汽车发动机材料

曲轴旋转两周，活塞往复运动四次完成一个工 作循环，称为四冲程发动机。
曲轴旋转一周，活塞往复运动二次完成一个工 作循环，称为二冲程发动机。
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发动机的总体构造
发动机是一种由许多机 构和系统组成的复杂机器。 无论是汽油机，还是柴油 机；无论是四行程发动机，
z 曲柄连杆机构 z 配气机构 z 燃料供给系统
2. 宝马 3.0L L6 N55双顶置凸轮轴涡轮增压缸内直喷发动机(宝马135is);
3. 宝马 2.0L L4 N20双顶置凸轮轴涡轮增压缸内直喷发动机(宝马328i);
4. 克莱斯勒 3.6L V6 Pentastar 双顶置凸轮轴可变气门正时自然吸气发 动机(公羊1500);
5. 福特2.0L L4 EcoBoost双顶置凸轮轴涡轮增压发动机(福特福克斯ST/ 金牛座);
4）进排气系统
进排气系统的功用是将可燃混合器或新鲜空气均匀地分配到各个气 缸中，并汇集各个气缸燃烧后的废气，从排气消声器排出。
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5）润滑系统与 6）冷却系统
(5) 润滑系统（左图）
润滑系的功用是向作相对运动的零 件表面输送定量的清洁润滑油，以减小 摩擦阻力，减轻机件的磨损。并对零件 表面进行清洗和冷却。润滑系通常由润 滑油道、机油泵、机油滤清器和一些阀 门等组成。
2、切削性好 G可起润滑作用，断屑。
3、焊接性能差 易形成高碳M组织（硬，脆），造成裂纹。
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灰铁的应用
z 制造承受压力和震动的零件,如机
床床身、各种箱体、壳体、泵体、
缸体。
变速箱体
重型机床床身(HT-250)
大型船用柴油机汽缸体(HT-300)
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球墨铸铁
在汽油机中，气缸内的可燃混合气是靠电火花点 燃的，为此在汽油机的气缸盖上装有火花塞，火花塞 头部伸入燃烧室内。能够按时在火花塞电极间产生电 火花的全部设备称为点火系，点火系通常由蓄电池、 发电机、分电器、点火线圈和火花塞等组成。
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全球十佳发动机（2013年）
1. 奥迪 3.0L V6双顶置凸轮轴机械增压缸内直喷发动机(奥迪S4、S5);
3）铸铁的生产设备和工艺简单，价格低廉；铸铁具有优良 的铸造性、可切削加工性，优异的消震性和良好的耐磨 性等。
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铸铁简介
铸铁曲轴
内 燃 机 汽 缸
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铸铁简介
z 铸铁的石墨化：
铁碳合金中，含碳量超过2.11%，碳可以Fe3C形式存 在，在一定的条件下（调整化学成分和控制冷却速度）， 碳也可以石墨的形式结晶。
z 将普通灰铁成分的铁液进行球化处理和孕育处理，使石 墨以球状存在，由此获得的铸铁。
z 优点： 球形的石墨对基体的破坏作用和在基体中引起的应
力集中显著下降。球墨铸铁具有比灰铁高的多的强度、 塑性和韧性，同时也有良好的耐磨性和减震性，其综合 机械性能接近于钢。因其铸造性能好，成本低廉，生产 方便，在工业中得到了广泛的应用。
珠光体灰铸铁 铁素体灰铸铁
石墨化退火
珠光体 球墨铸铁
铁素体 球墨铸铁
快冷
缓冷
珠光体 可锻铸铁
铁素体 可锻铸铁
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灰铸铁
灰铸铁中石墨呈片状，断口呈灰色，是使用最 多的铸铁，占铸铁总量的80％以上。
灰铸铁分为：普通灰铁和孕育灰铁——通过孕 育处理，使石墨的片层变细，强度高于普通灰铁。
(6) 冷却系统（右图）
冷却系的功用是将受热零件吸收的 部分热量及时散发出去，保证发动机在 最适宜的温度状态下工作。水冷发动机 的冷却系通常由冷却水套、水泵、风扇、 水箱、节温器等组成。
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7）启动系统与 8）点火系统
(7) 起动系统（上图） 要使发动机由静止状态过渡到工作状态，必须先
– 单缸发动机 – 多缸发动机 3
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发动机的分类
z 直列式发动机、V形发动机、对置式发动机 z 水冷式发动机、风冷式发动机 z 非增压发动机、增压发动机 z 汽油机（点燃式）、柴油机（压燃式）
z 现代汽车普遍采用：四冲程、多缸、水冷式 发动机
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发动机的分类
工业纯铁 25
以相组成标注的Fe-C合金相图
钢
铸铁
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铸铁简介
z 铸铁：是Wc>2.11%的铁碳合金，一般WC=2.5-4.0％， WSi=1.0-3.0％。铸铁在工业生产的应用量仅次于钢。
z 铸铁的特点：
1）铸铁含碳和含硅量较高，含杂质元素硫、磷较多。
2）铸铁的强度、塑性和韧性较差，不能进行锻造。但是， 铸铁的硬度和抗压强度与钢相近。
发动机的分类
发动机的分类
直列式发动机
V形发动机
Ｐ型或对置 式发动机
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发动机的分类
发动机的分类
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发动机的工作原理
发动机的工作过程是周期性地将燃料燃烧的热 能转变为机械能的过程。
经过进气、压缩、作功、排气，每进行一次称 为一个工作循环。
延伸率不低于10% 抗拉强度不低于450MPa
“球铁”拼音的首字母
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球墨铸铁
珠光体基体球墨铸铁金相组织
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球墨铸铁的用途
等温处理后，球 墨铸铁的强度可达 1200 MPa～1450 MPa, 冲击韧性为 300kJ/m2～360 kJ/m2, 硬度为38 HRC～51HRC。
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① 机体组
z 气缸盖 z 气缸垫 z 气缸体 z 油底壳
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② 活塞连杆组
z 活塞 z 活塞环 z 活塞销 z 连杆
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③ 曲柄飞轮组
z 曲轴 z 飞轮 z 扭转减振器
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2）配气机构
配气机构的功用wk.baidu.com根据发动机的工作顺序和工作过程，定时开启和 关闭进气门和排气门，使可燃混合气或空气进入气缸，并使废气从气缸 内排出，实现换气过程。配气机构大多采用顶置气门式配气机构，一般 由气门组、气门传动组和气门驱动组组成。
灰铸铁
z 钢的基体＋片状G（石墨） z 按基体组织分：
铁素体基 珠光体基 铁素体＋珠光体基
灰铸铁齿轮箱
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灰铸 铁的 显微 组织
石 墨 片 的 三 维 形
铁 素 体 灰 铸 铁
貌
铁
素
珠 光 体 灰 铸 铁
体 加 珠 光 体 灰 铸
铁
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灰铁的性能
一、力学性能
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3）燃料供给系统
燃料供给系统：汽油机燃料供给系的功用是根据发动机的要求，配 制出一定数量和浓度的混合气，供入气缸，并将燃烧后的废气从气缸内 排出到大气中去；柴油机燃料供给系的功用是把柴油和空气分别供入气 缸，在燃烧室内形成混合气并燃烧，最后将燃烧后的废气排出。
还是二行程发动机；无论是 单缸发动机，还是多缸发动 机。要完成能量转换，实现 工作循环，保证长时间连续
z 冷却系统 z 润滑系统 z 起动系统
正常工作，必须具备一些机 z 点火系统(汽油机)
构和系统。
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1）曲柄连杆机构
曲柄连杆机构是发动机实现工 作循环，完成能量转换的主要运动 零件。它由机体组、活塞连杆组和 曲轴飞轮组等组成。在作功行程 中，活塞承受燃气压力在气缸内作 直线运动，通过连杆转换成曲轴的 旋转运动，并从曲轴对外输出动力。 而在进气、压缩和排气行程中，飞 轮释放能量又把曲轴的旋转运动转 化成活塞的直线运动。
汽车材料
第四章---汽车发动机用材
材料成型教研室：孙建新 E-mail：jianxin-sun@163.com
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发动机的分类
热力发动机是将燃料的热能转变为机械能的一种动力装置。
热力发动机
①内燃机：可燃混合气在机器内部燃烧而产 生热能，然后再转为机械能。
燃料在机器外部的锅炉内燃烧， ②外燃机：将锅内的水加热，使之变为高温
牌号表示:HT100，HT150，HT200 属普通灰铁
HT300，HT350，HT400 属孕育灰铁
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灰铸铁
牌号：HT 200
抗拉强度不低于200MPa
灰铁拼音的首字母
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灰铸铁
灰铸铁金相组织 （P+G）
共晶白口铁金相组织（Ld）
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9. 本田3.5L V6 Earth Dreams单顶置凸轮轴i-VTEC缸内直喷发动机(本 田雅阁);
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10. 斯巴鲁2.4L H4 FA20 双顶置凸AVCS D4-S 直喷发动机(斯2巴3鲁BRZ). 湖北汽车工业学院材料工程系
汽车发动机 零部件材料
涡 M湖K轮北R汽双车配工雄备业学林全2院4材肯新料M发工程K动系S机与
6. 福特5.5L V8 Trinity双顶置凸轮轴机械增压发动机(ShelbyGT500);
7. 凯迪拉克2.0L L4 LTG双顶置凸轮轴涡轮增压缸内直喷发动机(凯迪 拉克XTS/ATS);
8. 本田2.4L L4 Earth Dreams双顶置凸轮轴i-VTEC缸内直喷发动机(本 田雅阁Sport);
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球墨铸铁的显微组织
铁
素 体 球 墨 铸 铁
珠 光 体 球 墨 铸
铁
铁
素
体
球
加
墨
珠
铸
光
铁
体
中
球
的
墨
石
铸
墨
铁
球
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球墨铸铁
球化方法
加入球化剂，使石墨结晶为球形.
球化剂：Mg，稀土－硅铁合金，稀土－
硅铁－镁合金（应用最广泛）
孕育处理：由于只能在铁液中有石墨核 心时，才能促进石墨生成球形，而常用 的球化剂都强烈阻碍石墨化，因此，在 球化处理同时，必须进行孕育处理（石 墨化处理），获得球径小，数量多，圆 度好，分布均匀的球状石墨
孕育剂：75％的硅铁合金
稀土镁
硅铁
硅 钙
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球墨铸铁
z牌号： QT400－18、QT450-10、QT400-15、QT600-3、 QT800-2
球墨铸铁牌号用“QT”标明，其后两组数值表示最低抗 拉强度极限和延伸率。
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球墨铸铁
牌号：QT 450 -10
1. σb 100-400MPa 2. 抗压强度： σb 的2.5-4倍 3. δ，ak： δ：0.2-0.7％，ak:2-8J/cm2 4. 耐磨性能优良（石墨润滑） 5. 减震性能好（石墨割裂基体，阻止振动波的传播，并
能转变为热能消耗）
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灰铁的性能
二、工艺性能
1、优良的铸造性能 化学成分接近共晶，熔点低，铁水流动性好，凝固收缩 小。
z 汽油机：汽油粘度小，蒸发性好，在气缸外部形 成混合气，自燃温度高于 380ºC，需要通过外 火源（火花塞）点燃。
z 柴油机：柴油粘度大，蒸发性差，在气缸内部形 成混合气，自燃度为250ºC左右， 压缩自燃。 故柴油机又称压燃式发动机。
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发动机的分类
往复活塞式 6
转子式
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在，断口呈灰色。
– 灰铸铁、蠕墨铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁
z 3、麻口铸铁：灰口＋白口铁的混合组织。
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工 业 铸 铁 的 成 分 范 围 与 组 织
温度
Si/Mg/Ce
中速冷却
缓冷
工业铸铁的成分范围 快冷 中速冷却 缓冷
中速冷却 缓冷
珠光体 蠕墨铸铁
铁素体 蠕墨铸铁
白口铸铁
用外力转动发动机的曲轴，使活塞作往复运动，气缸 内的可燃混合气燃烧膨胀作功，推动活塞运动使曲轴 旋转，发动机在惯性作用下自行运转，工作循环才能 自动进行。因此，曲轴在外力作用下开始转动到发动 机开始自动地怠速运转的全过程，称为发动机的起动。 完成起动过程所需的装置，称为发动机的起动系统。 (8) 点火系统（下图）
z问题：
为什么碳会以两种形式存在？碳何时以渗碳体(Fe3C) 形式存在，何时又以石墨形式存在，它们受那些因素的影
响？这些问题称为铸铁的石墨化问题，在此不作分析。
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铸铁的分类
z 1、白口铸铁：C全部或大部分以化合态的Fe3C形式存
在，断口呈白亮色。
z 2、灰口铸铁：C全部或大部分以游离的片状石墨形式存
高压的水蒸气，然后送至机器内 部，使所含热能转变为机械能。
内燃机的优点：热效率高、体积小、重量轻、广泛应用。 但由于使用的是石油燃料，因而污染较大。城市的大气污
染相当部分来至内燃机所排出的废气。
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发动机的分类
– 往复活塞式发动机 – 转子式发动机
– 二冲程发动机 – 四冲程发动机