《工程材料及成型技术》课件 第9章 工程材料的选用

2025/11/05工程材料的选用李云霞CONTENTS目录01

汽车发动机零件的材料选用02

机床主轴的材料选用03

工程材料选用的综合分析04

工程材料选用的趋势与展望汽车发动机零件的材料选用01汽车发动机的结构发动机整体组成系统由曲柄连杆机构、配气机构、冷却系统、润滑系统、点火系统、启动系统和燃油供给系统等部分组成，各系统协同保障发动机运行。发动机本体结构主要包括气缸盖、气缸体、曲轴箱和油底壳，需密封垫和螺栓辅助，作用是吸收作用力、密封燃烧室及相关流体、固定各部件。核心运动机构曲柄连杆机构含活塞连杆组（活塞、活塞环、活塞销）和曲轴飞轮组（曲轴、飞轮），将热能转为机械能；配气机构由气门组和传动组构成，控制进排气过程。辅助系统部件冷却系统有水泵、散热器等，调节温度；润滑系统含机油泵、滤清器等，减少磨损；点火系统（蓄电池、点火线圈等）产生电火花；启动系统（蓄电池、起动机）助力启动；燃油供给系统（油箱、喷油嘴等）提供燃料。汽车发动机的工作原理

四冲程发动机工作过程进气冲程：进气门开，排气门关，活塞下行吸入混合气；压缩冲程：进排气门关闭，活塞上行压缩混合气，温度压力升高；做功冲程：火花塞点燃混合气，推动活塞下行输出动力；排气冲程：排气门开，活塞上行排出废气。

不同类型发动机冲程差异二冲程发动机一个工作循环仅需两个冲程；六冲程发动机在四冲程基础上增加水蒸气做功冲程以提高效率；往复式发动机通过活塞直线运动转化旋转动力，转子发动机则通过转子旋转完成类似过程。缸体、缸盖的材料选用

缸体、缸盖的工作环境与作用与高温高压燃气接触，承受热负荷和机械负荷，缸盖内部有水套与缸体水孔相通，缸体需安装众多零件并引导活塞运动、散发余热，缸盖构造复杂含多种孔道及燃烧室相关结构。

铸铁材料特性及应用常用灰铸铁（含Ni、Cr等元素的优质灰铸铁）、球墨铸铁或蠕墨铸铁，优点是耐磨性、耐腐蚀性、高强度、良好铸造工艺性、减震性及加工性能，缺点是重量大、散热性较差、摩擦系数高，适合需高强度和耐磨性场景。

铝合金材料特性及应用重量轻、导热性好，能减少冷却液容量、快速达到工作温度，与铝活塞热膨胀系数相同，受热间隙变化小，减少冲击噪声和机油消耗，缺点是耐腐蚀性较差、成本较高，适合注重轻量化和热管理的应用。

新型材料应用部分厂商采用镁、铝合金复合材料缸体，以降低发动机重量并提高抗负荷能力。曲轴的材料选用曲轴功能前端驱动配气机构、水泵等附属机构，后端安装飞轮，轴颈和连杆轴颈为关键滑动配合部位，需表面淬火等强化处理以提高抗疲劳强度。汽油机及小型柴油机曲轴材料常用球墨铸铁QT700-3、QT800-2等，以及优质碳素钢如45、40Cr钢，在较小功率发动机中表现出色。中、重型柴油机曲轴材料因功率较大，常采用合金调质钢如48MnV、35CrMo等，以确保足够的强度和刚性。连杆的材料选用连杆作用

连接活塞和曲轴，将活塞往复运动转变为曲轴旋转运动，传递缸内气体燃烧产生的压力。各类连杆材料特性及适用车辆

钢材：成本低但重量大，适合一般车辆；铝合金：重量轻，适合追求燃油效率和轻量化的车辆；球墨铸铁：强度高，适合需要高耐久性的车辆；钛合金：高强度、低密度，适合高性能车辆；碳纤维：极轻且强，适合顶级赛车和超级跑车；工程塑料：隔音效果强，适合发动机罩盖类零件。活塞的材料选用

活塞作用承受气缸内气体压力，通过活塞销将压力传给连杆以推动曲轴旋转，顶部与气缸盖、气缸壁共同组成燃烧室。主要活塞材料及特点铝合金：最常见，具有较高强度和导热性，适合高温高压环境；铸铁：耐磨性和强度较高，常用于高压缩比、强耐压能力的柴油机；钢：高强度和耐腐蚀性；镁铝合金：轻量化和高硬度，适用于高性能发动机。轴承、轴瓦的材料选用轴承、轴瓦工作要求需支撑曲轴传递的力与转动，在恶劣工作环境下需具备良好耐磨性、耐高温性和耐蚀性。主要材料及优势汽车曲轴轴承主要采用铝锆合金和复合材料，具有轻质、高强度和良好综合性能；球墨铸铁因高强度和出色耐磨性，在承受高速运转和大负荷挑战时被广泛使用。材料选择影响因素受发动机功率、性能需求和成本等多方面因素影响，需综合考量以适应不同工作场景。汽车发动机零件选材及热处理汇总

主要零件材料牌号缸体、缸盖常用HT250、RuT350、ZL119等；曲轴有QT800-3、QT900-2、42CrMoA等；连杆、连杆螺栓等选用45、40Gr、40MnB等；轴承、轴瓦使用轴承钢、合金钢背等。

零件性能要求与失效方式缸体、缸盖需具备刚度、强度等，失效方式为裂纹、磨损等；曲轴要求刚度、强度、耐磨性等，失效表现为磨损、断裂；连杆等需刚度、疲劳抗力等，可能过量变形或断裂。

热处理方式缸体、缸盖一般不处理或去应力退火；曲轴进行表面淬火、圆角滚压、氮化等；连杆等需调质、探伤；轴承材料进行相应去应力处理；气门弹簧采用淬火、中温回火。机床主轴的材料选用02机床主轴的工作条件核心功能定位机床主轴主要作用为支撑齿轮、卡盘等传动零件，传递运动和扭矩，并装夹工件或刀具，是机床动力传输与精度保证的核心部件。精度影响机制主轴回转精度直接决定零件加工精度与表面质量，需在特定速度范围内提供切削所需功率和扭矩，确保加工效率与稳定性。主轴材料选择的影响因素

强度与刚度要求需承受高速旋转与工作负载应力，中碳钢材（如45钢、40Cr）经调质处理可提供良好综合力学性能，满足基础强度需求。

耐磨性考量与工件或传动件摩擦易产生磨损，硬质合金、特殊涂层材料及表面淬火工艺可显著提升耐磨性，适用于高接触应力场景。

导热性要求高速运转产生大量热量，高温合金等导热性能优异的材料有助于热量传导分散，维持主轴温度稳定，保障加工精度。主轴表面处理方法

硬化处理通过热处理或化学处理形成表面硬化层，提高主轴硬度与耐磨性，延长使用寿命，适用于轴颈等高应力接触区域。

镀铬（镀Cr）工艺将主轴表面浸泡于Cr盐溶液形成铬镀层，具备优异耐磨性与耐腐蚀性，有效保护主轴表面免受磨损与腐蚀。

涂层技术涂覆金属陶瓷或陶瓷涂层，提升表面硬度与摩擦性能，适用于高精度、高转速机床主轴，优化表面质量与使用性能。机床主轴材料选用实例（一）轻中载低转速场景与滚动轴承配合、精度要求不高时，选用45钢，经正火或调质处理，硬度达220~250HBS，满足一般简式机床需求，如轻型车床。轻中载较高转速场景轻中载荷、转速略高且精度要求不太高时，45钢经整体或局部淬火，硬度40~45HRC，适用于龙门铣床、摇臂钻床等。中载较高精度场景中载、转速较高、精度要求较高且冲击疲劳较小时，选用40Cr，整体或局部淬火后硬度42~52HRC，如组合机床主轴。机床主轴材料选用实例（二）

中载高冲击场景与滑动轴承配合、中载高冲击且精度较高时，40Cr轴颈及配件装拆处表面淬火，硬度分别达52~58HRC和250HRC，如车床主轴。

高精度高转速场景中载、转速很高且精度要求极高时，38CrMoAl经调质+氮化处理，硬度250~280HBS，适用于高精度磨床及精密铣床主轴。

重载高冲击场景重载、转速高且冲击疲劳载荷较大时，20CrMnTi渗碳淬火后硬度56~62HRC，心部强度与韧性优异，用于载荷较重的组合机床。工程材料选用的综合分析03汽车发动机与机床主轴选材对比

选材依据的异同相同点：均需考虑强度、刚度及耐磨性以满足工作负荷需求。不同点：汽车发动机零件需兼顾轻量化与散热性（如铝合金缸体），机床主轴则更注重回转精度与抗疲劳性能（如38CrMoAl氮化处理）。

材料性能要求差异发动机零件强调耐高温与冲击韧性（如球墨铸铁曲轴），机床主轴侧重高精度与表面硬度（如20CrMnTi渗碳淬火）。环境适应性方面，发动机需耐腐蚀性，主轴需长期稳定性。

关键影响因素分析发动机选材受动力输出与能耗制约，机床主轴则由加工精度与转速决定。例如，柴油机因高压选用蠕墨铸铁缸体，精密磨床主轴采用氮化钢以减少变形。材料性能与零件功能的匹配关系

01强度与载荷的匹配原则重载零件（如发动机连杆）选用40Cr调质钢，保证屈服强度≥785MPa；轻载结构件（如油底壳）采用Q235钢，满足基本刚度即可。

02硬度与耐磨性的适配逻辑滑动摩擦部件（如轴瓦）采用铝锆合金，硬度达50-60HRC；滚动轴承配合的主轴（如45钢）硬度控制在220-250HBS，平衡耐磨性与减震性。

03环境适应性对选材的影响高温环境（如燃烧室）选用镍铬合金铸铁，耐温≥600℃；腐蚀环境（如冷却系统）采用不锈钢，确保耐蚀性等级≥C2。

04匹配性对可靠性的作用合理选材可使零件寿命提升30%以上，如铝合金活塞因导热性适配发动机散热需求，故障率降低25%。热处理对材料性能的优化作用

淬火+回火的强化效果60Si2Mn弹簧钢经淬火+中温回火后，弹性极限提高至1200MPa，疲劳寿命延长2倍，适用于气门弹簧。渗碳工艺的表面硬化作用20CrMnTi齿轮渗碳后表面硬度达56-62HRC，心部保持200-300HBS韧性，耐磨性提升40%，冲击韧性≥90J/cm²。

氮化处理的精度保持优势38CrMoAl主轴氮化后表面硬度达800-1000HV，变形量＜0.01mm，适用于高精度磨床，精度寿命延长50%。

去应力退火的稳定性提升工程材料选用的趋势与展望03新型材料在工程领域的应用前景

复合材料在汽车发动机中的应用潜力复合材料如镁铝合金复合材料缸体，可降低发动机重量并提高抗负荷能力，其轻量化特性有助于提升燃油效率，在注重节能的车型中应用前景广阔。

高温合金在机床主轴中的应用潜力高温合金具有良好的导热性能，能在机床主轴高速运转时有效传导和分散热量，保持主轴温度稳定，对提高加工精度和效率有积极作用。

新型材料对设备性能提升的作用复合材料的轻量化可降低设备能耗，高温合金的耐热性和耐磨性能延长设备使用寿命，这些新型材料的应用有助于全面提升工程设备的综合性能。材料选用与绿色制造的结合材料选用考虑环保的重要性在材料选用时注重环保，可减少生产和使用过程中的污染物排放，如选择可回收的铝合金材料，能降低对自然资源的消耗和环境压力。材料选用考虑可持续性的重要性可持续性材料的选用有助于实现资源的循环利用，例如工程塑料在发动机罩盖类零件中的应用，其隔音效果好且部分可回收，符合可持续发展要求。绿色制造理念下材料选用的发展方向未来材料选用将更倾向于低能耗、低污染、可回收的绿色材料，同时结合材料的高性能，实现环保与设备性能提升的协同发展。给零件找搭档（材料）车辆缓冲弹簧机床床身发动机连杆螺栓机用大钻头精密铣床主轴自行车车架车床丝杆螺母电风扇机壳油箱密封垫圈粗车铸铁车刀手工锯条汽车用轴瓦汽车变速箱齿轮20CrMnTiHT20038CrMoAl45钢ZCuSn10Pbl40CrT12AZPbSb16Sn16Cu2Q235W18Cr4V60Si2MnYG6ZL102橡胶----------