σs)为230MPa、抗拉强度(σb)为450MPa的工程用铸钢。
      常用铸钢的牌号、力学性能如表14-7(旧)和表14-8(新)。
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表14-7 铸钢碳钢的力学性能(旧) 
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表 14-8  工程用铸钢的牌号、力学性能 
(二)铸钢的应用
   ZG200-400和ZG330-450两类工程铸钢因塑性、韧性较好,并有一定的焊接性能,所以被应用在阀体、机架、大型减速箱外壳等构件的制造。
     ZG270-500、ZG310-570,其强度和切削加工性能比较好,应用于制动轮、轧辊、轧钢机机架、大齿轮、曲轴、横梁等零件制造。
     ZG390-640,其强度与硬度较高、耐磨性好、焊接性差、裂纹倾向性大,一般用于需要耐磨的棘爪、叉头等零件的制造。
     铸钢在汽车上的应用如表14-9所示。 
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四、钢的热处理
  热处理是将钢在固态加热到一定温度,并在此温度保持一定时间,然后以选定的冷却速度冷却,改变钢的内部组织,从而改善钢的性能的一种工艺方法。因此热处理是强化钢材、使其发挥潜在能力的重要工艺措施。汽车、拖拉机工业中70%~80%的零件需经过热处理这道工序。
     钢的热处理分为普通热处理和表面热处理两类。普通热处理按加热温度和冷却速度的不同又分为退火、正火、回火和淬火;表面热处理又分为表面淬火和化学热处理。
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