汽車零部件失效模式知識講解

1、汽車零部件失效模式第二章汽車零部件的失效模式及其分析 汽車零部件失效分析，是研究汽車零部件喪失其功能的原因、特征和規(guī)律；目的在于：分析原因，找出責(zé)任，提出改進和預(yù)防措施，提高汽車可靠性和使用壽命。第一節(jié)汽車零部件失效的概念及分類一、失效的概念；二、失效的基本類型；三、零件失效的基本原因；一、失效的概念 汽車零部件失去原設(shè)計所規(guī)定的功能稱為失效。失效不僅是指完全喪失原定功能，而且還包含功能降低和有嚴重損傷或隱患、繼續(xù)使用會失去可靠性和安全性的零部件。二、失效的基本形式 按和對失效進行分類是研究失效的重要內(nèi)容。 汽車零部件按分類可分為、及等五類； 一個零件可能同時存在幾種失效模式或失效機理。汽車零

2、件失效分類 失效類型失效模式舉例磨損粘著磨損、磨料磨損、表面疲勞磨損、腐蝕磨損、微動磨損汽缸工作表面“拉缸”、曲軸“抱軸”、齒輪表面和滾動軸承表面的麻點、凹坑等疲勞斷裂低應(yīng)力高周疲勞、高應(yīng)力低周疲勞、腐蝕疲勞、熱疲勞曲軸斷裂、齒輪輪齒折斷等腐蝕化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕、穴蝕濕式汽缸套外壁麻點、孔穴變形過量彈性變形、過量塑性變形曲軸彎曲、扭曲，基礎(chǔ)件（汽缸體、變速器殼、驅(qū)動橋殼）變形老化龜裂、變硬橡膠輪胎、塑料器件三、零件失效的基本原因工作條件 包括零件的受力狀況和工作環(huán)境；設(shè)計制造 設(shè)計不合理、選材不當(dāng)、制造工藝不當(dāng)?shù)龋皇褂镁S修三、零件失效的基本原因基本原因主要內(nèi)容應(yīng)用舉例工作條件零件的受力狀況

3、曲柄連桿機構(gòu)在承受氣體壓力過程中，各零件承受扭轉(zhuǎn)、壓縮、彎曲載荷及其應(yīng)力作用； 齒輪輪齒根部所承受的彎曲載荷及表面承受的接觸載荷等； 絕大多數(shù)汽車零件是在動態(tài)應(yīng)力作用下工作的。工作環(huán)境； 汽車零件在不同的環(huán)境介質(zhì)和不同的工作溫度作用下，可能引起腐蝕磨損、磨料磨損以及熱應(yīng)力引起的熱變形、熱膨脹、熱疲勞等失效，還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內(nèi)容應(yīng)用舉例設(shè)計制造設(shè)計不合理； 軸的臺階處直角過渡、過小的圓角半徑、尖銳的棱邊等造成應(yīng)力集中； 花鍵、鍵槽、油孔、銷釘孔等處，設(shè)計時沒有考慮到這些形狀對截面的削弱和應(yīng)力集中問題，或位置安排不妥當(dāng)；選材不合理；制造工

4、藝過程中操作不合理；制動蹄片材料熱穩(wěn)定系數(shù)不好；產(chǎn)生裂紋、高殘余內(nèi)應(yīng)力、表面質(zhì)量不良；使用維修使用；維修；汽車超載、潤滑不良，頻繁低溫冷啟動；破壞裝配位置，改變裝配精度；第二節(jié)汽車零部件磨損失效模式與失效機理 汽車或機械運動在其運動中都是一個物體與另一物體相接觸、或與其周圍的液體或氣體介質(zhì)相接觸，與此同時在運動過程中，產(chǎn)生阻礙運動的效應(yīng)，這就是摩擦。由于摩擦，系統(tǒng)的運動面和動力面性質(zhì)受到影響和干擾，使系統(tǒng)的一部分能量以熱量形式發(fā)散和以噪音形式消失。同時，摩擦效應(yīng)還伴隨著表面材料的逐漸消耗，這就是磨損。 磨損是摩擦效應(yīng)的一種表現(xiàn)和結(jié)果。“磨損是構(gòu)件由磨損是構(gòu)件由于其表面相對運動而在承載表面上不斷

5、出現(xiàn)材料損失的過于其表面相對運動而在承載表面上不斷出現(xiàn)材料損失的過程。程?！?據(jù)統(tǒng)計有75%的汽車零件由于磨損而報廢。因此磨損是引起汽車零件失效的主要原因之一。一、摩擦學(xué)基礎(chǔ)理論 摩擦理論； 摩擦分類；幾種主要的摩擦理論名稱主要內(nèi)容機械理論當(dāng)兩固體表面接觸時，由于表面凹凸不平，相互嚙合，產(chǎn)生了阻礙兩固體接觸表面相對運動的作用。（只適用于固體的粗糙表面）分子吸附理論摩擦力產(chǎn)生得主要原因在于兩摩擦表面分子之間的相互吸引力。粘著理論摩擦力主要取決于剪斷金屬粘著和冷焊點所需的剪切力。分子機 械理論發(fā)生在接觸點處分子吸引和機械嚙合所構(gòu)成的合成阻力就是所謂的摩擦力。在載荷作用下的接觸表面的相互作用可分為機

6、械作用（取決于表面變形）和分子作用（取決于原子相互吸引），在摩擦過程中所占比例與材料的表面粗糙度、載荷大小、材料種類等因素有關(guān)。摩擦分類分類方式內(nèi)容舉例按摩擦副的相對運動形式滑動摩擦活塞與活塞環(huán)在氣缸孔的往復(fù)運動滾動摩擦滾動軸承滾柱、滾珠與內(nèi)、外圈滾道表面間的摩擦復(fù)合摩擦凸輪軸凸輪與氣門挺桿表面間、齒輪傳動機構(gòu)輪齒表面所發(fā)生的摩擦按摩擦副表面的潤滑狀況固體摩擦汽車離合器、制動器流體摩擦桶面活塞環(huán)與氣缸壁、軸頸與軸瓦邊界摩擦發(fā)動機活塞環(huán)與缸套上部、配汽機構(gòu)凸輪與挺桿、齒輪傳動副的齒面二、磨損的分類 磨損與零件所受的應(yīng)力狀態(tài)、工作與潤滑條件、加工表面形貌、材料的組織結(jié)構(gòu)與性能以及環(huán)境介質(zhì)的化學(xué)作用

7、等一系列因素有關(guān)； 按表面破壞機理和特征，磨損可分為磨料磨磨料磨損、粘著磨損、表面疲勞磨損、腐蝕磨損和微動損、粘著磨損、表面疲勞磨損、腐蝕磨損和微動磨損磨損等；前兩種是磨損的基本類型，后兩種磨損形式只在某些特定條件下才會發(fā)生。三、磨料磨損及其失效機理在各類磨損形式中大約占磨損總消耗的 50%；危害最為嚴重的磨損形式； 磨料的來源；粒 度 為 2 0 m 30m的塵埃將引起曲軸軸頸、氣缸表面的嚴重磨損，而1m以下的塵埃同樣會使凸輪挺桿副磨損加??；磨料磨損的失效機理（假說）以微量切削為主的假說； 塑性金屬同固定的磨料摩擦?xí)r：磨屑呈螺旋形、彎曲形等； 在金屬表面內(nèi)發(fā)生塑性擠壓、 形成擦痕； 切削金屬

8、， 形成磨屑； 以壓痕為主的假說： 對塑性較大的材料；磨料在壓力作用下壓入材料表面，梨耕另一金屬表面，形成溝槽，使金屬表面受到嚴重的塑性變形壓痕兩側(cè)金屬已經(jīng)破壞，磨料極易使其脫落。 以疲勞破壞為主的假說： 金屬的同一顯微體積經(jīng)多次塑性變形， 小顆粒從表層上脫落下來。 不排除同時存在磨料直接切下金屬的過程。 滾動接觸疲勞破壞產(chǎn)生的微粒多呈球形。 “備注” 以斷裂為主的假說針對脆性材料，以脆性斷裂為主； 磨料壓入和擦劃金屬表面，壓痕處的金屬產(chǎn)生變形，磨料壓入的深度達到臨界深度時，隨壓力而產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力足以使裂紋產(chǎn)生。 裂紋主要有兩種形式，垂直表面的中間裂紋和從壓痕底部向表面擴展的橫向裂紋。 總之，

9、磨料磨損機理是屬于磨料的機械作用，這種機械作用在很大程度上與磨料的性質(zhì)、形狀及尺寸大小、固定的程度及載荷作用下磨料與被磨表面的機械性能有關(guān)。四、粘著磨損及其失效機理 定義：摩擦副相對運動時，由于固相焊合作用的結(jié)果，造成接觸面金屬損耗的現(xiàn)象稱為粘著磨損。 是缺油或油膜破壞后發(fā)生干摩擦的結(jié)果；是指一個零件表面上的金屬轉(zhuǎn)移到另一個零件表面上，而產(chǎn)生的磨損。 氣缸套與活塞、活塞環(huán)，曲軸軸頸與軸承、凸輪與挺桿、差速器十字軸和齒輪等；防止粘著磨損應(yīng)遵循的原則引起粘著磨損的根本原因是摩擦區(qū)形成的熱 一是設(shè)法減小摩擦區(qū)的形成熱，使摩擦區(qū)的溫度低于金屬熱穩(wěn)定性的臨界溫度和潤滑油熱穩(wěn)定性的臨界溫度。 改善摩擦區(qū)結(jié)

10、構(gòu)；改變摩擦區(qū)的形狀尺寸；配合副的配合間隙，采用合適的潤滑劑及表面膜。 二是設(shè)法提高金屬熱穩(wěn)定性和潤滑油的熱穩(wěn)定性。 在材料選擇上應(yīng)選用熱穩(wěn)定性高的合金鋼并進行正確的熱處理，或采用熱穩(wěn)定性高的硬質(zhì)合金堆焊。粘著磨損影響因素工作條件的影響 載荷的影響； 加載不要超過材料硬度值的1/3，減小載荷，并盡量提高材料的硬度； 五、表面疲勞磨損及其失效機理 定義：兩接觸表面在交變接觸壓應(yīng)力的作用下，材料表面因疲勞而產(chǎn)生物質(zhì)損失的現(xiàn)象稱為表面疲勞磨損。 表面疲勞磨損一般多出現(xiàn)在相對滾動相對滾動或帶帶有滑動的滾動摩擦條件下有滑動的滾動摩擦條件下；如齒輪副的輪齒表面、滾動軸承的滾珠和滾道以及凸輪副等；滑動摩擦?xí)r

11、，也會出現(xiàn)疲勞破壞，如巴氏合金軸承表面材料的疲勞剝落。 失效原理：表面疲勞磨損是疲勞和摩擦共同作用的結(jié)果，其失效過程可分為兩個階段：疲勞核心裂紋的形成； 疲勞裂紋的發(fā)展直至材料微粒的脫落。 對表面疲勞磨損初始裂紋的形成，有下述幾種理論： 最大剪應(yīng)力理論 裂紋起源于次表層； 油楔理論 裂紋起源于摩擦表面；（滾動帶滑動的接觸） 裂紋起源于硬化層與芯部過度區(qū)； 六、腐蝕磨損及其失效機理 1定義：零件表面在摩擦過程中，表面金屬與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，因而出現(xiàn)物質(zhì)損失的現(xiàn)象成為腐蝕磨損。 腐蝕磨損是腐蝕和摩擦共同作用的結(jié)果。其表現(xiàn)的狀態(tài)與介質(zhì)的性質(zhì)、介質(zhì)作用在摩擦表面上的狀態(tài)以及摩擦材料的性能有

12、關(guān)。 腐蝕磨損通常分為：氧化磨損、特殊介質(zhì)的腐蝕磨損、穴蝕及氫致磨損。氧化磨損： 氧化磨損是最常見的一種磨損形式，曲軸軸頸、氣缸、活塞銷、齒輪嚙合表面、滾珠或滾柱軸承等零件都會產(chǎn)生氧化磨損。與其它磨損類型相比，氧化磨損具有最小的磨損速度，有時氧化膜還能起到保護作用； 影響因素：影響氧化磨損的因素有滑動速度、接觸載荷、氧化膜的硬度、介質(zhì)中的含氧量、潤滑條件以及材料性能等。4氣蝕（穴蝕或空蝕） 定義：穴蝕是當(dāng)零件與液體接觸并有相對運動時，零件表面出現(xiàn)的一種損傷現(xiàn)象。 柴油機濕式缸套的外壁與冷卻液接觸的表面、滑動軸承在最小油膜間隙之后的油膜擴散部分（由于負壓的存在），都可能產(chǎn)生穴蝕；穴蝕產(chǎn)生的機理

13、是由于沖擊力而造成的表面疲勞破壞，但液體的化學(xué)和電化學(xué)作用、液體中含有雜質(zhì)磨料等均可能加速穴蝕的破壞過程。 氣缸套穴蝕為例，由于氣缸內(nèi)燃燒壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角而變化，缸套在活塞側(cè)向推力的作用下，使缸套產(chǎn)生彈性變形和高頻振動。 氣泡在潰滅的瞬時產(chǎn)生極大的沖擊力（幾千甚至一萬個大氣壓）和高溫（數(shù)百度），潰滅的速度可達250m/s。5氫致磨損：含氫的材料在摩擦過程中，由于力學(xué)及化學(xué)作用導(dǎo)致氫的析出。氫擴散到金屬表面的變形層中，使變形層內(nèi)出現(xiàn)大量的裂紋源，裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展，使表面材料脫落稱為氫致磨損。氫可能來自材料本身或是環(huán)境介質(zhì)，如潤滑油和水中等。 七、微動磨損及其失效機理 1定義：兩接觸表面間沒有宏觀相

14、對運動，但在外界變動負荷影響下，有小振幅的相對振動（一般小于100m），此時接觸表面間產(chǎn)生大量的微小氧化物磨損粉末，因此造成的磨損稱為微動磨損。 微動以三種方式對構(gòu)件造成破壞；如在微動磨損過程中，兩個表面之間的化學(xué)反應(yīng)起主要作用時，則稱微動腐蝕磨損。如果微動表面或次表面層中產(chǎn)生微裂紋，在反復(fù)應(yīng)力作用下發(fā)展成疲勞裂紋，稱為微動疲勞磨損。第三節(jié) 汽車零部件疲勞斷裂失效及其機理 一、定義：零件在交變應(yīng)力作用下，經(jīng)過較長時間工作而發(fā)生的斷裂現(xiàn)象稱為疲勞斷裂。是汽車零件常見及危害性最大的一種失效方式。 在汽車上，大約有90%以上的斷裂可歸結(jié)為零件的疲勞失效。二、疲勞斷裂失效的分類： 根據(jù)零件的特點及破壞

15、時總的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，可分為無裂紋零件和裂紋零件的疲勞斷裂失效。高周疲勞發(fā)生時，應(yīng)力在屈服強度以下，零件的壽命主要由裂紋的形核壽命控制。低周疲勞發(fā)生時的應(yīng)力可高于屈服極限，其壽命受裂紋擴展壽命的影響較大。汽車零件一般多為低應(yīng)力高周疲勞斷裂。三、疲勞斷裂失效機理： 金屬零件疲勞斷裂實質(zhì)上是一個累計損傷過程。大體可劃分為滑移、裂紋成核、微觀裂紋擴展、宏觀裂紋擴展、最終斷裂幾個過程。第四節(jié) 汽車零部件腐蝕失效及其機理 零件受周圍介質(zhì)作用而引起的損壞稱為零件的腐蝕。按腐蝕機理可分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕，汽車上約20%的零件因腐蝕而失效。一、化學(xué)腐蝕失效機理：金屬零件與介質(zhì)直接發(fā)生化學(xué)作用而引起的損傷稱為

16、化學(xué)腐蝕。金屬在干燥空氣中的氧化以及金屬在不導(dǎo)電介質(zhì)中的腐蝕等均屬于化學(xué)腐蝕；化學(xué)腐蝕過程中沒有電流產(chǎn)生，通常在金屬表面形成一層腐蝕產(chǎn)物膜，如鐵在干燥的空氣中與氧作用生成Fe3O4;這層膜的性質(zhì)決定化學(xué)腐蝕速度，如果膜是完整的，強度、塑性都很好，膨脹系數(shù)和金屬相近，膜與金屬的粘著力強等，就具有保護金屬、減緩腐蝕的作用。（發(fā)動機活塞環(huán)鍍鉻） 二、電化學(xué)腐蝕失效機理：電化學(xué)腐蝕是兩個不同的金屬在一個導(dǎo)電溶液中形成一對電極，產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)而發(fā)生腐蝕的作用，使充當(dāng)陽極的金屬被腐蝕。 電化學(xué)腐蝕的基本特點：在金屬不斷遭到腐蝕的同時還有電流產(chǎn)生。如金屬在酸、堿、鹽溶液及潮濕空氣中的腐蝕等。 引起電化學(xué)腐蝕

17、的原因是金屬與電解質(zhì)相接觸，由于離子交換，產(chǎn)生電流形成原電池，由于電流無法利用，使陽極金屬受到腐蝕，稱為腐蝕電池。 異類電極電池；濃差腐蝕電池（濕式缸套下部的橡膠密封處）；局部腐蝕電池（金屬表面有氧化膜或電池時），也稱其為微電池； 與燃氣接觸的零件所受的腐蝕為燃氣腐蝕?？煞譃榈蜏馗g和高溫腐蝕，低溫腐蝕主要為電化學(xué)腐蝕，高溫腐蝕主要為化學(xué)腐蝕。 防止電化學(xué)腐蝕的方法，在汽車上主要用覆蓋層保護。覆蓋層有金屬性的（鍍鉻、鍍錫）和非金屬性的（油漆、塑料）有些零件利用電化學(xué)和化學(xué)方法在表面生成一層致密的保護膜，如發(fā)藍是生成一層氧化膜，磷化是生成一層磷化膜；三、汽車零件的老化： 第五節(jié) 汽車零部件變形失效機理 一、定義：零件在使用過程中，由于承載或內(nèi)部應(yīng)力的作用，使零件的尺寸和形狀改變的現(xiàn)象稱為變形。 變形是零件失效的一個重要原因，如曲軸、離合器摩擦片、變速器中間軸與主軸。二、變形失效的分類：。 彈性變形失效