汽车发动机曲轴材料的选择及工艺设计
专业课程设计任务书
学生姓名：班级：
设计题目：汽车发动机曲轴材料的选择及工艺设计
设计内容：
1、根据零件工作原理，服役条件，提出机械性能要求和技术要求。
2、选材，并分析选材依据。
3、制订零件加工工艺路线，分析各热加工工序的作用。
4、制订热处理工艺卡，画出热处理工艺曲线，对各种热处理工艺进行分
析，并分析所得到的组织，说明组织及性能的检测方法与使用的仪器设备。
5、分析热处理过程中可能产生的缺陷及补救措施。
6、分析零件在使用过程中可能出现的失效方式及修复措施。
目录
0 前言 (1)
1 汽车发动机曲轴的工作条件及性能要求 (2)
1.1 汽车发动机曲轴的工作条件 (3)
1.2 汽车发动机曲轴的性能要求及技术要求 (3)
2 汽车发动机曲轴的材料选择及分析 (4)
2.1 零件材料选择的基本原则 (4)
2.2 曲轴常用材料简介 (5)
2.3 汽车发动机曲轴材料的确定 (5)
3 曲轴的加工工艺路线及热处理工艺的制定 (6)
3.1 35CrMo曲轴热处理要求 (6)
3.2 汽车曲轴的热处理工艺的制定 (6)
3.2.1 调质处理 (7)
3.2.2 去应力退火 (8)
3.2.3 圆角高频淬火和低温回火 (9)
4 曲轴热处理过程中可能产生的缺陷及预防措施 (11)
4.1 校直过程引起材料原始裂纹 (11)
4.2 曲轴圆角淬火不当引起裂纹源 (12)
4.3 淬火畸变与淬火裂纹 (12)
4.4 淬火导致氧化、脱碳、过热、过烧 (13)
4.5 淬火硬度不足 (13)
5 曲轴在使用过程中可能产生的失效形式及分析 (13)
6 课程设计的收获与体会 (14)
7 参考文献 (15)
8 工艺卡 (16)
0前言
发动机是汽车的“心脏”，而曲轴是发动机的关键零部件，是发动机中成本最高的零件。现代化的发动机对曲轴毛坯提出了有6拐、呈120°分布、带12个整体平衡块的要求。在机型改造的过程中，首先遇到的问题就是曲轴强度不足，一般是通过加粗轴颈、优选材质和表面强化等方法来增大曲轴强度，从而满足功率提高的要求。加粗轴颈在生产实践中受到各方面条件的限制，应用范围较窄，所以选择合适的材料和适宜的表面强化方法是解决曲轴强度的主要途径。
曲轴一般由主轴颈、连杆轴颈、曲柄、平衡块、前端和后端等组成。
曲轴是汽车发动机的最关键的零部件之一，曲轴的性能在很大程度上影响着汽车发动机的可靠性与寿命,它与连杆配合将作用在活塞上的气体压力变为旋转的动力，传给底盘的传动机构，同时，驱动配气机构和其它辅助装罝。曲轴在周期性变化的气体力、惯性力及其力矩的共同作用下工作，承受弯曲和扭转交变载荷，受力大而且受力复杂，同吋，曲轴又是高速旋转件。因此，曲轴应有足够的抗弯曲、抗扭转的疲劳强度和刚度；轴颈应有足够大的承压表面和耐磨性；曲轴的质量应尽量小；对各轴颈的润滑应该充分。
另外，曲轴在发动机中承担着最大的负荷和全部的功率，承担着强大的方向不断变化的弯矩和扭矩，同时承受着长时间的高速运转的磨损，圆角过渡处处于薄弱环节，主轴颈与圆角的过渡处更为严重。因而，需要合适的热处理工艺，以保证其达到所要求的各项性能指标。曲轴工作过程中，往复的惯性力和离心力使之承受很大的弯曲---扭转应力，轴颈表面容易磨损，且轴颈与曲臂的过渡圆角处最为薄弱。除曲轴的材质，加工因素外，曲轴的工作条件（温度、环境介质、负荷特性）等都是影响曲轴服役的重要因素。
1汽车发动机曲轴的工作条件和性能要求
1.1 汽车发动机曲轴的工作条件
曲轴工作过程中，往复的惯性力和离心力使之承受很大的弯曲---扭转应力；曲轴在周期性变化的气体力、惯性力及其力矩的共同作用下工作，承受弯曲和扭转交变载荷，受力大而且受力复杂，同吋，曲轴又是高速旋转件。因此，轴颈表面容易磨损，且轴颈与曲臂的过渡圆角处最为薄弱。除曲轴的材质，加工因素外，曲轴的工作条件（温度、环境介质、负荷特性）等都是影响曲轴服役的重要因素。
1.2汽车发动机曲轴的性能要求及技术要求
曲轴应有足够的抗弯曲、抗扭转的疲劳强度和刚度；轴颈应有足够大的承压表面和耐磨性；曲轴的质量应尽量小；对各轴颈的润滑应该充分，需要合适的热处理工艺，以保证其达到所要求的各项性能指标。
由于发动机曲轴的服役条件比较苛刻，这就给了曲轴材料较高的要求。曲轴材料需要有较高的强度、冲击韧性、耐磨性。一般采用锻造钢和球墨铸铁，锻钢需要进行热处理采用调质，即淬火后高温回火，使材料具有较高的综合机械性能，轴径表面再进行表面淬火，提高表面硬度及耐磨性。球墨铸铁曲轴采取等温回火、中频淬火、激光淬火等热处理工艺。
为此，对曲轴提出以下技术要求：
硬度：216～269HB
2汽车发动机曲轴材料的选择及分析
2.1零件材料选择的基本原则
(1) 材料的机械性
实践中根据零件的失效分析，提出对零件的技术要求，然后从材料及其强化人手解决零件的失效问题，已成为材料强度科学研究的主要内容零件的失效除了与材料及热处理有关外, 还与服役条件有关.各种零件的服役条件不同，其失效形式也不同，选择材料应以此为依据。(2) 材料的工艺性能
金属零件是由金属材料经过若干加工工序而成，在选择材料时必须考虑各个加工工序对材料的要求。所艺性能中，不可忽视热处理工艺性。例如，在设计结构形状复杂的零件时，应选用淬火变形小的钢或选用油淬钢而避免用水淬钢。一般低碳钢的压力加工和切削性能均较好，因此在机械性能和淬透性能均能满足设计要求时应尽量选用碳钢。
（3）材料的经济性
一般来说，碳钢比合金钢便宜，凡用碳钢能解决问题的，就应选用碳钢，实在不行时才用合金钢。即便使用合金钢。也必须把市场可供性和节本增效作为零件选材的指导思想。在满足零件使用性能的前提下，应从实际出发，做到材尽其用，发挥材料的潜力，以降低生产成本。
2.2 曲轴常用材料简介
曲轴按材料分为球墨铸铁曲轴和锻钢曲轴两种。新标准规定球墨铸铁曲轴材料力学性能不低于QT700-2 的牌号。即抗拉强度不低于700 N/mm2、断后伸长率不低于2％。锻钢曲轴材料采用45#、40Cr、40MnB、35CrMo 等牌号的钢或采用力学性能不低于这些牌号的其它钢材制造。新、旧标准关于材料的上述规定不存在差异。
汽车发动机曲轴材料的选择要根据不同车辆的使用具体情况，攒泽不同的性能材料。目前，我国的汽车曲轴分类大致分为家用轿车、载重车、重载车、重型载重车、大马力柴油机。他们所使用的材料我们可以见图1，考虑其经济性和加工工艺，结合最终将获得的曲轴性能，确定我们所需要的材料，具体见图1.
汽车发动机曲轴一般采用QT700-2 、QT800-2及QT900-2等牌号的球墨铸铁和45#、35CrMo、40Cr、40MnB、42CrMo等牌号的锻钢制造。下面我们结合不同车辆的曲轴选择不同的材料。比较他们的性能，选择满足我们工艺要求的材料。
常用曲轴材料及其热处理工艺见表1。
表 1 常用曲轴材料及其热处理工艺
(1) 选材要求: 首先，应满足曲轴的力学性能，它取决与发动机设计的强度水平。其次，考虑曲轴的疲劳强度和耐磨性。（与材料本身的成分及热处理后的性能有关）。
(2) 曲轴材料的要求根据JB∕T6727，曲轴对材料的要求如下：
①钢的含碳量要精选，含碳量的变化范围应不大于0.05％(质量分数)；钢的含S .P 量应不大于0.0025％（质量分数）。
②钢的非金属夹杂物，脆性夹杂物，塑性夹杂物应不超过GB10561 规
定的2.5 级。
③钢的淬透性应按GB255 进行测定，其淬透性曲线应在所用的钢号的淬透性范围内。
不同材料所含主要成分的含量见表2
表2 不同材料所含主要成分的含量
由于曲轴需要承受交变的弯曲—扭转载荷以及发动机的大的功率。因此，要求其具有高的强度，良好的耐磨、耐疲劳性以、及循环韧性。同时，曲轴材料需要有较高的强度、冲击韧性、耐磨性。一般采用锻造钢和球墨铸铁，锻钢需要进行热处理采用调质，即淬火后高温回火，使材料具有较高的综合机械性能，轴径表面再进行表面淬火，提高表面硬度及耐磨性。球墨铸铁曲轴采取等温回火、中频淬火、激光淬火等热处理工艺。
通过对不同材料所含主要成分的含量我们可以确定材料成本比较经济的材料，但是我们还要令其满足我们所需要的以上性能，所以我们需要对不同材料加工成曲轴是的性能进行比对，我们通过搜找资料得到以下数
据，详细数据请看表3。
不同材料的各项性能数据见表3
因而，根据曲轴材料的要求、各项技术要求、及材料的成分、机械性能、淬透性，同时需考虑成本的经济性，最终选择不含贵金属的且各项性能指标优良的35CrMo 作为汽车发动机曲轴的材料。
3. 曲轴的加工工艺路线及热处理工艺的制定
3.1 曲轴的热处理的技术要求及加工工艺路线
(1)35CrMo 曲轴热处理的技术要求
(2)35CrMo 曲轴的工艺路线：
锻坯→调质（淬火+高温回火）→矫直→清理→检验→粗加工→去应力退火→精加工→高频淬火+低温回火→矫直→磨削→检验
3.2曲轴热处理工艺的制定
3.2.1调质处理
（1）原始材料的组织与性能
35CrMo 原始状态从其显微组织图上可观察到其组织为铁素体基体
上分布着层片状的珠光体（F+P）。其组织结构均匀。其硬质值处于30—33HRC 之间。
（2）调质工艺参数的确定
淬火温度：35CrMo 是亚共析钢，根据《常见钢临界点、淬火加热温度及Ms点》表得知，AC3 约为807℃，AC1 约为757℃。由于
35CrMo 是亚共析钢，所以淬火温度取AC3 温度以上30～50℃,所以可确定出材料的淬火温度应850℃较合适。其保温时间可由经验公式t≈﹙1.2~1.5）?D，具体保温时间应根据曲轴的厚度来确定，此处暂定为25min。回火温度低于AC1 的某个温度，选取560℃比较合适。
35CrMo的调质淬火工艺曲线见图1
（3）调质过程组织分析
试样经淬火（未回火）后的金相组织如图可以看出其显微组织为板条马氏体。硬度测得在51～53HRC之间，且硬度分布均匀。淬火时，冷却介质选用油淬。这是因为油冷冷速在500～350℃时最快，其下比较慢。这种冷却特性是比较理想的，因而正好使钢的过冷奥氏体组织在最不稳定的区域有最快的冷速，如此，可获得最大的淬硬层深度；而在马氏体转变区有最小的冷却速度，可使组织应力减至最小，故减小了变形开裂倾向，
有利于后续加工及处理。由于淬火后获得的马氏体组织不够稳定，因此，需要高温回火获得稳定的组织，回火索氏体。调制后获得索氏体晶粒均匀细密，具有良好的硬度与韧性，其硬度值在32HR左右，且硬度值分布均匀，符合曲轴的技术要求。由于随回火温度的升高，马氏体的塑性韧性上升，强度硬度下降，因而，调质获得的组织具有良好的综合性能，使强度、塑性、韧性得到了良好的配合，且改善了材料的机械加工性能，并为后续的热处理及加工做了组织上的准备。
3.2.2去应力退火
在热处理、切削加工和其他工艺过程中，制品可能产生内应力。多数情况下，在工艺过程结束后，金属内部将保留一部分残余应力。残余应力可导致工件破裂、变形或尺寸变化，残余应力也提高金属化学活性，在残余拉应力作用下特别容易造成晶间腐蚀破裂。因此，残余应力将影响材料的使用性能或导致工件过早就失效。所以需要去应力退火来消除之前加工过程中产生的残余应力。
35CrMo的去应力退火工艺曲线见图2
图2 35CrMo的去应力退火工艺曲线
如图去应力退火工艺图，进行去应力退火时，金属在一定温度作用
下通过内部局部塑性变形(当应力超过该温度下材料的屈服强度时)或局部的弛豫过程(当应力小于该温度下材料的屈服强度时)使残余应力松弛而达到消除的目的。在去应力退火时，工件一般缓慢加热至较低温度(一般小于回火温度20℃)，保温一段时间后，缓慢冷却，以防止产生新的残余应力。
3.2.3 曲轴圆角高频淬火和低温回火
在工件表面一定深度内获得马氏体组织，而其心部仍保持着表面淬火前的组织状态，以获得表面层硬而耐磨，心部又有足够塑性、韧性的工件。加热设备：GP—25A 高频淬火炉；淬火温度：860~930℃（普通淬火温度+30~200℃）；冷却介质：水冷；回火温度：160℃；保温时间：1.5h 。35CrMo低温回火工艺曲线见图3
图3 35CrMo低温回火工艺曲线
经过高频淬火后，试样心部依然保持原来的组织不变，心部组织为颗粒大小均匀综合性能良好的回火索氏体。其表层组织为细小的层针状马氏体。表层与心部的过渡区域：其表层为针状马氏体，而心部则保存了原始的组织与性能。高频淬火时必须注意把握好温度和时间，时间过长表面
将得不到我们需要的细小的层针状马氏体，而是粗大的组织，这种组织的硬度低于曾针状马氏体，而达不到我们的要求。
调质态的35CrMo 虽然具有良好的综合性能，但是曲轴的表面要求有良好的耐磨性，调制态的硬度远远不够，因此需要进行高频淬火来增加表面硬度及其耐磨性。由于高频淬火时，奥氏体成分不均匀，奥氏体晶粒得到了细化，且有残余压应力的存在，所以一般高频淬火或的硬度比普通加热淬火硬度高2～3 个洛氏硬度单位，其抗疲劳性能和耐磨性都得到了显著的提高。35CrMo 在高频淬火后表层硬度值达到53~55HRC之间，硬度在表层分布均匀。高频淬火后，为了降低残余应力和钢的脆性，而又不至于降低硬度，因此需要进行低温回火。回火温度取160℃，保温 1.5 小时。
4．曲轴热处理过程中可能产生的缺陷及预防措施
4.1 校直引起原始裂纹
在锻造、热处理等过程中必然产生变形，生产中采用校直的方法消除。无论是热校还是冷校，一旦校直幅度过大，都可能导致曲轴产生裂纹，且这种裂纹一般肉眼无法观察到。若曲轴本身存在原始裂纹，装配后行驶里程一般仅为几千公里，就会疲劳扩展而断裂。对于此类裂纹，分析时应注意与其它常见裂纹如锻造裂纹、淬火裂纹等的区别。
4.2圆角淬火工艺不当导致裂纹
轴颈圆角是曲轴加工难度最大，同时也是使用中最容易成为裂纹起源的位置。为了提高曲轴疲劳强度，一般需要对圆角进行强化处理。对于球铁曲轴，目前多采用圆角滚压强化工艺或先氮化再滚压强化的复合强化工艺。对于钢曲轴，多采用碳氮共渗或感应淬火强化工艺。早期的发动机曲轴感应淬火区域仅仅局限在轴颈部分，主要对轴颈起提高耐磨性的作用，淬火区离圆角仍然有大于6mm以上的距离，因此对圆角并不起强化作用。目前采用的感应工艺，淬火区域普遍包涵圆角区域。事实证明这种方式能够明显提高曲轴圆角的疲劳强度。随着发动机增压等新技术应用的日益广泛，对曲轴疲劳强度的要求也越来越高，目前，对发动机圆角的强化处理已经成为必须的工艺过程。圆角强化工艺不当，曲轴达不到应有的疲劳强度，就有可能会在服役过程产生疲劳断裂。
4.3淬火畸变与淬火裂纹:
淬火畸变是不可避免的现象,只有超过规定公差或产生无法矫正时才构成废品,通过适当选择材料,改进结够设计,,合理选择淬火,回火方法及规范等可有效的减小与控制淬火畸变,可采用冷热效直,热点校直和加热回火等加以休正. 裂纹是不可补救的淬火缺陷,只有采取积极的预防措施,如减小和控制淬火应力方向分布,同时控制原材料质量和正确的结构设计等.
4.4淬火导致氧化、脱碳、过热、过烧
零件加热过程中,若不进行表面防护,将发生氧化脱碳等缺陷,其后果
是表面淬硬性降低,达不到技术要求,或在零件表面形成网状裂纹,并严重降低零件外观质量,加大零件粗糙度,甚至超差,所以精加工零件淬火加热需要在保护气氛下或盐浴炉内进行,小批量可采用防氧化表面涂层加以防护. 过热导致淬火后形成粗大的马氏体组织将导致淬火裂纹形成或严重降低淬火件的冲击韧度,极易发生沿晶短裂,应当正确选择淬火加热温度,适当缩短保温时间,并严格控制炉温加以防止,出现的过热组织如有足够的加工余地余量可以重新退火,细化晶粒再次淬火返修. 过烧常发生在淬火高速钢中,其特点是产生了鱼骨状共晶莱氏体,过烧后使淬火钢严重脆性形成废品.
4.5淬火硬度不足
淬火回火后硬度不足一般是由于淬火加热不足,表面脱碳,在高碳合金钢中淬火残余奥氏体过多,或回火不足造成的,在含CR轴承钢油淬时还经常发现表面淬火后硬度低于内层现象,这是逆淬现象,主要由于零件在淬火冷却时如果淬入了蒸汽膜期较长,特征温度低的油中,由于表面受蒸气膜的保护,孕化期比中心长,从而比心部更容易出现逆淬现象. 4:软点淬火零件出现的硬度不均匀叫软点,与硬度不足的主要区别是在零件表面上硬度有明显的忽高忽低现象,这种缺陷是由于原始组织过于粗大不均匀,(如有严重的组织偏析,存在大块状碳化物或大块自由铁素体)淬火介质被污染,零件表面有氧化皮或零件在淬火液中未能适当的运动,致使局部地区形成蒸气膜阻碍了冷却等因素,通过晶相分析并研解工艺执行情况,可以进一步判明究竟是什么原因造成废品.
5. 曲轴在使用过程中可能产生的失效形式及分析
（1）曲轴断裂
曲轴在使用过程中主要承受复杂的弯曲-扭转载荷及一定的冲击载荷,轴颈表面还受到磨损。由于在轴颈与曲柄过渡的圆角处表面所受的交变应力最大,故疲劳裂纹一般最容易在此部位产生并向曲柄深处发展造成曲轴的最终断裂。
（2）曲轴磨损和点蚀失效
产生原因：曲轴表面硬度不足、曲轴表面存在裂纹源、曲轴内部晶粒粗大性能差。具体分析：淬火过程零件不干净，毛刺未去净；孔、槽未堵；感应器与零件间隙小等处理方法：洗净零件；堵孔、槽；选合适的感应器。硬度低产生原因：加热温度低；冷却速度慢；材料中碳元素等化学成分偏低处理方法：控制材料；合理选择工艺。淬火裂纹产生原因：淬火温度过高；冷却速度太快；晶粒粗大处理方法：控制原始晶粒度，按工艺操作。硬化层浅产生原因：淬火温度低；加热时间短或移动速度快；淬火介质压力不足处理方法：选择合适的工艺规范。
汽车发动机曲轴的失效分析，涉及到从材料、加工、结构、受力、服役环境到相关零件分析的多个复杂过程，这些因素相互影响，共同作用，使得分析过程复杂困难。曲轴的失效，往往会造成其它相关零件的损坏，同时，一些其它零件的损坏或状态发生变化，也会带来曲轴服役工况的改变，并导致曲轴的失效。实际分析时，应首先进行详细的调查与现场分析，准确判定故障或事故过程中各个零件的损坏次序与过程，找出肇事件，这样才能找出导致故障或事故发生的根本原因。
6心得体会
回顾这几周的课程设计，从选题到自己开始做，从理论到时间，上网查资料，跟同学商量讨论，所有的一切我都感觉获益良多，不仅巩固了自己以前学习的知识，而且学到了很多在以前没有记住或者记得不清楚的地方，还在查资料和选资料的过程中知道了很多在实际生产中的方法。
从老师布置下来作业，我就开始忙碌了起来。先是看那些题目自己比较感兴趣，最后确定了汽车发动机曲轴的设计工艺题目，就是感觉汽车很普发动机很重要，比较熟悉它的工作环境，对自己以后分析曲轴的服役条件有些优势，就选了这个题目。接下来就是上网查资料，确定材料和工艺流程了。热处理本身就是一项复杂而庞大的工作，网上的各种资料更是浩瀚如海，如何在这么多的资料中选择自己需要的成了一个难题。搜索的过程我按照先确定材料，再在选定的材料的基础上研究该材料的性能和工艺的思路，同时参考《热处理手册》等工具书，联系所找到的一系列专业期刊上的实际的热处理方法，最终确定了整个工艺流程，完成了课程设计。
回顾整个课程设计的过程，我感觉虽然辛苦了一点，但是确是苦中有甜，每当自己完成一个工艺环节，心中还是无比的兴奋，毕竟是自己独立设计完成的。我相信这次课程设计会使我受益终生！
7参考文献：
[1]. 戴起勋,程晓农.金属材料学[M].北京：化学工业出版社，2009
[2]. 才鸿年.现代热处理手册[M]. 北京：化学工业出版社，2009.
[3]. 刘光华,张永秀,李瑞.发动机曲轴的强度、材料与工艺[J].汽车工艺与材料.2001,09，第3期.
[4]. 胡光立,谢希文.钢的热处理[M]. 西北工业大学出版社，2010.3
[5]. 赵振东. 35CrMo钢和35CrMo钢热处理工艺性及力学性能对比分析，《金属热处理》1997年第3期
[6].王忠诚,热处理常见缺陷分析与对策[M].北京:化学工业出版社，2007
[7]. 马永杰.热处理工艺方法600种[M].北京：化学工业出版社，2006
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发动机曲轴结构设计
2.1 曲轴的结构 曲轴的作用是把活塞往复运动通过连杆转变为旋转运动，传给底盘的传动机构。同时，驱动配气机构和其它辅助装置，如风扇、水泵、发电机等【18】。 曲轴一般由主轴颈，连杆轴颈、曲柄、平衡块、前端和后端等组成，如图1.1所示。一个主轴颈、一个连杆轴颈和一个曲柄组成了一个曲拐，直列式发动机曲轴的曲拐数目等于气缸数，而V型发动机曲轴的曲拐数等于气缸数的一半。 图1.1 主轴颈是曲轴的支承部分，通过主轴承支承在曲轴箱的主轴承座中。主轴承的数目不仅与发动机气缸数目有关，还取决于曲轴的支承方式。 曲柄是主轴颈和连杆轴颈的连接部分，断面为椭圆形，为了平衡惯性力，曲柄处常设置平衡重。平衡重用来平衡发动机不平衡的离心力矩及一部分往复惯性力，从而保证了曲轴旋转的平稳性【19】。 曲轴的连杆轴颈是曲轴与连杆的连接部分，曲柄与主轴颈的相连处用圆弧过渡，以减少应力集中。直列发动机的连杆轴颈数目与气缸数相等而V型发动机的连杆轴颈数等
于气缸数的一半。 曲轴前端装有正时齿轮，以驱动风扇和水泵的皮带轮以及起动爪等。为了防止机油沿曲轴轴颈外漏，在曲轴前端装有一个甩油盘，在齿轮室盖上装有油封。曲轴的后端用来安装飞轮，在后轴颈与飞轮凸缘之间制成档油凸缘与回油螺纹，以阻止机油向后窜漏。 曲轴的形状和曲拐相对位置取决于气缸数、气缸排列和发动机的发火顺序。多缸发动机的发火顺序应使连续作功的两缸保持尽量远的距离，这样既可以减轻主轴承的载荷，又能避免可能发生的进气重叠现象。此外作功间隔应力求均匀，也就是说发动机在完成一个工作循环的曲轴转角，每个气缸都应发火作功一次，以保证发动机运转平稳。 曲轴的作用：它与连杆配合将作用在活塞上的气体压力变为旋转的动力，传给底盘的传动机构。同时，驱动配气机构和其它辅助装置，如风扇、水泵、发电机等。工作时，曲轴承受气体压力，惯性力及惯性力矩的作用，受力大而且受力复杂，并且承受交变负荷的冲击作用。同时，曲轴又是高速旋转件，因此，要求曲轴具有足够的刚度和强度，具有良好的承受冲击载荷的能力，耐磨损且润滑良好【20】。 2.2 曲轴的疲劳损坏形式 曲轴的工作情况十分复杂，它是在周期性变化的燃气作用力、往复运动和旋转运动惯性力及其他力矩作用下工作的，因而承受着扭转和弯曲的复杂应力。曲轴箱主轴承的不同心度会影响到曲轴的受力状况，其次，由于曲轴弯曲与扭转振动而产生的附加应力，再加上曲轴形状复杂，结构变化急剧，产生了严重的应力集中。最后曲轴主轴颈与曲柄销是在比压下进行高速转动，因而产生强烈的磨损。因此柴油机在运转中发生曲轴裂纹和断裂事故不为鲜见，尤其是发电柴油机曲轴疲劳破坏较多。依曲轴产生裂纹的交变应力的性质不同，主要有以下三种疲劳裂纹:弯曲疲劳裂纹、扭转疲劳裂纹和弯曲一扭转疲劳裂纹【21】，如图2.1所示。
汽车发动机曲轴材料的选择及工艺的设计说明
专业课程设计任务书 学生：班级： 设计题目：汽车发动机曲轴材料的选择及工艺设计 设计容： 1、根据零件工作原理，服役条件，提出机械性能要求和技术要求。 2、选材，并分析选材依据。 3、制订零件加工工艺路线，分析各热加工工序的作用。 4、制订热处理工艺卡，画出热处理工艺曲线，对各种热处理工艺进行分 析，并分析所得到的组织，说明组织及性能的检测方法与使用的仪器设备。 5、分析热处理过程中可能产生的缺陷及补救措施。 6、分析零件在使用过程中可能出现的失效方式及修复措施。
目录 0 前言 (1) 1 汽车发动机曲轴的工作条件及性能要求 (2) 1.1 汽车发动机曲轴的工作条件 (3) 1.2 汽车发动机曲轴的性能要求及技术要求 (3) 2 汽车发动机曲轴的材料选择及分析 (4) 2.1 零件材料选择的基本原则 (4) 2.2 曲轴常用材料简介 (5) 2.3 汽车发动机曲轴材料的确定 (5) 3 曲轴的加工工艺路线及热处理工艺的制定 (6) 3.1 35CrMo曲轴热处理要求 (6) 3.2 汽车曲轴的热处理工艺的制定 (6) 3.2.1 调质处理 (7) 3.2.2 去应力退火 (8) 3.2.3 圆角高频淬火和低温回
火 (9) 4 曲轴热处理过程中可能产生的缺陷及预防措施 (11) 4.1 校直过程引起材料原始裂纹 (11) 4.2 曲轴圆角淬火不当引起裂纹源 (12) 4.3 淬火畸变与淬火裂纹 (12) 4.4 淬火导致氧化、脱碳、过热、过烧 (13) 4.5 淬火硬度不足............................................................. (13) 5 曲轴在使用过程中可能产生的失效形式及分析 (13) 6 课程设计的收获与体会 (14) 7 参考文献……………………………………....................... 15 8 工艺卡................................................................. . (16)
发动机曲轴结构设计说明
目录 1 绪论 (1) 1.1 本课题的目的及意义 (1) 1.2 国外研究的现状与发展趋势 (1) 1.2.1 曲轴结构设计的发展 (1) 1.2.2 曲轴强度计算发展 (2) 1.3 有限元分析 (3) 2 1015柴油机曲轴结构设计 (4) 2.1 曲轴的结构 (4) 2.2 曲轴的疲劳损坏形式 (5) 2.2.1 弯曲疲劳裂纹 (6) 2.2.2 扭转疲劳裂纹 (6) 2.2.3 弯曲--扭转疲劳裂纹 (6) 2.3 曲轴的设计要求 (7) 2.4 曲轴的结构型式 (7) 2.5 曲轴的材料 (8) 2.6 曲轴的主要部件设计 (8) 2.6.1 主轴颈和曲柄销 (8) 2.6.2 曲柄臂 (9) 2.6.3 曲轴圆角 (10) 2.6.4 润滑油道 (11) 2.6.5 平衡重 (12) 2.6.6 曲轴两端和轴向止推 (12) 2.6.7 曲轴的强化 (13) 2.7 曲轴的强度校核 (14) 2.7.1 曲柄销应力 (14) 2.7.2 圆角形状系数 (17) 2.7.3 安全系数 (19)
3 有限元分析 (21) 3.1 ANSYS软件介绍 (21) 3.2 整体曲轴有限元模型的建立 (22) 3.2.1 有限元网格的划分 (22) 3.2.2 载荷状况的确定 (22) 3.3 曲轴整体模型计算结果分析 (24) 3.3.1 压应力分析 (24) 3.3.2 拉应力分析 (25) 3.4 疲劳强度校核 (26) 3.5 结论 (26) 4 总结 (26) 参考文献 (28) 致 (32)
1 绪论 1.1 本课题的目的及意义 柴油机与汽油机相比其燃料、可燃混合气的形成以及点火方式都不相同，而柴油机采用压缩空气的办法提高空气温度【1】，因此柴油机的功率更大、经济性能更好，这也导致柴油机工作压力大，要求各有关零件具有较高的结构强度和刚度，所以柴油机比较笨重，体积较大；柴油机的喷油泵与喷嘴制造精度要求高【2】，所以成本较高；另外，柴油机工作粗暴，振动噪声大；柴油不易蒸发，冬季冷车时起动困难。因而柴油发动机一般用于大、中型载重货车上【3】。 曲轴是发动机的关键零件，其尺寸与燃机整体尺寸和重量有很大关系，如曲柄销直径直接影响连杆大端尺寸和重量，后者又影响曲轴箱宽度，曲轴单位曲柄长度影响燃机总长度，曲轴尺寸大小在很大程度上影响着发动机的外形尺寸和重量。曲轴是燃机曲柄连杆机构的主要组成部分、三大运动件之一，是主要传力件。它的功用是把气缸中所作的功，通过活塞连杆汇总后以旋转运动形式输出。此外，曲轴还传动保证燃机正常工作需要的机构和系统附件(如配气机构、燃油泵、水泵、润滑油泵等)，因此曲轴工作的可靠性和寿命在很大程度上影响燃机工作的可靠性和寿命。【4】。曲轴的工作情况及其复杂，基本工作载荷是弯曲载荷和扭荷；对不平衡的发动机曲轴还承受弯矩和剪力；未采取扭转振动减振措施的曲轴还可能作用着幅值较大的扭转振动弹性力矩。这些载荷都是交变性的，可能引起曲轴疲劳失效。曲轴的破坏事故可能引起其它零件的严重损坏。曲轴又是一根连续曲梁，结构形状复杂，刚性差，材质要求严，制造要求高，是燃机造价最贵的机件。随着燃机的发展与强化，曲轴的工作条件愈加严酷了【5】，必须在设计上正确选择曲轴的结构形式，并根据设计要求选择合理的尺寸、合适的材料与恰当的工艺，以求获得满意的技术经济效果【6】。由以上所述可以看出曲轴设计的重要性。 1.2 国外研究的现状与发展趋势 1.2.1 曲轴结构设计的发展 曲轴结构设计在过去的几十年中得到了飞速的发展。在曲轴的设计初期一般是按照已有的经验公式计算或者与已有的曲轴进行类比设计【7】。在进行了初步的设计后造出曲轴样品再进行试验，通过实验数据进行适当的改进【8】。曲轴设计发展到今天已经有了很大的发展。随着燃机向高可靠性、高紧凑性、高经济性的不断发展，传统的以经验、试
推荐-汽车发动机齿轮材料的选择及工艺设计课程设计 精品
专业课程设计任务书 姓名：吕永丹班级：材科102 设计题目：汽车发动机齿轮材料的选择及工艺设计 设计内容： 1、根据零件工作原理，服役条件，提出机械性能要求和技术要求。 2、选材，并分析选材依据。 3、制订零件加工工艺路线，分析各热加工工序的作用。 4、制订热处理工艺卡，画出热处理工艺曲线，对各种热处理工艺进行分析，并分析所得到的组织，说明组织及性能的检测方法与使用的仪器设备。 5、分析热处理过程中可能产生的缺陷及补救措施。 6、分析零件在使用过程中可能出现的失效方式及修复措施。
目录
1前言 本课程设计了20CrMnTi适用于汽车发动机齿轮的可靠性。汽车发动机齿轮作为汽车发动机中的重要零部件，其材料是保证其本身工作性能和可靠性的基础。对发动机齿轮的失效形式分析，其主要承受交变载荷，冲击载荷，剪切应力和接触应力大等，因此对齿轮在材料、精度、强度、耐久性和可靠性等方面提出了更高要求。20CrMnTi合金钢是一种优良的渗碳钢，有高的淬透性，经渗碳淬火加低温回火后，表面硬度很高，心部强度和塑性，韧性配合很好。 关键词：发动机齿轮，20CrMnTi，锻造，淬火+低温回火
2 汽车发动机齿轮工作条件及性能要求 2.1 汽车发动机齿轮工作条件 发动机和汽车的起动系统、燃油系统、滑油系统、液压系统等主要附件都是由发动机转子通过齿轮传动装置带动的。在整个行驶过程中，齿轮传动都必须可靠地工作，以保证发动机和汽车所有附件的转速、转向和所需功率符合设计要求。随着汽车发动机性能和可靠性要求的不断提高，齿轮承受的交变载荷和剧烈冲击载荷在不断增加，所受应力复杂，工况恶劣。因此，要使齿轮在工作时，从它的失效形式方面的考虑，就必须保证它能在一定的高温环境中工作。齿轮是机械工业中应用最广泛的重要零件之一。其主要作用是传递动力，改变运动速度和方向。是主要零件。其服役条件如下： 齿轮工作时，通过齿面的接触来传递动力。两齿轮在相对运动过程中，既有滚动，又有滑动。因此，齿轮表面受到很大的接触疲劳应力和摩擦力的作用。在齿根部位受到很大的弯曲应力作用；在运转过程中的过载产生振动，承受一定的冲击力或过载；变速齿轮在换档时，端部受冲击，承受一定冲击力；在一些特殊环境下，受介质环境的影响而承受其它特殊的力的作用。 2.2 汽车发动机齿轮的机械性能要求及技术要求 根据齿轮的受力情况和失效分析可知 ,齿轮一般都需经过适当的热处理 ,以提高承载能力和延长使用寿命 ,齿轮在热处理后应满足下列性能要求 : ①高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度 ( 抗疲劳点蚀 ) 。 ②齿面具有较高的硬度和耐磨性。 ③齿轮心部具有足够的强度和韧性。
材料成形技术基础(问答题答案整理)
第二章铸造成形 问答题： 合金的流动性（充型能力）取决于哪些因素？提高液态金属充型能力一般采用哪些方法？答：因素及提高的方法： （1）金属的流动性：尽量采用共晶成分的合金或结晶温度范围较小的合金，提高金属液的品质； （2）铸型性质：较小铸型与金属液的温差； （3）浇注条件：合理确定浇注温度、浇注速度和充型压头，合理设置浇注系统； （4）铸件结构：改进不合理的浇注结构。 影响合金收缩的因素有哪些？ 答：金属自身的化学成分，结晶温度，金属相变，外界阻力（铸型表面的摩擦阻力、热阻力、机械阻力） 分别说出铸造应力有哪几类？ 答：（1）热应力（由于壁厚不均、冷却速度不同、收缩量不同） （2）相变应力（固态相变、比容变化） （3）机械阻碍应力 铸件成分偏析分为几类？产生的原因是什么？ 答：铸件成分偏析的分类：（1）微观偏析 晶内偏析：产生于具有结晶温度范围能形成固溶体的合金内。（因为不平衡结晶） 晶界偏析：（原因：(两个晶粒相对生长，相互接近、相遇；(晶界位置与晶粒生长方向平行。）（2）宏观偏析 正偏析（因为铸型强烈地定向散热，在进行凝固的合金内形成一个温度梯度） 逆偏析 产生偏析的原因：结晶速度大于溶质扩散的速度 铸件气孔有哪几种？ 答：侵入气孔、析出气孔、反应气孔 如何区分铸件裂纹的性质（热裂纹和冷裂纹）？ 答：热裂纹：裂缝短，缝隙宽，形状曲折，缝内呈氧化颜色 冷裂纹：裂纹细小，呈连续直线状，缝内有金属光泽或轻微氧化色。 七：什么是封闭式浇注系统？什么是开放式浇注系统？他们各组元横截面尺寸的关系如何？答：封闭式浇注系统：从浇口杯底孔到内浇道的截面逐渐减小，阻流截面在直浇道下口的浇注系统。(ΣF内<ΣF横
高分子材料成型加工(塑料成型工艺学)考试复习题
1.以硬质PVC为例说明管材挤出成型加工工艺及其特点以及影响因素（10分） 答：挤出工艺：物料经挤出机塑化、机头口模成型后，经定型装置冷却定型、冷却水槽冷却、牵引、切割，得到管材制品。（3分） 特点：①口模横截面积不能大于挤出机料筒横截面积的40％。②挤出机头有直通式和偏移式两类，后者只用于内径尺寸要求精确的产品，很少采用。③定径套内径略大于管材外径；机头上调节螺钉可调节管材同心度；牵引速度可调节管材尺寸；（4分）④PVC，粘度大，流动性差，热稳定性差；生成热多，结合缝不易愈合，管材易定型。（3分）。 影响因素：温度、螺杆转速及冷却、牵引速度、压缩空气 2.简述挤出成型原理并讨论提高加料段固体输送速率的措施。 原理：粉（粒）料，加入挤出机经①加热、塑化成熔体，再经机头口模②流动成型成连续体，最后经冷却装置③冷却定型成制品。（4分）。措施：提高螺杆转速，提高料筒内表面摩擦系数fb，降低螺杆外表面摩擦系数fs（4分）。 3.简述管材挤出的工艺过程及管材挤出的定径方法。 答：管材挤出的基本工艺是：物料经挤出机塑化、机头口模成型后，经定型装置冷却定型、冷却水槽冷却、牵引、切割，得到管材制品。（3分）（4分) 管材的内外径应分别等于管芯的外径和口模的内径。管材挤出的定径方法分为定内径和定外径两种。（2分) 外径定型是使挤出的管子的外壁与定径套的内壁相接触而起定型作用的，为此，可用向管内通入压缩空气的内压法或在管子外壁抽真空法来实现外径定型。（2分) 内径定型法是将定径套装于挤出的塑料管内，即使挤出管子的内壁与定径套的外壁相接触， 在定径套内通以冷水对管子冷却定径。（2分) 4.挤出时，渐变螺杆和突变螺杆具有不同的加工特点。已知：PVC软化点75~165℃；尼龙的熔融温度范 围则较窄，约10℃，它们应分别选用何种螺杆进行加工？简要说明理由。（12分） 答： PVC应选用渐变螺杆而尼龙应选择突变螺杆进行加工。（4分）因为PVC是无定形塑料，无固定的熔点，软化温度范围较宽，其熔融过程是逐渐进行的，所以选择熔融段较长的渐变螺杆；PA是结晶性塑料，有固定的熔点，熔融温度范围较窄，温度达到熔点后，熔融较快，应选择熔化区较短的突变螺杆。（3分） 5.根据挤出理论和实践，物料在挤出过程中热量的来源主要有两个，一是物料与物料之间，物料与螺杆、 机筒之间的剪切、摩擦产生的热量，另一个是料筒提供的热量。 6.根据最简流动方程，熔体在螺杆计量段的流动有正流、逆流、横流和漏流四种 7.试分析螺杆挤出机生产中产生物料架桥现象的原因。 答：（1）原料配方中有黏度较大的助剂造成物料结块导致无法下料。 （2）下料段设定的温度过高，引起物料熔化，螺杆无法推进物料，造成物料架桥。 （3）喂料系统发生故障，无法正常工作，造成物料架桥。 8.请问为什么挤出机要在料斗座处加冷却装置？ 答：为避免加料斗出现“架桥”现象而影响加料及固体输送效率。 9.机筒加热和冷却的目的是什么？ 答：加热促进物料塑化；冷却为防物料过热。 10.什么叫螺杆的长径比？螺杆长径比的增加对物料的加工有何好处？ 答：螺杆有效工作长度与直径之比。n一定时，L/D增加，物料在螺杆中运行时间延长，有利于物料塑化与混合，使升温过程变缓；可使均化段长度增加，可减少逆流和漏流，有利提高生产能力。 11.挤出成型是在什么温度之间进行的？物料在什么温度范围容易挤出？挤出温度由什么决定？ 答：在黏流温度Tf与分解Td之间挤出成型；范围越宽越易挤出成型。具体温度应根据原料的配方、挤出机头结构、螺杆转速来定。
材料成形的方法
金属液态成形——液态金属在铸型中冷却、凝固形成零件。液态成形是机械制造中生产机器零件或毛坯的主要方法之一。常用的铸造。 一 铸造定义 铸造（最广泛）：将液态合金浇注到与零件的形状、尺寸相适应的铸型空腔中，使其冷却凝固，得到毛坯或零件的成形工艺（生产方法）。 二 铸造分类 1.按铸型材料来分：砂型铸造、金属型铸造、石墨型铸造、陶瓷铸造； 2.按充型方式来分：重力充型、高压充型、低压充型、离心力充型； 3.按液态成形工艺方法的作用力不同又可分为两类： 重力作用下的液态成形工艺方法：砂型铸造、金属型铸造、熔模铸造、气化模铸造、陶瓷型铸造等； 外力作用下的液态成形工艺方法：离心铸造、压力铸造、低压铸造、挤压铸造等。 三 其铸造工艺如图所示 四 铸造的特点 1．能制成形状复杂、特别是具有复杂内腔的毛坯：如阀体、泵体、叶轮、螺旋浆等。 2．铸件的大小几乎不受限制，重量从几克到几百吨。 3．常用原材料来源广泛，价格低廉，成本较低，其应用及其广泛。如机床、内燃机中铸件70~80%；农业机械40~70%。 4.但铸造生产过程较复杂，废品率一般较高，易出现浇不足，缩孔，夹渣、气孔、裂纹等缺陷。 五 铸造常见的主要问题 组织疏松、晶粒粗大，铸件内部常有缩孔、缩松、气孔等缺陷产生，导致铸件力学性能，特别是冲击性能较低。 基本工艺过程 制作模样 配制型砂 制作芯盒 制作芯砂
锻压： 对坯料施加外力，使其产生塑性变形、改变尺寸、形状及改善性能，用以制造机械零件、工件或毛坯的成形加工方法。 主要方法： 锻造:将坯料加热到高温状态后进行加工. 冲压:将坯料在常温下进行加工. 特点: (1)改善金属组织、提高力学性能 (2)节约金属材料 (3)较高的生产率 (4)毛坯或零件的精度较高 (5)不能加工脆性材料 (6)不能获得形状复杂的毛坯或零件 一自由锻： 1.定义：利用冲击力或压力，使金属在上、下砧铁之间，产生塑性变形而获得所需形状、尺寸以及内部质量锻件的一种加工方法。自由锻造时，除与上、下砧铁接触的金属部分受到约束外，金属坯料朝其它各个方向均能自由变形流动，不受外部的限制，故无法精确控制变形的发展。 2.分类：手工锻造和机器锻造两种。手工锻造只能生产小型锻件，生产率也较低。机器锻造是自由锻的主要方法。 3. 特点：工具简单、通用性强，生产准备周期短。自由锻件的质量范围可由不及一千克到二、三百吨，对于大型锻件，自由锻是唯一的加工方法，这使得自由锻在重型机械制造中具有特别重要的作用，例如水轮机主轴、多拐曲轴、大型连杆、重要的齿轮等零件在工作时都承受很大的载荷，要求具有较高的力学性能，常采用自由锻方法生产毛坯。 由于自由锻件的形状与尺寸主要靠人工操作来控制，所以锻件的精度较低，加工余量大，劳动强度大，生产率低。自由锻主要应用于单件、小批量生产，修配以及大型锻件的生产和新产品的试制等。 4自由锻工序 自由锻工序：基本工序、辅助工序和修整工序。 （1）基本工序
发动机曲轴连杆实习报告范文
发动机曲轴连杆实习报告范文 实习是大学进入社会前理论与实际结合的最好的锻炼机会，也是大学生到从业者一个非常好的过度阶段，更是大学生培养自身工作能力的磨刀石，作为一名刚刚从学校毕业的大学生，能否在实习过程中掌握好实习内容，培养好工作能力，显的尤为重要。 发动机曲轴连杆实习报告一 今日实习目的地：南车柴油机二分厂 实习车间：曲轴加工车间 在王工的带领下，进入了曲轴加工车间，首先，向我们介绍了曲轴的用途，以及各个部位特点，如何加工而成、 曲轴是活塞式发动机中最重要、承受负荷最大的零件之一。其主要功用是将活塞的往复运动通过连杆变成回转运动，即把燃料燃烧的爆发力通过活塞、连杆转变成扭矩输送出去做功，同时还带动发动机本身的配气机构和相关系统工作 曲轴一般由主轴颈，连杆轴颈、曲柄、平衡块、前端和后端等组成。一个主轴颈、一个连杆轴颈和一个曲柄组成了一个曲拐，曲轴的曲拐数目等于气缸数(直列式发动机);V型发动机曲轴的曲拐数等于气缸数的一半。主轴颈是曲轴的支承部分，通过主轴承支承在曲轴箱的主轴承座中。主轴承的数目不仅与发动机气缸数目有关，还取决于曲轴的支承方式。曲轴的支承方式一般有
两种，一种是全支承曲轴，另一种是非全支承曲轴。曲轴的形状和曲拐相对位置(即曲拐的布置)取决于气缸数、气缸排列和发动机的发火顺序。 轴典型加工工艺 曲轴的典型加工过程如下 铣端面打中心孔粗精车所有主轴颈及周轴颈铣角向定位面粗精车所有连杆颈粗磨第四主轴颈 车平衡块钻直斜油孔半精磨 1、主轴径7车铣割滚压精磨所有主轴颈及周轴颈淬火回火探伤精磨第四主轴颈喷丸钻工艺孔 两端孔的加工精磨所有连杆颈动平衡抛光所有轴颈清洗防锈 铣键槽 曲轴加工第一工序铣端面、钻中心孔。通常以两端主轴颈的外圆表面和中间主轴颈的轴肩为粗基准，这样钻出的中心孔可保证曲轴加工时径向和轴向余量均匀。 径向定位主要以中心线为基准，还可以两端主轴颈外圆为精基准。轴向定位用曲轴一段的端面或轴肩。角度定位一般用法兰盘端面上的定位销孔或曲柄臂上铣出的定位平台。采用不同的加工工艺方法和设备，定位基准的选用亦有不同。
材料成形工艺基础
《材料成形工艺基础》自学指导书 一、课程名称：材料成形工艺基础 二、自学学时：50课时 三、教材名称：《材料成形工艺基础》柳秉毅编 四、参考资料：材料成形技术基础陶冶主编机械工业出版社 五、课程简介：《材料成形工艺基础》是材料成型及控制工程专业的主干课程之一，其任务是阐明液态成型、塑性成型和焊接形成等成型技术在内的内在基本规律和物质本质，揭示材料成型过程中影响产品性能的因素及缺陷产生的机理。 六、考核方式：闭卷考试 七、自学内容指导： 绪论第1章金属材料的力学性能 一、本章内容概述： 绪论：1.材料成形工艺的发展历史2.材料成形加工在国民经济中的地位 3.材料成形工艺基础课程的内容 4.本课程的学习要求与学习方法。 第一章：1）铸造成形基本原理；2）塑性成形基本原理； 3）焊接成形基本原理 二、自学学时安排：8学时 三、知识点： 1.合金的铸造性能 2.合金的收缩性； 3.铸件的缩孔和缩松 2合金的充型能力是指液态合金充满铸型型腔，获得尺；3影响合金的充型能力的因素1）合金的流动性2）浇；4合金的收缩概念液态合金从浇注温度逐渐冷却、凝固；5铸造内应力分热应力和机械应力；6顺序凝固，是使铸件按递增的温度梯度方向从一个部；7顺序凝固可以有效地防止缩孔和宏观缩松，主要适用；8缩孔和缩松的防止方法：顺序凝固 四、难点：
1）强度、刚度、弹性及塑性 2）硬度、冲击韧性、断裂韧度、疲劳。 五、课后思考题与习题：P40 1.1 区分以下名词的含义: 逐层凝固与顺序凝固糊状凝固与同时凝固 液态收缩与凝固收缩缩孔与缩松 答：逐层凝固：纯金属和共晶成分的合金是在恒温下结晶的，铸件凝固时其凝固区宽度接近于零，随着温度的下降，液相区不断减小，固相区不断增大而向中心推进，直至到达铸件中心。顺序凝固：是指在铸件上建立一个从远离冒口的部分到冒口之间逐渐递增的温度梯度，从而实现由远离冒口处向冒口方向顺序地凝固，即远离冒口的部位先凝固，靠近冒口的部位后凝固，冒口本身最后凝固。 糊状凝固：如果合金的结晶温度范围很宽，或者铸件断面上温度梯度较小，则在凝固的某段时间内，其固相和液相并存的凝固区会贯穿铸件的整个断面。 同时凝固：是指采取一定的工艺措施，尽量减小铸件各部分之间的温度差，使铸件的各部分几乎同时进行凝固。 液态收缩：从浇注温度冷却至凝固开始温度(液相线温度)期间发生的收缩。凝固收缩：从凝固开始温度到凝固终了温度(固相线温度)期间发生的收缩。 铸件在凝固过程中，由于合金的液态收缩和凝固收缩所造成的体积缩减，如果未能获得补充(称为补缩)，则会在铸件最后凝固的部位形成孔洞。大而集中的孔洞称为缩孔，细小而分散的孔洞称为缩松。 1.3拟生产一批小型铸铁件，力学性能要求不高，但壁厚较薄，试分析如何提高合金液的充型能力。 答：1）尽可量提高浇注温度。由于壁厚较薄，铸铁可取1450左右2）增大充型压力（即增大推动力）。3）选用蓄热能力强的材料作铸型。4）提高铸型温度。5）选用发气量小而排气能力强的铸型。 1.4冒口补缩的原理是什么? 冷铁是否可以补缩? 冷铁的作用与冒口有何不同? 答：在铸件厚壁处和热节部位（即铸件上热量集中，内接圆直径较大的部位）设置冒
材料焊接成型方法的选择原则与依据
材料焊接成型方法的选择原则与依据 摘要：工程材料除切削加工以外有各种成型方法包括金属液态成型、金属塑性成形、材料连接成型、粉末冶金成型以及塑料、橡胶、陶瓷等非金属材料成型及复合材料成型等。材料成型技术主要讲述金属材料成型和非金属材料成型，现对其进行详细论述。金属液态成型又称为铸造是将液态金属在重力或外力作用下充填到型腔中，待其冷却凝固后，获得所需形状和尺寸的毛坯或零件即铸件的方法，它是成形毛坯或机器零件的重要方法之一。金属塑性成形昰利用金属材料所具有的塑性变形规律，在外力作用下通过塑性变形，获得具有一定形状、尺寸、精度和力学性能的零件或毛坯的加工方法。 关键词：材料成型金属非金属 一、材料成型方法概述金属液态成形 金属材料在液态下成形，具有很多优点：1最适合铸造形状复杂、特别是复杂内腔的铸件。2适应性广，工艺灵活性大。3成本较低。但液态成形也有很多不足，如铸态组织疏松、晶粒粗大，铸件内部常有缩孔、缩松、气孔等缺陷产生，导致铸件力学性能特别是冲击性能低于塑形成行件。 铸件涉及的工序很多，不易精确控制，铸件质量不稳定。由于目前仍以砂型铸造为主自动化程度还不够高，工作环境较差，大多数铸件只是毛坯件，需经过切削加工才能成为零件。砂型铸造是将熔融金属浇入砂质铸型中，待凝固冷却后，将铸型破坏，取出铸件的铸造方法，是应用最为广泛的传统铸造方法，它适用于各种形状、大小及各种常用合金铸件的生产。砂型铸造的工艺过程称为造型。造型是砂型铸造最基本的工序，通常分为手工造型和机器造型两大类。手工造型时，填砂、紧实和起模都用手工和手动完成。其优点是操作灵活、适应性强、工艺装备简单、生产准备时间短。但生产效率低、劳动强度大、铸件质量不易保证。故手工造型只适用于单件、小批量生产。机器造型生产率很高，是手工造型的数十倍，制造出的铸件尺寸精度高、表面粗糙度小、加工余量小，同时工人劳动条件大为改善。但机器造型需要造型机、模板以及特质砂箱等专用机器设备，一次性投资大，生产准备时间长，故适用于成批大量生产，且以中、小型铸件为主。 冲模的种类一般分为成形模、冲裁模湾曲模3种，模具结构可根据压力使用情况做更详细的划分。成形模的种类有拉延、成形、整形和压印等；冲裁模的种类有落料、冲孔、修边、切断和切废料等；弯曲模的种类有翻边、弯曲、折弯和卷边等。 二、材料成形方法选择的依据选择材料成形方法的主要依据有： （一）零件类别、功能、使用要求及其结构、形状、尺寸、技术要求等根据零件类别、用途、功能、使用性能要求、结构形状与复杂程度、尺寸大小、技术要求等，可基本确定零件应选用的材料与成形方法。而且，通常是根据材料来选
汽车发动机曲轴材料的选择及工艺设计
专业课程设计任务书 学生姓名：班级： 设计题目：汽车发动机曲轴材料的选择及工艺设计 设计内容： 1、根据零件工作原理，服役条件，提出机械性能要求和技术要求。 2、选材，并分析选材依据。 3、制订零件加工工艺路线，分析各热加工工序的作用。 4、制订热处理工艺卡，画出热处理工艺曲线，对各种热处理工艺进行分 析，并分析所得到的组织，说明组织及性能的检测方法与使用的仪器设备。 5、分析热处理过程中可能产生的缺陷及补救措施。 6、分析零件在使用过程中可能出现的失效方式及修复措施。
目录 0 前言 (1) 1 汽车发动机曲轴的工作条件及性能要求 (2) 1.1 汽车发动机曲轴的工作条件 (3) 1.2 汽车发动机曲轴的性能要求及技术要求 (3) 2 汽车发动机曲轴的材料选择及分析 (4) 2.1 零件材料选择的基本原则 (4) 2.2 曲轴常用材料简介 (5) 2.3 汽车发动机曲轴材料的确定 (5) 3 曲轴的加工工艺路线及热处理工艺的制定 (6) 3.1 35CrMo曲轴热处理要求 (6) 3.2 汽车曲轴的热处理工艺的制定 (6) 3.2.1 调质处理 (7) 3.2.2 去应力退火 (8) 3.2.3 圆角高频淬火和低温回火 (9) 4 曲轴热处理过程中可能产生的缺陷及预防措施 (11) 4.1 校直过程引起材料原始裂纹 (11) 4.2 曲轴圆角淬火不当引起裂纹源 (12) 4.3 淬火畸变与淬火裂纹 (12) 4.4 淬火导致氧化、脱碳、过热、过烧 (13) 4.5 淬火硬度不足 (13) 5 曲轴在使用过程中可能产生的失效形式及分析 (13) 6 课程设计的收获与体会 (14) 7 参考文献 (15) 8 工艺卡 (16)
材料成型工艺基础部分复习题答案
材料成型工艺基础（第三版）部分课后习题答案 第一章 ⑵.合金流动性决定于那些因素？合金流动性不好对铸件品质有何影响？ 答：①合金的流动性是指合金本身在液态下的流动能力。决定于合金的化学成分、结晶特性、粘度、凝固温度围、浇注温度、浇注压力、金属型导热能力。 ②合金流动性不好铸件易产生浇不到、冷隔等缺陷，也是引起铸件气孔、夹渣、縮孔缺陷的间接原因。 ⑷.何谓合金的收縮？影响合金收縮的因素有哪些？ 答：①合金在浇注、凝固直至冷却至室温的过程中体积和尺寸縮减的现象，称为收縮。 ②影响合金收縮的因素：化学成分、浇注温度、铸件结构和铸型条件。 ⑹.何谓同时凝则和定向凝则？ 答：①同时凝则：将浇道开在薄壁处，在远离浇道的厚壁处出放置冷铁，薄壁处因被高温金属液加热而凝固缓慢，厚壁出则因被冷铁激冷而凝固加快，从而达到同时凝固。 ②定向凝则：在铸件可能出现縮孔的厚大部位安放冒口，使铸件远离冒口的部位最先凝固，靠近冒口的部位后凝固，冒口本身最后凝固。 第二章 ⑴.试从石墨的存在和影响分析灰铸铁的力学性能和其他性能特征。 答：石墨在灰铸铁中以片状形式存在，易引起应力集中。石墨数量越多，形态愈粗大、分布愈不均匀，对金属基体的割裂就愈严重。灰铸铁的抗拉强度低、塑性差，但有良好的吸震性、减摩性和低的缺口敏感性，且易于铸造和切削加工。石墨化不充分易产生白口，铸铁硬、脆，难以切削加工；石墨化过分，则形成粗大的石墨，铸铁的力学性能降低。 ⑵.影响铸铁中石墨化过程的主要因素是什么？相同化学成分的铸铁件的力学性能是否相同？ 答：①主要因素：化学成分和冷却速度。 ②铸铁件的化学成分相同时铸铁的壁厚不同，其组织和性能也不同。在厚壁处冷却速度较慢，铸件易获得铁素体基体和粗大的石墨片，力学性能较差；而在薄壁处，冷却速度较快，铸件易获得硬而脆的白口组织或麻口组织。 ⑸.什么是孕育铸铁？它与普通灰铸铁有何区别？如何获得孕育铸铁？ 答：①经孕育处理后的灰铸铁称为孕育铸铁。 ②孕育铸铁的强度、硬度显著提高，冷却速度对其组织和性能的影响小，因此铸件上厚大截面的性能较均匀；但铸铁塑性、韧性仍然很低。 ③原理：先熔炼出相当于白口或麻口组织的低碳、硅含量的高温铁液，然后向铁液中冲入少量细状或粉末状的孕育剂，孕育剂在铁液中形成大量弥散的石墨结晶核心，使石墨化骤然增强，从而得到细化晶粒珠光体和分布均匀的细片状石墨组织。 ⑻.为什么普通灰铸铁热处理效果没球墨铸铁好？普通灰铸铁常用热处理方法有哪些？目的是什 么？ 答：①普通灰铸铁组织中粗大的石墨片对基体的破坏作用不能依靠热处理来消除或改进；而球墨铸铁的热处理可以改善其金属基体，以获得所需的组织和性能，故球墨铸铁性能好。 ②普通灰铸铁常用的热处理方法：时效处理，目的是消除应力，防止加工后变形；软化退火，目的是消除白口、降低硬度、改善切削加工性能。 第三章 ⑴．为什么制造蜡模多采用糊状蜡料加压成形，而较少采用蜡液浇铸成形？为什么脱蜡时水温不应达到沸点？ 答：蜡模材料可用石蜡、硬脂酸等配成，在常用的蜡料中，石蜡和硬脂酸各占50%，其熔点为50℃~60℃，高熔点蜡料可加入塑料，制模时，将蜡料熔为糊状，目的除了使温度均匀外，对含填充料的蜡料还有防止沉淀的作用。
材料成形工艺期末复习总结
7.简述铸造成型的实质及优缺点。 答：铸造成型的实质是：利用金属的流动性，逐步冷却凝固成型的工艺过程。优点：1.工艺灵活生大，2.成本较低，3.可以铸出外形复杂的毛坯 缺点：1.组织性能差，2机械性能较低，3.难以精确控制，铸件质量不够稳定4.劳动条件太差，劳动强度太大。 8.合金流动性取决于哪些因素？合金流动性不好对铸件品质有何影响？ 答：合金流动性取决于 1.合金的化学成分 2.浇注温度 3.浇注压力 4.铸型的导热能力5.铸型的阻力 合金流动性不好：产生浇不到、冷隔等缺陷，也是引起铸件气孔、夹渣和缩孔缺陷的间接原因。 9.何谓合金的收缩，影响合金收缩的因素有哪些？ 答：合金的收缩：合金在浇注、凝固直至冷却到室温的过程中体积或缩减的现象 影响因素：1.化学成分 2 浇注温度 3.铸件的结构与铸型条件 11.怎样区别铸件裂纹的性质？用什么措施防止裂纹？ 答：裂纹可以分为热裂纹和冷裂纹。 热裂纹的特征是：裂纹短、缝隙宽，形状曲折，裂纹内呈氧化色。 防止方法：选择凝固温度范围小，热裂纹倾向小的合金和改善铸件结构，提高型砂的退让。 冷裂纹的特征是：裂纹细小，呈现连续直线状，裂缝内有金属光泽或轻微氧化色。 防止方法:减少铸件内应力和降低合金脆性，设置防裂肋 13.灰铸铁最适合铸造什么样的铸件？举出十种你所知道的铸铁名称及它们为什么不用别的材料的原因。 答：发动机缸体，缸盖，刹车盘，机床支架，阀门，法兰，飞轮，机床，机座，主轴箱 原因是灰铸铁的性能：[组织]：可看成是碳钢的基体加片状石墨。按基体组织的不同灰铸铁分为三类：铁素体基体灰铸铁；铁素体一珠光体基体灰铸铁；珠光体基体灰铸铁。 [力学性能]：灰铸铁的力学性能与基体的组织和石墨的形态有关。灰铸铁中的片状石墨对基体的割裂严重，在石墨尖角处易造成应力集中，使灰铸铁的抗拉强度、塑性和韧性远低于钢，但抗压强度与钢相当，也是常用铸铁件中力学性能最差的铸铁。同时，基体组织对灰铸铁的力学性能也有一定的影响，铁素体基体灰铸铁的石墨片粗大，强度和硬度最低，故应用较少；珠光体基体灰铸铁的石墨片细小，有较高的强度和硬度，主要用来制造较重要铸件；铁素体一珠光体基体灰铸铁的石墨片较珠光体灰铸铁稍粗大，性能不如珠光体灰铸铁。故工业上较多使用的是珠光体基体的灰铸铁。 [其他性能]：良好的铸造性能、良好的减振性、良好的耐磨性能、良好的切削加工性能、低的缺口敏感性 14.可锻铸铁是如何获得的？为什么它只适宜制作薄壁小铸件？ 答：制造可锻铸铁必须采用碳、硅含量很低的铁液，以获得完全的白口组织。 可锻铸铁件的壁厚不得太厚，否则铸件冷却速度缓慢，不能得到完全的白口组织。 17. 压力铸造工艺有何缺点？它熔模铸造工艺的适用范围有何显著不同？ 答：压力铸造的优点： 1.生产率高 2.铸件的尺寸精度高，表面粗糙度低，并可直接铸出极薄件或带有小孔、 螺纹的铸件 3.铸件冷却快，又是在压力下结晶，故晶粒细小，表层紧实，铸件的强 度、硬度高 4.便于采用嵌铸法 压力铸造的缺点： 1.压铸机费用高，压铸型成本极高，工艺准备时间长，不适宜单件、不批生产。 2.由于压铸型寿命原因，目前压铸尚不适于铸钢、铸造铁等高熔点合金的铸造。
(完整word版)材料成型工艺基础习题及答案
1.铸件在冷却过程中，若其固态收缩受到阻碍，铸件内部即将产生内应力。按内应力的产生原因，可分为应力和应力两种。 2.常用的特种铸造方法 有：、、、、和 等。 3.压力加工是使金属在外力作用下产生而获得毛 坯或零件的方法。 4.常用的焊接方法有、和 三大类。 5.影响充型能力的重要因素有、和 等。 6.压力加工的基本生产方式 有、、、、和等。 7.热应力的分布规律是：厚壁受应力，薄壁受 应力。 8.提高金属变形的温度，是改善金属可锻性的有效措施。但温度过高，必将产生、、和严重氧化等缺陷。所以应该严格 控制锻造温度。 9.板料分离工序中，使坯料按封闭的轮廓分离的工序称为； 使板料沿不封闭的轮廓分离的工序称为。 10.拉深件常见的缺陷是和。 11.板料冲压的基本工序分为和。前者指冲裁工序，后者包括、、和。 12.为防止弯裂，弯曲时应尽可能使弯曲造成的拉应力与坯料的纤维 方向。 13.拉深系数越，表明拉深时材料的变形程度越大。 14.将平板毛坯变成开口空心零件的工序称为。 15.熔焊时，焊接接头是由、、和 组成。其中和是焊接接头中最薄弱区域。 16.常用的塑性成形方法 有：、、、、 等。 16.电阻焊是利用电流通过焊件及接触处所产生的电阻热，将焊件局 部加热到塑性或融化状态，然后在压力作用下形成焊接接头的焊接方法。电阻焊分为焊、焊和焊三种型式。
其中适合于无气密性要求的焊件；适合于焊接有气密性要求的焊件；只适合于搭接接头；只适合于对接接头。 1.灰口铸铁的流动性好于铸钢。（） 2.为了实现顺序凝固，可在铸件上某些厚大部位增设冷铁，对铸件进行补缩。（） 3. 热应力使铸件的厚壁受拉伸，薄壁受压缩。（） 4.缩孔是液态合金在冷凝过程中，其收缩所缩减的容积得不到补足，在铸件内部形成的孔洞。（） 5.熔模铸造时，由于铸型没有分型面，故可生产出形状复杂的铸件。（） 6.为便于造型时起出模型，铸件上应设计有结构斜度即拔模斜度。（） 7.合金的液态收缩是铸件产生裂纹、变形的主要原因。（） 8.在板料多次拉深时，拉深系数的取值应一次比一次小，即 m1>m2>m3…>mn。（） 9.金属冷变形后，其强度、硬度、塑性、韧性均比变形前大为提高。（） 10.提高金属变形时的温度，是改善金属可锻性的有效措施。因此，在保证金属不熔化的前提下，金属的始锻温度越高越好。（）11.锻造只能改变金属坯料的形状而不能改变金属的力学性能。 （） 12.由于低合金结构钢的合金含量不高，均具有较好的可焊性，故焊前无需预热。（） 13.钢中的碳是对可焊性影响最大的因素，随着含碳量的增加，可焊性变好。（） 14.用交流弧焊机焊接时，焊件接正极，焊条接负极的正接法常用于
材料成型方法
材料成型方法 绪论 “材料成型方法”是材料成型及控制工程专业学生的一门重要的技术基础课程，主要研究机器零件的常用材料和材料成形方法，即从选择材料到毛坯或零件成形的综合性课程。通过本课程的学习，可获得常用工程材料及材料成形工艺的知识，培养学生工艺分析的能力，了解现代材料成形的先进工艺、技术和发展趋势，为后续课程学习和工作实践奠定必要的基础。 材料是科学与工业技术发展的基础。先进的材料已成为当代文明的主要支柱之一。人类文明的发展史，是一部学习利用材料、制造材料、创新材料的历史。如果查看一下诺贝尔物理、化学奖的获得者，不难发现20世纪的物理学家和化学家们曾对材料科学做过一系列的贡献。Laue（1914）发现X光晶体衍射，Guillaume（1920）发现合金中的反常性质，Bridgeman （1946）发现高压对材料的作用，Schockley、Bardeen、Brattain（1956）三人发现了半导体晶体管，Landau（1962）的物质凝聚态理论，Townes（1964）发现导致固体激光的出现，Neel （1970）发现材料的反铁磁现象，Anderson、Mott、van Vleck（1977）研究了非晶态中的电子性状，Wilson（1982）对相变的研究成功，Bednorz、Müller（1987）发现了30°K的超导氧化物，Smaller、Kroto（1996）发现C-60，Kilby（2000）发明第一块芯片，上述物理领域的诺贝尔获奖者的不少工作是直接针对材料的。至于化学家们，可以举出Giauque（1949）研究低温下的物性，Staudinger（1953）研究高分子聚合物，Pauling（1954）研究化学键，Natta、Ziegler（1963）合成高分子塑料，Barton、Hassel（1969）研究有机化合物的三维构象，Heegler、Mcdermild、白川英树（2000）三人发现导电高分子。 近年来，材料科学的发展极为迅速。以钢铁工业为例，2003年，我国钢产量2.2亿t，是世界钢产量9.6亿t的23％，从1890年张之洞创办汉阳铁厂，直到1949年半个多世纪，中国产钢总量只有760万t，不足现在一个大型钢铁厂的年产量。1949年，全国产钢15.8万t，占世界钢产量的0.1％，只相当于现在全国半天的产量。1996年至今，我国钢产量年年超过1亿t，成为世界第一产钢大国。从6000万t增长到1亿t钢，美国经过13年，日本经过6年，中国为7年。这对于我国立足于工业化、现代化的世界，意义重大。但是我国又是一个钢的消费大国，2003年我国钢消费2.67亿t。我国钢厂结构不合理，10%以上的钢是由规模不到50万t以下的小型钢铁企业完成的，70%以上的生产能力是由150万t以下的中小钢铁企业完成的。因此，我国钢铁企业的能耗大，产品品质不高，许多高附加值的优质钢材仍需进口，2003年就进口了3717万t的优质钢材。为此，新一代钢铁材料的主要目标是探索提高钢材强度和使用寿命。经研究证明，纯铁的理论强度应能高于8000MPa，而目前碳素钢为200MPa级，低合金钢（如16Mn）约400MPa级，合金结构钢也只有800MPa级。日本拟于2010年将钢的强度和寿命各提高1倍，2030年再翻一番（即1t钢可相当于现在的4t），这个计划展示了材料挖潜的前景。 类比钢铁，其他材料也有很大潜力可挖。现代材料逐步向高比强度、比模量方向发展。20世纪上半叶，材料科学家利用合金化和时效硬化两个手段，把铝合金的强度提高到700MPa，这样，铝的比强度（强度/密度）达到2.64×106cm，是钢的比强度（0.64×106cm）的4倍有余。要达到同样的强度，铝合金的用量只有钢的1/4，这就是铝合金作为结构材料的极大优势。 美国1980年汽车平均质量为1500kg，1990年则为1020kg。每台车的铸铁用量由225kg 降至112kg，铸铁的比例由15％减至11％；而铝合金由4％增至9％；高分子材料由6％增