单元二 汽车常用材料
学习目标
1.了解汽车常用材料。
2.了解什么是黑色金属。
3.了解塑料、橡胶的特性及应用。
4.了解陶瓷、复合材料的特性及应用。
内容概要
纵观人类文明史，从某种意义上说就是一部人类认识材料和使用材料的发展史。从远古到现代，人类经历了石器时代、青铜时代、铁器时代，目前进入了人工合成材料的新时代。材料的品种、生产数量、生产技术水平，已经成为衡量一个国家科技水平和国民经济发展水平的重要标志。
知识准备
一、材料的分类
引导问题：我们平时乘坐的汽车都是由哪些材料制造的？使用最多的是什么材料呢？
图1-1-1里面涉及的材料有：
1）塑料件：用于制作汽车内饰部分、仪表板、汽油箱、保险杠、挡泥板、蓄电池壳、开关、手柄等。
2）玻璃：用来制作前照灯灯泡、车窗、后视镜部分。
3）工业陶瓷：用来制作发动机火花塞绝缘层、耐高温接头、陶瓷阀等部分。
4）橡胶：用来制作汽车轮胎、发动机活动件密封圈、车门车窗防水密封圈、发动机进气管道等部分。
5）皮革：用来制作座椅部分、内饰部分。
6）钢、铸铁、铝等：用来制作汽车底盘、汽车防撞梁、发动机等部分。
一辆汽车一般由上万个零件组成，每个零件会根据不同的使用要求和不用的价格来使用各式各样的材料。材料可分为金属材料和非金属材料（图1-2-1）。
图1-2-1 材料的分类
材料分为金属和非金属两大类，汽车上的零件如钢、铁、合金等称为金属材料，玻璃、塑料、橡胶、陶瓷等称为非金属材料。
金属材料是指由金属元素或以金属元素为主要成分构成，并具有金属特性的工程材料，通常分为黑色金属与有色金属两大类。由铁元素或以铁元素为主形成的金属材料称为黑色金属，而把除黑色金属以外的金属称为有色金属，如铝、铜、锌等。
二、黑色金属材料
黑色金属材料俗称钢铁材料，是钢与铸铁的统称。钢铁材料主要元素是铁、碳以及其他杂质部分，依据碳的质量分数为标准划分为钢和铸铁，碳的质量分数低于2.11%的称为钢，含碳的质量分数大于2.11%的称为铸铁。在钢中加入其他元素则称为合金钢，未加入其他元素则称为非合金钢，也叫碳钢。
1.碳钢
可以按照以下三种方式分类。
1）按照碳的质量分数（WC表示碳的质量分数）：可以分为低碳钢（WC＜0.25%）、中碳钢（0.25%≤WC≤0.6%）、高碳钢（WC＞0.6%），WC越高，硬度、强度越大，但塑性越低。
2）按照碳钢的含磷量、含硫量：碳钢的质量是以磷、硫的含量划分（WS表示硫的质量分数，WP代表磷的质量分数），分为普通碳钢（WS≤0.045%，WP≤0.045%）、优质碳钢（WS≤0.035%，WP≤0.035%）、高级优质碳钢（WS≤0.030%，WP≤0.030%）。
3）按照用途：分为碳素结构钢和碳素工具钢。
碳素结构钢（WC＜0.70%），牌号以Q加三个数字表示，如Q235、Q275。它主要用于制造各种机械零件和工程构件，如桥梁、船舶、机器零件、螺栓、垫圈等。
碳素工具钢（0.70%＜WC＜1.35%），牌号以T加数字表示，如T11、T9，主要用于制造各种刀具、模具、量具等。
2.合金钢
当在碳钢的基础上加入其他元素时，这种钢称为合金钢，其中加入的其他元素称为合金元素。合金元素通过与钢中的铁和碳发生作用，以及合金元素之间的相互作用提高了钢的力学性能，达到使用要求。
合金钢按照用途分为合金结构钢、合金工具钢和特殊性能钢。
1）合金结构钢是用于制造各类工程结构件和各种机械零件的钢。例如，汽车、拖拉机等车辆的减振板簧和螺旋弹簧，就属于合金结构钢中的合金弹簧钢，它的牌号为60Si2MnA。常用的各种滚动轴承元件，如轴承内外圈、滚动体等，用的就是合金结构钢中的滚动轴承钢，常见牌号为GCr4、GCr15等。
2）合金工具钢用于制造刀具、模具、量具，相比较于碳素工具钢，它具有更好的耐磨性、热硬性高和热处理变形小等优点。
3）特殊性能钢是指具有特殊物理性能、化学性能的钢。我们生活中常见的不锈钢就属于特殊性能钢，它在空气、水、酸及其他腐蚀性介质中具有高度的化学稳定性。在餐具领域使用比较多的不锈钢就是304。304不锈钢的牌号是SUS304，但这个牌号是国外的牌号，在我国这种材料的牌号是06Cr19Ni10，其中06的意思是碳质量分数在0.06%～0.08%，Cr代表铬元素，19代表其质量分数为19%，Ni代表镍元素，10代表其质量分数为10%。
3.铸铁
铸铁是碳的质量分数大于2.11%的铁碳合金。与钢相比，铸铁的抗拉强度、塑性、韧性较低，质脆，但它具有熔点低、流动性好、耐磨的特点，具有优良的铸造性。汽车发动机的缸体一般就是用铸铁制造而成的，具有优良的强度、刚度、耐磨性以及减振性能。
三、有色金属材料
金属材料中，除去黑色金属以外的金属，统称为有色金属。有色金属具有一些特殊的性质，所以在工业上应用很广。常用的有纯铜、铜合金和铝合金，见图1-2-2。
图1-2-2 有色金属
1.纯铜
纯铜的颜色为红色，氧化后为紫色，俗称为红铜或紫铜，其中铜的质量分数达到99.5%以上。它有很好的导电性和塑性，主要用于制造线缆、电线、线圈。
2.铜合金
在纯铜中加入某些合金元素（如锌、锡、锰、镍等），就形成了铜合金。铜合金具有较好的导电性、导热性和耐腐蚀性，同时具有较高强度和耐磨性。根据成分不同，铜合金分为黄铜、白铜和青铜等。
1）黄铜：是以锌为主要合金元素的铜合金，锌的质量分数大约在30%，颜色呈黄色，故称为黄铜。它又分为普通黄铜和特殊黄铜两种。普通黄铜是铜锌二元合金。它塑性好，适用于制造板材、棒材、线材、管材，如冷凝管、散热管、电器元件等。在普通黄铜的基础上，加入铅、锰、锡等元素，就形成了特殊黄铜，它有更高的强度、抗蚀性和良好的铸造性能。在钟表零件、海船零件、化工机械零件中应用较多。
2）白铜：是以镍为主要合金元素的铜合金，镍的质量分数大约在25%左右，颜色呈银白色，故称为白铜。它的镍质量分数越高，颜色越白。它具有高强度、高硬度。
3）青铜：是以锡为主要合金元素的铜合金，锡的质量分数大约在8%左右，颜色呈青色，故称为青铜。现在工业上除了黄铜、白铜之外的其他铜合金，也称青铜。我国古代大量使用的青铜器，材料就是青铜。
3.铝合金
纯铝比较软，具有非常好的延展性，可以制作成铝箔，用于包装饮品、香烟等。在纯铝中加入铁、铜、锰等合金元素就形成了铝合金。铝合金密度低、强度高且具有良好的加工性能，广泛应用于飞机、火箭、航天飞机等航空航天产业中，也可以用于家装、建筑等场合。
四、常见非金属材料
非金属材料是指除金属以外的其他一切材料，非金属材料具有优良的耐腐蚀性能，原料来源丰富，品种多样，适合于因地制宜，就地取材，是一种有着广阔发展前景的工程材料。非金属材料分为无机非金属材料、有机非金属材料及复合材料。无机非金属材料主要有陶瓷、搪瓷、石材、玻璃等，有机非金属材料主要有橡胶、塑料、涂料等，复合材料主要有玻璃钢、碳纤维材料等。下面主要介绍塑料、橡胶、陶瓷和复合材料。
1.塑料
塑料（图1-2-3）是指以合成树脂高分子化合物（有时用单体直接在加工过程中聚合）作为主要成分，加入某些添加剂后，且在一定温度、压力下注塑成型的材料或制品的总称。它具有质量轻、摩擦系数小、耐磨、吸振、耐蚀、绝缘、可以着色、易加工成形等优点，因此被广泛应用。常用塑料的性能特点和用途如表1-2-1所示。
图1-2-3 塑料制品
表1-2-1 常用塑料的性能特点和用途
（续）
例如，汽车的保险杠、散热器护栅、仪表盘、燃油箱等都用到了塑料件。
2.橡胶
橡胶（图1-2-4）属于高分子材料，在很宽的温度范围（-40～+80℃）内都具有高弹性。橡胶制品是在生胶中加入多种配合剂，经硫化处理得到的产品，具有广泛的应用，可用于制造轮胎、输送带、减振制品、胶管、胶鞋等。它主要有以下三个性能特点。
图1-2-4 橡胶与轮胎
1）高弹性。橡胶受外力作用而发生的变形属于可逆弹性变形，当外力去除后，只需要千分之一秒便可恢复原状。
2）耐磨性。耐磨性是指橡胶抵抗磨损的能力高。
3）老化。橡胶的老化指的是随着时间的增加，橡胶出现变色、变硬、变脆和龟裂等现象。为防止橡胶老化，延长橡胶制品的寿命，应避免它与酸、油等接触，尽量减少日晒雨淋。
3.陶瓷
陶瓷（图1-2-5）材料是人类使用的最古老的材料之一，早在20000年前，在原始社会，人类就开始使用黏土制作简单的陶器。在工业史上，人类也比较早地将陶瓷运用到工业当中。时至今日，陶瓷已经成为工业中不可缺少的非金属材料，在机械中更为常见，现在通常把陶瓷分成普通陶瓷和特种陶瓷两类。
图1-2-5 陶瓷花瓶与陶瓷火花塞
普通陶瓷就是用黏土和石英等材料，通过传统方式制作的陶瓷，有一定的绝缘性和耐热性且硬度高，但是相对来说脆性大。一般用于制造餐具、茶具、器皿等。
特种陶瓷是现代陶瓷的结晶，是具有特殊力学、物理、化学性能的陶瓷。它的出现，是因为随着工业的发展，普通陶瓷无法满足现代工业和尖端科学的应用，所以发展出高性能的陶瓷材料，用来满足现代工业的使用要求，故又可以称为精细陶瓷。一般来说，特种陶瓷强度高、耐高温，并且具有一种或多种功能，如电、磁、光、热、声及化学、生物等方面的功效。自20世纪以来，陶瓷材料都在推动着现代科学技术的发展。例如，陶瓷手机背板、陶瓷假牙、陶瓷气缸套、陶瓷活塞等。
4.复合材料
复合材料（图1-2-6）是指由两种或两种以上不同物质，以不同方式组合而成的材料，它可以发挥各种材料的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料的应用范围。由于复合材料具有重量轻、强度高、加工成形方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性好等特点，已逐步取代木材及金属合金，广泛应用于航空航天、汽车、电子电气、建筑、健身器材等领域，在近几年更是得到了飞速发展。
图1-2-6 复合材料的应用
复合材料的主要应用领域有：
航空航天领域。用于制造飞机机翼和前机身、卫星天线及其支撑结构、太阳能电池翼和外壳、大型运载火箭的壳体、发动机壳体、航天飞机结构件等。我国的神舟飞船的返回舱，使用了自行研制的蜂窝增强的低密度树脂基复合材料，获得了很好的防热效果。
汽车工业。由于复合材料具有特殊的振动阻尼性能，可减振和降低噪声，抗疲劳性能好，损伤后易修理，便于整体成形，故可用于制造汽车车身、受力构件、传动轴、发动机架及其内部构件。
化工、纺织和机械制造领域。有良好耐蚀性的碳纤维与树脂基体复合而成的材料，可用于制造化工设备、纺织机、造纸机、复印机、高速机床、精密仪器等。
医学领域。碳纤维复合材料具有优异的力学性能和不吸收X射线的特性，可用于制造医用X光机和矫形支架等。碳纤维复合材料还具有生物组织相容性和血液相容性，生物环境下稳定性好，也适合用作生物医学材料。此外，复合材料还可用于制造体育运动器件和用作建筑材料等。