电子教案与课件：《汽车机械基础》 项目二——“金属材料力学性能”部分

项目二 熟悉工程材料
产品是以材料为基础的。材料质量的优劣，直接影 响产品的内在质量和使用性能；材料成本的高低，也直 接影响产品的成本。合理选用材料，是保证产品质量、 提高经济效益的有效途径。
常用机械零件的材料有金属和非金属两大类。金属 材料主要有钢、铸铁、铝和铜等；非金属材料主要有工 程塑料、复合材料及新型材料等。
头施加试验力所产生永久压痕变形的度量单位。 维氏硬度标注时，硬度值写在符号HV之前，如
640HV。
维氏硬度试验的测试精度较高，测试的硬度范 围大，被测试样的厚度或表面深度几乎不受限制， 比如能测很薄的工件、渗氮层、金属镀层等。
但是，维氏硬度试验操作不够简便，试样表 面质量要求较高，故在生产现场很少使用。
布氏硬度：材料抵抗通过硬质合金球压头施 加试验力所产生永久压痕变形的度量单位，符号 为HBW。布氏硬度标注时，硬度值写在符号HBW之 前，如600HBW。
布氏硬度试验法主要用于测硬度较低且较厚 的材料和零件，如铸铁、有色金属和硬度不高的 钢。
（2）洛氏硬度 洛氏硬度是在洛氏硬度计上进行。 洛氏硬度：材料抵抗通过对应某一标尺的金 刚石圆锥体压头或硬质合金球形压头施加试验力 所产生永久压痕变形的度量单位，符号为HR。
疲劳抗力是指材料或零件抵抗循环应力作用 而不发生断裂的能力。
3、硬度
硬度是指金属材料抵抗硬物压入其表面的能 力，即抵抗局部塑性变形的能力。它是衡量金属 材料软硬程度的依据。
金属材料的硬度是通过硬度试验测定的。常 用的硬度试验方法有布氏硬度试验法，洛氏硬度 试验法，维氏硬度试验法。
（1）布氏硬度
布氏硬度是在布氏硬度计上进行。
任务一 认识材料的力学性能
任务目标： 理解强度、刚度、塑性、硬度、冲击韧性、 疲劳抗力和断裂韧性等力学性能。

试样拉断后，标距的伸长量与原始标距的百分比称为延 伸率。
L1 L0 100 %
L0
式中：L0——试样原始标距（mm）； L1——试样拉断后的标距（mm）
2024/9/2
汽车机械基础
• 2) 断面收缩率 断面收缩率是指试样拉断后，颈缩处横截面积的最大缩
减量与原始横截面积的百分比。
S0 S1 100 % S0
汽车机械基础
• 5. 冲击韧度
• 机器中的许多零件工作时受到冲击载荷使用（或载荷速 度增加）时，其性能就不能用上述的静载荷下的性能来 衡量，而必须用抵抗冲击载荷而不被破坏的能力来衡量， 这种抵抗能力称为冲击韧度。
式中：Ak——冲击吸收功（J） S——试样缺口底部横截面积（cm2）
ak——冲击韧性（J/ cm2）
痕平均直径d，根据该直径的大小及试验条件，查布氏硬 度数值表可直接得出相应的布氏硬度数值。
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布氏硬度试验原理图
汽车机械基础
• 2) 洛氏硬度HR • 实际测量时，可以从洛氏硬度计的刻度盘上直接读出硬
度值。刻度盘读数愈大，材料硬度愈高，反之材料硬度 愈低。
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洛氏硬度试验原理图
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拉伸试样
汽车机械基础
拉伸曲线
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应力应变曲线
汽车机械基础
• 2. 强度
金属材料抵抗变形直至断裂的能力称为强度，是材料最重 要、最基本的力学性能指标之一。 1) 弹性与弹性极限 当外加应力σ小于 时，试样的变形能在卸载后立即消失，即 试样恢复原状，这种不产生永久变形的性能称为弹性。在 应力应变图上，弹性变形区最高应力值称为弹性极限，用
• 条件屈服极限σ0.2 • 对于无明显屈服现象的金属材料如高碳钢、铸铁等，测

金属材料力学性能测试
目录
01
强度概念
强度的测量方法
03
材料强度的应用
思考与小结
04
02
目录
01
强度的概念
概念
亲爱的同学们工作中每种零件必定都受到载荷的作用，我们需要知道不同材料受到不同载荷
时表现出的性能，才能保证零件可靠工作，这就称为材料的力学性能。
零件失效
4
根据所载荷类型的不同材料力学性能可以分为
13
导学
04
思考与小结
强度的测量方法
塑性材料
有四个阶段：弹性变形、屈服、强化、缩颈
两个重要指标：屈服强度、抗拉强度
• 无屈服，只有抗拉强度
脆性材料
• 抗拉强度数值小于塑性材料
• 整体变形量小，一般小于5%（横坐标短）
15
好了，经过这一段的学习让我们来思考一下:
一根螺栓在设计时主要考虑材料的屈服强度还是抗拉强度？
向不发生变化的静载荷，测出材料在受到静载荷时表现出的性能。试验机记录下读数，绘
制出拉伸曲线。下图中左侧为力-位移（F-Δl）曲线，即横坐标为拉伸时试件的伸长量与试
件承受外力的关系，右侧为应力应变曲线即单位面积上的内力与伸长量的变化量的
低
碳
钢
的
拉
伸
b
e
e
P
2.屈服阶段ec（失去抵抗
变形的能力）
s — 屈服强度 s =FeL/S0
b

a

c
f
s
3.强化阶段cb（恢复抵抗
变形的能力）
b — 抗拉强度 b =Fm/S0


o
4.径缩阶段bf
明显的四个阶段

合金是汽车上应用得最快最广的轻金属。铝合 金有两大类：铸造铝合金和变形铝合金。汽车 中应用的主要是铸造铝合金。铸造铝合金分为 Al-Si系、Al-Cu系、Al-Mg系。
汽车中的铝合金零部件
3.铝及其合金在汽车中的应用
①底盘行走系统：横梁、上下壁、转向机壳、 制动分泵壳、制动钳、车轮、操纵机构等。
②传动系统：变速箱壳、离合器壳、连接过滤 板、换挡拔叉、传动箱换挡端盖。
强度分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、 抗剪强度、屈服强度等。其中抗拉强度和屈服 强度是常用的强度指标。
（2）塑性。塑性是指金属材料在载荷作用下， 产生塑性变形（永久变形）而不破坏的能力。 常用的塑性指标有伸长率δ和断面收缩率φ。 伸长率和断面收缩率越大，其塑性越好；反之 塑性越差。
（3）硬度。硬度是指材料表面抵抗比它更硬 的物体压入的能力。硬度能够衡量金属材料软 硬程度，是材料的重要力学性能指标。一般材 料的硬度越高，其耐磨性越好。材料的强度越 高，塑性变形抗力越大，硬度值也越高。常用 的硬度表示方法有布氏硬度（HB）、洛氏硬 度（HRA、HRB、HRC）和维氏硬度（HV）。
一、金属材料的分类
黑色金属：有三种，即铁、锰、铬
有色金属：黑色金属以外的其他金属
二、金属材料的性能
1、力学性能
力学性能是指金属材料在载荷作用下抵抗
破坏的性能。力学性能也称为机械性能。常
用的力学性能包括：强度、塑性、硬度、冲
击韧性和疲劳强度等。
金属材料的力学性
能是零件设计和选 材时的主要依据。
（1）强度。强度是指金属材料在静载荷作用下 抵抗破坏（过量塑性变形或断裂）的能力。强 度指标一般用单位面积所承受的载荷即应力表 示，符号为σ，单位为MPa。
（4）底盘：四轮驱动变速箱体、手动换挡变速器、 变速器壳体、齿轮箱壳体、离合器外壳、轮毂、 引擎托架、前后吊杆、尾盘支架。

3.本课题参阅的材料
4.对本课题作业的要求
详细内容及要求
一、汽车金属材料
1.汽车用钢
（1）碳钢的分类
（2）普通碳素合金钢在汽车中的应用
（3）优质碳素结构钢在汽车上的应用
（4）碳素铸钢在汽车中的应用
（5）合金钢
2.汽车用铸铁
（1）铸铁的分类及性能
（2）典型汽车铸铁零件选材
3.铝合金、镁合金在汽车中的应用
（2）减压回路
（3）增压回路
（4）卸荷回路
2.速度控制回路
（1）调速回路
（2）同步回路
3.方向控制回路
4.液压系统在汽车中的应用（ABS 工作过程）
（1）常规制动
（2）保压过程
（3）降压过程
（4）增压过程
教学小结
本课题主要介绍了液压传动的组成、特点和常用液压元件以及液压基本回路。
思考练习
见《汽车机械基础》141页
3.本课题参阅的材料
4.对本课题作业的要求
详细内容及要求
一、液压传动认识
1.液压传动的工作原理
2.液压系统的表示方法与组成
3.液压传动的特点
（1）优点
（2）缺点
二、液压传动元件
1.液压传动系统的常用液压元件
（1）液压泵
（2）液压马达
（3）液压缸
（4）液压控制阀
三、液压基本回路
1.压力控制回路
（1）调压回路
（2）摩擦轮传动的类型
（3）摩擦轮传动的主要失效形式
（4）摩擦轮传动的打滑
（5）摩擦轮传动在汽车中的典型应用
2.螺旋传动
（1）螺旋传动的种类和特点
（2）螺旋传动在汽车中的典型应用
教学小结
本课题主要介绍了带传动的组成，链传动结构特点，齿轮传动与蜗杆传动类型和特点，简单的轮系概念以及摩擦轮传动和螺旋传动的特点。

（5）合金铸铁
3.有色金属及硬质合金
（1）铝及其合金
（2）铜及其合金
（3）轴承合金
（4）硬质合金
二、常用非金属材料简介
1.高分子材料
（1）塑料
（2）橡胶
2.陶瓷材料
（1）普通陶瓷（传统陶瓷）
（2）特种陶瓷（新型陶瓷）
3.复合材料
三、汽车运行材料
1.汽车燃油
（1）汽油
（2）柴油
（3）液化石油气
（4）天然气
（5）醇类
（6）氢燃料
2.润滑油
（1）发动机润滑油
（2）车用齿轮油
（3）车用润滑脂
3.车用工作液
（1）车用制动液
（2）液力传动油
（3）车用防冻液
（4）车用减振器油
（5）车用空调制冷液
教学小结
本次课主要介绍了常用的金属材料，常用的非金属材料和汽车运行材料。
思考练习
见《汽车机械基础》41-42页
第
教学内容
2.制定工艺规程的步骤
3.工艺文件
4.零件结构工艺性
三、工艺路线的拟定
（1）机械零件表面加工方法的选择
（2）加工阶段的划分
（3）工序的集中与分散
（4）工序顺序的安排
四、机械装配工艺基础
1.概述
（1）部件和组件
（2）机械装配的概念
（3）产品的装配精度
2.装配工作的基本内容
（1）清洗
（2）连接
（3）校正、调整与配作
整顿纪律、清点人数，稳定学生情绪。
二、导入新课（5分钟）
1.本课题的学习目的
2.本课题学习及掌握的主要内容
3.本课题参阅的材料
4.对本课题作业的要求
详细内容及要求

3、优缺点 （1）测量值较准确，重复性好，可测组织不均匀材料（铸铁）（2）可测的 硬度值不高（3）不测试成品与薄件（4）测量费时，效率低
4、测量范围 用于测量调质钢、铸铁、非金属材料及有色金属材料等.
(二)、洛氏硬度
1、洛氏硬度试验（洛氏硬度计）
原理: 用金刚石圆锥或淬火钢球，在试验力的作用下压入试样表面，经规定时 间后卸除试验力，用测量的残余压痕深度增量来计算硬度的一种压痕硬度试验。
3.可锻铸铁
可锻铸铁是由白口铸铁经石墨化退火得到的一种具有团絮状石墨的铸铁， 其中碳以团絮状石墨形式存在。常用于制造汽车、拖拉机的薄壳零件、低压 阀门和各种管接头等。
4.球墨铸铁
球墨铸铁是将铁液经过球化处理而使石墨大部分或者全部呈球状的铸铁。 用球墨铸铁可制造一些受力复杂而强度、韧性及耐磨性要求高的零件。
db——强化阶段：载荷的不断增加，试样继续变形，此阶段中，随着塑性 变形增大，材料变形抗力也不断增加。
bk——缩颈阶段：当试样变形达到最高点b后，试样就在某个薄弱部分发 生局部变形，形成缩颈。此时变形所需的载荷逐渐降低。
k——试样发生断裂。
3、强度的指标 弹性极限：表示材料保持弹性变形，不产生永久变形的最大应力。 屈服极限：也称为屈服强度，表示金属材料可是发生明显塑性变形的抗力。 强度极限：也称为抗拉强度，表示金属材料受拉时所能承受的最大应力。
扭强度等几种。
1、拉伸试样
2、材料的拉伸曲线
oe——弹性变形阶段：变形量与外加载荷成正比，当载荷去掉后试样变形 完全恢复。
es——屈服阶段：此阶段伴随着弹性变形，还发生了塑性变形，当去除载 荷后，试样部分形变恢复，还有一部分形变不能恢复，将这部分不能恢复的形 变称为塑性变形。s为屈服点。

单元小结
1.金属材料的性能包括使用性能和工艺性能两大类。 2.使用性能包括力学性能、物理性能、化学性能。 3.材料的力学性能指标σe、σs、σ0．2、σb、σ-1、δ、HBW、HRC是汽车 零件设计、制造、使用的重要依据。 4.金属材料的硬度常用布氏硬度值和洛氏硬度值表示。 5.材料的工艺性能包括铸造性能、压力加工性能、焊接性能、切削加 工性能、热处理性能等。
单元小结
6.液态纯铁在1538℃进行结晶，得到具有体心立方晶格的δ-Fｅ；δ-Fｅ继续冷 却到1394℃时发生同素异构转变，称为面心立方晶格的γ-Fｅ；γ-Fｅ再冷却到 912℃时又发生一次同素异构转变，成为体心立方晶格的α-Fｅ。
单元3 铁 碳 合 金
课题1 合 金 结 构 课题2 铁碳合金基本组织 课题3 铁碳合金相图 课题4 典型铁碳合金冷却结晶分析 课题5 铁碳合金成分、组织、性能的关系 课题6 非合金钢(碳素钢)
课题2 铁碳合金基本组织
3.机械混合物
(1)珠光体(P) 珠光体是铁素体与渗碳体的机械混合物，用符号P 表示。 (2)莱氏体(Ld)
1)高温莱氏体，由奥氏体和渗碳体组成，用符号Ld表示。 2)低温莱氏体，由珠光体和渗碳体组成，用符号Ld′表示。
表3-1 铁碳合金基本相的力学性能
课题3 铁碳合金相图
3.白口铸铁
(1)亚共晶白口铸铁 2.11％<wC<4.3% (2)共晶白口铸铁 wC＝4.3％ (3)过共晶白口铸铁 4.3％<wC<6.69%
课题4 典型铁碳合金冷却结晶分析
二、典型铁碳合金的结晶过程分析
1.共析钢结晶过程分析 2.亚共析钢冷却过程分析 3.过共析钢冷却过程分析
１.共析钢结晶过程分析
(2)S点为共析点 合金在平衡结晶过程中冷却到727℃时，Ｓ点成分的Ａ发 生共析反应，生成P点成分F和Fe3C。

1．铸铁的分类
白口铸铁 灰口铸铁 麻口铸铁
碳主要以渗碳体形式存在，断口呈银白色，由于具有很高的脆性和硬 度，难以进行切削加工，故工业中很少直接用白口铸铁来制造机械零件。
碳主要以片状石墨形式存在，断口呈暗灰色，具有一定的力学性能 和切削加工性能，故在工业中灰口铸铁应用最为广泛。
一部分碳以石墨形式存在，另一部分以渗碳体形式存在，断口呈灰 白相间的麻点状，在工业中应用很少。
变形铝合金牌号用2×××～8×××表示，如3A21，2A12等。 其中，牌号的第一位数字是按照主要合金元素：铜、锰、硅、 镁、镁＋硅、锌及其他元素的顺序来表示变形铝合金的组别； 第二组数字或字母表示原始合金（A）或改型合金（B～Y）； 牌号中最后两位数字用来区分同一组中不同的铝合金。例如， 3A21表示以锰为主要合金元素的变形铝合金。铸造铝合金牌号 由“ZL”＋三位数字组成，如ZL103，ZL202等。其中，“ZL”是
Z— 断后伸长率，没有单位； S0—试样拉断后的标距，单位为mm； Su—试样原始标距，单位为mm。
金属材料的断后伸长率A和断面收缩率Z越大，表示该材 料的塑性越好，即在不发生破坏时所能承受的塑性变形越大。 塑性好的材料适宜用轧制、锻造等塑性变形的加工方法进行 加工。
工程应用中，在常温、 静载条件下测定的断后伸长率 A>5%的材料称为塑性材料， 如低碳钢、铜、铝合金等；断 后伸长率A<5%的材料称为脆 性材料，如灰铸铁、陶瓷、玻
疲劳破坏是机械零件失效的主 要形式之一，由于前期不易察觉， 具有较强的突发性，因此疲劳破坏
往往造成很严重的后果。
2-1-3
2．金属材料的工艺性能
金属材料的工艺性能反映了金属材料被加工成零件的难易程度。材料工艺性能的好坏影响零件的 加工质量和加工成本，因此工艺性能是选择材料时必须考虑的因素之一。工艺性能主要包括铸造性能、 压力加工性能、焊接性能和切削加工性能等，如表2-1-3所示。

布氏硬度计
洛氏硬度计
汽车机械基础
项目任务一：汽车金属材料的力学性能
思考：布氏硬度与洛氏硬度的区别？
优点
缺点
布氏硬度试验 数据准确、稳定、数据 重复性强
压痕较大，易损伤零件 表面，不能做太薄、太 硬的试样，不适合做成 品检验
洛氏硬度试验
测量操作简单、方便快 捷、压痕小，测量范围 大，能测较薄工件和成 品
汽车机械基础
项目任务一：汽车金属材料的力学性能
提问： 列举几种汽车零部件所用的材料。
汽车机械基础
项目任务一：汽车金属材料的力学性能
通常，一辆汽车由约3万多个零部件组装而成。汽车上每个零件 的生产制造都涉及到材料问题。
据统计，汽车上的零部件采用了4千余种不同的材料加工制造。 从汽车的设计、选材、加工制造，到汽车的使用、维修和保养无 一不涉及到材料。
测量精度较低
应用场合 适宜于硬度不大的材 料的测量
适宜于硬度较大的材 料的测量
汽车机械基础
项目任务一：汽车金属材料的力学性能
4、冲击韧性
有些机械零件在工作时，往往受到冲击载荷作用，如齿轮换档、设 备起动、刹车等。
材料抵抗冲击载荷作用而不被破坏的能力，称为冲击韧性(简称韧 性)。
材料韧性的好坏，可通过冲击 韧度来衡量，用符号k表示。
项目任务一：汽车金属材料的力学性能
汽车机械基础
项目任务一：汽车金属材料的力学性能
2、塑性
金属材料在外力作用下，产生永久塑指标：延伸率δ和断面收缩率ψ
汽车机械基础
项目任务一：汽车金属材料的力学性能
（1）延伸率δ：试样被拉断后，试样标距的伸长量与原始标距的 百分比，即
汽车机械基础
项目任务一：汽车金属材料的力学性能