机械零件的失效与选材讲义课件

,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第十三章 机械零件的失效与选材,13.1,机械零件的失效分析,13.,2,选材原则,13.,3,典型零件的选材与工艺,第一节 机械零件的失效分析,失效,零件由于种种原因，导致其尺寸、形状、或材料的组织与性能发生变化而失去其原设计的的功能。,一、失效形式,常见的失效形式有,变形失效、断裂失效、表面损伤失效,等。,1,、变形失效,（,1,）弹性变形失效,不恰当的弹性变形量导致失效。,防止弹性畸变的,主要措施,：,增加零件截面、采用弹性模量高的材料，防止超载。,（,2,）塑性变形失效,外加应力超过零件材料的屈服极限时发生明显的塑性变形,(,永久变形,),。,防止零件塑性变形失效的措施：,采用屈服强度高的材料，进行合理的热处理，防止超载。,2,、断裂失效,机械零件因断裂而产生的失效。,（,1,）韧性断裂失效,断裂前有明显的塑性变形。,宏观变形方式为颈缩，典型断口呈韧窝状，韧窝是由于空洞的形成、长大并连接而导致韧性断裂产生的。,（2）,脆性断裂失效,断裂前无塑性变形。疲劳断裂、应力腐蚀断裂、腐蚀疲劳断裂和蠕变断裂等均属于脆性断裂。, 疲劳断裂,在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作而产生裂纹导致发生断裂，称金属的疲劳断裂。,低应力脆性断裂失效,石油化工容器、锅炉等一些大型锻件或焊接件，在工作应力远远低于材料的屈服应力作用下，由于材料自身固有的裂纹扩展导致的无明显塑性变形的突然断裂，称为,低应力脆性断裂,。,低应力脆性断裂按其断口的形貌可分为解理断裂和沿晶断裂。,解理断口,沿晶断口,3,、表面损失失效,由于磨损、疲劳、腐蚀等原因，使零部件表面失去正常工作所必须的形状、尺寸和表面粗糙度造成的失效，称为表面损伤失效。, 磨损,(wear),失效,任何两个相互接触的零部件发生相对运动时，其表面会发生磨损，造成零部件尺寸变化、精度降低而不能继续工作，这种现象称为磨损失效。, 腐蚀,(corrosion),失效,由于化学或电化学腐蚀而造成零部件尺寸和性能的改变而导致的失效称为腐蚀失效。, 表面疲劳失效,表面疲劳失效是指两个相互接触的零部件相对运动时，在交变接触应力作用下，零部件表面层材料发生疲劳而脱落所造成的失效。,失效统计：,断裂仅占5%,腐蚀、磨损、疲劳破坏占74%,潘存云教授研制,轮齿塑性变形,潘存云教授研制,齿轮轮齿折断,潘存云教授研制,轴承内圈破裂,潘存云教授研制,轴承外圈塑性变形,零件失效的实例,潘存云教授研制,齿面接触疲劳,潘存云教授研制,轴瓦磨损,常见零件的工作条件和失效形式,零件,工作条件,常见失效形式,性能要求,应力种类,载荷性质,受载状态,螺栓,拉、剪,静载,-,过量变形，断裂,强度，塑性,传动轴,弯、扭,循环冲击,轴颈摩擦,疲劳断裂，过量变形，轴颈磨损,综合力学性能,传动齿轮,压、弯,循环冲击,摩擦振动,断齿，磨损，疲劳断裂，接触疲劳,表面高硬度及疲劳极限，心部强度及韧性,弹簧,扭、弯,交变冲击,振动,弹性失稳，疲劳破坏,弹性极限，屈强比，疲劳极限,二、失效原因,造成零部件失效的原因很多，主要有设计、选材、加工、装配使用等因素。,1,、设计不合理,2,、选材错误,3,、加工工艺不当,4,、装配使用不当,高温蠕变,零件失效,加 工,设 计,计算错误,热处理缺陷,焊接缺陷,结构外形不合理,工作条件估计错误,冷加工缺陷,铸锻造缺陷,安装使用维护环境,材料,材质低劣,选材不当,操作失误,过载使用 维护不良,安装不良,腐蚀,低温脆性,现场调查,失效特征,服役条件,失效部位取样分析,查阅相关原始资料,原始资料的正确性,制造过程的执行情况,冷热加工质量,材料成分,综合分析,解决方案,正在使用和库存件的解决方案,新生产件的解决方案,台架试验,使用考验,三、失效分析 的一般程序,第二节 机械零件的选材原则,选材的基本原则,1,、使用性能原则,材料的使用性能应满足使用要求。,使用性能指零件在使用状态下材料应该具有的,机械性能、物理性能、化学性能。,2,、工艺性能原则,材料的工艺性能应满足生产工艺的要求。,3,、经济性原则,满足使用性能要求的前提下，采用便宜的材料，把总成本降至最低，取得最大的经济效益。,一、使用性能选材原则,分析零件的工作条件，确定其使用性能：,受力情况：,如载荷性质（静载、动载、交变载荷）、形式（拉压、弯曲、扭转、剪切）、分布（均匀分布、集中分布）与大小，应力状态；,工作环境：,如温度（常温、高温、低温或变温），介质（有无腐蚀介质、润滑剂）；,其它要求：,如导热性、密度与磁性等。,在全面分析工作条件的基础上确定零件的使用性能，如交变载荷下要求疲劳性能、冲击载荷下工作要求韧性、酸碱等腐蚀介质中工作则要求耐蚀性等。,力学性能指标的综合作用,一般情况下，在提高材料的强度的同时，塑、韧性就要下降，当塑、韧性下降到一定值时，在低应力的作用下材料也易产生微裂纹，从而使得承载能力下降。所以，在对零件进行选材时一定要考虑力学性能指标的,综合作用,，充分考虑零件力学性能的,强韧性配合,。为了保证零件的安全，要求零件既具有高强度又具有较高的韧性。一般只是根据下列原则定性的确定，其可靠性往往仍需按实际试验来验证。, 对于,静载荷,，结构上存在非尖锐缺口,(,如结构小孔、键槽、凸肩等,),的零件，高的塑性可以降低局部的应力集中，防止零件产生微裂纹。所选材料应有一定的塑性和韧性。, 对于,承受小能量多次冲击的零件,，以及结构上存在尖锐缺口和内部,存在裂纹,的零件，强度（,疲劳强度、断裂韧度,）是非常重要的因素。, 对于在,低温下工作的零件,，常选择韧性较大的材料。,对于大多数的零件来说，在保证强度的同时，应合理地确定塑性与韧性，以充分发挥材料的潜能。,二、工艺性能选材原则,材料的工艺性能,可定义为材料适应各种,加工工艺,而获得规定的使用性能和外形的能力，因此工艺性能影响了零件的内在性能、外部质量以及生产成本和生产效率等。,材料选择与工艺方法的确定应同步进行，工艺性能也是选材时应考虑的因素。,理想情况下，所选材料应具有良好的工艺性能，即技术难度小、工艺简单、能量消耗低、材料利用率高，保证甚至提高产品的质量。,14:35,1.,铸造性能,凡相图上液,-,固相线间距,越小,、越,接近,共晶成分的合金均具有较,好,的铸造性能。因此,铸铁、铸造铝合金、铸造铜合金,的铸造性能优良；在应用最广泛的钢铁材料中，,铸铁,的铸造性能优于,铸钢，,在钢的范围，,中、低碳钢,的铸造性能又优于,高碳钢,，故,高碳钢,较少用做铸件。,9/21/2024,2.,压力加工性能,包括,变形抗力,，,变形温度范围,，,产生缺陷的可能性及加热、冷却要求,等。一般来说，,铸铁,不可压力加工，而钢可以压力加工但工艺性能有较大差异，随着钢中碳及合金元素的含量增高，其压力加工性能变差；故,高碳钢或高碳高合金钢,一般只进行热压力加工，且热加工性能也较差，如高铬钢、高速钢等。,变形铝合金和大多数铜合金,，像低碳钢一样具有较好的压力加工性能。,9/21/2024,3.,焊接性能,钢铁材料的焊接性随其碳和合金元素含量的提高而变差，因此钢比铸铁易于焊接，且低碳钢焊接性能最好、中碳钢次之，高碳钢最差。铝合金、铜合金的焊接性能一般不好，应采用一些高级的焊接方法（如氩弧焊）或特殊措施进行焊接,。,9/21/2024,4.,机械加工性能,主要指切削加工性和磨削加工性，其中切削加工性最重要。一般来说材料的硬度越高、加工硬化能力越强、切屑不易断排、刀具越易磨损，其切削加工性能就越差。在钢铁材料中，易切削钢、灰铸铁和硬度处于,180,230HBS,范围的钢具有较好的切削加工性能；而奥氏体不锈钢、高碳高合金钢,(,高铬钢、高速钢、高锰耐磨钢,),的切削加工性能较差。铝、镁合金及部分铜合金具有优良的切削加工性能,。,5.,热处理工艺性能,必须首先区分是否可进行热处理强化，如纯铝、纯铜、部分铜合金、单相奥氏体不锈钢一般不可热处理强化；对可热处理强化的材料而言，热处理工艺性能相当的重要。,三、经济性合理的选材原则,质优、价廉、寿命高，是保证产品具有竞争力的重要条件；在选择材料和制定相应的加工工艺时，应考虑选材的经济性原则。,所谓经济性选材原则，不仅是指选择价格最便宜的材料、或是生产成本最低的产品，而是指,运用价值分析,的方法，综合考虑材料对产品的功能与成本的影响，以达到最佳的技术经济效益。,9/21/2024,产品成本分析,基本材料的成本,（价格、利用率）, 占总成本的3070%,制造（加工）成本, 约占零件成本的30%,加工成本 = 工具与设备费用 + 每件产品成本 生产批量,材 料,元 /,kg,材 料,元 /,kg,铂,290,000,Zn,34,金,160,000,铝,21,银,3,500,40,Cr,3.7,钛,200,碳钢,3.3,铜,68,生铁,2.3,四、环保性原则, 贯穿材料生产、使用、废弃的全过程,1. 减少材料使用量、延长零件寿命、材料再利用。,重要金属的世界储量,2. 能源消耗少,可用年数,再生率(%),Fe,128,31.7,Al,35,16.9,Cu,32,40.9,Zn,24,21.2,W,47,Ag,15,41.0,Mn,14,Ni,49,3. 环境污染小,废气排放少,材料回收及降解,一、工程材料的应用概况,金属材料、高分子材料、陶瓷材料及复合材料,是目前最主要的四大类工程材料。,高分子材料,的强度与刚度低、尺寸稳定性较差且易老化，在工程上一般不用于受力较大的、重要的结构零件。但由于其原料丰富、生产能耗较低（为钢的,1/10,、铝的,1/20,），密度低、弹性较好且减振、耐磨，故,适合于,制造受力不大的普通结构件及减振、耐磨或密封零件，如轻载传动齿轮、轴承、紧固件、密封件和轮胎等。,第二 节 典型零部件选材及工艺分析,陶瓷材料,硬而脆、加工性能差，也不能用作重要的受力零件；目前主要应用领域是建筑陶瓷和功能材料。,陶瓷材料具有,高热硬性,及,化学稳定性,，可用作耐热、耐磨、耐蚀的零件，如燃烧器喷嘴、刀具与模具、石油化工容器等。由于陶瓷功能材料具有极其广阔的应用前景，在高新技术产品中占据重要地位，故有人认为,21,世纪是“第二个石器时代”。陶瓷作为结构材料，目前尚处开发应用阶段。,复合材料,克服了高分子材料和陶瓷材料的不足，综合了各种不同材料的优良性能，具有高的,比强度、比刚度、抗疲劳、减振、耐磨性,能优良等特点。尤其是,金属基复合材料,，从力学性能角度看，可能是最理想的机械工程材料。但复合材料价格昂贵，除在航天航空、船舶、武器装备等国防工业中的重要结构件上应用外，在一般的民用工业上应用有限。但应注意的是，随着复合材料的生产成本降低，其应用潜力巨大、前景极其广阔。,9/21/2024,金属材料,尤其是钢铁材料，与其它工程材料相比，在力学性能、工艺性能和生产成本这三者之间保持着最佳的平衡，具有最强的竞争力，故金属材料仍然是机械工程材料的主力军。从这个意义上来讲，人类仍然生活在以钢铁材料为主的“铁器时代”。以载重汽车用材的重量为例，钢占,65,、铸铁占,20,、有色金属占,3,、非金属材料约占,12,。在轻型汽车和轿车中，非金属材料的用量虽有所增加，但金属材料仍占主体。,9/21/2024,二、齿轮类零件选材,应用极广的重要机械零件，其主要作用有传递扭矩（力或能），改变运动速度或方向。,不同的齿轮，其工作条件、失效形式和性能要求各有不同。,齿轮类零件的性能要求,1,工作条件, 传递扭矩，齿根部承受较大的交变弯曲应力；, 齿面啮合并发生相对滑动与滚动，承受较大的交变接触应力及强烈的摩擦；, 启动、换档或啮合不良，齿轮承受一定的冲击力；, 有时有其它特殊条件要求，如耐高、低温要求，耐蚀要求，抗磁性要求等。,2,主要失效形式, 断裂,包括交变弯曲应力引起的轮齿疲劳断裂和冲击过载导致的崩齿与开裂；, 齿面损伤,包括交变接触应力引起的表面接触疲劳（麻点剥落）和强烈摩擦导致的齿面过度磨损；, 其它特殊失效，如腐蚀介质引起的齿面腐蚀现象。,3,主要性能要求, 高的弯曲疲劳强度，防止轮齿的疲劳断裂。, 足够高的齿面接触疲劳极限和高的硬度、耐磨性，以防齿面损伤。, 足够的齿心部强韧性，以防冲击过载断裂。,（,1,）锻钢,齿轮的主要材料。锻造可改善钢的组织并形成有益的加工流线，力学性能优良。重要用途的齿轮大多采用锻钢制造。,主要包括：,低碳钢及低碳合金钢,20,、,20Cr,、,20CrMnTi,、,18Cr2Ni4WA,等，可通过退火或正火来改善切削加工性能，通过渗碳后淬火低温回火来保证齿轮的使用性能。具有表面高硬度,(56,62HRC),和高耐磨性、高的弯曲疲劳极限和接触疲劳极限，心部具有足够高的强韧性；故适合于制造,高速、大冲击的中载和重载齿轮,。,中碳钢,40,、,45,钢可用作,低中速、轻中载、小冲击,的齿轮，依据具体工作条件不同，可在正火、调质、表面淬火状态下使用；,40Cr,、,40MnB,合金钢的综合力学性能优于,40,、,45,碳钢，可用做相对重要的齿轮，多在表面淬火状态使用，少数情况也可在调质状态使用。,中碳氮化钢,40Cr,、,35CrMo,、,38CrMoAl,钢，经调质处理后再表面渗氮处理，力学性能优良、变形微小，主要用做,高精度、高速齿轮,。,（,2,）铸钢,铸钢 齿 轮 的 力 学 性 能 比 锻钢差，较少使用，但对某些尺寸大,(,500mm),、形状复杂的齿轮，采用铸钢较为合理。常用铸钢牌号有,ZG270500,、,ZG310570,、,ZG40Cr,等。铸钢齿轮加工后一般也是进行表面淬火低温回火处理，但对性能要求不高、低速齿轮，也可在调质状态、甚至正火状态下使用。,（,3,）铸铁,灰铸铁齿轮具有优良的,减摩性、减振性，工艺性能好且成本低,，其主要缺点是强韧性欠佳，故多用于制作,低速、轻载、不受冲击,的非重要齿轮。常用牌号有,HT200,、,HT250,、,HT350,等；由于,球墨铸铁,的,强韧性,较好，故采用,QT600-3,、,QT500-7,代替部分铸钢齿轮的趋势越来越大。铸铁齿轮的热处理方法类似于铸钢齿轮。,（,4,）非铁金属,在,仪器仪表,及某些特殊条件下工作的轻载齿轮，由于有耐蚀、无磁、防爆等特殊要求，可采用一些耐磨性较好的有色金属材料制造，其中最主要的是,铜合金,，如黄铜,(,如,H62),、铝青铜,(,如,QAl9-4),、锡青铜,(,如,QSn6.5-0.1),、硅青铜,(,如,QSi3-1),等,。,（,5,）粉末冶金材料,粉末冶金齿轮材料可实现精密的少、无切削加工方法，特别是随着粉末热锻新技术的应用，所制造的齿轮力学性能优良、技术经济效益高。粉末冶金材料一般适用于大批量生产的小齿轮，如汽车发动机的定时齿轮（材料,Fe-C0.9,）、分电器齿轮（材料,Fe-C0.9-Cu2.0,）、农用柴油机中的凸轮轴齿轮（材料,Fe-Cu-C,）、联合收割机中的油泵齿轮。,对,开式传动,齿轮，或,低速、轻载、不受冲击或冲击较小,的齿轮，宜选相对价廉的材料，如铸铁、碳钢等；,对,闭式传动,齿轮，或,中高速、中重载、承受一定甚至较大冲击,的齿轮，则宜选用相对较好的材料，如优质碳钢或合金钢、并须进行表面强化处理；,在,齿轮副选材,时，为使两者寿命相近并防止咬合现象，大、小齿轮宜选不同的材料，且两者硬度要求也应有所差异，通常小齿轮应选相好的材料、硬度要求较高一些。,9/21/2024,1.,机床齿轮,运行平稳无强烈冲击、载荷不大、转速中等，对表面耐磨性和心部韧性要求不太高。大多采用,碳钢,(40,、,45,钢,),制造，经正火或调质处理后再进行表面淬火低温回火，其齿面硬度可达,50HRC,，齿心硬度为,220,250HBS,，可满足性能要求；对部分性能要求较高的齿轮，也可选用,中碳合金钢,(40Cr,、,40MnB,、,40MnVB,等,),制造，其齿面硬度可提高到,58HRC,左右、心部强韧性也有所改善；极少数高速、高精度、重载齿轮，还可选用,中碳氮化钢,(,如,35CrMo,、,38CrMoAlA,等,),进行表面渗氮处理制造。,机床齿轮的简明加工工艺路线：,下料锻造正火粗加工调质精加工表面淬火低温回火精磨,正火,可使锻造组织均匀化、便于切削加工、可作为表面淬火前的预备组织、并保证齿心的强韧性。,调质处理,可使齿轮具有较高的综合力学性能，改善齿心的强韧性进而使齿轮能承受较大的弯曲载荷和冲击载荷。,表面淬火,可提高齿轮表面的硬度，耐磨性和疲劳性能。,低温回火,的作用主要是消除淬火应力。,2.,汽车、拖拉机齿轮,工作条件恶劣，特别是主传动系统中的齿轮；受力较大，易过载，变速时受到频繁的强烈冲击；对材料的耐磨性、疲劳性能、心部强韧性的要求高，采用,中碳钢表面淬火,已,难,满足使用的需要；通常选用,合金渗碳钢,(20Cr,、,20MnVB,、,20CrMnTi,、,20CrMnMo),制造，经,渗碳淬火低温回火,处理后，齿面硬度可达,58,62HRC,，心部硬度,30,45HRC,。对飞机、坦克等特别重要齿轮，则可采用高淬透性渗碳钢（如,18Cr2Ni4WA,）来制造。,采用,20CrMnTi,制造汽车齿轮，简明工艺路线为：,下料锻造正火切削加工渗碳淬火低温回火喷丸磨削加工,渗碳淬火处理可使齿面具有高硬度、高耐磨性和高的疲劳性能，而心部保持良好的强韧性；喷丸作为进一步强化手段，可使齿面硬度提高,1,3HRC,，增加表层残余压应力，进而提高疲劳极限。,三、轴类零件选材,1,工作条件,交变弯曲载荷，扭转载荷或拉,-,压载荷；相对运动表面,(,如轴颈、花键部位,),发生摩擦；因机器开,-,停、过载等，承受一定的冲击载荷；,2,主要失效,疲劳断裂,为多数、冲击过载断裂为少数；,磨损,相对运动表面过度磨损；,过量变形,极少数情况下会发生因强度不足的过量塑性变形失效和刚度不足的过量弹性变形失效。,3,性能要求,高的疲劳极限；综合力学性能好；局部承受摩擦部分应具有较高的硬度和耐磨性。,轴类零件实物,轴类零件常用材料,-,钢铁,1,锻钢,优质,中碳或中碳合金调质钢,是轴类材料的主体：,35,、,40,、,45,、,50(45,钢最常见,),等碳钢具有较高的综合力学性能且价格低廉，故应用广泛；对受力不大或不重要的轴，为进一步降低成本，也可采用,Q235,、,Q255,、,Q275,等普通碳钢制造；对受力较大、尺寸较大、形状复杂的重要轴，可选用综合力学性能更好的合金调质钢来制造，如,40Cr,、,40MnVB,等，对其中精度要求极高的轴要采用专用氮化钢（如,38CrMoAlA,）制造。,中碳钢轴的热处理特点,是：正火或调质保证轴的综合力学性能,(,强韧性,),，然后对易磨损的相对运动部位进行表面强化处理,(,表面淬火、渗氮或表面滚压、形变强化等,),。,少数情况下还可选用低碳钢或高碳钢来制造轴类零件。如当轴受到强烈,冲击载荷,作用时，宜用,低碳钢,（如,20Cr,、,20CrMnTi,）,渗碳,制造；而当轴所受,冲击作用较小,而相对运动部位要求,更高的耐磨性,时，则宜用,高碳钢,制造（如,GCr15,、,9Mn2V,等）。,2,铸钢,形状复杂、尺寸较大的轴，可采用铸钢来制造，如,ZG230-450,。铸钢轴比锻钢轴的综合力学性能,(,主要是韧性,),要低。,3,铸铁,由于大多数轴很少以冲击过载而断裂的形式失效，故近几十年来愈来愈多地采用球墨铸铁,(,如,QT700-2),和高强度灰铸铁,(HT350,、,KTZ55006,等,),来代替钢作为轴,(,尤其是曲轴,),的材料。铸铁轴的刚度和耐磨性不低，且具有缺口敏感性低、减振减摩、切削加工性好且生产成本低等优点，选材时值得重视。,机床主轴：,机床主轴承受弯,-,扭复合交变载荷、,转速中等,并承受,一定的冲击载荷,，一般选用,45,钢或,40Cr,钢制造,(40Cr,用于载荷较大、尺寸较大的轴,),；对于承受,重载,、要求高精度、高尺寸稳定性及高耐磨性的主轴,(,如,镗床主轴,),，则须用,38CrMoAlA,钢经渗氮处理制造。,45,钢,(,或,40Cr,钢,),机床主轴的简明加工路线为：,下料锻造正火粗加工 调质半精加工表面淬火低温回火精磨成品,轴类零件典型材料,实例,C620,车床,主轴,，综合机械性能一般；大端轴颈等部位耐磨性高。,性能指标, 硬度,220250HB，,轴颈,52HRC 。,选材, 45钢，整体硬度,220250HB，,轴颈表面淬火硬度,5257HRC。,热处理工艺, 840水淬 + 600回火(水或油冷）,+,轴颈高频淬火 + 200回火,最终组织, 心部：回火,S,轴颈表面：回火,M,工艺路线, 锻造正火粗加工调质精加工表面淬火低温回火磨削,内燃机曲轴选材,1.,曲轴的工作条件、性能要求、材料,（,1,）,工作条件,曲轴受弯曲、扭转、剪切、拉压、冲击等交变应力，还可造成曲轴的扭转和弯曲振动，产生附加应力；应力分布不均匀；曲轴颈与轴承有滑动摩擦。（,2,）,性能要求,曲轴的失效形式主要是疲劳断裂和轴颈严重磨损。因此材料要有高强度、一定的冲击韧性、足够弯曲、扭转疲劳强度和刚度，轴颈表面有高硬度和耐磨性。,（,3,）,曲轴材料,锻钢曲轴,：优质,中碳钢和中碳合金钢,，如,35,、,40,、,45,、,35Mn2,、,40Cr, 35CrMo,钢等；,铸造曲轴,：,铸钢、球墨铸铁、珠光体可锻铸铁及合金铸铁,等,如,ZG25,、,QT600-3,、,QT700-2,、,KTZ450-5,、,KTZ500-4,等。,2. 175A,型农用柴油机曲轴选材,（,1,）性能要求,农用柴油机曲轴功率和承受载荷不大；但滑动轴承中工作轴颈部要有较高硬度及耐磨。要求,b,750 MPa,整体硬度,240 HBS,260 HBS,轴颈表面硬度,625 HV, 2%,a,k,150 kJ/m,2,。,175A,型柴油机曲轴简图,（,2,）曲轴材料,QT700-2,（,3,）工艺路线 铸造高温正火高温回火切削加工轴颈气体渗氮。汽车发动机曲轴也可用,45,、,40Cr,钢制造，经过模锻、调质、切削加工后,在轴颈部位进行表面淬火。,四、刀具选材 （机械切削刀具 ）,1,车刀,车刀是最常用的切削刀具，目前用于制造刀具的主要材料是,高速钢,和,硬质合金,两大类，其中高速钢应用最多、最广。,2,丝锥与板牙,丝锥和板牙均需要高的硬度,(59,64HRC),和耐磨性，还须足够的强度和韧性。丝锥和板牙分手用和机用两种，对手用者，因切削速度较低，故热硬性要求不高，一般可用高级优质碳素工具钢,T10A,、,T12A,制造,(,硬度,59,62HRC),，对尺寸稍大、切削速度稍高的较重要丝锥,(,板牙,),，则宜用低合金工具钢,9SiCr,、,CrWMn,制造,(,硬度,60,63HRC),。对机用者，因切削速度较高,(25,55m/min),，有热硬性要求，故应选用高速钢,(,如,W6Mo5Cr4V2),制造。,五、冷作模具选材,一般对,重载,模具，应选用高强度材料，如,高铬或中铬钢、高速钢、基体钢,；对承受,强烈摩擦与磨损,的模具，应选高硬度、高耐磨性材料，如,高碳钢、高铬钢、高速钢乃至硬质合金,；对承受,较大冲击,的模具，应选用高韧性材料，如选用,中碳合金钢,（,5CrW2Si,）、基体钢等；对,形状复杂、尺寸精度要求高,的模具，宜用低,(,微,),变形材料，如微变形钢,CrWMn,、高碳高铬钢,Cr12MoV,、高碳中铬钢,Cr4W2MoV,等。,六、机架、箱座类零件,强度,刚度,减震,易于成形,易于加工,灰铸铁液态成形,汽车用材,汽车用材以,金属材料,为主，,塑料、橡胶、陶瓷,等非金属材料也占有一定比例。,1,汽车用金属材料,汽车,主要结构,可分为四部分：,(1),发动机,提供动力，由缸体、缸盖、活塞、连杆、曲轴及配气、燃料供给、润滑、冷却等系统组成。,(2),底盘,包括传动系,(,离合器、变速箱、后桥等,),、行驶系,(,车架、车轮等,),、转向系,(,方向盘、转向蜗杆等,),和制动系,(,油泵或气泵、刹车片等,),。,(3),车身,驾驶室、货箱等。,(4),电气设备,电源、起动、点火、照明、信号、控制等。,汽车发动机和传动系示意图,一、缸体和缸盖,缸体,材料应满足下列要求：有足够的,强度和刚度,；良好的,铸造性和切削性,；价格低廉。缸体常用的材料有,灰口铸铁,和,铝合金,两种。,缸盖,应选用,导热性好、高温机械强度高、能承受反复热应力、铸造性能良好,的材料来制造。目前使用的缸盖材料有两种：一是,灰铸铁或合金铸铁,；另一种是,铝合金,。,二、缸套,气缸工作面用耐磨材料，制成缸套镶入气缸。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，可以用镀铬、表面淬火、喷镀金属钼或其它耐磨合金等办法对缸套进行表面处理。,三、活塞、活塞销和活塞环,活塞、活塞销和活塞环,等零件组成,活塞组,，活塞组在工作中受周期性变化的,高温、高压燃气,(,温度最高可达,2000 ,，压力最高可达,13 MPa,15 MPa),作用，并在气缸内作,高速往复运动,(,平均速度一般为,9 m/s,13 m/s),，产生很大的惯性载荷。对,活塞,材料的要求是,热强度高、导热性好、膨胀系数小、密度小,减摩性、耐磨性、耐蚀性和工艺性好,等。常用的活塞材料是,铝硅合金,。,活塞销,材料一般用,20,低碳钢或,20Cr,、,18CrMnTi,等低碳合金钢。活塞销外表面应进行,渗碳,或氰化处理，以满足外表面硬而耐磨，材料内部韧而耐冲击的要求。,活塞环,用,合金铸铁,或,球墨铸铁,，经表面处理。镀多孔性铬后可使环的工作寿命提高,2,3,倍。其它表面处理的方法有喷钼、磷化、氧化、涂合成树脂等,四、连杆,连杆连接活塞和曲轴，作用是将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，并把作用在活塞上的力传给曲轴以输出功率。连杆在工作中，除承受燃烧室燃气产生的,压力,外，还要承受纵向和横向的,惯性力,。因此，连杆在一个很复杂的应力状态下工作。它既受交变的拉压应力、又受弯曲应力。连杆的主要损坏形式是,疲劳断裂,和,过量变形,。连杆的工作条件要求连杆具有较高的,强度,和,抗疲劳性能,；又要求具有足够的刚性和韧性。连杆材料一般采用,45,钢、,40Cr,或,40MnB,等调质钢。,1,小头与连杆的过渡,2,连杆中间,3,大头与连杆的过渡处,连杆上的三个高应力区域,五、气门,气门工作时，需要承受较高的,机械负荷和热负荷,，排气门工作温度高达,650 ,850 ,。气门头部还承受气压力及落座时因惯性力而产生的相当大的冲击。气门经常出现的故障有：气门座扭曲、气门头部变形、气门座面积碳时引起燃烧废气对气门座面强烈地烧蚀。气门材料应选用耐热、耐蚀、耐磨的材料。进气门一般可用,40Cr,、,35CrMo,、,38CrSi,、,42Mn2V,等合金钢制造,而排气门则要求用,高铬耐热钢,（如,4Cr9Si2,、,4Cr10Si2Mo),制造。,六、汽车半轴,汽车半轴在工作时主要承受扭转力矩和反复变曲以及一定的冲击载荷。在通常情况下，半轴的寿命主要取决于花键齿的抗压陷和耐磨损性能，但断裂现象也不时发生。要求半轴材料具有高的抗弯强度、疲劳强度和较好的韧性。汽车半轴是要求综合机械性能较高的零件，通常选用,调质钢,制造。中、小型汽车的半轴一般用,45,钢、,40Cr,而重型汽车用,40MnB,、,40CrNi,或,40CrMnMo,等淬透性较高的合金钢制造。,1,突缘与杆部相连部位,2,花键与杆部相连部位,3,花键端,半轴易损坏部位示意图,七、车身、纵梁、档板等冷冲压零件,在汽车零件中，冷冲压零件种类繁多，约占总零件数的,50%,60%,。汽车冷冲压零件用的材料有钢板和钢带，其中主要是钢板，包括热轧钢板和冷轧钢板，如钢板,08,、,20,、,25,和,16Mn,等。,汽车用陶瓷材料,汽车发动机火花塞采用,Al,2,O,3,制造。, 日本、美国绝热发动机上采用工程陶瓷，如日野汽车公司开发的陶瓷复合发动机系统，该发动机气缸套、活塞等燃烧室件中有,40%,左右是陶瓷件。使用的陶瓷有,ZrO,2,、,Si,3,N,4,等。采用,Si,3,N,4,制造气阀头、活塞顶、气缸套、摇臂镶块、气门挺杆等。,