01-汽车零部件断裂失效分析简述.ppt

1、汽车零部件断裂失效分析,201001 中国第一汽车集团公司技术中心,1、基本概念,失效：国家标准GB3187-82中定义：“失效（故障）-产品丧失规定的功能。对可修复产品，通常也称为故障。” 规定的功能：是指国家有关法规、质量标准、技术文件以及合同规定的对产品适用、安全和其它特性的要求。它既是产品质量的核心，又是产品是否失效的判据。 失效分析：是判断产品的失效模式，查找产品失效机理和原因，提出预防再失效对策的技术活动和管理活动。因此，失效分析的主要内容包括：明确分析对象，确定失效模式，研究失效机理，判定失效原因，提出预防措施(包括设计改进,失效模式：是指失效的外在宏观表现形式和过程规律，一般可

2、理解为失效的性质和类型。 失效原因：失效原因通常是指酿成失效甚至事故的直接关键性因素。 失效机理：失效机理是指失效的物理、化学变化本质和微观过程，可以追溯到原子、分子尺度和结构的变化，但与此相对的是它迟早也要表现出一系列宏观（外在的）的性能、性质变化和联系。失效机理是对失效的内在本质、必然性和规律性的研究，它是人们对失效内在本质认识的理论提高和升华,失效分析在工程中的地位和作用,失效分析是可靠性工程的技术基础之一，可靠性是产品的关键质量指标，可靠性技术是质量保证技术的核心。可靠性技术从宏观统计入手，可以得到产品可靠性的各种特征参数和宏观规律，但不能回答产品怎样失效或为什么失效。 失效分析是安全

3、工程的重要技术保证之一,安全工程以事故为研究对象，很多事故是由产品失效所致。失效分析可以找出薄弱环节，查明不安全因素，发现事故隐患，预测由失效引起的危险，提出优化的安全措施。是安全工程强有力的技术保证,关于灰色系统,从人类实践的绝对性来看，人类可以穷尽对机电失效规律及其预防的认识，但从对失效分析的个别实践和认识来看，又总是在有限的空间内进行的。因此，对失效特点和规律的认识又往往是有限的和相对的，这就决定了失效分析的研究和发展总是处于一个灰色系统内。 包含着失效分析的持续性、阶段性、可认知性和无止境性等含义,2、 汽车零部件及断裂失效特性,总成发动机、离合器、变速器、传动系统、前桥、驱动桥、前后

4、悬架系统、车身车架、转向系统、压力及容器系统等，又可以分为若干子系统和零部件,2.1 总成、零件、结构、载荷,零件齿轮类、轴杆类、弹簧类、轴承类、壳体类、支架类、紧固件类、油气管路、垫片类、轮带类、其它等； 结构弯曲梁（悬臂、简支梁）、扭转杆、拉压杆、组合状态等； 配合间隙或过盈配合、锁紧及摩擦配合、定位性配合、啮合性配合、支撑和约束等； 结构特性刚性件、弹性件、柔性件、吸能件、平衡性件等； 载荷特性脉动载荷、冲击或多冲载荷、振动、约束、动平衡载荷、热应力件、耐腐蚀件等,2.2 汽车零部件失效特性,失效的批量性 与汽车的大规模生产方式有关，也与材料工艺的不稳定和异常的使用工况有关； 失效形式的

5、多样性 汽车是一个结构和功能相对复杂的行走机械，零件零部件的结构和工艺种类繁多、工况和载荷形式不尽相同，带来的多样性； 失效的阶段性 这与设计、材料、工艺制造 水平等因素有关,2.3 失效分析技术要点,鉴于“灰色系统”的原理，对于各种失效和问题的认知是一个持续、不断变换和深入的过程。对于实际的问题认知具有阶段性。是一个不断地积累、归纳和理性认识地过程。 掌握理论，尊重实际，符合逻辑，失效是一个实践和思维过程。要能够自我否定，不盲目追求 “结果”，承认总会有一些说不清的问题。 认识需要实践验证，宗旨在于解决问题。要熟知和掌握标准和技术条件及其意图，熟悉零部件功能和工作条件，同时关注各种技术条件与

6、具体失效形式的关系,2.3 汽车零部件的失效类型,QC/T34-92汽车的故障模式及分类中将常见故障分为6类： (a)损坏型故障模式。如：断裂、碎裂、开裂、点蚀、烧蚀、击穿、变形、拉伤、龟裂、压痕等。 (b)退化型故障模式。如：老化、变质、剥落、异常磨损等。 (c)松脱型故障模式。如：松动、脱落等。 (d)失调型故障模式。如：压力过高或过低、形成十条、间隙过大或过小、干涉。 (e)堵塞与渗漏型故障模式。如：堵塞、气阻、漏油、漏水、漏气、渗油等。 (f)性能衰退或功能失效型故障模式。如：功能失效、性能衰退、异响、过热等。 注：有些为失效形式，有些为失效的影响因素，有些为失效的结果,汽车零部件的失

7、效类型,失效类型：断裂、磨损、变形、腐蚀等； 常见类型：各种断裂和摩擦磨损失效； 断 裂：疲劳断裂（7080%）、延迟开裂（较多见）、脆断、韧断等； 磨 损：磨粒磨损、粘着磨损、解除疲劳、拉伤、微动磨损等。 注：失效模式的分析、确认是整个分析工作的第一步,3 断裂失效分析,3.1 断裂失效分类 按断裂变形程度分类：韧性断裂、脆性断裂； 按应力类型分类：正断、切断； 按裂纹扩展途径分类：沿晶断裂、穿晶断裂、混晶断裂； 按载荷性质分类：疲劳断裂、延迟断裂、冲击(过载)断裂； 按微观断裂机制分类：解理断裂、韧窝断裂、疲劳断裂、蠕变断裂等,3.2断裂失效形式,应力开裂的形式,不同类型负荷下断裂形式,拉

8、 伸,3.3 应力-强度干涉模型,可靠性设计的基础原理； 模型的狭义概念：应力-安全系数-强度之间的关系； 模型的广义概念：设计-制造-使用失效之间的关系； 可靠性：性能和结构设计、制造工艺、使用工况； 是各种失效模式、影响因素及评价的基本思路,应力-强度干涉模型原理,可靠性设计； 诸因素的为服从一定分布规律的随机变量； (设计应力和设计的强度; 使用的应力和相应部位的强度,应力-强度干涉模型原理,参数分布的离散程度，中值的偏移； 干涉的部分表示失效概率或不可靠度,应力-强度干涉模型应用,3.4 断裂分析要素的评价,应力-强度干涉模型”的应力和强度是断裂分析的两大要素，其中哪个要素贡献较大？最

9、为活跃？如何地感知和评价是断裂分析中的一个焦点； “力学要素”是断裂失效分析的第一要素。因为力学因素的变换、波动、属性远比强度属性要活跃得多，复杂得多。例如占开裂问题绝大部分的疲劳断裂（含脆性断裂）基本上是一个力学属性的表征； “力学分析的范畴”包括：结构和配合的特性、载荷的性质和幅值、大多的内在质量缺陷、工作和运行的状态、应力状态等等。他们不仅决定了是否开裂，还总体上决定了以什么形式或在什么部位开裂。 “材料的强度要素” 是在技术条件和标准的基础上和对寿命影响的能力的角度上评价，其与延迟开裂和形变开裂等关系更密切,疲劳断裂的强度、应力、寿命要素分析,疲劳寿命是有限的，但零部件早期的疲劳断裂的

10、实际寿命一般表现为成倍或是数量级的变化和降低，这是通常考虑疲劳断裂分析的一个基点； 对于疲劳强度和疲劳应力均可以产生不同原因和幅度上的波动；两者相交时产生疲劳断裂，各自的贡献度如何及如何评价是我们断裂分析的关注点； 目前的断裂失效分析主要还是处在定性的分析阶段，要关注那些首要的因素或是主要矛盾； 这些看法具有阶段性，适应于目前机械工业的国情，包括设计、制造和使用等各方面的状态,汽车零件类型、强度的基本状况及波动幅度,汽车零件强度和疲劳强度（0.5）的实际波动状况（经验）是：跨过一个强度级别，强度的波动应该10%左右,某渗碳钢多阶疲劳强度比值,某渗碳钢多阶疲劳强度比值,疲劳寿命的应力“阶比”系数

11、为：3040% 零部件的强度“级比”系数： 10% 材料或零部件疲劳寿命每降低一个数量级，需要工作应力提高1.36 倍，或者材料强度降低25%倍。 以降低一个疲劳寿命“阶”为条件，材料强度降低25%，零部件的疲劳强度可能需要降低23个强度级别这在实际上是很少见到的，但应力的成倍提高是很容易达到的。注：本数据仅是应力-强度干涉模型理论下，对于结构件疲劳断裂分析中那些致裂因素的活跃性的定性的评价，即指应力的因素更为活跃。也是考虑问题的一种思路或是基点，并不排除强度因素,4.1疲劳断裂形式,断口分析是疲劳分析的重要环节，包括结构、应力分布场、载荷形式、异常工况、应力的大小等因素特征都会有所体现； 也

12、要关注断口或失效性质的转化及相关的条件,4 汽车零部件疲劳断裂分析,疲劳断口形态,疲劳断口形态,贝壳纹形成机理,关注那些随机性冲击载荷、台架试验的连续不变的载荷和铸铁的疲劳断口，有时并不十分典型,4.2 汽车零部件疲劳断裂分析案例,案例1、车轮的腐蚀疲劳开裂,过程：充气凝结水、腐蚀坑、应力集中、结构变形、疲劳开裂； 结构1：工作中轮辋失圆，槽型结构在椭圆的短轴方向收口，长轴开口；包括轮胎的外张力。 结构2：在槽根部弯曲结构处有附加弯矩、应变集中，疲劳开裂。 结构3：腐蚀坑的应力集中。 关注防腐的工艺质量，这是原因,案例2、变速器输入轴套管旋转弯曲疲劳断裂,轴管旋转弯曲疲劳开裂，失圆开裂； 离合

13、器分离轴承与输入轴套管的同心定位有问题，使其承受了旋转弯曲应力，也称作附加弯矩； 轴静止，弯曲应力旋转，轴承轴心在旋转； 要重点观察分析套管表面的接触、摩擦痕迹； 同时产生的失圆现象还引发了管口的失圆疲劳裂纹,案例3、半轴圆角旋转弯曲疲劳开裂,法兰盘承受的旋转弯曲应力应该与轮毂轴承间隙过大有关，也有考虑变形等因素影响了桥壳和轮毂的垂直度的； 关注约束的丧失对相关件的受力形式的影响,有数据表明半轴疲劳试验中有三条疲劳曲线并存，其中：A曲线：低应力高寿命阶段为花键正应力疲劳开裂，表现出了对花键部位某种应力集中的敏感性；（花键弯曲正应力）C曲线：中应力中寿命阶段，为法兰圆角部位的正应力疲劳断裂，表现

14、出了对圆角处应力集中的敏感性； （扭曲正应力） B曲线：高应力低寿命阶段为纵向剪切疲劳开裂，表现出对高应变性质的敏感性，而对应力集中条件不敏感,半轴的结构特性,案例4、后桥壳弯曲疲劳开裂,局部焊接支架垫块，堆焊过于靠近底平面而引起应力集中，引发疲劳裂纹。 危险的部位的焊接要谨慎，考虑离开危险截面，减小应力集中因素,案例5、后桥壳疲劳开裂,焊接桥壳的三角区拉应力疲劳开裂； 原因是内部焊接未焊透，强度不足和应力集中引起该部位疲劳开裂； 关注减壳口处的弹性变形和三角区的变形及应力场；过渡圆R处承受着弯曲和拉直的两种载荷的正应力，拉直应力受到了三角板的约束； 关注疲劳开裂部位和形式以及开裂性质的转化，

15、由局部的拉应力开裂转变为后轴的弯曲疲劳开裂,案例6、后桥壳后盖疲劳开裂,桥壳后盖疲劳开裂，后转为桥壳弯曲疲劳开裂； 桥壳的后盖有三种，螺栓连接的、焊接的和铸造一体的，具有一定的刚性，均需要有效连接，以支撑和协调桥壳的刚性。均可以在连接部位发生各种开裂问题； 本案是该部位较为薄弱，加上后盖的弯曲结构而局部弯曲疲劳开裂，裂纹扩展后转为桥壳的弯曲疲劳,案例7、前轴疲劳开裂,裂纹产生与打磨痕迹产生的应力集中有关； 一是关注打磨的方向，再有是打磨面的处理； 抛磨后会提高寿命一倍以上。 另外关注贝纹线的产生条件,案例8、前轴主销孔疲劳开裂,主销孔严重偏置，单侧的壁厚过薄； 主销孔可以承受主销向外的侧向推力

16、，端面处的边缘实际上有一定的失圆变形； 开裂部位的失圆变形为弯曲应力，对壁厚的结构尺寸敏感性很大,案例9、前轴平销孔处疲劳开裂,平销孔处边缘过尖，有效承载区域过小引发疲劳开裂。 关于尖角引发裂纹的机理有待进一步讨论。如局部的刚性不足，应变和应力过大等,案例10、钢板弹簧中心孔疲劳开裂,关注约束的有效性； 断裂力学要素：简支梁弯矩最大部位、应力集中、应变集中。 同时也应考虑少片簧平直段的自身刚性和约束结构刚性,案例11、钢板弹簧压板边缘处疲劳断裂,关注局部异常的表面异常硬化会增加疲劳裂纹萌生的敏感性。 考虑异常的擦伤、表面挤压磕碰伤与表面强力喷丸有什么差别或作用,钢板弹簧疲劳断裂与磕碰伤,轧制过

17、程中磕碰伤引起疲劳断裂,案例12、板簧前卷耳疲劳开裂,关注冲击载荷的作用，关注车辆的动力和制动性能，道路情况，关注断裂的部位和结构特性； 关注对失效认识的不断深化和阶段性,案例13、钢板弹簧盖板疲劳开裂,少片簧的中间段刚性不足，如果与板簧中心孔断裂有关则应该有异常接触印记； 压板的弯曲在先，实际的失效形式应该是弯曲，要点是弯曲的连续性，交通肇事的弯曲脆断中会有断裂件弯曲的一类问题,案例14、减震器支架疲劳断裂,关注疲劳源的位置、减震器的作用和冲击载荷性质； 铸铁支架作为一个类型，大多承受冲击载荷的作用； 铸铁件的疲劳断口比较难观察,案例15、传动轴支架疲劳断裂,关注传动轴不平衡造成的振动应力,

18、案例16、斜齿轮轮齿弯曲疲劳,关注接触区的偏移，齿向问题，会使得局部工作应力大幅度提高； 影响因素包括热处理变形、轴的刚度和变形、轴承间隙的调整等,案例17、中间轴齿轮疲劳开裂,变速箱缺油或同步器烧蚀，引起齿轮灼烧并疲劳打齿； 关注短悬臂梁的裂纹扩展方向问题,案例18、制动盘、制动鼓热疲劳开裂,关注热应力的产生条件、大小。全约束条件下加热到500时热膨胀压应力可以达到700兆帕以上。 关注结构的约束，关注材料的性质（灰铁、球铁、蠕铁、合金铸铁）。 热疲劳的典型零件还有离合器压盘、汽缸盖和排气歧管、涡轮增压器壳等,案例19、微动磨损引起的疲劳开裂,由于载荷过大、刚性不足、装卡方式等原因引发局部产

19、生微动磨损现象，导致疲劳开裂。这类问题在轴孔配合结构中最多体现,案例20、连杆油孔疲劳开裂,在拉、压载荷作用下的疲劳开裂； 表现出了对油孔边缘处应力集中的敏感性,案例21、转向臂双向弯曲疲劳开裂,转向臂和转向上臂双向弯曲疲劳断裂； 分别表现出对来自地面的载荷或动力转向的不同载荷下的敏感性； 这是一种不规则的脉动载荷，可通过不同尺寸的终断区来感受不同的工况和载荷的大小,案例22、剪切应力疲劳开裂,半轴、钢板弹簧等零件，产生在高强韧性的零件中； 属于应变疲劳的性质，也称为高应力低周疲劳； 扭转的应力状态更有利于这种失效形式的产生,案例22、钢板弹簧疲劳开裂,钢板弹簧早期高应力低周疲劳断裂； 裂纹源

20、起源于材料内部的大块夹杂处，夹杂的主要成分是Al、Mg、Ca、O等元素,案例22 主动锥齿轮的轮齿“弯曲疲劳,轮齿正常的弯曲疲劳断裂特征是：裂纹起源于并（近于）横贯齿根、且向纵深扩展的疲劳开裂。 这种疲劳裂纹向纵深扩展的形态与螺旋锥齿轮的轮齿结构有关，即与其短、厚悬臂梁结构特征相关。 关注失效形式的预期,轮齿齿顶打齿（失效形式异常,齿顶裂纹在侧向挤压力的作用下，局部成片状或块状的“碎裂”型疲劳开裂，或称“掰裂” 。 断口上可以有明显疲劳贝纹，断口成尖形状态。既可以表现出单向的或双向的片状疲劳开裂,4.3 汽车零部件的延迟开裂,4.3.1 延迟开裂也称静疲劳（第二类氢脆）。 三大因素：氢、组织（

21、硬度）、应力。 4.3.2 氢制开裂是成型的机理，有广泛和成功的应用。 4.3.3 组织的敏感性问题应引起高度的重视。 首先是GBT3098.1标准的理解问题， 关注的要素：最低回火温度； 最低含碳量； 最低合金量； 淬火马氏体的含量； 再回火试验。 核心问题：充分回火的问题，组织敏感性的问题，第一要素,4.3.4 关于低温蠕变机理，关于氢的因素。 4.3.5 关于结构件的的延迟开裂的范畴： 高强度螺栓、弹簧及弹性件、齿轮及感应淬火件、淬火裂纹、 磨削裂纹等。 4.3.5 确认的方法：正应力的存在、延迟性的表现、沿晶或沿晶倾向的微观断口、硬度和金相检验、再回火试验。 4.3.6 关于应力问题：

22、 恒定（持续）性正应力的存在，包括内在和外在的两种。 应力场的属性分析，包括来源和分布。 4.3.7 问题的解决方案 充分淬火和回火方案、技术条件的合理化； 降低和改变应力分布和幅度方案； 控“氢”方案。 4.3.8 以380400再回火温度的充分回火状态，作为划定回火马氏体和回火屈氏体的界限，回火屈氏体原则上没有延迟开裂的组织敏感性,4.4 汽车零部件脆性断裂,零件的脆性断裂也较为常见，材料的性质是重要的条件之一，但实际情况中硬性应力状态更重要，即指双向拉应力状态。该应力状态限制了材料的塑性变形条件而产生脆性断裂。 脆性断裂不等于材料脆性，应力状态（平面应变）的影响更大,脆性断裂断口,案例1

23、、差速器十字轴和齿轮脆性断裂,与巨大的冲击作用有关，多倾向于产生在重载倒车的过程中。 关注脆断断口终断区的转弯形态，关注动态应力场的变化。 关注结构尺寸和抗冲击性能的能力,案例2、半轴脆性开裂,在静扭和疲劳断裂中均有发生，表现出各种形态的断口。是一个系统内能量蓄积、转换和释放的过程； 脆性断口（碎裂）可以理解裂纹扩展速度，与弹性变形的速度相当,案例3、横拉杆接头弯曲脆性断裂,密封失效导致润滑失效，工作中回转阻力过大，引起弯曲并脆性断裂,案例4、轴承盖板装配开裂,结构问题，螺栓孔长而薄； 装配问题，注意装配顺序； 密封垫的的问题，刚性小,案例5 剪切下料中的弯曲脆断,下料模具间隙调整的不合理，压

24、料不稳定，局部承受了过大的弯矩，首先产生弯曲变形（含端头失圆的变形），然后是开裂。 开裂纹方向的应力场分析，弯矩和剪矩的正应力矢量叠加,断口与应力场,拉压、弯曲、扭转、剪切是结构的几种基本力学状态； 弯矩、扭矩、剪矩是材料力学中的三个结构应力分布基本模型； 、是两种基本应力，三个应力分布的应力矢量叠加决定了主应力的分布情况； 叠加后应力矢量和裂纹扩展过程中应力场的动态变化影响着裂纹的走向,案例6、转向螺杆和主销脆性断裂,车辆及相关的部位受到了严重的冲击，通过机械动作传递载荷，在适当的条件下和部位产生断裂； 是一个能量释放和转换过程，不同的机械状态，开裂的零件和部位不一样。要求我们系统地考虑问题

25、,扭矩为主,弯、剪结合,弯矩为主,案例7、轴杆类零件矫直断裂,关注矫直工艺过程，矫直形变过大； 关注金属材料弹性变形的速度； 关注结构的动态变化对断口扩展方向的影响，作为脆性断裂断口的判定依据之一,案例8、飞轮齿圈脆性断裂,起车试验5、6个循环发生脆断，发生在在焊口处； 裂纹源在心部，菊花状断口，表达对焊接变形组织和焊接质量的敏感性； 装配张应力、工作冲击载荷； 淬火层过深的问题，焊接后回火的问题； 延迟开裂的可能性，冲击载荷的作用,案例9、半轴杆部螺旋裂纹,从断裂韧性的理论解释，图中给出了40CrNiMo钢的断裂韧性（K1c）和经淬火、回火热处理成不同屈服强度后的相互关系。 从图得知随硬度的

26、升高，材料的断裂韧性大幅度下降，即硬化层内的组织断裂韧性极低，裂纹会优先扩展。 实际上可以理解为裂纹扩展所需要的能量的差异问题和弹性变性能的多少，能量的分布，裂纹扩展速率等 问题。 均发生在层深较大的半轴上,案例10 弧形剪切开裂,发生在高能量冲击的情况下，结构是短悬臂梁，韧性良好的基体组织。 弯矩和剪矩两个剪应力矢量和构成的弧形最大剪应力场，产生弧形韧性剪切开裂,y,案例11 转向节脆性断裂,该件有锻造裂纹，有氧化脱摊现象，但不能明确是过烧裂纹。 严重的调质组织过热，机械性能中塑性指标严重不合格。 锻造和调质热处理两项严重的工艺缺陷导致使用中早期脆断,案例12 钢板弹簧脆性断裂,钢板弹簧脆性弯曲断裂，裂纹源区为萘状断口； 近表面处局部沿晶、粗大的微裂纹，并伴随有氧化脱碳现象； 为热处理过烧所致,4、小结（几个考虑问题的基点,汽车失效技术的基本技术状况 汽车是数量最大的行走机械，涉及的面最广，具有社会性，汽车零部件的失效分析技术也是失效行业中最具有社会化的技术之一。 国内汽车制造产的技术水平，包括产品开发、工艺技术、管理、供应商等，在过去20年