《汽车应用材料》-14-情境2汽车用钢铁材料-典型汽车零件的选材

2026年4月9日汽车制造过程中，从设计新产品、改造老产品，到维修、更换零件，都会涉及到零件的选材、热处理工艺的确定和热处理工序安排等问题。

工作条件材料分析零件的失效形式选择合适的性能要求毛坯以汽车上典型零件为例，介绍汽车零件的选材方法及步骤。问题引入2026年4月9日一、失效：当零件由于某种原因而丧失某种功能，即失效。例：齿轮磨损、主轴变形、弹簧无弹性等。零件失效，会带来很大的危害，甚至严重的事故。二、失效形式

1.断裂失效——零件完全断裂而无法工作的失效。

2.过量变形失效——零件的变形超过了允许范围而造成的失效。

3.表面损伤——指表面磨损、腐蚀、疲劳等。刀具变钝、齿面点蚀、金属表面生锈等。零件的失效2026年4月9日比利时阿尔伯特运河钢桥因磷高产生冷脆性于1938年冬发生断裂坠入河中1943年美国T-2油轮发生断裂零件的失效2026年4月9日零件的失效韧性断裂失效脆性断裂失效2026年4月9日

三、失效的原因

1.设计不合理:结构形状设计不合理；计算错误、工作条件估计错误。

2.选材不合理：选材不当、材质低劣。

3.加工工艺不当：铸、锻、焊、热处理、切削加工。

4.安装使用不正确：安装不良、操作失误、过载使用。四、失效分析的方法

1.现场勘察：察看失效件的部位、形式，弄清工作条件和失效过程，收集失效零件的残体，必要时拍照留据。

2.整理资料：整理失效零件的设计资料、加工工艺文件及使用维修记录。

3.测试分析：对失效件进行断口金相分析、表面质量分析，找出失效起源、部位，确定失效形式。

4.综合分析：综合以上资料，判断失效原因，提出改进措施，写出分析报告零件的失效2026年4月9日1.设计新产品——减速器（箱体、齿轮、轴、销、螺钉、螺母）

汽车车身、底盘零部件、发动机零件等。2.改变原设计——图示凸轮轴：由无配作孔，改为有配作孔。工艺路线：下料——加工槽——渗碳——加工内孔及鱼眼孔——淬火、低回——配作3.已经标准化的零件——只需选用某一规格，很少涉及选材。选材的原则2026年4月9日1.使用性能：是保证零件完成规定功能的必要条件。

力学性能是使用性能的重要部分。是在分析工作条件和失效形式的基础上提出的选材的原则2.工艺性能——材料适应某种加工的难易程度。铸件——铸造性能：铸AI、Cu＞铸Fe（灰铸铁最好）＞铸钢锻件——锻造性能：碳钢＞合金钢；低碳钢＞高碳钢焊件——焊接性能：低碳钢（Q235）、低合金高强钢（16Mn）好切削加工性——170-280HBS最好热处理件——热处理工艺性（淬透性、淬硬性，变形开裂倾向等）3.经济性——在满足前两条的前提下，尽量降低零件的总成本。能铸不锻，能铁不钢2026年4月9日1.铸造毛坯——形状复杂，受压应力为主，不受冲击载荷的一般结构件。例如：汽车曲轴、机架、箱体类形状不规则、结构复杂且要求较高的减震性、耐磨性，选铸件。2.锻造毛坯——受力复杂，承受载荷大的重要件。例：汽车变速齿轮。3.板料冲压——汽车车身外覆件。4.焊接结构——金属结构。例：汽车车身、支架、备胎架。5.型材：形状简单的零件，可直接利用型材（板、线、棒、角

钢、工字钢等）。毛坯的选择2026年4月9日

铸件——曲轴、变速箱壳

汽车锻件——变速齿轮焊接件——车身、车架冲压件——箱板

毛坯的选择2026年4月9日任务2.6典型汽车零件的选材2.6.2汽车轴类零件的选材2.6.1汽车齿轮的选材2.6.4汽车箱体类零件的选材2.6.3

汽车弹簧的选材2.6.5

其他零件的选材2026年4月9日齿轮是仪表、汽车、拖拉机、矿山机械、农用机械的重要零件。其作用是传递动力、改变运动速度和运动方向。受力情况

1）由于传递扭矩，齿根承受较大的交变弯曲应力。

2）齿面相互滑动和滚动，承受较大的接触力，并发生强烈的摩擦。

3）由于换档、启动或啮合不良，承受一定的冲击。失效形式

1）疲劳、过载断裂：主要发生在齿根，是齿轮最严重的失效形式。

2）齿面磨损、剥落。汽车齿轮的选材2026年4月9日

当齿轮受力超过材料的弯曲疲劳极限时，

齿根处产生疲劳裂纹，并不断扩展使轮齿断裂。突然过载、严重磨损及安装制造误差等也会造成轮齿折断。

提高轮齿抗折断能力措施之一：对齿轮进行热处理以提高齿轮的强度。汽车齿轮的选材——齿轮常见的失效形式1.轮齿折断2026年4月9日

灰尘、砂粒、金属微粒等落入轮齿间，会使齿面间产生摩擦磨损。严重时会因齿面减薄过多而折断。磨损是开式传动的主要失效形式。

采用闭式传动；主要措施提高齿面硬度；降低齿面粗糙度；采用清洁的润滑油。2.齿面磨损：汽车齿轮的选材——齿轮常见的失效形式2026年4月9日

轮齿工作面某一固定点受到近似脉动的交变应力作用，由于疲劳而产生的麻点状剥蚀损伤的现象。点蚀是闭式传动常见的失效形式。主要措施：提高齿面硬度、降低齿面粗糙度、增大润滑油粘度。3.齿面点蚀：汽车齿轮的选材——齿轮常见的失效形式2026年4月9日

高速重载传动中，齿面间压力大，瞬时温度高，润滑油模被破坏，齿面间会发生粘接在一起的现象，在轮齿表面沿滑动方向出现条状伤痕，称为胶合。防止措施：提高齿面硬度、降低齿面粗糙度、增大润滑油粘度、限制油温。——齿轮常见的失效形式4.齿面胶合：汽车齿轮的选材2026年4月9日重载且摩擦力很大时，齿面较软的轮齿表面就会沿摩擦力方向产生塑性变形。措施：提高齿面硬度；增大润滑油粘度。——齿轮常见的失效形式5.塑性变形：汽车齿轮的选材2026年4月9日

1）高强度（弯曲疲劳强度和接触疲劳强度）性能要求2）轮齿心部足够的强韧性；

3）齿面有高的硬度和耐磨性。

非重要齿轮：HT250、HT300、QT600-3

选材中碳、中合金钢：45、40Cr

重要齿轮渗碳钢：20Cr、20CrMnTi、30CrMnTi汽车齿轮的选材——性能要求2026年4月9日

汽车齿轮主要安装在变速器和差速器中：变速器齿轮用以改变发动机、曲轴和主轴齿轮的速比，改变速度；差速器中的齿轮用以调节左右轮的转速，改变方向。发动机的全部动力均通过齿轮传给主轴，推动汽车运行。所以，汽车齿轮受力较大，受冲击频繁，对其耐磨性、疲劳强度、心部强度以及冲击韧性要求均比一般机床齿轮高。载重汽车变速箱齿轮（1）汽车齿轮汽车齿轮的选材汽车差速器2026年4月9日汽车齿轮选材：20Cr或20CrMnTi，并经渗碳+淬火+低回等热处理强化后使用。工艺路线：下料→锻造→正火→切削加工→渗碳、淬火、低回

→喷丸→磨削加工

正火：消除锻造应力，提高硬度，改善切削加工性。

渗碳：提高表面碳含量，保证淬火后得到高硬度、高耐磨性和接触疲劳强度。

淬火：心部获得高强韧性，表面获得高强度、硬度、耐磨性

低回：消除淬火应力，，降低脆性保持淬火后的高硬度、耐磨性。

喷丸：增大表面压应力，提高疲劳强度，并清除氧化皮。汽车齿轮的选材——典型汽车齿轮的选材2026年4月9日

HT150——汽车发动机凸轮轴齿轮

Q235——汽车里程表齿轮

40、45——汽车曲轴正时齿轮

40Cr——分动器齿轮-碳氮共渗

15Cr、20Cr——汽车起动机齿轮

20CrMnTi——汽车变速器齿轮表4-25汽车齿轮常用钢种及热处理方法汽车齿轮的选材——典型汽车齿轮的选材2026年4月9日轴是汽车上的最重要零件之一，主要用于支撑传动零件（如齿轮、凸轮等）传递运动和动力。对轴类零件的性能要求为：（1）良好的综合力学性能；（2）高的疲劳强度，以防疲劳断裂；（3）足够的淬透性，保证其淬火变形小；（4）良好的切削加工性能，价格便宜。汽车轴类零件的选材2026年4月9日中碳钢：综合力学性能较高，对应力集中敏感性小，价格便宜，中小型轴类零件使用较多。如：40、45合金钢——比碳钢具有更好的综合力学性能和热处理工艺性，但对应力集中较敏感，价格较高，所以，当载荷较大、截面尺寸较大时，采用合金钢。如：40Cr、40CrNi、20CrMnTi等，采用相应的热处理才能充分发挥其作用。除了碳钢和合金钢，还可采用球铁和高强度灰铸铁作为轴的材料，特别是曲轴的材料选用。选材——锻造或轧制的中碳钢或合金钢制造。汽车轴类零件的选材2026年4月9日汽车轴类零件的选材——汽车发动机曲轴的选材2026年4月9日曲轴是汽车发动机中的重要零件之一。工作条件——工作中受到弯曲、扭转、剪切、拉压、冲击及交变应力。曲轴的形状极不规则，其上的应力分布极不均匀，轴颈与轴承还发生滑动摩擦。失效形式——疲劳断裂和轴颈严重磨损两种。性能要求——（1）足够高的强度和一定的韧性；（2）轴颈表面有高的硬度和耐磨性。汽车轴类零件的选材——汽车发动机曲轴的选材2026年4月9日锻造曲轴——采用中碳钢和中碳合金钢制造：

30、35、35Mn2、40Cr、35CrMo等，经模锻、调质、切削加工后对轴颈部进行表面淬火。铸造曲轴——由铸钢、球墨铸铁、珠光体可锻铸铁及合金铸铁等制造，如ZG230-450、QT600-3、KTZ450-5、

KTZ500-4等。

铸钢曲轴经铸造、高温正火、高温回火、切削加工后对轴颈进行气体渗碳、淬火、回火处理。毛坯——锻造毛坯和铸造毛坯。汽车轴类零件的选材——汽车发动机曲轴的选材2026年4月9日半轴是驱动车轮转动的直接驱动零件，也是汽车后桥中的重要受力部件。工作条件——主要承受扭转力矩、交变弯曲应力及一定的冲击载荷。失效形式——疲劳断裂（在轴的杆部和凸缘的连接处、花键端以及花键与杆部相连的部位）。性能要求——高的抗弯强度、疲劳强度和较好的韧性，即要求综合力学性能较高。选材——调质钢制造。中、小型汽车半轴一般用45钢、40Cr制造；重型汽车用40MnB、40CrNi或40CrMnMo等。工艺——调质处理+表面淬火+低温回火。常用喷丸处理及滚压凸缘根部圆角等方法来提高其疲劳强度。汽车轴类零件的选材——汽车半轴的选材2026年4月9日弹簧是一种重要的机械零件。它是利用弹性变形来吸收能量和缓冲振动的。主要有螺旋弹簧、板弹簧、蜗卷弹簧等。不同的弹簧用途不同：汽车、拖拉机、火车中的悬挂弹簧，起缓冲或减震作用；汽车发动机中的气门弹簧，在外力去除后能自动恢复到原来位置，起到复位作用；钟表、玩具中的法条起储存和释放能量的作用。汽车弹簧的选材2026年4月9日汽车弹簧的选材2026年4月9日汽车板簧大型热卷弹簧热卷大弹簧弹簧丝汽车弹簧的选材2026年4月9日工作条件——在冲击、振动和交变应力作用下工作。性能要求——①高的弹性极限和高的屈强比；②高疲劳强度以及一定的塑性和韧性；③特殊弹簧还要有良好的耐热性和耐腐蚀性。选材——①中高碳钢：淬透性和强度较低，只能用来制造截面较小、受力较小的弹簧。②合金弹簧钢可制造截面较大、屈服极限较高的重要弹簧。汽车弹簧的选材2026年4月9日火车螺旋弹簧汽车板簧汽车板簧汽车弹簧的选材——汽车板簧的选材2026年4月9日汽车板簧：用于缓冲和吸振，承受很大的交变应力和冲击载荷。属于截面较大，受力较大的重要弹簧。选材——合金弹簧钢制造：65Mn、60Si2Mn钢等。①中、重型汽车，采用50CrMn、55SiMnVB钢；②中型载货汽车，则采用55SiMnV、55SiMnVNb。工艺——热轧钢板冲裁下料→热压成型→淬火、中温回火→喷丸→装配。汽车弹簧的选材——汽车板簧的选材2026年4月9日汽车板簧淬火线汽车弹簧的选材——汽车板簧的选材2026年4月9日气门弹簧——是一种压缩螺旋弹簧，其作用是使气门打开和关闭，即起复位作用。选材——气门弹簧受力不是很大，但工作温度较高，可选用有一定耐热性的50CrVA钢制造。工艺路线——冷卷成型→淬火、中温回火→喷丸→两端磨平。汽车弹簧的选材——气门弹簧的选材2026年4月9日图4-10内燃机汽缸体箱体类零件的选材2026年4月9日箱体类零件结构复杂，具有不规则的外形和内腔，且壁厚不均匀。汽车上的箱体类零件有内燃机汽缸体、汽缸盖、变速箱壳体、驱动桥壳等。工作条件——受力不大，但要求有良好的刚度

和密封性。箱体类零件的选材2026年4月9日选材——以铸件为毛坯，且以铸造性能良好、价格低、并具有

良好的耐压、耐磨、减摩性的灰铸铁为主。1.质量要求不严格的：

一般内燃机的汽缸盖、汽缸盖罩可采用灰铸铁；大马力柴油机汽缸盖可用

蠕墨铸铁制造。灰铸铁的汽缸盖和汽缸盖罩箱体类零件的选材2026年4月9日蠕墨铸铁汽缸体灰铸铁汽缸体箱体类零件的选材2026年4月9日2.受力复杂或受冲击载荷的箱体采用铸钢、可锻铸铁或球墨铸铁制造，如汽车的驱动桥壳。可锻铸铁制造的汽车后桥外壳铸铁件应进行去应力退火或时效处理；铸钢件常采用完全退火或正火处理

箱体类零件的选材2026年4月9日3.小轿车发动机汽缸体、汽缸盖可选用质量轻、导热良好的铝合金制造

汽缸头铝合金制造的汽缸体、汽缸头

箱体类零件的选材2026年4月9日工作条件——发动机汽缸内壁受到强烈的摩擦。因此，汽缸的缸体一般采用普通铸铁或

铝合金制造，而汽缸工作面则用耐磨材料制成缸套镶入汽缸。常用材料——耐磨合金铸铁：高磷铸铁、硼铸铁、合金铸铁工艺——为了提高缸套的耐磨性，可用镀铬、表面淬火、喷镀等办法对缸套进行表面处理。其他零件的选材——发动机汽缸套的选材2026年4月9日活塞组：活塞、活塞销和活塞环等零件，组成活塞组，与缸体、缸盖配合形成一个容积变化的密闭空间，以完成内燃机的工作过程。图4-11汽车活塞组其他零件的选材——活塞组的选材2026年4月9日①活塞——常用材料是铝硅合金。工艺——进行固溶处理+人工失效，以提高表面硬度。②活塞销——传递力矩比较大，且承受交变载荷。要求活塞销有足够的刚度、强度及耐磨性，还要求外硬内韧，同时具有较高的疲劳强度和冲击韧性。一般用20、20Cr、18CrMnTi等合金渗碳钢

其他零件的选材——活塞组的选材2026年4月9日③活塞环——应有一定的耐磨性、韧性以及良好的耐热性、导热性和易加工性等性能特点。

材料——多用珠光体灰铸铁或合金铸铁，也可采用球墨铸铁或可锻铸铁。

工艺——为了改善活塞环的性能，应进行表面处理。

镀铬可使活塞环的使用寿命提高2~3倍。还可进行喷镀、磷化、氧化等。其他零件的选材——活塞组的选材2026年4月9日奔驰连杆其他零件的选材——连杆的选材2026年4月9日连杆是汽车发动机中的重要零件。其作用是连接活塞和曲轴，并将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，把作用在活塞上的力传给曲轴以输出功率。工作条件——工作时受到复杂的拉、压应力的作用，还承受气体做功时的冲击载荷。失效形式——疲劳断裂和过量变形。性能要求——良好的综合力学性能和高的疲劳强度。材料——中碳钢和中碳合金钢：45、40Cr、40MnB等。其他零件的选材——连杆的选材2026年4月9日气门主要作用是打开和关闭进、排气道。工作条件——气门工作时要承受较高的机械负荷和热负荷，尤其是排气门工作温度高达850℃。气门头部还承受气体压力及落座时因惯性力而产生的相当大的冲击。气门常出