汽车零部件失效模式及其分析.ppt

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和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分类可分为磨损 疲劳断裂 变形 腐蚀及老化等五类 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 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 三 零件失效的基本原因 设计制造 使用维修 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 摩擦分类 固体摩擦在汽车上 一般将摩擦副表面间完全没有润滑油或其他润滑介质时的摩擦 在固体摩擦条件下 摩擦表面直接接触 产生强烈地阻碍摩擦副表面相对运动的分子吸引和机械啮合作用 消耗较多的动力 并将其转化为有害的摩擦热 同时 固体摩擦往往伴随着强烈的摩擦副表面磨损 流体摩擦 流体润滑 相对运动的摩擦副表面间不直接接触 而被一层厚2 5微米以上的润滑油膜完全隔开的摩擦 摩擦系数很小通常为0 001 0 008 建立条件 在零件摩擦副处形成逐渐收敛的楔形间隙 才可能出现并维持具有一定承载能力的楔形润滑油膜 桶面环与气缸壁间的楔形间隙与油膜 由于活塞环表面加工的缘故使活塞在运动中活塞环与气缸壁运动表面间都存在楔形间隙 在发动机磨合过程中 矩形断面活塞环演变成类似桶面环的形状 轴颈与轴瓦间楔形润滑油膜建立过程 收敛油楔形成动压油膜 在其它外界因素一定的情况下 两表面间形成油膜的条件与摩擦副表面相对运动速度 润滑油粘度 外载荷有关 边界摩擦 边界润滑 是指相对运动表面间被极薄的一层 通常只有几个分子直径厚 具有特殊性质的润滑膜所隔开的摩擦 这时 润滑膜不遵从流体动力学定律 且两表面之间的摩擦不是取决于润滑剂的粘度 而是取决于两表面和润滑剂的特性 边界摩擦中 存在于相对运动表面间的极薄的且具有特殊性质的油膜 称为边界膜 依膜的结构形式不同可将其分为 吸附膜和反应膜 边界润滑膜 吸附膜是在边界摩擦状态中 润滑剂中的极性分子吸附在摩擦副表面上所形成的边界膜 可分为物理吸附膜和化学反应膜 对于含硫 磷 氯等元素添加剂的润滑油而言 由于它能与摩擦副表面产生化学反应而生成边界膜 所以称为化学反应膜 边界润滑膜的形成 脂肪酸是一种长链型的极性化合物 它的一端有能牢固吸附在金属表面上的极性团COOH 可以在金属上形成一层致密的按一定方向排列的 通常由3 4层分子构成的边界吸附膜 由于长长的链式分子本体排列紧密 且链与链之间具有内聚力 因而使边界膜具有一定的承载能力 单分子层吸附膜的润滑作用模型 在边界摩擦情况下 当摩擦副表面相对运动时 由于两表面上各自的吸附膜象两把毛刷相互滑动 从而避免了金属摩擦副表面直接接触 降低了摩擦系数 起到了润滑作用 当边界膜是反应膜时 由于摩擦主要发生在此熔点低 剪切强度低的反应膜内 从而有效的防止了金属摩擦副表面直接接触 也能使摩擦系数降低 边界摩擦特性 边界摩擦的摩擦系数不取决于润滑剂的粘度 而是取决于两表面和润滑剂的特性 一般在0 03 0 05之间 且通常与载荷和相对滑动速度无关 边界摩擦特性 无论是吸附膜还是反应膜 都有一定的临界温度 若工作温度过高 将使边界膜破坏 出现固体摩擦 备注 使用极压添加剂应注意的问题 使用要谨慎 一般不用强极压剂 一是这些强极压剂未达到其反应温度时 是不会生成反应膜的 因而加它无用 二是这些强极压剂往往具有不同程度的腐蚀性 尤其对有色金属 在使用弱极压剂时 也要注意其用量 切勿过量使用 混合摩擦 在汽车零件摩擦副的工作中 固体摩擦 流体摩擦和边界摩擦这三种或其中两种摩擦是混合存在的称为混合摩擦 半固体摩擦半流体摩擦长时间停车后重新启动的汽车发动机气缸壁与活塞环在开始启动的最初时刻 尤其是气缸上部 发动机运转正常 研究表明对摩擦特性影响最大的因素是液体润滑油的粘度 摩擦副相对运动速度和摩擦副载荷三参数的综合作用 斯特里贝克曲线 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20 m 30 m的尘埃将引起曲轴轴颈 气缸表面的严重磨损 而1 m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 影响因素 摩擦表面抵抗磨料磨损的强度主要取决于材料和磨粒的机械性能以及摩擦副的工作条件 磨料硬度的影响 材料的硬度 为减少磨损当材料表面硬度是磨粒硬度的1 3倍时 磨损量是最小的 磨料尺寸的影响 磨料尺寸增大 磨损量增加 但当尺寸增加到一定值后 磨损量不再增加 过大的磨粒可以凸出于表面 起到阻止其它磨料对表面进行显微切削的作用 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 形成机理 由于表面存在微观不平 表面的接触发生在微凸体处 在一定载荷作用下 接触点处发生塑性变形 使其表面膜被破坏 两摩擦表面金属直接接触形成粘结点 固相焊合 摩擦热产生使接触点处熔化和熔合 热磨损 由于粘着点与摩擦副双方材料机械性能的差别 当粘着部分脱离时 可能出现两种情况 外部粘着 粘着点的结合强度比摩擦副双方材料的强度低时 从粘着点分界面脱离 机体内部变形小 没有明显粘着现象 气缸壁与活塞环润滑不良时 将或多或少产生此种磨损 内部粘着 粘着点的结合强度比摩擦副的一方强度高 此时脱离面发生在原子结合力较弱的金属内部 大块磨粒从基体被撕裂后而导致粘着磨损 发动机的拉缸 抱瓦等 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 材料性质的影响 选用不同种金属或互溶性小的金属以及与非金属材料组成摩擦副 脆性材料比塑性材料的抗粘着能力强 微量合金元素C S对金属及合金的粘着有阻滞作用 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 滑动速度的影响 在载荷一定的情况下 粘着磨损随滑动速度的提高而增加 当达到某一极大值后 又随着滑动速度的提高而减少 有时随着滑动速度的变化磨损类型由一种变为另一种 滑动速度的影响 在滑动速度不太高的范围内 钢铁材料的磨损量随着滑动速度 接触压力的变化规律 氧化磨损 粘着磨损 氧化磨损 滑动速度的影响 进一步提高滑动速度 则又出现粘着 这时因摩擦而产生的高温 促使磨损量急剧增加 称为高温磨损 接触压力的变化并不会改善磨损量随滑动速度而变化的规律 但随着接触压力增加其磨损量也增加 而且粘着磨损发生的区域移向滑动速度较低的区间 也就是说重载低速运行容易产生粘着磨损的条件 温度的影响 应注意区分摩擦面的平均温度与摩擦面实际接触的温度 局部接触点的瞬时温度称为热点温度或闪点温度 滑动速度和接触压力对磨损量的影响主要是热点温度改变而引起的 当摩擦表面温度升高到一定程度时 轻者破坏油膜 重者使材料处于回火状态 从而降低了强度 甚至使材料局部区域温度升高至熔化状态 将促使粘着磨损产生 大约温度在300 左右时 比磨损量有极大值 总的来说 随着热点温度的变化 磨损类型和磨损量也发生较复杂的变化 热点温度在250 以下为氧化磨损 磨损量很小 由250 开始转变为粘着磨损 在300 附近粘着磨损出现极大值 而高于300 400 时 随着温度上升而磨损量减小 这又是氧化磨损 故磨损量为最小 当热点温度进一步升高 摩擦面局部接点形成的粘着现象就从热源向摩擦副每一元件传入而形成体积热场 使摩擦面平均温度显著升高 此时粘着现象不只是发生在个别点上 而是在较大面积上形成 烧结 这就是前面所说的高温磨损 例如曲轴与轴承之间的烧瓦现象 热点温度300 零件磨损量最大 粘着磨损转变为氧化磨损 热点温度400 零件磨损有极小值 氧化磨损转变为粘着磨损 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 最大剪应力理论 裂纹起源于次表层 裂纹的产生一般是由于切应力作用下因塑性变形而引起 纯滚动时 最大剪切应力发生在表层下0 786b b为接触宽度之半 处 即次表层内 在载荷反复作用下 裂纹在此附近发生 并沿着最大剪切应力方向扩展到表面 形成磨损微粒脱落 磨屑形状多为扇形 在 痘斑 状坑点 当除纯滚动接触外 还带有滑动接触式 最大剪切应力的位置随着滑动分量的增加向表层移动 破坏位置随之向表层移动 油楔理论 裂纹起源于摩擦表面 滚动带滑动接触 在滚动带滑动的接触过程中 如齿轮啮合面 由于外载荷及表层的应力和摩擦力的作用 引起表层或接近表层的塑性变形 使表层硬化形成初始裂纹 并沿着与表面呈小于45 的夹角方向扩展 形成油楔 裂纹内壁承受很大压力 迫使裂纹向纵深发展 裂纹与表面层之间的小块金属犹如一承受弯曲的悬臂梁 在载荷的继续作用下被折断 在接触面留下深浅不同的麻点剥落坑 深度0 1 0 2mm 裂纹起源于硬化层与芯部过度区 表层经过硬化处理的零件 渗碳 淬火等 其接触疲劳裂纹往往出现在硬化层与芯部过渡区 这是因为该处所承受的剪切应力较大 而材料的剪切强度较低 试验表明 只要该处承受的剪切应力与材料的剪切强度之比大于0 55时 就有可能在过渡区形成初始裂纹 裂纹平行于表面 扩展后再垂直向表面发展而出现表层大块状剥落 硬化层深度不合理 芯部强度过低 过渡区存在不利的残余应力时 容易在硬化层与芯部过渡区产生裂纹 影响因素表面疲劳磨损与零件材料 含有非金属夹杂物 特别是脆性夹杂物氧化铝 硅酸盐 氮化物等 材料的强度和硬度 热处理的金相组织 表面粗糙度 接触精度以及润滑 润滑油粘度 状态有关 零件的硬化层 渗碳层 氮化层等 要合理 使最大剪切应力在硬化层内 能提高抗疲劳磨损的能力 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 滑动速度和接触载荷对氧化磨损的影响 氧化磨损量随滑动速度的变化而变化 当滑动速度变化时 磨损类型将在氧化磨损和粘着磨损之间相互转化 当载荷超过某一临界值时 磨损量随载荷的增加而急剧增加 其磨损类型也由氧化磨损转化为粘着磨损 介质含氧量对氧化磨损的影响 介质含氧量直接影响磨损率 金属在还原气体 纯氧介质中 其磨损率都比空气中大 这是因为空气中形成的氧化膜强度高 与基体金属结合牢固的关系 润滑条件对氧化磨损的影响 润滑油膜能起到减磨和保护作用 减缓氧化膜生成的速度 但油脂与氧化反应生成酸性氧化物时则会腐蚀摩擦表面生产中有时利用危害性小的氧化磨损来防止危害性大的粘着磨损 如汽车后桥采用双曲线齿轮传动 因双曲线齿轮副接触应力较大 极易产生早期粘着磨损 在润滑油中加入中性极压添加剂 使油膜强度提高 3 特殊介质腐蚀磨损 定义 摩擦副与酸 碱 盐等特殊介质作用生成各种产物 在摩擦过程中不断被磨去的现象 其磨损机理与氧化磨损相似 但磨损速度较快 磨损率随介质的腐蚀性增大而变大 结构致密 与基体金属结合牢固的钝化膜或保护膜的生成速度大于腐蚀速度 则磨损率不随介质的腐蚀性而变化 发动机气缸内的燃烧产物中含有碳 硫和氮的氧化物 水蒸气和有机酸如蚁酸 CH2O 醋酸 C2H4O2 等腐蚀性物质 可直接与缸壁起化学作用是化学腐蚀 也可溶于水形成酸性物质腐蚀缸壁前者称为化学腐蚀 后者称为电化学腐蚀 其腐蚀强度与温度有关 气缸壁温度与腐蚀强度关系 Tk是在一定压力下水蒸气凝结的露点 在温度低于Tk的 区内为电化学腐蚀 腐蚀强度很高 温度高于Tk时 主要是化学腐蚀 随着温度的升高 腐蚀强度逐渐增高 随后又加剧 在Tk附近有一个腐蚀最小的理想区Tk Tn 腐蚀强度最小 润滑油氧化时将产生有机酸 对轴承材料中的铅 镉有很大腐蚀作用 开始时在轴承表面形成黑点 并逐渐扩展成海面状空洞 在摩擦过程中呈小块剥落 应严格控制润滑油中的酸值 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 缸套的外壁承受这种冲击应力的反复作用 使表面材料产生疲劳而逐渐脱落 形成麻点状 随后扩展 加深 严重时呈聚集的蜂窝状孔穴群 甚至穿透缸壁 柴油机的强化 缸套穴蚀破坏的一般特征是孔穴群集中出现在连杆摆动平面的两侧 尤其是在活塞承受侧压力大的一侧所对应的缸套外壁最为严重 另外在进水口和水流转向处 缸套支撑面和密封处也可能出现穴蚀破坏 防止缸套穴蚀的措施 一是防止或减少气泡的形成 二是如气泡不可避免的发生 就应设法使气泡远离机件的地方溃灭或提高零件材料抗穴蚀能力 增加气缸套固定刚度 如增加承孔高度 减少配合间隙等 以减少缸套的振动 加宽水套使冷却均匀 减少气泡爆破时的影响 消除冷却水路中局部涡流区及死水区 可采用切向进水 应在使用中保持冷却水的清洁或冷却水中加乳化剂 提高缸体与活塞修理质量和装配质量等对防止穴蚀都有一定作用 预防方法 就材料来说 以选用硬而富于延性 容易加工硬化 结晶颗粒小 弹性大 的材料为宜 作为环境条件 采用缓和冲击作用的方法和电防蚀法等效果较好 一般柴油机最易产生穴蚀的冷却水温度为40 60 左右 减少穴蚀的角度 应保持发动机的正常工作温度80 90 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100 m 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 微动磨损通常发生在静配合的轴和孔表面 某些片式摩擦离合器内外摩擦片的结合面上 以及一些受振动影响的连接件 如花键 销 螺钉 的结合面上 微动磨损造成摩擦表面有较集中的小凹坑 使配合精度降低 更严重的是在微动磨损处引起应力集中 导致零件疲劳断裂 过程 接触压力使结合面上实际承载峰顶发生塑性变形和粘着 外界小振幅的振动将粘着点剪切脱落 脱落的磨屑和剪切面与大气中的氧反应 发生氧化磨损 产生红褐色的Fe2O3的磨屑堆积在表面之间起着磨料作用 使接触表面产生磨料磨损 如果接触应力足够大 微动磨损点形成应力源 使疲劳裂纹产生并发展 导致接触表面破坏 复合磨损 粘着磨损 氧化磨损 磨粒磨损形式的组合 微小振动和氧化作用是促进微动磨损的主要因素 3 影响因素 材料的性能 滑动距离 载荷 相对湿度 振动频率和振幅 温度 材料的性能 一般来说 抗粘着磨损性能力大的材料也具有良好的抗微动磨损性能 滑动距离 载荷 紧配合接触面间相对滑动距离大 微动磨损就大 滑动距离一定则微动磨损量随载荷的增加而增加 但超过一定载荷后 磨损量将随着载荷的增加而减少 可通过控制预应力及过盈配合的过盈量来减缓微动磨损 相对湿度 微动磨损量随相对湿度的增加而下降 相对湿度大于50 以后 金属表面形成Fe2O3 H2O薄膜 它比通常Fe2O3软 因此随着相对湿度的增加 则微动磨损量减小 振动频率和振幅 在大气中振幅很小 0 012mm 时 钢的微动磨损不受振动频率的影响 振幅较大时 随着振动频率的增加 微动磨损量有减小的倾向 当振幅超过50 150 m时 磨损率均显著上升 温度 实验测得汽车零件的微动磨损与温度的关系证实 载重汽车轮毂轴承在冬天的微动磨损比夏天严重 实验测得中碳钢的微动磨损在临界温度130 时发生转折 超过此临界温度后 微动磨损大幅度降低 对于低碳钢 在温度低于0 时 温度越低 磨损量越大 在0 以上 磨损率随温度上升而逐渐降低 在150 200 之间突然降低 继续升温 磨损率上升 温度从135 升高到400 时 其磨损量增加15倍 由于微动磨损的起因是微振及氧化腐蚀 所以防止措施首先是加强检查配合件紧固情况 使之不出现微动或采取在配合副之间加弹性垫片 充填聚四氟乙烯 套或膜 或用固体润滑剂 适当的润滑可有效地改善抗微动磨损的能力 因为润滑膜保护表面防止氧化 采用极压添加剂或涂抹二硫化钼都可以减少微动磨损 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 疲劳断裂失效的分类 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 疲劳裂纹的萌生 在交变载荷下 金属零件表面产生不均匀滑移 金属内的非金属夹杂物和应力集中等均可能是产生疲劳裂纹核心的策源地 滑移带随着疲劳的进行逐步加宽加深 在表面出现挤出带和挤入槽 这种挤入槽就是疲劳裂纹策源地 另外金属的晶界及非金属夹杂物等处以及零件应力集中的部位 台阶 尖角 键槽等 均会产生不均匀滑移 最后也形成疲劳裂纹核心 疲劳裂纹的扩展 在没有应力集中的情况下 疲劳裂纹的扩展可分为两个阶段 在交变应力的作用下 裂纹从金属材料的表面上的滑移带 挤入槽或非金属夹杂物等处开始 沿着最大切应力方向 和主应力方向成40 角 的晶面向内扩展 扩展速度慢 如没有应力集中 直接进入第二阶段 改变方向 沿着与正应力相垂直的方向扩展 扩展途径穿晶并速度很快 裂纹成核后的扩展过程主要包括微观和宏观两个裂纹扩展阶段 整个疲劳过程是滑移 微观裂纹产生 微观裂纹的连接 宏观裂纹扩展直至断裂失效 四 疲劳断口宏观形貌特征 典型宏观疲劳断口分为三个区域 疲劳源或称疲劳核心 疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区 五 提高汽车零件抗疲劳断裂的方法 1 延缓疲劳裂纹萌生时间 方法有强化金属合金表面 控制表面的不均匀滑移 如表面滚压 喷丸 表面热处理等 另外提高金属材料的纯净度 减少夹杂物尺度以及提高零件表面完整性设计水平 尽量避免应力集中的现象等 都是抑制或推迟疲劳裂纹产生的有效途径 2 降低疲劳裂纹扩展的速度 止裂孔法 扩孔清除法 不影响强度的前提下 刮磨修理法 此外 还可以在裂纹处采用局部增加有效截面或补贴金属条等降低应力水平的方法 以阻止裂纹继续产生与扩展 加强次负荷锻炼 汽车零件疲劳特性 执行总成磨合及整车走合 搞好次负荷锻炼 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作用 使零件的尺寸和形状改变的现象称为变形 变形是零件失效的一个重要原因 如曲轴 离合器摩擦片 变速器中间轴与主轴 二 变形失效的分类 弹性变形失效 塑性变形失效和蠕变失效 弹性变形失效 零件在外力作用下发生弹性挠曲 其挠度超过许用值而破坏零件间相对位置精度的现象 此时零件所受应力未超过弹性极限 零件与应变的关系仍遵循虎克定律 零件的截