《汽車材料》 第二版 課件全套 單元1-7 金屬材料的性能 -新能源汽車動力蓄電池材料

汽車材料（第2版）職業教育

汽車類專業教材上篇汽車金屬材料單元一金屬材料的性能單元二鋼鐵材料單元三有色金屬材料下篇汽車非金屬材料單元四汽車常見易損金屬材料單元六汽車運行材料單元五汽車涂裝材料Contents單元七新能源汽車動力蓄電池材料

單元一

金屬材料的性能單元一金屬材料的性能

金屬材料是制造汽車零件的主要原料，據粗略統計，生產一輛汽車的原材料中，金屬材料所占比例約為86%-88%。課題一金屬材料的力學性能金屬材料在受到外載荷作用下所表現出來的力學性能，稱為金屬材料的力學性能。金屬材料在加工和使用過程中所受的外力，稱為載荷。根據作用性質，載荷可分為：根據載荷作用形式，載荷可以分為拉伸和壓縮載荷、彎曲載荷、剪切載荷和扭曲載荷等。

靜載荷：指大小不隨時間變化或變動很慢的載荷。如桌上粉筆盒的受力。載荷沖擊載荷：指隨時間突然增加的載荷，如敲擊時的載荷。

交變載荷：指大小、方向隨時間發生周期性變化的載荷。如齒輪嚙合時的受力。（a）拉伸載荷

（b）壓縮載荷

（c）彎曲載荷

（d）剪切載荷

（e）扭曲載荷

課題一金屬材料的力學性能金屬材料的力學性能主要包括強度、塑性、硬度、沖擊韌度和疲勞等。一、強度萬能拉伸試驗機拉伸試驗標準試樣a)

b)

強度是指材料在外力作用下抵抗變形和損壞的能力。根據所加載荷的形式，可分為抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度和抗剪強度。工程上測量金屬材料強度指標通常采用最簡單的拉伸試驗。拉伸試驗在拉伸試驗機上進行。

在拉伸試驗中，先將被測金屬材料制成標準試樣。當L0=10d0時，稱為長試樣；當L0=5d0時，稱為短試樣。將試樣裝夾在拉伸試驗機上緩慢加載拉伸，使試樣產生軸向彈性變形，再過渡到塑性變形直至試樣斷裂。課題一金屬材料的力學性能通常用拉伸試驗曲線圖來表示受力程度和變形程度之間的關系。低碳鋼的拉伸過程有四個明顯的變形階段：彈性變形階段、屈服階段、強化階段和頸縮及斷裂階段。拉伸試驗曲線a)

b)

課題一金屬材料的力學性能1．彈性階段(Oe階段)在負荷很小的時候增加載荷，變形與負荷成正比，此時若卸去載荷，試樣將恢復至原來的尺寸，這個過程稱為彈性變形階段。彈性材料在使用過程中，其工作應力不允許大于其彈性極限，否則將導致零件的失效和損壞，如彈簧稱，如果受力超過彈簧的彈性極限，則彈簧稱被拉長后不能恢復原長即失效。2．屈服階段(ss′階段)當負荷超過極限e點時，載荷不再增加，但是試樣仍會發生明顯的塑性變形，這種現象稱為屈服，此時試樣不僅有彈性變形，還發生了塑性變形。螺栓被擰過了屈服點即被破壞失效。彈簧稱擰過了屈服點的螺栓課題一金屬材料的力學性能3．強化階段(s′b階段)過了s′后要使試件繼續變形，就必須增加載荷，材料進入強化階段，直到載荷達到最大值,所對應的應力值σb稱為強度極限，強度極限為試件在拉伸條件下所能承受的最大應力值。4．頸縮及斷裂階段(bd階段)當載荷達到最大值后，試件的變形開始集中在最弱橫截面附近的局部區域，使該區域的橫截面積急劇縮小，出現頸縮現象，試件直徑變細，橫截面積縮小，其抵抗外載荷的能力下降，此時不再增加外載荷，試樣卻被拉斷了。低碳鋼的頸縮及斷裂過程

課題一金屬材料的力學性能二、塑性以彎曲一塊鋼板為例，用手稍微彎曲鋼板，然后放開，則鋼板會回彈恢復到原來的形狀，這種在除去載荷后能自動消失的變形，稱為彈性變形，而鋼板恢復原狀的特性稱為彈性。若在鋼板上施加較大力量使鋼板彎曲，卸載后會出現無法恢復原狀的永久變形，這種在除去載荷后不能消失的變形，稱為塑性變形，鋼板產生塑性變形而不被破壞的能力稱為塑性。材料具有良好的塑性，有利于對金屬材料進行加工，如汽車駕駛室外殼、油箱等零部件的加工成型，因變形量很大，必須選用具有塑性較好的金屬材料經冷沖壓加工成型。金屬材料在受到拉伸時，長度和橫截面積都會發生變化，因此，金屬的塑性可以用拉伸時的延伸率和斷面收縮率兩個指標來衡量，可在拉伸試驗中測定。

鋼板彈性和塑性變形低碳鋼拉伸實驗低碳鋼拉伸實驗低碳鋼拉伸實驗低碳鋼拉伸實驗比例階段屈服階段低碳鋼拉伸實驗強化階段頸縮現象斷裂課題一金屬材料的力學性能課題一金屬材料的力學性能三、硬度

硬度是指金屬材料抵抗比它更硬物體壓入其表面的能力，是衡量材料軟硬程度的指標。材料的硬度越高，其耐磨性能越好。硬度試驗方法很多，應用研究最廣泛的有布氏硬度、洛氏硬度等試驗方法。1.布氏硬度

用布氏硬度測量儀將直徑為D的淬硬圓鋼球以規定的載荷F壓入被測材料表面，保持一定時間后卸去載荷，測量被測材料的表面壓痕直徑d（不平方向測量取平均值）和壓痕球面積A，試樣的單位表面積所承受的載荷F/A大小即表示該試樣的布氏硬度。布氏硬度測試原理示意圖

布氏硬度測量儀課題一金屬材料的力學性能在實際應用中，根據壓痕直徑的大小直接查布氏硬度表而無須計算即可得出硬度值。布氏硬度標注如下：200HBS10/100/30，表示鋼球直徑為10mm，施加的載荷為1000kgf（即9800N），保持時間為30s，測得的布氏硬度為200。布氏硬度所使用的壓頭是淬火鋼球。因此只適用硬度較低，尺寸較大的金屬材料。當被測材料硬度較高時，壓頭本身會發生變形而失去測量數據的可靠性。而且布氏硬度試驗壓痕面積較大，容易損傷零件表面，因此只宜測試原材料及半成品，不適于檢測成品件。

布氏硬度計壓頭課題一金屬材料的力學性能2．洛氏硬度洛氏硬度由洛氏硬度測量儀測定。洛氏硬度試驗和布氏硬度試驗相同也是采用壓入法測定硬度。兩者的區別是壓頭形狀不同。洛氏硬度測量儀洛氏硬度測量過程洛氏硬度測試原理示意圖課題一金屬材料的力學性能根據壓頭的種類和總載荷的大小不同，洛氏硬度的表示方式也不同，通常有HRA、HRB、HRC三種。常用三種洛氏硬度試驗條件及應用舉例硬度符號壓頭類型初始試驗力主試驗力硬度值有效范圍應用舉例HRA120°圓錐體金鋼石98.07490.320~88硬質合金、表面淬火鋼、滲碳層等HRBΦ1.588mm鋼球98.07882.620~100有色金屬、退火、正火鋼件等HRC120°圓錐體金鋼石98.07137320~70淬火鋼、調質鋼件等課題一金屬材料的力學性能四、沖擊韌度沖擊韌性表示金屬材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力。常用擺錘一次沖擊試驗來測定。試驗時，將試樣放在支座上，試樣的缺口背向擺錘的沖擊方向，將重量為G的擺錘從高處自由下落將試樣打斷，在試驗機上直接讀數，得到沖擊功，試樣缺口處單位面積上的沖擊功即為沖擊韌性。沖擊試驗機和沖擊試驗原理圖課題一金屬材料的力學性能五、疲勞強度許多汽車零部件，如曲軸、齒輪等工作時承受的載荷無論大小、方向、速度都成周期性的變化，即受交變載荷作用。這種因零件受交變載荷長時間反復循環作用后突然發生的脆性斷裂，稱為金屬材料的疲勞斷裂。軸和齒輪所受的交變載荷疲勞裂紋宏觀斷口及示意圖課題一金屬材料的力學性能當外力作用于含有裂紋的材料時，根據應力作用方向與裂紋擴展面的方向，可將裂紋分為三種基本類型：張開型裂紋（Ⅰ型）、滑開型裂紋（Ⅱ型）和撕開型裂紋（Ⅲ型)。疲勞強度可由疲勞試驗機測得。

裂縫類型

液壓疲勞試驗機

課題一金屬材料的力學性能在機械零件的失效形式中，約有80%是由疲勞斷裂所造成的。因此減少疲勞失效，對于提高零件使用壽命有著重要意義。提高零件的疲勞強度的措施有：（1）改善零件結構形狀，盡量避免尖角、缺口和截面突變，避免零件的應力集中；（2）改善零件表面加工質量，盡量減小能成為疲勞裂紋源的表面缺陷和表面損傷（擦傷、刀痕、生銹等）；（3）采用各種表面強化處理，如化學熱處理、表面淬火、噴丸、滾壓等表面強化方法，提高零件表層的疲勞極限。小結金屬材料的性能概念常用指標及符號力學性能強度材料在外力作用下抵抗變形和損壞的能力彈性極限σe

屈服極限σs強度極限σb塑性產生塑性變形而不被破壞的能力斷面收縮率Ψ=(A0－A1)/A0×100%延伸率δ＝(L1－L0)/L0×100%硬度金屬材料抵抗比它更硬物體壓入其表面的能力布氏硬度HB洛氏硬度HRA、HRB、HRC沖擊韌性金屬材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力а

k疲勞強度零件抵抗交變載荷長時間反復循環作用后突然發生的脆性斷裂的能力σ-1，σ0等課題一金屬材料的力學性能課題一金屬材料的力學性能作業：（一）填空題1、金屬材料的性能主要包括

性能、

性能、

性能和

性能。2、除去載荷后不能消失的變形，稱為

變形。3、金屬的塑性可以用

和

兩個指標來衡量。4、布氏硬度記為200HBW10/1000/30，表示用直徑為

的鋼球，在9800N的載荷下保持

時間所測得的布氏硬度值為

。5、裂紋分為三種基本類型，分別稱為

、

和

。課題一金屬材料的力學性能（二）判斷題（正確的打√，錯誤的打×）1、延伸率δ和斷面收縮率Ψ越大，表明材料的塑性越好。（）2、同一種金屬材料，不同尺寸試樣測得的延伸率相同。（）3、布氏硬度試驗壓痕面積較大，容易損傷零件表面，因此只宜測試原材料及半成品，不適于檢測成品件。（）4．洛氏硬度測試壓痕小，測得的數據比較太穩定。（）5．材料的強度越高，塑性越好，其韌性也越好。（）6．張開型裂紋最容易引起脆性斷裂。（）課題一金屬材料的力學性能（三）問答題1．哪些力學性能指標可由拉伸試驗獲得？2．汽車發動機氣門彈簧工作時，是彈性變形還是塑性變形？3．什么是材料的沖擊韌性？4．簡述金屬材料的疲勞破壞過程。5．提高零件疲勞強度的措施有哪些？THANKYOU汽車材料（第2版）全國交通運輸職業教育教學指導委員會中國汽車維修行業協會陳虹組織編寫主

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汽車類專業教材上篇汽車金屬材料單元一金屬材料的性能單元二鋼鐵材料單元三有色金屬材料下篇汽車非金屬材料單元四汽車常見易損金屬材料單元六汽車運行材料單元五汽車涂裝材料Contents單元七新能源汽車動力蓄電池材料

單元一

金屬材料的性能課題二金屬材料的其他性能一、金屬材料的物理性能由于機器零件的使用用途不同，對材料的物理性能要求也有所不同。如制造汽車散熱器水箱需要選用導熱性好的金屬材料；金屬材料的加工過程也廣泛地利用其物理性能，如在汽車維修工作中，可以利用金屬材料的熱膨脹性，用熱裝法將活塞安裝在連桿上，即先將活塞放在熱油或開水中加熱，使活塞孔的內徑產生熱膨脹，從而使活塞銷順利地安裝在連桿上。

金屬材料的物理性能主要包括密度、熔點、導熱性、熱膨脹性、磁性和導電性等。

1．密度單位體積物質的質量稱為該物質的密度，即：ρ=m/V式中，ρ為物質的密度，單位kg/m3；m為物質的質量，單位kg；V為物質的體積，單位m3。密度大于50kg/m3的金屬稱為輕金屬，密度大于50kg/m3的金屬稱為重金屬。金屬材料的密度可由密度測量儀直接測出。密度測量實驗密度測量實驗器材準備

天平量杯量杯砝碼金屬塊細線U碼撥至零刻度位置調節平衡螺母，直至分度盤指針位于中央調節天平

密度測量實驗在天平一側加金屬塊在天平另一側加砝碼調節U碼，直至天平恢復平衡記錄金屬塊質量m

測量金屬塊質量

密度測量實驗在量筒中倒入適量水觀察并記錄水的體積用細線系牢金屬塊將金屬塊放入水中，觀察水和金屬塊的總體積值V總，計算并記錄金屬塊體積V=V總-V水測量金屬塊體積

密度測量實驗實驗結束，器材整理計算金屬塊的密度ρ=m/V，完成實驗報告實驗整理

密度測量實驗密度測量實驗2．熔點金屬由固態轉變成液態時的溫度稱為熔點，對金屬材料的熔煉、熱加工有直接影響，并與材料的高溫性能有很大關系。熔點高的金屬稱為難熔金屬，如鎢、鉬、釩等，可以用來制造耐高溫零件，如高級汽車上的曲軸、氣缸的鎢絲筒，汽車照明用的鎢絲，國外汽車發動機耐高溫鑄件（如排氣管、渦輪殼）等。熔點低的金屬稱為易熔金屬，如錫、鉛等，可用于制造保險絲和防火安全閥零件等。熔點可由熔點測試儀直接測出。不同材質的物體熔點可選用相應方法進行測量

a)

b)

c)

d)課題二金屬材料的其他性能3．導熱性導熱性是對固體或液體傳熱的能力的衡量，用熱導率來衡量。熱導率越大，導熱性越好。金屬當中銀的導熱性最好，銅和鋁次之，一般來說，合金的導熱性比純金屬差。導熱性性差的材料，在熱加工和熱處理的加熱和冷卻過程中容易形成內應力，使零件變形和開裂（如玻璃杯在快速加熱時的爆裂現象）。導熱性好的金屬散熱性也好，在制造散熱器、熱交換器與活塞等零件時，要選用導熱性好的金屬材料。導熱性可由導熱系數測試儀測得，不同材料可選用相應的測量儀。

導熱系數測試儀課題二金屬材料的其他性能4．熱膨脹性金屬材料隨溫度變化，體積也發生變化（膨脹或收縮）的現象稱為熱膨脹，一般來說，金屬受熱時膨脹，體積增大，冷卻時收縮，體積縮小。熱膨脹性多用線膨脹系數衡量，亦即溫度變化1℃時，材料長度的增減量與其0℃時的長度之比。對于在高溫環境下工作，或者在冷、熱交替環境中工作的金屬零件，必須考慮其膨脹性能的影響。由膨脹系數大的材料制造的零件，在溫度變化時，尺寸和形狀變化較大。軸和軸瓦之間要根據其膨脹系數來控制其間隙尺寸；熱加工和熱處理時也要考慮材料的膨脹影響，以減少工件的變形和開裂。膨脹系數測量儀種類較多，如圖1-25為線性熱膨脹測量儀。

線性熱膨脹測量儀課題二金屬材料的其他性能5．磁性

能吸引鐵磁性物體的性質稱為磁性。金屬材料可分為鐵磁性材料（如鐵、鋁等在外磁場中能強烈地被磁化），順磁性材料（如錳、鉻等在外磁場中只能微弱地被磁化）和抗磁性材料（如銅、鋅等能抗拒或削弱外磁場對材料本身的磁化作用）。鐵磁性材料可用于制造變壓器、電動機和測量儀表等。如航海羅盤要求避免電磁場干擾，必須選用抗磁性材料制造。鐵磁性材料當溫度升高到一定數值后，會轉變為順磁體。軟磁材料磁性測量系統課題二金屬材料的其他性能6．導電性

傳導電流的能力稱為導電性，用電阻率來衡量。電阻率越小，金屬材料的導電性越好，金屬中銀的導電性最好，銅和鋁次之，合金的導電性比純金屬差。電阻率小的金屬（純銅、純鋁）適合制造導電零件和電線。電阻率大的金屬或合金（如鎢、鉬、鐵、鉻）適合做電熱元件。

金屬導電率測量儀課題二金屬材料的其他性能二、金屬材料的化學性能

金屬與其他物質引起化學反應的特性稱為金屬的化學性能。在實際應用中主要考慮金屬的耐腐蝕性和抗氧化性，特

別是抗腐蝕性對金屬的腐蝕疲勞損傷有著重大的意義。

1．耐腐蝕性

金屬材料在常溫下抵抗氧、水蒸氣及其他化學介質腐蝕破壞的能力稱為耐腐蝕性。碳鋼、鑄鐵的耐腐蝕性較差；鈦及其合金、不銹鋼、耐腐蝕性好。鋁合金和銅合金的耐腐蝕性較好。汽車零部件制造所用的材料以金屬為主，在使用中，金屬材料的腐蝕是難以避免的。汽車發動機在汽缸冷卻時，燃料中的硫等很容易在缸壁上生成酸性物質，此時腐蝕很強烈。當汽缸內氣溫較高時，酸性物質的腐蝕會小很多，但此時因潤滑油黏度隨溫度的升高而降低，油膜不易形成，抵抗腐蝕的能力減小，使得磨損加劇。課題二金屬材料的其他性能車輛金屬零件腐蝕比較嚴重的部位是板金件部分，如駕駛室、車廂、車殼體、車底板、擋泥板、底盤等。金屬零件的腐蝕，不僅會降低其品質和壽命，還會因腐蝕造成異常損壞而引發交通事故。圖為被腐蝕的軸瓦、被腐蝕的汽車排氣管和生銹卡死的軸承。

a)被腐蝕的軸瓦

b)被腐蝕的汽車排氣管

c)生銹卡死的軸承課題二金屬材料的其他性能金屬防腐蝕的方法很多，主要有改善金屬的本質，把被保護金屬與腐蝕介質隔開，或對金屬進行表面處理，改善腐蝕環境以及電化學保護等。（1）改善金屬的本質。可在金屬中添加合金元素，提高材料的耐腐蝕性。如在鋼中加入鎳等元素制成不銹鋼來防止或減緩金屬的腐蝕。（2）形成保護層。防止金屬腐蝕簡單有效的方法是在金屬表面覆蓋各種保護層，把被保護金屬同腐蝕介質隔開。如在汽車車身噴涂油漆等。圖為使用防銹蠟對底盤進行防腐。使用防銹蠟進行防腐課題二金屬材料的其他性能（3）改善腐蝕環境。減少腐蝕介質的濃度，除去介質中的氧，控制環境溫度和濕度，在腐蝕介質中添加緩蝕劑來防止和減少金屬的腐蝕。（4）電化學保護法。根據電化學原理在金屬設備上采取措施，使之成為腐蝕電池中的陰極，從而減輕或防止金屬腐蝕。2．抗氧化性金屬材料在高溫時抵抗氧化腐蝕作用的能力稱為抗氧化性。

氧化是一種典型的化學腐蝕，在高溫空氣、燃燒廢氣等氧化性氣氛中，金屬與氧接觸發生化學反應即氧化腐蝕，腐蝕產物(氧化膜)附著在金屬的表面。隨著氧化的進行，氧化膜厚度繼續增加，金屬氧化到一定程度后是否繼續氧化，直接取決于金屬表面氧化膜的性能。如果生成的氧化膜是致密、穩定的、與基體金屬結合力高，氧化膜強度較高，就能阻止氧原子向金屬內部的擴散，降低氧化速度，否則會加速氧化，使金屬表面起皮和脫落等，導致零件早期失效。為被氧化腐蝕的汽車輪轂。

被氧化腐蝕的汽車輪轂課題二金屬材料的其他性能3．金屬材料的工藝性能金屬材料對各種加工工藝方法所表現出來的適應性稱為工藝性能，主要包括鑄造性能、壓力加工性能、焊接性能、切削加工性能和熱處理工藝性能等。在制造維修考慮選擇工藝加工方法時，必須要考慮金屬材料的工藝性能。如鑄造性能較好，切削加工性能也較好的灰口鑄鐵廣泛應用于制造形狀和尺寸較復雜的零件，但其壓力加工性能和焊接性能均較差。低碳鋼的冷沖壓性能和焊接性能較好，故用來加工制造形狀較復雜的汽車駕駛室等零部件。金屬材料的熱處理性能較好，能通過不同的熱處理工藝方法來改善和提高材料的各種性能。金屬材料的熱處理在后續章節介紹。課題二金屬材料的其他性能小結:物理性能密度單位體積物質的質量ρ熔點金屬由固態轉變成液態時的溫度

導熱性導熱性是對固體或液體傳熱的能力的衡量熱導率熱膨脹性金屬材料隨著溫度變化，體積也發生變化（膨脹或收縮）的現象熱膨脹系數磁性能吸引鐵磁性物體的性質導電性傳導電流的能力稱為導電性電阻率化學性能抗氧化性金屬材料在高溫時抵抗氧化腐蝕作用的能力耐腐蝕性屬材料在常溫下抵抗氧、水蒸氣及其他化學介質腐蝕破壞的能力工藝性能鑄造性能金屬或合金是否適合鑄造的一些工藝性能壓力加工性能利用金屬在外力作用下所產生的塑性變形，來獲得具有一定形狀、尺寸和力學性能焊接性能金屬材料通過加熱或加熱和加壓焊接方法，把兩個或兩個以上金屬材料焊接到一起，接口處能滿足使用目的的特性切削加工性能切削加工金屬材料的難易程度熱處理工藝性能金屬經過熱處理后其組織和性能改變的能力課題二金屬材料的其他性能作業：（一）填空題1．金屬材料的物理性能主要包括

、

、

、

、

和

等。2．金屬由固態轉變成液態時的溫度稱為

。3．材料的熱導率越大，導熱性越

。4．傳導電流的能力稱為

，用電阻率來衡量。5．金屬材料在常溫下抵抗氧、水蒸氣及其他化學介質腐蝕破壞的能力稱為

。6．金屬材料在高溫時抵抗

的能力稱為抗氧化性。7．金屬材料的

和

統稱為化學穩定性。課題二金屬材料的其他性能（二）判斷題（正確的打√，錯誤的打×）1．汽車發動機中的活塞要求質輕、運動時慣性要小，所以選用密度較小的輕金屬材料鋁合金等制造。（）2．制造汽車散熱器水箱需要選用導熱性好的金屬材料。（）3．熔點高的金屬可用于制造保險絲和防火安全閥零件等。（）3．航海羅盤要求避免電磁場干擾，必須選用抗磁性材料制造。（）4．電阻率越大，金屬材料的導電性越好。（）5．金屬防腐蝕的方法很多，主要有改善金屬的本質，把被保護金屬與腐蝕介質隔開，或對金屬進行表面處理，改善腐蝕環境以及電化學保護等。（）課題二金屬材料的其他性能（三）問答題1．金屬防腐蝕的方法有哪些？2．金屬材料的物理性能有哪些？課題二金屬材料的其他性能THANKYOU汽車材料（第2版）職業教育

汽車類專業教材上篇汽車金屬材料單元一金屬材料的性能單元二鋼鐵材料單元三有色金屬材料下篇汽車非金屬材料單元四汽車常見易損金屬材料單元六汽車運行材料單元五汽車涂裝材料Contents單元七新能源汽車動力蓄電池材料單元二鋼鐵材料

課題一碳素鋼

以鐵為基礎的鐵碳合金統稱為鋼鐵材料。鋼鐵材料是現代工業中應用最廣泛的金屬材料，它是由多種元素組成的復雜合金，但最基本的是鐵和碳兩種元素，其中碳素鋼是最常用的鋼鐵材料。

碳素鋼又稱為碳鋼，約占鋼鐵總產量的80%。在鐵碳合金中，含碳量小于2.11%的鐵碳合金稱為鋼，含碳量大于2.11%的鐵碳合金稱為鑄造生鐵。碳素鋼就是含碳量小于2.11%的鐵碳合金，在冶煉過程中，不可避免地要帶入少量的其它雜質元素，如錳、硅、硫、磷等元素以及某些氣體，如氮、氫、氧等，這些雜質對鋼的性能有很大的影響，為此對其在鋼中的含量均有嚴格的控制。一、碳及雜質元素對碳素鋼性能的影響１．碳的影響

碳存在于所有的鋼材，是決定鋼性能的主要元素。由圖2-1所示可知，當鋼中的含碳量低于0.77%時，其含碳量越高，鋼的硬度和強度也越高，而塑性和韌性則越低。當鋼中的含碳量超過1.0%以后，鋼的硬度仍將升高，脆性也增大。

含碳量對鋼的加工工藝性也有較大影響。含碳量低的鋼強度低、塑性好，容易鍛造和冷加工型（如冷彎、冷沖壓、冷擠、冷鉚等）；含碳量低的其焊接性能良好，采用一般的焊接方法就能獲得良好的焊接質量。反之，含碳量高的鋼，塑性變形抗力增大，塑性變形能力差而不易冷壓力加工成型；隨著含碳量增大，鋼的可焊接性能也逐漸變差。含碳量對鋼性能的影響

課題一碳素鋼

2．雜質元素對碳素鋼性能的影響：雜質元素對碳素鋼性能的影響見表。雜質元素含量對碳素鋼性能的影響硅不能過高，一般控制在0.5%以下有益元素脫氧劑：冶煉鋼時與鋼水中的氧及氧化物結合形成鋼渣而被去掉，以消除氧對鋼的不良影響具有強化作用，有助于增強鋼的強度，但硅熔于鋼中會降低鋼的韌性和塑性錳含量一般不超過0.25%-0.8%，最多不超過1.2%有益元素脫氧劑和脫硫劑：錳熔于鋼中除去鋼中的有害氧化物，并與鋼中的硫化物形成硫化錳的鋼渣而被去除，以消除和降低硫在鋼中的有害影響具有固熔強化作用，能在不降或略降塑性和韌性的基礎上，提高鋼的強度、硬度及耐磨性硫必須嚴格控制鋼中硫的含量有害元素硫在鋼中一般不熔于鐵，而與鐵形成化合物硫化鐵，在鋼進行熱加工時，硫化鐵先熔化，使鋼材在熱加工過程中開裂使鋼材變脆，產生“熱脆”現象在鋼焊接過程中，硫會導致焊縫出現熱裂現象；在焊接時，硫易于氧化而形成二氧化硫氣體，使焊縫中產生氣孔磷嚴格控制磷在鋼中的含量有害元素室溫下，熔入鋼中的少量磷能使鋼的強度和硬度增加，而塑性、韌性將有明顯的下降，特別是低溫下的塑性和韌性下降更為顯著，這種磷含量較高在低溫下使鋼變脆的現象稱為“冷脆”使鋼的焊接性能變差雜質元素對碳素鋼性能的影響

課題一碳素鋼

二、碳素鋼的分類：

碳素鋼的種類繁多，按照鋼的化學成分、品質和用途等的不同，可對碳素鋼進行不同的分類。

課題一碳素鋼

三、碳素鋼的牌號、性能和用途1．碳素結構鋼：碳素結構鋼按鋼的品質又分為普通碳素結構鋼和優質碳素結構鋼。（1）普通碳素結構鋼根據《碳素結構鋼》GB/T700-2006，普通碳素結構鋼的牌號、化學成分如表所示。

課題一碳素鋼

力學性能如表所示由表可知，Q195、Q215、Q235等鋼材具有良好的塑性、韌性和焊接性能，可軋制成各種薄板、沖壓件、焊接結構件并可制作受力不大的零件，如螺釘、螺母、墊圈等。而Q275鋼具有一定的含碳量，屬中碳鋼，強度較高，可代替30鋼、40鋼制造稍重要的某些零件，如小軸、銷、齒輪、鏈輪等，以降低原材料成本。牌號等級力學性能σs（MPa）σb

(MPa)δ5（%）鋼材厚度（直徑mm）鋼材厚度（直徑mm）≦

16>

16~40>40~60>60~100>100~150>150~200≦

40>40~60>60~100>100~150>150~200Q195—195185————315~43033————Q215A215205195185175165335~4503130292726BQ235A235225215215195185370~5002625242221BCDQ275A275265255245225215410~5402221201817BCD

課題一碳素鋼在汽車零部件中，可用普通碳素結構鋼制造的有螺釘、螺母、墊圈、法蘭軸、后橋后蓋、制動器底板、車廂板件、備胎托架、發動支架、曲軸前擋油盤、拉桿、銷和鍵等。如下表為Q235鋼在EQ1092和CA1093汽車上的應用舉例。牌號應用舉例車型零件名稱Q235—AEQ1092百葉窗聯動杠桿、傳動軸中間軸承支架等CA1093發動機前后支架、后視鏡支桿、油底殼加強板等Q235—A·FCA1093機油濾清器凸緣、固定發動機用連接板、前鋼板彈簧夾篩、后視鏡支架等Q235—BCA1092三、四、五檔同步器錐盤、差速器螺栓鎖片等CA1093車輪輪輻、輪輞、駐車制動操縱桿棘爪與齒板等Q235—B·FCA1093放水龍頭手柄、消聲器、后支架、百葉窗葉片等

課題一碳素鋼

（2）優質碳素結構鋼

優質碳素結構鋼是碳含量小于0.8%的碳素鋼，這種鋼中所含的硫、磷及非金屬夾雜物比碳素結構鋼少，機械性能較為優良。優質碳素結構鋼的牌號用兩位數字表示，代表鋼中平均含碳量的萬分位數。例如，20號鋼表示平均含碳量為0.20%的優質碳素鋼。若鋼中錳的含量較高，則在兩位數字后加符號Mn。對于沸騰鋼則在尾部加上F，如65Mn、15F等。08、10、15、20、25等牌號屬于低碳鋼，其塑性好，易于拉拔、沖壓、擠壓、鍛造和焊接。優質碳素結構鋼中08、10、15、20、25等牌號屬于低碳鋼，其塑性好，易于拉拔、沖壓、擠壓、鍛造和焊接。其中20鋼用途最廣，常用來制造螺釘、螺母、墊圈、小軸以及沖壓件、焊接件，有時也用于制造滲碳件。30、35、40、45、50、55等牌號屬于中碳鋼，其強度和硬度比低碳鋼有所提高，淬火后的硬度可顯著增加。其中，以45鋼最為典型，它不僅強度、硬度較高，且兼有較好的塑性和韌性，即綜合性能優良。45鋼在機械結構中用途最廣，常用來制造軸、絲杠、齒輪、連桿、套筒、鍵、重要螺釘和螺母等。

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60、65、70、75等牌號屬于高碳鋼。它們經過淬火、回火后不僅強度、硬度提高，且彈性優良，常用來制造小彈簧、發條、鋼絲繩、軋輥等。表2-6為優質碳素結構鋼在CA1092和EQ1092上的應用。牌號應用舉例車型零件名稱08CA1092駕駛室、油底殼、油箱、離合器等EQ109215CA1092發動機氣門帽、離合器調整螺栓、曲軸箱調整螺栓、消聲器前托架螺栓、曲軸箱通風閥體、氣門彈簧座及旋轉套EQ1092輪胎螺母、螺栓等20CA1092離合器標桿、風扇葉片、駐車制動桿等EQ109235CA1092螺母、發動機推桿駐車制動蹄片臂拉桿等EQ1092曲軸正時齒輪、半軸螺栓錐型套、前后軸頭螺母、車輪螺栓等機油泵輪、連桿螺母、汽缸蓋定位銷、拖曳鉤等45CA1092飛輪齒環、拖曳鉤、轉向節主銷、離合器踏板軸及分離叉等EQ1092氣門推桿、同步器鎖銷、變速桿、凸輪軸、曲軸、變速叉軸等50CA1092離合器從動盤等65MnCA1092氣門搖臂復位彈簧、活塞油環制片、離合器壓板盤彈簧、活塞銷卡簧等EQ1092

EQ1092氣門彈簧、轉向縱拉桿彈簧、搖臂軸復位彈簧、拖曳鉤彈簧、空壓機排氣閥波形彈簧墊圈、風扇離合器閥片等

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2．碳素工具鋼

碳素工具鋼的碳含量范圍為0.65%～1.35%，屬于高碳鋼。碳素工具鋼可用于各種刃具、模具和量具的制造。碳素工具鋼分為碳素刃具鋼、碳素模具鋼和碳素量具鋼。碳素刃具鋼用于制作切削工具，碳素模具鋼用于制作冷、熱加工模具，碳素量具鋼用于制作測量工具。

碳素工具鋼

碳素工具鋼的牌號、化學成分

序號牌號化學成分（%）CMnSiSP不大于1T70.65～0.74≤0.400.350.300.0352T80.75~0.740.40~0.603T8Mn0.80~0.904T90.85~0.94≤0.405T100.95~1.046T111.05~1.147T121.15~1.248T131.25~1.35

課題一碳素鋼碳素工具鋼的牌號表示方法：T表示鋼的種類，后面的數字表示含碳的平均質量的千分數。如T8表示平均含碳量為0.8%的碳素工具鋼。高級優質碳素工具鋼在牌號后加字母A。如T12A表示平均含碳量為1.2%的高級優質碳素工具鋼。表2-7為碳素工具鋼的牌號、化學成分。表2-8為常用碳素工具鋼的性能和用途。牌號主要性能應用舉例T7含碳量低，韌性較好，能承受沖擊、振動鑿子、錘子、模具、木工工具等T8沖頭剪切金屬用剪刀、木工工具、簡單模具等T8MnT9含碳量較高，硬度、耐磨性較高，有一定的韌性，耐沖擊性較差絲錐、板牙、小鉆頭、手工鋸條、沖模、沖頭、卡尺等T10T11含碳量較高，有高硬度、高耐磨性，但韌性差，脆性大，耐沖擊振動性能差要求硬度較高的銼刀、刮刀、剃刀、鉸刀、量具、絲錐、板牙等T12T13

課題一碳素鋼3．碳素鑄鋼

由熔融的碳鋼直接澆鑄而成的構件或機械零件，稱為鑄工件（簡稱鑄鋼）。碳素鋼的含碳量一般在0.15%~0.60%范圍內，含量碳量過高則塑性很差，具有較大的應力和冷裂傾向，不適于鍛造。碳素鑄鋼的牌號用“ZG+數字+數字”表示，ZG表示鑄鋼兩字的漢語拼音的首寫字母，兩組數字分別表示鑄鋼的屈服強度和抗拉強度。例如牌號為ZG230~450表示屈服強度為230MPa、抗拉強度為450MPa的鑄鋼。下表為鑄鋼在CA1092和EQ1092汽車上的應用舉例。牌號應用舉例車型零件名稱ZG35CA1092機油管凸緣、化油器、操縱桿活接頭等ZG35CA1092進排氣歧管壓板、風扇過渡凸緣、前減振器下支架、空氣壓縮機排氣閥導向座、備胎升降器輪齒等二、四、五檔變速叉、起動爪等ZG45CA1092齒輪、棘輪等耐磨零件EQ1092

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四、鐵碳合金的基本相和組織

純鐵的強度、硬度很低，生產上很少用純鐵制造零件，通常采用鐵碳合金。碳鋼和鑄鐵是現代轎車業極為重要的金屬材料，它們都屬于以鐵和碳兩個組元組成的鐵碳合金。在合金中，凡是具有相同化學成分、相同晶體結構，并與其他部分有明顯界面分開的均勻組成部分稱為相。鐵碳合金的基本相和組織有液相、鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體以及萊氏體。下表表示鐵碳合金基本相和組織的符號、性能。基本相和組織符號性能鐵素體F與純鐵相近，強度、硬度低，塑性韌性好奧氏體A在727℃以上才存在，強度、硬度不高，塑性、韌性較好，易鍛壓成型，且無磁性滲碳體Fe3C硬度很高，塑性和韌性極差，很脆珠光體P具有較高的強度和硬度，良好的塑性和韌性，介于鐵素體和滲碳體之間萊氏體Ld由奧氏體和滲碳體組成，硬度很高，塑性、韌性很差

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合金的結晶過程，是合金的組織結構隨溫度、成分的變化而變化的過程。常用合金相圖來反映。如圖2-3為Fe-Fe3C相圖由Fe-Fe3C相圖可知，碳鋼在緩慢加熱或冷卻過程中，在PSK線、GS線和ES線上都要發生組織轉變。通常把PSK線稱為A1線；GS線稱為A3線；ES線稱為Acm線。Ac1：加熱時珠光體向奧氏體轉變的溫度；Ar1：冷卻時奧氏體向珠光體轉變的溫度；Ac3：加熱時先共析鐵素體全部轉變為奧氏體的終了溫度；Ar3：冷卻時奧氏體向鐵素體轉變的開始溫度；Accm：加熱時二次滲碳體全部溶入奧氏體的終了溫度；Arcm：冷卻時從奧氏體中開始析出二次滲碳體的溫度。鋼在加熱和冷卻時的相變臨界線

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五、鋼的熱處理鋼的熱處理是將固態金屬或合金通過加熱、保溫和冷卻以獲得所需的內部組織結構與性能的工藝。其目的在于改變或改善金屬材料的使用性能和工藝性能，提高產品的質量，延長其使用壽命。80%左右的汽車零件需要進行熱處理。所有的刀具、模具、量具、滾動軸等。均需要進行熱處理，下表所示為部分顯微組織金相圖譜。

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熱處理一般可分為普通熱處理和表面熱處理。（一）鋼的普通熱處理普通熱處理又稱為整體熱處理，主要包括退火、正火、淬火和回火等。退火和正火屬于預先熱處理，淬火和回火稱為最終熱處理。預先熱處理的目的是消除工件的某些缺陷，為后續工序和熱處理作組織準備。最終熱處理的目的是使零件獲得所需要的使用性能。1．退火退火是將鋼加熱到臨界溫度（指零件在緩慢加熱或緩慢冷卻時，內部組織發生轉變的溫度）以上30~50℃，保溫一定時間，然后緩慢冷卻的熱處理工藝。退火的目的：退火可以降低工件的硬度，提高鋼的塑性和韌性，以利于切削加工；消除前一工序過程中產生的殘余應力，以防工件變形與開裂；細化晶粒，均勻組織，以提高鋼的力學性能，為最終熱處理作組織準備。退火按鋼的成分、退火的工藝與目的不同，通常可分為完全退火、球化退火和去應力退火。（1）完全退火將工件加熱到臨界完全退火臨界溫度Ac3（臨界溫度與含碳量有關，隨含碳量升高而降低）以上30~50℃以上，保溫一定時間，然后隨爐緩慢冷卻至600℃左右，將工件出爐空冷的熱處理工藝稱為完全退火。

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完全退火可降低鋼的硬度，以利于切削加工；消除殘余應力，以防變形或開裂；改善組織，為最終熱處理作組織準備。完全退火所需時間很長。完全退火適用于低中碳鋼的鑄、鍛件及熱軋型材或焊接件。高碳鋼不能完全退火，它會使鋼的強度和韌性降低，為以后的熱處理留下隱患，如淬火后易開裂等。

（2）球化退火

將工件加熱到臨界溫度Ac1以上球化退火20~30℃以上，保溫一定時間后緩慢冷卻的熱處理工藝稱為球化退火。

球化退火的目的是降低硬度，提高塑性，使之易于切削加工；獲得均勻的組織，減少淬火時變形與開裂的傾向，改善熱處理工藝性能，為淬火作組織準備。球化退火主要用于碳素工具鋼、合金刀具鋼、彈簧鋼和軸承鋼等。（3）去應力退火

將工件以緩慢的速度加熱到Ac1以下某個溫度，保溫一定時間后隨爐緩慢冷卻至200℃左右出爐空冷的熱處理工藝稱為去應力退火。鋼在去應力退火中不發生組織變化，而是發生應力松馳，使內應力消除。

去應力退火的主要目的是消除工件在鑄造、鍛壓、焊接和切削加工過程中產生的內應力，穩定尺寸，減少變形。

去應力退火主要用于消除鑄件、鍛件、焊接件、冷沖壓件以及機加工工件中的殘余應力。如果這些殘余應力不消除，工件在隨后的機加工或長期使用過程中，容易引起變形或開裂。

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2．正火正火是將鋼加熱到正火臨界溫度Ac3或Accm以上30~50℃，保留一定時間后，在空氣中冷卻得到相應組織的熱處理工藝。正火與退火的主要區別是正火的冷卻速度稍快，得到的組織較細小，強度和硬度有所提高，操作簡便，生產周期短，成本較低。正火的目的和作用：（1）作為中碳結構鋼制作的較重要零件的預先熱處理。通過正火消除中碳結構鋼中熱加工所造成的組織缺陷，細化均勻組織，消除內應力，為后續熱處理作組織準備。（2）作為普通結構零件的最終熱處理，提高鋼的強度、韌性和硬度。對于力學性能要求不高的普通結構工件，可在正火狀態下使用。（3）改善低碳鋼和低碳合金鋼的切削加工性能。低碳鋼退火后塑性和韌性都較高，切削時難斷屑，表面光潔度也不高。正火后可以獲得適當的硬度，從而改善切削加工中的“黏刀”現象，易于斷屑，并可使工件表面光潔度提高。

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鋼的幾種退火、正火加熱溫度范圍及熱處理工藝曲線。

鋼的退火、正火加熱溫度范圍鋼的退火、正火熱處理工藝曲線課題一碳素鋼3．淬火淬火是將鋼加熱到淬火臨界溫度Ac1或Ac3以上30~50℃，保留一定時間后快速冷卻（水冷或油冷）的熱處理工藝。淬火對于工具鋼主要目的是獲得相應的組織結構以提高鋼的硬度，以保證刀具的切削性能和工具的耐磨性；對于中碳鋼，淬火后硬度提高，但韌性不能提高，所以淬火后必須進行回火才能同時提高強度和韌性。

（1）淬火加熱溫度淬火加熱溫度與鋼的主要化學成分有關。一般含碳量越高加熱溫度越低，對于合金鋼，加熱溫度要高于相同碳含量的碳鋼。淬火加熱溫度不宜太高，只允許超出臨界溫度以上30~50℃。否則會使鋼的脆性增大，強度降低；淬火加熱溫度也不能太低，否則會使淬火后硬度不足。常用鋼的淬火加熱溫度見表2-12。實際生產中，淬火加熱溫度的確定，還要考慮工件形狀尺寸、淬火冷卻介質和技術要求等因素。

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鋼號淬火溫度(℃)鋼號淬火溫度(℃)301143~116340Cr1103~1133351123~116340CrNi1083~1113451093~113360Si2Mn1123~1163501083~112350CrVA1103~1143651073~1133GCr151093~1133701053~1103CrWMn1073~1103T81053~1073Cr121223~1273T101033~10535CrMnMo1093~1123T121033~10533Cr2W8V1348~1398T131033~1053W18Cr4V1543~155865Mn1083~11233Cr131193~1253

常用鋼的淬火加熱溫度

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（2）淬火加熱時間淬火加熱時間包括升溫時間和保溫時間。加熱時間受鋼的成分、工件的形狀尺寸、裝爐方式、裝爐量、加熱爐類型、爐溫和加熱介質等因素影響。實際生產中可根據相關手冊的經驗公式進行估算。（3）淬火冷卻介質

工件進行快速冷卻時所用的介質稱為淬火介質。理想冷卻介質的冷卻能力是既能使工件獲得相應的組織又不使工件造成大的內應力。理想淬火介質的冷卻速度曲線如圖所示，在650℃以上冷卻速度可慢些，以減小工件內外溫差引起的熱應力，防止變形；在650℃~400℃范圍內，應快速冷卻；在300℃~200℃范圍內，應緩慢冷卻，可防止內應力過大而使零件產生變形甚至開裂。

課題一碳素鋼生產中常用的淬火冷卻介質有水、鹽或堿的水溶液、礦物油等，其冷卻能力如表所示。淬火介紹在下列溫度范圍內的冷卻速度（℃/s）650~550℃300~200℃水（18℃）600270水（25℃）500270水（50℃）10027010％NaC1（18℃）水溶液1100300植物油2003510號機油15030變壓器油1202510％Na2CO3（18℃）800270肥皂水30200油水乳濁液70200蒸餾水250200常用淬火介質的冷卻能力比較

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水是應用最廣泛的冷卻介質。在650℃~400℃范圍內需要快速冷卻時，水的冷卻速度相對較小；在300℃~200℃范圍內需要慢冷時，其冷卻速度又相對較大。但水使用安全，無燃燒和腐蝕危險，故常用于形狀簡單、截面較大的碳鋼工件的淬火。淬火時隨著水溫升高，冷卻能力降低，故使用時應控制水溫低于40℃。為提高水在650℃~400℃范圍內的冷卻能力，常加入少量鹽或堿制成鹽或堿水溶液。堿水溶液對工件、設備及操作者腐蝕較大，主要用于易產生淬火裂紋的工件淬火。

油是應用較為廣泛的冷卻介質。常用的有機油、變壓器油、柴油等。油在300℃~200℃范圍內的冷卻能力較小，可以減少工件的變形，但在650℃~550℃范圍內的冷卻能力也小，不利于淬硬，不適用于超過5~8mm厚的碳素鋼，多用于合金鋼及截面較小的碳素鋼的淬火，含碳量低的碳素鋼用油作為淬火介質很難達到要求的硬度。在使用油作為淬火介質時必須將油溫控制在40℃~100℃范圍內。

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（4）淬火冷卻方法為了保證淬火質量，除應正確選用淬火介質外，還應根據工件的化學成分、形狀尺寸及使用要求等，采用合理的淬火方法。常用的淬火方法有：單液淬火法、雙液淬火法、分級淬火法和等溫淬火法。單液淬火法：將加熱的工件放入一種淬火介質中，一直冷卻至室溫的淬火法。例如，一般碳鋼在水或水溶液中淬火，合金鋼在油中淬火均屬于單液淬火。淬火方法

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雙液淬火法：將加熱的工件先放入冷卻能力較強的介質中，冷卻到稍高于Ms（約230℃）的溫度，再立即投入另一冷卻能力較弱的介質（油）冷卻的方法稱為雙液淬火法，通常叫做水淬油冷法。雙液淬火可有效降低工件的內應力，防止工件的變形和開裂。分級淬火法：將加熱的工件投入到稍高于或低于Ms（約230℃）點溫度的鹽或堿溶液中，保持適當時間，待工件內外溫度均達到溶液溫度后取出空冷的方法稱為分級淬火法。分級淬火可有效防止工件變形和開裂，且硬度也較均勻。分級淬火操作比較容易，效果較好，適用于形狀復雜、尺寸較小、要求精密的零件。等溫淬火法：將加熱的工件投入溫度稍高于Ms（約230℃）點溫度的鹽或堿溶液中，保溫足夠的時間后取出空冷的方法稱為等溫淬火法。

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經等溫淬火的工件硬度較低，但能獲得高強度和良好的韌性，淬火后工件的內應力和變形都很小。碳鋼和低合金鋼經等溫淬火后可不再進行回火處理，故常用于形狀復雜、強度和韌性要求較高的工件。如用T7制造的螺絲刀，經等溫淬火后硬度可達HRC55，且強度和韌性都很好，在使用中扭曲90°也不會斷裂。

幾種常用零件的淬火

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4．回火回火是將淬火后的工件加熱到臨界溫度A1以下所需的溫度，保持一定時間后冷卻至室溫的熱處理工藝。回火按加熱溫度不同可分為低溫回火、中溫回火和高溫回火。（1）低溫回火（150℃~250℃）低溫回火的目的是在保持淬火鋼的高硬度和高耐磨性的前提下，降低淬火內應力和脆性，以免使用時崩裂或過早損壞。

低溫回火主要用于有高硬度、高耐磨性的零件和各種工具，如切削刃具、量具、冷沖模具、滾動軸承、銼刀、鉆頭及曲軸、凸輪軸和活塞銷等。低溫回火的硬度一般在HRC58~64。（2）中溫回火（350℃~500℃）

中溫回火是為了使零件在足夠的韌性下，獲得高彈性和高屈服強度。中溫回火主要用于各種彈簧和熱作模具的熱處理，回火后硬度一般為HRC35~50。（3）高溫回火（500℃~650℃）高溫回火是指在500-650℃之間進行回火，習慣上將淬火加高溫回火相結合的熱處理稱為調質處理，其目的是獲得強度、硬度、塑性和韌性都較好的綜合力學性能。高溫回火廣泛應用于汽車、拖拉機、機床等的重要結構零件，如連桿、螺栓、齒輪及軸類。回火后硬度一般為HB220~350。

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一般情況下，鋼經正火和調質處理后的硬度很相近，但重要構件一般都進行調質處理而不采用正火。因為調質處理后的工件不僅強度較高，而且塑性和韌性更顯著地超過正火處理后的工件。表2-14為45鋼（20~40mm）經調質處理和正火后的力學性能比較。

幾乎所有的鋼在250~350℃做回火熱處理時都會出現低溫回火脆性，且不能消除，所以一般情況下均不在此溫度范圍內作回火處理。實際上淬火工件的回火溫度，是在綜合考慮零件的材料、所要求的性能及實際淬火硬度等因素下，憑經驗或實驗數據來確定的。

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（二）鋼的表面強化處理對于在沖擊載荷和強烈摩擦條件下工作的零件，如齒輪、凸輪、機床導軌等，要求零件表面層堅硬耐磨，而心部則要求有足夠的強度和韌性。整體熱處理顯然難以達到上述要求，此時必須采用表面熱處理方法。常用表面熱處理包括表面淬火和化學熱處理。常用表面熱處理方法特點工藝過程常用方法表面淬火只改變表面組織而不改變表面成分通過快速加熱，使鋼表層組織變化，在熱量尚未充分傳到中心時立即予以淬火冷卻感應加熱表面淬火火焰加熱表面淬火化學熱處理同時改變表面組織和表面成分工件置于一定溫度的活性介質中保溫，使一種或幾種元素滲入工件表層，以改變其化學成分、組織和性能滲碳滲氮常用表面熱處理方法

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1．感應加熱表面淬火利用感應電流通過零件時產生的熱效應，使零件表面迅速達到淬火溫度，隨即快速冷卻的淬火工藝稱為感應加熱表面淬火。如圖2-11示，淬火時將零件放入由空心銅管繞成的感應器中，感應器中通入一定頻率的交流電產生交變磁場時，零件內部就會產生與線圈頻率相同、方向相反的感應電流。感應電流因“集膚作用”而主要分布在零件的表層。由于鋼本身具有電阻，電阻發熱會使表層溫度迅速提高到淬火溫度，而心部溫度基本不變，隨后快速冷卻（水冷），就使零件表層淬硬，從而達到表面淬火的目的。

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1.感應加熱表面淬火因其加熱速度快，質量好，表層組織細密、硬度高、脆性小、疲勞強度高，有較高的生產效率，便于自動化，但設備較貴，不適于單件和小批量生產。感應淬火過程如圖所示。

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2．火焰加熱表面淬火

用乙炔—氧或煤氣—氧等火焰（約3000℃）加熱工件，使工件表面快速加熱到淬火溫度，再用水或乳化液噴射冷卻。火焰表面淬火的淬硬層深度一般是2~6mm，調整火焰燒嘴的移動速度、燒嘴與工件之間的距離以及燒嘴與冷卻噴水管的距離，都可以改變和控制淬硬層深度。火焰加熱淬火設備簡單，成本低，但生產效率低，加熱不均勻，質量不易穩定。火焰加熱表面淬火示意圖

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3．滲碳滲碳是把工件置于滲碳介質即滲碳劑中，加熱到一定溫度，保溫一定時間，使碳原子滲入工件表層的化學熱處理工藝。其目的是通過滲碳及隨后的淬火和低溫回火，使工件表面獲得高強度、耐磨性和良好的抗疲勞性能，而心部獲得較高的強度和良好的韌性。

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4．滲氮

滲氮是在一定溫度下，使活性氮原子滲入工件表面的化學熱處理工藝。其目的旨在提高零件表面的硬度、耐磨性、耐蝕性及疲勞強度。目前應用的滲氮方法主要有氣體滲氮、液體滲氮、離子滲氮等。其中，以氣體滲氮最為常用，我們主要介紹氣體滲氮。氣體滲氮的基本原理：滲氮時將工件放入密封的爐內，加熱至500—600oC通入氨氣（活性介質），氨氣分解出活性氮原子。活性氮原子與鋼表面的合金元素Ａl、Ｃr、Mo形成氮化物，并向工件內部擴散。氣體滲氮的特點滲氮層深度：0.1—0.6mm無需熱處理，滲氮層即可獲得很高的硬度和耐磨性滲氮溫度低（一般約570oC），工件變形小，適用于處理精密零件滲氮零件具有很好的耐腐蝕性生產周期長，成本高，滲氮層薄而脆，不宜承受集中的重載荷氣體滲氮的應用高速傳動的精密齒輪、高精度機床主軸，如鏜桿、磨床主軸等在變動載荷工作條件下要求疲勞極限很高的零件，如高速柴油機曲軸等要求變形很小和具有一定抗熱、耐腐蝕能力的耐磨零件，如閥門等

氣體滲氮的特點及應用

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5．碳氮共滲碳氮共滲是在一定溫度下，將碳、氮同時滲入工件表層（以滲氮為主）的化學熱處理工藝，稱為碳氮共滲。常用的為氣體碳氮共滲。碳氮共滲的特點加熱溫度低，零件變形小滲層具有比滲碳略高的硬度、較高的耐磨性和疲勞強度同樣條件下，共滲層深度比滲碳厚，能縮短生產周期碳氮共滲的特點

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四、典型汽車零件的熱處理1．汽車齒輪的熱處理汽車齒輪作為重要的機械傳動零件，在嚙合過程中，承受很大的接觸壓應力及強烈的摩擦，齒根部分承受較高的彎曲應力，且在啟動和換檔時，輪齒還會受到較高的沖擊載荷。所以齒輪必須具有高疲勞強度和高抗沖擊力，表面還必須具備高耐磨性。汽車齒輪

課題一碳素鋼

按照汽車齒輪的使用性能要求，在合理選材（一般選用合金滲碳鋼）的基礎上，可以設計其加工工藝如下：下料—鍛造—正火—機械粗加工—滲碳—淬火、低溫回火—噴丸—磨齒2．汽車半軸的熱處理汽車半軸（圖2-16）在工作時承受沖擊、彎曲交變應力和扭轉等作用，要求材料有足夠的強度、硬度、塑性與韌性，以防止軸的變形與疲勞破壞。軸頸部位還要求具備高耐磨性，以保證傳動精度。

課題一碳素鋼

通過分析零件的工作環境和使用要求，中小型汽車半軸可以選用優質中碳鋼及其合金鋼制造。熱處理工藝可安排如下：下料—鍛造—正火—機械加工—調質處理—盤部鉆孔—磨花鍵。3．汽車彈簧的熱處理汽車彈簧（如圖2-17）利用材料的彈性變形儲存能量，以緩沖振動和沖擊作用的零件。它們大多是在沖擊、振動或周期性彎曲、扭轉等交變應力下工作，而且要求在承受大載荷時不發生塑性變形。因此，彈簧類零件應具有高彈性極限、高疲勞強度、足夠的塑性和韌性；在特殊條件下工作的彈簧，還要有某些特殊的性能要求，如耐熱性、耐腐蝕性等。

課題一碳素鋼

根據汽車彈簧的使用要求，線徑較小的不太重要的彈簧，如剎車彈簧可選用碳素彈簧鋼，線徑或板厚大于10mm的螺旋彈簧或板簧，常采用合金彈簧鋼制作。尺寸不同，其成型工藝和熱處理方法也有差別。汽車鋼板彈簧的熱處理工藝為：加熱到860左右保溫—油淬火—回火—噴丸處理。汽車板簧淬火如圖2-18。

課題一碳素鋼

小結1．鋼鐵材料概念，碳、合金元素及雜質元素對碳素鋼性能的影響。2．鋼鐵材料的分類、牌號、性能和用途。3．鋼的熱處理概念、目的。4．鋼的熱處理：5．

典型汽車材料的熱處理工藝。

課題一碳素鋼

作業（一）填空題1．當鋼中的含碳量低于0.77%時，其含碳量越高，鋼的硬度和強度也

，而塑性和韌性則

。當鋼中的含碳量超過1.0%以后，鋼的硬度仍將

，脆性也

。2．按鋼的品質又分為

和

。3．碳素工具鋼的碳含量范圍為0.65%～1.35%，屬于高碳鋼。碳素工具鋼可用于各種

、

和

的制造。4．碳素工具鋼分為

、

和

。5．碳素鑄鋼的牌號用“ZG+數字+數字”表示，ZG表示鑄鋼兩字的漢語拼音的首寫字母，兩組數字分別表示鑄鋼的

和

。6．正火與退火的主要區別是正火的冷卻速度稍

，得到的組織較

，強度和硬度有所

，操作簡便，生產周期短，成本較低。

課題一碳素鋼

7．生產中常用的淬火冷卻介質有

、

或

、

等。8．常用的淬火方法

淬火法、

淬火法、

淬火法、

淬火法等。9．回火按加熱溫度不同可分為

、

和

。10．

是把工件置于滲碳介質即滲碳劑中，加熱到一定溫度，保溫一定時間，使碳原子滲入工件表層的化學熱處理工藝。11．碳氮共滲是在一定溫度下，將

、

同時滲入工件表層（以滲氮為主）的化學熱處理工藝，稱為碳氮共滲。常用的為

。

課題一碳素鋼

（二）判斷題（正確的打√，錯誤的打×）1．碳素工具鋼的牌號表示方法：T表示鋼的種類，后面的數字表示含碳的平均質量的百分數。（）2．碳素鋼的含碳量一般在0.15%~0.60%范圍內，含量碳量過高則塑性很差，具有較大的應力和冷裂傾向，不適于鍛造。（）3．退火可以提高工件的硬度，降低鋼的塑性和韌性，以利于切削加工。（

）4．退火可以消除前一工序過程中產生的殘余應力，以防工件變形與開裂。（

）5．淬火是將鋼加熱到淬火臨界溫度Ac1或Ac3以上30~50℃，保留一定時間后緩慢冷卻（水冷或油冷）的熱處理工藝。（）6．淬火對于工具鋼主要目的是獲得相應的組織結構以提高鋼的硬度，以保證刀具的切削性能和工具的耐磨性。（）

課題一碳素鋼

7．對于中碳鋼，淬火后硬度提高，但韌性不能提高，所以淬火后必須進行回火才能同時提高強度和韌性。（

）8．回火的目的是消除或減少淬火內應力，穩定工件尺寸，并獲得工件所要求的力學性能。（

）9．通過滲碳及隨后的淬火和低溫回火，使工件表面獲得高強度、耐磨性和良好的抗疲勞性能，而心部獲得較高的強度和良好的韌性。（

）

課題一碳素鋼

（三）選擇題1．用45鋼制作的凸輪軸鍛件在機加工前應采用（

）處理。A．淬火+回火B．正火C．完全退火2．汽缸體在鑄造后要進行退火，用的最普遍的是進行（

）。A．完全退火B．球化退火C．去應力退火3．用40Cr鋼制的缸蓋螺栓，要求具有良好的綜合力學性能，最終熱處理是（

）A．淬火B．淬火加中溫回火C．淬火加低溫回火D．調質處理

課題一碳素鋼

4．為了保證氣門彈簧的性能要求，65Mn鋼制的氣門彈簧最終要進行（）處理。A．淬火B．淬火加中溫回火C．淬火加低溫回火D．調質處理5．在炮彈鋼中加入較多的（），可使炮彈爆炸時的碎片增多，提高殺傷力。A．磷B．硫C．硅D．錳6．碳素工具鋼都是（），因此具有高硬度和高耐磨性。A．高碳鋼B．低碳鋼C．中碳鋼7．為提高鍛壓性和避免淬火開裂，碳素工具鋼對有害雜質控制較嚴，所以屬于（)A．普通碳素鋼B．優質碳素鋼C．高級優質碳素鋼

課題一碳素鋼

（四）問答題1．寫出下列鋼牌號的含義：Q215—A·F：Q275—D：20號鋼：T8：T12A：ZG230~450：2．什么是回火？回火的目的是什么？3．什么是滲氮處理？試述滲氮的目的。

課題一碳素鋼

THANKYOU汽車材料（第2版）全國交通運輸職業教育教學指導委員會中國汽車維修行業協會陳虹組織編寫主

編職業教育

汽車類專業教材上篇汽車金屬材料單元一金屬材料的性能單元二鋼鐵材料單元三有色金屬材料下篇汽車非金屬材料單元四汽車常見易損金屬材料單元六汽車運行材料單元五汽車涂裝材料Contents單元七新能源汽車動力蓄電池材料單元二鋼鐵材料課題二合金鋼

碳鋼因具有易于加工、價格低的優點而得到廣泛使用。但是碳鋼也存在強度低、淬透性低，回火穩定性差和不具備特殊性能等缺點而限制其在某些場合的使用。特別是隨著汽車性能的不斷提高，對制造汽車零件的金屬材料也有了更高的要求。

為了改善碳鋼的性能，可在碳鋼中添加一些合金元素構成合金鋼，以滿足對材料性能更高、更全面的需要。

常用的合金元素有：鉻（Cr）、、鎳(Ni)、鉬(Mo)、鈦(Ti)、釩(V)、鎢(W)、鈮(Nb)、鈷(Co)、鋁(Al)、銅(Cu)、鋁(Al)、硼(B)、氮(N)、稀土(Xt)等。一、合金元素對鋼性能的影響1．鉻（Cr）：在結構鋼和工具鋼中，鉻能顯著提高強度、硬度和耐磨性，但同時降低塑性和韌性。鉻又能提高鋼的抗氧化性和耐腐蝕性，因而是不銹鋼，耐熱鋼的重要合金元素。2．鎳(Ni)：鎳能提高鋼的強度，又能保持良好的塑性和韌性。鎳對酸堿有較高的耐腐蝕能力，在高溫下有防銹和耐熱能力。但由于鎳是較稀缺的資源，故應盡量采用其他合金元素代用鎳鉻鋼。3．鉬(Mo)：鉬能使鋼的組織細化，提高淬透性，在高溫時保持足夠的強度。4．鈦(Ti)：鈦是鋼的強脫氧劑。它能使鋼的內部組織致密，降低冷脆性，改善焊接性能。5．釩(V)：釩是鋼的優良脫氧劑。釩可細化鋼的組織，提高強度、韌性和抗腐蝕能力。6．鎢(W)：鎢熔點高，比重大，與碳形成碳化鎢有很高的硬度和耐磨性。在工具鋼加鎢，可顯著提高紅硬性和熱強性。課題二合金鋼7．鈮(Nb)：鈮能降低鋼的回火脆性，改善焊接性能，提高強度，但塑性和韌性有所下降。在普通低合金鋼中加鈮，可提高抗大氣腐蝕及高溫下抗氫、氮、氨的腐蝕能力。8．鈷(Co)：鈷是稀有的貴重金屬，多用于特殊鋼和合金中，如熱強鋼和磁性材料。9．銅(Cu)：銅能提高鋼的強度和韌性，特別是大氣腐蝕性能。缺點是在熱加工時容易產生熱脆現象，銅含量超過0.5%時鋼的塑性顯著降低。當銅含量小于0.50%對焊接性能無影響。10．鋁(Al)：鋁是鋼中常用的脫氧劑。鋼中加入少量的鋁，可提高沖擊韌性。鋁還具有抗氧化性和抗腐蝕性能，鋁與鉻、硅合用，可顯著提高鋼的高溫不起皮性能和耐高溫腐蝕的能力。鋁的缺點是含量過高時會影響鋼的熱加工性能、焊接性能和切削加工性能。11．硼(B)：鋼中加入微量的硼可改善鋼的致密性和熱軋性能，提高強度。12．氮(N)：氮能提高鋼的強度，低溫韌性和焊接性。課題二合金鋼13．稀土(Xt)

稀土元素是指元素周期表中原子序數為57-71的15個鑭系元素。這些元素都是金屬，但他們的氧化物很象“土”，所以習慣上稱為稀土。鋼中加入稀土，可以改變鋼中夾雜物的組成、形態、分布和性質，從