汽车零部件的失效模式及其分析

第二章汽车零部件的失效模式及其分析重点： 1.汽车零件失效的基本原因； 2.汽车摩擦学理论； 3.磨损的分类与失效； 4.汽车零件疲劳； 5.汽车零件的变形； 6.汽车零件的腐蚀；第二章汽车零部件的失效模式及其分析 难点： 1.汽车摩擦学-混合摩擦； 2.粘着磨损；微动磨损； 3.腐蚀磨损； 4.提高汽车零件抗疲劳断裂的方法； 5.基础件的变形；第二章汽车零部件的失效模式及其分析汽车零部件失效分析，是研究 汽车零部件丧失其功能的原因、特 征和规律；目的在于：分析原因， 找出责任，提出改进和预防措施， 提高汽车可靠性和使用寿命。第一节汽车零部件失效的概念及分类一、失效的概念；二、失效的基本类型；三、零件失效的基本原因；一、失效的概念汽车零部件失去原设计所 规定的功能称为失效。失效不 仅是指完全丧失原定功能，而 且还包含功能降低和有严重损 伤或隐患、继续使用会失去可 靠性和安全性的零部件。二、失效的基本形式按失效模式失效模式和失效机理失效机理对失效进行分 类是研究失效的重要内容。汽车零部件按失效模式失效模式分类可分为磨磨 损损、疲劳断裂疲劳断裂、变形变形、腐蚀腐蚀及老化老化等五类；一个零件可能同时存在几种失效模 式或失效机理。汽车零件失效分类 失效类 型失效模式举例磨损粘着磨损、磨料磨损、表 面疲劳磨损、腐蚀磨损、 微动磨损汽缸工作表面“拉缸”、曲轴“抱轴”、 齿轮 表面和滚动轴 承表面的麻点、 凹坑等 疲劳断 裂低应力高周疲劳、高应力 低周疲劳、腐蚀疲劳、热 疲劳曲轴断裂、齿轮轮齿 折断等腐蚀化学腐蚀、电化学腐蚀、 穴蚀湿式汽缸套外壁麻点、孔穴变形过量弹性变形、过量塑性 变形曲轴弯曲、扭曲，基础件（汽缸体 、变速器壳、驱动桥 壳）变形老化龟裂、变硬橡胶轮胎、塑料器件三、零件失效的基本原因工作条件包括零件的受力状况和工作环境； 设计制造设计不合理、选材不当、制造工艺不 当等； 使用维修三、零件失效的基本原因 工作条件工作条件基本原因主要内容应用举例工作条件零件的受力状况 曲柄连杆机构在承受气体压力过程 中，各零件承受扭转、压缩 、弯曲载荷 及其应力作用；齿轮轮齿 根部所承受的弯曲载荷 及表面承受的接触载荷等；绝大多数汽车零件是在动态应 力作 用下工作的。工作环境； 汽车零件在不同的环境介质和不同 的工作温度作用下，可能引起腐蚀磨损 、磨料磨损以及热应 力引起的热变 形、 热膨胀、热疲劳等失效，还可能造成材 料的脆化，高分子材料的老化等。三、零件失效的基本原因 设计制造；设计制造；使用维修；使用维修；基本原因主要内容应用举例设计 制造设计 不合理； 轴的台阶处 直角过渡、过小的圆 角半径、尖锐的棱边等造成应力集中；花键、键槽、油孔、销钉 孔等处， 设计时 没有考虑到这些形状对截面的 削弱和应力集中问题 ，或位置安排不妥 当； 选材不合理； 制造工艺过 程 中操作不合理；制动蹄片材料热稳 定系数不好； 产生裂纹、高残余内应力、表面质量不 良；使用维修使用； 维修；汽车超载、润滑不良，频繁低温冷启动 ； 破坏装配位置，改变装配精度；第二节汽车零部件磨损失效模式与失效机理汽车或机械运动在其运动中都是一个物体与另一物体 相接触、或与其周围的液体或气体介质相接触，与此同时 在运动过程中，产生阻碍运动的效应，这就是摩擦。由于 摩擦，系统的运动面和动力面性质受到影响和干扰，使系 统的一部分能量以热量形式发散和以噪音形式消失。同时 ，摩擦效应还伴随着表面材料的逐渐消耗，这就是磨损。磨损是摩擦效应的一种表现和结果。“磨损是构件由 于其表面相对运动而在承载表面上不断出现材料损失的过 程。”据统计有75%的汽车零件由于磨损而报废。因此磨损 是引起汽车零件失效的主要原因之一。一、摩擦学基础理论 摩擦理论； 摩擦分类；几种主要的摩擦理论名称主要内容机械理论当两固体表面接触时，由于表面凹凸不平，相互啮合，产 生了阻碍两固体接触表面相对运动的作用。（只适用于固 体的粗糙表面） 分子吸附 理论摩擦力产生得主要原因在于两摩擦表面分子之间的相互吸 引力。粘着理论摩擦力主要取决于剪断金属粘着和冷焊点所需的剪切力。分子机 械理论发生在接触点处分子吸引和机械啮合所构成的合成阻力就 是所谓的摩擦力。在载荷作用下的接触表面的相互作用可 分为机械作用（取决于表面变形）和分子作用（取决于原 子相互吸引），在摩擦过程中所占比例与材料的表面粗糙 度、载荷大小、材料种类等因素有关。摩擦分类分类方 式内容举例按摩擦副 的相对 运动形 式滑动摩擦活塞与活塞环在气缸孔的往复运动滚动 摩擦滚动轴 承滚柱、滚珠与内、外圈滚 道表面间的摩擦 复合摩擦凸轮轴 凸轮与气门挺杆表面间、齿 轮传动 机构轮齿 表面所发生的摩擦 按摩擦副 表面的 润滑状 况固体摩擦汽车离合器、制动器流体摩擦桶面活塞环与气缸壁、轴颈 与轴瓦边界摩擦发动 机活塞环与缸套上部、配汽机 构凸轮与挺杆、齿轮传动 副的齿面二、磨损的分类磨损与零件所受的应力状态、工作与润滑条 件、加工表面形貌、材料的组织结构与性能以及 环境介质的化学作用等一系列因素有关；按表面破坏机理和特征，磨损可分为磨料磨 损、粘着磨损、表面疲劳磨损、腐蚀磨损和微动 磨损等；前两种是磨损的基本类型，后两种磨损 形式只在某些特定条件下才会发生。三、磨料磨损及其失效机理 磨料的来源； 粒度为20m 30m的尘埃将引起 曲轴轴颈、气缸表 面的严重磨损，而 1m以下的尘埃同 样会使凸轮挺杆副 磨损加剧；磨料磨损的失效机理（假说）总之，磨料磨损机理是属于 磨料的机械作用，这种机械作用 在很大程度上与磨料的性质、形 状及尺寸大小、固定的程度及载 荷作用下磨料与被磨表面的机械 性能有关。四、粘着磨损及其失效机理 定义：摩擦副相对运 动时，由于固相焊合 作用的结果，造成接 触面金属损耗的现象 称为粘着磨损。 是缺油或油膜破坏 后发生干摩擦的结果 ；是指一个零件表面 上的金属转移到另一 个零件表面上，而产 生的磨损。 气缸套与活塞、活 塞环，曲轴轴颈与轴 承、凸轮与挺杆、差 速器十字轴和齿轮等 ；防止粘着磨损应遵循的原则引起粘着磨损的根本原因是摩擦区形成的热 一是设法减小摩擦 区的形成热，使摩 擦区的温度低于金 属热稳定性的临界 温度和润滑油热稳 定性的临界温度。 改善摩擦区结构； 改变摩擦区的形状 尺寸；配合副的配 合间隙，采用合适 的润滑剂及表面膜 。 二是设法提高金 属热稳定性和润 滑油的热稳定性 。 在材料选择上应 选用热稳定性高 的合金钢并进行 正确的热处理， 或采用热稳定性 高的硬质合金堆 焊。粘着磨损影响因素工作条件的影响 载荷的影响； 加载不要超过材料硬度值的1/3，减 小载荷，并尽量提高材料的硬度； 五、表面疲劳磨损及其失效机理定义：两接触表面在交变接触压应力的作 用下，材料表面因疲劳而产生物质损失的现象 称为表面疲劳磨损。表面疲劳磨损一般多出现在相对滚动或带 有滑动的滚动摩擦条件下；如齿轮副的轮齿表 面、滚动轴承的滚珠和滚道以及凸轮副等；滑 动摩擦时，也会出现疲劳破坏，如巴氏合金轴 承表面材料的疲劳剥落。失效原理：表面疲劳磨损是疲劳和摩 擦共同作用的结果，其失效过程可分为两个 阶段：疲劳核心裂纹的形成； 疲劳裂纹 的发展直至材料微粒的脱落。对表面疲劳磨损初始裂纹的形成，有下述几种理论： 最大剪应力理论 裂纹起源于次表层； 油楔理论 裂纹起源于摩擦表面；（滚动带 滑动的接触） 裂纹起源于硬化层与芯部过度区； 六、腐蚀磨损及其失效机理 1·定义：零件表面在摩擦过程中，表面金属与 周围介质发生化学或电化学反应，因而出现物 质损失的现象成为腐蚀磨损。 腐蚀磨损是腐蚀和摩擦共同作用的结果。其表 现的状态与介质的性质、介质作用在摩擦表面 上的状态以及摩擦材料的性能有关。 腐蚀磨损通常分为：氧化磨损、特殊介质的腐 蚀磨损、穴蚀及氢致磨损。氧化磨损：氧化磨损是最常见的一种磨损形式，曲轴轴 颈、气缸、活塞销、齿轮啮合表面、滚珠或滚 柱轴承等零件都会产生氧化磨损。与其它磨损 类型相比，氧化磨损具有最小的磨损速度，有 时氧化膜还能起到保护作用；影响因素：影响氧化磨损的因素有滑动速度 、接触载荷、氧化膜的硬度、介质中的含氧量 、润滑条件以及材料性能等。4·气蚀（穴蚀或空蚀） 定义：穴蚀是当零件与液体接触并有相 对运动时，零件表面出现的一种损伤现 象。 柴油机湿式缸套的外壁与冷却液接触的 表面、滑动轴承在最小油膜间隙之后的 油膜扩散部分（由于负压的存在），都 可能产生穴蚀；穴蚀产生的机理 是由于冲击力而造成的表面疲劳破 坏，但液体的化学和电化学作 用、液体中含有杂质磨料等均 可能加速穴蚀的破坏过程。 气缸套穴蚀为例，由于气缸内 燃烧压力随曲轴转角而变化， 缸套在活塞侧向推力的作用下 ，使缸套产生弹性变形和高频 振动。 气泡在溃灭的瞬时产生极大的 冲击力（几千甚至一万个大气 压）和高温（数百度），溃灭 的速度可达250m/s。5·氢致磨损：含氢的材料在摩擦过 程中，由于力学及化学作用导致氢 的析出。氢扩散到金属表面的变形 层中，使变形层内出现大量的裂纹 源，裂纹的产生和发展，使表面材 料脱落称为氢致磨损。氢可能来自 材料本身或是环境介质，如润滑油 和水中等。 七、微动磨损及其失效机理 1·定义：两接触表面间没有宏观相对运动，但 在外界变动负荷影响下，有小振幅的相对振动 （一般小于100m），此时接触表面间产生大 量的微小氧化物磨损粉末，因此造成的磨损称 为微动磨损。 微动以三种方式对构件造成破坏；如在微动磨 损过程中，两个表面之间的化学反应起主要作 用时，则称微动腐蚀磨损。如果微动表面或次 表面层中产生微裂纹，在反复应力作用下发展 成疲劳裂纹，称为微动疲劳磨损。第三节 汽车零部件疲劳断裂失效及其机理 一、定义：零件在交变应力作用下，经 过较长时间工作而发生的断裂现象称为 疲劳断裂。是汽车零件常见及危害性最 大的一种失效方式。 在汽车上，大约有90%以上的断裂可归 结为零件的疲劳失效。二、疲劳断裂失效的分类：根据零件的特点及破坏时总的应力循 环次数，可分为无裂纹零件和裂纹零件 的疲劳断裂失效。高周疲劳发生时，应 力在屈服强度以下，零件的寿命主要由 裂纹的形核寿命控制。低周疲劳发生时 的应力可高于屈服极限，其寿命受裂纹 扩展寿命的影响较大。汽车零件一般多 为低应力高周疲劳断裂。三、疲劳断裂失效机理：金属零件疲劳断裂实质上是 一个累计损伤过程。大体可划分 为滑移、裂纹成核、微观裂纹扩 展、宏观裂纹扩展、最终断裂几 个过程。第四节 汽车零部件腐蚀失效及其机理 零件受周围介质作用而引起 的损坏称为零件的腐蚀。按腐蚀 机理可分为化学腐蚀和电化学腐 蚀，汽车上约20%的零件因腐蚀 而失效。一、化学腐蚀失效机理：金属零件与介质直接 发生化学作用而引起的损伤称为化学腐蚀。金 属在干燥空气中的氧化以及金属在不导电介质 中的腐蚀等均属于化学腐蚀；化学腐蚀过程中 没有电流产生，通常在金属表面形成一层腐蚀 产物膜，如铁在干燥的空气中与氧作用生成 Fe3O4;这层膜的性质决定化学腐蚀速度，如果 膜是完整的，强度、塑性都很好，膨胀系数和 金属相近，膜与金属的粘着力强等，就具有保 护金属、减缓腐蚀的作用。（发动机活塞环镀 铬）二、电化学腐蚀失效机理：电化学腐蚀是两个不同的 金属在一个导电溶液中形成一对电极，产生电化学反 应而发生腐蚀的作用，使充当阳极的金属被腐蚀。电化学腐蚀的基本特点：在金属不断遭到腐蚀的同 时还有电流产生。如金属在酸、碱、盐溶液及潮湿空 气中的腐蚀等。引起电化学腐蚀的原因是金属与电解质相接触，由 于离子交换，产生电流形成原电池，由于电流无法利 用，使阳极金属受到腐蚀，称为腐蚀电池。异类电极电池；浓差腐蚀电池（湿式缸套下部的