汽車零部件的失效模式及其分析.ppt

第二章汽車零部件的失效模式及其分析,重點： 1.汽車零件失效的基本原因； 2.汽車摩擦學理論； 3.磨損的分類與失效； 4.汽車零件疲勞； 5.汽車零件的變形； 6.汽車零件的腐蝕；,第二章汽車零部件的失效模式及其分析,難點： 1.汽車摩擦學-混合摩擦； 2.粘著磨損；微動磨損； 3.腐蝕磨損； 4.提高汽車零件抗疲勞斷裂的方法； 5.基礎件的變形；,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，找出責任，提出改進和預防措施，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 按失效模式和失效機理對失效進行分類是研究失效的重要內容。 汽車零部件按失效模式分類可分為磨損、疲勞斷裂、變形、腐蝕及老化等五類； 一個零件可能同時存在幾種失效模式或失效機理。,汽車零件失效分類,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； 設計制造 設計不合理、選材不當、制造工藝不當?shù)龋?使用維修,三、零件失效的基本原因 工作條件,三、零件失效的基本原因 設計制造；使用維修；,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相接觸，與此同時在運動過程中，產生阻礙運動的效應，這就是摩擦。由于摩擦，系統(tǒng)的運動面和動力面性質受到影響和干擾，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。 磨損是摩擦效應的一種表現(xiàn)和結果?！澳p是構件由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?！?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、摩擦學基礎理論,摩擦理論； 摩擦分類；,幾種主要的摩擦理論,摩擦分類,二、磨損的分類 磨損與零件所受的應力狀態(tài)、工作與潤滑條件、加工表面形貌、材料的組織結構與性能以及環(huán)境介質的化學作用等一系列因素有關； 按表面破壞機理和特征，磨損可分為磨料磨損、粘著磨損、表面疲勞磨損、腐蝕磨損和微動磨損等；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,磨料的來源；粒度為20m30m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）,總之，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、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。,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)生干摩擦的結果；是指一個零件表面上的金屬轉移到另一個零件表面上，而產生的磨損。 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)結構；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力的作用下，材料表面因疲勞而產生物質損失的現(xiàn)象稱為表面疲勞磨損。 表面疲勞磨損一般多出現(xiàn)在相對滾動或帶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；滑動摩擦時，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發(fā)生化學或電化學反應，因而出現(xiàn)物質損失的現(xiàn)象成為腐蝕磨損。 腐蝕磨損是腐蝕和摩擦共同作用的結果。其表現(xiàn)的狀態(tài)與介質的性質、介質作用在摩擦表面上的狀態(tài)以及摩擦材料的性能有關。 腐蝕磨損通常分為：氧化磨損、特殊介質的腐蝕磨損、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），都可能產生穴蝕；,穴蝕產生的機理,是由于沖擊力而造成的表面疲勞破壞，但液體的化學和電化學作用、液體中含有雜質磨料等均可能加速穴蝕的破壞過程。 氣缸套穴蝕為例，由于氣缸內燃燒壓力隨曲軸轉角而變化，缸套在活塞側向推力的作用下，使缸套產生彈性變形和高頻振動。 氣泡在潰滅的瞬時產生極大的沖擊力（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，由于力學及化學作用導致氫的析出。氫擴散到金屬表面的變形層中，使變形層內出現(xiàn)大量的裂紋源，裂紋的產生和發(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，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件造成破壞；如在微動磨損過程中，兩個表面之間的化學反應起主要作用時，則稱微動腐蝕磨損。如果微動表面或次表面層中產生微裂紋，在反復應力作用下發(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)零件的特點及破壞時總的應力循環(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腐蝕和電化學腐蝕，汽車上約20%的零件因腐蝕而失效。,一、化學腐蝕失效機理：金屬零件與介質直接發(fā)生化學作用而引起的損傷稱為化學腐蝕。金屬在干燥空氣中的氧化以及金屬在不導電介質中的腐蝕等均屬于化學腐蝕；化學腐蝕過程中沒有電流產生，通常在金屬表面形成一層腐蝕產物膜，如鐵在干燥的空氣中與氧作用生成Fe3O4;這層膜的性質決定化學腐蝕速度，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、電化學腐蝕失效機理：電化學腐蝕是兩個不同的金屬在一個導電溶液中形成一對電極，產生電化學反應而發(fā)生腐蝕的作用，使充當陽極的金屬被腐蝕。 電化學腐蝕的基本特點：在金屬不斷遭到腐蝕的同時還有電流產生。如金屬在酸、堿、鹽溶液及潮濕空氣中的腐蝕等。 引起電化學腐蝕的原因是金屬與電解質相接觸，由于離子交換，產生電流形成原電池，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。可分為低溫腐蝕和高溫腐蝕，低溫腐蝕主要為電化學腐蝕，高溫腐蝕主要為化學腐蝕。 防止電化學腐蝕的方法，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和化學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，由于承載或內部應力的作用，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