课题6 汽车金属材料的选用

课题6 汽车金属材料的选用课题引入首先请大家思考以下几个问题：➢如何在品种繁多的金属材料中选择合适机械零部件要求的材料？➢选择材料时要考虑哪些方面的因素？➢选好材料后如何确定合理的加工及热处理工艺路线？➢在不同类型的汽车零部件中常用的金属材料有哪些课题说明学习金属材料和热处理的主要目的是为了在工业上能正确的选择材料和应用材料。

机器、汽车等机械设备都是由各种零件组合而成，所以，零件的制造是生产出合格机械产品的基础，而要生产出一个合格的零件，必须解决为三个关键问题：即合理的零件结构设计，恰当的材料选择以及正确的加工工艺。

这三个关键环节相互依存缺一不可，其中任何一个环节出了差错，都将严重影响零件的质量，甚至使零件不能使用而报废。

当零件有了合理的结构设计后，那么选材及材料的后续加工就是至关重要的了，它将直接关系到产品的质量及生产效益。

因此，掌握各种工程材料的性能，合理的选择材料和使用材料，正确的制定热处理工艺，是从事汽车制造工程技术人员必须具备的知识。

课题目标✧了解机械零件的常见失效形式。

✧掌握金属材料工程选用的一般原则。

✧掌握轴类零件常用的金属材料及选用✧掌握齿轮类零件常用的金属材料及选用✧掌握各类刃具和模具常用的金属材料及选用✧了解各类机械零件的加工工艺规程✧了解汽车覆盖件板料的性能特点及选用6.1金属材料的选材原则在机械制造工业中，要获得质量高且成本低的零部件，首先在机械设计过程中要科学合理，其中机械零部件材料及热处理工艺的设计是一个重要的环节。

选用的材料必须保证使用过程中具有良好的工作能力；必须保证零件便于加工制造；必须保证零件总成本最低。

即主要综合考虑选用材料的使用性能、工艺性能和经济性能这三个方面。

6.1.1零件的失效1．失效的概念零件质量的重要评价标准即为零件的服役时间的长短。

要合理正确的选材，必须首先了解各类零件的主要失效形式。

机械零件的失效是指零件由于某种原因丧失了正常的工作能力。

具体表现为：①零件完全破坏，不能继续工作；②零件严重损伤，继续工作不安全；③不能满意地达到预期的作用。

零件的失效，特别是那些没有明显征兆的失效，往往会带来巨大的操作，甚至导致严重事故。

例如高压容器的坚固螺栓，若发生过量变形而伸长，就会使容器渗漏；又如变速箱中的齿轮，若产生了过量塑性变形，就会使轮齿啮合不良，甚至卡死、断齿，引起设备事故。

因此，对零件的失效进行分析，找出失效的原因，是零件设计和选材的基础。

2．失效形式金属零部件常见的失效形式有变形失效、断裂失效、表面损伤失效等。

（1）弹性变形失效是指一些细长的轴、杆件或薄壁筒零部件，在外力作用下将发生弹性变形，如果弹性变形过量，会使零部件失去有效工作能力。

例如镗床的镗杆，如果工作中产生过量弹性变形，不仅会使镗床产生振动，造成零部件加工精度下降，而且还会使轴与轴承的配合不良，甚至会引起弯曲塑性变形或断裂。

引起弹性变形失效的原因，主要是零部件的刚度不足。

因此，要预防弹性变形失效，应选用弹性模量大的材料。

（2）塑性变形失效是指零部件承受的静载荷超过材料的屈服强度时，将产生塑性变形。

塑性变形会造成零部件间相对位置变化，致使整个机械运转不良而失效。

例如压力容器上的紧固螺栓，如果拧得过紧，或因过载引起螺栓塑性伸长，便会降低预紧力，致使配合面松动，导致螺栓失效。

（3）断裂失效根据金属材料断裂前所产生的宏观塑性变形的大小可将断裂分为韧性断裂与脆性断裂。

韧性断裂的特征是断裂前发生明显的宏观塑性变形，脆性断裂在断裂前基本上不发生塑性变形，是一种突然发生的断裂，没有明显征兆，因而危害性很大。

一般规定光滑拉伸试样的断面收缩率小于5%者为脆性断裂；大于5%者为韧性断裂。

（4）表面损伤失效由于磨损、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。

1）磨损(wear)失效磨损失效是工程上量大面广的一种失效形式。

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。

例如轴与轴承，齿轮与齿轮、活塞环与汽缸套等摩擦付在服役时表面产生的损伤。

工程上主要是通过提高材料的硬度来提高零部件的耐磨性。

另外，增加材料组织中硬质相的数量，并让其均匀、细小的分布；选择合理的磨擦付硬度配比；提高零部件表面加工质量；改善润滑条件等都能有效地提高零部件的抗磨损能力。

提高材料耐磨性的主要途径是进行表面强化。

2）表面腐蚀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。

合理地选用耐腐蚀材料，在材料表面涂覆防护层，采用电化学保护及采用缓蚀剂等可有效提高材料的抗腐蚀能力。

3）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。

一个零部件失效，总是以一种形式起主导作用。

但是，各种失效因素相互交叉作用，可以组合成更复杂的失效形式。

例如应力腐蚀、腐蚀疲劳、腐蚀磨损、蠕变疲劳交互作用等。

3．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）设计不合理零部件设计不合理主要表现在零部件尺寸和结构设计上，例如过渡圆角太小，尖锐的切口、尖角等会造成较大的应力集中而导致失效。

另外，对零部件的工作条件及过载情况估计不足，所设计的零部件承载能力不够；或对环境的恶劣程度估计不足，忽略和低估了温度、介质等因素的影响等，造成零部件过早失效。

（2）选材错误选材所依据的性能指标，不能反映材料对实际失效形式的抗力，不能满足工作条件的要求，错误地选择了材料。

另外，材料的治金质量太差，如存在夹杂物、偏析等缺陷，而这些缺陷通常是零部件失效的发源地。

（3）加工工艺不当零部件在加工或成形过程中，由于采用的工艺不当而产生的各种质量缺陷。

例如较深的切削刀痕、磨削裂纹等，都可能成为引发零部件失效的危险源。

零部件热处理时，冷却速度不够、表面脱碳、淬火变形和开裂等，都是产生失效的重要原因。

（4）装配使用不当在将零部件装配成机器或装置的过程中，由于装配不当、对中不好、过紧或过松都会使零部件产生附加应力或振动，使零部件不能正常工作，造成零部件的失效。

使用维护不良，不按工艺规程操作，也可使零部件在不正常的条件下运转，造成零部件过早失效。

6.1.2零件选材的基本原则在掌握各种工程材料性能的基础上，正确、合理地选择和使用材料是从事工程构件和机械零件设计与制造的工程技术人员一项重要的任务。

选材的基本原则是所选材料的使用性能应能满足零部件使用要求，经久耐用，易于加工，成本低，即从材料的使用性能、工艺性能和经济性三个方面进行考虑。

即判断零件选材是否合理的基本标志是：好用（满足必需的使用性能）；好做（具有良好的工艺性能）；经济（成本合理）。

选材的任务就是了解我国的资源和生产情况，结合企业的实际情况，求得三者之间的统一，以保证产品性能优良、成本低廉、经济效益最佳，此外还要考虑节能减排和环境保护。

1．使用性原则使用性能是保证零部件完成指定功能的必要条件。

使用性能是指零部件在工作过程中应具备的力学性能、物理性能和化学性能，它是选材的最主要依据。

对于机械零件，最重要的使用性能是力学性能，对零部件力学性能的要求，一般是在分析零部件的工作条件（温度、受力状态、环境介质等）和失效形式的基础上提出来的。

根据使用性能选材的步骤如下：（1）分析零部件的工作条件，确定使用性能零部件的工作条件是复杂的。

工作条件分析包括受力状态（拉、压、弯、剪切）、载荷性质（静载、动载、交变载荷）、载荷大小及分布、工作温度（低温、室温、高温、变温）、环境介质（润滑剂、海水、酸、碱、盐等）、对零部件的特殊性能要求（电、磁、热）等。

在对工作条件进行全面分析的基础上确定零部件的使用性能。

（2）分析零部件的失效原因，确定主要使用性能对零部件使用性能的要求，往往是多项的。

例如传动轴，要求其具有高的疲劳强度、韧性和轴颈的耐磨性。

因此，需要通过对零部件失效原因的分析，找出导致失效的主导因素，准确确定出零部件所必需的主要使用性能。

例如，曲轴在工作时承受冲击、交变等载荷作用，而失效分析表明，曲轴的主要失效形式是疲劳断裂，而不是冲击断裂，因此应以疲劳抗力作为主要使用性能要求来进行曲轴的设计。

制造曲轴的材料也可由锻钢改为价格便宜、工艺简单的球墨铸铁。

表6-1列出了几种常见零部件的工作条件、失效形式及对性能的要求。

表6-1 常用零部件的工作条件及对性能要求有了对零部件使用性能的要求，还不能马上进行选材。

还需要通过分析、计算或模拟试验将使用性能要求指标化和量化。

例如“高硬度”这一使用性能要求，需转化为“>60HRC”或“62~65HRC”等。

这是选材最关键、最困难的一步。

需根据零部件的尺寸及工作时所承受的载荷，计算出应力分布，再由工作应力、使用寿命或安全性与材料性能指标的关系，确定性能指标的具体数值。

（4）材料的预选根据对零部件材料性能指标数据的要求查阅有关手册，找到合适的材料，根据这些材料的大致应用范围进行判断、选材。

对用预选材料设计的零部件，其危险截面在考虑安全系数后的工作应力，必须小于所确定的性能指标数据值。

然后再比较加工工艺的可行性和制造成本的高低、以最优方案的材料作为所选定的材料。

2．工艺性能原则材料的工艺性能表示材料加工的难易程度。

任何零部件都要通过一定的加工工艺才能制造出来。

因此在满足使用性能选材的同时，必须兼顾材料的工艺性能。

工艺性能的好坏，直接影响零部件的质量、生产效率和成本。

当工艺性能与使用性能相矛盾时，有时正是从工艺性能考虑，使得某些使用性能合格的材料不得不被放弃，成为选择材料的主导因素。

工艺性能对大批量生产的零部件尤为重要，因为在大批量生产时，工艺周期的长短和加工费用的高低，常常是生产的关键。

金属材料的工艺性能是指金属适应某种加工工艺的能力。

主要是切削加工性能、材料的成型性能（铸造、锻造、焊接）和热处理性能（淬透性、变形、氧化和脱碳倾向等）。

铸造性能主要指流动性、收缩性、热裂倾向性、偏析和吸气性等。

接近共晶成分合金的铸造性能最好。

铸铁、铝硅合金等一般都接近共晶成分。

铸造铝合金和铜合金的铸造性能优于铸铁，铸铁又优于铸钢。

锻造性能主要指冷、热压力加工时的塑性变形能力以及可热压力加工的温度范围，抗氧化性和对加热、冷却的要求等。

低碳钢的锻造性最好，中碳钢次之，高碳钢则较差。

低合金钢的锻造性接近中碳钢。

高碳高合金钢（高速钢、高镍铬钢等）由于导热性差、变形抗力大、锻造温度范围小，其锻造性能较差，不能进行冷压力加工。

形变铝合金和铜合金的塑性好，其锻造性较好。

铸铁、铸造铝合金不能进行冷热压力加工。

切削加工性能是指材料接受切削加工的能力。

一般用切削硬度、被加工表面的粗糙度、排除切屑的难易程度以及对刃具的磨损程度来衡量。