汽车维修工程（第三版）课件：汽车零件损伤机理分析

汽车维修工程（第三版）汽车零部件损伤机理分析第一节

摩擦学基础一、固体表面性质及接触面积

1.表面形貌

图2-1固体表面形貌1—表面状态；2—截面轮廓线；3—中线；4—空腔；5—实体；6—高度分布曲线；7—支承面积曲线2.1摩擦学基础

2.金属表面物质在大气条件下，由于不可能得到纯净的固体表面，固体表面上总是覆盖着各种性质的薄膜。金属表面的一般组成。图2-3金属表层的一般结构1-污染膜；2-吸附膜；3-氧化膜；4-加工变形；5-金属基体污染膜包括油污或灰尘等吸附膜是来自大气中的液体和气体分子的吸附层（包括物理吸附膜和化学吸附膜），氧化膜是金属表面被氧化而成的物质层，加工变形层是由机械加工而形成的冷作硬化层。2.1摩擦学基础

3.表面接触面积接触面积可分为3种：名义接触面积An、轮接触面积Ap和实际接触面积Ar。名义接触面积An是由接触表面的宏观界面的边界确定的面积，即

An＝a×b，如图2-4所示，轮廓接触面积Ap是物体接触表面被压皱部分所形成面积，如图2-4中虚线范围面积的总和，大小与所受有关。实际接触面积Ar是在轮廓接触面积内，各真实接触部分微小面积，如图2-4中虚线圈内黑点表示各接触点面积的总和。Ap只有An面积的5％~10％，Ar则仅为An的0.01％~1％。对于一般材料，呈弹性接触时，Ar与的2/3次方成正比，呈塑性接触时，Ar与的一次方成正比。

图2-4三种接触面积2.1摩擦学基础二、摩擦的定义和分类

两个相互接触的物体在外力作用下发生相对运动或具有相对运动趋势时，在接触面间产生切向运动的阻力称为摩擦阻力，而这种现象称为摩擦。摩擦的分类，见表2-1。

分类依据主要类型摩擦副运动状态静摩擦；动摩擦摩擦副运动形式滑动摩擦；滚动摩擦摩擦副表面的润滑情况干摩擦；边界摩擦；液体摩擦；混合摩擦

表2-1摩擦的分类2.1摩擦学基础１.干摩擦干摩擦是指物体纯净表面直接接触时的摩擦现象。通常所讲的干摩擦，一般是指在无润滑油条件下，两物体表面之间可能存在着自然污染膜时的摩擦。

１）古典摩擦定律库仑在对摩擦现象进行了比较系统的研究后，在1785年提出了摩擦定律的基本公式。即

（2-1）或

（2-2）式中：μ——摩擦系数；

Ｆ——滑动摩擦力；

Ｗ——法向。2.1摩擦学基础古典摩擦定律的主要内容包括:

（1）摩擦力与作用在摩擦面上的法向成正比；

（2）摩擦力与名义接触面积的大小无关；

（3）摩擦力与滑动速度的大小无关；

（4）静摩擦系数大于动摩擦系数。

2）简单粘着理论

鲍登（Bowden）和泰伯（Tabor）在1950年提出了简单粘着理论。当两金属表面相接触时，仅仅在微凸体顶部压力很大，以致产生塑性变形。2.1摩擦学基础接触处的接触处的变形使实际接触面积增大，直至增大到接触面积恰好能承受全部为止。对于理想的弹性—塑性材料，实际接触面积与荷载的关系，如图2-5b所示，并可用下式表示：

（2-3）式中：Ｗ——法向荷载；

Ａr——实际接触面积;

σxy——金属材料的压缩屈服极限。其摩擦力可用下式表示:

（2-4）式中：τ′b

——粘接部分的剪切强度；

pe——犁沟力。

图2—5微凸体模型及其压力分布图a）球体；ｂ)柱体；ｃ)锥体2.1摩擦学基础由式（2-4）可知，摩擦力F包括两部分:Ａrτ′b是粘着摩擦力，由于高压和变形等原因在接触面间产生很强烈的粘着（或称固相焊合），相对滑动时就形成了粘着摩擦力。其次，pe是犁沟力，是由于相互接触平面的硬度不同而产生。一般情况下，pe只占Ａrτ′b的百分之几，可略去不计。因此式（2-4）可表达为:

（2-5）

摩擦系数:

（2-6）

由式（2-6）可见，当摩擦表面材料一定时，摩擦力与法向成正比，与名义接触面积无关。上述分析是建立在理想的弹性材料的基础上，忽略了加工硬化的影响。为了更接近实际情况，以较软的金属剪切强度极限τb代替金属粘结点的剪切强度τ′b，则

（2-7）

2.1摩擦学基础对大多数金属材料而言τb≈1/5σxy

,则μ的值为0.2左右,这与实际情况（大气中μ>0.5）相差很大。因此，须对简单粘着理论进行修正，从而提出了金属表面有自然污染膜存在时的粘着理论。

３）有自然污染膜的金属粘着理论在简单粘着理论基础上，考虑到接触面间有自然污染膜的条件下提出的金属粘着理论，实验表明，污染膜的剪切强度极限一般低于金属基体的剪切强度极限。

设膜的剪切强度为τf

,则τf＝cτb

（c<1）。当F/Ar＝τf时,污染膜开始剪切，粘结面积停止增大，并且开始滑动。当c很小时，则

（2-8）这个结论与简单粘着理论一致，这是因为污染膜的剪切强度极限比金属的低。其次，是实际接触面积不可能大幅度地增长，因而实际接触面积仅由法向和屈服极限σxy决定，而与金属的剪切力无关。这些现象也是与实际情况相符合。2.1摩擦学基础在极限情况下，由于表面自然膜破裂，金属不但与自然污染层接触，而且金属之间也相应接触。此时的摩擦力决定于金属对金属及金属对污染膜摩擦时实际接触面积所占的比例。

（2-9）式中：τ1——软金属的剪切强度；

τ2——污染膜的剪切强度；

α——金属和金属接触面积与金属和污染膜接触面积的百分数。

当一个光滑的半球形滑块和一个金属平面相接触，用它来解释粘着理论在实际应用中的意义。

根据上述粘着摩擦理论知F=Arτ。2.1摩擦学基础

４）分子－机械理论苏联学者克拉盖尔斯（N.B.KpazellckuX）在1939年提出了分子-机械理论摩擦理论，理论认为摩擦具有两重性，摩擦表面的实际接触部分，在很大的单位压力作用下，表面凸峰相互压入和啮合，同时相互接触的表面分子也有引力作用。因此，摩擦过程就是克服表面凸峰的机械啮合和表面分子相互吸引的过程。图2-6半球形滑块在平面上的摩擦2.1摩擦学基础摩擦力就是克服表面凸峰的机械啮合作用和表面分子引力所产生的切向阻力的总和。用摩擦二项式定律表示:

（2-10）或

（2-11）式中：F——摩擦；

W——法向荷载；

Ａr——实际接触面积；

α

，β——由摩擦表面的物理性质和机械性质所确定的系数。

由此可得摩擦系数：

（2-12）2.1摩擦学基础式（2-12）中，β是定值，是根据机械啮合理论所确定的系数；αAr/W

是变量，考虑了分子引力作用后对机械啮合理论的修正。

摩擦二项式还可以表示为:

（2-13）

（2-14）式中：

N0———两物体间分子作用力的合力；

μ′———当量摩擦系数。摩擦二项式定律不仅适用于干摩擦，也适用于边界摩擦，它可以用来解释实际接触面积较大时的摩擦问题。

2.液体摩擦（流体润滑）液体摩擦是两个固体摩擦表面被连续的润滑油完全隔开的摩擦状态。

2.1摩擦学基础

1）流体动压润滑利用摩擦表面的相对运动，把润滑油带到摩擦表面之间，形成一层有一定厚度和压力的油膜，外由润滑油的压力来平衡；摩擦表面完全被润滑油膜隔开，而不直接接触，这种状态称为流体动压润滑。

汽车的曲轴轴颈与轴承，活塞、活塞环和汽缸，齿轮、凸轮、滑动轴承等均采用流体动压润滑。这些配合副在特殊情况下可能变成边界润滑。形成流体动压润滑的条件有3个：一是两摩擦表面间两端的间隙由大到小，即沿运动方向上的油膜厚度逐渐减小，形成油楔；二是两摩擦表面间有一定的相对运动；三是有充足的润滑油。2.1摩擦学基础流体流动时产生内摩擦力的性质称为流体的黏性。黏性的大小用黏度表示。图2-7

压力油膜的产生及其速度分布2.1摩擦学基础

（2-15）式中：T——内摩擦力；

dv——两流层间的相对运动速度；

dz——两流层间的距离；

A——流体的面积；

dv/dz——速度梯度；

η——流体的黏度。

当速度梯度变化时，η为常数的流体称为牛顿流体。除高黏度或含有大量特种添加剂的流体外，一般的润滑油均可看作是牛顿流体。2.1摩擦学基础

2）弹性液体动压润滑重载条件下产生的两种情况:

第一，由于接触压应力大（轮齿表面接触应力可达70MPa、发动机凸轮轴凸轮与挺杆间的接触应力可达689MPa），接触处产生很大的弹性变形和塑性变形进而变平、变大，有利于产生油楔。第二，在很高压应力下，润滑油黏度增大。2.1摩擦学基础

3.边界摩擦（边界润滑）

两固体摩擦表面被具有分层结构和润滑性能的边界膜分开时的摩擦，称为边界摩擦。１）边界摩擦的特点在边界摩擦情况下，摩擦界面上存在着一层与介质性质不同的薄膜，其厚度在0.1ｍμ以下，并具有良好的润滑性能，称为边界膜。界面的润滑性能取决于这层膜的性质，所以，边界摩擦又称边界润滑。２）边界膜分类

（1）按界面存在吸附膜时，边界膜可分为吸附在金属表面的极性分子形成定向排列的分子栅的单分子层吸附膜，也可以形成多分子层吸附膜。

2.1摩擦学基础（2）当边界膜是反应膜时，由于摩擦主要发生在熔点高、剪切强度低的反应膜内，有效地防止金属表面直接接触，使摩擦系数降低。由于表面凸凹不平，在荷载的作用下，接触凸峰的压力很大。当两摩擦表面相互滑动时，点接触上的温度很高，导致这部分的边界膜破裂，产生金属的直接接触。

图2-10

边界润滑机理模型2.1摩擦学基础

（2-16）式中：Ar——承担全部的面积；

τ——金属黏结部分的剪切强度；

τ1

——边界膜的剪切强度；

α——在承担面积内发生金属直接接触部分的百分数。

当边界膜能够起很好的润滑作用时，α是一个比较小的值。摩擦力和摩擦系数可以近似地表示为:

（2-17）

（2-18）式中：σsy

——较软金属的压缩屈服极限。2.1摩擦学基础4.实际摩擦特性——混合摩擦实际的摩擦现象是固体摩擦、流体摩擦和边界摩擦的混合存在状态，把这种状态称作混合摩擦。图2-11各种不同润滑条件下的摩擦系数汽车零部件损伤机理分析第二节零件的磨损一、磨损含义及分类磨损是物体表面相接触并作相对运动时，材料自该表面逐渐损失以致表面损伤的现象，通常将磨损按其表面破坏机理和特征分为磨料磨损、粘着磨损、表面疲劳磨损和腐蚀磨损，各类磨损的特点，见表2-2。

2.2零件的磨损类型定义磨损表面特征实例表面疲劳磨损两接触表面作滚动或滑动复合摩擦时，因周期性载荷作用使表面产生变形和应力，从而使材料导致裂纹和分离出微片或颗粒的磨损裂纹、麻点、剥落滚动轴承、齿轮副、凸轮和挺杆腐蚀磨损在摩擦过程中，金属与周围介质发生化学或电化学反应，产生材料损失的现象有反应物产生，形成膜、颗粒曲轴轴颈氧化磨损、气缸套低温腐蚀等24类型定义磨损表面特征实例磨料磨损在摩擦过程中，因硬的颗粒或硬的凸出物，冲刷摩擦表面而引起材料脱落的现象刮伤、沟槽、擦痕农业及矿山机械零件、内燃机气缸壁等粘着磨损摩擦副相对运动时，由于固相焊合，接触表面的材料由一个表面转移到另一个表面的现象擦伤、锥形坑、鱼鳞片状、麻点、沟槽内燃机的铝活塞与缸壁、轴瓦等表2-2

各类磨损的内容及特点2.2零件的磨损二、磨料磨损１.磨料磨损含义

物体表面与磨料相互摩擦而引起表面材料损失的现象称为磨料磨损。一般地说，凡是硬质颗粒或硬质凸出物（包括硬金属）都是磨料。磨料磨损包括两种情况：第一，粗糙的金属表面相对较软的金属表面滑动时的磨损；第二，硬金属对软金属摩擦表面有游离硬磨料引起的磨损。2.2零件的磨损

磨料磨损是最常见的磨损形式。

2.磨料磨损机理磨损形成过程不但与材料和磨料的性质有关，而且也与它们之间的接触和运动形式以及接触压力有关。目前，关于磨料磨损的机理有3种假说：

（1）微量切削为主的假说。

（2）疲劳破坏为主的假说。

（3）压痕为主的假说。2.1零件的磨损图2-12

磨料沿Ａ—Ａ面剪开图2-13

磨料嵌入软表面2.2零件的磨损磨料磨损主要是由连续的微量切削和刮伤作用而产生的。其特征是刮痕方向与相对运动方向平行，磨削脱落下来的微粒用显微镜观察发现呈螺旋状、环状或卷曲状。图2-14

磨料在硬表面间的滚动图2-15

磨料磨损的切屑2.2零件的磨损３.磨料磨损的影响因素

１）金属材料硬度

（1）纯金属如Fe、Ni、Cn、Sn、Pb等及未经热处理的钢，其抗磨料磨损的相对耐磨性与它们的自然硬度成正比。

（2）经过热处理的钢，其耐磨性随硬度的增加而增加，但比未经热处理的钢，相对耐磨损增加得缓慢一些，如图2-16b）所示。

（3）钢中含碳量及碳化物生成元素含量越高，其相对耐磨性越高，如图2-16b）所示。2.2零件的磨损图2-16磨料磨损相对耐磨性与材料硬度的关系ａ)工业纯金属及退火钢；ｂ)热处理淬火结构钢与工具钢2.2零件的磨损２）材料断裂韧性在区域Ⅰ，断裂韧性低，材料的磨损主要由断裂磨损机理控制。提高断裂韧性，耐磨性增加；提高硬度则耐磨性下降。在区域Ⅲ，材料的断裂韧性高，塑性变形—显微切削机理起主要作用，可用提高硬度的办法提高耐磨性。在区域Ⅱ，耐磨性最好，在此区域，两种机理共同作用，材料的硬度和断裂韧性的配合最佳。图2-17

耐磨性、硬度和断裂韧性的关系2.2零件的磨损３）磨料硬度如果以金属表面硬度Hm比磨粒硬度Ha来研究耐磨性，则当Hm/Ha>0.8时，将迅速提高，这种磨损状况称“软磨料磨损”。虽然这时磨损继续发生，但直至Hm/Ha>1时，磨损才不明显。Hm/Ha<0.8时的磨损称为“硬磨料磨损”，磨损将比较严重。因此，为了减少磨料磨损，金属的硬度Hm应比磨料的硬度高，为1.3倍左右时，即Hm＝1.3Ha的耐磨性为最佳。如果继续提高材料的硬度，则耐磨效果不显著。

４）磨料粒度用固定磨料（比如砂纸）对不同的金属进行磨损试验时，发现金属的磨损随磨料尺寸的增大而增加；磨料尺寸达到某一临界时，磨损与磨料的尺寸无关，磨损保持恒定不变。同时还发现不同材料的磨料临界尺寸是不完全相同的，如图2-18所示。2.2零件的磨损图2-18

钢的磨损量与磨料颗粒平均尺寸的关系2.2零件的磨损三、粘着磨损１.粘着磨损含义及分类摩擦副相对运动产生固相焊合时，接触表面的材料从一个表面移到另一个表面的现象，称为粘着磨损。按摩擦表面的破坏程度可分为5类，见表2-3。

类型损伤现象损伤原因实例轻微磨损剪切破坏发生在粘着结合面上，表面转移的材料极轻微粘着结合强度比摩擦副的基体金属都弱缸套—活塞环的正常磨损涂抹剪切破坏发生在离粘着结合面不深的软金属浅层内，软金属涂抹在硬金属表面粘着结合强度大于软金属的剪切强度重载蜗轮副的蜗杆上常见表2-3粘着磨损的分类2.2零件的磨损类型损伤现象损伤原因实例擦伤剪切破坏发生在软金属的亚表层内，有时硬金属亚表面也有划痕粘着结合强度比两基体金属都高，转移到硬面上的粘着物质又拉削软金属表面内燃机的铝活塞壁与缸体摩擦常见此现象撕脱剪切破坏发生在摩擦副一方或两方金属较深处粘着强度大于任一基体金属的剪切强度，剪切应力高于粘着结合强度主轴—轴瓦摩擦副的表面经常可见咬死摩擦副间咬死，不能相对运动粘着强度比任一基体金属的剪切强度高，而且粘着区域大，剪切应力低于粘着结合强度不锈钢螺栓与螺母在拧紧过程中常发生此现象表2-3粘着磨损的分类（续上表）2.2零件的磨损２.粘着磨损规律粘着磨损的体积磨损量，与滑动距离和法向荷载成正比，与较软材料的屈服极限（或硬度）成反比，其规律可用下式表示:

（2-19）式中：Wv——体积磨损量；

L——滑动距离；N——作用在摩擦副的法向荷载；

p0——软材料的屈服压力；HB——软材料的布氏硬度；ｋ、ｋ′——磨损系数，与接触产生的概率、摩擦副的材料等因素有关。2.2零件的磨损3.粘着磨损的主要影响因素

1）材料特性

（1）脆性材料比塑性材料的抗粘着能力强。

（2）互溶性大的材料所组成的摩擦副，粘着倾向大；互溶性小的材料所组成的摩擦副则粘着倾向小。

（3）多相金属比单相金属粘着倾向小；金属中化合物相比单相固溶体粘着倾向小；金属与非金属材料（石墨、塑料等）组成的摩擦副比金属组成的摩擦副的粘着倾向小。

（4）元素周期表中B族元素与铁不相溶或能形成化合物，它们的粘着倾向小；2.2零件的磨损2）压力

粘着磨损量一般随压力增大到某一临界值后急剧增加。

3）滑动速度

在压力一定的情况下，粘着磨损量随滑动速度的增加而增加，达到某一极大值后，又随滑动速度的增大而减小。图2-19不同硬度的钢k(HB)-p之间的关系图2-20磨损率和滑动速度的关系2.2零件的磨损

4）温度温度升高到一定程度将加剧粘着磨损的产生。摩擦副表面温度与PV值有关，因此，控制PV值，选用热稳定性高的金属材料和加强冷却措施是防止因温度升高而产生粘着磨损的有效方法。

5）表面粗糙度

一般而言，摩擦表面粗糙度值越小，则抗粘着磨损能力越强；但过低地降低摩擦副表面粗糙度值，又会促进粘着的发生。６）润滑润滑状态对粘着磨损值影响比较大，边界润滑时粘着磨损值大于流体动压润滑，而流体动压润滑时又大于流体静压润滑。2.2零件的磨损四、表面疲劳磨损１.表面疲劳磨损含义及类型两接触面作滚动或滚动滑动复合摩擦时，在循环接触应力的作用下，使材料表面疲劳而产生物质损耗的现象称为表面疲劳磨损。

（1）非扩展性的表面疲劳磨损。

（2）扩展性的表面疲劳磨损。

2.2零件的磨损2.表面疲劳磨损的机理对表面疲劳磨损的研究表明，其磨损过程有两个阶段：首先是疲劳核心裂纹的形成；其次是疲劳裂纹的扩展，直至材料微粒的脱落。对于疲劳裂纹的形成和发展，有下述几种理论。

1）最大剪应力理论

２）油楔理论

３）硬化过渡层破坏理论2.2零件的磨损３.表面疲劳磨损的影响因素从表面疲劳磨损的机理可知，疲劳磨损与裂纹的形成和扩展有关，故凡能够阻止裂纹形成和扩展的方法都能减少表面疲劳磨损。影响表面疲劳磨损的主要因素有:

１）材料

２）润滑油黏度

３）表面粗糙度

４）装配精度2.2零件的磨损五、腐蚀磨损

１.腐蚀磨损含义及分类在摩擦过程中，金属同时与周围介质发生化学或电化学反应，使腐蚀和磨损共同作用而导致零件表面物质的损失，这种现象称为腐蚀磨损，由于介质的性质、介质作用在摩擦表面上的状态以及摩擦材料性能的不同，摩擦表面出现的状态也不同，故常将腐蚀磨损分为氧化磨损、特殊介质腐蚀磨损和微动腐蚀磨损。2.2零件的磨损２.氧化磨损简言之，氧化磨损就是摩擦副表层的氧化膜不断被除去，又反复形成的过程。在汽车零件磨损中，首先，应创造条件并设法使其他可能出现的磨损形态转化为氧化磨损；其次，再设法减少氧化磨损速率。

３.特殊介质腐蚀磨损机理与氧化磨损相似。不过随着腐蚀速度增加，磨损速度加快，金属表面又可能与特殊介质起作用，生成耐磨性较好的保护膜。2.2零件的磨损特殊介质腐蚀磨损的影响因素：

1）腐蚀介质性质和温度２）合金元素

2.2零件的磨损

４.微动腐蚀磨损１）微动腐蚀磨损机理

摩擦副没有宏观的相对运动，但在外界变动荷载的作用下，有小振幅的相对滑动，振幅小于100μｍ，一般为2～20μｍ。此时表面上产生大量微小氧化物磨损粉末，由此造成的磨损称之为微动腐蚀磨损。可见，微动磨损发生在相对静止的配合副上，如键连接处、螺栓连接处、过盈配合的轮和轴等处。若振动应力足够大，微动磨损处形成表面应力源，疲劳裂纹发展引起完全的破坏。因此，微动磨损是一种复合形式的磨损。２）影响微动磨损的因素在一定条件下，磨损量随负荷的增加而增加，但增加的速率则不断减小，超过极大值后，微动磨损不断减小；磨损量与零件振动总次数成比例增加，且随振幅增大而增大；在总振动次数相同时，磨损量随振动频率的增加而减小；在大气条件下，微动磨损量随相对湿度的增加而下降。汽车零部件损伤机理分析第三节零件的变形一、零件变形的基本概念

汽车在使用过程中，由于受力的作用使零件的尺寸或形状产生改变的现象称为零件的变形。

１.弹性变形弹性变形是指金属在卸除外力后能完全恢复的那部分变形。

２.塑性变形塑性变形是指材料在外力除去后，不能恢复的那部分永久变形。

2.3零件的变形二、零件变形的影响因素金属的变形是有多方面原因的，往往是几种原因共同作用的结果。１.外荷载当外荷载产生的应力超过材料的屈服强度时，则零件将产生过应力永久变形。２.温度

温度升高，金属材料的原子热振动增大，临界切向变形抗力下降，容易产生滑移变形，使材料的屈服极限降低。３.内应力汽车中的壳体零件和车架等，一般为铸铁或焊接件，且形状复杂、尺寸较大。在制造和加工过程中，不可避免地会产生较大的内应力。

４.结晶缺陷零件产生变形的内在原因是材料的内部缺陷，如位错、空位等。汽车零部件损伤机理分析第四节零件的疲劳断裂

疲劳断裂是指零件在反复多次的应力或能量负荷循环后才发生的断裂现象。零件在使用过程中发生的断裂，有60％～80％属于疲劳断裂。一、疲劳裂纹的产生和发展

１.疲劳裂纹的产生试验研究表明，零件在疲劳荷载作用下，因位错运动而造成的不均匀滑移带，是产生疲劳裂纹的最根本原因。

减少零件的表面加工缺陷和应力集中部位，控制夹杂物等级和细化晶粒，强化金属表面等，是提高抗疲劳强度，延长疲劳寿命的有效途径。2.4零件的疲劳断裂２.疲劳裂纹的扩展

第一阶段，也称为切向扩展阶段。

第二阶段，裂纹按第一阶段方式扩展一定距离后，将改变方向，沿与正应力相垂直的方向扩展。图2-23疲劳裂纹扩展的两个阶段2.4零件的疲劳断裂

二、疲劳断口形貌及其分析

１.疲劳断口的形貌典型的疲劳断口按照断裂过程有三个区域：疲劳核心区：也称疲劳源，是疲劳裂纹最初形成的地方，用肉眼或低倍放大镜就能判断其位置。疲劳裂纹扩展区:疲劳区是疲劳断口上最重要的特征区域。瞬时破坏区:该区简称静断口，也称最终破断区、过载破断区，是当疲劳裂纹扩展到临界尺寸时发生的快速破断区。

图2-24疲劳断口的宏观形貌2.4零件的疲劳断裂

由瞬间破断区的位置和大小，可估计所受荷载、名义应力的大小。图2-26

应力对旋转弯曲疲劳断口宏观形态的影响2.4零件的疲劳断裂

根据疲劳断口的宏观形貌，可对疲劳断口进行宏观定量分析。即根据疲劳源的数目、疲劳断裂区和断裂区面积的比值、疲劳源区台阶数目、疲劳源及疲劳区的光泽和粗糙度、疲劳断裂区弧带密度等，并结合零件的工作条件和实际工作时间；估算疲劳应力的大小和应力集中的影响程度。应力大小对疲劳断口宏观形态的影响情况如图2-27所示。图2-27应力大小对疲劳断口形态的影响2.4零件的疲劳断裂２.断口分析断口分析是从断口的宏观和微观形态、原材料的化学成分、晶体结构、冶金缺陷、力学性能及零件的制造工艺、表面质量、几何形状和使用条件等多方面进行分析，推断破断的原因，并提出改进的措施。断口分析的目的主要是：

（1）判定断裂的性质和类型，分析、找出破坏的原因。

（2）研究断裂的机理。

（3）提出防止断裂事故措施。2.4零件的疲劳断裂零件的实际断裂原因非常复杂，故断口分析是多方面的，其主要内容如下。

１）实际断裂情况的现场调查

２）断口的宏观分析３）断口的微观分析

４）金相组织、化学成分和力学性能的检验

５）其他因素

汽车零部件损伤机理分析第五节零件的腐蚀与气蚀一、零件的腐蚀

腐蚀是指金属受周围介质的作用而引起破坏的现象。

１.化学腐蚀金属与介质直接发生化学作用而引起的损坏称为化学腐蚀。腐蚀产物直接生成于发生腐蚀的部位，并在金属表面形成表面膜。膜的性质决定化学腐蚀的速度，如膜完整严密，则有利于保护金属而减慢腐蚀。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均属于化学腐蚀。２.电化腐蚀金属表面与周围介质发生电化学作用而有电流产生的腐蚀称为电化腐蚀。2.5零件的腐蚀与汽蚀二、零件的气蚀

１.气蚀的含义及特点

气蚀（又称穴蚀）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破坏现象，这种破坏的特点是在局部区域出现麻点、针孔，严重时呈聚集的蜂窝状的孔穴群。小孔的直径可达1mm甚至几毫米，深度可穿透零件。水冷柴油机缸套外壁、滑动轴承等都可能发生穴蚀破坏。由于柴油机的强化，缸套穴蚀破坏比较严重，成为影响缸套寿命的重要因素之一。柴油机缸套穴蚀的特征是孔穴群常集中出现在连杆摆动平面的两侧，尤其在活塞侧压力大的一侧外壁最为严重，如图2-28所示。另外，在进水口的水流转向出处，缸套支撑面及密封处也可能出现穴蚀破坏。2.5零件的腐蚀与汽蚀２.气蚀产生的机理

以柴油发动机缸套为例，其振动产生的空穴及空穴生成原理，由于汽缸内压力的周期变化和活塞侧推力pH的作用，对汽缸套的周期性撞击使汽缸套产生弹性变形及高频振动，造成水套中冷却液交替地拉伸和压缩。图2-29缸套振动产生的空穴及空穴生成原理2.5零件的腐蚀与汽蚀

日本学者古滨庄一对穴蚀从力学的观点进行了解释，从而推倒出气泡爆炸时压力上升值Δp，即

（2-20）式中：p0——水初始压力；

β——水的压缩率；

R0——气泡初始半径；

R——气泡爆炸时的半径。当气泡爆炸时，R→０，R0

/Ｒ→∝，则

Δp→∝，由于压力急剧上升，对缸套外壁产生很大的冲击，气泡生成破灭反复作用，以致发生穴蚀。图2-30

真空泡溃灭时的能量2.5零件的腐蚀与汽蚀３.减轻零件穴蚀的措施减轻零件穴蚀破坏主要应从两方面着手，一是要防止或减少气泡的形成；二是如气泡不可避免地产生，就要设法使它在远离零件表面的地方破裂，或是提高零件材料的抗穴蚀能力。目前，主要采取如下措施：

（1）改进冷却系的结构，消除冷却水路中局部涡流区和死水区。

（2）减轻缸套的振动。

（3）改变冷却液的性质。汽车零部件损伤机理分析第六节其他损伤一、电子元器件的损伤１.电子元件及设备损伤的影响因素汽车电子元件及设备工作环境可概括地归纳为以下几点：温度和湿度的变化范围宽电源电压波动大脉冲电压强电磁相互干扰多振动与冲击剧烈尘埃与有害气体侵蚀等2.6其他损伤２.电子元件的损伤及其故障的特点一般的电子元件对过电压和温度特别敏。

１）元件击穿２）元件老化（也是指性能退化）。

３）连接故障

2.6其他损伤二、工程塑料的损伤１.工程塑料汽车制造技术的主要进步之一就是越来越广泛地采用新的结构材料，其中包括合成材料，特别是工程塑料（简称塑料）。工程塑料是具有工程特性的高分子合成材料，大致可分成热塑性塑料和热固性塑料。热塑性塑料对热具有可逆反应，热固性塑料则没有。一般来说，热固性塑料无论是耐热性和耐溶剂性都比热塑性塑料好得多。

2.6其他损伤

２.工程塑料的特点１）塑料的物理性质塑料的密度小，同体积的零件其质量较金属材料轻。

２）塑料的力学性能

（1）抗拉强度。

（2）弹性模量。

３）塑料的热性能

塑料的质量比热较大（比钢大1.6~5.0倍），热传导率小，热膨胀系数大，容积比热较小，基本上不能在200℃以上工作。由于塑料在使用中容易产生热量，所以热固性塑料易引起变焦和变色，热塑性塑料容易引起熔化、粘着、变色。４）塑料的摩擦性能材料塑料和钢塑料和塑料聚对苯二甲酸乙二稀脂（薄膜）0.290.280.27*0.20*聚酰胺（尼龙66）0.370.340.420.35聚三氟氯乙烯0.45*0.33*0.43*0.32*聚氯乙烯0.45*0.40*0.50*0.40*聚偏聚氯乙烯0.68*0.45*0.90*0.52*

注：*间歇运动2.6其他损伤

材料塑料和钢塑料和塑料μsμkμsμk聚四氟乙烯0.100.050.040.04聚四氟乙烯～六氟丙烯共聚体0.250.18——聚乙烯（低密度）0.270.200.330.33聚乙烯（高密度）0.180.08～0.120.120.11聚甲醛0.140.13——聚偏氟乙烯0.330.25——聚碳酸酯0.060.58——表2-4各种塑料的摩擦系数2.6其他损伤塑料在自然条件下长期放置，逐渐地起物理化学变化，将引起变色、变形、龟裂，从而降低其力学性能等，这种现象称为老化。引起老化