李亞杰汽車機(jī)械基礎(chǔ)項目4

汽車典型零件選材任務(wù)4.1汽車典型零件主要性能分析汽車發(fā)動機(jī)曲軸用于動力輸出，帶動其他部件運(yùn)動；汽車齒輪安裝在變速器、差速器中，用于將發(fā)動機(jī)的動力傳遞給各軸。曲軸和齒輪的使用工況不同，所承受載荷的性質(zhì)不同，對其制造材料的性能要求也就不同。只有了解汽車常用材料（金屬材料）的主要性能，才能在汽車零件的設(shè)計和制造過程中正確地選擇和使用材料。【任務(wù)描述】齒輪曲軸工藝性能金屬材料的主要性能力學(xué)性能使用性能物理性能化學(xué)性能鑄造性能鍛造性能焊接性能切削加工性能力學(xué)性能是指金屬材料在力的作用下顯示的與彈性和非彈性反應(yīng)相關(guān)或包含應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的性能。力學(xué)性能指標(biāo)強(qiáng)度硬度疲勞強(qiáng)度塑性沖擊韌性（一）力學(xué)性能一、金屬材料的使用性能剛度（一）力學(xué)性能兩個定義：★

載荷:金屬材料在加工及使用過程中所受到的外力?！?/p>

變形:金屬材料受載荷作用而發(fā)生的幾何形狀和尺寸的變化

稱為變形。分類:靜載荷、沖擊載荷、變載荷分類:彈性變形、塑性變形1.剛度剛度是材料彈性變形難易程度的一個象征。剛度越大，金屬材料在一定應(yīng)力作用下，發(fā)生的彈性變形越小。剛度是金屬材料在載荷作用下抵抗彈性變形能力。

拉伸試驗機(jī)低碳鋼圓形橫截面比例試樣強(qiáng)度和塑性是根據(jù)拉伸試驗測定出來的。拉伸試驗是金屬力學(xué)試驗中最基本的試驗。拉伸試驗通常在室溫下進(jìn)行，選用具有代表性的常用材料（低碳鋼或鑄鐵）制成拉伸試驗試樣，在拉伸試驗機(jī)上進(jìn)行。拉伸試驗（GB/T228.1—2021）采用低碳鋼圓形橫截面比例試樣。圖中，d0稱為試樣直徑，L0稱為試樣原始標(biāo)距，Lc稱為試樣平行長度。A.拉伸試驗

試驗時，將試樣兩端夾在拉伸試驗機(jī)上，然后開動拉伸試驗機(jī)，在試樣上慢慢施加拉力F，直到試樣被拉斷為止。縮頸現(xiàn)象屈服彈性變形縮頸斷裂塑性變形開始B.拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線低碳鋼試樣的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線強(qiáng)化（應(yīng)變硬化)在拉伸過程中，試驗機(jī)上的繪圖儀能自動繪出所加拉力F與試樣標(biāo)距延伸DL之間的關(guān)系曲線，稱為拉伸圖或力-延伸曲線。由于拉伸圖與拉伸試樣的幾何尺寸有關(guān)，為消除試樣幾何尺寸的影響，將縱坐標(biāo)的拉力F除以試樣原始橫截面積S0變?yōu)閼?yīng)力，將橫坐標(biāo)的延伸L除以試樣的原始標(biāo)距L0變?yōu)閼?yīng)變e，得到能反映材料力學(xué)性能的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。拉伸過程，大致分為6個階段：①彈性變形階段（曲線oa段）。oa段試樣發(fā)生的是彈性變形，變形完全可逆，即卸除拉力，試樣將恢復(fù)到原始長度，應(yīng)力與應(yīng)變成線性關(guān)系，即符合胡克定律。②滯彈性變形階段（曲線ab段）。ab段試樣發(fā)生的仍是彈性變形，變形仍然可逆，但彈性變形滯后發(fā)生，而且是非線性的，應(yīng)力不與應(yīng)變成線性關(guān)系，此階段相對很短。④屈服變形階段（曲線cde段）。cde段試樣塑性屈服變形不連續(xù)，在試樣的表面可以看到滑移線。c點(diǎn)為不連續(xù)屈服的開始，從c點(diǎn)到d點(diǎn)為第一條滑移線產(chǎn)生。由于突然發(fā)生塑性延伸，其延伸速率超過試驗機(jī)施加的位移速率，因而使力下降，應(yīng)力減小。⑤均勻塑性變形階段（曲線ef段）。進(jìn)入ef段，隨著變形量的不斷增加，試樣呈現(xiàn)強(qiáng)化，稱為“應(yīng)變硬化”。表現(xiàn)為ef段曲線光滑而單調(diào)地上升，但在宏觀上試樣變形均勻。③屈服前微塑性變形階段（曲線bc段）。bc段試樣開始出現(xiàn)連續(xù)的均勻微小塑性變形，此階段也相對很短。⑥局部塑性變形階段（曲線fg段）。拉伸達(dá)到最高點(diǎn)時，試樣最弱橫截面中心處附近產(chǎn)生微小裂紋，并很快擴(kuò)展，導(dǎo)致試樣幾何軟化，使該處橫截面的有效承載面積減小，應(yīng)力亦因此進(jìn)一步升高，使變形集中于縮頸處。而力很快下降，直至到達(dá)g點(diǎn)試樣斷裂。2.強(qiáng)度（1）屈服強(qiáng)度Re：上屈服強(qiáng)度ReH和下屈服強(qiáng)度ReL

上屈服強(qiáng)度為力首次下降前的最大力值對應(yīng)的應(yīng)力，用ReH表示；下屈服強(qiáng)度為不計初始瞬時效應(yīng)時屈服階段中最小的應(yīng)力，用ReL表示。

屈服強(qiáng)度是具有屈服現(xiàn)象材料特有的強(qiáng)度指標(biāo)。當(dāng)金屬材料在拉伸試驗過程中沒有明顯屈服現(xiàn)為象發(fā)生時，應(yīng)測定“規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度RP”。強(qiáng)度是材料在載荷作用下抵抗塑性變形和斷裂的能力。式中，F(xiàn)eH為力首次下降前的最大力，N；FeL為不計初始瞬時效應(yīng)時屈服階段中的最小力，N；S0為試樣的原始橫截面積，mm2。拉伸試驗中具有屈服現(xiàn)象的金屬材料稱為塑性材料，而工程上使用的金屬材料，大多數(shù)沒有明顯的屈服現(xiàn)象，這類金屬材料稱為脆性材料。有些脆性材料，不僅沒有屈服現(xiàn)象，而且也不產(chǎn)生縮頸。鑄鐵的拉伸圖（2）抗拉強(qiáng)度

工程上所用的金屬材料，不僅希望具有較高的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度值，而且希望具有一定的屈強(qiáng)比（屈服強(qiáng)度/抗拉強(qiáng)度）。屈強(qiáng)比越小，零件的安全可靠性越高。屈強(qiáng)比越大，材料強(qiáng)度的有效利用率越高。

抗拉強(qiáng)度的物理意義是表征材料對最大均勻變形的抗力，表征材料在拉伸條件下所能承受最大力的應(yīng)力值，是設(shè)計和選材的主要依據(jù)之一。

抗拉強(qiáng)度是指試樣在屈服階段之后所能抵抗的最大應(yīng)力，用Rm表示。式中，F(xiàn)m為試樣在屈服階段之后所能抵抗的最大力，N；S0為試樣的原始橫截面積，mm2。3.塑性（1）斷后伸長率

塑性是金屬材料在載荷作用下，斷裂前發(fā)生塑性變形（永久變形）而不被破壞的能力。材料斷裂前的塑性變形越大，表示它的塑性越好；反之則表示其塑性越差。

斷后伸長率是指試樣斷裂后的斷后伸長量和原始標(biāo)距的百分比，用A表示。通常，把A≥5%的材料稱為塑性材料，A＜5%的材料稱為脆性材料。式中，L0為試樣的原始標(biāo)距，mm；Lu為試樣的斷后標(biāo)距，mm。（2）斷面收縮率材料的A或Z值越大，表示材料的塑性越好。塑性直接影響到零件的成形加工及使用。例如，鋼的塑性較好，能通過鍛造成形；而灰鑄鐵塑性極差，不能進(jìn)行鍛造。金屬材料經(jīng)塑性變形（屈服）后能得到強(qiáng)化，因此塑性好的零件超載時，仍有強(qiáng)度儲備，比較安全。斷面收縮率是指試樣斷裂后其橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比，用符號Z表示。式中，S0為試樣的原始橫截面積，mm2；Su為試樣拉斷后的最小橫截面積，mm2。4.硬度

硬度是材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃傷的能力。因此，硬度也可以看作是材料對局部塑性變形的抗力。布氏硬度試驗HB

洛氏硬度試驗

HR維氏硬度試驗

HV壓入法

硬度是衡量材料性能的一個綜合性能指標(biāo)。通常材料硬度越高，耐磨性越好，強(qiáng)度也越高。

硬度試驗方法：（1）布氏硬度試驗對一定直徑D的碳化鎢合金球施加試驗力F壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定保持時間后，卸除試驗力，測量試樣表面壓痕的直徑。布氏硬度與試驗力除以壓痕表面積的商成正比，用符號HBW表示。式中，d為壓痕平均直徑，mm；d1、d2為在兩相互垂直方向測量的壓痕直徑，mm；h為壓痕深度，mm；D為球形壓頭直徑，mm；F為所加試驗力，N。布氏硬度計布氏硬度值標(biāo)注方法為布氏硬度符號HBW前面注明硬度數(shù)值。例如，500HBW表示測得的布氏硬度值為500。優(yōu)點(diǎn)：測量誤差小（因壓痕大），數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性強(qiáng)。缺點(diǎn)：壓痕面積較大，測量費(fèi)時，不能用于太薄件、成品件及比壓頭還硬的材料。應(yīng)用：常用于測量較軟材料、灰鑄鐵、有色金屬、退火正火鋼材的硬度。不適于測量成品零件或薄件的硬度。（2）洛氏硬度試驗初試驗力F0總試驗力F主試驗力F1F=F0+F1將頂角為120°的金剛石圓錐體壓頭按照兩級試驗力壓入試樣表面，初試驗力F0加載后，測量初始壓痕深度。隨后施加主試驗力F1，增加至總試驗力F。經(jīng)規(guī)定保持時間后，卸除主試驗力F1，保持初試驗力F0時，測量最終壓痕深度。X—時間Y—壓頭位置1—初試驗力下的壓入深度2—主試驗力引起的壓入深度3—卸除主試驗力后的彈性回復(fù)深度4—?dú)堄鄩汉凵疃?—試樣表面6—測量基準(zhǔn)面7—壓頭位置8—壓頭深度相對時間的曲線洛氏硬度計洛氏硬度根據(jù)最終壓痕深度和初始壓痕深度的差值h及常數(shù)N和S通過下式計算得出，用符號HR表示。式中，N為給定標(biāo)尺的全量程常數(shù)；S為給定標(biāo)尺的標(biāo)尺常數(shù)，mm；h為殘余壓痕深度，mm。洛氏硬度值標(biāo)注方法為硬度符號HR前面注明硬度數(shù)值。例如，52HRC表示洛氏硬度值為52。測量操作簡單，方便快捷，壓痕??；測量范圍大，能測較薄工件。測量精度較低，可比性差，不同標(biāo)尺的硬度值不能比較。例如：

50HRC<70HRA×50HRD>40HRC×優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：應(yīng)用：可用于成品檢驗和薄件表面硬度檢驗。不適于測量組織不均勻材料。（3）維氏硬度試驗維氏硬度的試驗原理與布氏硬度的試驗原理基本相同。將頂部兩相對面夾角為136°的正四棱錐體金剛石用一定的試驗力F（≥49.3N）壓入試樣表面，保持規(guī)定時間后，卸除試驗力，測量試樣表面壓痕對角線長度。維氏硬度與試驗力除以壓痕表面積的商成正比，用符號HV表示。壓痕被視為具有正方形基面并與壓頭角度相同的理想形狀。式中，F(xiàn)為所加試驗力，N；d為兩壓痕對角線長度d1和d2的算數(shù)平均值，mm。維氏硬度計

特點(diǎn)：維氏硬度試驗所測得的壓痕輪廓清晰，數(shù)值較準(zhǔn)確，測量范圍廣，采用較小的壓力即可測量硬度高的薄件（如硬質(zhì)合金、滲碳層、滲氮層），而不至于將被測件壓穿。維氏硬度值標(biāo)注方法為維氏硬度符號HV前面注明硬度數(shù)值。例如，640HV表示測得的維氏硬度值為640。5.沖擊韌性

沖擊韌性（簡稱韌性）是材料在沖擊載荷的作用下，斷裂前吸收變形能量的能力。

夏比沖擊試驗是一種常用的評定金屬材料韌性指標(biāo)的動態(tài)試驗方法。將規(guī)定幾何形狀的缺口（V型或U型）試樣置于試驗機(jī)兩支座之間，缺口背向打擊面放置，用擺錘一次打擊試樣，測定試樣的吸收能量K。由于大多數(shù)材料沖擊值隨溫度變化，因此試驗應(yīng)在規(guī)定溫度下進(jìn)行。當(dāng)不在室溫下試驗時，試樣必須在規(guī)定條件下加熱或冷卻，以保持規(guī)定的溫度。沖擊試驗原理示意圖沖擊吸收能量K的大小直接由試驗機(jī)的刻度盤上讀出。V型缺口試樣和U型缺口試樣的沖擊能量分別用KV和KU表示。用KV和KU（J）除以試樣缺口處的截面積S（cm2），即得到?jīng)_擊韌度，用aK表示，其單位為J/cm2。與K相比，aK沒有明確的物理意義，只是一種數(shù)學(xué)表達(dá)方法。所以，現(xiàn)在多用沖擊吸收能量K作為材料韌性的判據(jù)。一般把沖擊吸收能量低的材料稱為脆性材料，沖擊吸收能量高的材料稱為韌性材料。沖擊吸收能量或沖擊韌度值越大，承受的沖擊載荷也越大。Titanic鋼板強(qiáng)度高，韌性很差，特別是在低溫呈脆性，沖擊試樣是典型的脆性斷口，近代船用鋼板的沖擊試樣則具有相當(dāng)好的韌性。

Titanic鋼板（左圖）和近代船用鋼板（右圖）的沖擊試驗結(jié)果Titanic沉沒原因：

疲勞強(qiáng)度是衡量金屬疲勞的指標(biāo)。金屬材料在無限多次交變載荷作用下而不破壞的最大應(yīng)力，稱為疲勞強(qiáng)度（或疲勞極限）。6.疲勞強(qiáng)度

金屬材料在交變應(yīng)力或應(yīng)變作用下產(chǎn)生裂紋或失效，材料性能的變化過程稱為疲勞。

金屬材料在疲勞現(xiàn)象下，在一處或幾處產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的過程，稱為疲勞斷裂（或疲勞破壞）。

一般試驗（GB/T4337—2015）規(guī)定，鋼在經(jīng)受107次、有色金屬或某些高強(qiáng)度鋼經(jīng)受108次交變載荷的作用下不產(chǎn)生斷裂時的最大應(yīng)力稱為疲勞強(qiáng)度。當(dāng)施加的交變應(yīng)力是對稱循環(huán)應(yīng)力時，所得的疲勞強(qiáng)度用σ-1表示。

彗星（Comet）客機(jī)是英國的德·哈維蘭公司（deHavilland）研制的歷史上第一種噴氣式民航客機(jī)。DeHavillandComet墜毀原因：彗星1型客機(jī)

長時間飛行以及頻繁起降使機(jī)體反復(fù)承受增壓和減壓，而引發(fā)金屬疲勞是發(fā)生“彗星”1型客機(jī)解體墜毀事故的原因。1953年-1954年期間，接連發(fā)生了3次墜毀事故。

Comet空難奪去了68人的生命。增壓座艙方形舷窗（二）物理性能

1.密度金屬材料單位體積內(nèi)的質(zhì)量稱為密度。在體積相同的情況下，金屬材料的密度越大，其質(zhì)量也越大。

2.熔點(diǎn)金屬材料從固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變時的溫度稱為熔點(diǎn)。熔點(diǎn)高的金屬稱為難熔金屬，可用來制造耐高溫零件；熔點(diǎn)低的金屬稱為易熔金屬，可用來制造熔斷絲和防火安全閥等零件。

3.導(dǎo)熱性金屬材料傳導(dǎo)熱量的性能稱為導(dǎo)熱性。金屬的導(dǎo)熱性以銀為最好，銅、鋁次之。導(dǎo)熱性好的金屬散熱也好，因此在制造散熱器、熱交換器與活塞等零件時，要選用導(dǎo)熱性好的金屬材料。

4.導(dǎo)電性金屬材料傳導(dǎo)電流的性能稱為導(dǎo)電性。金屬的導(dǎo)電性以銀為最好，銅、鋁次之。導(dǎo)電性好的金屬，如純銅、純鋁適于做導(dǎo)電材料；導(dǎo)電性差的金屬，如鐵鉻鋁合金適于做電熱元件。

5.熱膨脹性金屬材料隨溫度變化而膨脹、收縮的特性稱為熱膨脹性。在實際工作中要考慮熱膨脹性的場合很多，例如，軸與軸瓦之間要根據(jù)熱膨脹性來控制其間隙尺寸；測量工件的尺寸時，要注意熱膨脹性的影響，以減小測量誤差。金屬材料的物理性能是指金屬固有的屬性。（三）化學(xué)性能

化學(xué)性能是指金屬材料在常溫或高溫條件下抵抗外界介質(zhì)對其化學(xué)侵蝕的能力。

1.耐腐蝕性金屬材料在常溫下抵抗氧、水蒸氣及其他化學(xué)介質(zhì)腐蝕破壞作用的能力稱為耐腐蝕性。腐蝕對金屬材料的危害很大，它不僅使金屬材料本身受到損傷，嚴(yán)重時還會使金屬零部件遭到破壞，引起重大的傷亡事故。因此，提高金屬材料的耐腐蝕性，對于節(jié)約金屬、延長金屬材料的使用壽命，具有現(xiàn)實的經(jīng)濟(jì)意義。

2.抗氧化性金屬材料在加熱時抵抗氧化作用的能力稱為抗氧化性。金屬材料的氧化隨溫度的升高而加速。例如，鋼材在鑄造、鍛造、熱處理、焊接等熱加工過程中，氧化比較嚴(yán)重，這不僅造成材料過量的損耗，也可形成各種缺陷。因此，在加熱時，常在工件的周圍提供一種還原或保護(hù)氣體，以避免金屬材料的氧化。

3.化學(xué)穩(wěn)定性化學(xué)穩(wěn)定性是金屬材料的耐腐蝕性和抗氧化性的總稱。金屬材料在高溫下的化學(xué)穩(wěn)定性稱為熱穩(wěn)定性。在高溫條件下工作的零部件，需要選擇熱穩(wěn)定性好的材料來制造。二、金屬材料的工藝性能工藝性能是指金屬材料在被制造成機(jī)械零件或工具的過程中，適應(yīng)各種冷加工和熱加工的性能。工藝性能往往是由物理性能、化學(xué)性能和力學(xué)性能綜合作用所決定的，不能簡單用一個物理參數(shù)來表示。零件的制造過程：1.鑄造性能2.鍛造性能3.焊接性能4.切削加工性能3.焊接性能鑄造性能是指金屬材料在鑄造成形時獲得優(yōu)良鑄件的難易程度。焊接性能是指金屬材料獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。切削加工性能是指金屬材料被切削加工的難易程度。鍛造性能是指金屬材料在經(jīng)受壓力加工時獲得合格零件的難易程度。1.鑄造性能2.鍛造性能4.切削加工性能【任務(wù)實施】序號典型零件使用工況與結(jié)果分析主要性能分析1

發(fā)動機(jī)曲軸①曲軸在工作中是否受到彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切、沖擊等交變應(yīng)力的作用，容易出現(xiàn)疲勞斷裂現(xiàn)象？

是

否②曲軸的形狀是否極不規(guī)則，其上的應(yīng)力分布是否極不均勻？

是

否③曲軸軸頸與軸承之間是否會發(fā)生滑動摩擦，軸頸是否會嚴(yán)重磨損？

是

否①具有高的

、一定的

，以抵抗沖擊載荷。②具有足夠的

和扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度，以抵抗彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷。③具有足夠的

，以抵抗曲軸磨損變形。④軸頸表面具有高的

和

。