汽車(chē)零部件失效模式知識(shí)講解

1、汽車(chē)零部件失效模式第二章汽車(chē)零部件的失效模式及其分析 汽車(chē)零部件失效分析，是研究汽車(chē)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(jìn)和預(yù)防措施，提高汽車(chē)可靠性和使用壽命。第一節(jié)汽車(chē)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(chē)零部件失去原設(shè)計(jì)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(yán)重?fù)p傷或隱患、繼續(xù)使用會(huì)失去可靠性和安全性的零部件。二、失效的基本形式 按和對(duì)失效進(jìn)行分類是研究失效的重要內(nèi)容。 汽車(chē)零部件按分類可分為、及等五類； 一個(gè)零件可能同時(shí)存在幾種失效模式或失效機(jī)理。汽車(chē)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(dòng)磨損汽缸工作表面“拉缸”、曲軸“抱軸”、齒輪表面和滾動(dòng)軸承表面的麻點(diǎn)、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(diǎn)、孔穴變形過(guò)量彈性變形、過(guò)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(dòng)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(jì)制造 設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)在承受氣體壓力過(guò)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(chē)零件是在動(dòng)態(tài)應(yīng)力作用下工作的。工作環(huán)境； 汽車(chē)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(jì)制造設(shè)計(jì)不合理； 軸的臺(tái)階處直角過(guò)渡、過(guò)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(jì)時(shí)沒(méi)有考慮到這些形狀對(duì)截面的削弱和應(yīng)力集中問(wèn)題，或位置安排不妥當(dāng)；選材不合理；制造工

4、藝過(guò)程中操作不合理；制動(dòng)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(chē)超載、潤(rùn)滑不良，頻繁低溫冷啟動(dòng)；破壞裝配位置，改變裝配精度；第二節(jié)汽車(chē)零部件磨損失效模式與失效機(jī)理 汽車(chē)或機(jī)械運(yùn)動(dòng)在其運(yùn)動(dòng)中都是一個(gè)物體與另一物體相接觸、或與其周?chē)囊后w或氣體介質(zhì)相接觸，與此同時(shí)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，產(chǎn)生阻礙運(yùn)動(dòng)的效應(yīng)，這就是摩擦。由于摩擦，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)面和動(dòng)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(shí)，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?！澳p是構(gòu)件由磨損是構(gòu)件由于其表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)而在承載表面上不斷

5、出現(xiàn)材料損失的過(guò)于其表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)而在承載表面上不斷出現(xiàn)材料損失的過(guò)程。程。” 據(jù)統(tǒng)計(jì)有75%的汽車(chē)零件由于磨損而報(bào)廢。因此磨損是引起汽車(chē)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(jī)械理論當(dāng)兩固體表面接觸時(shí)，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(duì)運(yùn)動(dòng)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(diǎn)所需的剪切力。分子機(jī) 械理論發(fā)生在接觸點(diǎn)處分子吸引和機(jī)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(jī)

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(guò)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(duì)運(yùn)動(dòng)形式滑動(dòng)摩擦活塞與活塞環(huán)在氣缸孔的往復(fù)運(yùn)動(dòng)滾動(dòng)摩擦滾動(dòng)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(mén)挺桿表面間、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)輪齒表面所發(fā)生的摩擦按摩擦副表面的潤(rùn)滑狀況固體摩擦汽車(chē)離合器、制動(dòng)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(dòng)機(jī)活塞環(huán)與缸套上部、配汽機(jī)構(gòu)凸輪與挺桿、齒輪傳動(dòng)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(rùn)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(jī)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(dòng)損、粘著磨損、表面疲勞磨損、腐蝕磨損和微動(dòng)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(huì)發(fā)生。三、磨料磨損及其失效機(jī)理在各類磨損形式中大約占磨損總消耗的 50%；危害最為嚴(yán)重的磨損形式； 磨料的來(lái)源；粒 度 為 2 0 m 30m的塵埃將引起曲軸軸頸、氣缸表面的嚴(yán)重磨損，而1m以下的塵埃同樣會(huì)使凸輪挺桿副磨損加??；磨料磨損的失效機(jī)理（假說(shuō)）以微量切削為主的假說(shuō)； 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(shuō)： 對(duì)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(yán)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(shuō)： 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(lái)。 不排除同時(shí)存在磨料直接切下金屬的過(guò)程。 滾動(dòng)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(shuō)針對(duì)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(dá)到臨界深度時(shí)，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(kuò)展的橫向裂紋。 總之，

9、磨料磨損機(jī)理是屬于磨料的機(jī)械作用，這種機(jī)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(jī)械性能有關(guān)。四、粘著磨損及其失效機(jī)理 定義：摩擦副相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(gè)零件表面上的金屬轉(zhuǎn)移到另一個(gè)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(rùn)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(rùn)滑劑及表面膜。 二是設(shè)法提高金屬熱穩(wěn)定性和潤(rùn)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(jìn)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(guò)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(jī)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(duì)滾動(dòng)相對(duì)滾動(dòng)或帶帶有滑動(dòng)的滾動(dòng)摩擦條件下有滑動(dòng)的滾動(dòng)摩擦條件下；如齒輪副的輪齒表面、滾動(dòng)軸承的滾珠和滾道以及凸輪副等；滑動(dòng)摩擦?xí)r

11、，也會(huì)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(guò)程可分為兩個(gè)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(duì)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(dòng)帶滑動(dòng)的接觸） 裂紋起源于硬化層與芯部過(guò)度區(qū)； 六、腐蝕磨損及其失效機(jī)理 1定義：零件表面在摩擦過(guò)程中，表面金屬與周?chē)橘|(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(jiàn)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(huì)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(shí)氧化膜還能起到保護(hù)作用； 影響因素：影響氧化磨損的因素有滑動(dòng)速度、接觸載荷、氧化膜的硬度、介質(zhì)中的含氧量、潤(rùn)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(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，零件表面出現(xiàn)的一種損傷現(xiàn)象。 柴油機(jī)濕式缸套的外壁與冷卻液接觸的表面、滑動(dòng)軸承在最小油膜間隙之后的油膜擴(kuò)散部分（由于負(fù)壓的存在），都可能產(chǎn)生穴蝕；穴蝕產(chǎn)生的機(jī)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(guò)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(dòng)。 氣泡在潰滅的瞬時(shí)產(chǎn)生極大的沖擊力（幾千甚至一萬(wàn)個(gè)大氣壓）和高溫（數(shù)百度），潰滅的速度可達(dá)250m/s。5氫致磨損：含氫的材料在摩擦過(guò)程中，由于力學(xué)及化學(xué)作用導(dǎo)致氫的析出。氫擴(kuò)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(lái)自材料本身或是環(huán)境介質(zhì)，如潤(rùn)滑油和水中等。 七、微動(dòng)磨損及其失效機(jī)理 1定義：兩接觸表面間沒(méi)有宏觀相

14、對(duì)運(yùn)動(dòng)，但在外界變動(dòng)負(fù)荷影響下，有小振幅的相對(duì)振動(dòng)（一般小于100m），此時(shí)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(dòng)磨損。 微動(dòng)以三種方式對(duì)構(gòu)件造成破壞；如在微動(dòng)磨損過(guò)程中，兩個(gè)表面之間的化學(xué)反應(yīng)起主要作用時(shí)，則稱微動(dòng)腐蝕磨損。如果微動(dòng)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(dòng)疲勞磨損。第三節(jié) 汽車(chē)零部件疲勞斷裂失效及其機(jī)理 一、定義：零件在交變應(yīng)力作用下，經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間工作而發(fā)生的斷裂現(xiàn)象稱為疲勞斷裂。是汽車(chē)零件常見(jiàn)及危害性最大的一種失效方式。 在汽車(chē)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(diǎn)及破壞

15、時(shí)總的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，可分為無(wú)裂紋零件和裂紋零件的疲勞斷裂失效。高周疲勞發(fā)生時(shí)，應(yīng)力在屈服強(qiáng)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(shí)的應(yīng)力可高于屈服極限，其壽命受裂紋擴(kuò)展壽命的影響較大。汽車(chē)零件一般多為低應(yīng)力高周疲勞斷裂。三、疲勞斷裂失效機(jī)理： 金屬零件疲勞斷裂實(shí)質(zhì)上是一個(gè)累計(jì)損傷過(guò)程。大體可劃分為滑移、裂紋成核、微觀裂紋擴(kuò)展、宏觀裂紋擴(kuò)展、最終斷裂幾個(gè)過(guò)程。第四節(jié) 汽車(chē)零部件腐蝕失效及其機(jī)理 零件受周?chē)橘|(zhì)作用而引起的損壞稱為零件的腐蝕。按腐蝕機(jī)理可分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕，汽車(chē)上約20%的零件因腐蝕而失效。一、化學(xué)腐蝕失效機(jī)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(guò)程中沒(méi)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(qiáng)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(qiáng)等，就具有保護(hù)金屬、減緩腐蝕的作用。（發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)鍍鉻） 二、電化學(xué)腐蝕失效機(jī)理：電化學(xué)腐蝕是兩個(gè)不同的金屬在一個(gè)導(dǎo)電溶液中形成一對(duì)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(yáng)極的金屬被腐蝕。 電化學(xué)腐蝕的基本特點(diǎn)：在金屬不斷遭到腐蝕的同時(shí)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(wú)法利用，使陽(yáng)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(shí)），也稱其為微電池； 與燃?xì)饨佑|的零件所受的腐蝕為燃?xì)飧g。可分為低溫腐蝕和高溫腐蝕，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(chē)上主要用覆蓋層保護(hù)。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(hù)膜，如發(fā)藍(lán)是生成一層氧化膜，磷化是生成一層磷化膜；三、汽車(chē)零件的老化： 第五節(jié) 汽車(chē)零部件變形失效機(jī)理 一、定義：零件在使用過(guò)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(gè)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