Производство материалов быстро развиваются, позволяя разрабатывать новые компоненты для несущих конструкций кузова, двигателей, систем подачи топлива, выхлопных систем, электрических и электронных устройств. Современные материалы включают волокнистые композиты, техническую керамику, инженерные полимеры и высокотемпературные металлические сплавы. Конструктор транспортного средства должен знать о них и уметь выбирать правильный материал для конкретного применения, учитывая простоту его обработки, а также используя понимание структурных взаимосвязей. В этой статье мы поговорим о металлах и сплавах, используемых в автомобилестроении
Многие металлы не распространены в природе и поэтому могут использоваться только в ответственных деталях, например, в каталитических нейтрализаторах и мощных постоянных магнитах. И напротив, железо, медь и алюминий очень распространены, их легко добывать, поэтому они широко используются как в чистом виде, так и в виде сплавов. Металлы на основе железа или черные металлы являются самыми дешевыми и наиболее широко используемыми в настоящее время.
Для узлов с низкой нагрузкой, таких как кузов и колеса, мягкая или низкоуглеродистая сталь достаточно прочна и ее предел текучести от 220 до 300 Мпа вполне достаточен. Ее легко резать, гнуть, обрабатывать на станках и сваривать. Для приводных валов и зубчатых колес, которые подвержены более высоким нагрузкам требуется среднеуглеродистая, высокоуглеродистая или легированная сталь, которая имеют предел текучести около 400 МПа. Более высокая прочность и износостойкость необходимы для поверхностей подшипников.
Средне- и высокоуглеродистые стали можно закалять путем термической обработки и закалки для увеличения предела текучести примерно до 1000 МПа. К сожалению, закаленные стали после термической обработки становятся хрупкими, поэтому требуется последующий мягкий повторный нагрев, называемый отпуском. Он снижает хрупкость, сохраняя большую часть прочности и твердости.
Нержавеющие стали представляют собой сплавы с различными формами, это аустенитные, ферритные, мартенситные и более новые дуплексные стали. Обычно в их составе содержится 18% хрома и 8% никеля. Их коррозионная стойкость и сопротивление растяжению превосходят простые углеродистые стали, особенно при высоких температурах. Но из-за высоких материальных и производственных затрат их использование в автомобилестроении ограничено .
Чугуны содержат от 2 до 4% углерода, в отличие от 1% для других черных металлов, упомянутых выше. Это делает их хрупкими, с плохими ударными свойствами, если только они не подвергаются термической обработке для получения ковкого чугуна. Его легче отливать, чем сталь, поскольку более высокое содержание углерода снижает температуру плавления, что значительно облегчает заливку в сложные формы. Кроме того, углерод в форме графита является идеальной граничной смазкой, так что цилиндры и поршни имеют хорошие характеристики износа для использования в дизельных двигателях. Однако в настоящее время чугун все чаще заменяется гораздо более легкими алюминиевыми сплавами, которые применяются в бензиновых двигателях.
Медь и ее сплавы образуют вторую группу металлов для машиностроения. В первую очередь это сама медь, латунь, бронза и мельхиор. Медь дороже стали, но она пластична и легко формуется. Также она обладает высокой теплопроводностью, обеспечивая хорошую теплопередачу для радиаторов, хотя в последнее время ее заменил более легкий алюминий. Высокая электропроводность меди используется в электропроводке и кабелях.
Латунь — это медный сплав, обычно с 35% цинка. Это облегчает обработку, но при этом она прочнее чистой меди. Из нее, можно изготавливать сложные формы для электроарматуры. Однако эти сплавы страдают от давней проблемы, известной как «децинкование» в воде. Коррозию можно минимизировать, используя более дорогой медный сплав, бронзу, где олово является легирующим элементом, хотя этот материал труднее обрабатывать.
Медно-никелевые сплавы обладают хорошей стойкостью к деформации при высоких температурах, где они также устойчивы и к коррозии. Последнее свойство используется в трубопроводах тормозной системы.
Алюминий и его сплавы имеют большее преимущество перед сталями и медными сплавами в качестве материалов для транспортных средств. Его низкая плотность приводит к небольшому весу деталей а, следовательно, экономии топлива. Хотя алюминиевые руды широко распространены, производство чистого алюминия очень энергоемка, поскольку является электрохимическим по своей природе, а не чисто химическим процессом, используемым для сталей. Медь занимает промежуточное положение в этом вопросе. Таким образом, чистый алюминий стоит дороже, чем железо и медь, но имеет более низкую прочность и жесткость. Он обладает коррозионной стойкостью с хорошей тепло- и электропроводностью.
В настоящее время доступен широкий ассортимент сплавов с различными видами термообработки и производственными свойствами. Эти материалы заменили стали и медныеплавы во многих областях при производстве деталей для транспортных средств, где их более высокая стоимость может не учитываться.
Тем не менее, развитие материалов таково, что алюминиевые сплавы сами по себе конкурируют с полимерами и композитными материалами в таких областях применения, как кузов автомобиля.
Значительные колебания цен на материалы происходят время от времени из-за колебаний цен на топливо, поэтому значения себестоимости следует рассматривать в относительном выражении. Выбор металла для проектного применения требует экспериментальных данных. На первом этапе необходимо определится, какую группу металлов следует использовать: стали, медь или алюминий (см. Таблицу «Свойства материалов»). Затем для конкретного выбора потребуется более подробная информация. Поэтому потребуются испытания самих материалов и деталей из них.
Некоторые свойства материалов не зависят от состава, микроструктуры и обработки. К ним относятся плотность, тепловое расширение и удельная теплоемкость. Однако многие свойства очень зависят от состава сплава, микроструктуры термообработки и механических свойств. Эти свойства включают предел текучести и прочность на растяжение, пластичность, вязкость разрушения, ползучесть и усталостную прочность.
