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。