学习单元四学习单元四 认识汽车典型零部件的选材认识汽车典型零部件的选材第一部分第一部分 任务导入任务导入学习任务一学习任务一 分析汽车零件的失效方式分析汽车零件的失效方式任务描述任务描述一台普通桑塔纳轿车在行驶达10万公里后，发动机出现“当当”的敲击声，且排气管冒蓝烟。经检查气缸压力，决定大修该发动机，拆卸发动机后发现，活塞已磨损超过极限，更换活塞组，大修发动机后故障消除。学习任务一学习任务一 分析汽车零件的失效方式分析汽车零件的失效方式学习目标学习目标 通过本任务的学习，应获得分析汽车零件失效方式的能力。其具体表现如下：v1）知道汽车零件失效的概念；v2）能进行汽车零件的失效分析；v3）告知客户汽车零件的失效形式，给客户提供汽车零件失效专业的咨询。学习准备学习准备v要求学生已经对材料力学、机械基础等课程进行了系统学习。v配备发动机解剖教具，投影机等教学工具。v各汽车生产公司的网页v配备汽车的生产、使用说明书v有关职场健康与安全的法律、法规v各种汽车材料书籍学习任务一学习任务一 分析汽车零件的失效方式分析汽车零件的失效方式（3）零件虽然仍能完全工）零件虽然仍能完全工作，但不能完成规定的功作，但不能完成规定的功能能（2）零件受到严重损伤，已不能完全工作；）零件受到严重损伤，已不能完全工作；一、一、 概概 述述3、 失效分析的目的和意义失效分析的目的和意义一、一、 概概 述述1)目的了解产品失效的真实情况，对产品进行系统地分析，鉴别其失效模式、失效机理、失效部位、失效时间、失效影响并进行后果分析，把失效影响和后果分析及时反馈给设计和制造部门，并据以制订改进措施，以防止同类失效再度发生，是产品获得更高的可靠性。2)意义是提高产品质量的重要手段。二、二、 失效模式失效模式1、 定义定义失效模式：失效所表现出的形式。汽车零部件失效方式有磨损、疲劳断裂、变形、腐蚀及老化等五类。一个零件可能同时存在几种失效模式或失效机理。2、零件失效的基本原因二、二、 失效模式失效模式3、汽车零件失效分类：小组讨论小组讨论试分析发动机气缸体的损伤形式及原因。气缸体与气缸盖的主要损伤形式有裂纹、磨损和变形等。1气缸体与气缸盖产生裂纹的原因：1）振动： 2）热裂： 3）冷裂： 4）镶套：5）装配：2气缸体与气缸盖的变形的原因 1）折装不当：2）曲轴轴承座孔同轴度偏差增大，或是受到整个气缸体变形的影响；3）曲轴轴承座孔处厚薄不均，铸造后残余应力不均衡，在使用中引起变形。 3气缸磨损的原因：润滑不良、高温、高压、交变负荷和腐蚀性物质等原因。思考：你知道汽车零件的材料是如何选择的吗？思考：你知道汽车零件的材料是如何选择的吗？相关知识二相关知识二 选择汽车零件材料选择汽车零件材料总体说来，其选材通常遵循以下三大原则：（1）使用性能原则：用所选材料制造的零件在使用过程中具有良好的工作性能（2）工艺性能原则：所选材料能够确保零件便于加工（3）经济性原则：所选材料能使产品具有较低的总成本一、使用性能原则相关知识二相关知识二 选择汽车零件材料选择汽车零件材料1.零件使用时的工作条件（1）受力状况，主要是载荷的类型(例如动载、静载、循环载荷或单调载荷等)和大小；载荷的形式；载荷的特点等。（2）环境状况，主要是温度特性、介质情况等。（3）特殊要求，如对导电性、磁性、热膨胀、比重、外观等的要求。2.零件根据使用性能选材的步骤通过对零件工作条件和失效形式的全面分析，确定零件对使用性能的要求；利用使用性能与实验室性能的相应关系，将使用性能具体转化为实验室机械性能指标；根据零件的几何形状、尺寸及工作中所承受的载荷，计算出零件中的应力分布；由工作应力、使用寿命或安全性与实验室性能指标的工艺性能关系，确定对实验室性能指标要求的具体数值；利用手册根据使用性能选材。相关知识二相关知识二 选择汽车零件材料选择汽车零件材料二、工艺性能原则金属材料的加工工艺路线相关知识二相关知识二 选择汽车零件材料选择汽车零件材料高分子材料的工艺路线陶瓷材料的加工工艺路线陶瓷材料的加工工艺路线相关知识二相关知识二 选择汽车零件材料选择汽车零件材料三、三、 经济性原则经济性原则经济性原则要考虑：1材料的价格2零件的总成本3国家的资源等因素总之，正确选材是机械设计的一项重要任务，它必须使:（1）选用的材料保证零件在使用过程中具有良好的工作能力，（2）保证零件便于加工制造，（3）同时保证零件的总成本尽可能低另外，材料的使用性能应满足使用要求。对大量机器零件和工程构件，则主要是机械性能。对一些特殊条件下工作的零件，则必须根据要求考虑到材料的物理、化学性能（使用性能原则）。材料的工艺性能应满足生产工艺的要求（工艺性能原则）。必须考虑材料的经济性。采用便宜的材料，把总成本降至最低，取得最大的经济效益，使产品在市场上具有最强的竞争力（经济性原则）。相关知识三相关知识三 选用汽车发动机与底盘典型零部件的金属材料选用汽车发动机与底盘典型零部件的金属材料v一、零件选材的一般方法步骤和原则一、零件选材的一般方法步骤和原则选材一般可分为以下几个步骤1对零件的工作特性和使用条件进行周密的分析，找出主要的失效方式，从而恰当地提出主要抗力指标。2根据工作条件需要和分析，对该零件的设计制造提出必要的技术条件。3根据所提出的技术条件要求和工艺性、经济性方面的考虑，对材料进行预选择。材料的预选择通常是凭积累的经验，通过与类似的机器零件的比较和已有实践经验的判断，或者通过各种材料选用手册来进行选择。4对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。5材料的二次（或最终）选择。二次选择方案也不一定只是一种方案，也可以是若干种方案。6通过实验室试验、台架试验和工艺性能试验，最终确定合理的选材方案。7最后，在中、小型生产的基础上，接受生产考验。以检验选材方案的合理性。判断零件选材是否合理的基本标志是：能否满足必需的使用性能；能否具有判断零件选材是否合理的基本标志是：能否满足必需的使用性能；能否具有良好的工艺性能；能否实现最低成本。选材的任务就是求得三者之间的统一。良好的工艺性能；能否实现最低成本。选材的任务就是求得三者之间的统一。相关知识三相关知识三 选用汽车发动机与底盘典型零部件的金属材料选用汽车发动机与底盘典型零部件的金属材料表11-1一些常用零件的工作条件、主要失效方式及主要机械性能指标1零件选材应满足零件工作条件对材料使用性能的要求零件选材应满足零件工作条件对材料使用性能的要求相关知识三相关知识三 选用汽车发动机与底盘典型零部件的金属材料选用汽车发动机与底盘典型零部件的金属材料v2零件选材应满足生产工艺对材料工艺性能的要求零件选材应满足生产工艺对材料工艺性能的要求材料的工艺性能包括以下内容：（1）铸造性能包含流动性、收缩性、疏松及偏析倾向、吸气性、熔点高低等。（2）压力加工性能指材料的塑性和变形抗力等。（3）焊接性能包括焊接应力、变形及晶粒粗化倾向，焊缝脆性、裂纹、气孔及其它缺陷倾向等。（4）切削加工性能指切削抗力、零件表面光洁度、排除切屑难易程度及刀具磨损量等。（5）热处理性能指材料的热敏感性、氧化、脱碳倾向、淬透性、回火脆性、淬火变形和开裂倾向等。与使用性能的要求相比，工艺性能处于次要地位；但在某些情况下，与使用性能的要求相比，工艺性能处于次要地位；但在某些情况下，工艺性能也可成为主要考虑的因素。工艺性能也可成为主要考虑的因素。相关知识三相关知识三 选用汽车发动机与底盘典型零部件的金属材料选用汽车发动机与底盘典型零部件的金属材料v3零件的选材应力求使零件生产的总成本最低零件的选材应力求使零件生产的总成本最低 选材的经济性不单是指选用的材料本身价格应便宜，更重要的是采用所选材料来制造零件时，可使产品的总成本降至最低，同时所选材料应符合国家的资源情况和供应情况，等等。 v4零件的选材应考虑产品的实用性和市场需求零件的选材应考虑产品的实用性和市场需求 某项产品或某种机械零件的优劣，不仅仅要求能符合工作条件的使用要求。从商品的销售和用户的愿望考虑，产品还应当具有重量轻、美观、经久耐用等特点。这就要求在选材时，应突破传统观点的束缚，尽量采用先进科学技术成果，作到在结构设计方面有创新，有特色。在材料制造工艺和强化工艺上有改革，有先进性。v5零件的选材应考虑实现现代生产组织的可能性零件的选材应考虑实现现代生产组织的可能性 一个产品或一个零件的制造，是采用手工操作还是机器操作，是采用单件生产还是采用机械化自动流水作业，这些因素都对产品的成本和质量起着重要的作用。因此，在选材时，应该考虑到所选材料能满足实现现代化生产的可能性。相关知识三相关知识三 选用汽车发动机与底盘典型零部件的金属材料选用汽车发动机与底盘典型零部件的金属材料v二选材的一般方法二选材的一般方法需要设计者熟悉零件的工作条件和失效形式，掌握有关的工程材料的理论及应用知识、机械加工工艺知识以及较丰富的生产实际经验。通过具体分析，进行必要的试验和选材方案对比，最后确定合理的选材方案。对于成熟产品中相同类型的零件、通用和简单零件，则大多数采用经验类比法来选择材料。另外，零件的选择一般需借助国家标准、部颁标准和有关手册。相关知识三相关知识三 选用汽车发动机与底盘典型零部件的金属材料选用汽车发动机与底盘典型零部件的金属材料v三典型汽车零件的选材三典型汽车零件的选材1 1汽车齿轮的选材汽车齿轮的选材 （1）汽车齿轮的工作条件 汽车齿轮主要分装在变速箱和差速器中，工作条件远比机床齿轮恶劣，特别是主传动系统中的齿轮，受力较大，超载与受冲击频繁，齿面滚动或者滑动，承受接触应力及摩擦力，因此其耐磨性、疲劳强度、心部强度以及冲击韧性等，均要求比机床齿轮高。汽车齿轮的主要失效形式如表4-4所示 表表4-44-4汽车齿轮的主要失效形式汽车齿轮的主要失效形式相关知识三相关知识三 选用汽车发动机与底盘典型零部件的金属材料选用汽车发动机与底盘典型零部件的金属材料（3）对汽车齿轮的性能要求 1）高的弯曲疲劳强度； 2）高的接触疲劳强度耐磨性；3) 较高的强度和冲击韧性； 4) 较好的热处理性能，热处理变形小。（4）典型汽车齿轮选材 用齿轮一般都用合金渗碳钢20Cr或20CrMnTi等制造，为了进一步提高齿轮的耐用性，除了渗碳、热处理淬火外，还可以采用喷丸处理等表面强化热处理淬火工艺。喷丸处理后，齿面硬度可提高1-3HRC，增大表面应压力，有利于提高疲劳强度，并清除氧化皮，耐用性可提高7-11倍。 （5）加工工艺在我国应用最多的汽车齿轮用材是合金渗碳钢20Cr或20CrMnTi，和合金调质钢40Cr或40CrMnTi,40MnB等。1）合金渗碳钢的热处理与加工工艺路线合金渗碳齿轮的加工路线下料锻造正火切削加工渗碳、淬火及低温回火喷丸磨削加工最终检验。2）合金调质钢的热处理与加工工艺路线合金调质齿轮的加工路线下料锻造正火切削加工调质切削加工感应加热表面淬火磨削加工最终检验。相关知识三相关知识三 选用汽车发动机与底盘典型零部件的金属材料选用汽车发动机与底盘典型零部件的金属材料2汽车发动机曲轴汽车发动机曲轴（1）汽车发动机曲轴的工作条件 曲轴在工作中受到弯曲、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滑动摩擦。图4-10是曲轴的结构。 （2）曲轴的主要失效形式 疲劳断裂和轴颈严重磨损两种。（3）对曲轴的性能要求： 1）高的强度； 2）一定的冲击韧度； 3）足够的弯曲、扭转疲劳强度； 4）足够的刚度；轴径表面有高的硬度和耐磨性。 5）足够的刚度（4）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制造，如30、45、35Mn2、40Cr、35 Cr Mo等。铸造曲轴主要由铸钢、球墨铸铁、珠光体可锻铸铁及合金铸铁等制造，如ZG230-450、QT600-3、QT700-2、KTZ450-5等。（5）加工路线与热处理曲轴典型的工艺路线，可根据材质不同分为两类：1）铸造曲轴的典型工艺路线：铸造高温正火高温回火切削加工轴颈气体渗碳磨削加工最终检验。2）锻钢曲轴的典型工艺路线：下料锻压正火切削加工调质切削加工轴颈表面淬火磨削加工最终检验。图4-10曲轴相关知识三相关知识三 选用汽车发动机与底盘典型零部件的金属材料选用汽车发动机与底盘典型零部件的金属材料3连杆类零件连杆类零件（1）连杆的工作条件连杆是汽车发动机的连接件和传力件，作用是将活塞和曲轴连接起来，并将活塞上的惯性力和燃气压力传递给曲轴，由曲轴转换成旋转运动对外输出。（2）连杆的性能要求连杆工作时受到复杂的拉、压应力的作用，还要承受气体做功时的冲击载荷，工作温高。因此，要求连杆材料必须具有良好的综合力学性能和及高的抗疲劳强度。（3）连杆的材料、热处理选择汽车连杆材料都选择的是中碳钢或中碳的低合金钢，我国多选用45钢、45Mn、40Gr、40MnB等；加工工艺工艺路线：下料锻压正火切削加工调质切削加工最终检验。相关知识三相关知识三 选用汽车发动机与底盘典型零部件的金属材料选用汽车发动机与底盘典型零部件的金属材料v4汽车板簧汽车板簧 （1）汽车板簧失效形式及性能要求 汽车板簧用于缓冲和吸振，承受很大的交变应力和冲击载荷。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。（2）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造，如65Mn、65Si2Mn钢等。对于中型或重型汽车，板簧还采用50 CrMn、55 SiMnVB钢；对于中型载货汽车用的大截面积板簧，则采用55SiMnMoV、55SiMnMoVNb钢制造。（3）工艺路线 热轧钢板冲裁下料压力成型淬火中温回火喷丸强化 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。v5汽车半轴汽车半轴 （1）汽车半轴的工作条件 ：半轴工作时主要承受扭转力矩以及一定的冲击载荷。 半轴的性能要求： 高的强度和疲劳强度 芯部要求足够的韧度 花键要有高的硬度和耐磨性（2）典型半轴选材 汽车半轴一般选用调质钢来制造，如45、40MnB钢等。对于中小型汽车，半轴一般采用45钢，重型汽车采用40MnB等合金钢。 半轴加工常采用喷丸处理及滚压强化方法。为提高半轴的疲劳强度，并获得好的综合性能，采用调质处理，回火采用快冷。花键部位为提高耐磨性，要进行表面淬火和低温回火。（3）工艺路线 下料锻造正火粗加工淬火中温回火精加工局部表面淬火、回火 精加工（精磨）。相关知识三相关知识三 选用汽车发动机与底盘典型零部件的金属材料选用汽车发动机与底盘典型零部件的金属材料四金属材料在汽车上的应用四金属材料在汽车上的应用（一）汽车结构零件用材（一）汽车结构零件用材 1.发动机缸体和缸套材料 箱体零件以承受压力为主，并要求好的刚度和减磨性。除了一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。常用缸套材料为耐磨合金铸铁，对缸套进行表面处理提高缸套的耐磨性。 2发动机缸盖 缸盖主要用来封闭气缸构成燃烧室。目前使用的缸盖材料有两种：一种是灰铸铁或合金铸铁；另一种是铝合金。 3活塞组 活塞、活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溶处理及人工时效处理，以提高表面硬度。v活塞销材料一般用20、20Cr、20CrMnTi等低碳、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、内部韧而耐冲击的要求。v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。连杆材料一般采用45钢、40Cr或40MnB等调质钢。合金钢虽具有很高强度，但对应力集中很敏感。v气门 进气门一般可用40Cr、35CrSi、 38CrSi、42Mn2V等合金钢制造；而排气门则要求用高铬耐热钢制造，采用4Cr10Si2Mo作为气门材料时工作温度可达550650 。v螺栓、铆钉等冷镦零件 常用的螺栓材料有10、15（木螺栓，铆钉）、35(普通螺栓)、40Cr和15MnVB(重要螺栓)等。相关知识三相关知识三 选用汽车发动机与底盘典型零部件的金属材料选用汽车发动机与底盘典型零部件的金属材料v（二）汽车冷冲压零件用材（二）汽车冷冲压零件用材 v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08、20、25和Q345等。v热轧钢板主要用来制造一些承受一定载荷的结构件，如保险杠、刹车盘、纵梁等。这些零件不仅要求钢板具有一定刚度、强度，而且还要具有良好的冲压成型性能。冷轧钢板主要用来制造一些形状复杂，受力不大的机器外壳、驾驶室、轿车的车身等覆盖零件。这些零件对钢板的强度要求不高，但却要求具有优良的表面质量和冲压性能，以保证高的成品合格率。v近年开发的加工性能良好、强度（屈服强度和抗拉强度）高的薄钢板高强度钢板，由于其可降低汽车自重、提高燃油经济性而在汽车上获得应用，如已用于制造车身外面板（包括车顶、前脸、后围、发动机罩、车门、行李箱等）、车身内蒙保险杠、横梁、边梁、支架、发动机框架等。v1、完成任务一、二、三、完成任务一、二、三 学习任务单学习任务单作业作业