汽车材料教案1(基础知识、钢铁材料).doc

第一章 汽车材料基础知识
第一节:汽车材料概述
第二节：金属材料性能
• 课时：2课时
• 教学目标:
基础知识：掌握强度与塑性、硬度、冲击韧性及金属疲劳概念
能力培养：通过本次学习，培养学生在生产和生活中树立善于思考的良好习惯
• 重点：金属材料的力学性能
• 难点：屈服强度和金属疲劳概念
• 教学方法：讨论+讲授
• 所用教具:课件
• 时间分配:引入5分、新课讲授75分，小结10分，作业布置及答疑10分
• 新课导入:
请同学们思考以下两个问题:
1）你所知道的汽车材料有哪些？
2）汽车材料的选用与环境有关吗？
第一节：汽车材料概述
一、汽车材料分类:
1.汽车零部件材料
2。汽车运行材料
第二节：金属材料性能
金属材料性能:
使用性能—-——力学性能、物理性能、化学性能、其他性能
工艺性能——-—压力加工性能、铸造性能、焊接性能、切削加工 热处理
一、力学性能
力学性能定义：材料受到外力作用所表现出来的性能，又称机械能。
力学性能包括：强度、塑性、硬度、冲击韧性、抗疲劳性
二、两个概念:
强度--—在外力作用下，金属材料抵抗永久变形和断裂的能力
塑性--—在外力作用下,金属材料产生永久变形而不断裂的能力
三、同学分组讨论你们所知的外力（载荷）指的是哪些？并指出实例
载荷的分类
根据外力作用的类型可分为
拉伸载荷
抗拉强度
拉钩、绳、螺栓
压缩载荷
抗压强度
活塞、连杆
弯曲载荷
抗弯强度
曲轴、摇臂
剪切载荷
抗剪强度
销、轴
扭转载荷
扭转扭转
曲轴等旋转零件
根据作用力的方向、时间可分为
静载荷
缓慢`增加后保持大小和方向不变的载荷
冲击载荷
不仅和作用力有关,而且作用时的速度有关
交变载荷
力的大小、方向随时间作周期性变化
四、强度有关知识：（请同学描述你所知的强度)
强度的大小用应力表示,金属材料在受到外力作用时必然在材料内部产生与外力相等的抵抗力，即内力。
单位截面上的内力称为应力.
用符号σ表示，σ=F/S 单位：Pa
通过拉伸试验得到的指标有;弹性极限、屈服强度、抗拉强度。
五、塑性
定义：指材料受力时在断裂前产生永久变形的能力。
指标:伸长率（δ）和断面收缩率ψ
δ=（L1-L0)/L0×100﹪ δ100指L0=100mm的延伸率
ψ=（S0-S1）/S0×100﹪
伸长率、断面收缩率与塑性的关系：
δ、ψ值越大，塑性越好。
六、硬度知识：
(1）定义：指材料表面抵抗局部塑性变形、压痕或划痕的能力。
（2）请同学举例并示范
汽车零件根据工作条件的不同,要求具有一定的硬度以保证零件具有足够的强度、耐磨性、和使用寿命等。
（3）常用硬度试验法;布氏硬度HB、洛氏硬度HRC、维氏硬度HV
布氏硬度HB主要用于测定铸铁、有色金属、及其合金,低合金结构钢以及非金属材料。
洛氏硬度HRC主要用于测定铜、铝等有色金属及其合金、硬质合金、表面淬火、滲碳件以及退火、正火和淬火。
维氏硬度HV主要用于测定金属镀层、薄片金属以及化学热处理后的硬度.
硬度与耐磨性的关系:（请同学回答）
硬度越大,耐磨性也越好。
七、冲击韧性
定义：材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。
指标：冲击韧度αk=Ak/S
举例汽车上哪些零件受到冲击力的作用
（八）金属疲劳的概念
交变应力：许多零件，在工作过程中往往受到大小或大小及方向随时间呈周期性变化的应力作用,此应力称为交变应力。
金属的疲劳：金属材料在交变应力的长期作用下,虽然应力远小于材料的抗拉强度，甚至低于屈服点，也会发生突然断裂，这种现象叫金属疲劳。
举例变速箱上齿
本课小结
强度与塑性、硬度、冲击韧性及金属疲劳概念。
作业布置:习题册
审批：
后记：
第二章 钢铁材料及其在汽车上的应用
第一节 碳素钢
• 课时：2课时
• 教学目标：掌握钢铁材料的概念及其分类、特性
• 重点:热处理类型及优点
• 难点：如何区分碳素钢、合金钢及铸铁
• 教学方法：讨论+讲授
• 所用教具：课件
• 时间分配：引入5分、新课讲授75分,小结10分，作业布置及答疑10分
• 教学过程：
一、复习上节课内容：
（1)金属的力学性能包括哪些内容？
（2）强度、硬度、塑性变形、疲劳的概念
二、提问：
(1）什么叫强度？你知道哪些类型的强度?
(2）硬度与耐磨性有什么关系？
(3）受力越大，强度越大？
三、新课讲授
第一节 碳素钢
（一）碳及常存元素对碳素钢性能的影响
1、碳的影响：随着含碳量增加，强度硬度增加,塑性韧性降低，到0。9％时强度最大，随着含碳量继续升高,除了硬度升高，其他都降低
2、常存元素的影响：锰、硅有益:流动性变好，减少硫的有害作用
硫、磷有害:塑性韧性下降,出现“热脆”、“冷脆”
（二)碳素钢的分类:
1、碳含量 （低碳钢C%[ 0.25% 、中碳钢0.25〈C％［ 0。6%、高碳钢C〉0.6%)
2、质量 （S、P杂质含量） （普碳钢、优质碳素钢、高级优质碳素钢)
3、按用途 （碳素结构钢、碳素工具钢）
（三）常用碳素钢：
1、普通碳素结构钢
甲类钢（A类钢）
机械性能：A1,A2,A3，A4，A5，A6，A7, 随钢号数字的增大,强度提高，塑性下降。
用途：A1，A2,A3,塑性好，钢板、钢筋、螺钉、螺帽
A4,A5 型钢、钢板
A6，A7 工具、农机零件、轻轨热轧状态使用
乙类钢（B类钢） 按成分供应,B1,B2,B3。..。.B7,
特类钢(C类） C2，C3，C4,C5，按机械性能及化学成分供应。
2、优质碳素结构钢用平均碳含量的万分数的数字表示。如：08F，20A，45，15Mn。（F表沸腾钢） （0.20％C，后有“A”表高级优质钢） （表含Mn量高）制作各种机器零件,一般进行热处理。
08F 塑性好，冷冲压件
10,20 冷冲压件，焊接件，渗碳处理。
35，45 40,50? 齿轮、轴类
60，65 弹簧
3、铸钢
“ ZG”加平均碳含量万分数表示，如:ZG25， ZG45( 0。25%C），～（0.45%C)
形状复杂,需要一定强度、塑性和韧性的零件.
本课小结：
钢铁材料的概念及其分类、特性
作业布置：习题册
审批：
后记：
第二章 钢铁材料及其在汽车上的应用
第二节 钢的热处理简介
• 课时：2课时
• 教学目标：掌握钢铁材料钢铁材料常用的热处理方法
• 重点：热处理类型及优点
• 难点：如何区分碳素钢、合金钢及铸铁
• 教学方法:讨论+讲授
• 所用教具：课件
• 时间分配：引入5分、新课讲授75分，小结10分,作业布置及答疑10分
• 新课引入：
热处理是改善金属材料使用性能和工艺性能的一种非常重要的工艺方法，它是强化金属材料,提高产品质量和使用寿命的主要途径之一。因此,绝大部分重要的机械零件在制造过程中都必须进行热处理.
一、热处理的基础知识
1.热处理的概念
所谓热处理，就是对固态的金属或合金采用适当的方式进行加热、保温和冷却，以获得所需要的组织结构与性能的工艺.
2.热处理的工艺过程
任何一种热处理的工艺过程,都包括下列三个步骤：
（1)加热　以一定速度把零件加热到规定的温度.这个温度范围根据不同的金属材料、不同的热处理要求而定.
（2)保温　在此温度下保温一定的时间，使工件全部或局部热透.
（3）冷却　以某种速度把工件冷却下来。
二、常用热处理的方法
热处理方法很多,常用的有普通热处理（包括退火、正火、淬火和回火）以及表面热处理(包括表面淬火和化学热处理等）两大类.热处理既可以作为预备热处理以消除上一道工序所遗留的某些缺陷，为下一道工序准备好条件；也可作为最终热处理进一步改善材料的性能，从而充分发挥材料的潜力,达到零件的使用要求.
1、退火:指金属材料加热到适当的温度，保持一定的时间,然后缓慢冷却的热处理工艺。常见的退火工艺有:再结晶退火、去应力退火、球化退火、完全退火等。退火的目的:主要是降低金属材料的硬度,提高塑性，以利切削加工或压力加工，减少残余应力,提高组 织和成分的均匀化,或为后道热处理作好组织准备等。
2、正火:指将钢材或钢件加热到或 （钢的上临界点温度）以上，30～50℃保持适当时间后，在静止的空气中冷却的热处理的工艺。正火的目的：主要是提高低碳钢的 力学性能，改善切削加工性，细化晶粒，消除组织缺陷,为后道热处理作好组织准备等。
3、淬火：指将钢件加热到 Ac3 或 Ac1(钢的下临界点温度)以上某一温度，保持一 定的时间，然后以适当的冷却速度,获得马氏体（或贝氏体）组织的热处理工艺。常见的淬 火工艺有盐浴淬火，马氏体分级淬火,贝氏体等温淬火，表面淬火和局部淬火等.淬火的目 的：使钢件获得所需的马氏体组织，提高工件的硬度，强度和耐磨性，为后道热处理作好组 织准备等。
淬火质量取决于淬火三要素，即加热温度、保温时间和冷却速度。
（1)淬火加热温度　钢的淬火加热温度是根据Fe—Fe3C相图来选择的,如图2—23所示。对于亚共析钢,淬火加热温度一般选择在Ac3以上30～50℃,淬火后获得的是均匀细小的马氏体组织.
(2）加热保温时间　淬火加热保温时间受钢的化学成分、工件尺寸及形状、加热炉类型等多种因素的影响。一般来讲，在保证工件热透和内部组织充分转变的前提下，应尽量缩短加热保温时间，以提高热处理质量。具体加热保温时间，可根据经验公式估算，也可由试验来确定。
(3)淬火冷却介质　钢件淬火所用的冷却介质称为淬火冷却介质。淬火是为了得到马氏体，这就要求淬火的冷却速度必须大于临界冷却速度v临。但冷却速度过大,可能会造成很大的内应力，往往会引起钢件的变形和开裂.因此，淬火冷却介质对钢的理想淬火冷却速度应是“慢—快—慢"，
4、回火:指钢件经淬硬后,再加热到 Ac1 以下的某一温度,保温一定时间，然后冷 却到室温的热处理工艺。常见的回火工艺有：低温回火，中温回火，高温回火和多次回火等。
回火的目的：主要是消除钢件在淬火时所产生的应力，使钢件具有高的硬度和耐磨性外，并 具有所需要的塑性和韧性等.
5、调质：指将钢材或钢件进行淬火及高温回火的复合热处理工艺。使用于调质处理的钢称调质钢.它一般是指中碳结构钢和中碳合金结构钢。
6、渗碳:渗碳是指使碳原子渗入到钢表面层的过程。也是使低碳钢的工件具有高碳钢的表面层,再经过淬火和低温回火，使工件的表面层具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持着低碳钢的韧性和塑性。
（一） 表面热处理
1、表面淬火
通过不同的热源对工件进行快速加热，当零件表层温度达到临界点以上（此时工件心部温度处于临界点以下）时迅速予以冷却,这样工件表层得到了淬硬组织而心部仍保持原来的组织。为了达到只加热工件表层的目的,要求所用热源具有较高的能量密度。根据加热方法不同，表面淬火可分为感应加热（高频、中频、工频）表面淬火、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火、电解液加热表面淬火、激光加热表面淬火、电子束表面淬火等.工业上应用最多的为感应加热和火焰加热表面淬火。
2、表面化学热处理
将工件置于含有活性元素的介质中加热和保温,使介质中的活性原子渗入工件表层或形成某种化合物的覆盖层，以改变表层的组织和化学成分，从而使零件的表面具有特殊的机械或物理化学性能。通常在进行化学渗的前后均需采用其他合适的热处理,以便最大限度地发挥渗层的潜力，并达到工件心部与表层在组织结构、性能等的最佳配合。根据渗入元素的不同 ,化学热处理可分为渗碳 、渗氮、渗硼、渗硅、渗硫、渗铝、渗铬、渗锌、碳氮共渗、铝铬共渗等。
最常用的表面热处理工艺有感应加热热处理和火焰淬火,此外还有接触电阻加热淬火、电解加热淬火、激光热处理和电子束热处理等。
本课小结:
热处理类型,各自特征及优点
作业布置：习题册
审批:
后记:
第二章 钢铁材料及其在汽车上的应用
第三节 合金钢
• 课时：2课时
• 教学目标：掌握合金钢的分类和牌号
• 重点:合金钢的分类和牌号
• 难点:合金钢牌号
• 教学方法:讨论+讲授
• 所用教具：课件
• 时间分配：引入5分、新课讲授75分，小结10分，作业布置及答疑10分
• 新课引入：
现代工业和科学技术的发展，对钢的性能提出了更高的要求。碳钢价格低廉，便于获得,容易加工；通过改变含碳量和进行不同的热处理，能满足许多工程上的需求。但碳钢也存在一定的缺点，难以满足耐热、耐低温、耐腐蚀、高耐磨等性能要求。而这些都需要通过钢的合金化来得到。
为了提高钢的力学性能、工艺性能或物理、化学特殊性能，有目的地向钢中加入一种或几种一定量的化学元素（金属或非金属)，这种钢就称为合金钢。
一、合金钢的分类和牌号
1、合金钢的分类：
1）、按合金元素含量：低合金钢（合金总量低于5 %）
中合金钢(合金总量为5 ％~10 ％）
高合金钢（合金总量高于10 ％) 　
2）、按用途分类:合金结构钢、合金工具钢 、特殊性能钢
2、合金钢的牌号：
1)、合金结构钢：两位数字＋合金元素符号＋数字＋质量等级符号“A”
（1）当合金元素的平均含量＜1。5%时,钢号中一般只标出元素符号，而不标明含量；但在特殊情况下易致混淆者，在元素符号后亦可标以数字“1”，例如钢号“12CrMoV"和“12Cr1MoV”，前者铬含量为0。4—0。6%，后者为0。9—1。2%,其余成分全部相同。
（2）当合金元素的平均含量≥1.5％、≥2.5%、≥3.5％……时，则相应地在元素符号后面标以2、3、4…… ；如果为高级优质钢，则在其钢号后加“A"， 以区别于一般优质钢。例如：18Cr2Ni4WA。
(3)钢中的钒V、钛Ti、铝Al、硼B、稀土Re等合金元素，均属微合金元素，虽然含量很低，仍应在钢号中标出.例如20MnVB钢中，钒：0.07～0.12%，硼：0.001～0。005％。
(4）专门用途的合金结构钢，钢号冠以（或后缀)代表该钢种用途的符号.例如,铆螺专用的30CrMnSi钢，钢号表示为ML30CrMnSi.
2）、合金工具钢和高速工具钢 ：数字＋合金元素符号＋数字
（1）合金工具钢中，当WC≥1。0％时，含碳量不标出，如Cr12、CrWMn；当WC＜1。0％时,以千分之几表示，如9SiCr、3Cr2W8V.
(2）对于含铬量低的钢，其含铬量以千分之几表示，并在数字前加“0”，以示区别。如平均Cr =0。6％的低铬工具钢的钢号为 “Cr06”。
（3）高速钢,一般不标出含碳量，只标出合金元素平均含量的百分之几。如“钨18铬4矾”(W18Cr4V,简称18—4-1）,“钨6钼5铬4矾2”（W6Mo5Cr4V2，简称6—5-4-2）。
（一)、合金结构钢
1、低合金高强度结构钢
用途:在大气和海洋中工作的的大型焊接结构件，如建筑结构、桥梁、车辆 、船舶 、输油输气管道、压力容器等.
性能特点：强度高，良好的塑性、韧性、冷冲压性能及焊接性能 ，可抵抗大气腐蚀。
牌号:Q＋数字＋（质量等级符号A、B、C、D、E）
共11个牌号，6个等级，以强度等级分类,如表所示.
2、渗碳钢
用途：主要作于制作承受交变载荷、很大的接触应力，并在冲击和严重磨损条件下工作的零件，如汽车、重型机床齿轮、活塞销，内燃机的凸轮轴等。
性能要求:“表硬心韧”。 要求零件表面硬度高、耐磨，心部则具有较高的韧性和足够的强度以承受冲击。一般渗碳件表面渗碳层淬火后硬度≥58HRC，心部35～45HRC。
3、调质钢
采用调质处理，即淬火+高温回火后使用的优质碳素钢和合金结构钢，统称为调质钢.
应用：用于受力较复杂的重要结构零件。如机床主轴、火车发动机曲轴、汽车后桥半轴等轴类零件，以及连杆、螺栓、齿轮等。
性能要求：具有良好的综合力学性能，即高的强度、良好塑性和韧性。
4、弹簧钢
应用：用于制造汽车、拖拉机和火车的板弹簧或螺旋弹簧。
性能要求:具有高的弹性极限和屈强比,高的疲劳强度和足够的塑性、韧性.
常用牌号：65Mn 、60Si2Mn、50CrVA
5、弹簧钢
应用：用于制造汽车、拖拉机和火车的板弹簧或螺旋弹簧。
性能要求：具有高的弹性极限和屈强比，高的疲劳强度和足够的塑性、韧性。
常用牌号:65Mn 、60Si2Mn、50CrVA
（二）、特殊性能钢
1、不锈钢:通常所说的不锈钢是不锈钢和耐酸钢的总称.不锈钢是指能抵抗大气腐蚀的钢；耐酸钢是指能抵抗化学介质腐蚀的钢.“不锈”只是说腐蚀的速度相对较慢，没有绝对不受腐蚀的钢种。主要是合金化,添加 Cr、Ni、Si、Al、Mo、Ti、Nb等合金元素。其作用：(1）加入Cr元素，提高基体的电极电位.当铬含量为12％左右时,合金的电极电位由-0.56V → ＋0.2V，不锈钢中铬的含量都在12％以上。（2） 使钢在使用态为单相组织，避免形成微电池。（3）加入Cr、Si、AL等形成致密氧化膜，基体与环境隔绝,提高耐蚀性。主要有Cr2O3、SiO2、Al2O3。（4）Ti、Nb等形成稳定碳化物或金属间化合物,避免晶界贫铬 .
2、耐热钢:耐热钢是指在高温下具有热稳定性和热强性的特殊钢和合金。
性能要求:
（1）高的热稳定性—--高的抗氧化能力.
(2)高的热强性—-——-高的蠕变抗力和持久强度.
本课小结：
1、合金钢的分类
2、合金钢的牌号
作业布置：习题册
审批：
后记：
第二章 钢铁材料及其在汽车上的应用
第四节 铸铁
• 课时：2课时
• 教学目标：掌握合金钢的分类和牌号
• 重点：合金钢的分类和牌号
• 难点：合金钢牌号
• 教学方法：讨论+讲授
• 所用教具：课件
• 时间分配:引入5分、新课讲授75分,小结10分，作业布置及答疑10分
• 新课引入：
提问
（1）合金钢的分类
（2）各种合金钢的牌
教师总结并带领学生复习,导入新课
授课内容：
一、什么是铸铁
1、是由铁、硕和硅等组成的合金。它比碳钢含有较多硫、磷等杂质元素.为了进一步提高铸铁的力学性能或特殊性能，还可以加入铬、钼、钒、铜、铝等合金元素，或提高硅、锰、磷等元素的含量，这种铸铁称为合金铸铁。
2、11<Wc<6。69%的铁碳合金称为铸铁。
碳在铸铁中有两种存在状态：一种是化合状态—-渗碳体（Fe3C)，另一种是游离状态-— 石墨(G）
二、铸铁的分类
根据碳在铸铁中的存在形式和形态的不同,可分为：
1、白口铸铁—-C极少溶于F 外.其余皆以Fe3C形式存在，断口兰银白色。这类铸铁组织中都存在着共晶莱氏体,性能硬很脆，很难切削加工,很少直接用来作机械零件,主要炼钢原钢原料或可锻铸铁件毛坯。有时也利用它的硬而耐磨的特征，铸造成冷硬铸铁件。冷碛铸铁常用作一些要求耐磨的工件，如轧辊、球磨机的磨球等.
2、灰口铸铁——C主要以片状的游离G存在,由于断口呈黑色（暗)
3、麻口铸铁――它是碳一部分以渗碳体形式存在；另一部分以石墨形式存在的铸铁,断口呈灰白色相间.这类铸铁也具有较大硬脆性，故工业上应用很少。
根据铸铁中石墨形态铸铁可分为:
1、可锻铸铁——G以团絮状存在。
2、蠕墨铸铁-—G 以界于片状和球状之间的中间形态一蠕虫状.
3、球墨铸铁——G 以球状存在。
4、灰铸铁――它是以片状石墨形式存在.
三、灰铸铁
灰铁产量占总铸铁件80％以上
灰铸铁的成分，组织和性能。
1、成分
Wc=2。6～3.5% Wsi=1。0~2。2% WMn=0。5~1.3% Ws≤0.15% Wp ≤0。3％
性能：
优良的铸造性能：部分补偿收缩。
良好的切削加工性：减摩和润滑.
优良的消震性：吸收震动能，阻碍传播为钢的10倍.
良好的耐磨性：形成的孔润又储存润滑油，因而减摩性 
2、 牌号和用途
牌号由“HT"和后面三位数字组成.
┃ ┃
灰铁 └ 最低拉抗强度бb
如：（F）HT100 低载荷和不重要件如盖手轮
(F+P) HT150 中载荷如底座、床身、工作台
（P）HT200 HT250 较大载荷如齿轮、汽缸体、活塞
孕育 HT300 HT350 床身导轨、受力较大的床身、卡盘
3、灰铸铁的热处理
去应力退火
铸件在铸造冷却过程中，由于各部位冷却速度不同,容易产生内应力，可能导致铸件翘曲和裂纹，为了保证尺寸稳定性，防止变形，对一些形状复杂的铸件，如床身、汽缸体、汽缸盖等，需进行消除内应力退火。其规范一般为：加热温度500—550℃，加热速度60—120℃/h，经保温一定时间后炉冷到150～220℃出炉空冷。
消除铸件白口退火
灰铸铁件表层及一些薄截面处,在冷凝过程中冷却速度较快，容易产生白口组织，使铸件的硬度和脆性增加，造成切削加工困难，需进行退火处理。将铸铁件加热到850—890℃，保温2—5h使Fe3C分解，然后随炉缓冷 400—500℃，再出炉空冷。
表面淬火
有些铸件，如机床导轨表面、汽缸内壁等需要提高表面硬度及耐磨性，常进行表面淬火处理，如高频感应加热表面淬火、接触电阻加热表面淬火等
本课小结：
铸铁的分类
铸铁的牌号
作业布置：习题册
审批:
后记：