材料的性能

课题: 汽车常用材料（一）

一、教学目的： 1、掌握材料的物理性能。 2、了解材料的化学性能。 3、了解材料的工艺性能。 4、掌握材料的力学性能。

二、教学重点： 常用金属材料的力学性能。 三、教学难点： 材料的工艺性能。 四、教学时数： 2学时，其中实践性教学 学时。 五、习题：

1、什么是材料的强度、塑性和硬度？它们各有哪些主要指标？ 2、什么是冲击韧性？怎么衡量其大小？ 3、金属材料的工艺性能包括哪些内容？

六、教学后记：

汽车常用材料

一、基本知识讲解：

汽车工程材料是汽车制造、使用以及维修中常用的材料，是材料科学的一个分支。目前，汽车正朝着高速、经济、舒适、安全、环保的方向发展，特别是近年来人们对环保的高度重视，对汽车工程材料提出了更高的要求，因而在

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汽车产品设计及其制造与维修过程中，材料的选用问题将日趋突出。汽车工业已是世界各国的支柱产业之一，在汽车制造工业中应用最广泛的仍是金属材料。随着科学技术的不断进步，高性能金属材料和高性能非金属材料在汽车上的应用范围将扩大。 1．1材料的性能

材料的性能包括以下两个方面：

① 使用性能。是指材料在正常使用条件下，零部件材料所表现出来的性能，

如物理性能、化学性能、工艺性能和力学性能。

材料的使用性能决定了材料的使用范围、安全可靠性和使用寿命。 ②工艺性能。即反应金属材料在被制成各种零件、构件和工具的过程中，材料适应各种冷、热加工的性能，主要包括铸造、锻造、压力加工、焊接、切削加工、热处理等方面的性能。

材料的工艺性能直接影响着零部件的质量，是零部件选材和制订加工工艺路线时必须考虑的因素之一。

汽车应用材料主要以金属材料和非金属材料为主。 一、金属材料的使用性能 1．金属材料的物理性能

金属材料的物理性能包括密度、熔点、导电性、导热性、热膨胀性、磁性等。 ⑴密度：物质单位体积所具有的质量称为密度。其单位是kg/m3或g/cm3。

一般把密度小于5×103kg/m3的金属称为轻金属；而把密度大于5×103kg/m3的金属称为重金属。

如：铁的密度为7.85g/cm3；金属中最轻的镁的密度为1.74g/cm3；最重的是铂，密度为21.45g/cm3。

⑵熔点：在缓慢加热条件下，金属或合金由固体状态熔化为液体时的温度叫熔 点。常用摄氏温度来表示。金属都有固定的熔点。合金的熔点则和其化学成分 有关。不同熔点的金属有不同的用途。熔点高的金属称为难熔金属（如W、Mo、 V等），常用语制造耐高温零件；熔点低的金属称为易熔金属（如Sn、Pb等），

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常用于制造熔丝等，可保护电器设备不会因为电流突然增大而烧坏。 ⑶导电性：材料传导电流的性能称为导电性。

一般来说，金属材料都具有较好的导电性，其中银（Ag）的导电性最好，其次是铜（Cu）、铝（Al）。工业上常用导电性好的铜、铝或它们的合金作为导电结构材料，工程中为减少电能损耗，常采用纯铜或纯铝作为输电导体；用导电性差的金属作为高电阻材料，如Ni、Cr合金和Cr、Fe、Al合金等做电热元件或电热零件；采用导电性的材料，如Fe-Cr、Ni-Cr、Fe-Cr-Al等合金以及硅碳棒等作为加热元件。

⑷导热性：材料传导热量的能力称为导热性。

热导率越高，导热性越好。纯金属的导热性比合金好，如银、铜导热性最好，铝次之。非金属中，碳（金刚石）的导热性最好。合金钢的导热性比碳钢差，因此，合金钢在进行热处理时的加热速度应缓慢，以保证工件或坏料内外温差小，减少变形或开裂倾向。

⑸热膨胀性：金属材料随着温度升高而体积发生增大的现象称为热膨胀性。物

质都有受热体积膨胀而受冷体积收缩的性能。

实际工作中应该考虑到热膨胀的影响。例如在铺设铁轨时，在两根铁轨衔接处应留有一定的空隙，以便使铁轨在长度方向有膨胀的余地；用精密量具测量工件时，必须保持在室温甚至恒温，以免因热胀冷缩影响测量结果；工程中装配轴承时的应用。

⑹．磁性：材料在磁场中能被磁化或导磁的能力或材料受磁场作用的性能称为

导磁性或磁性。

具有显著磁性的材料称为磁性材料。目前的磁性材料有金属和陶瓷两类：金属磁性材料，也称为铁磁材料，常用的有Fe、Co、Ni等金属及其合金；陶瓷磁性材料，通称铁氧体。 2．金属材料的化学性能

材料的化学性能是指材料抵抗其周围介质侵蚀的能力。如有些金属在高温时会生成厚厚的一层氧化皮，而耐热钢却不会生成氧化皮。

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⑴．耐蚀性：金属材料在常温下抵抗周围介质侵蚀的能力称为耐蚀性。

腐蚀包括化学腐蚀和电化学腐蚀两种。

①化学腐蚀：一般是在干燥气体及非电解液中进行的，腐蚀时没有电流产生。 ②电化学腐蚀：是在电解液中进行的，腐蚀时有微电流产生。

合金化或进行表面处理是提高模具钢耐蚀性的主要方法。

⑵．抗氧化性：金属材料在高温下对周围介质中的氧与其作用而损坏的抵抗能

力称为抗氧化性。 3．金属材料的力学性能

材料在外力作用下表现的一些性能（如强度、刚度、韧性等），称为材料的力学性能。

金属材料在进行各种加工以及制成零件或工具后的使用过程中，都要受到各种外力的作用。把金属材料所受的外力称为“载荷”，根据载荷对金属材料作用的方式、速度、持续性等的不同，可将载荷分为如下几类： ①静载荷。其大小不变或变化过程缓慢。 ②冲击载荷。是指突然增加的载荷。

③交变载荷。其大小和方向随时间周期性变化。

当工件材料受外力作用时，原来的平衡状态遭到破坏，材料中任何一个小单元与其临近的各小单元之间就诱发了新的力。称为内力。单位截面上的内力，称为应力，用б表示。

材料在外力作用下引起形状和尺寸改变，称为变形。

金属材料在的力学性能包括强度、硬度、刚度、弹性、塑性、伸长率（断后伸长率）、收缩率、断面收缩率、韧性等。

⑴强度：材料在外力的作用下抵抗永久变形和断裂，而不被破坏的能力称为强度。

根据外力作用的性能，由于受力种类不同，载荷作用的方式不同，强度可分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗扭强度五种。一般情况下，多以抗拉强度作为判断金属材料强度的标准。

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影响强度的因素很多，钢的含碳量、晶粒度、金相组织、碳化物的类型、形状、大小及分布，残留奥氏体量、内应力状态等都对强度有显著影响。 从图2-1中可以看出下面几个变形阶段： （1）Oe———弹性变形阶段 （3）sb———强化阶段

（2）es———屈服阶段

（4）bk———缩颈阶段

⑵、硬度：材料抵抗另一种更硬物体压入产生压痕或划痕、局部变形特别是塑

性变形的能力或性能称为硬度。

硬度是衡量金属材料软硬程度的一种性能指标。生产上往往用硬度作为衡量工件的耐磨性和强度的依据。硬度是各种零件和工具必备的性能指标。硬度分为布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等。

硬度的大小主要取决于化学成分和组织。钢完全淬火变成马氏体的硬度取决于马氏体的含碳量，而合金元素的影响不大。

⑶、刚度：材料在受力时抵抗弹性变形的能力称为刚度。它表示材料弹性变形

的难易程度。

⑷、弹性：金属材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，具有恢复原有形

状和大小的能力，称为弹性。即金属材料不发生塑性变形的能力。 ⑸、塑性：材料在外力作用下产生变形而不致破裂，并在外力取消后，仍能保

持变形后的形状的能力（或材料断裂前不发生不可逆转变形的能力）称为塑性。

衡量金属材料的塑性好坏，通常采用断后伸长率和断面收缩率来表示。 ①断后伸长率是指拉伸试样拉断后长度增加的相对百分数。

②断面收缩率是指拉伸试棒经拉伸变形和拉断后，截面部分截面的缩小量 与原始截面之比。

⑹、韧性：材料在冲击载荷作用下抵抗产生裂纹的一个特性。也就是金属材料

在断裂前吸收变形能量的能力。常用冲击韧度来评定。冲击韧度值越大，表示材料的韧性越好。

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4、金属材料的工艺性能

用金属材料制造各种零件时，首先需要对其进行各种加工，因此，还必须进一步了解其各种工艺性能。金属材料的工艺性能是指金属材料是否易于加工成型的性能。

根据不同的工艺方法，工艺性能一般包括铸造性能、锻造性能、焊接性能 切削加工性能和热处理工艺性能等。

⑴铸造性能：铸造性能是指液体金属材料是否易于铸成优质铸件的性能。 铸造性能的好坏主要决定于液体金属的流动性、收缩性及偏析倾向等。 ①流动性：液体金属充满铸型型腔的能力称为流动性。流动性的好坏主要与金属材料的化学成分、浇铸温度和熔点高低有关。例如，铸铁的流动性比钢好，易于铸造出形状复杂的铸件。同一金属，浇铸温度越高，其流动性越好。 ②收缩性：金属材料从液体凝固成固体时，其体积收缩程度称为收缩性。收缩性的大小主要取决于材料的种类和成分。

③偏析：偏析是由于凝固或固态相变而导致的合金中化学成分的不均匀分布。产生偏析会使金属材料的强度、塑性、耐磨性下降。产生这种现象的主要原因是合金凝固温度范围大，浇铸温度高，浇铸速度及冷却速度快。

⑵焊接性：焊接性能是指金属材料用焊接方法获得预期质量要求的优良焊接接头的性能。

焊接性能的好坏与材料的化学成分及采用的工艺有关。钢中含C量越高，其焊接性能就越差。一般来说，低碳钢的焊接性能优良，高碳钢的焊接性能较差；合金钢的焊接性能比碳钢差，铸铁的焊接性能更差。焊接接头不易产生裂纹、气孔和夹渣缺陷，而且具有较高的力学性能。

⑶可锻性（锻造性能）：金属材料的可锻性能是指在压力加工时，能改变形状而不产生裂纹的性能，改变其原来形状而不破坏的性能。它与金属材料的塑性和强度有直接的关系，强度低、塑性好的金属具有较好的锻造性能。 ①锻压性：金属承受压力加工的能力。

②锻接性：把两块金属加热到熔点以下附近温度，加上锻接剂，再加锤击，使

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两块金属结合在一起的难易程度叫锻接性。

⑷熔接性：把两块金属接触，然后用氧气、乙炔或电弧热使金属部分熔化结合在一起的难易程度叫熔接性。

⑸切削加工性：是指金属材料是否易于被刀具切削的性能。金属承受切削加工的能力称为切削性。

切削性好的金属材料，刀具磨损小，加工表面粗糙度低。切削加工性能的好坏与金属材料的硬度、塑性、韧性、导热性及金属的内部结构有关。一些高合金钢的切削性能较差。

磨削加工性：是否易于磨削的性能。与金属材料的耐磨性有关。

⑹热处理工艺性能：热处理工艺性能是指金属材料通过热处理后改变或改善其性能的能力。

对于钢而言，热处理工艺性能主要包括淬透性、淬硬性、氧化和脱碳、变形及开裂等。通过热处理，可以改善钢制工件的切削加工性，提高其力学性能，延长其使用寿命。

①、淬透性：表示钢在一定条件下淬火时获得淬硬层深度的能力。钢材淬透性好与差，常用淬硬层深度来表示。淬硬层深度越大，则钢的淬透性越好。即高淬透性。钢的淬透性主要取决于它的化学成分，加热温度和保温时间等因素有关。

②、淬硬性：是钢在淬火后所能达到最高硬度的性能。淬硬性主要与钢的化学成分特别是碳含量有关，碳含量越高，则钢的淬硬性越高。 二、教学设计：

物理性能：密度、熔点、导热性、 导电性、热膨胀性、磁性 使用性能 化学性能：耐腐蚀性、抗氧化性 材 工艺性能：铸造性能、锻造性能、焊接性能 切削加工性能、热处理性能 料 力学性能：强度、塑性、硬度、韧性、 第 页 金华职业技术学院教案

疲劳强度、断裂韧度

的 铸造性能 性 锻造性能 能 工艺性能 焊接性能 切削加工性能 热处理功能

三、小结：通过以上内容的学习，了解汽车材料中的性能，重点了解材料的力学性能，并能在实际中有所运用。

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