任务一 汽车常用材料主要性能分析

任务引入

发动机曲轴用于动力输出，并带动其他部件运动；发动机活塞承受气体压力，并通过活塞销传给连杆驱使曲轴旋转；汽车齿轮主要分装在变速器和差速器中，汽车上发动机的动力均通过齿轮传给车轴，推动汽车运行。由于汽车曲轴、活塞、齿轮（见图1-1）的使用工况不同，因而，对其使用性能的要求也就不同。那么，对汽车曲轴、活塞、齿轮的主要性能要求有哪些？

任务分析

不同的汽车零件由于所承受载荷的性质不同，使用工况不同，对其使用性能的要求也就不同。只有了解金属材料的主要性能，才能在汽车零件加工和维修过程中正确地选择和使用金属材料。

学习目标

1.掌握汽车常用材料的性能指标。

2.具有对不同汽车零件进行主要性能分析的能力。

相关知识

金属材料的主要性能包括使用性能和工艺性能。使用性能指金属材料在正常工作时应具备的性能，它决定了金属材料的应用范围、使用的可靠性和寿命，包括力学性能、物理性能和化学性能。工艺性能指金属材料在冷、热加工过程中应具备的性能，它决定了金属材料的加工方法，包括铸造性能、锻造性能、焊接性能和切削加工性能。

一、金属材料的使用性能

（一）力学性能

材料在外力的作用下所表现出来的特性，称为力学性能，其主要指标有强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳强度等。上述指标既是选材的重要依据，又是控制、检验材料质量的重要参数。

材料受外力作用时，会发生尺寸与形状的改变，这种外力称为载荷，尺寸和形状的改变称为变形。载荷与变形的关系可用试验的方法测定。

拉伸试验是测定静态力学性能指标的常用方法。试验通常在常温下进行，选用具有代表性的常用材料低碳钢或铸铁做成标准试样，在拉伸试验机（见图1-2）上进行。试验采用国家标准所规定的标准试样，如图1-3所示。试样中间等截面部分的工作长度l₀称为试样标距，d₀称为试样直径。试样标距与试样直径有两种比例关系。l₀=10d₀时，称为长试样；l₀=5d₀时，称为短试样。

试验时，将试样两端夹在试验机上，然后开动试验机，在试样上慢慢施加拉力F，直到试样被拉断为止。在拉伸过程中，试验机上的绘图仪能自动绘出所加载荷F与试样标距伸长量Δl之间的关系曲线，称为拉伸曲线或力—伸长曲线。由于拉伸曲线与拉伸试样的几何尺寸有关，为消除试样几何尺寸的影响，将纵坐标载荷F除以试样横截面面积A₀，横坐标伸长量Δl除以试样标距l₀，得到能反映材料力学性能的应力—应变曲线，如图1-4所示。

从图1-4中可以看出，整个拉伸过程，大致可分为4个阶段。

① 弹性阶段（图中OA′段）。OA为直线段，在此阶段，应力与应变呈正比例关系，即符合胡克定律。OA′段内，材料发生的是弹性变形，若卸除拉力，试样能完全恢复到原来的形状和尺寸。

② 屈服阶段（图中BC段）。当拉力继续增加时，试样将产生塑性变形，并且在曲线上出现接近水平的有微小波动的锯齿状线段，说明在此阶段内，应力虽有微小的波动，但基本不变，而应变却迅速增加，表明此时试样暂时几乎失去抵抗变形的能力，这种现象称为材料的屈服。

③ 强化阶段（图中CD段）。屈服后曲线又呈上升趋势，表明试样又恢复了抵抗变形的能力，要使它继续变形就必须增加拉力，这种现象称为材料的强化。

④ 缩颈阶段（图中DE段）。强化阶段后，变形就集中在试样的某一局部区域内，截面尺寸显著减小，出现缩颈现象（见图1-5）。随后，试样承受拉伸力的能力迅速减小，最后试样在缩颈处被拉断。

通过拉伸曲线（应力—应变曲线）可测定材料的强度与塑性。

1.强度

强度是材料在载荷作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。抵抗载荷的能力越大，则强度越高。

材料受到载荷作用会发生变形，同时在材料内部产生一个抵抗变形的内力，其大小和载荷（外力）相等，但方向相反。

在单位截面面积上产生的内力称为应力，单位为Pa（帕），即N/m²。工程上常用MPa（兆帕），1MPa=10⁶Pa=1N/mm²。

（1）屈服强度

由图1-4可知，当载荷增加到F_s时，在不再继续增加载荷的情况下，试样仍能继续伸长，这种现象称为屈服。将开始发生屈服现象时的应力，也即开始出现塑性变形时的应力，称为材料的屈服强度，用σ_s表示。

式中，F_s为试样屈服时所承受的最小载荷，N；A₀为试样的原始横截面面积，mm²。

屈服强度是具有屈服现象材料特有的强度指标。当金属材料在拉伸试验过程中没有明显屈服现象发生时，应测定“规定残余伸长应力”。σ_0.2表示试样产生0.2%残余伸长的应力。

（2）抗拉强度

当载荷超过F_s以后，试样将继续变形。载荷达到最大值后，试样产生缩颈，有效截面急剧减小，直至断裂。抗拉强度是试样在断裂前所能承受的最大应力，用σ_b表示。

式中，F_b为试样断裂前所承受的最大载荷，N；A₀为试样的原始横截面面积，mm²。

抗拉强度的物理意义是表征材料对最大均匀变形的抗力，表征材料在拉伸条件下所能承受最大力的应力值，它是设计和选材的主要依据之一，是工程技术上的主要强度指标。

工程上所用的金属材料，不仅希望具有较高的σ_s、σ_b值，而且希望具有一定的屈强比（σ_s/σ_b）。屈强比越小，零件的安全可靠性越高。屈强比越大，材料强度的有效利用率越高。

2.塑性

塑性是材料断裂前发生不可逆塑性变形的能力。材料断裂前的塑性变形越大，表示它的塑性越好；反之则表示其塑性越差。常用的塑性指标是断后伸长率和断面收缩率。

（1）断后伸长率

断后伸长率是指试样断裂后的标距伸长量和原始标距的百分比，用δ表示。

式中，l₀为试样原始的标距长度，mm；l₁为试样断裂后的标距长度，mm。

拉伸试样使用长试样时，测定的断后伸长率用符号δ₁₀表示，通常写成δ；使用短试样时，测定的断后伸长率用符号δ₅表示。同一种材料的短试样断后伸长率δ₅大于长试样的断后伸长率δ₁₀。通常把δ≥5%的材料称为塑性材料，δ＜5%的材料称为脆性材料。

（2）断面收缩率

断面收缩率是指试样断裂后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比，用符号ψ表示。

式中，A₀为试样原始的横截面积，mm²；A₁为试样拉断后缩颈处的最小横截面积，mm²。

断面收缩率与试样尺寸无关，所以它能比较确切地反映材料的塑性。材料的δ或ψ值越大，表示材料的塑性越好。塑性直接影响到零件的成形加工及使用。例如，钢的塑性较好，能通过锻造成形；而灰铸铁塑性极差，不能进行锻造。金属材料经塑性变形（屈服）后能得到强化，因此塑性好的零件超载时，仍有强度储备，比较安全。

3.硬度

硬度是材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划伤的能力。因此，硬度也可以看作是材料对局部塑性变形的抗力。

硬度是衡量材料性能的一个综合的工程量或技术量。通常材料硬度越高，耐磨性越好，强度也越高。测定硬度的方法很多，常用的有布氏硬度测试法、洛氏硬度测试法和维氏硬度测试法。

（1）布氏硬度

布氏硬度的测定是在布氏硬度试验机上进行的，试验原理如图1-6所示。用一定大小的试验力F，把直径为D的淬火钢球或硬质合金球压入被测金属的表面，保持规定时间后卸除试验力，用读数显微镜测出压痕直径d，然后按公式求出布氏硬度HB值，或者根据d从已备好的布氏硬度表中查出HB值。压痕单位表面积上所承受的平均压力即为布氏硬度值，用符号HBS或HBW表示（压头为淬火钢球时用HBS，压头为硬质合金球时用HBW）。

式中，F为所加载荷（试验力），N；A为压痕球冠形表面积，mm²；D为球形压头直径，mm；d为压痕直径，mm；h为压痕深度，mm。

布氏硬度符号HBS和HBW之前的数字为硬度值。例如，500HBW表示用硬质合金球作压头时测得的布氏硬度值为500；200HBS表示用淬火钢球作压头时测得的布氏硬度值为200。

布氏硬度试验的优点是数据准确、稳定，数据重复性强。缺点是压痕较大、易损伤零件表面，不能测量太薄、太硬的试样硬度。这种方法常用来测定退火钢、正火钢、调质钢、铸铁及非铁金属的硬度。

（2）洛氏硬度

洛氏硬度试验是目前应用最广泛的硬度检测试验方法，它采用直接测量压痕的深度来确定硬度值，洛氏硬度试验原理如图1-7所示。它采用的是顶角为120°的金刚石圆锥体作压头。图中0-0为压头没有与试样接触时的位置；1-1为压头受到初试验力F₁后压入试样的位置；2-2为压头受到主试验力F₂后压入试样的位置；经规定的保持时间，卸除主试验力F₂，仍保留初试验力F₁，试样弹性变形的恢复，使压头上升到3-3的位置。此时，压头受主试验力F₂作用压入的深度为h（mm），即1-1位置至3-3位置。金属越硬，h值越小。为适应人们习惯上数值越大，硬度越大的观念，人为地规定一常数K减去压痕深度h的值作为洛氏硬度指标，并规定每0.002mm为一个洛氏硬度单位，用符号HR表示。

由此可见，洛氏硬度是材料的性能指标。使用金刚石压头时，常数K为0.2。洛氏硬度测试比布氏硬度测试更加简便，洛氏硬度值可直接读出。

洛氏硬度没有单位（无量纲），只是根据不同的试验材料、不同的压头和所加压力大小，分HRA、HRB、HRC三种标记。其中HRA与HRC用锥顶角为120°的金刚石圆锥体为压头，采用的总载荷分别为588N和1471N；而HRB值的测定则采用直径1.5875mm的钢球作为压头，总载荷为980N。中等硬度材料可用HRC测量，软材料用HRB测量，较硬材料用HRA测量，其中HRC应用最广。洛氏硬度值标注方法为硬度符号前面注明硬度数值，如52HRC。

洛氏硬度测试可以用于硬度很高的材料，操作简便迅速，而且压痕很小，几乎不损伤工件表面。但由于压痕小，硬度值的代表性就差些。如果材料内部有偏析或组织不均匀的情况，则所测硬度值的重复性就较低，故需在试样不同部位测定三点，取其算术平均值。

以上两种硬度测试相比较，布氏硬度压痕大，不适于成品检验，但硬度值的可重复性好。洛氏硬度的压痕小，可重复性较差，但可用于成品检验，经常用于热处理后成品零件的性能检验。

（3）维氏硬度

维氏硬度的试验原理与布氏硬度基本相同。它是用顶角为136°的四棱金刚石，在较小的载荷F（常用50～1000N）作用下压入被测材料表面，并按规定保持一定时间，然后用附在试验机上的显微镜测量压痕的对角线长度d，以凹痕单位表面积上所承受的压力作为维氏硬度值，用符号HV表示。

维氏硬度法所测得的压痕轮廓清晰，数值较准确，测量范围广，采用较小的压力即可测量硬度高的薄件（如硬质合金、渗碳层、渗氮层），而不至于将被测件压穿。

4.冲击韧性

机械设备中有很多零件要承受冲击载荷的作用。对于承受冲击载荷的零件不能只以强度和硬度指标来衡量，这是因为一些强度较高的金属，在冲击载荷的作用下往往也会发生断裂。因此，对于这些机械零件和工具，还必须考虑金属材料的冲击韧性。

冲击韧性（简称韧性）是材料在冲击载荷的作用下断裂前吸收变形能量的能力。冲击韧性常用冲击吸收功或冲击韧度来表示。

冲击韧度的测定方法是采用摆锤式一次冲击试验方法。将被测材料制成标准缺口（V形或U形）试样，在冲击试验机上由置于一定高度的摆锤自由落下而一次冲断，试验原理如图1-8所示。

将待测材料的标准缺口试样放在冲击试验机的支座上，试样缺口背向摆锤冲击方向。将具有一定重力G的摆锤举至一定高度H，使其具有势能（GH），然后摆锤落下冲击试样，试样断裂后摆锤上摆到h高度。在忽略摩擦和阻尼等条件下，摆锤冲断试样所做的功，称为冲击吸收功，以A_K表示，则有A_K=GH−Gh=G（H−h）。用A_K（J）除以试样的断口处截面积S_N（cm²），即得到冲击韧度，用α_K表示，则

对一般常用钢材来说，所测冲击吸收功A_K或冲击韧度α_K值越大，表示材料的韧性越好，材料抵抗冲击载荷的能力越强，受冲击时越不容易断裂。反之，数值越小，表示材料的韧性越差，材料抵抗冲击载荷的能力越弱，受冲击时越易断裂。

由于温度对一些材料的韧脆程度影响较大，为了确定材料由塑性状态向脆性状态转化的趋势，可分别在一系列不同温度下进行冲击试验，测定出冲击韧度值随试验温度的变化。实验表明，冲击韧度值α_K随温度的降低而减小，当降低到某一温度范围时，材料的α_K值急剧下降。材料由韧性状态向脆性状态转变的温度称为韧脆转变温度。

5.疲劳强度

许多机械零件，如各种轴、齿轮、弹簧等，在工作过程中各点的应力随时间做周期性的变化，这种随时间做周期性变化的应力称为交变应力（也称循环应力）。在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力小于其抗拉强度，甚至小于其屈服强度，但经多次循环后，在没有明显的外观变形时，零件在一处或几处也会产生裂纹或突然发生完全断裂。这种现象称为材料的疲劳。金属材料在疲劳现象下，在一处或几处产生裂纹或突然发生完全断裂的过程，称为疲劳破坏（或疲劳断裂）。疲劳断裂与静载荷下断裂不同，无论是脆性材料还是塑性材料，疲劳断裂都是突然发生的，常常会造成严重事故，具有很大的危险。

反映材料抵抗疲劳性能的指标是疲劳强度。金属材料在无限多次交变载荷作用下而不破坏的最大应力，称为疲劳强度。当施加的交变应力是对称循环应力时，所得的疲劳强度用σ_-1表示。实际上，金属材料并不可能做无限多次交变载荷试验。一般试验时规定，钢在经受10⁷次、有色金属或某些高强度钢经受10⁸次交变载荷作用时不产生断裂的最大应力，称为疲劳强度。

（二）物理性能

金属材料的物理性能是指金属固有的属性，包括密度、熔点、导热性、导电性和热膨胀性等。机械零件的用途不同，对金属材料的物理性能要求也有所不同。

1.密度

金属材料单位体积内的质量称为密度。在体积相同的情况下，金属材料的密度越大，其质量也越大。

2.熔点

金属材料从固态向液态转变时的温度称为熔点。熔点高的金属称为难熔金属，可用来制造耐高温零件；熔点低的金属称为易熔金属，可用来制造熔断丝和防火安全阀等零件。

3.导热性

金属材料传导热量的性能称为导热性。金属的导热性以银为最好，铜、铝次之。导热性好的金属散热也好，因此在制造散热器、热交换器与活塞等零件时，要选用导热性好的金属材料。

4.导电性

金属材料传导电流的性能称为导电性。金属的导电性以银为最好，铜、铝次之。导电性好的金属，如纯铜、纯铝适于做导电材料；导电性差的金属，如铁铬铝合金适于做电热元件。

5.热膨胀性

金属材料随温度变化而膨胀、收缩的特性称为热膨胀性。在实际工作中要考虑热膨胀性的场合很多，例如，轴与轴瓦之间要根据热膨胀性来控制其间隙尺寸；测量工件的尺寸时，要注意热膨胀性的影响，以减小测量误差。

（三）化学性能

化学性能是指金属材料在常温或高温条件下抵抗外界介质对其化学侵蚀的能力。它主要包括耐腐蚀性、抗氧化性和化学稳定性等。

1.耐腐蚀性

金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其他化学介质腐蚀破坏作用的能力称为耐腐蚀性。腐蚀对金属材料的危害很大，它不仅使金属材料本身受到损伤，严重时还会使金属零部件遭到破坏，引起重大的伤亡事故。因此，提高金属材料的耐腐蚀性，对于节约金属，延长金属材料的使用寿命，具有现实的经济意义。

2.抗氧化性

金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力称为抗氧化性。金属材料的氧化随温度的升高而加速。例如，钢材在铸造、锻造、热处理、焊接等热加工过程中，氧化比较严重，这不仅造成材料过量的损耗，也可形成各种缺陷。因此，在加热时，常在工件的周围提供一种还原或保护气体，以避免金属材料的氧化。

3.化学稳定性

化学稳定性是金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性的总称。金属材料在高温下的化学稳定性称为热稳定性。在高温条件下工作的零部件，需要选择热稳定性好的材料来制造。

二、金属材料的工艺性能

金属材料的工艺性能是指材料加工成形的难易程度。工艺性能往往是由物理性能、化学性能和力学性能综合作用所决定的，不能简单用一个物理参数来表示。按照加工工艺的不同，工艺性能可分为铸造性能、锻造性能、焊接性能和切削加工性能等。

1.铸造性能

铸造性能是指金属在铸造生产中表现出的工艺性能。

2.锻造性能

锻造性能是指金属材料在经受压力加工时，获得合格零件的难易程度。

3.焊接性能

焊接性能是指金属材料对焊接成形的适应性，也就是在一定的焊接工艺条件下，金属材料获得优质焊接接头的难易程度。

4.切削加工性能

切削加工性能是指金属材料被切削加工的难易程度。工件材料硬度过高，则刀具易磨损、寿命短，甚至不能切削加工；硬度过低，则容易粘刀，且不易断屑，加工后表面粗糙。所以，硬度过高或过低、韧性过大的材料，其切削加工性能较差。一般金属材料的硬度为150～250HBS时，有较好的切削加工性能。

任务实施

一、汽车曲轴的主要性能分析

1.曲轴的使用工况

汽车发动机曲轴的作用是输出动力，并带动其他部件运动。曲轴在工作中受到弯曲、扭转、剪切、冲击等交变应力的作用。曲轴的形状极不规则，其上的应力分布极不均匀，曲轴颈与轴承还发生滑动摩擦。曲轴的失效形式是疲劳断裂和轴颈严重磨损。

2.曲轴的性能要求

根据曲轴的工况及失效形式，分析曲轴的主要性能要求如下所述。

① 具有高的强度、一定的冲击韧性，以抵抗冲击载荷。

② 具有足够的弯曲和扭转疲劳强度，以抵抗弯曲和扭转载荷。

③ 具有足够的刚度，以抵抗曲轴磨损变形。

④ 轴颈表面具有高的硬度和耐磨性。

二、汽车发动机活塞的主要性能分析

1.活塞的使用工况

汽车活塞在高温、高压、高速、润滑不良的条件下工作。活塞直接与高温气体接触，瞬时温度可达2500K以上，而散热条件又很差，所以活塞工作时温度很高。活塞顶部承受气体压力很大，特别是做功行程压力最大，汽油机可达3～5MPa，柴油机可达6～9MPa，这就使得活塞产生冲击，并承受侧压力的作用。活塞在气缸内以很高的速度（8～12m/s）往复运动，且速度在不断地变化。这就产生了很大的惯性力，使活塞受到很大的附加载荷。活塞在这种恶劣的条件下工作，会产生变形并加速磨损，还会产生附加载荷和热应力，同时受到燃气的化学腐蚀作用。

2.活塞的性能要求

根据活塞的工况，分析活塞的主要性能要求如下所述。

① 要有足够的强度，以抵抗不同载荷。

② 要有足够的刚度，以抵抗变形磨损。

③ 导热性好，耐高压、耐高温，以适应恶劣的工作条件。

④ 耐腐蚀性好，以抵抗燃气的化学腐蚀。

⑤ 质量小、重量轻，尽可能减小往复惯性力。

三、汽车齿轮的主要性能分析

1.汽车齿轮的使用工况

汽车齿轮主要分装在变速器和差速器中，汽车发动机的动力均通过齿轮传给车轴，推动汽车运行。齿轮在变速器中可改变速比，在差速器中可增加扭矩和调节转速。汽车齿轮的齿根受到很大的交变弯曲应力；换挡、启动或啮合不均时，齿部受一定的冲击载荷，齿面相互滚动或滑动接触，产生很大的接触应力及摩擦力。

2.汽车齿轮的性能要求

根据齿轮的工况，分析齿轮的主要性能要求如下所述。

① 齿面有足够的硬度，以抵抗齿面磨损、点蚀、胶合以及塑性变形等。

② 齿心有足够的强度和较好的韧性，以抵抗齿根折断和冲击载荷。

③ 有良好的加工工艺性能及热处理性能，使之便于加工且提高其力学性能。