《汽车工程材料》教案2930汽车金属材料的选用.docx

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汽车工程材料教案汽车工程材料教案2930汽车金属材料的选用汽车金属材料的选用*学院教案用纸授课课题课题7汽车金属材料的工程选用

（1）选材原则、轴零件选材教学目标主要从知识目标、能力目标和情感目标三方面进行设计。

了解机械零件的常见失效形式；掌握材料工程选用的基本原则；了解轴零件的工作条件及一般失效形式；掌握典型轴零件的材料选用；掌握典型轴零件制造的一般工艺路线。

教学要点教学重点与难点重点：

机械零件材料选用的基本原则难点：

轴零件的材料选用及制造工艺路线课型1、理论课；2、新授课。

课时2课时教法与学法（教具）多媒体教学、讲授、引导提问、实物展示课后要求布置课后作业练习教学后记（教师课后填写）授课教师备课时间*学院教案用纸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：

零件完全破坏，不能继续工作；零件严重损伤，继续工作不安全；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25CrMoVA或27Cr2MoVA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：

*职业学院教案用纸授课课题课题6汽车金属材料的选用

（2）齿轮的选材、弹簧、刀具的选材教学目标主要从知识目标、能力目标和情感目标三方面进行设计。

掌握齿轮的常见失效形式及性能要求掌握典型齿轮的选材及工艺路线；掌握常见弹簧的选用；了解典型刃具材料的选用培养理论联系实际的学习思路与方法。

教学要点教学重点与难点重点：

典型齿轮的选材及工艺路线；常见弹簧、刀具材料的选用难点：

典型齿轮的选材及工艺路线课型1、理论课；2、新授课。

课时2课时教法与学法（教具）多媒体教学、引导提问、讲授课后要求布置课后作业练习教学后记（教师课后填写）授课教师备课时间*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5258HRC。

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5862HRC，心部硬度为3545HRC。

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23HRC，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弹簧类型材料选用主要特点直径在10mm的小尺寸弹簧；如普通的圆、方螺旋弹簧或拉成钢丝作小碳素弹簧钢65、7075、80经热处理或冷拔硬化后,得到较高的强度和适当的塑性、韧性；在相同表面状态和完全型机械的弹簧调压调速弹簧、柱塞弹簧、测力弹簧淬透情况下，疲劳极限不比合金弹簧钢差，但淬透性低。

小尺寸扁、圆弹簧、座垫弹簧、弹簧发条，也适于制造弹簧环、气门簧、离合器簧片、刹车弹簧锰弹簧钢65MnMn提高淬透性,表面脱碳倾向比硅钢小,经热处理后的综合机械性能略优于碳钢,缺点是有过热敏感性和回火脆性蒸汽机机车汽缸的弹簧、内燃机气阀和安全阀用的弹簧及其他较高温度工作的弹簧。

铬钒弹簧钢50CrVA良好的工艺性能和机械性能，淬透性比较高，加入V，使钢的晶粒细化，降低过热敏感性，提高强度和韧性汽车、拖拉机、火车车厢下部承受重力和振动用的减震板簧和螺旋弹簧及其他承受较高应力的弹簧硅锰弹簧钢55Si2Mn55Si2MnB60Si2MnSi和Mn提高弹性极限和屈强比，提高淬透性以及回火稳定性和抗松弛稳定性，过热敏感性也较小，但脱碳倾向较大。

车辆、拖拉机和炮车上和较重要板簧和圆弹簧铬锰弹簧钢：

50CrMn较高强度、塑性和韧性，过热敏感性比锰钢低，比硅锰钢高，对回火脆性较敏感，回火后宜快冷在腐蚀性介质中使用的弹簧不锈钢：

0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti良好的防锈及抗腐蚀能力。

电器、仪表弹簧及在腐蚀性介质中工作的弹性元件黄铜、锡青铜、铝青铜、铍青铜具有良好的导电性、非磁性、耐蚀性、耐低温性及弹性。

四、刃具的选材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300C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62HRC68HRC,切削温度可达500C550C,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（89HRA94HRA）,耐磨性、耐热性好,使用温度可达1000C。

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（Si3N4）陶瓷显微硬度为5000HV,耐热温度可达1400C。

陶瓷刀具一般为正方形、等边三角形的