單元二 汽車常用材料

學(xué)習(xí)目標(biāo)

1.了解汽車常用材料。

2.了解什么是黑色金屬。

3.了解塑料、橡膠的特性及應(yīng)用。

4.了解陶瓷、復(fù)合材料的特性及應(yīng)用。

內(nèi)容概要

縱觀人類文明史，從某種意義上說就是一部人類認(rèn)識材料和使用材料的發(fā)展史。從遠(yuǎn)古到現(xiàn)代，人類經(jīng)歷了石器時代、青銅時代、鐵器時代，目前進(jìn)入了人工合成材料的新時代。材料的品種、生產(chǎn)數(shù)量、生產(chǎn)技術(shù)水平，已經(jīng)成為衡量一個國家科技水平和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。

知識準(zhǔn)備

一、材料的分類

引導(dǎo)問題：我們平時乘坐的汽車都是由哪些材料制造的？使用最多的是什么材料呢？

圖1-1-1里面涉及的材料有：

1）塑料件：用于制作汽車內(nèi)飾部分、儀表板、汽油箱、保險杠、擋泥板、蓄電池殼、開關(guān)、手柄等。

2）玻璃：用來制作前照燈燈泡、車窗、后視鏡部分。

3）工業(yè)陶瓷：用來制作發(fā)動機(jī)火花塞絕緣層、耐高溫接頭、陶瓷閥等部分。

4）橡膠：用來制作汽車輪胎、發(fā)動機(jī)活動件密封圈、車門車窗防水密封圈、發(fā)動機(jī)進(jìn)氣管道等部分。

5）皮革：用來制作座椅部分、內(nèi)飾部分。

6）鋼、鑄鐵、鋁等：用來制作汽車底盤、汽車防撞梁、發(fā)動機(jī)等部分。

一輛汽車一般由上萬個零件組成，每個零件會根據(jù)不同的使用要求和不用的價格來使用各式各樣的材料。材料可分為金屬材料和非金屬材料（圖1-2-1）。

材料分為金屬和非金屬兩大類，汽車上的零件如鋼、鐵、合金等稱為金屬材料，玻璃、塑料、橡膠、陶瓷等稱為非金屬材料。

金屬材料是指由金屬元素或以金屬元素為主要成分構(gòu)成，并具有金屬特性的工程材料，通常分為黑色金屬與有色金屬兩大類。由鐵元素或以鐵元素為主形成的金屬材料稱為黑色金屬，而把除黑色金屬以外的金屬稱為有色金屬，如鋁、銅、鋅等。

二、黑色金屬材料

黑色金屬材料俗稱鋼鐵材料，是鋼與鑄鐵的統(tǒng)稱。鋼鐵材料主要元素是鐵、碳以及其他雜質(zhì)部分，依據(jù)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為標(biāo)準(zhǔn)劃分為鋼和鑄鐵，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于2.11%的稱為鋼，含碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2.11%的稱為鑄鐵。在鋼中加入其他元素則稱為合金鋼，未加入其他元素則稱為非合金鋼，也叫碳鋼。

1.碳鋼

可以按照以下三種方式分類。

1）按照碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（W_C表示碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)）：可以分為低碳鋼（W_C＜0.25%）、中碳鋼（0.25%≤W_C≤0.6%）、高碳鋼（W_C＞0.6%），W_C越高，硬度、強(qiáng)度越大，但塑性越低。

2）按照碳鋼的含磷量、含硫量：碳鋼的質(zhì)量是以磷、硫的含量劃分（W_S表示硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，W_P代表磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)），分為普通碳鋼（W_S≤0.045%，W_P≤0.045%）、優(yōu)質(zhì)碳鋼（W_S≤0.035%，W_P≤0.035%）、高級優(yōu)質(zhì)碳鋼（W_S≤0.030%，W_P≤0.030%）。

3）按照用途：分為碳素結(jié)構(gòu)鋼和碳素工具鋼。

碳素結(jié)構(gòu)鋼（W_C＜0.70%），牌號以Q加三個數(shù)字表示，如Q235、Q275。它主要用于制造各種機(jī)械零件和工程構(gòu)件，如橋梁、船舶、機(jī)器零件、螺栓、墊圈等。

碳素工具鋼（0.70%＜W_C＜1.35%），牌號以T加數(shù)字表示，如T11、T9，主要用于制造各種刀具、模具、量具等。

2.合金鋼

當(dāng)在碳鋼的基礎(chǔ)上加入其他元素時，這種鋼稱為合金鋼，其中加入的其他元素稱為合金元素。合金元素通過與鋼中的鐵和碳發(fā)生作用，以及合金元素之間的相互作用提高了鋼的力學(xué)性能，達(dá)到使用要求。

合金鋼按照用途分為合金結(jié)構(gòu)鋼、合金工具鋼和特殊性能鋼。

1）合金結(jié)構(gòu)鋼是用于制造各類工程結(jié)構(gòu)件和各種機(jī)械零件的鋼。例如，汽車、拖拉機(jī)等車輛的減振板簧和螺旋彈簧，就屬于合金結(jié)構(gòu)鋼中的合金彈簧鋼，它的牌號為60Si2MnA。常用的各種滾動軸承元件，如軸承內(nèi)外圈、滾動體等，用的就是合金結(jié)構(gòu)鋼中的滾動軸承鋼，常見牌號為GCr4、GCr15等。

2）合金工具鋼用于制造刀具、模具、量具，相比較于碳素工具鋼，它具有更好的耐磨性、熱硬性高和熱處理變形小等優(yōu)點(diǎn)。

3）特殊性能鋼是指具有特殊物理性能、化學(xué)性能的鋼。我們生活中常見的不銹鋼就屬于特殊性能鋼，它在空氣、水、酸及其他腐蝕性介質(zhì)中具有高度的化學(xué)穩(wěn)定性。在餐具領(lǐng)域使用比較多的不銹鋼就是304。304不銹鋼的牌號是SUS304，但這個牌號是國外的牌號，在我國這種材料的牌號是06Cr19Ni10，其中06的意思是碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.06%～0.08%，Cr代表鉻元素，19代表其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為19%，Ni代表鎳元素，10代表其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%。

3.鑄鐵

鑄鐵是碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2.11%的鐵碳合金。與鋼相比，鑄鐵的抗拉強(qiáng)度、塑性、韌性較低，質(zhì)脆，但它具有熔點(diǎn)低、流動性好、耐磨的特點(diǎn)，具有優(yōu)良的鑄造性。汽車發(fā)動機(jī)的缸體一般就是用鑄鐵制造而成的，具有優(yōu)良的強(qiáng)度、剛度、耐磨性以及減振性能。

三、有色金屬材料

金屬材料中，除去黑色金屬以外的金屬，統(tǒng)稱為有色金屬。有色金屬具有一些特殊的性質(zhì)，所以在工業(yè)上應(yīng)用很廣。常用的有純銅、銅合金和鋁合金，見圖1-2-2。

1.純銅

純銅的顏色為紅色，氧化后為紫色，俗稱為紅銅或紫銅，其中銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到99.5%以上。它有很好的導(dǎo)電性和塑性，主要用于制造線纜、電線、線圈。

2.銅合金

在純銅中加入某些合金元素（如鋅、錫、錳、鎳等），就形成了銅合金。銅合金具有較好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和耐腐蝕性，同時具有較高強(qiáng)度和耐磨性。根據(jù)成分不同，銅合金分為黃銅、白銅和青銅等。

1）黃銅：是以鋅為主要合金元素的銅合金，鋅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大約在30%，顏色呈黃色，故稱為黃銅。它又分為普通黃銅和特殊黃銅兩種。普通黃銅是銅鋅二元合金。它塑性好，適用于制造板材、棒材、線材、管材，如冷凝管、散熱管、電器元件等。在普通黃銅的基礎(chǔ)上，加入鉛、錳、錫等元素，就形成了特殊黃銅，它有更高的強(qiáng)度、抗蝕性和良好的鑄造性能。在鐘表零件、海船零件、化工機(jī)械零件中應(yīng)用較多。

2）白銅：是以鎳為主要合金元素的銅合金，鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大約在25%左右，顏色呈銀白色，故稱為白銅。它的鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，顏色越白。它具有高強(qiáng)度、高硬度。

3）青銅：是以錫為主要合金元素的銅合金，錫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大約在8%左右，顏色呈青色，故稱為青銅。現(xiàn)在工業(yè)上除了黃銅、白銅之外的其他銅合金，也稱青銅。我國古代大量使用的青銅器，材料就是青銅。

3.鋁合金

純鋁比較軟，具有非常好的延展性，可以制作成鋁箔，用于包裝飲品、香煙等。在純鋁中加入鐵、銅、錳等合金元素就形成了鋁合金。鋁合金密度低、強(qiáng)度高且具有良好的加工性能，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、火箭、航天飛機(jī)等航空航天產(chǎn)業(yè)中，也可以用于家裝、建筑等場合。

四、常見非金屬材料

非金屬材料是指除金屬以外的其他一切材料，非金屬材料具有優(yōu)良的耐腐蝕性能，原料來源豐富，品種多樣，適合于因地制宜，就地取材，是一種有著廣闊發(fā)展前景的工程材料。非金屬材料分為無機(jī)非金屬材料、有機(jī)非金屬材料及復(fù)合材料。無機(jī)非金屬材料主要有陶瓷、搪瓷、石材、玻璃等，有機(jī)非金屬材料主要有橡膠、塑料、涂料等，復(fù)合材料主要有玻璃鋼、碳纖維材料等。下面主要介紹塑料、橡膠、陶瓷和復(fù)合材料。

1.塑料

塑料（圖1-2-3）是指以合成樹脂高分子化合物（有時用單體直接在加工過程中聚合）作為主要成分，加入某些添加劑后，且在一定溫度、壓力下注塑成型的材料或制品的總稱。它具有質(zhì)量輕、摩擦系數(shù)小、耐磨、吸振、耐蝕、絕緣、可以著色、易加工成形等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用。常用塑料的性能特點(diǎn)和用途如表1-2-1所示。

例如，汽車的保險杠、散熱器護(hù)柵、儀表盤、燃油箱等都用到了塑料件。

2.橡膠

橡膠（圖1-2-4）屬于高分子材料，在很寬的溫度范圍（-40～+80℃）內(nèi)都具有高彈性。橡膠制品是在生膠中加入多種配合劑，經(jīng)硫化處理得到的產(chǎn)品，具有廣泛的應(yīng)用，可用于制造輪胎、輸送帶、減振制品、膠管、膠鞋等。它主要有以下三個性能特點(diǎn)。

1）高彈性。橡膠受外力作用而發(fā)生的變形屬于可逆彈性變形，當(dāng)外力去除后，只需要千分之一秒便可恢復(fù)原狀。

2）耐磨性。耐磨性是指橡膠抵抗磨損的能力高。

3）老化。橡膠的老化指的是隨著時間的增加，橡膠出現(xiàn)變色、變硬、變脆和龜裂等現(xiàn)象。為防止橡膠老化，延長橡膠制品的壽命，應(yīng)避免它與酸、油等接觸，盡量減少日曬雨淋。

3.陶瓷

陶瓷（圖1-2-5）材料是人類使用的最古老的材料之一，早在20000年前，在原始社會，人類就開始使用黏土制作簡單的陶器。在工業(yè)史上，人類也比較早地將陶瓷運(yùn)用到工業(yè)當(dāng)中。時至今日，陶瓷已經(jīng)成為工業(yè)中不可缺少的非金屬材料，在機(jī)械中更為常見，現(xiàn)在通常把陶瓷分成普通陶瓷和特種陶瓷兩類。

普通陶瓷就是用黏土和石英等材料，通過傳統(tǒng)方式制作的陶瓷，有一定的絕緣性和耐熱性且硬度高，但是相對來說脆性大。一般用于制造餐具、茶具、器皿等。

特種陶瓷是現(xiàn)代陶瓷的結(jié)晶，是具有特殊力學(xué)、物理、化學(xué)性能的陶瓷。它的出現(xiàn)，是因為隨著工業(yè)的發(fā)展，普通陶瓷無法滿足現(xiàn)代工業(yè)和尖端科學(xué)的應(yīng)用，所以發(fā)展出高性能的陶瓷材料，用來滿足現(xiàn)代工業(yè)的使用要求，故又可以稱為精細(xì)陶瓷。一般來說，特種陶瓷強(qiáng)度高、耐高溫，并且具有一種或多種功能，如電、磁、光、熱、聲及化學(xué)、生物等方面的功效。自20世紀(jì)以來，陶瓷材料都在推動著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。例如，陶瓷手機(jī)背板、陶瓷假牙、陶瓷氣缸套、陶瓷活塞等。

4.復(fù)合材料

復(fù)合材料（圖1-2-6）是指由兩種或兩種以上不同物質(zhì)，以不同方式組合而成的材料，它可以發(fā)揮各種材料的優(yōu)點(diǎn)，克服單一材料的缺陷，擴(kuò)大材料的應(yīng)用范圍。由于復(fù)合材料具有重量輕、強(qiáng)度高、加工成形方便、彈性優(yōu)良、耐化學(xué)腐蝕和耐候性好等特點(diǎn)，已逐步取代木材及金屬合金，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、電子電氣、建筑、健身器材等領(lǐng)域，在近幾年更是得到了飛速發(fā)展。

復(fù)合材料的主要應(yīng)用領(lǐng)域有：

航空航天領(lǐng)域。用于制造飛機(jī)機(jī)翼和前機(jī)身、衛(wèi)星天線及其支撐結(jié)構(gòu)、太陽能電池翼和外殼、大型運(yùn)載火箭的殼體、發(fā)動機(jī)殼體、航天飛機(jī)結(jié)構(gòu)件等。我國的神舟飛船的返回艙，使用了自行研制的蜂窩增強(qiáng)的低密度樹脂基復(fù)合材料，獲得了很好的防熱效果。

汽車工業(yè)。由于復(fù)合材料具有特殊的振動阻尼性能，可減振和降低噪聲，抗疲勞性能好，損傷后易修理，便于整體成形，故可用于制造汽車車身、受力構(gòu)件、傳動軸、發(fā)動機(jī)架及其內(nèi)部構(gòu)件。

化工、紡織和機(jī)械制造領(lǐng)域。有良好耐蝕性的碳纖維與樹脂基體復(fù)合而成的材料，可用于制造化工設(shè)備、紡織機(jī)、造紙機(jī)、復(fù)印機(jī)、高速機(jī)床、精密儀器等。

醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。碳纖維復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能和不吸收X射線的特性，可用于制造醫(yī)用X光機(jī)和矯形支架等。碳纖維復(fù)合材料還具有生物組織相容性和血液相容性，生物環(huán)境下穩(wěn)定性好，也適合用作生物醫(yī)學(xué)材料。此外，復(fù)合材料還可用于制造體育運(yùn)動器件和用作建筑材料等。