汽车机动车机械基础教学教案单元23模块1

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1金属材料基本知识1金属与合金的晶体结构及结晶2铁碳合金3刚的热处理

11.晶体和非晶体固态物质按其内部微粒(原子、离子或分子)的构成，可分为晶体与非晶体两类。微粒呈无规则排列的物质称为非晶体，如玻璃、塑料、松香、沥青等；微粒呈规则排列的固态物质称为晶体，如盐、冰、所有固态金属及其合金等。晶体有一定的熔点，具有各向异性，一般具有规则的外形。非晶体没有一定的熔点，具有各向同性。2.晶格和晶胞为了研究金属原子在空间的排列情况，假定原子是一个个静止的刚性小球。金属晶体由这些小球按一定的规律在空间紧紧排列而成。2

2（1）体心立方晶格（2）面心立方晶格（3）密排六方晶格3金属中常见的晶格类型

3合金的基本概念虽然纯金属具有良好的导电性、导热性和塑性，但是纯金属的强度、硬度、耐磨性等力学性能却比较差，无法满足现代机器零件或工具以及模具对材料力学性能的要求。而且纯金属冶炼困难，价格昂贵，因此，在实际生产中大量使用的是合金。4

4合金的相结构在液态时，大多数合金的组元都能相互溶解，形成均匀的液体。在固态下，合金的相结构主要由组元在结晶时彼此之间的作用而决定。1.固溶体合金由液态结晶为固态时，组元间相互溶解，形成在某一组元晶格中包含有其他组元的新相，这种新相称为固溶体。2.金属化合物在合金相中，各组元的原子按一定比例相互作用，生成的晶格类型和性能完全不同于任一组元，并且具有一定金属性质的新相称为金属化合物。5

5实际金属的晶体结构金属内部原子完全是整齐规则的排列时，称为单晶体。在工业生产中，单晶体的金属材料除专门制作外，基本上是不存在的。纯金属的结晶纯金属由液态转变成固态晶体的过程称为结晶。晶体物质都有一个平衡结晶温度（熔点），在平衡结晶温度，液体与固体共存，处于平衡状态。因结晶所形成的组织直接影响到金属的性能，所以研究金属的结晶基本规律对改善其组织和性能有重要意义。6

6铁碳合金是以铁和碳为基本组元组成的合金，是钢和铸铁的统称。铁碳合金具有优良的力学性能和工艺性能，是现代工业中应用最广泛的金属材料。要了解铁碳合金首先要了解铁碳合金相图。一、铁碳合金的基本组织与性能铁碳合金在固态时基本相为固溶体和化合物。固溶体和化合物还可以组成机械混合物。7

7Fe-Fe3C合金相图Fe-Fe3C相图是表示在缓慢冷却(或加热)条件下，不同成分的铁碳合金在不同温度下具有的组织或状态的一种图形(图1-27)。它清楚地反映了铁碳合金的成分、组织、性能之间的关系，是研究钢和铸铁加工及其热处理的重要理论基础。8

89钢的热处理热处理的基本概念汽车机械零件的热处理通常是指将各种材料制成的零件加热到相变温度以上，使材料组织发生相变，再通过不同的冷却方法使金属的组织再发生相变的工艺过程。热处理可以显著提高钢的机械性能，消除毛坯中的缺陷，改善其工艺性能，为后续工序做组织准备。1．热处理的作用

9102．热处理的原理任何一种热处理工艺都是由加热、保温和冷却三个阶段组成的。热处理工艺过程可用在温度—时间坐标系中的曲线图表示，这种曲线称为热处理工艺曲线，如图7-3所示。图7-3热处理工艺曲线加热对钢加热是为了获得奥氏体。钢在加热时，为了得到细小均匀的奥氏体晶粒，必须严格控制加热温度和保温时间，以便在冷却后获得高性能的组织。保温保温的目的是保证零件烧透，防止脱碳、氧化等。保温的时间和介质的选择与零件的尺寸和材质有直接关系，一般零件尺寸越大，保温时间越长。冷却冷却是热处理的关键工序，成分相同的钢经加热获得奥氏体组织后，以不同的速度冷却时，将获得不同的力学性能。

10113．热处理的分类根据热处理的目的和工艺方法的不同，热处理可分为：热处理普通热处理退火、正火、淬火、回火表面热处理表面淬火——火焰加热、感应加热（低频、中频、高频）化学热处理——渗碳、渗氮、碳氮共渗等

11123．热处理的分类按其工序位置不同，热处理工艺可分为预备热处理和最终热处理。图7-4所示为W18Cr4V钢热处理工艺曲线。图7-4W18Cr4V钢热处理工艺曲线预备热处理预备热处理的目的是改善锻造、铸造和焊接等毛坯件的组织，消除内部应力，为后续的机加工或进一步的热处理做准备，常用的预备热处理方法有退火和正火。最终热处理最终热处理是零件加工的最终工序，其目的是使经过成型工艺，达到形状和尺寸要求的零件性能达到所需要的使用性能，常用方法有淬火和回火。

12134．钢的临界转变温度图7-5所示的曲线表示加热与冷却时碳钢各临界温度的实际位置。共析钢加热到以上温度时，全部转变为奥氏体；而亚共析钢必须加热到以上；过共析钢必须加热到以上才能获得单相奥氏体。通常将加热时的实际临界温度加标字母“c”，如等；将冷却时的实际临界温度加标字母“r”，如等。图7-5钢的加热和冷却时各临界点的实际位置

1314常用热处理工艺退火是将钢加热到适当温度，经过一定时间的保温，然后缓慢冷却（一般为随炉冷却），以获得接近平衡组织的热处理工艺。其主要目的是减少钢锭、铸件、锻坯等的化学成分及组织的不均匀性，同时细化晶粒，降低硬度，消除内应力，为淬火做好组织准备。根据钢的成分、退火工艺和目的不同，退火可分为完全退火、等温退火、球化退火、均匀化退火和去应力退火等，它们各自的工艺曲线如图7-6所示。1．退火（a）加热温度范围（b）工艺曲线示意图

14151．退火（1）完全退火完全退火是将工件加热到以上30～50℃，保温一段时间后随炉缓慢冷却（或埋入干沙、石灰中）的退火工艺。（2）等温退火等温退火是将亚共析钢加热到以上30～50℃，而将过共析钢加热到以上30～50℃，保温后快冷到以下的某一温度保温，待相变完成后出炉空冷。（3）球化退火球化退火是将钢中渗碳体球状化的退火工艺。（4）均匀化退火均匀化退火是把合金钢钢锭或铸件加热到以上150～200℃，保温10～15h后缓慢冷却的热处理工艺。（5）去应力退火去应力退火是将工件缓慢加热到以下100～200℃，保温一定时间后随炉缓冷至200℃再出炉冷却。

15162．正火正火是将钢材或钢件加热（对于亚共析钢）或（对于过共析钢）以上30～50℃，保温适当时间后，使之完全奥氏体化，然后在空气中均匀冷却，以得到珠光体组织的热处理工艺。正火与退火的主要区别在于冷却速度不同，正火冷却速度较大，得到的珠光体组织很细（参见图7-8），因而强度和硬度也较高。图7-8钢的退火（左）与正火（右）的组织比较

16172．正火正火主要有以下几方面的应用。（1）消除网状二次渗碳体所有钢件通过正火，均可使晶粒细化，而对于过共析钢，经正火处理后可消除对性能影响不利的网状二次渗碳体，以保证球化退火质量。（2）作为最终热处理对于机械性能要求不高的汽车机械结构钢零件，经正火处理后获得的性能即可满足使用要求，此时可将正火作为最终热处理工艺。（3）改善切削加工性能图7-9所示为汽车零件用钢的几种热处理工艺与硬度的关系，图中影线部分为适于切削加工的硬度范围。在实际生产中，通常按照硬度要求来选用合适的热处理方法。图7-9钢的硬度与热处理的关系

17183．淬火淬火是指将钢加热到或以上30～50℃，保温后适当的温度进行快速冷却，使奥氏体转变为马氏体（或下贝氏体）的热处理工艺。淬火的目的是提高钢的力学性能，其实质是奥氏体化后进行马氏体转变（或下贝氏体转变）。淬火是强化钢件最主要也是最常用的热处理方法。（1）钢的淬火工艺（2）淬火方法（3）钢的淬透性

1819（1）钢的淬火工艺①淬火加热温度的选择。淬火温度即零件奥氏体化的温度，是淬火的主要工艺参数之一，图7-11（a）所示为碳钢零件的淬火温度范围。②淬火冷却介质。为了保证得到马氏体组织，淬火速度必须大于临界冷却速度，但冷却速度过快往往会引起工件变形和开裂。如图7-11（b）所示，理想的冷却速度应只在曲线C鼻尖处快冷，而在650℃以上及附近尽量缓冷，以达到既获得马氏体组织，又减小内应力的目的。目前常用的淬火介质有水、油和盐（碱）浴。（a）碳钢的淬火加热温度范围（b）理想淬火冷却曲线示意图

1920（2）淬火方法1—单介质淬火法；2—双介质淬火法；3—马氏体分级淬火法；4—贝氏体等温淬火法图7-12各种淬火方法冷却曲线示意图①单介质淬火法将工件加热至淬火温度后投入一种淬火介质中连续冷却。②双介质淬火法将工件加热至淬火温度，先投入一种冷却能力强的介质中冷却至点以上区域，然后再放入另一种冷却能力弱的介质中冷却，如水淬油冷或油淬空冷。③马氏体分级淬火法将奥氏体化的工件先浸入在点（马氏体点）附近的液体（盐浴或碱浴）中，短时间停留后取出空冷。④贝氏体等温淬火法将工件奥氏体化后，随之快冷到贝氏体转变温度区间等温保持，以获得下贝氏体组织的淬火方法。

2021（3）钢的淬透性淬透性是指钢在淬火时所能得到的淬硬层（马氏体组织占50%处）深度。影响钢的淬透性的因素主要是临界冷却速度的大小。越小，钢的淬透性越大。影响临界冷却速度的因素有钢的碳含量、合金元素及钢中的未溶物质等。此外，工件的截面尺寸和淬火的冷却速度也会影响钢的淬硬层深度。对于截面承载均匀的重要工件，要全部淬透，如汽车的高强度螺栓、发动机连杆、模具等；对于承受弯曲、扭转的零件可不必淬透（淬硬层深度一般为半径的1/3～1/2），如汽车的轴类、齿轮等，如图7-13所示。（a）气门挺杆（b）活塞连杆（c）齿轮图7-13汽车典型零件的淬透性

21224．回火回火是指将淬火后的钢重新加热到以下某一温度保温，然后冷却（一般空冷）至室温的热处理工艺。随着回火温度的升高，工件的硬度、强度下降，塑性、韧性升高。低温回火低温回火（150～250℃）获得的组织为回火马氏体，硬度为58～64HRC。中温回火中温回火（350～500℃）获得的组织为回火托氏体，硬度为35～45HRC。高温回火高温回火（500～650℃）获得的组织为回火索氏体，硬度为25～35HRC。调质处理通常应用于汽车的各类轴、发动机连杆、螺栓、齿轮和重要拉杆等。

22237.2.3表面热处理方式仅对零件的表面加热、冷却而不改变组成成分的热处理工艺称为表面淬火。按加热方式的不同，表面淬火可分为感应表面加热淬火、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火和激光热处理等。其中，生产中广泛应用的为前两种。1．表面淬火（1）感应加热表面淬火（2）火焰加热表面淬火

23241．表面淬火（1）感应加热表面淬火如图7-15（a）所示，当感应器中通入交变电流时，所产生的交变磁场使感应器内的工件内部感生出巨大的涡流。感应电流在工件表层的密度最大，而心部密度几乎为零，这种现象称为“集肤效应”。由于钢件本身具有电阻，因而集中于表层的电流可使表层被迅速加热，几秒钟内温度可升至800～1000℃，而心部的几乎未被加热。对表层进行喷水冷却即可将工件表层淬硬。（2）火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火是用乙炔—氧或煤气—氧等气体燃烧产生的火焰直接加热零件表面，然后立即喷水冷却，以获得表面硬化效果的淬火方法，如图7-15（b）所示。（a）（b）图7-15表面加热淬火

24252．化学热处理化学热处理是将工件置于某种化学介质中，通过加热、保温和冷却使介质中某些元素渗入工件表面以改变工件表面层的化学成分和组织，从而使其表面与心部具有不同的机械性能的一种热处理工艺。通常根据工件的工作条件和对性能的要求，选用不同的化学热处理方法。例如，渗碳和碳氮共渗可提高钢的硬度、耐磨性及疲劳强度；渗氮、渗硼、渗铬可增加工件表面硬度，显著提高耐磨性和耐蚀性；渗铝可提高耐热抗氧化性，渗硫可提高减摩性，渗硅可提高耐酸性等。其中，生产中常用的有渗碳、渗氮和碳氮共渗。

25262．化学热处理钢的渗碳是向低碳钢或低碳合金钢表层渗入碳原子，以提高钢件表层含碳量，使表层具有高硬度和高耐磨性的同时，中心部仍保持良好韧性的热处理过程。图7-16汽车变速箱齿轮根据所使用渗碳剂的不同，渗碳可以分为气体渗碳、固体渗碳和液体渗碳三种，最常用的方法是气体渗碳法，如图7-17所示。（a）真空渗碳炉（b）气体渗碳示意图图7-17气体渗碳（1）渗碳

26在一定温度下，将碳和氮同时渗入零件表层的表面处理方法称为碳氮共渗，俗称氰化。它是一种提高零件的硬度、耐磨性和疲劳强度的复合热处理方法。根据处理温度的不同，氰化可分为高温、中温和低温氰化。272．化学热处理渗氮工艺又叫氮化，主要是提高零件表层含氮量，以增强表面硬度和耐磨性，同时提高表层的疲劳强度和抗腐蚀能力。目前应用较广的是气体氮化法，即把工件放在专门氮化的炉子里，加热到500～600℃，同时通入氨气（），当加热到450℃时，氮气将分解出活性氨原子，并扩散渗入工件表层，形成氮化层。（2）渗氮（3）碳氮共渗

27287.3碳钢碳素钢简称碳钢，具有冶炼、加工容易、价格低廉、工艺性能良好，力学性能能够满足工农业生产的使用要求等特点，是工农业生产中用量最大的金属材料。碳钢的编号方法如表7-3所示。表7-3碳钢的编号方法

28297.3.1碳素结构钢普通碳素结构钢的平均含碳量在0.06%～0.38%之间，其中含有的有害元素和非金属夹杂物较多，但性能上能满足一般工程结构及普通零件的要求，因而在工程中有着广泛应用。在汽车零部件中，可用碳素结构钢制造的有制动器底板、车厢板件、发电机支架、拉杆、销、键等，如图7-18所示。（a）制动器底板（b）车厢板件（c）拉杆图7-18碳素钢汽车零部件

2930碳素钢优质碳素结构钢在生产过程中需要将硫、磷的含量控制在0.035%以下，同时还应控制非金属夹杂物的含量，并需要经过热处理后使用。表7-4常用的优质碳素结构钢

3031碳素工具钢碳素工具钢在热处理后具有较高的硬度和耐磨性，主要用于制造工具，如刃具、模具、量具等。常用碳素工具钢的性能及用途如表7-5所示。表7-5几种常用碳素工具钢性能及用途

3132铸钢铸钢一般应用于结构复杂且要求有较高强度、塑性、韧性以及特殊性能的结构件，如承受冲击载荷的汽车机架、缸体、齿轮和连杆等。（a）机架（b）缸体（c）齿轮毛坯表7-6几种常用铸钢的性能和用途

3233高强度钢板高强度钢板是在低碳钢内加入适当的微量元素，经各种处理轧制而成，其抗拉强度高达550MPa，是普通低碳钢板的2～3倍。图7-20车身上高强度钢板的应用

3334高强度钢板1．加磷高强度钢（BP钢）加磷高强度钢（BP钢）是在低碳钢和超低碳钢中添加一定量的磷，利用磷的固溶强化作用提高钢的强度。2．烘烤硬化钢板（BH钢板）烘烤硬化钢板（BH钢板）是指采用特定的化学成分和生产工艺使钢板中固溶一定的碳原子，钢板在交货状态下具有较低的屈服强度，经冲压成型和进行涂漆烘烤后屈服强度得以提高，是汽车车身外板轻量化设计的首选材料之一。3．低合金高强钢板（BLa钢板）低合金高强钢板（BLa钢板）是在低碳钢中添加少量的铌、钛合金元素，使其与碳、氮等元素形成碳化物或氮化物，并在铁素体上析出，从而提高钢的强度。图7-21汽车车门的高强度钢板应用图7-22座椅下的高强度钢梁

3435合金钢合金钢的分类及编号表7-7合金钢的分类和编号方法

3536合金钢的性能及用途1．合金结构钢（1）低合金结构钢（2）合金渗碳钢（3）合金调质钢（4）合金弹簧钢（5）滚动轴承钢

36低合金结构钢是碳含量为0.12%～0.20%，磷、硫含量不大于0.45%，合金元素总量不大于3%的低碳结构钢，其主要添加元素为硅、锰及少量的钛、钒、铌、铜及稀土元素等。371．合金结构钢（1）低合金结构钢合金渗碳钢制造的零件，经淬火和低温回火后，不仅有较高的表面硬度和耐磨性，而且能大幅度提高零件心部的强度和韧性，从而提高抵抗冲击载荷的能力。合金渗碳钢的含碳量一般为0.10%～0.25%，加入的合金元素主要有锰、铬、镍、钼、钒、钛、硼等。（2）合金渗碳钢

37381．合金结构钢表7-8常用合金渗碳钢的化学成分与应用

38合金调质钢是指经过调质处理的合金钢，其具有较高的强度和韧性，碳的质量分数一般为0.25%～0.50%。391．合金结构钢（3）合金调质钢表7-9常用合金调质钢的牌号、热处理条件及机械性能

39合金弹簧钢的含碳量一般为0.45%～0.75%，加入的合金元素有钒、铬、锰、硅等。401．合金结构钢（4）合金弹簧钢表7-10典型弹簧钢的牌号、热处理方法、机械性能及用途

40滚动轴承钢是制造各种滚动轴承的滚子、内外圈的专用钢。常用的轴承钢是高碳低铬钢，其碳含量为0.95%～1.15%，以保证轴承有足够高的强度、硬度和耐磨性。铬的含量为0.40%～1.65%，主要作用是提高淬透性，使组织均匀并增加回火稳定性。411．合金结构钢（5）滚动轴承钢表7-11常用滚动轴承钢的牌号、化学成分、热处理及用途

41422．合金工具钢（1）量具钢用来制造各种量具如游标卡尺、块规、卡规、千分尺、样板等的钢称为量具钢。（2）刃具钢用于制造各种车刀、铣刀等切削加工工具的钢称为刃具钢。（3）模具钢按工作条件的不同，模具钢分为冷作模具钢和热作模具钢。冷作模具的作用是使金属在室温条件下产生塑性变形从而获得具有一定几何尺寸及形状的毛坯或零件，如冲模、弯曲模、冷锻模等。常用的冷作模具钢有Cr12MoV，CrWMn。热作模具是用来使热状态下的金属产生变形的模具，如热锻模、压铸模等，常用的热作模具钢有5CrNiMo，4Cr5MoSiV。图7-23汽车的检具和冲压模具

42具有特殊的性能并用来制造工作在特殊条件下的零件所用的钢称为特殊性能钢，工业上常用的特殊性能钢有不锈钢、耐热钢和耐磨钢等。433．特殊性能钢汽车工业中使用的特殊性能钢主要是不锈钢，不锈钢的耐腐性和耐热性良好，常用于发动机和排气系统部件上，如图7-24所示。图7-24汽车不锈钢排气管

43铸铁是指含碳量大于2.11%的铁碳合金，工业上常用的铸铁都不是简单的二元合金，而是以Fe，C，Si为主要元素的多元合金。普通铸铁中元素的含量范围为碳2.5%～4.0%，硅1.0%～3.0%，锰0.5%～1.4%，磷0.01%～0.50%，硫0.02%～0.20%。44铸铁

44根据内部石墨形态的不同，铸铁可分为灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁和蠕墨铸铁。铸铁的分类和牌号表示方法如表7-12所示。45铸铁的分类表7-12铸铁的分类及牌号表示方法

4546常用铸铁1．灰铸铁液态铁水进行缓慢冷却凝固时，会发生石墨化并析出片状石墨，其断口的外貌呈浅烟灰色，所得到的固态材料称为灰铸铁。2．球墨铸铁球墨铸铁具有接近灰铸铁的铸造性能，但强度、塑性、韧性大大高于灰铸铁，接近铸钢，具有良好的减振性、耐磨性和低缺口敏感性。3．可锻铸铁可锻铸铁按基体组织不同可分为铁素体可锻铸铁和珠光体可锻铸铁。铁素体可锻铸铁断口中心呈灰暗色，表层呈灰白色，故称为“黑心可锻铸铁”。若在氧化性介质中进行石墨化退火，由于表层完全脱碳，得到铁素体组织，而心部为珠光体基加团絮状石墨，断口呈现表层暗灰色，中心灰白色，故称为“白心可锻铸铁”。4．蠕墨铸铁蠕墨铸铁的组织由钢的基体和蠕虫状的石墨组成，石墨形状介于片状和球状之间，在光学显微镜下观察，石墨短而厚，头部较圆，形似蠕虫。