汽车材料概论

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,汽 车 材 料,汽车材料,汽车材料概论,材料的性能,发动机主要零件的材料,底盘主要零件的材料,车身材料,一 汽车材料概论,汽车材料的分类,汽车材料的应用情况,3,材料专业知识在汽车研发和生产中的作用,1 汽车材料的分类,1.1 汽车用金属材料,1.2 汽车用非金属材料,1.1 汽车用金属材料,黑色金属材料：,钢材,钢板、钢带、型钢、钢管、钢丝,铸钢,铸造碳钢、铸造合金钢,铸铁,灰口铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁,2,） 有色金属材料：,铝合金,铸造铝合金、压力加工铝合金、铝基复合材料,铜合金,紫铜、黄铜、青铜,镁合金,轴承合金,铝基、铜基、铅基、锡基,钛合金,1.2 汽车用非金属材料,1) 塑料热塑性塑料、热固性塑料、塑料基复合材料,2）橡胶天然橡胶、合成橡胶,3）玻璃,4）陶瓷结构用陶瓷、功能性陶瓷,5）织物、皮革,6）木材,7）涂料油漆、防石击涂料、隔音防震涂料,8）油料燃油、润滑油、冷却液、制动液,1.3 材料标准介绍,1.3.1 钢材标准,1)中国国家标准GB采用化学元素符号、元素含量和汉语拼音字母表示优质碳素结构钢和合金钢的钢号。其中碳元素（C）含量以万分之一为单位，合金元素以百分之一为单位，修约为整数。汉语拼音字母表示脱氧方法、用途等,如F沸腾钢，L汽车梁用钢，CL汽车车轮用钢，Y易切削钢，ML铆螺钢。排列顺序为数字（碳含量）-元素符号-该元素含量（“1”省略）-汉语拼音字母（只在必要时才标注）。举例说明：08F、18CrMnTi、16MnL、60Si2Mn,普通碳素结构钢用拼音字母Q+数字+质量等级+脱氧方法表示。Q为“屈服强度”汉语拼音的头一个字母，数字为屈服强度的最低值（以MPa为单位），质量等级分为A、B、C、D。如Q235-A等。,耐热和工具钢钢号表示方法基本与以上相同，只是碳含量以千分之一为单位。如5Cr21Mn9Ni4N。,2 汽车材料的应用情况,2.1 汽车的金属材料消耗量,金属材料在汽车上应用的现状,2.2 乘用车材料构成比的实例,汽车材料现状及其发展,2.1 汽车的金属材料消耗量,表4 几种国产汽车的金属材料消耗量 kg/辆,车 型,CA7220,普 桑,CA1046L2,CA1091,STEYR1291,钢 材,1011.4,(90.34%),725.0,(77.96%),1749.4,(86.04%),3620.0,(74.97%),10012.1,(77.75%),铸铁和铸钢,59.6,(5.32%),129.0,(13.87%),242.5,(11.93%),1159.0,(24.00%),2799.0,(21.74%),有色金属,48.6,(4.34%),76.0,(8.17%),41.3,(2.03%),49.0,(1.03%),65.5,(0.51%),金属材料在汽车上应用的现状,从表4可见:,金属材料仍然是汽车上使用最多的材料,尤其钢材占了最大的份额,这种状况在近期不会发生根本性变化。,乘用车上有色合金的应用比例较高，这是因为对于乘用车来说，轻量化的要求更高。,对于载货车来说，随着吨位的加大，钢铁材料的用量和应用比例都提高，有色合金的应用减少，这是因为大吨位车对强度性能更为重视。,二 材料的性能,金属材料的力学性能,金属材料的磨损性能,金属材料的硬度,钢材的工艺性能,非金属材料的性能,1 金属材料的力学性能,1.1 拉伸性能,1.2 冲击性能,1.3 断裂韧度,1.4 疲劳性能,1.1 拉伸性能,抗拉强度,R,m,(,b,),屈服强度,R,eH,或,R,eL,(,s,),断后伸长率,A(),断面收缩率,Z(),弹性模量,E,塑性应变比,r,应变硬化指数,n,1.1.1 低碳钢的应力-应变曲线,o-c：弹性变形阶段,c-d：屈服阶段,d-b：形变强化阶段,b-k：颈缩至断裂,汽车燃油、润滑油合理选用,发动机燃油的合理选用,发动机润滑油的合理选用,汽车齿轮油的合理选用,汽车润滑脂的合理选用,6 汽车燃油、润滑油合理选用,燃料燃烧释放出的能量有2025被零部件间的摩擦所消耗，试验研究表明，当减少总摩擦损失的17%21%时，可以提高整机经济性3%7%。,要提高燃油经济性，必须保证燃油能充分燃烧，提高燃烧热效率。这一方面要求燃油具有良好的挥发性，同时还能适应高压缩比的工作要求,另外燃油在贮存、运输过程中，容易发生氧化反应，生成胶状物质，致使发动机动力性和经济性下降。,第一节 发动机燃油的合理选用,一、车用汽油的选用,(一)车用汽油的性能指标,汽油的抗爆性 。,汽油蒸发性 。,热值 。,氧化安定性 。,腐蚀性 。,汽油清净性 。,汽油的化学组分 。,(二)车用汽油的国家标准,我国现行的汽油产品标准为GB 17930-2006车用汽油。,目前，国外的车用汽油具有以下一些发展趋势：尽可能低的苯含量，较低的蒸气压，尽可能低的硫含量，较少的芳烃，较少的烯烃，较低的终馏点，添加含氧化合物，足够量的汽油清净剂。,(三)车用汽油的合理使用,根据汽车使用说明书的要求选择。,抗爆性选择。,蒸发性选择。,根据使用条件选择。,根据使用时间调整汽油牌号。,长期贮存的汽油，必要时可以用高辛烷值汽油掺合使用。,汽车使用者应重视汽油的质量。,二、车用柴油的选用,(一) 车用柴油的性能指标,对柴油使用性能影响最大的是柴油的低温流动性和燃烧性。,1.柴油的低温流动性,凝点 ：凝点表示柴油遇冷及开始凝固而失去流动性的最高温度。车用柴油的牌号是以凝点来区分的，它意味着该柴油可以在什么样的气温下使用。,粘度 ：柴油的粘度决定了柴油的流动性。,2.柴油的燃烧性,柴油的蒸发性：蒸发性对可燃混合气的形成与燃烧有一定的影响，常由燃料的蒸馏试验决定,柴油的发火性 ：发火性是指柴油的自燃能力。柴油的发火性可用“十六烷值”表示。“十六烷值”愈高，柴油的发火性愈好。汽车柴油机所用柴油的十六烷值不应低于4045。,腐蚀性 ：车用柴油的腐蚀性用硫含量、酸度、钢片腐蚀等级等指标表示。,安定性 ：柴油的安定性用实际胶质和10蒸余物残炭等控制 。,灰分 ：灰分指燃料燃烧后的残余矿物质数量 。,水分,(二)车用柴油的国家标准,目前我国现有的柴油标准有GB 252-2000轻柴油强制性国家标准和GB/T 19147-2003车用柴油推荐性国家标准。GB 252-2000轻柴油的实施时间为2002年1月1日，GB/T 19147-2003车用柴油的实施时间为2003年10月1日。,我国柴油存在的主要问题是质量问题，硫含量较高、十六烷值偏低、安定性和低温流动性较差，需要通过不同程度的加氢工艺来解决，如：加氢精制、加氢裂化、加氢脱芳、加氢改质、加氢异构等。,(三)车用柴油的合理使用,级别选择 :柴油的级别选择应根据柴油机的工作特性进行,级别选择主要是含硫量的选择。柴油中含硫量高，腐蚀增加，沉积物也增多，润滑油容易变质，使得零件早期磨损。因此，使用高含硫柴油，必须使用相应的润滑油，如ECD级柴油机油。,牌号选择 :柴油的牌号选择主要考虑柴油机的使用环境。一般要求所选柴油的凝点必须比环境温度低5以上。,第二节 发动机润滑油的合理选用,汽车润滑油主要包括发动机润滑油（发动机机油）、汽车齿轮油和汽车用润滑脂等。,使用润滑油的主要目的是降低摩擦、减缓磨损，以保证发动机有效和长期地工作。其次是将燃料燃烧和摩擦产生的热量带走，以起到冷却作用，使发动机不会过热，保证正常工作。此外，润滑油还有密封、清洗、减振、防锈等作用。,一、发动机润滑油的性能指标,粘度 。,粘温性能 。,腐蚀性 。,清净分散性 。,倾点和凝点 。,酸值 。,闪点 。,灰分 。,残炭 。,水分和机械杂质 。,抗氧化安定性 。,二、发动机润滑油的分类,发动机润滑油按用途主要分为汽油机润滑油、柴油机润滑油和两冲程汽油机润滑油三大类。,我国发动机润滑油的质量等级采用美国石油学会(API)的使用条件分类法和美国汽车工程师学会(SAE)的粘度分类法。,根据国标GB/T11121-2006汽油机油和GB/T11122-2006柴油机油，发动机润滑油根据其特性、使用场合和使用对象分为：,汽油机润滑油：SE、SF、SG、SH、GF-1、SJ、GF-2、SL、GF-3；,柴油机润滑油：CC、CD、CF、CF-4、CH-4、CI-4；,二冲程发动机润滑油：RA、RB、RC、RD。,各类润滑油中，后一级比前一级好。,我国内燃机润滑油粘度等级等效采用SAE J300 APR84标准。该标准将冬季用润滑油按-30、-25、-20、-15、-10、-5时的最高动力粘度、边界泵送温度和最高倾点三项低温性能指标分为0W、5W、10W、15W、20W及25W等六个等级（W表示冬用），其低温粘度、边界泵送温度和最高倾点一级比一级高。按100时的运动粘度把春秋和夏季用润滑油分为20、30、40、50四个等级，其粘度也依次递增。,如果一种内燃机润滑油的低温性能各项指标和100运动粘度仅满足冬用润滑油或夏用润滑油粘度分级之一者，称为单级油；如果一种润滑油，它的低温性能各项指标和100运动粘度能同时满足冬夏两种粘度分级要求的，称为多级油。 如5W/20 。,粘度太大，流动性不好，起动时输送机油慢，油压虽高，但流量小，而使冷起动困难，机件容易出现干摩擦或半液体摩擦；机件摩擦表面间的摩擦力增大；机油的循环速度变慢，使冷却散热作用的效果变差；残炭含量较多，酸值和凝点较高，热氧化安定性和粘温性能较差。,机油粘度太低，油膜容易被破坏，不易形成足够厚的油膜；密封作用差。,三、发动机润滑油的选择及使用,（一）汽油机润滑油的选用,汽油机润滑油的选择主要依据发动机的结构特点、使用条件、气候条件等选择润滑油的质量等级和粘度级别。根据发动机的结构性能和使用条件选择相应的润滑油质量等级，再根据使用地区的气温选择润滑油粘度级别。,有汽车使用说明书的用户，依据说明书要求选取，无使用说明书时，汽油车可以按照发动机设计年代、发动机的压缩比、曲轴箱是否安装正压通风装置（PCV）、是否安装废气循环装置（EGR）和催化转化器等因素选取润滑油。,表6-10 我国常用汽油机汽车选用润滑油的等级,车 型,润滑油质量等级,EQ1090,492QC为动力的各类汽车,SC,CA1091和东风改型汽油车,SD,夏利、大发、昌河、拉达,SE,一汽奥迪、捷达、红旗、小解放、CA6440轻客、上海桑塔纳、北京切诺基、标致,SF,富康、桑塔纳2000（电喷）、红旗7220AE、捷达（电喷）,SG或SH,表6-11 汽油机润滑油的特性和使用场合,级别,特性和使用场合,SE,性能比SD级油更高，用于苛刻条件下工作的轿车和某些载货汽车，可满足装有曲轴箱强制通风装置和催化转化器的汽油机要求，适用国外19711972年型汽油机,SF,氧化和抗磨损性能比SE级油更高的机油，用于更苛刻条件下工作的轿车和某些载货汽车。适用于19801987年型国外进口车,SG,用于轿车和某些货车的汽油机以及要求使用API SG级油的汽油机，该级油品改进了SF级油控制发动机沉积物、磨损和油品的氧化性能，并具有抗锈蚀和腐蚀的性能。它是专为电喷发动机预备的，如丰田、奔驰、桑塔纳2000等车型,SH,用于轿车和轻型货车的汽油机以及要求使用API SH级油的汽油机。SH级油质量在油品的抗氧化性能方面优于SG级油，并可代替SG，如红旗CA7180E、CA720DE、奥迪发动机。,SJ,可减少积炭的生成，具有优良的抗磨损、洁净分散性，可延长发动机的寿命，降低燃油及机油油耗。适用于劳斯莱斯、奔驰、宝马、林肯、福特、奥迪等进口及国产高级轿车。,表6-12 粘度等级与使用环境温度范围的参考值,粘度等级,使用温度/,粘度等级,使用温度/,5W,10W,20,30,40,-30-10,-25-5,-1030,030,1050,5W/30,10W/30,10W/40,15W/40,20W/40,-3030,-2530,-2540,-2040,-1540,（二）柴油机润滑油的选用,主要依据汽车使用说明书。在没有使用说明书时，可根据柴油机的强化系数确定柴油润滑油的质量等级，然后根据汽车使用地区的气候确定润滑油的粘度级别。,CC级柴油机润滑油具有防止高低温沉积物、防锈和抗腐蚀的性能。适用于中等负荷条件下工作的低增压柴油机和工作条件苛刻（或热负荷高）的非增压的高速柴油机。,CD级用于需要高效控制磨损和沉积物或使用包括高硫燃料非增压、低增压和增压式柴油机以及国外要求使用API CD级油的柴油机。具有控制轴承腐蚀和高温沉积物的性能，并可代替CC级油。,CF-4级用于高速四冲程柴油机以及要求使用API CF-4级油的柴油机。该级油品特别适用于高速公路行驶的重负荷货车，它具有更好的高温清洁性、抗氧化性、抗腐蚀性和抗磨性。可用于各种大型高级客车、各种进口及国产高级大型载货汽车、高级轿车等。,选好润滑油的质量等级后，还应根据汽车实际工作条件的艰苦程度，提高用油的等级，工作条件符合下列情况之一的，应将质量等级提高一个级别（在无级别可提高时，应缩短换油周期）。,汽车处于经常停停开开的使用工况，容易产生低温油泥，如：城市公共汽车、出租车等。,长时期在低温、低速（气温低于0、速度16km/h以下）行驶，容易产生低温沉积。,长时间在高温、高速、满载下工作，易使润滑油氧化变质，生成积炭、漆膜等高温沉积物。,长期在灰尘大的条件下工作。,级别低的润滑油不能用于高性能发动机，以防润滑不足，造成磨损加剧,级别高的润滑油可以用于稍低性能的发动机，但不可降档太多。,在保证润滑条件下，优选粘度低的润滑油，可以减少机件的摩擦损失，提高功率，降低燃料消耗。,保持正常油位，常检查，勤加油。,不同牌号的润滑油不可混用，同一牌号但不同生产厂家的润滑油也尽量不混用。,定期更换润滑油，换油时同时换掉润滑油滤芯。,柴油机润滑油粘度选择原则与汽油机润滑油相同，考虑到柴油机工作压力比汽油机大，但转速又较汽油机低的特点，在选择粘度时应略比汽油机高一些。 此外，使用时还应注意,第三节 汽车齿轮油的合理选用,汽车齿轮油主要用于润滑各种车辆的后桥传动齿轮和手动变速箱。齿轮油 在齿轮传动中的主要作用是减少摩擦、降低磨损、冷却零部件，同时还可缓和振动、减少冲击、防止锈蚀以及清洗摩擦面脏物的作用。它与发动机润滑油的主要区别是油膜所能承受的单位压力更大，因而要求具有良好的油性、粘温特性和极压抗磨性。,一、汽车用齿轮油应具备的性能,极压抗磨性：齿轮油要求在较高的负荷下还能保持足够的油膜厚度。齿轮油的粘度增加有利于承载能力的提高，但粘度过大会增加摩擦损失，所以汽车齿轮油中一般都加有极压抗磨添加剂。,热氧化安定性 ：齿轮油使油的粘度增加，生成油泥，影响油的流动；产生腐蚀性物质，加速金属的腐蚀和锈蚀；生成的极性沉淀物会吸附极性添加剂；沉淀会使橡胶密封件老化变硬，也会覆盖在零件表面，影响散热。,抗腐蚀性能 ：汽车齿轮油中含有的极性添加剂会与零件表面金属反应生成有机膜，以防止在重负荷时油膜破裂引起擦伤，增加极压性能。但极性添加剂又会造成铜或铜合金的腐蚀。所以要求汽车齿轮油有兼顾极压性和抗腐蚀性的能力。,二、汽车齿轮油的分类,1.粘度分级,齿轮油一般按粘度分为75W、80W、85W、90、140、250等牌号。,粘度牌号,环境温度/,粘度牌号,环境温度/,粘度牌号,环境温度/,75W,-57+10,85W/90,-15+49,90,-12+49,80W/90,-25+49,85W/140,-15+49,140,-7+49,表6-14 各粘度牌号齿轮油适用的温度范围,2.质量分级,我国汽车齿轮油质量按其承载能力划分为三级：普通汽车齿轮油CLC、中负荷汽车齿轮油CLD和重负荷汽车齿轮油CLE。通常后两种又称为双曲线齿轮油。,名称及代号,特 点,常用部位,相当API级别,普通汽车齿轮油（CLC）,精制矿物油加抗氧剂、防锈剂、抗泡剂和少量极压剂等,手动变速器、螺旋伞齿轮的驱动桥,GL-3（已废除）,中负荷汽车齿轮油（CLD）,精制矿物油加抗氧剂、防锈剂、抗泡剂和极压剂等。适应在低速高扭矩、高速低扭矩下操作的各种齿轮，特别是客车和其他各种车辆用的准双曲面齿轮,手动变速器、负荷高的螺旋伞齿轮和使用条件不苛刻的准双曲面齿轮的驱动桥,GL-4（已废除）,重负荷汽车齿轮油（CLE）,精制矿物油加抗氧剂、防锈剂、抗泡剂和极压剂等。适用于高速冲击负荷、低速高扭矩、高速低扭矩下操作的各种齿轮，特别是客车和其他各种车辆用的准双曲面齿轮,操作条件苛刻的准双曲面齿轮及其他各种齿轮的驱动桥。也可,用于手动变速器,GL5,三、汽车齿轮油的选用,汽车齿轮油的选择首先要根据齿轮的类型、负荷大小、滑动速度选定合适的质量级别，确定用普通齿轮油还是双曲线齿轮油，然后再根据使用的最高和最低工作温度来确定齿轮油的粘度级别。,齿轮油的选用原则是：,1、普通齿轮油不能取代中、重负荷车辆齿轮油，也不可用于双曲线齿轮。,2、齿轮油不可混合使用，否则，会加剧齿轮的损坏。,3、要根据环境温度，选择适当粘度的齿轮油，以满足高、低温条件下的润滑要求。,第四节 汽车润滑脂的合理选用,有较高的承受负荷能力和较好的阻尼性,润滑脂的蒸发损失小，高温、高速下的润滑性好,保护表面不锈蚀，并可防止滴油、溅油污染产品,由于稠化剂的毛细作用，润滑脂可在较宽温度范围和较长时间内逐步放出液体润滑油，起到润滑作用,在轴承润滑中，润滑脂还可起到密封作用,冷却散热作用差,起动摩擦力矩大和更换润滑脂比较复杂,润滑脂是石油产品中的一大类，它是一种稠化了的润滑油。,一、润滑脂的主要性能指标,滴点 ：是润滑脂在规定条件下加热，达到一定流动性时的温度。滴点基本上决定润滑脂可以使用的温度上限 。,锥入度 ：指在规定的温度和负荷下，锥体在5s内从润滑脂面垂直刺入油脂中的深度。润滑脂分为0、1、2、3、4、5等规格，是决定选择使用的关键指标。,胶体安定性（析油性） ：在外力作用下，润滑脂能在其稠化剂的骨架中保存油的能力，用析油量来判定。,氧化安定性,机械安定性,抗水性,蒸发损失,二、汽车润滑脂的选用,引起润滑脂失效的原因主要有：机械剪切力、离心力、工作温度和氧化环境状况等。,在离心力的作用下，润滑脂被甩出摩擦界面或者使润滑脂产生分油，使润滑脂油分减少，锥入度减小而硬化，到一定程度后就会导致润滑脂完全失效。,润滑脂在机械剪切力作用下，结构发生破坏，引起软化，相对粘度下降，稠度下降，析油增加等，最终导致失效。,润滑脂在高温环境和摩擦热的作用下，会发生蒸发损失，使润滑脂油性减少、变硬、粘度增加。,润滑脂与空气中的氧发生化学反应会产生酸性物质，消耗润滑脂中的抗氧化添加剂，一定程度后，有机酸会腐蚀金属并破坏脂的结构，使滴点下降、粘度增加。,选择润滑脂时应注意以下几项原则。,工作温度 。温度高的部位一定要选用抗氧化安定性好，热蒸发损失少，滴点高，分油量少的脂；温度较低的部位,一定要选用低温起动性能好，相似粘度小的脂。,速度 。轴承通常以速度因数“DN”表示润滑脂适用的速度。其中D表示轴承内径，N表示轴承转速。,负荷 。对重负荷机械，应采用稠度大一些的润滑脂，比如选择加极压添加剂、二硫化钼或石墨的润滑脂。,环境条件 。,三、汽车润滑脂的合理使用,润滑脂的稠度牌号不易太大。如轴承使用2号润滑脂比3号润滑脂节能，综合经济效益（包括润滑脂费用、检查费等）好60左右。,轴承润滑脂的填充量与节能的关系也较大，油脂填充量大，工作时搅动阻力大，轴承温升高，燃料消耗量相应增加。,在润滑脂的使用中，不同牌号的不要混用，避免不同化学成分和性质的油脂混在一起降低润滑脂的使用性能和寿命。,