《汽车工程材料》教案(29,30)-汽车金属材料的选用

主要教学步骤和教学内容
★课程导入：（10min）
1、机械零件的选材主要考虑哪些方面的因素？
2、普通机床上的轴与汽车发动机曲轴的选材及工艺路线有何异同？
（观看录像视频，提出问题，学生思考并回答）
★新课讲授：（70min）
一、机械零件的选材原则
机械零部件材料及热处理工艺的设计是一个重要的环节，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。

1、零件失效的概念
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。

2、失效形式
（1）弹性变形失效原因：材料的刚度不足
（2）塑性变形失效原因：材料的屈服强度不足
（3）韧性断裂失效、脆性断裂失效原因：材料的韧性不足
（4）表面损伤失效原因：材料的表面硬度、强度或耐蚀性不足
3、选材的基本原则
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（1）使用性原则
➢分析零部件的工作条件，确定使用性能
➢分析零部件的失效原因，确定主要使用性能
➢将对零部件的使用性能要求转化为对材料性能指标的要求
➢材料的预选
（2）工艺性能原则
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）
（3）经济性原则
以铁代钢，以铸代锻、以焊代锻
二、轴类零件的材料选用
1、轴的工作条件：
（1）传递扭矩，承受交变扭转载荷作用；
（2）轴颈承受较大的磨擦；（3）承受一定的过载或冲击载荷。

2、轴的主要失效形式：
（1）疲劳断裂（2）断裂失效（3）磨损失效
3、对轴用材料的性能要求：
（1）高的疲劳强度，以防止疲劳断裂。

（2）良好的综合力学性能，以防止冲击或过载断裂。

（3）良好的耐磨性，以防止轴颈磨损。

4、轴类零件的基本选材原则
对轴类零部件进行选材时，应根据工作条件和技术要求来决定：
（1）承受中等载荷，转速又不高的轴，大多选用中碳钢（例如45钢），进行调质或正火处理。

（2）对于要求高一些的轴，可选用合金调质钢（例如40Cr）并进行调质处理。

（3）对要求耐磨的轴颈和锥孔部位，在调质处理后需进行表面淬火
（4）当轴承受重载荷、高转速、大冲击时，应选用合金渗碳钢（例如20CrMnTi）进行渗碳淬火处理。

5、典型轴的选材
（1）机床主轴
其工艺路线为：备料→锻造→正火→粗机械加工→调质→精机械加工→表面淬火+低温回火→磨削→装配。

正火可改善组织、消除锻造缺陷，调整硬度便于机械加工，并为调质做好组织准备。

调质可获得回火索氏体，具有较高的综合力学性能，提高疲劳强度和抗冲击能力。

表面淬火+低温回火可获得高硬度和高耐磨性。

常用的材料有：45钢、40Cr、65Mn、38CrMoAl、
20Cr（表面渗碳+淬火）、20CrMnTi （表面渗碳+淬火）（2）汽轮机主轴
低温（450℃以下）：
较小功率（<12000kW），尺寸较小，可选用45钢；
较大功率（>12000kW），尺寸较大，则须选用35CrMo钢，以提高淬透性。

高温（500℃以上）：
高中压主轴选用25CrMoV A或27Cr2MoV A钢
低压主轴选用15CrMo或17CrMoV钢。

高温高强主轴：
20Cr3MoWV（<540℃）或铁基耐热合金Cr14Ni26MoTi（<650℃）、Cr14Ni35MoWTiAl（<680℃）制造。

（3）汽车半轴
汽车半轴也叫驱动桥，是差速器与驱动轮之间传递扭矩的实心轴，半轴在工作时承
受冲击、反复弯曲疲劳和扭转应力的作用，要求材料有足够的抗弯强度、疲劳强度和较好的韧性。

根据汽车半轴技术条件规定，半轴材料可选用40Cr、42CrMo、40CrMnMo钢。

中型载重汽车一般选用40Cr钢，而重型载重汽车则选用性能更高的40CrMnMo钢。

半轴的工艺路线：下料→锻造→正火→机械加工→调质→盘部钻孔→磨花键。

（4）内燃机曲轴
a）农用柴油机曲轴b）汽车发动机曲轴
通常低速内燃机曲轴选用正火态的45钢或球黑铸铁；中速的内燃机曲轴选用调质态的45钢、调质态的中碳合金钢（例如40Cr）或球墨铸铁。

工艺路线为：备料→锻造→正火→粗机械加工→调质→精机械加工→轴颈表面淬火+低温回火→磨削→装配。

各热处理工序的作用与机床主轴的相同。

★课程小结：（10min）
1、零件的失效的概念及主要形式、零件选材的基本原则；
2、典型轴类零件的材料选用及工艺路线
作业：
****职业学院教案用纸
****学院教案用纸
主要教学步骤和教学内容
★课程回顾：（5min）
1、零件的失效的概念及主要形式、零件选材的基本原则；
2、典型轴类零件的材料选用及工艺路线
★课程导入：（5min）
1、齿轮与轴零件的选材有何区别？
2、常见的刀具及弹簧如何选材，如何制订工艺路线？
（提出问题，学生思考并回答）
★新课讲授：（70min）
一、齿轮零件的选材
1．齿轮的工作条件
（1）啮合齿表面承受较大的既有滚动又有滑动的强烈磨擦和接触疲劳压应力。

（2）传递动力时，轮齿类似于悬臂梁，轮齿根部承受较大的弯曲疲劳应力。

（3）换挡、启动、制动或啮合不均匀时，承受冲击载荷。

2．齿轮的主要失效形式
齿轮的主要失效形式主要包括：
（1）断齿：除因过载（主要是冲击载荷过大）产生断齿外，大多数情况下的断齿，是由于传递动力时，在齿根部产生的弯曲疲劳应力造成的。

（2）齿面磨损：由于齿面接触区的磨擦，使齿厚变小、齿隙加大。

（3）接触疲劳：在交变接触应力作用下，齿面产生微裂纹，逐渐剥落，形成麻点。

a)断齿 b)齿面磨损 c)接触疲劳
二、典型齿轮的选材及工艺路线
齿轮材料的性能要求包括：（1）高的弯曲疲劳强度的接触疲劳强度；（2）齿面具
有高硬度和高耐磨性；（3）轮齿心部要有足够的强度和韧性。

根据齿轮材料的机械性能要求，并考虑材料的工艺性和经济性，一般选用渗碳钢和调质钢如20；20cr；45；40cr；20CrMnTi等。

1．机床齿轮
机床传动齿轮工作时受力不大，工作较平稳，没有强烈冲击，对强度和韧性的要求都不太高，一般用中碳钢（例如45钢）经正火或调质后，再经高频感应加热表面淬火强化，提高耐磨性，表面硬度可达52～58HRC。

对于性能要求较高的齿轮，可选用中碳合金钢（例如40Cr等）。

其工艺路线为：备料→锻造→正火→粗机械加工→调质→精机械加工→高频淬火+低温回火→装配。

2．汽车、拖拉机齿轮
与机床齿轮比较，汽车、拖拉机齿工作时受力较大，受冲击频繁，因而对性能的要求较高。

这类齿轮通常使用合金渗碳钢（例如：20CrMnTi、20MnVB）制造。

其工艺路线为：备料→锻造→正火→机械加工→渗碳→淬火+低温回大→喷丸→磨削→装配。

正火处理的作用与机床齿轮相同。

经渗碳、淬火+低温回火后，齿面硬度可达58～62HRC，心部硬度为35～45HRC。

齿轮的耐冲击能力、弯曲疲劳强度和接触疲劳强度均相应提高。

喷丸处理能使齿面硬度提高约2～3HRC，并提高齿面的压应力，进一步提高接触疲劳强度。

三、弹簧的选材
弹簧是一种重要的机械零件。

它的基本作用是利用材料的弹性和弹簧本身的结构特点，在载荷作用产生下变形时，把机械功或动能转变为形变能；在恢复变形时，把形变能转变为动能或机械功。

常用弹簧的材料选用主要特点
切削加工使用的车刀、铣刀、钻头、锯条、丝锥、板牙等工具统称为刃具。

1．简单的手用刃具
手锯锯条、锉刀、木工用刨刀、凿子等简单、低速的手用刃具，红硬性和强韧性要求不高，主要的使用性能是高硬度、高耐磨性。

因此可用碳素工具钢制造。

如T8、T10、T12钢等。

碳素工具钢价格较低, 但淬透性差，如用于制作形状较复杂的刃具，会出现淬不透或者由于淬火应力过大而变形甚至开裂。

2．低速切削、形状较复杂的刃具
丝锥、板牙、拉刀等可用低合金刃具钢9SiCr、CrWMn制造。

因钢中加入了Cr、W、Mn等元素, 使钢的淬透性和耐磨性大大提高, 耐热性和韧性也有所改善, 可在< 300 ºC的温度下使用。

3．高速切削用的刃具
（1）高速钢(W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等)
高速钢具有高硬度、高耐磨性、高的红硬性、好的强韧性和高的淬透性的特点, 因此在刃具制造中广泛使用, 用来制造车刀、铣刀、钻头和其它复杂、精密刀具。

高速钢的硬度为62HRC～68HRC, 切削温度可达500 ºC～550 ºC, 价格较贵。

（2）硬质合金
刀具常用硬质合金的牌号有YG6、YG8、YT6、YT15等。

硬质合金的硬度很高(89HRA～94HRA), 耐磨性、耐热性好, 使用温度可达1000 ºC。

它的切削速度比高速钢高几倍。

硬质合金制造刀具时的工艺性比高速钢差。

一般制成形状简单的刀头, 用
钎焊的方法将刀头焊接在碳钢制造的刀杆或刀盘上。

硬质合金刀具用于高速强力切削和难加工材料的切削。

硬质合金的抗弯强度较低, 冲击韧性较差, 价格贵。

（3）刀具陶瓷
陶瓷硬度极高、耐磨性好、红硬性极高, 也用来制造刃具。

热压氮化硅(Si
3N
4
)陶
瓷显微硬度为5000HV, 耐热温度可达1400ºC。

陶瓷刀具一般为正方形、等边三角形的形状, 制成不重磨刀片, 装夹在夹具中使用。

用于各种淬火钢、冷硬铸铁等高硬度难加工材料的精加工和半精加工。

陶瓷刀具抗冲击能力较低, 易崩刃。

★课堂小结：（10min）
1、齿轮的主要失效形式及材料选用；
2、弹簧的选材；
3、各类刃具材料的选用。

作业：。