職業技術學院

教師授課教案

20/20學年第學期課程汽車機械基礎

第七章汽車的常用材料

章節課題

第2節汽車常用的黑色金屬

授課方法講授所需教具多媒體課件

授課時間月日節月日節月日節月日節

授課班級

1.了解鋼的基本知識。

目的要求

2知.道鋼材的力學性能與應用。

1金.屬材料的力學性能。

舊知復習2.金屬材料的物理性能和化學性能。

3金.屬材料的工藝性能。

重點難點鋼材的力學性能與應用。

復習10分鐘

第2節汽車常用的黑色金屬60分鐘

教學過程

課堂練習10分鐘

小結10分鐘

課后作業

教學后記

職業技術學院授課教案附頁第2頁

教學內容

舊知復習：

1.金屬材料的力學性能。

2.金屬材料的物理性能和化學性能。

3.金屬材料的工藝性能。

講授新課：第七章汽車的常用材料

第2節汽車常用的黑色金屬

金屬分為黑色金屬和有色金屬兩大類。

以鐵和碳兩種元素為基礎及多種元素組成的復雜合金稱為黑色金屬，

鋼和鑄鐵是機械工業中最廣泛應用的黑色金屬。

黑色金屬以外的金屬稱為有色金屬，銅和鋁及其合金是最常用的有色

金屬。

一、鋼的基本知識

鋼和鑄鐵主要是由鐵和碳兩種元素組成，統稱為鐵碳合金。

碳的質量分數低于2.11%的鐵碳合金稱為碳素鋼；

碳的質量分數大于2.11%的鐵碳合金稱為鑄造生鐵。

注意：為了提高鋼的力學性能，在冶煉碳素結構鋼中加入一種或多種

合金元素，如Cr、Mn、Ni、Si、Al、Mo、W、Co等所得的鋼，稱為合金

結構鋼。

（一）碳素結構鋼

1.按鋼的質量分類

按碳素結構鋼中雜質元素的含量分類，將碳素結構鋼分為普通碳素鋼、

優質碳素鋼和高級優質碳素鋼三種。

注意：硅和鋅可提高鋼的強度和硬度，是有益的元素；硫造成鋼的熱

脆性，磷造成鋼的冷脆性，是有害的元素。

應用舉例：汽車中重要的零件都選用合金結構鋼或優質碳素結構鋼來

制造，在保證質量的前提下，可以節省材料，減小汽車的質量，降低油耗。

2.按鋼的用途分類

按鋼的用途可分為結構鋼、工具鋼兩種。

應用舉例：結構鋼主要用于制造機械零件和工程構件，如軸、齒輪、

螺釘、螺紋鋼、型鋼等；工具鋼主要用于制造刀具、量具、模具。

3.按鋼中碳的質量分數分類

(1)低碳鋼

當碳素結構鋼中碳的質量分數低于0.25%時，稱為低碳鋼。

注意：低碳鋼的力學性能較差，強度較低。

(2)中碳鋼

當碳素結構鋼中碳的質量分數在0.25%?0.6%之間時，稱為中碳鋼。

注意：中碳鋼的力學性能較好，強度較高，韌性和切削性能好，熱處理

容易，應用最廣，常應用于汽車的曲柄、連桿、凸輪軸等。

(3)高碳鋼

當碳素結構鋼中碳的質量分數高于0.60%時，稱為高碳鋼。

注意：高碳鋼熱處理后的耐磨性好，硬度高，應用于制造神刀、鋸條、

彈簧等切削工具。

結論：鐵碳合金的力學性能隨著碳的質量分數的增加，其強度、硬度

增高，而塑性、韌性降低。

(二)鑄鐵

鑄鐵中碳元素的存在形式有兩種，一種是以石墨形式單獨存在，這種

鑄鐵的強度和硬度都很低；另一種是以化合物的形式存在，如Fe.C,這種

鑄鐵的硬度高，但脆性大，無塑性和韌性。

按照鑄鐵中碳元素的存在形式不同，汽車中常用的鑄鐵有灰鑄鐵、可

鍛鑄鐵、球墨鑄鐵和合金鑄鐵。

1.灰鑄鐵

灰鑄鐵中的石墨以片狀形式存在，其斷口呈暗灰色。

注意：灰鑄鐵的抗拉強度低，塑性和韌性差，但具有良好的切削性、

耐磨性、潤滑性、減振性和鑄造性。

2.可鍛鑄鐵

可鍛鑄鐵中的石墨以團絮狀的形式存在。可鍛鑄鐵俗稱馬鐵。

注意：可鍛鑄鐵的塑性和韌性比灰鑄鐵好。但可鍛鑄鐵并不可以在鍛

錘上鍛打。

3.球墨鑄鐵

鐵水經過硫化處理后，使石墨大部或全部呈球狀存在，這種鑄鐵稱為

球墨鑄鐵。

注意：球墨鑄鐵的力學性能比灰鑄鐵和可鍛鑄鐵高，其強度、塑性、

韌性與相應的鑄鋼差不多，疲勞強度與中碳鋼相同，耐磨性優于表面淬火

鋼，與灰鑄鐵同樣具有良好的切削加工性、耐磨性、減振性和鑄造性能。

4.合金鑄鐵

在灰鑄鐵或球墨鑄鐵的熔化過程中加入一定量的合金元素所形成的鑄

鐵，稱為合金鑄鐵。

注意：根據加入的合金元素不同，形成不同的合金鑄鐵。

(1)耐熱鑄鐵

鑄鐵中加入合金元素Al、Si、Cr,使鑄鐵表面形成保護性的氧化膜，

在高溫下具有抗氧化的能力，稱這種合金鑄鐵為耐熱鑄鐵

(2)耐磨鑄鐵

鑄鐵中加入合金元素W、CLKCr、Ti,并提高磷的質量分數，稱這種

合金鑄鐵為耐磨鑄鐵。

耐磨鑄鐵的強度、韌性和耐磨性都較高。

(3)高強度鑄鐵

球墨鑄鐵中加入少量的合金元素Cu和Mo,稱這種合金鑄鐵為高強度

鑄鐵。

(三)鑄鋼

鑄鋼是將熔化的鋼水直接澆注入預先造型好的沙箱中，不用經過軋制

就能得到機械零件。

注意：當零件的形狀較為復雜，或零件的質量較大，而零件的力學性

能要求又較高，不能選用鑄鐵代替，用型鋼或鍛造又不能實現時，只能采

用鑄鋼。

（四）合金鋼

合金鋼是為了提高的力學性能或得到某些特殊的性能，在冶煉碳素結

構鋼時加入合金元素，以改變鋼材的綜合性能。

注意：常用的合金元素有Cr、Mn、Ni、Si、Al、Mo、Ti、V、Co等。

合金鋼按用途分為合金結構鋼、合金工具鋼、特殊性能鋼。

注意：與同樣的碳的質量分數的碳素結構鋼相比較，合金鋼具有更高

的硬度、強度、耐磨性、淬透性，整體力學性能都得到較大的提升。但是,

合金鋼的工藝性能不如普碳鋼，尤其是對應力集中的敏感性較大。

（五）鋼的熱處理

鋼的熱處理是將鋼加熱到一定的溫度，并保持一定的時間，然后快速

冷卻到室溫的工藝方法。

注意：熱處理可以改善鋼的內部組織，提高鋼的力學性能，延長使用

壽命，是強化鋼材、發揮潛在能力的重要工藝措施。

按處理的位置不同，鋼的熱處理分為普通熱處理和表面熱處理兩種。

按加熱溫度和冷卻速度的不同，普通熱處理分為退火、正火、淬火和回火

四種，通稱為“四火二表面熱處理分為表面淬火和化學熱處理兩種。

1.退火

定義：將鋼件加熱到材料內部組織變化的臨界溫度保溫一段時間后，

隨爐緩慢冷卻的的熱處理工藝稱為退火。

目的：退火目的是為了改善組織，消除鋼中的殘余內應力，降低鋼的

硬度，提高塑性和韌性，便以切削加工和冷沖壓，并為后續工序做好準備。

分類：按退火溫度由高到低分為均勻化退火、完全退火、球化退火、

等溫退火、再結晶退火和去應力退火，如圖7-6所示。

圖7-6正火與退火的溫度曲線

2.正火

定義：將鋼件加熱到材料內部組織變化的臨界溫度以上，保溫一段時

間出爐后放在空氣中冷卻的的熱處理工藝稱為正火。

目的：正火的目的與退火基本相同。

正火與退火的區別：正火與退火的加熱溫度相同，但冷卻的方式不同,

正火是將鋼件放在空氣中冷卻，冷卻的速度比退火的冷卻速度快，生產率

高、成木低，正火得到力學性能比退火有所提高。

3.淬火

定義：將鋼件加熱到材料內部組織變化的臨界溫度以上，保溫一段時

間后，快速冷卻的熱處理工藝稱為淬火。

目的：淬火的目的是為了提高工件的便度、耐磨性和強度，經過回火

處理的淬火零件，還具有較好的韌性和塑性。

注意：各種零件的碳的質量分數不3J,其淬火加熱的溫度也不向。

4.回火

定義：將淬火后的鋼件加熱到材料內部組織變化的臨界溫度以下某個

溫度，保溫一段時間后，以一定的方式冷卻下來的熱處理工藝稱為回火。

口的：回火的目的是為了穩定組織，消除淬火應力，降低材料的脆性,

提高韌性，以得到更好的力學性能。

分類：按回火的主要目的不同，回火的溫度也有所不同，所以回火分

為低溫回火、中溫回火和高溫回火三種：

(1)低溫回火

溫度：低溫回火的溫度控制在25()也以下。

目的：淬火鋼經過低溫回火后，能夠達到很高的硬度，如58~65HRC；

低溫回火降低了材料的內應力及脆性，提高了耐磨性和韌性。

應用：常應用于刃具、模具、量具、滾動軸承等。

(2)中溫回火

溫度：中溫回火的溫度控制在250?500℃之間。

目的：淬火鋼經過中溫回火后，能夠達到較高的硬度，如40?50HRC；

中溫回火提高了材料的韌性和彈性極限。

應用：常應用于彈性零件，如彈簧、發條等。

(3)高溫回火

溫度：高溫回火的溫度控制在500℃以上。

目的：淬火鋼經過高溫回火后，硬度可達到25?35HRC,具有良好的綜

合力學性能。

通常把淬火鋼經過高溫回火的熱處理工藝稱為調質處理。

應用：調質處理應用于重要的機械零件的熱處理，如軸、連桿、齒輪、

曲軸。

5.表面淬火

表面淬火是僅對材料表層進行淬火的工藝。

注意：表面淬火不改變零件表面的化學成分。表面淬火提高了材料表

面的硬度和耐磨性，而材料心部仍保持較好的塑性和韌性。

分類：火焰加熱表面淬火和感應加熱表面淬火兩種。

(1)火焰加熱表面淬火

定義：火焰加熱表面淬火是利用氧■乙烘火焰將工件表面快速加熱到淬

火的溫度后，立即對工件表面噴水，使其快速冷卻的工藝方法。

適用范圍：適用于單件或小批生產，如大齒輪的單個輪齒淬火。

特點：火焰加熱表面淬火的設備簡單、經濟，但溫度不易控制，容易

產生過熱，淬火質量不穩定。

(2)感應加熱表面淬火

定義：感應加熱表面淬火是利用感應電流通過工件所產生的渦流效應,

使工件表層迅速加熱到淬火溫度后，立即對工件表面噴水，使其快速冷卻

的工藝方法。

特點：感應加熱表面淬火的生產率高，工件變形小，質量穩定。但感

應加熱需要有專門的加熱設備，設備較貴，一般應用于大批量的生產，如

成批的齒輪表面淬火。

6.化學熱處理

定義：化學熱處理是將工件放置于一定溫度的活性介質中保溫，使一

種或幾種元素滲入材料的表層，以改變工件表面的化學成份、組織和性能。

特點：化學熱處理的主要特點是工件的表面層組織和成分都發生了變

化。

分類：常用的化學熱處理有滲碳、滲氮和碳氮共滲三種方法。

(1)鋼的滲碳

鋼的滲碳是將工件放置于在含碳的介質中加熱并保溫，使活性碳原子

滲入鋼的表面，增加鋼的表面碳的質量分數，然后進行工件的表面淬火，

提高了工件的表面硬度和耐磨性，而材料的心部仍保持原有較高的韌性和

良好的抗彎曲強度。

適用范圍：鋼的滲碳適用于受強烈沖擊作用的載重汽車變速箱中的低

碳合金鋼齒輪材料的化學熱處理。

注意:鋼的滲碳是一個比較緩慢的過程，一般每小時只能增加約0.2mm

厚的滲碳層。

(2)鋼的滲氮

鋼的滲氮方法和目的與滲碳的方法和目的相似，只是選用的介質不同。

此外，滲氮后的工件表面不必再經過熱處理淬火就會有很高的表層硬度。

注意：與鋼的滲碳速度一樣，鋼的滲氮生產周期也比較長。

結論：雖然化學熱處理的效果好，但工藝復雜，時間長，成本較高，

所以應盡可能選用其他方法代替。

二、鋼材的力學性能與應用

（-）普通碳素結構鋼

1.碳素結構鋼的牌號

碳素結構鋼的牌號由四部分組成。

如Q235AF：其中，Q為鋼材屈服強度“屈”字漢語拼音首字母；235

表示鋼材的屈服強度心內235MPa；A表示煉鋼的品質等級為A級；F表

示冶煉的脫氧方法，即沸騰鋼。

2.碳素結構鋼的力學性能

汽車常用碳素結構鋼的力學性能見表7-1o

表7-1汽車常用碳素結構鋼的力學性能

拉伸試驗沖擊試驗

抗拉強度

屈服強度R“"MPa伸長率A/%V形沖擊

Rn/MPa

牌號等級鋼材厚度（有徑）/mm鋼材厚度（宜徑〉/mm吸收能址

溫度/C

<16>16?40<16>16?40（縱向）/J

不小于不小于不小于

A—

Q235235225375?5102625

B2027

A

Q255255245410?5102423

B20

3.汽車常用碳素結構鋼

（1）Q235A塑性較高，焊接性能好，價格低，應用于汽車的傳動軸間

軸承支架、聯動杠桿、支桿、加強板。

（2）Q235AF塑性較高，焊接性能良好，價格低，應用于汽車的法蘭

連接板、支架、彈簧的夾板。

（3）Q235B塑性較高，焊接性能良好，價格低，應用于汽車的輪幅、

操縱桿、棘爪、齒板。

（4）Q235BF塑性較高，焊接性能良好，價格低，應用于汽車的夾持

架、消聲器、后支架、葉片。

（-）優質碳素結構鋼

1.優質碳素結構鋼的牌號

優質碳素結構鋼的牌號用兩位阿拉伯數字代表平均碳的質量分數，以

萬分之幾計；較高錦含量的優質碳素結構鋼，加鎰元素符號Mn。

舉例：45表示鋼中的平均碳的質量分數為0.45%；65Mn表示鋼中的平

均碳的質量分數為().65%左右，而鎰的質量分數在().9()%~1.2()%的范圍內。

2.優質碳素結構鋼的力學性能

汽車常用優質碳素結構鋼的力學性能見表7-2o

表7-2汽車常用優質碳素結構鋼的力學性能

力學性能

HBW

牌號Rn/MPaRJMPaA/%Z!%KUJJ

未熱處理退火鋼

不小于不大于

083251953360131

153752252755113

20-1102452555156

35530315204555197

45600355164039229197

50630375144031241207

65Mn735430930285229

3.汽車常用優質碳素結構鋼

(1)08鋼塑性好，應用于駕駛室、油箱、離合器。

(2)15鋼塑性好，具有良好的沖壓性能和焊接性能，應用于螺栓、

螺母、氣門帽、通風閥體、氣門座。

(3)20鋼塑性好，良好的沖壓性能和焊接性能，應用于風扇葉片、

制動桿。

(4)35鋼經調質后具有良好的綜合力學性能，應用于齒輪、螺栓、

螺母、泵輪、銷釘二拉桿。

(5)45鋼經調質后具有良好的綜合力學性能，應用于凸輪軸、曲軸、

從動盤、氣門推桿、齒環、轉向節主銷。

(6)50鋼經調質后具有良好的綜合力學性能，應用于離合器從動盤。

(7)65Mn鋼經過熱處理后具有較高的韌性和強度，應用于氣門彈

簧、拉桿彈簧、復位彈簧、離合器葉片。

(三)鑄鋼

1.鑄鋼的牌號

鑄鋼的牌號由ZG和一組數字組成。

例如ZG270-500,ZG是“鑄鋼”兩字的漢語拼音字首，270表示屈服

強度4H427()MPa,5()()表示抗拉強度Rnw5()()MPa。

2.常用鑄鋼的力學性能

常用鑄鋼的力學性能見表7-3o

3.汽車常用鑄鋼

(1)ZG230-450塑性和韌性較好，具有一定的焊接性能，應用于閥體、

機架、減速箱箱體、活接頭、限制塊。

(2)ZG270-500強度和切削加工性能較好，應用于制動輪、曲軸、橫

梁、法蘭、支架、導向座、升降器齒輪、變速叉、起動爪。

(3)ZG340-640強度比較高，應用于齒輪、棘輪等耐磨零件。

(四)合金鋼

1.合金鋼的牌號

常用的合金鋼按用途分為合金結構鋼、合金工具鋼和特殊性能鋼三種。

（1）合金結構鋼的牌號

合金結構鋼的牌號由表示平均碳的質量分數的兩位數、合金元素符號

和數字（平均含量小于1.5%時，牌號中僅標明元素，一般不標明含量）、表

示冶金質量的字母（高級優質鋼、特級優質鋼分別用A、E表示，優質鋼不

用字母表示）以及表示產品用途、特性或工藝方法的符號組成。

舉例：40Cr鋼，40表示平均碳的質量分數為0.4%；Cr表示含有銘元

素，Cr元素后沒有標注數字，表示平均銘的質量分數小于1.5%（如果標注

出具體數值，說明輅元素質量分數大于1.5%）。如有其他元素，依次標注在

牌號的后面。

（2）合金工具鋼的牌號

合金工具鋼的牌號通常由兩部分組成。

第一部分：平均碳的質量分數小于1.00%時，采用一位數字表示碳含量

（以千分之幾計）；平均碳的質量分數不小于1.00%時，不標明含碳量的數

字。

第二部分：用化學元素符號和數字表示合金元素的含量。

舉例：9SiCr,表示平均碳的質量分數為0.9%；Si表示含有硅元素，Si

元素后沒有標注數字，表示平均硅的質量分數小于1.5%；Cr表示含有銘元

素，Cr元素后沒有標注數字，表示平均銘的質量分數小于1.5%。

（3）特殊性能鋼的牌號

特殊性能鋼的牌號的表示方法與合金結構鋼的牌號基本相同，牌號最

前面的數字表示平均碳的質量分數的千分之幾，當碳的質量分數小于0.10%

時，用0表示。

舉例：lCrl8Ni9,表示平均碳的質量分數為0.1%,倍的質量分數為18%,

銀的質量分數為9%。

有些專用特殊鋼，在鋼的牌號前冠以漢語拼音字母字首，便于表示鋼

的用途。

舉例：GCrl5,G為漢語拼音字母“滾”的字首，表示該特殊鋼專門

應用于滾動軸承的制造。

2.常用合金鋼在汽車中的應用

(1)低合金高強度結構鋼

定義：合金元素的總質量小于3%的合金鋼稱為低合金高強度結構鋼。

特點：低合金高強度結構鋼的強度比碳素結構鋼高得多，塑性、韌性、

焊接性和耐蝕性也比碳素結構鋼好得多。

應用：汽車常用的低合金高強度結構鋼有Q345、Q420、Q460o低合

金高強度結構鋼主要應于制造汽車的大梁、活塞銷、半軸齒輪、氣缸蓋螺

栓。

(2)合金結構鋼

1)合金滲碳鋼

合金滲碳鋼屬于低碳合金結構鋼，含有Cr、Ni、Mn>V、Ti等合金元

素。

特點：為了保持心部具有足夠的韌性，表面具有足夠的強度和硬度，

以承受沖擊載荷的作用，將低碳合金結構鋼做滲碳處理處理后，再進行淬

火，使零件具有表硬心韌的特點。

應用：汽車常用的合金滲碳鋼有15CrA、20CrMnTi.20MnVB.15

MnVBo合金滲碳鋼主要應用于制造汽車的活塞銷、挺桿、齒輪、齒套、中

間軸、萬向節、十字軸、螺栓等。

2)合金調質鋼

合金調質鋼的碳的質量分數在0.25%~0.50%之間。為了提高合金鋼的

強度和綜合力學性能，對合金鋼進行調質處理，以達到具有很高的強度、

良好的塑性和韌性。如果調質后再進行表面淬火，還能提高零件表面的硬

度和耐磨性。

應用：汽車常用的合金調質鋼有40Cr、40MnB、45Mn2、50Mn2o合

金調質鋼主要應用于受力復雜的重要零件，如螺栓、銷、軸、軸套、連桿、

花鍵軸、轉向節、進氣門、從動盤等。

3)彈簧鋼

彈簧鋼的碳的質量分數為0.45%?0.70%之間，碳的質量分數較高