汽车零部件的失效模式及其分析

1、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

2、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 按和对失效进行分类是研究失效的重要内容。 汽车零部件按分类可分为、及等五类； 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

3、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

4、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

5、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。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

6、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

7、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，磨损可分为磨料磨磨料磨损、粘着磨损、表面疲劳磨损、腐蚀磨损和微动损、粘着磨损、表面疲劳磨损、腐蚀磨损和微动磨损磨损等；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在各类磨损形式中大约占磨损总消耗

8、的 50%；危害最为严重的磨损形式； 磨料的来源；粒 度 为 2 0 m 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）以微量切削为主的假说； 塑性金属同固定的磨料摩擦时：磨屑呈螺旋形、弯曲形等； 在金属表面内发生塑性挤压、 形成擦痕； 切削金属， 形成磨屑； 以压痕为主的假说： 对塑性较大的材料；磨料在压力作用下压入材料表面，梨耕另一金属表面，形成沟槽，使金属表面受到严重的塑性变形压痕两侧金属已经破坏，磨料极易使其脱落。 以疲劳破坏为主的假说： 金属的同一显微体积经多次塑性变形， 小颗粒从表层上脱落下来。 不排除同时存在

9、磨料直接切下金属的过程。 滚动接触疲劳破坏产生的微粒多呈球形。 “备注” 以断裂为主的假说针对脆性材料，以脆性断裂为主； 磨料压入和擦划金属表面，压痕处的金属产生变形，磨料压入的深度达到临界深度时，随压力而产生的拉伸应力足以使裂纹产生。 裂纹主要有两种形式，垂直表面的中间裂纹和从压痕底部向表面扩展的横向裂纹。 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

10、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

11、，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相对滚动或带带有滑动的滚动摩擦条件下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

12、 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

13、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

14、（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

15、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

16、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

17、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（湿式缸套下部的橡胶密封处）；局部腐蚀电池（金属表面有氧化膜或电池时），也称其为微电池； 与燃气接触的零件所受的腐蚀为燃气腐蚀。可分为低温腐蚀和高温腐蚀，低温腐蚀主要为电化学腐蚀，高温腐蚀主要为化学腐蚀。 防止电化学腐蚀的方法，在汽车上主要用覆盖层保护。覆盖层有金属性的（镀铬、镀锡）和非金属性的（油漆、塑料）有些零件利用电化学和化学方法在表面生成一层致密的保护膜，如发蓝是生成一层氧化膜，磷化是生成一层磷化膜；三、汽车零件的老化： 第五节 汽车零部件变形失效机理 一、定义：零件在使用过程中，由于承载或内部应力的