汽车机械基础(第二版) 单元3 汽车典型零件.ppt

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1、目录目录1汽车材料概述汽车材料概述2汽车应用材料的组成汽车应用材料的组成3汽车材料展望汽车材料展望4材料的性能材料的性能5材料的物理化学性能材料的物理化学性能6材料的工艺性能材料的工艺性能7金属材料在汽车上的应用金属材料在汽车上的应用7非金属材料在汽车上的应用非金属材料在汽车上的应用主菜单主菜单菜单菜单1发动机发动机2底盘底盘3车身车身菜单菜单由以上分析可看出：由以上分析可看出：汽车是一个复杂的机械系统。汽车是一个复杂的机械系统。通常，一辆汽车由约通常，一辆汽车由约3 3万个零部件组装而成。万个零部件组装而成。汽车零件按用途来分类汽车零件按用途来分类:oo通用零件：通用零件：通用零件：通用零件

2、：在各种机器中经常使用的零件。在各种机器中经常使用的零件。如：螺栓、螺母。如：螺栓、螺母。oo专用零件：专用零件：专用零件：专用零件：仅在特定类型机器中使用的零件，如：活塞，曲轴。仅在特定类型机器中使用的零件，如：活塞，曲轴。一、汽车材料概述一、汽车材料概述菜单菜单 汽车上每个零部件的生产制造都涉及到材料问汽车上每个零部件的生产制造都涉及到材料问题。题。据统计，汽车上的零部件采用了据统计，汽车上的零部件采用了4千余种千余种不同不同的材料加工制造。从汽车的的材料加工制造。从汽车的设计、选材、加工制设计、选材、加工制造造，到汽车的，到汽车的使用、维修和养护使用、维修和养护无一不涉及到材无一不涉及到

3、材料。料。材料是汽车工业的基础材料是汽车工业的基础现代汽车要满足现代汽车要满足:安全、舒适、自重轻、污染排放低、能耗小、价格安全、舒适、自重轻、污染排放低、能耗小、价格低等要求低等要求.材料是首要考虑方面。材料是首要考虑方面。1.1.汽车工程材料汽车工程材料:(包括分类包括分类,性能性能,牌号牌号,热处理工艺及应用热处理工艺及应用)2.2.汽车运行材料汽车运行材料二、汽车应用材料的组成二、汽车应用材料的组成菜单菜单1.1.汽车工程材料的分类汽车工程材料的分类 金属材料金属材料（纯金属及合金）黑色金属（钢铁黑色金属（钢铁)有色金属有色金属 (Cu(Cu、AlAl、TiTi、Mg Mg)非金属材料

4、非金属材料 有机高分子材料（主要成分是、）有机高分子材料（主要成分是、）塑料、橡胶、塑料、橡胶、合成纤维等。合成纤维等。无机材料无机材料玻璃、水泥、陶瓷等玻璃、水泥、陶瓷等 复合材料复合材料玻璃纤维增强塑料等例例1 典型零部件材料应用：典型零部件材料应用：例例2 2 金属材料在汽车零部件中的应用：金属材料在汽车零部件中的应用：例例3 3 非金属材料在汽车零部件中的应用：非金属材料在汽车零部件中的应用：以现代轿车用材为例，按照重量来换算，以现代轿车用材为例，按照重量来换算，钢材占汽车自重的钢材占汽车自重的55%-60%55%-60%，铸铁占铸铁占5%-12%5%-12%，有色金属占有色金属占6%

5、6%10%10%，塑料占塑料占8%8%12%12%，橡胶占，橡胶占4%4%，玻璃占，玻璃占3%3%，其他材料（油漆、各种液体等）占其他材料（油漆、各种液体等）占6%6%12%12%。2.2.汽车材料的应用汽车材料的应用 车用汽油车用汽油 燃料燃料 轻柴油轻柴油 其他代用燃料其他代用燃料 发动机油发动机油 车辆齿轮油车辆齿轮油 润滑油润滑油 液力传动油液力传动油 液压油液压油 润滑脂润滑脂 制动液制动液 工作液工作液 减振器液减振器液 发动机冷却液发动机冷却液 制冷剂制冷剂 轮胎轮胎汽汽车车运运行行材材料料3.3.汽车运行材料汽车运行材料三、汽车材料的展望三、汽车材料的展望o汽车工业发展的方向汽

6、车工业发展的方向:汽车轻量化和减少污染汽车轻量化和减少污染o汽车材料总的发展趋势是：汽车材料总的发展趋势是：结构材料中钢铁材料所占比例将逐步下降，有色金属、陶瓷材料、复合材料、高分子材料等新型材料的用量有所上升。在性能可靠的条件下，将尽可能多地采用铝合金、复合材料等轻型、新型材料取代钢铁材料。菜单菜单几种新兴材料简介几种新兴材料简介1.1.镁合金镁合金 magnesiummagnesium 密度低、比强度和比刚度较高。密度低、比强度和比刚度较高。镁镁铝铝钛钛铁铁密度密度1.741.742.72.74.54.57.87.8 镁、铝合金和复合材料镁、铝合金和复合材料 汽车轻量化的材料汽车轻量化的材

7、料 减少油耗减少油耗镁合金方向盘骨架镁合金汽车轮镁合金汽车轮毂毂镁合金汽缸盖镁合金汽缸盖2.2.形状记忆合金形状记忆合金应用应用:丰田汽车的散热器护拦活门丰田汽车的散热器护拦活门.日产汽车冷却风扇离合器日产汽车冷却风扇离合器.3.3.复合材料复合材料 玻璃纤维增强塑料（玻璃钢）玻璃纤维增强塑料（玻璃钢）比强度高、耐腐蚀比强度高、耐腐蚀.4.4.纳米材料纳米材料 颗粒直径颗粒直径 0.l0.l100 100 纳米（原子、分子尺度）纳米（原子、分子尺度）具有卓越的性能和特殊功能，如：具有卓越的性能和特殊功能，如：纳米级铜不导电；纳米级铜不导电；纳米冰柜可抑制细菌生长。纳米冰柜可抑制细菌生长。5.5

8、.其他材料其他材料 超导材料 贮氢材料 分离膜材料一张纳米光盘将可记录1000部电影超微外观 大体结构纳米人工骨1.1.材料的力学性能材料的力学性能 u材料的力学性能：材料的力学性能：是指材料在是指材料在外加荷载外加荷载作用下所作用下所表现出来的性能。表现出来的性能。包括包括强度强度、塑性塑性、硬度硬度、韧度韧度、疲劳强度疲劳强度及及断裂韧断裂韧度度等；等；u力学性能指标力学性能指标：用来表征材料力学性能的各种临用来表征材料力学性能的各种临界值或规定值界值或规定值.可通过可通过试验测定试验测定.根据根据外加荷载外加荷载的性质，荷载分为：的性质，荷载分为：1 1、静荷载、静荷载 2 2、冲击荷载

9、、冲击荷载 3 3、交变荷载。、交变荷载。金属材料金属材料 （受载）（受载）-变形变形,分：分：弹性变形弹性变形：荷载卸除后恢复原状：荷载卸除后恢复原状 塑性变形塑性变形：荷载卸除后不能恢复：荷载卸除后不能恢复,也叫永也叫永久变形。久变形。(如图如图)拉压拉压实验实验拉压拉压图图应力应变图应力应变图力学性能（指标）力学性能（指标）1)1)弹性弹性：材料保持弹性变形的能力：材料保持弹性变形的能力.（弹性模（弹性模量，弹性极限）量，弹性极限）2)2)强度强度：指材料抵抗破坏（塑性变形或断裂）：指材料抵抗破坏（塑性变形或断裂）的能力。的能力。3)3)塑性塑性：指材料在断裂前产生永久变形而不被：指材料

10、在断裂前产生永久变形而不被破坏的能力。破坏的能力。(一一)材料的拉压试验材料的拉压试验1 1拉伸试验拉伸试验 o根据国家标准根据国家标准金属材料拉伸试验金属材料拉伸试验（GB228-GB228-20082008）规定，将材料制成标准拉伸试样，在试验）规定，将材料制成标准拉伸试样，在试验机上加载拉伸至断裂，得机上加载拉伸至断裂，得 拉伸图拉伸图：F-LF-L曲线；曲线；再作出再作出 应力应力-应变图应变图，图图1-1-7 7为低碳钢应力为低碳钢应力-应变曲线。应变曲线。图图1-71-7低碳钢的低碳钢的-曲线曲线 塑性材料塑性材料：断裂前有明显的塑性变形，称为塑性断裂,塑性断裂的断口呈“杯锥”状。

11、如低碳钢。脆性材料：脆性材料：在断裂前未发生明显的塑性变形，为脆性断裂，断口是平整的。如铸铁、玻璃等。不同类型的材料，其-曲线有很大差异。反映出其所具有不同的抗拉性能特点。2.2.材料的材料的弹弹性性指标指标 （1 1）弹性模量弹性模量E E 表征了材料抵抗弹性变表征了材料抵抗弹性变形的能力，也称之为形的能力，也称之为刚度。刚度。E=/=tan E=/=tan （MPaMPa）式中，式中，为弹性变形阶段的应力，为弹性变形阶段的应力，为相为相应的应变应的应变，tantan为拉伸曲线的斜率。为拉伸曲线的斜率。(2)(2)弹性极限弹性极限e e ：指材料在弹性变形阶段所能承受的最大应力。指材料在弹性

12、变形阶段所能承受的最大应力。e e=F=Fe e/A/A0 0 （MPaMPa）式中，式中，F Fe e是试样不产生塑性变形时的最大荷载（是试样不产生塑性变形时的最大荷载（N N）；）；A A0 0是试样的原始横截面积（是试样的原始横截面积（mmmm2 2）；）；e e表示材料保持表示材料保持弹性变形的最大应力。弹性变形的最大应力。3.3.材料的材料的强度强度指标指标 （1 1）屈服点屈服点ss ：表示材料产生屈服时对应的应力。：表示材料产生屈服时对应的应力。屈服点也称为屈服强度。屈服点也称为屈服强度。ss=Fs/=Fs/AoAo （MPaMPa）式中，式中，FsFs为试样发生屈服变形时的荷载

13、（为试样发生屈服变形时的荷载（N N），），A A0 0为为试样原始横截面积（试样原始横截面积（mmmm2 2）。）。（2 2）抗拉强度抗拉强度b b 指试样在拉伸过程中所能承受的最大指试样在拉伸过程中所能承受的最大应力值。应力值。b b=F Fb b/A/Ao o （MPaMPa）式中，式中，F Fb b是试样断裂前所承受的最大荷载是试样断裂前所承受的最大荷载(N),AN),Ao o是是试样的原始横截面积试样的原始横截面积(2 2)。抗拉强度抗拉强度：b b，它是设计和选材的主要依据之一，是它是设计和选材的主要依据之一，是工程技术上的主要强度指标。工程技术上的主要强度指标。屈强比：屈强比：s

14、 s/b b，是一个有意义的指标。其比值越大，是一个有意义的指标。其比值越大，越能发挥材料的潜力。但是为了使用安全，该比值亦不越能发挥材料的潜力。但是为了使用安全，该比值亦不宜过大，适当的比值一般在宜过大，适当的比值一般在0.650.650.750.75之间。之间。比强度：比强度：b b/，它表征了材料强度与密度之间的关，它表征了材料强度与密度之间的关系。在考虑汽车轻量化的问题时，常常用到这个指标。系。在考虑汽车轻量化的问题时，常常用到这个指标。4.4.材料的塑性指标材料的塑性指标（1）伸长率伸长率：是指试样拉断后，标距伸长量与是指试样拉断后，标距伸长量与原始标距的百分比。即原始标距的百分比。

15、即式中，式中，l lu u是试样断裂后的标距（是试样断裂后的标距（），），l l0 0是试样的是试样的原始标距（），同一材料的伸长率与试样尺原始标距（），同一材料的伸长率与试样尺寸有关。寸有关。（2 2）断面收缩率断面收缩率：是指试样拉断后横截面是指试样拉断后横截面积的缩减量与原始横截面积之比。积的缩减量与原始横截面积之比。即即=（S S0 0-S-SU U）/S/S0 0 100%100%式中式中,S SU U是试样断裂处的最小横断面积（是试样断裂处的最小横断面积（2 2），），S S0 0是试样的原始横截面积是试样的原始横截面积(2 2)。(二二)硬度硬度 材料抵抗其他硬物压入其表面的能力

16、。衡材料抵抗其他硬物压入其表面的能力。衡量材料软硬程度量材料软硬程度最常用的硬度试验为最常用的硬度试验为 布氏硬度（布氏硬度（HBHB）洛氏硬度洛氏硬度(HR)(HR).此外，还有维氏硬度此外，还有维氏硬度(HV)(HV)、肖氏硬度（弹性回跳肖氏硬度（弹性回跳法）、显微硬度和锤击式布氏硬度等。法）、显微硬度和锤击式布氏硬度等。1 1布氏硬度布氏硬度 测试原理：用一定大小的荷载测试原理：用一定大小的荷载F F，把直径为把直径为D D的的硬质硬质合金球合金球压入被测试样表面，保持规定时间后卸除荷载，压入被测试样表面，保持规定时间后卸除荷载，移去压头，用读数显微镜测出压痕平均直径移去压头，用读数显微

17、镜测出压痕平均直径d d。用荷载用荷载F F除以压痕的表面积所得的商，即为被测材料的布氏硬度除以压痕的表面积所得的商，即为被测材料的布氏硬度值。值。用用硬质合金球硬质合金球作为压头所测得的布氏硬度用作为压头所测得的布氏硬度用符号符号 HBWHBW表示，适用于测量表示，适用于测量硬度不超过硬度不超过650650的材的材料。料。u 布氏硬度的布氏硬度的表示方法表示方法规定为：规定为：符号符号HBSHBS和和HBWHBW前面的数值为硬度值，符号后前面的数值为硬度值，符号后面按以下顺序表示试验条件：压头球体直径（）面按以下顺序表示试验条件：压头球体直径（）、试验荷载（、试验荷载（KgfKgf）、）、试

18、验荷载保持时间试验荷载保持时间（S S）（）（101015S15S不标注）。不标注）。例例120 HBW10/1000/30120 HBW10/1000/30 实验测量实验测量dd查表查表硬度硬度2.2.洛氏硬度洛氏硬度 洛氏硬度采用直接测量压痕深度来确定度洛氏硬度采用直接测量压痕深度来确定度值的。值的。试验原理试验原理如图如图1 1-9-91 1 -9 9所示。所示。我国常用的我国常用的是是HRAHRA、HRBHRB、HRCHRC三种，试验三种，试验条件及应用范围见表条件及应用范围见表1-21-2。洛氏硬度值的表示方法洛氏硬度值的表示方法规定为：硬度符号规定为：硬度符号前面注明硬度值，例如前

19、面注明硬度值，例如52HRC52HRC、70HRA70HRA。在硬度和强度之间，存在着一定的换算关在硬度和强度之间，存在着一定的换算关系，如表系，如表1-31-3所示。所示。(三三)冲击韧度冲击韧度 材料抵抗冲击荷载的能力，是指材料在受材料抵抗冲击荷载的能力，是指材料在受到冲击荷载而断裂之前吸收能量并进行塑性变到冲击荷载而断裂之前吸收能量并进行塑性变形的能力。形的能力。对于两种不同的冲击荷载，分别采用了对于两种不同的冲击荷载，分别采用了冲击韧度冲击韧度和和多冲抗力多冲抗力两个指标来衡量材料的冲击两个指标来衡量材料的冲击性能。性能。1.1.冲击韧度冲击韧度 冲击韧度通常是采用一次摆锤冲击试验来冲

20、击韧度通常是采用一次摆锤冲击试验来测定的。测定的。冲击试验冲击试验的原理如下图所示。的原理如下图所示。在忽略机械摩擦和空气阻力等条件下，摆在忽略机械摩擦和空气阻力等条件下，摆锤冲断试样所消耗的冲击功锤冲断试样所消耗的冲击功A Ak k可以从试验机刻可以从试验机刻度盘上直接读出。且度盘上直接读出。且 A Ak k=G(H-h)=G(H-h)（J J）式中，式中，G G为摆锤产生的重力（为摆锤产生的重力（N N）。）。将冲击功将冲击功Ak除以缺口处的截面积，即为材料的冲除以缺口处的截面积，即为材料的冲击韧度击韧度ak,则则ak=（Jcm2）根据试样缺口形式的不同，根据试样缺口形式的不同，U型缺口试

21、样测得的冲击韧度型缺口试样测得的冲击韧度用用aku表示表示，V型缺口测得的冲击韧度用型缺口测得的冲击韧度用akv 表示。表示。2.2.多冲抗力多冲抗力 多冲抗力一般采用小能量多冲试验进行多冲抗力一般采用小能量多冲试验进行测定。测定。图图1-91-9所示为落锤式多次冲击弯曲试验所示为落锤式多次冲击弯曲试验示意图，将材料制成标准试样放在试验机上，示意图，将材料制成标准试样放在试验机上，使之受到锤头的小能量（使之受到锤头的小能量（1500J)1500J)多次冲多次冲击。击。3.3.材料的低温冲击性能材料的低温冲击性能 材料材料韧性韧性状态变为状态变为脆性脆性状态的温度状态的温度TKTK称称为该材料的

22、脆性转变温度。为该材料的脆性转变温度。材料冲击韧性与温度有关材料冲击韧性与温度有关。(四四)疲劳强度疲劳强度 承受交变应力的零件，在工作应力低于材料的屈服强度承受交变应力的零件，在工作应力低于材料的屈服强度的情况下较长时间工作时，会产生裂纹或突然断裂，这种的情况下较长时间工作时，会产生裂纹或突然断裂，这种现象称为现象称为疲劳失效或疲劳破坏疲劳失效或疲劳破坏。疲劳失效疲劳失效原因分析原因分析:由于由于材料表面或内部存在有划痕、材料表面或内部存在有划痕、尖角、夹杂等尖角、夹杂等缺陷缺陷，这些有缺陷部位的局部应力大于屈服，这些有缺陷部位的局部应力大于屈服点，会产生局部变形点，会产生局部变形引起微裂纹

23、引起微裂纹，成为疲劳源，随着应力，成为疲劳源，随着应力循环次数的增加，微裂纹逐渐循环次数的增加，微裂纹逐渐扩展扩展，使零件承载的横截面，使零件承载的横截面大大减少，以至于不能承受荷载而突然大大减少，以至于不能承受荷载而突然断裂断裂。可以通过疲。可以通过疲劳试验，绘制疲劳曲线进行测定。劳试验，绘制疲劳曲线进行测定。1.1.疲劳曲线疲劳曲线：测定材料的疲劳强度。测定材料的疲劳强度。2.疲劳极限疲劳极限:使试样不发生疲劳断裂的最大循环应力。使试样不发生疲劳断裂的最大循环应力。3.3.断裂韧度断裂韧度:材料抵抗裂纹扩展断裂的能力材料抵抗裂纹扩展断裂的能力。实际上零件内往往存在着实际上零件内往往存在着微

24、裂纹以及夹杂、微裂纹以及夹杂、气孔气孔等类裂纹的缺陷。当材料受外力作用时，等类裂纹的缺陷。当材料受外力作用时，这些裂纹的尖端附近便出现应力集中，形成一这些裂纹的尖端附近便出现应力集中，形成一个裂纹尖端应力场，可能产生失稳而扩展，导个裂纹尖端应力场，可能产生失稳而扩展，导致机件断裂。致机件断裂。五五.材料的理化性能材料的理化性能 指材料的固有属性，指材料的固有属性，如如密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性和色泽磁性和色泽等。等。1 1材料的物理性能材料的物理性能菜单菜单2.2.材料的化学性能材料的化学性能 化学性能化学性能:是指材料抵抗周围介质侵蚀的是

25、指材料抵抗周围介质侵蚀的能力。能力。对于金属材料来说，指对于金属材料来说，指耐蚀性耐蚀性和和抗氧化性抗氧化性。对于非金属材料，还存在着对于非金属材料，还存在着化学稳定性、化学稳定性、抗老化能力和耐热性差抗老化能力和耐热性差等问题。等问题。铸造性能：铸造性能：流动性、收缩性、偏析流动性、收缩性、偏析热处理性能：热处理性能：淬透性淬透性锻造性能：锻造性能：塑性、变形抗力塑性、变形抗力焊接性能：焊接性能：焊接性、碳当量焊接性、碳当量切削性能：切削性能：表面粗糙度、刀具寿命表面粗糙度、刀具寿命六六.材料的工艺性能材料的工艺性能 是指材料在被制成各种零部件的过程中适应加工是指材料在被制成各种零部件的过程

26、中适应加工的性能。包括的性能。包括:菜单菜单1.1.零件的失效形式零件的失效形式 o失效的概念失效的概念:零件由于某种原因而丧失原设计所规定的功能。零件由于某种原因而丧失原设计所规定的功能。完全破坏完全破坏 包括包括 严重损坏严重损坏 未达功能要求（安全工作）未达功能要求（安全工作）七、零件材料的选用七、零件材料的选用菜单菜单(一一)零件常见的失效形式零件常见的失效形式u过量变形失效过量变形失效弹变、塑变、蠕变弹变、塑变、蠕变u断裂失效断裂失效过载断裂，疲劳断裂过载断裂，疲劳断裂u表面损伤失效表面损伤失效磨损，点蚀、胶合磨损，点蚀、胶合1 1）轮齿折断）轮齿折断 ：轮齿象一个悬臂梁，受载后齿根

27、部轮齿象一个悬臂梁，受载后齿根部 产生的产生的弯曲应力最大。当该应力值超过材料的弯曲疲劳极限时，齿弯曲应力最大。当该应力值超过材料的弯曲疲劳极限时，齿根处产生疲劳裂纹，并不断扩展使轮齿断裂。此外，突然过根处产生疲劳裂纹，并不断扩展使轮齿断裂。此外，突然过载、严重磨损及安装制造误差等也会造成轮齿折断。载、严重磨损及安装制造误差等也会造成轮齿折断。提高轮齿抗折断能力的措施之一：提高轮齿抗折断能力的措施之一：对轮齿进行表面处理以提高齿面硬度对轮齿进行表面处理以提高齿面硬度。齿轮常见的失效形式齿轮常见的失效形式:2 2）齿面磨损：）齿面磨损：灰尘、砂粒、金属微粒等落入轮齿间，会使齿灰尘、砂粒、金属微粒

28、等落入轮齿间，会使齿面间产生摩擦磨损。严重时会因齿面减薄过多而折断。磨损面间产生摩擦磨损。严重时会因齿面减薄过多而折断。磨损是开式传动的主要失效形式。是开式传动的主要失效形式。主要措施：主要措施：采用闭式传动；提高齿面硬度；降低齿面粗糙采用闭式传动；提高齿面硬度；降低齿面粗糙度；采用清洁的润滑油。度；采用清洁的润滑油。3 3）齿面点蚀：）齿面点蚀：轮齿工作面某一固定点受到近似脉动的变应力作用，由于疲劳而产生的麻点状剥蚀损伤的现象。点蚀是闭式传动常见的失效形式。开始齿轮由于磨损很少出现点蚀。点蚀首先出现在节线附近。主要措施：主要措施：提高齿面硬度；降低齿面粗糙度；增大润滑提高齿面硬度；降低齿面粗

29、糙度；增大润滑油黏度；采用合理变位。油黏度；采用合理变位。4 4）齿面胶合：）齿面胶合：高速重载传动中，齿面间压力大，瞬时温度高，高速重载传动中，齿面间压力大，瞬时温度高，润滑油模被破坏，齿面间会发生黏接在一起的现象，在轮齿润滑油模被破坏，齿面间会发生黏接在一起的现象，在轮齿表面沿滑动方向出现条状伤痕，称为胶合。表面沿滑动方向出现条状伤痕，称为胶合。防止胶合的措施：防止胶合的措施：提高齿面硬度；降低齿面粗糙度；增大润提高齿面硬度；降低齿面粗糙度；增大润滑油黏度；限制油温。滑油黏度；限制油温。5 5）塑性变形：）塑性变形：重载且摩擦力很大时，齿面较软的轮齿表面就会沿摩擦力方向产生塑性变形。措施：

30、措施：提高齿面硬度；增大润滑油黏度。提高齿面硬度；增大润滑油黏度。主动齿轮齿面所受摩擦力背离节线，齿面在节线附近下凹；从动齿轮齿面所受摩擦力指向节线，齿面在节线附近上凸。(二二)失效原因失效原因 u1.1.设计不合理设计不合理u2.2.选材不合理选材不合理u3.3.加工工艺不当加工工艺不当u4.4.安装使用不正确安装使用不正确2.2.选材原则选材原则 选材的动机选材的动机 开发新产品、产品的改进和开发新产品、产品的改进和 更新换代。更新换代。选材原则选材原则使用性能使用性能 工艺性能工艺性能 经济性经济性 环境与资源原则环境与资源原则（一）材料的使用性能（一）材料的使用性能 首要原则首要原则)

31、零件的工作条件和失效形式零件的工作条件和失效形式 零件零件工作条件工作条件常见失效形式常见失效形式性能要求性能要求应力应力种类种类荷载荷载性质性质受载受载状态状态螺栓螺栓拉、剪拉、剪静载静载-过量变形，断裂过量变形，断裂强度，塑性强度，塑性传动轴传动轴弯、扭弯、扭循环循环冲击冲击轴颈轴颈摩擦摩擦疲劳断裂，过量变疲劳断裂，过量变形，轴颈磨损形，轴颈磨损综合力学性能综合力学性能传动齿轮传动齿轮压、弯压、弯循环循环冲击冲击摩擦摩擦振动振动断齿，磨损，断齿，磨损，疲劳断裂，接触疲疲劳断裂，接触疲劳劳表面高硬度及疲劳极表面高硬度及疲劳极限，心部强度及韧性限，心部强度及韧性弹簧弹簧扭、弯扭、弯交变交变冲击

32、冲击振动振动弹性失稳，弹性失稳，疲劳破坏疲劳破坏弹性极限，屈强比弹性极限，屈强比，疲劳极限，疲劳极限零件失效的原因零件失效的原因 设计、材料、加工、安装和使用设计、材料、加工、安装和使用。)工作环境工作环境 温度，介质（如腐蚀，摩擦）。温度，介质（如腐蚀，摩擦）。)特殊功能要求特殊功能要求 导电性、磁性、热膨胀性、比重、外观等。导电性、磁性、热膨胀性、比重、外观等。)性能要求的指标化性能要求的指标化 如强硬度、塑韧性等的具体数值。如强硬度、塑韧性等的具体数值。手册数据、经验公式的局限性手册数据、经验公式的局限性 力学性能与零件尺寸有力学性能与零件尺寸有关关4040钢不同尺寸毛坯的力学性能钢不同

33、尺寸毛坯的力学性能 热处理条件热处理条件毛坯尺寸毛坯尺寸/mm/mmb/MPa/%AKU/J850淬火淬火580016120307501580500回火回火5070015561006001340（二）工艺性能（二）工艺性能 铸、锻、焊、机加工、热铸、锻、焊、机加工、热处理处理零件的零件的加工工艺路线加工工艺路线一般零件一般零件 毛坯毛坯 正火或退火正火或退火 切削加工切削加工轴、齿轮等轴、齿轮等毛坯毛坯 预先热处理（正火、退火）预先热处理（正火、退火）粗粗加工加工 最终热处理（淬火回火，时效，渗最终热处理（淬火回火，时效，渗C C等）等）精精加工加工（三）经济性（三）经济性 根本原则根本原则)

34、产品成本分析产品成本分析材材 料料美元美元 /t材材料料美元美元 /t铂铂26,000,000工业金刚石工业金刚石900,000,000金金19,100,000硼硼环氧树脂复合材料环氧树脂复合材料330,000钨钨26,000碳纤维复材料碳纤维复材料200,000钛合金钛合金10,19012,720 玻璃纤维复合材料玻璃纤维复合材料24003300 黄铜（型材）黄铜（型材）16502336 尼龙尼龙663289铝合金（型材）铝合金（型材）20002440 环氧树脂环氧树脂1650低碳钢（型材）低碳钢（型材）440480 天然橡胶天然橡胶1430铸铁铸铁260氧化铝氧化铝1100-1760硬质合

35、金硬质合金66,000玻璃玻璃1500（四）环境与资源原则（四）环境与资源原则)减少材料使减少材料使用量、延长零用量、延长零件寿命、材料件寿命、材料再利用。再利用。)环境污染小环境污染小废气排放少废气排放少材料回收及降解材料回收及降解储量（储量（10106t）可用年数可用年数再生率再生率(%)(%)Fe110610931.7Al11703516.9Cu3082440.9Zn1231821.2Mo5.436Ag0.21441.0Cr775112Ti14751 贯穿材料生产、使用、废弃的全过程贯穿材料生产、使用、废弃的全过程重要金属的世界储量选材方法与步骤选材方法与步骤3.3.汽车零件的选材汽车零

36、件的选材 1）周密分析零件的工作特性和使用条件。找出主要损坏形周密分析零件的工作特性和使用条件。找出主要损坏形式，提出主要抗力指标，如表式，提出主要抗力指标，如表1-61-6所示。所示。2 2）根据零件的工作条件，提出必要的设计制造技术条件。）根据零件的工作条件，提出必要的设计制造技术条件。3 3）根据所提出的技术条件、要求，结合考虑工艺性、经济）根据所提出的技术条件、要求，结合考虑工艺性、经济性，对材料进行预选择性，对材料进行预选择.(.(可以通过与相类似机器零件的可以通过与相类似机器零件的比较和已有的实践经验的判断，或者通过各种材料选用比较和已有的实践经验的判断，或者通过各种材料选用手册来

37、进行选择手册来进行选择)。4)4)预选方案材料进行计算，以确定是否能满足上述工作条预选方案材料进行计算，以确定是否能满足上述工作条件要求。件要求。5)5)二次（或最终）选择。选择方案可以是若干种方案。二次（或最终）选择。选择方案可以是若干种方案。6)6)通过实验室试验、台架试验和工艺性能试验，最终确定通过实验室试验、台架试验和工艺性能试验，最终确定合理选材方案。合理选材方案。7)7)最后，在中试生产的基础上，接受生产考验，以检验选最后，在中试生产的基础上，接受生产考验，以检验选材的合理与否。材的合理与否。选材方法与步骤选材方法与步骤:图图1-12 1-12 零件的一般选材步骤零件的一般选材步骤

38、 1 1 典型汽车零件的选材典型汽车零件的选材2 2 金属材料在汽车上的应用金属材料在汽车上的应用八、金属材料在汽车上的应用八、金属材料在汽车上的应用菜单菜单1 1）汽车齿轮的选材）汽车齿轮的选材（1 1）汽车齿轮的工作条件）汽车齿轮的工作条件 （2 2）汽车齿轮的主要失效形式）汽车齿轮的主要失效形式 1 典型汽车零件的选材典型汽车零件的选材（3 3）对汽车齿轮的性能要求）对汽车齿轮的性能要求1 1）高的弯曲疲劳强度；）高的弯曲疲劳强度；2 2）高的接触疲劳强度、耐磨性；）高的接触疲劳强度、耐磨性；3)3)较高的强度和冲击韧性；较高的强度和冲击韧性；4)4)较好的热处理性能，热处理变形小。较好

39、的热处理性能，热处理变形小。（4 4）典型汽车齿轮选材）典型汽车齿轮选材 汽车齿轮用材是合金渗碳钢汽车齿轮用材是合金渗碳钢20Cr20Cr或或20CrMnTi20CrMnTi，并经渗碳、淬火和低温回火。渗碳、淬火、回，并经渗碳、淬火和低温回火。渗碳、淬火、回火后，还可采用喷丸处理，增大表面应力，有利火后，还可采用喷丸处理，增大表面应力，有利于提高疲劳强度，并清除氧化皮。于提高疲劳强度，并清除氧化皮。（5 5）合金渗碳齿轮的工艺路线）合金渗碳齿轮的工艺路线 下料下料锻造锻造正火正火切削加工切削加工渗碳、淬火及渗碳、淬火及低温回火低温回火喷丸喷丸磨削加工磨削加工图图2-53 汽车变速齿轮汽车变速齿

40、轮 2 2）汽车发动机曲轴）汽车发动机曲轴（1 1）汽车发动机曲轴的工作条件）汽车发动机曲轴的工作条件 曲轴在工作中曲轴在工作中受到弯曲、扭转、剪切、拉压、冲击等交变应力。受到弯曲、扭转、剪切、拉压、冲击等交变应力。而且，应力分布极不均匀；曲轴颈与轴承还发生而且，应力分布极不均匀；曲轴颈与轴承还发生滑动摩擦。滑动摩擦。（2 2）曲轴的主要失效形式）曲轴的主要失效形式 疲劳断裂和轴颈严重疲劳断裂和轴颈严重磨损两种。磨损两种。（3 3）对曲轴的性能要求：）对曲轴的性能要求：1 1）高的强度；）高的强度；2 2）一定的冲击韧度；）一定的冲击韧度；3 3）足够的弯曲、扭转疲劳强度；）足够的弯曲、扭转疲

41、劳强度；4 4）足够的刚度；轴径表面有高的硬度和耐磨性。）足够的刚度；轴径表面有高的硬度和耐磨性。（4 4）典型曲轴的选材）典型曲轴的选材 锻钢曲轴一般采用优质中碳钢和中碳合金钢锻钢曲轴一般采用优质中碳钢和中碳合金钢制造，如制造，如3030、4545、35Mn235Mn2、40Cr40Cr、35 Cr Mo35 Cr Mo等。铸等。铸造曲轴主要由铸钢、球墨铸铁、珠光体可锻铸铁造曲轴主要由铸钢、球墨铸铁、珠光体可锻铸铁及合金铸铁等制造，如及合金铸铁等制造，如ZG230-450ZG230-450、QT600-3QT600-3、QT700-2QT700-2、KTZ450-5KTZ450-5、KTZ5

42、00-4KTZ500-4等。等。（5 5）曲轴典型的工艺路线）曲轴典型的工艺路线可根据材质不同分为两类：可根据材质不同分为两类：1 1）铸造曲轴的典型工艺路线）铸造曲轴的典型工艺路线：铸造铸造高温正火高温正火高温回火高温回火切削加工切削加工轴颈气轴颈气体渗碳体渗碳2 2）锻钢曲轴的典型工艺路线）锻钢曲轴的典型工艺路线：下料下料模锻模锻调质调质切削加工切削加工轴颈表面淬火轴颈表面淬火3 3）汽车板簧）汽车板簧（1 1）汽车板簧失效形式及性能要求）汽车板簧失效形式及性能要求 汽车板簧用于缓冲和吸振，承受很大的交变汽车板簧用于缓冲和吸振，承受很大的交变应力和冲击荷载。汽车板簧的主要失效形式为刚应力和

43、冲击荷载。汽车板簧的主要失效形式为刚度不足引起的过度变形或疲劳断裂。因此，对汽度不足引起的过度变形或疲劳断裂。因此，对汽车板簧的性能要求是材料要有较高的屈服强度和车板簧的性能要求是材料要有较高的屈服强度和疲劳强度。疲劳强度。（2 2）典型板簧选材）典型板簧选材 汽车板簧一般选用弹性高的合金弹簧钢来制汽车板簧一般选用弹性高的合金弹簧钢来制造，如造，如65Mn65Mn、65Si2Mn65Si2Mn钢等。对于中型或重型汽车，钢等。对于中型或重型汽车，板簧还采用板簧还采用50 50 CrMnCrMn、55 55 SiMnVBSiMnVB钢；对于中型载钢；对于中型载货汽车用的大截面积板簧，则采用货汽车用

44、的大截面积板簧，则采用55SiMnMoV55SiMnMoV、55SiMnMoVNb55SiMnMoVNb钢制造。钢制造。（3 3）工艺路线）工艺路线 热轧钢板冲裁下料热轧钢板冲裁下料压力成型压力成型淬火淬火中温回火中温回火喷丸强化喷丸强化喷丸强化也是表面强化的手段，目的是提高零件喷丸强化也是表面强化的手段，目的是提高零件的疲劳强度。的疲劳强度。（一）汽车结构零件用材（一）汽车结构零件用材1 1）发动机缸体和缸套材料）发动机缸体和缸套材料 缸体常用的材料有灰铸铁和铝合金两种。铝合缸体常用的材料有灰铸铁和铝合金两种。铝合金的密度小，但刚度差、强度低、价格贵。所以，金的密度小，但刚度差、强度低、价格

45、贵。所以，除了某些发动机为减轻重量而采用铝合金外，一般除了某些发动机为减轻重量而采用铝合金外，一般缸体材料均采用灰铸铁。缸体材料均采用灰铸铁。2 金属材料在汽车上的应用金属材料在汽车上的应用汽缸的缸体一般采用普通铸铁或铝合金，而汽缸汽缸的缸体一般采用普通铸铁或铝合金，而汽缸工作面则用耐磨材料，制成缸套镶入汽缸。工作面则用耐磨材料，制成缸套镶入汽缸。常用缸套材料为耐磨合金铸铁，主要有高磷铸铁、常用缸套材料为耐磨合金铸铁，主要有高磷铸铁、硼铸铁、合金铸铁等。为了提高缸套的耐磨性，硼铸铁、合金铸铁等。为了提高缸套的耐磨性，可以用镀铬、表面淬火、喷镀金属钼或其他耐磨可以用镀铬、表面淬火、喷镀金属钼或其

46、他耐磨合金等办法对缸套进行表面处理。合金等办法对缸套进行表面处理。2 2）发动机缸盖）发动机缸盖 缸盖主要用来封闭汽缸构成燃烧室。目前使缸盖主要用来封闭汽缸构成燃烧室。目前使用的缸盖材料有两种：一种是灰铸铁或合金铸铁；用的缸盖材料有两种：一种是灰铸铁或合金铸铁；另一种是铝合金。铸铁发动机缸盖具有高温强度、另一种是铝合金。铸铁发动机缸盖具有高温强度、铸造性能好、价格低等优点，但其导热性差、重铸造性能好、价格低等优点，但其导热性差、重量轻，但其高温强度低，使用中容易变形、成本量轻，但其高温强度低，使用中容易变形、成本较高。较高。3 3）活塞组）活塞组 活塞、活塞销和活塞环等零件组成活塞组。活塞、活

47、塞销和活塞环等零件组成活塞组。常用的活塞材料是铝硅合金，其性能特点是导热常用的活塞材料是铝硅合金，其性能特点是导热性好、密度小、膨胀系数减小，耐磨性、耐蚀性、性好、密度小、膨胀系数减小，耐磨性、耐蚀性、硬度、刚度和强度提高。铝硅合金活塞需进行固硬度、刚度和强度提高。铝硅合金活塞需进行固溶处理及人工时效处理，以提高表面硬度。溶处理及人工时效处理，以提高表面硬度。活塞销材料一般用活塞销材料一般用2020、20Cr20Cr、20CrMnTi20CrMnTi等低等低碳、低碳合金钢，表面进行渗碳或碳氮共渗处理，碳、低碳合金钢，表面进行渗碳或碳氮共渗处理，以满足材料外表面硬而耐磨、内部韧而耐冲击的以满足材

48、料外表面硬而耐磨、内部韧而耐冲击的要求。要求。活塞环材料目前一般多用珠光体基体的灰铸活塞环材料目前一般多用珠光体基体的灰铸铁或在灰铸铁基础上添加一定量的铜、铬、钼及铁或在灰铸铁基础上添加一定量的铜、铬、钼及钨等合金元素的合金铸铁，也有的采用球墨铸铁钨等合金元素的合金铸铁，也有的采用球墨铸铁或可锻铸铁。为了改善活塞环的工作性能，活塞或可锻铸铁。为了改善活塞环的工作性能，活塞环宜进行表面处理。目前应用最广泛的是镀铬，环宜进行表面处理。目前应用最广泛的是镀铬，可使活塞环的寿命提高倍。其他表面处理可使活塞环的寿命提高倍。其他表面处理的方法还有喷钼、磷化、氧化、涂敷合成树脂等。的方法还有喷钼、磷化、氧化

49、、涂敷合成树脂等。连杆材料一般采用连杆材料一般采用4545钢、钢、40Cr40Cr或或40MnB40MnB等调质等调质钢。合金钢虽具有很高强度，但对应力集中很敏钢。合金钢虽具有很高强度，但对应力集中很敏感。感。气门气门 进气门一般可用进气门一般可用40Cr40Cr、35CrSi35CrSi、38CrSi38CrSi、42Mn2V42Mn2V等合金钢制造；而排气门则要求用高铬耐等合金钢制造；而排气门则要求用高铬耐热钢制造，采用热钢制造，采用4Cr10Si2Mo4Cr10Si2Mo作为气门材料时工作作为气门材料时工作温度可达温度可达550550 650 650。半轴半轴 汽车半轴通常选用调质钢制造

50、。中、小型汽汽车半轴通常选用调质钢制造。中、小型汽车的半轴一般用车的半轴一般用4545钢、钢、40Cr40Cr，而重型汽车则用，而重型汽车则用40MnB40MnB、40CrNi40CrNi或或40CrMnMo40CrMnMo等淬透性较高的合金钢等淬透性较高的合金钢制造。半轴加工中常采用喷丸处理及滚压凸缘根制造。半轴加工中常采用喷丸处理及滚压凸缘根部圆角等强化方法。部圆角等强化方法。螺栓、铆钉等冷镦零件螺栓、铆钉等冷镦零件 常用的螺栓材料有常用的螺栓材料有1010、1515（木螺栓，铆钉）、（木螺栓，铆钉）、35(35(普通螺栓普通螺栓)、40Cr40Cr和和15MnVB(15MnVB(重要螺栓