第2章 汽車零件的失效形式與規(guī)律

汽車維修技術(shù)與設(shè)備2021/5/91

配套教材信息教材名稱：汽車維修技術(shù)與設(shè)備教材主編：凌永成教材定價(jià)：30RMB出版社：北京大學(xué)出版社出版時(shí)間/版次：2008年8月第1版國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)書號(hào)（ISBN）：978-7-301-13914-1教材所屬系列：21世紀(jì)全國(guó)高等院校大機(jī)械系列實(shí)用規(guī)劃教材汽車系列2021/5/92教學(xué)提示：熟悉汽車零件的常見失效形式和影響因素，掌握汽車零件的失效規(guī)律，對(duì)于正確使用和維護(hù)車輛具有重要意義。教學(xué)要求：本章主要介紹汽車零件的常見失效形式和汽車零件的失效規(guī)律。

重點(diǎn)內(nèi)容是汽車零件的常見失效形式、影響因素和汽車零件的失效規(guī)律。

要求學(xué)生了解汽車零件的常見失效形式，熟悉汽車零件失效的影響因素，掌握汽車零件的失效規(guī)律。2021/5/932.1磨損與磨損規(guī)律

零件摩擦表面的金屬在相對(duì)運(yùn)動(dòng)過程中不斷損失的現(xiàn)象稱為磨損。

對(duì)于一個(gè)表面的磨損，可能是由于單獨(dú)的磨損機(jī)理造成的，也可能是由于綜合的磨損機(jī)理造成的。

磨損的發(fā)生將造成零件形狀、尺寸及表面性質(zhì)的變化，使零件的工作性能逐漸降低。2.1.1磨損的分類

磨損是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過程。根據(jù)零件磨損機(jī)理的不同，可分為粘著磨損、磨料磨損、表面疲勞磨損、腐蝕磨損。2021/5/941.粘著磨損

由于摩擦表面間接觸點(diǎn)粘著作用，使一個(gè)零件表面的金屬轉(zhuǎn)移到另一個(gè)零件表面所引起的磨損，稱為粘著磨損。

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中所發(fā)生的粘著磨損，多數(shù)是由于配合間隙過小，運(yùn)動(dòng)零件表面加工紋理還沒有磨合好，就過早地增大負(fù)荷，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度過高，缺乏足夠的冷卻條件，造成零件的粘著磨損。2.磨料磨損

在摩擦表面間，由于硬質(zhì)固體顆粒使相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件表面產(chǎn)生磨損，稱為磨料磨損。這些硬質(zhì)固體顆粒稱為磨料。2021/5/95

磨料來自空氣中的塵埃、燃油及潤(rùn)滑油中的雜質(zhì)及粘著磨損脫落的金屬顆粒。

磨料磨損的現(xiàn)象是在兩個(gè)工作表面上存在有許多直線槽，它們可以是很輕的擦痕或是很深的溝槽。

為了減輕零件的磨料磨損，一般從兩個(gè)方面采取措施：一是防止或減少空氣、燃料和潤(rùn)滑油中的磨料進(jìn)入摩擦表面；二是保證零件的表面質(zhì)量，提高其耐磨性。3.表面疲勞磨損

兩接觸面作滾動(dòng)或同時(shí)帶有滑動(dòng)的滾動(dòng)摩擦條件下，使材料表面疲勞而產(chǎn)生物質(zhì)損失的現(xiàn)象叫做表面疲勞磨損。2021/5/96

其特點(diǎn)是由于循環(huán)接觸應(yīng)力的作用，首先在表層內(nèi)產(chǎn)生疲勞裂紋，然后裂紋沿著與表面成銳角的方向發(fā)展，達(dá)到某一深度后，又越出表面，最后脫離，使零件表面形成了小坑。4.腐蝕磨損

在摩擦過程中，由于介質(zhì)的性質(zhì)、介質(zhì)的作用與摩擦材料性能的不同，在腐蝕和磨損共同作用下導(dǎo)致零件表面物質(zhì)的損失，稱為腐蝕磨損。

腐蝕磨損的產(chǎn)生是由于摩擦零件的表面在腐蝕氣體或液體環(huán)境中工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，在零件表面上生成化學(xué)反應(yīng)膜，化學(xué)反應(yīng)膜通常與基體金屬結(jié)合不牢，零件工作時(shí)，可能使表面氧化膜分離，這些氧化膜脫落后，又成為微小磨料。2021/5/97

腐蝕磨損可分為氧化磨損、微動(dòng)磨損和化學(xué)腐蝕磨損3種。2.1.2防止或減輕磨損的方法和途徑

汽車零件的磨損通常是有多種磨損形式共同作用的結(jié)果，其磨損強(qiáng)度與零件的材料性能、加工質(zhì)量及工作條件等因素有關(guān)。

根據(jù)磨損的理論研究和生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，防止或減輕磨損的方法和途徑有以下幾個(gè)方面。1.正確選擇材料

應(yīng)選擇疲勞強(qiáng)度高、防腐性能好、耐磨耐高溫的新鋼種新材料。配合副零件應(yīng)盡量采用不同的材料制造，注意配對(duì)材料的互溶性。2021/5/982.進(jìn)行表面強(qiáng)化

通過適當(dāng)?shù)谋砻鎻?qiáng)化方法，如表面熱處理（鋼的表面淬火等）、表面化學(xué)熱處理（鋼的表面滲碳、滲氮等）、噴涂、噴焊、鍍層、滾壓、噴丸等，使配合副零件具有不同的表面性質(zhì)，提高零件表面的耐磨性。3.改善工作環(huán)境

選用合適的潤(rùn)滑劑和潤(rùn)滑方法，盡量建立液體摩擦條件；盡量避免過大的載荷、過高的運(yùn)動(dòng)速度和工作溫度，創(chuàng)造良好的環(huán)境條件。4.合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

正確合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是減少磨損和提高耐磨性的有效途徑。2021/5/99

正確合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有利于摩擦副表面保護(hù)膜的形成和恢復(fù)壓力的均勻分布、磨屑的排出以及防止外界磨粒、灰塵的進(jìn)入等。5.提高零件的加工質(zhì)量

零件的加工質(zhì)量，是指其表面粗糙度和幾何形狀誤差。

幾何形狀誤差過大，將造成零件工作過程中受力不均，或產(chǎn)生附加載荷，使磨損加劇。表面粗糙度過大，會(huì)破壞油膜的連續(xù)性，造成零件表面凸起點(diǎn)的直接接觸，使磨損加快。

在一般情況下，磨損速度隨零件表面粗糙度的減小而減小。2021/5/910

但表面粗糙度減小到一定程度后，磨損速度反而隨表面粗糙度的減小而增大，如圖2.1所示。

這是因?yàn)?，表面粗糙度過小，使零件表面的含油性降低，不利于油膜的形成，潤(rùn)滑條件變差，磨損加劇。

由此可見，對(duì)于不同條件下工作的零件，都應(yīng)有適當(dāng)?shù)谋砻娲植诙?。提高修?fù)質(zhì)量，提高裝配質(zhì)量，以及正確地使用和維護(hù)，都是防止和減少磨損的有效措施。圖2.1表面粗糙度對(duì)磨損的影響2021/5/9112.2腐蝕與穴蝕2.2.1腐蝕1.腐蝕的特點(diǎn)及危害

金屬零件的腐蝕是指表面與周圍介質(zhì)起化學(xué)或電化學(xué)作用而發(fā)生的表面破壞現(xiàn)象。

腐蝕損傷總是從金屬表面開始，然后或快或慢地往里深入，并使表面的外形發(fā)生變化，出現(xiàn)不規(guī)則形狀的凹洞、斑點(diǎn)等破壞區(qū)域。

腐蝕的結(jié)果使金屬表面產(chǎn)生新物質(zhì)，時(shí)間長(zhǎng)久將導(dǎo)致零件被破壞。2021/5/9122.減輕腐蝕的措施1）合理選材和設(shè)計(jì)

合理選材，即根據(jù)環(huán)境介質(zhì)和使用條件，選擇合適的材料。如選用含有鎳、鉻、硅、鈦等元素的合金鋼；在條件許可的情況下，盡量選用尼龍、塑料、陶瓷等材料。

合理設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過程中，雖然應(yīng)用了較優(yōu)良的材料，但是如果在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上不考慮金屬的防腐蝕措施，常會(huì)引起機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力以及流體的停滯和聚集、局部過熱等現(xiàn)象，從而加速腐蝕過程。

不同的金屬、氣相空間、熱量和應(yīng)力不均以及體系中各部位間的其他差別，都會(huì)引起腐蝕破壞。

因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)努力使整個(gè)體系的所有條件盡可能地均勻一致，零件表面粗糙度合適，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理，外形簡(jiǎn)化。2021/5/9132）覆蓋保護(hù)層

它是以表面薄膜的形式在金屬表面上附加一層不同的材料，改變零件的表面結(jié)構(gòu)，使金屬與介質(zhì)隔離開來，用以防止腐蝕。①金屬保護(hù)層。采用電鍍噴焊、化學(xué)鍍等方法，在金屬表面覆蓋一層如鎳、鉻、錫、鋅等金屬或合金作為保護(hù)層。②非金屬保護(hù)層。常用的有油漆、涂料、玻璃鋼、硬軟聚氯乙烯、耐酸酚醛塑料等，臨時(shí)性防腐可涂油或油脂。③化學(xué)保護(hù)層。用化學(xué)或電化學(xué)方法在金屬表面覆蓋一層化合物薄膜，如磷化、發(fā)藍(lán)、鈍化、氧化等。④表面合金化。如滲氮、滲鉻、滲鋁等。2021/5/9143）改變環(huán)境條件

采用通風(fēng)除濕等措施去除環(huán)境中的腐蝕介質(zhì)，減輕腐蝕作用。

對(duì)金屬材料來講，把相對(duì)濕度控制在臨界濕度（50％～70％）以下，可顯著減緩大氣腐蝕。

在腐蝕介質(zhì)中加入少量降低腐蝕速度的緩蝕劑，可減輕金屬的腐蝕。2.2.2穴蝕1.穴蝕的特點(diǎn)及危害

相對(duì)于液體運(yùn)動(dòng)的固體表面，因氣泡破裂產(chǎn)生局部沖擊高壓或局部高溫所引起的零件表面金屬剝落現(xiàn)象稱為穴蝕。2021/5/915

穴蝕常發(fā)生在柴油機(jī)缸套的外壁、水泵零件、水輪機(jī)葉片、液壓泵等處。

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)濕式汽缸套的外壁經(jīng)常發(fā)生穴蝕，也稱氣蝕，如圖2.2所示?，F(xiàn)象為在局部地方集中出現(xiàn)蜂窩狀的孔穴。

穴蝕現(xiàn)象在滑動(dòng)軸承、水泵零件、水輪機(jī)葉片、液壓泵中時(shí)常發(fā)生。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)向高速發(fā)展，穴蝕破壞愈來愈顯得突出。圖2.2缸套穴蝕2021/5/9162.減輕穴蝕的措施

減輕穴蝕的措施主要有幾下幾種：①增加零件的剛性，改善支承，采取吸振措施，以減小液體接觸表面的振動(dòng)，以減少水擊現(xiàn)象的發(fā)生。②選用耐穴蝕的材料，如球狀或團(tuán)狀石墨的鑄鐵、不銹鋼、尼龍?？稍诹慵砻嫱克芰?、陶瓷等防穴蝕材料。③改進(jìn)零件的結(jié)構(gòu)，提高表面質(zhì)量，減少液體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的渦流或斷流現(xiàn)象。④在水中添加乳化油，減小氣泡爆破時(shí)的沖擊力。2021/5/9172.3斷裂與變形2.3.1斷裂1.斷裂的分類

根據(jù)對(duì)斷口的不同觀察方法和形狀特征，斷裂可以有不同的分類方法。

按零件斷裂后的自然表面即斷口的宏觀形態(tài)特征，可分為塑性斷裂和脆性斷裂；按斷口的微觀形態(tài)特征分為晶間斷裂和穿晶斷裂；按零件斷裂前所承受載荷的性質(zhì)，可分為一次加載斷裂和疲勞斷裂。2.疲勞斷裂

零件在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，在交變載荷作用下，才發(fā)生突然斷裂的現(xiàn)象稱為疲勞斷裂。2021/5/918

汽車上零件的裂紋及斷裂，絕大多數(shù)是由疲勞引起的，疲勞斷裂占整個(gè)斷裂的70％～80％，它的類型很多，包括拉壓疲勞、彎曲疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞、接觸疲勞、振動(dòng)疲勞等。疲勞又可根據(jù)循環(huán)次數(shù)的多少，分為高周疲勞和低周疲勞。

零件的疲勞斷裂與靜載荷下的斷裂不同，其特點(diǎn)是破壞時(shí)的應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料的抗拉強(qiáng)度，甚至低于材料的屈服強(qiáng)度。

不論是塑性材料還是脆性材料，疲勞斷裂時(shí)，不產(chǎn)生明顯的塑性變形，均表現(xiàn)為脆性斷裂。3.減輕斷裂的措施

減輕斷裂的措施主要有以下幾點(diǎn)。2021/5/9191）減少局部應(yīng)力集中

大部分疲勞斷裂都是起源于應(yīng)力集中嚴(yán)重的部位，因此減少局部應(yīng)力集中是減輕或防止疲勞斷裂的最有效措施之一。

在零件材料選擇時(shí)，應(yīng)盡量減少材料缺陷；設(shè)計(jì)中必須改善零件的結(jié)構(gòu)形狀，并注意減少局部應(yīng)力集中。2）減少殘余應(yīng)力影響

各種加工和熱處理工藝過程，如機(jī)械加工、沖壓、彎曲、熱處理等都能引起殘余應(yīng)力。—般殘余拉應(yīng)力是有害的，但殘余壓應(yīng)力則是有益的。

滲碳、滲氮、噴丸和表面滾壓加工等工藝過程均可產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，它們將抵消一部分由外載荷引起的拉應(yīng)力，因而減少了發(fā)生斷裂的可能性。2021/5/9203）控制載荷防止超載

載荷對(duì)斷裂有直接影響。在使用過程中，要注意零件所受載荷的大小、性質(zhì)，降低其超載程度。4）其他措施

使用時(shí)應(yīng)注意早期發(fā)現(xiàn)裂紋，定期進(jìn)行無損探傷和監(jiān)測(cè)。

盡量減輕零件的腐蝕損傷，盡量避免熱應(yīng)力。

維修時(shí)應(yīng)注意操作規(guī)程，避免因拆裝、存放、加工而使零件受損傷。

裂紋和斷裂零件可用焊接、粘接、鉚接等方法修復(fù)。對(duì)不重要零件上的裂紋，可鉆止裂孔防止或延緩其擴(kuò)展。2021/5/9212.3.2變形

大量的維修實(shí)踐表明，雖然將磨損的零件進(jìn)行修復(fù)，恢復(fù)了原來的尺寸、形狀和配合性質(zhì)，但裝配后仍達(dá)不到預(yù)期的效果。

出現(xiàn)這種情況，通常是由于零件變形，特別是基礎(chǔ)零件變形，使零部件之間的相互位置精度遭到破壞，影響了各組成零件之間的相互關(guān)系。1.變形的基本概念

機(jī)械零件在工作過程中，由于受力的作用而使零件的尺寸和形狀發(fā)生改變的現(xiàn)象稱為變形。

變形分彈性變形和塑性變形兩種。2021/5/9221）彈性變形

彈性變形是指外力去除后能完全恢復(fù)的那部分變形。

汽車零部件中，通常經(jīng)過冷校直的零件（如曲軸）經(jīng)一段時(shí)間使用后又發(fā)生彎曲，這種現(xiàn)象是彈性后效所引起的，所以校直后的零件都應(yīng)進(jìn)行退火處理。

所謂彈性后效，是指金屬材料在低于彈性極限應(yīng)力作用下會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變并逐漸恢復(fù)，但總是落后于應(yīng)力的現(xiàn)象。2）塑性變形

塑性變形是指外力去除后不能恢復(fù)的那部分變形。在變形中，塑性變形對(duì)零件的性能和使用壽命有很大影響。2021/5/9232.變形的危害

汽車零件的變形，特別是各總成基礎(chǔ)件的變形，將導(dǎo)致各零件正常的配合性質(zhì)被破壞，潤(rùn)滑條件變差，并產(chǎn)生一定的附加載荷，使零件的磨損加劇，使用壽命降低，甚至導(dǎo)致各零件不能正常運(yùn)動(dòng)，失去工作能力。3.基礎(chǔ)件變形對(duì)總成的影響1）汽缸體變形的影響

汽缸體變形可能引起汽缸軸線與曲軸軸線的垂直度、曲軸軸線與凸輪軸軸線的平行度、曲軸主軸頸軸線的同軸度以及汽缸體上下平面的平行度、汽缸軸線與汽缸體下平面的垂直度等的改變。2021/5/924

汽缸軸線對(duì)曲軸軸線的垂直度偏差，將引起活塞連桿組零件在汽缸內(nèi)的傾斜，使活塞環(huán)與汽缸壁之間的磨損加劇，發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命降低。

主軸承座孔的同軸度偏差，將引起曲軸在座孔中的撓曲，從而影響潤(rùn)滑油膜的形成和增加曲軸的附加負(fù)荷，加速了曲軸及軸承的磨損。2）變速器殼體變形的影響

變速器殼體的變形主要表現(xiàn)為軸承座孔軸線的同軸度、平行度以及與前后端面的垂直度等超過公差要求。

變速器殼體變形后，可能引起上、下軸承座孔軸線的平行度和前后兩端面的平行度的變化，影響變速器的正常工作和使用壽命。2021/5/925

變速器殼體上、下軸承座孔軸線平行度超過允許范圍，將使變速器傳遞扭矩產(chǎn)生較大的不均勻性，同時(shí)產(chǎn)生動(dòng)載荷，工作時(shí)產(chǎn)生噪聲。

變速器上下軸承座孔不平行，破壞了齒輪的正常嚙合，造成齒面偏磨，產(chǎn)生較大的軸向力，不僅加劇了齒輪的磨損，有時(shí)還造成跳擋和掉擋。2021/5/9262.4汽缸的磨損及其規(guī)律

汽缸的磨損程度是判斷發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)狀況是否良好、是否需要大修的重要依據(jù)。

汽缸磨損至一定程度，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能顯著下降，油耗急劇增加，工作性能變壞，甚至不能正常工作。

因此，了解汽缸磨損原因和規(guī)律，不僅能正確地對(duì)其進(jìn)行修理，而且對(duì)于正確使用和管理汽車，減少汽缸的磨損，延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命，有重要的指導(dǎo)意義。2.4.1汽缸的磨損規(guī)律2021/5/927

汽缸是在潤(rùn)滑不良、高溫、高壓、交變載荷和腐蝕性物質(zhì)作用下工作的。

汽缸磨損是不均勻的，但正常情況下有一定的規(guī)律性：1.軸向截面的磨損規(guī)律

從汽缸的縱斷面看，活塞環(huán)行程內(nèi)的磨損一般是上大下小即稱為“錐形”或“錐體”，如2.3所示。

磨損的最大部位在活塞位于上止點(diǎn)時(shí)第一道活塞環(huán)所對(duì)應(yīng)的缸壁。圖2.3汽缸的錐形磨損2021/5/9282.徑向截面的磨損規(guī)律

從汽缸橫斷面來看，汽缸的磨損也是不均勻的，磨損成不規(guī)則的橢圓形，如圖2.4所示。

各汽缸沿圓周方向的最大磨損部位隨汽缸結(jié)構(gòu)、車型、使用條件的不同而異。一般是進(jìn)氣門對(duì)面附近缸壁磨損最大。圖2.4汽缸的橢圓形磨損2021/5/929在汽缸內(nèi)活塞環(huán)接觸不到的上口，沒有磨損而形成了明顯的臺(tái)階，稱為“缸階”或“缸肩”，如圖2.3所示。汽缸下部活塞運(yùn)動(dòng)區(qū)域外的汽缸壁，由于潤(rùn)滑條件比較好，溫度適中，沒有活塞環(huán)摩擦作用，汽缸也幾乎沒有磨損。圖2.3汽缸的錐形磨損2021/5/930

在特殊情況下，汽缸的磨損不在上部，而是在中部，形成中間大的“腰鼓形”磨損，如圖2.5所示。圖2.5腰鼓形磨損示意圖

在同一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)上，不同汽缸磨損情況不盡相同，一般水冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)的第一缸前壁和最后一缸的后壁處磨損較為嚴(yán)重。2021/5/9312.4.2汽缸磨損的原因

汽缸磨損主要是由機(jī)械磨損、腐蝕磨損和磨料磨損等造成的，如圖2.6所示。圖2.6汽缸磨損示意圖1-金屬磨料磨損；2-機(jī)械磨損；3-灰塵磨料磨損；4-酸性腐蝕磨損2021/5/9321.機(jī)械磨損

發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，活塞環(huán)在自身彈力和高壓氣體竄入活塞環(huán)背面致使活塞環(huán)對(duì)汽缸壁的正壓力大，摩擦力也大，潤(rùn)滑油膜被破壞，形成半干摩擦或干摩擦，造成活塞位于上止點(diǎn)時(shí)，第一道活塞環(huán)對(duì)應(yīng)的汽缸壁磨損最為嚴(yán)重，形成沿汽缸軸向上大下小的錐形磨損。2.腐蝕磨損

汽缸內(nèi)可燃混合氣燃燒后，產(chǎn)生水蒸氣和酸性氧化物CO2