任務(wù)一 汽車常用材料主要性能分析

任務(wù)引入

發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸用于動(dòng)力輸出，并帶動(dòng)其他部件運(yùn)動(dòng)；發(fā)動(dòng)機(jī)活塞承受氣體壓力，并通過活塞銷傳給連桿驅(qū)使曲軸旋轉(zhuǎn)；汽車齒輪主要分裝在變速器和差速器中，汽車上發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力均通過齒輪傳給車軸，推動(dòng)汽車運(yùn)行。由于汽車曲軸、活塞、齒輪（見圖1-1）的使用工況不同，因而，對(duì)其使用性能的要求也就不同。那么，對(duì)汽車曲軸、活塞、齒輪的主要性能要求有哪些？

任務(wù)分析

不同的汽車零件由于所承受載荷的性質(zhì)不同，使用工況不同，對(duì)其使用性能的要求也就不同。只有了解金屬材料的主要性能，才能在汽車零件加工和維修過程中正確地選擇和使用金屬材料。

學(xué)習(xí)目標(biāo)

1.掌握汽車常用材料的性能指標(biāo)。

2.具有對(duì)不同汽車零件進(jìn)行主要性能分析的能力。

相關(guān)知識(shí)

金屬材料的主要性能包括使用性能和工藝性能。使用性能指金屬材料在正常工作時(shí)應(yīng)具備的性能，它決定了金屬材料的應(yīng)用范圍、使用的可靠性和壽命，包括力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能。工藝性能指金屬材料在冷、熱加工過程中應(yīng)具備的性能，它決定了金屬材料的加工方法，包括鑄造性能、鍛造性能、焊接性能和切削加工性能。

一、金屬材料的使用性能

（一）力學(xué)性能

材料在外力的作用下所表現(xiàn)出來的特性，稱為力學(xué)性能，其主要指標(biāo)有強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌性和疲勞強(qiáng)度等。上述指標(biāo)既是選材的重要依據(jù)，又是控制、檢驗(yàn)材料質(zhì)量的重要參數(shù)。

材料受外力作用時(shí)，會(huì)發(fā)生尺寸與形狀的改變，這種外力稱為載荷，尺寸和形狀的改變稱為變形。載荷與變形的關(guān)系可用試驗(yàn)的方法測(cè)定。

拉伸試驗(yàn)是測(cè)定靜態(tài)力學(xué)性能指標(biāo)的常用方法。試驗(yàn)通常在常溫下進(jìn)行，選用具有代表性的常用材料低碳鋼或鑄鐵做成標(biāo)準(zhǔn)試樣，在拉伸試驗(yàn)機(jī)（見圖1-2）上進(jìn)行。試驗(yàn)采用國家標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試樣，如圖1-3所示。試樣中間等截面部分的工作長(zhǎng)度l₀稱為試樣標(biāo)距，d₀稱為試樣直徑。試樣標(biāo)距與試樣直徑有兩種比例關(guān)系。l₀=10d₀時(shí)，稱為長(zhǎng)試樣；l₀=5d₀時(shí)，稱為短試樣。

試驗(yàn)時(shí)，將試樣兩端夾在試驗(yàn)機(jī)上，然后開動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，在試樣上慢慢施加拉力F，直到試樣被拉斷為止。在拉伸過程中，試驗(yàn)機(jī)上的繪圖儀能自動(dòng)繪出所加載荷F與試樣標(biāo)距伸長(zhǎng)量Δl之間的關(guān)系曲線，稱為拉伸曲線或力—伸長(zhǎng)曲線。由于拉伸曲線與拉伸試樣的幾何尺寸有關(guān)，為消除試樣幾何尺寸的影響，將縱坐標(biāo)載荷F除以試樣橫截面面積A₀，橫坐標(biāo)伸長(zhǎng)量Δl除以試樣標(biāo)距l₀，得到能反映材料力學(xué)性能的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，如圖1-4所示。

從圖1-4中可以看出，整個(gè)拉伸過程，大致可分為4個(gè)階段。

① 彈性階段（圖中OA′段）。OA為直線段，在此階段，應(yīng)力與應(yīng)變呈正比例關(guān)系，即符合胡克定律。OA′段內(nèi)，材料發(fā)生的是彈性變形，若卸除拉力，試樣能完全恢復(fù)到原來的形狀和尺寸。

② 屈服階段（圖中BC段）。當(dāng)拉力繼續(xù)增加時(shí)，試樣將產(chǎn)生塑性變形，并且在曲線上出現(xiàn)接近水平的有微小波動(dòng)的鋸齒狀線段，說明在此階段內(nèi)，應(yīng)力雖有微小的波動(dòng)，但基本不變，而應(yīng)變卻迅速增加，表明此時(shí)試樣暫時(shí)幾乎失去抵抗變形的能力，這種現(xiàn)象稱為材料的屈服。

③ 強(qiáng)化階段（圖中CD段）。屈服后曲線又呈上升趨勢(shì)，表明試樣又恢復(fù)了抵抗變形的能力，要使它繼續(xù)變形就必須增加拉力，這種現(xiàn)象稱為材料的強(qiáng)化。

④ 縮頸階段（圖中DE段）。強(qiáng)化階段后，變形就集中在試樣的某一局部區(qū)域內(nèi)，截面尺寸顯著減小，出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象（見圖1-5）。隨后，試樣承受拉伸力的能力迅速減小，最后試樣在縮頸處被拉斷。

通過拉伸曲線（應(yīng)力—應(yīng)變曲線）可測(cè)定材料的強(qiáng)度與塑性。

1.強(qiáng)度

強(qiáng)度是材料在載荷作用下抵抗塑性變形和斷裂的能力。抵抗載荷的能力越大，則強(qiáng)度越高。

材料受到載荷作用會(huì)發(fā)生變形，同時(shí)在材料內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)抵抗變形的內(nèi)力，其大小和載荷（外力）相等，但方向相反。

在單位截面面積上產(chǎn)生的內(nèi)力稱為應(yīng)力，單位為Pa（帕），即N/m²。工程上常用MPa（兆帕），1MPa=10⁶Pa=1N/mm²。

（1）屈服強(qiáng)度

由圖1-4可知，當(dāng)載荷增加到F_s時(shí)，在不再繼續(xù)增加載荷的情況下，試樣仍能繼續(xù)伸長(zhǎng)，這種現(xiàn)象稱為屈服。將開始發(fā)生屈服現(xiàn)象時(shí)的應(yīng)力，也即開始出現(xiàn)塑性變形時(shí)的應(yīng)力，稱為材料的屈服強(qiáng)度，用σ_s表示。

式中，F_s為試樣屈服時(shí)所承受的最小載荷，N；A₀為試樣的原始橫截面面積，mm²。

屈服強(qiáng)度是具有屈服現(xiàn)象材料特有的強(qiáng)度指標(biāo)。當(dāng)金屬材料在拉伸試驗(yàn)過程中沒有明顯屈服現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，應(yīng)測(cè)定“規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力”。σ_0.2表示試樣產(chǎn)生0.2%殘余伸長(zhǎng)的應(yīng)力。

（2）抗拉強(qiáng)度

當(dāng)載荷超過F_s以后，試樣將繼續(xù)變形。載荷達(dá)到最大值后，試樣產(chǎn)生縮頸，有效截面急劇減小，直至斷裂。抗拉強(qiáng)度是試樣在斷裂前所能承受的最大應(yīng)力，用σ_b表示。

式中，F_b為試樣斷裂前所承受的最大載荷，N；A₀為試樣的原始橫截面面積，mm²。

抗拉強(qiáng)度的物理意義是表征材料對(duì)最大均勻變形的抗力，表征材料在拉伸條件下所能承受最大力的應(yīng)力值，它是設(shè)計(jì)和選材的主要依據(jù)之一，是工程技術(shù)上的主要強(qiáng)度指標(biāo)。

工程上所用的金屬材料，不僅希望具有較高的σ_s、σ_b值，而且希望具有一定的屈強(qiáng)比（σ_s/σ_b）。屈強(qiáng)比越小，零件的安全可靠性越高。屈強(qiáng)比越大，材料強(qiáng)度的有效利用率越高。

2.塑性

塑性是材料斷裂前發(fā)生不可逆塑性變形的能力。材料斷裂前的塑性變形越大，表示它的塑性越好；反之則表示其塑性越差。常用的塑性指標(biāo)是斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率。

（1）斷后伸長(zhǎng)率

斷后伸長(zhǎng)率是指試樣斷裂后的標(biāo)距伸長(zhǎng)量和原始標(biāo)距的百分比，用δ表示。

式中，l₀為試樣原始的標(biāo)距長(zhǎng)度，mm；l₁為試樣斷裂后的標(biāo)距長(zhǎng)度，mm。

拉伸試樣使用長(zhǎng)試樣時(shí)，測(cè)定的斷后伸長(zhǎng)率用符號(hào)δ₁₀表示，通常寫成δ；使用短試樣時(shí)，測(cè)定的斷后伸長(zhǎng)率用符號(hào)δ₅表示。同一種材料的短試樣斷后伸長(zhǎng)率δ₅大于長(zhǎng)試樣的斷后伸長(zhǎng)率δ₁₀。通常把δ≥5%的材料稱為塑性材料，δ＜5%的材料稱為脆性材料。

（2）斷面收縮率

斷面收縮率是指試樣斷裂后，縮頸處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比，用符號(hào)ψ表示。

式中，A₀為試樣原始的橫截面積，mm²；A₁為試樣拉斷后縮頸處的最小橫截面積，mm²。

斷面收縮率與試樣尺寸無關(guān)，所以它能比較確切地反映材料的塑性。材料的δ或ψ值越大，表示材料的塑性越好。塑性直接影響到零件的成形加工及使用。例如，鋼的塑性較好，能通過鍛造成形；而灰鑄鐵塑性極差，不能進(jìn)行鍛造。金屬材料經(jīng)塑性變形（屈服）后能得到強(qiáng)化，因此塑性好的零件超載時(shí)，仍有強(qiáng)度儲(chǔ)備，比較安全。

3.硬度

硬度是材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃傷的能力。因此，硬度也可以看作是材料對(duì)局部塑性變形的抗力。

硬度是衡量材料性能的一個(gè)綜合的工程量或技術(shù)量。通常材料硬度越高，耐磨性越好，強(qiáng)度也越高。測(cè)定硬度的方法很多，常用的有布氏硬度測(cè)試法、洛氏硬度測(cè)試法和維氏硬度測(cè)試法。

（1）布氏硬度

布氏硬度的測(cè)定是在布氏硬度試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的，試驗(yàn)原理如圖1-6所示。用一定大小的試驗(yàn)力F，把直徑為D的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球壓入被測(cè)金屬的表面，保持規(guī)定時(shí)間后卸除試驗(yàn)力，用讀數(shù)顯微鏡測(cè)出壓痕直徑d，然后按公式求出布氏硬度HB值，或者根據(jù)d從已備好的布氏硬度表中查出HB值。壓痕單位表面積上所承受的平均壓力即為布氏硬度值，用符號(hào)HBS或HBW表示（壓頭為淬火鋼球時(shí)用HBS，壓頭為硬質(zhì)合金球時(shí)用HBW）。

式中，F為所加載荷（試驗(yàn)力），N；A為壓痕球冠形表面積，mm²；D為球形壓頭直徑，mm；d為壓痕直徑，mm；h為壓痕深度，mm。

布氏硬度符號(hào)HBS和HBW之前的數(shù)字為硬度值。例如，500HBW表示用硬質(zhì)合金球作壓頭時(shí)測(cè)得的布氏硬度值為500；200HBS表示用淬火鋼球作壓頭時(shí)測(cè)得的布氏硬度值為200。

布氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、穩(wěn)定，數(shù)據(jù)重復(fù)性強(qiáng)。缺點(diǎn)是壓痕較大、易損傷零件表面，不能測(cè)量太薄、太硬的試樣硬度。這種方法常用來測(cè)定退火鋼、正火鋼、調(diào)質(zhì)鋼、鑄鐵及非鐵金屬的硬度。

（2）洛氏硬度

洛氏硬度試驗(yàn)是目前應(yīng)用最廣泛的硬度檢測(cè)試驗(yàn)方法，它采用直接測(cè)量壓痕的深度來確定硬度值，洛氏硬度試驗(yàn)原理如圖1-7所示。它采用的是頂角為120°的金剛石圓錐體作壓頭。圖中0-0為壓頭沒有與試樣接觸時(shí)的位置；1-1為壓頭受到初試驗(yàn)力F₁后壓入試樣的位置；2-2為壓頭受到主試驗(yàn)力F₂后壓入試樣的位置；經(jīng)規(guī)定的保持時(shí)間，卸除主試驗(yàn)力F₂，仍保留初試驗(yàn)力F₁，試樣彈性變形的恢復(fù)，使壓頭上升到3-3的位置。此時(shí)，壓頭受主試驗(yàn)力F₂作用壓入的深度為h（mm），即1-1位置至3-3位置。金屬越硬，h值越小。為適應(yīng)人們習(xí)慣上數(shù)值越大，硬度越大的觀念，人為地規(guī)定一常數(shù)K減去壓痕深度h的值作為洛氏硬度指標(biāo)，并規(guī)定每0.002mm為一個(gè)洛氏硬度單位，用符號(hào)HR表示。

由此可見，洛氏硬度是材料的性能指標(biāo)。使用金剛石壓頭時(shí)，常數(shù)K為0.2。洛氏硬度測(cè)試比布氏硬度測(cè)試更加簡(jiǎn)便，洛氏硬度值可直接讀出。

洛氏硬度沒有單位（無量綱），只是根據(jù)不同的試驗(yàn)材料、不同的壓頭和所加壓力大小，分HRA、HRB、HRC三種標(biāo)記。其中HRA與HRC用錐頂角為120°的金剛石圓錐體為壓頭，采用的總載荷分別為588N和1471N；而HRB值的測(cè)定則采用直徑1.5875mm的鋼球作為壓頭，總載荷為980N。中等硬度材料可用HRC測(cè)量，軟材料用HRB測(cè)量，較硬材料用HRA測(cè)量，其中HRC應(yīng)用最廣。洛氏硬度值標(biāo)注方法為硬度符號(hào)前面注明硬度數(shù)值，如52HRC。

洛氏硬度測(cè)試可以用于硬度很高的材料，操作簡(jiǎn)便迅速，而且壓痕很小，幾乎不損傷工件表面。但由于壓痕小，硬度值的代表性就差些。如果材料內(nèi)部有偏析或組織不均勻的情況，則所測(cè)硬度值的重復(fù)性就較低，故需在試樣不同部位測(cè)定三點(diǎn)，取其算術(shù)平均值。

以上兩種硬度測(cè)試相比較，布氏硬度壓痕大，不適于成品檢驗(yàn)，但硬度值的可重復(fù)性好。洛氏硬度的壓痕小，可重復(fù)性較差，但可用于成品檢驗(yàn)，經(jīng)常用于熱處理后成品零件的性能檢驗(yàn)。

（3）維氏硬度

維氏硬度的試驗(yàn)原理與布氏硬度基本相同。它是用頂角為136°的四棱金剛石，在較小的載荷F（常用50～1000N）作用下壓入被測(cè)材料表面，并按規(guī)定保持一定時(shí)間，然后用附在試驗(yàn)機(jī)上的顯微鏡測(cè)量壓痕的對(duì)角線長(zhǎng)度d，以凹痕單位表面積上所承受的壓力作為維氏硬度值，用符號(hào)HV表示。

維氏硬度法所測(cè)得的壓痕輪廓清晰，數(shù)值較準(zhǔn)確，測(cè)量范圍廣，采用較小的壓力即可測(cè)量硬度高的薄件（如硬質(zhì)合金、滲碳層、滲氮層），而不至于將被測(cè)件壓穿。

4.沖擊韌性

機(jī)械設(shè)備中有很多零件要承受沖擊載荷的作用。對(duì)于承受沖擊載荷的零件不能只以強(qiáng)度和硬度指標(biāo)來衡量，這是因?yàn)橐恍?qiáng)度較高的金屬，在沖擊載荷的作用下往往也會(huì)發(fā)生斷裂。因此，對(duì)于這些機(jī)械零件和工具，還必須考慮金屬材料的沖擊韌性。

沖擊韌性（簡(jiǎn)稱韌性）是材料在沖擊載荷的作用下斷裂前吸收變形能量的能力。沖擊韌性常用沖擊吸收功或沖擊韌度來表示。

沖擊韌度的測(cè)定方法是采用擺錘式一次沖擊試驗(yàn)方法。將被測(cè)材料制成標(biāo)準(zhǔn)缺口（V形或U形）試樣，在沖擊試驗(yàn)機(jī)上由置于一定高度的擺錘自由落下而一次沖斷，試驗(yàn)原理如圖1-8所示。

將待測(cè)材料的標(biāo)準(zhǔn)缺口試樣放在沖擊試驗(yàn)機(jī)的支座上，試樣缺口背向擺錘沖擊方向。將具有一定重力G的擺錘舉至一定高度H，使其具有勢(shì)能（GH），然后擺錘落下沖擊試樣，試樣斷裂后擺錘上擺到h高度。在忽略摩擦和阻尼等條件下，擺錘沖斷試樣所做的功，稱為沖擊吸收功，以A_K表示，則有A_K=GH?Gh=G（H?h）。用A_K（J）除以試樣的斷口處截面積S_N（cm²），即得到?jīng)_擊韌度，用α_K表示，則

對(duì)一般常用鋼材來說，所測(cè)沖擊吸收功A_K或沖擊韌度α_K值越大，表示材料的韌性越好，材料抵抗沖擊載荷的能力越強(qiáng)，受沖擊時(shí)越不容易斷裂。反之，數(shù)值越小，表示材料的韌性越差，材料抵抗沖擊載荷的能力越弱，受沖擊時(shí)越易斷裂。

由于溫度對(duì)一些材料的韌脆程度影響較大，為了確定材料由塑性狀態(tài)向脆性狀態(tài)轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)，可分別在一系列不同溫度下進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，測(cè)定出沖擊韌度值隨試驗(yàn)溫度的變化。實(shí)驗(yàn)表明，沖擊韌度值α_K隨溫度的降低而減小，當(dāng)降低到某一溫度范圍時(shí)，材料的α_K值急劇下降。材料由韌性狀態(tài)向脆性狀態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度。

5.疲勞強(qiáng)度

許多機(jī)械零件，如各種軸、齒輪、彈簧等，在工作過程中各點(diǎn)的應(yīng)力隨時(shí)間做周期性的變化，這種隨時(shí)間做周期性變化的應(yīng)力稱為交變應(yīng)力（也稱循環(huán)應(yīng)力）。在交變應(yīng)力作用下，雖然零件所承受的應(yīng)力小于其抗拉強(qiáng)度，甚至小于其屈服強(qiáng)度，但經(jīng)多次循環(huán)后，在沒有明顯的外觀變形時(shí)，零件在一處或幾處也會(huì)產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂。這種現(xiàn)象稱為材料的疲勞。金屬材料在疲勞現(xiàn)象下，在一處或幾處產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的過程，稱為疲勞破壞（或疲勞斷裂）。疲勞斷裂與靜載荷下斷裂不同，無論是脆性材料還是塑性材料，疲勞斷裂都是突然發(fā)生的，常常會(huì)造成嚴(yán)重事故，具有很大的危險(xiǎn)。

反映材料抵抗疲勞性能的指標(biāo)是疲勞強(qiáng)度。金屬材料在無限多次交變載荷作用下而不破壞的最大應(yīng)力，稱為疲勞強(qiáng)度。當(dāng)施加的交變應(yīng)力是對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力時(shí)，所得的疲勞強(qiáng)度用σ_-1表示。實(shí)際上，金屬材料并不可能做無限多次交變載荷試驗(yàn)。一般試驗(yàn)時(shí)規(guī)定，鋼在經(jīng)受10⁷次、有色金屬或某些高強(qiáng)度鋼經(jīng)受10⁸次交變載荷作用時(shí)不產(chǎn)生斷裂的最大應(yīng)力，稱為疲勞強(qiáng)度。

（二）物理性能

金屬材料的物理性能是指金屬固有的屬性，包括密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性和熱膨脹性等。機(jī)械零件的用途不同，對(duì)金屬材料的物理性能要求也有所不同。

1.密度

金屬材料單位體積內(nèi)的質(zhì)量稱為密度。在體積相同的情況下，金屬材料的密度越大，其質(zhì)量也越大。

2.熔點(diǎn)

金屬材料從固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)的溫度稱為熔點(diǎn)。熔點(diǎn)高的金屬稱為難熔金屬，可用來制造耐高溫零件；熔點(diǎn)低的金屬稱為易熔金屬，可用來制造熔斷絲和防火安全閥等零件。

3.導(dǎo)熱性

金屬材料傳導(dǎo)熱量的性能稱為導(dǎo)熱性。金屬的導(dǎo)熱性以銀為最好，銅、鋁次之。導(dǎo)熱性好的金屬散熱也好，因此在制造散熱器、熱交換器與活塞等零件時(shí)，要選用導(dǎo)熱性好的金屬材料。

4.導(dǎo)電性

金屬材料傳導(dǎo)電流的性能稱為導(dǎo)電性。金屬的導(dǎo)電性以銀為最好，銅、鋁次之。導(dǎo)電性好的金屬，如純銅、純鋁適于做導(dǎo)電材料；導(dǎo)電性差的金屬，如鐵鉻鋁合金適于做電熱元件。

5.熱膨脹性

金屬材料隨溫度變化而膨脹、收縮的特性稱為熱膨脹性。在實(shí)際工作中要考慮熱膨脹性的場(chǎng)合很多，例如，軸與軸瓦之間要根據(jù)熱膨脹性來控制其間隙尺寸；測(cè)量工件的尺寸時(shí)，要注意熱膨脹性的影響，以減小測(cè)量誤差。

（三）化學(xué)性能

化學(xué)性能是指金屬材料在常溫或高溫條件下抵抗外界介質(zhì)對(duì)其化學(xué)侵蝕的能力。它主要包括耐腐蝕性、抗氧化性和化學(xué)穩(wěn)定性等。

1.耐腐蝕性

金屬材料在常溫下抵抗氧、水蒸氣及其他化學(xué)介質(zhì)腐蝕破壞作用的能力稱為耐腐蝕性。腐蝕對(duì)金屬材料的危害很大，它不僅使金屬材料本身受到損傷，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)使金屬零部件遭到破壞，引起重大的傷亡事故。因此，提高金屬材料的耐腐蝕性，對(duì)于節(jié)約金屬，延長(zhǎng)金屬材料的使用壽命，具有現(xiàn)實(shí)的經(jīng)濟(jì)意義。

2.抗氧化性

金屬材料在加熱時(shí)抵抗氧化作用的能力稱為抗氧化性。金屬材料的氧化隨溫度的升高而加速。例如，鋼材在鑄造、鍛造、熱處理、焊接等熱加工過程中，氧化比較嚴(yán)重，這不僅造成材料過量的損耗，也可形成各種缺陷。因此，在加熱時(shí)，常在工件的周圍提供一種還原或保護(hù)氣體，以避免金屬材料的氧化。

3.化學(xué)穩(wěn)定性

化學(xué)穩(wěn)定性是金屬材料的耐腐蝕性和抗氧化性的總稱。金屬材料在高溫下的化學(xué)穩(wěn)定性稱為熱穩(wěn)定性。在高溫條件下工作的零部件，需要選擇熱穩(wěn)定性好的材料來制造。

二、金屬材料的工藝性能

金屬材料的工藝性能是指材料加工成形的難易程度。工藝性能往往是由物理性能、化學(xué)性能和力學(xué)性能綜合作用所決定的，不能簡(jiǎn)單用一個(gè)物理參數(shù)來表示。按照加工工藝的不同，工藝性能可分為鑄造性能、鍛造性能、焊接性能和切削加工性能等。

1.鑄造性能

鑄造性能是指金屬在鑄造生產(chǎn)中表現(xiàn)出的工藝性能。

2.鍛造性能

鍛造性能是指金屬材料在經(jīng)受壓力加工時(shí)，獲得合格零件的難易程度。

3.焊接性能

焊接性能是指金屬材料對(duì)焊接成形的適應(yīng)性，也就是在一定的焊接工藝條件下，金屬材料獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。

4.切削加工性能

切削加工性能是指金屬材料被切削加工的難易程度。工件材料硬度過高，則刀具易磨損、壽命短，甚至不能切削加工；硬度過低，則容易粘刀，且不易斷屑，加工后表面粗糙。所以，硬度過高或過低、韌性過大的材料，其切削加工性能較差。一般金屬材料的硬度為150～250HBS時(shí)，有較好的切削加工性能。

任務(wù)實(shí)施

一、汽車曲軸的主要性能分析

1.曲軸的使用工況

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的作用是輸出動(dòng)力，并帶動(dòng)其他部件運(yùn)動(dòng)。曲軸在工作中受到彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切、沖擊等交變應(yīng)力的作用。曲軸的形狀極不規(guī)則，其上的應(yīng)力分布極不均勻，曲軸頸與軸承還發(fā)生滑動(dòng)摩擦。曲軸的失效形式是疲勞斷裂和軸頸嚴(yán)重磨損。

2.曲軸的性能要求

根據(jù)曲軸的工況及失效形式，分析曲軸的主要性能要求如下所述。

① 具有高的強(qiáng)度、一定的沖擊韌性，以抵抗沖擊載荷。

② 具有足夠的彎曲和扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度，以抵抗彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷。

③ 具有足夠的剛度，以抵抗曲軸磨損變形。

④ 軸頸表面具有高的硬度和耐磨性。

二、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的主要性能分析

1.活塞的使用工況

汽車活塞在高溫、高壓、高速、潤滑不良的條件下工作。活塞直接與高溫氣體接觸，瞬時(shí)溫度可達(dá)2500K以上，而散熱條件又很差，所以活塞工作時(shí)溫度很高。活塞頂部承受氣體壓力很大，特別是做功行程壓力最大，汽油機(jī)可達(dá)3～5MPa，柴油機(jī)可達(dá)6～9MPa，這就使得活塞產(chǎn)生沖擊，并承受側(cè)壓力的作用。活塞在氣缸內(nèi)以很高的速度（8～12m/s）往復(fù)運(yùn)動(dòng)，且速度在不斷地變化。這就產(chǎn)生了很大的慣性力，使活塞受到很大的附加載荷。活塞在這種惡劣的條件下工作，會(huì)產(chǎn)生變形并加速磨損，還會(huì)產(chǎn)生附加載荷和熱應(yīng)力，同時(shí)受到燃?xì)獾幕瘜W(xué)腐蝕作用。

2.活塞的性能要求

根據(jù)活塞的工況，分析活塞的主要性能要求如下所述。

① 要有足夠的強(qiáng)度，以抵抗不同載荷。

② 要有足夠的剛度，以抵抗變形磨損。

③ 導(dǎo)熱性好，耐高壓、耐高溫，以適應(yīng)惡劣的工作條件。

④ 耐腐蝕性好，以抵抗燃?xì)獾幕瘜W(xué)腐蝕。

⑤ 質(zhì)量小、重量輕，盡可能減小往復(fù)慣性力。

三、汽車齒輪的主要性能分析

1.汽車齒輪的使用工況

汽車齒輪主要分裝在變速器和差速器中，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力均通過齒輪傳給車軸，推動(dòng)汽車運(yùn)行。齒輪在變速器中可改變速比，在差速器中可增加扭矩和調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。汽車齒輪的齒根受到很大的交變彎曲應(yīng)力；換擋、啟動(dòng)或嚙合不均時(shí)，齒部受一定的沖擊載荷，齒面相互滾動(dòng)或滑動(dòng)接觸，產(chǎn)生很大的接觸應(yīng)力及摩擦力。

2.汽車齒輪的性能要求

根據(jù)齒輪的工況，分析齒輪的主要性能要求如下所述。

① 齒面有足夠的硬度，以抵抗齒面磨損、點(diǎn)蝕、膠合以及塑性變形等。

② 齒心有足夠的強(qiáng)度和較好的韌性，以抵抗齒根折斷和沖擊載荷。

③ 有良好的加工工藝性能及熱處理性能，使之便于加工且提高其力學(xué)性能。