汽車零部件斷裂失效分析簡述岑舉課件

汽車零部件斷裂失效分析簡述

2009·101、基本概念失效：國家標(biāo)準(zhǔn)GB3187-82中定義：“失效（故障）----產(chǎn)品喪失規(guī)定的功能。對可修復(fù)產(chǎn)品，通常也稱為故障?！?/p>

規(guī)定的功能：是指國家有關(guān)法規(guī)、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)文件以及合同規(guī)定的對產(chǎn)品適用、安全和其它特性的要求。它既是產(chǎn)品質(zhì)量的核心，又是產(chǎn)品是否失效的判據(jù)。失效分析：是判斷產(chǎn)品的失效模式，查找產(chǎn)品失效機(jī)理和原因，提出預(yù)防再失效對策的技術(shù)活動和管理活動。因此，失效分析的主要內(nèi)容包括：明確分析對象，確定失效模式，研究失效機(jī)理，判定失效原因，提出預(yù)防措施(包括設(shè)計(jì)改進(jìn))。失效模式：是指失效的外在宏觀表現(xiàn)形式和過程規(guī)律，一般可理解為失效的性質(zhì)和類型。失效原因：失效原因通常是指釀成失效甚至事故的直接關(guān)鍵性因素。

失效機(jī)理：失效機(jī)理是指失效的物理、化學(xué)變化本質(zhì)和微觀過程，可以追溯到原子、分子尺度和結(jié)構(gòu)的變化，但與此相對的是它遲早也要表現(xiàn)出一系列宏觀（外在的）的性能、性質(zhì)變化和聯(lián)系。失效機(jī)理是對失效的內(nèi)在本質(zhì)、必然性和規(guī)律性的研究，它是人們對失效內(nèi)在本質(zhì)認(rèn)識的理論提高和升華。關(guān)于灰色系統(tǒng)是對內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以部分了解或可以綜合運(yùn)用邏輯推理的方法進(jìn)行分析的系統(tǒng)。從人類實(shí)踐的絕對性來看，人類可以窮盡對機(jī)電失效規(guī)律及其預(yù)防的認(rèn)識，但從對失效分析的個(gè)別實(shí)踐和認(rèn)識來看，又總是在有限的空間內(nèi)進(jìn)行的。因此，對失效特點(diǎn)和規(guī)律的認(rèn)識又往往是有限的和相對的，這就決定了失效分析的研究和發(fā)展總是處于一個(gè)灰色系統(tǒng)內(nèi)。（失效分析的持續(xù)性、階段性、可認(rèn)知性和無止境性）（失效分析的病理學(xué)研究方法和流行病學(xué)研究方法）2、汽車零部件及斷裂失效特性總成——發(fā)動機(jī)、離合器、變速器、傳動系統(tǒng)、前橋、驅(qū)動橋、前后懸架系統(tǒng)、車身車架、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、壓力及容器系統(tǒng)等，又可以分為若干子系統(tǒng)和零部件。2.1總成、零件、結(jié)構(gòu)、載荷零件——齒輪類、軸桿類、彈簧類、軸承類、殼體類、支架類、緊固件類、油氣管路、墊片類、輪帶類、其它等；結(jié)構(gòu)——彎曲梁（懸臂、簡支梁）、扭轉(zhuǎn)桿、拉壓桿、組合狀態(tài)等；配合——間隙或過盈配合、鎖緊及摩擦配合、定位性配合、嚙合性配合、支撐和約束等；結(jié)構(gòu)特性——?jiǎng)傂约椥约?、柔性件、吸能件、平衡性件等；載荷特性——脈動載荷、沖擊或多沖載荷、振動、約束、動平衡載荷、熱應(yīng)力件、耐腐蝕件等。2.3失效分析要點(diǎn)鑒于“灰色系統(tǒng)”的原理，對于各種失效和問題的認(rèn)知是一個(gè)持續(xù)、不斷變換和深入的過程。對于實(shí)際的問題認(rèn)知具有階段性。是一個(gè)不斷地積累、歸納和理性認(rèn)識地過程。掌握理論，尊重實(shí)際，符合邏輯，失效是一個(gè)思維過程。要能夠自我否定，不要盲目追求“結(jié)果”，承認(rèn)總會有一些說不清的問題。認(rèn)識需要實(shí)踐驗(yàn)證，宗旨在于解決問題。要熟知和掌握標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)條件及其意圖，熟悉零部件功能和工作條件，同時(shí)關(guān)注各種技術(shù)條件與具體失效形式的關(guān)系。2.4可靠性原理及評價(jià)結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì)、產(chǎn)品質(zhì)量、使用工況的關(guān)系設(shè)計(jì)的使用應(yīng)力（各種指標(biāo)）和強(qiáng)度（各種指標(biāo)）技術(shù)條件；關(guān)注實(shí)際的使用應(yīng)力（工況）及制造質(zhì)量分布的偏移和變化；

兩者分布曲線相交則產(chǎn)生失效。目前的失效分析和認(rèn)知程度、評價(jià)主要還是在定性的水平上。使用應(yīng)力、工況設(shè)計(jì)應(yīng)力技術(shù)條件制造質(zhì)量

2.5斷裂分析要素從可靠性理論中斷裂的應(yīng)力模型得知，應(yīng)力和強(qiáng)度是斷裂分析的兩大要素，兩個(gè)要素中哪一個(gè)貢獻(xiàn)較大？最為活躍？如何地感知和評價(jià)是斷裂分析中的一個(gè)焦點(diǎn)；其中力學(xué)要素是斷裂失效分析的第一要點(diǎn)。因?yàn)榱W(xué)因素的變換、波動、屬性遠(yuǎn)比強(qiáng)度屬性要活躍得多。例如占開裂問題絕大部分的疲勞斷裂（含脆性斷裂）基本上是一個(gè)力學(xué)屬性的表征；結(jié)構(gòu)和配合的特性、載荷的性質(zhì)和幅值、大多的內(nèi)在質(zhì)量缺陷、工作和運(yùn)行的狀態(tài)、應(yīng)力狀態(tài)等等，都屬于力學(xué)分析的范疇。他們不僅決定了是否開裂，還總體上決定了以什么形式或在什么部位開裂。材料內(nèi)在質(zhì)量要素，要在技術(shù)條件和標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上和對壽命影響的能力上的角度評價(jià)，其余延遲開裂和形變開裂等關(guān)系更密切。疲勞斷裂的強(qiáng)度、應(yīng)力、壽命要素分析疲勞壽命是有限的，但零部件早期的疲勞斷裂的實(shí)際壽命一般表現(xiàn)為成倍或是數(shù)量級的變化和降低，這是通?？紤]疲勞斷裂分析的一個(gè)基點(diǎn)；對于疲勞強(qiáng)度和疲勞應(yīng)力均可以產(chǎn)生不同原因和幅度上的波動；兩者相交時(shí)產(chǎn)生疲勞斷裂，各自的貢獻(xiàn)度如何及如何評價(jià)是我們斷裂分析的關(guān)注點(diǎn)；這些看法具有階段性，適應(yīng)于目前機(jī)械工業(yè)的國情，包括設(shè)計(jì)、制造和使用等各方面的狀態(tài)。汽車零件類型、強(qiáng)度的基本狀況及波動幅度汽車零件強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度（0.5）的實(shí)際波動狀況（經(jīng)驗(yàn)）是：跨過一個(gè)強(qiáng)度級別，強(qiáng)度的波動應(yīng)該<10%左右。某滲碳鋼多階疲勞強(qiáng)度比值

3斷裂分析開裂和斷裂失效占汽車零部件失效的絕大部分；主要的類型包括有:疲勞斷裂、延遲斷裂、脆性斷裂、工藝裂紋等；3.1疲勞斷裂斷口分析是疲勞分析的重要環(huán)節(jié)，包括結(jié)構(gòu)、應(yīng)力分布場、載荷形式、異常工況、應(yīng)力的大小等因素特征都會有所體現(xiàn)；也要關(guān)注斷口或失效性質(zhì)性質(zhì)的轉(zhuǎn)化及相關(guān)的條件。疲勞斷口形態(tài)3.1疲勞斷裂案例1、車輪的腐蝕疲勞開裂過程：充氣凝結(jié)水、腐蝕坑、應(yīng)力集中、疲勞開裂；結(jié)構(gòu)：工作中車輪失圓，槽型結(jié)構(gòu)在橢圓的短軸方向張口，包括輪胎的外張力。在槽根部結(jié)構(gòu)處有應(yīng)變集中趨勢，產(chǎn)生彎曲疲勞開裂。關(guān)注防腐的工藝質(zhì)量，這是原因。疲勞斷裂案例2、變速器輸入軸套管旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂離合器分離軸承與輸入軸套管的同心定位有問題，使其承受了旋轉(zhuǎn)彎曲應(yīng)力，也稱作附加彎矩；要重點(diǎn)觀察分析套管表面的接觸摩擦痕跡；同時(shí)產(chǎn)生的失圓現(xiàn)象還引發(fā)了管口的失圓疲勞裂紋。疲勞斷裂案例3、半軸圓角旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞開裂法蘭盤承受的旋轉(zhuǎn)彎曲應(yīng)力應(yīng)該與輪轂軸承間隙過大有關(guān)，也有考慮變形等因素影響了橋殼和輪轂的垂直度的；關(guān)注約束的喪失對相關(guān)件的受力形式的影響。疲勞斷裂案例5、后橋殼疲勞開裂焊接橋殼的三角區(qū)拉應(yīng)力疲勞開裂；原因是內(nèi)部焊接未焊透，強(qiáng)度不足和應(yīng)力集中引起該部位疲勞開裂；關(guān)注減殼口處的彈性變形和三角區(qū)的變形及應(yīng)力場；過渡圓R處承受著彎曲和拉直的兩種載荷的正應(yīng)力，拉直應(yīng)力受到了三角板的約束。關(guān)注疲勞開裂部位和形式以及開裂性質(zhì)的轉(zhuǎn)化。疲勞斷裂案例6、后橋殼后蓋疲勞開裂橋殼后蓋疲勞開裂，后轉(zhuǎn)為橋殼彎曲疲勞開裂；橋殼的后蓋有三種，螺栓連接的、焊接的和鑄造一體的，具有一定的剛性，均需要有效連接，以支撐和協(xié)調(diào)橋殼的剛性。均可以在連接部位發(fā)生各種開裂問題；本案是該部位較為薄弱，加上后蓋的彎曲結(jié)構(gòu)而局部彎曲疲勞開裂，裂紋擴(kuò)展后轉(zhuǎn)為橋殼的彎曲疲勞。疲勞斷裂案例10、鋼板彈簧中心孔疲勞開裂關(guān)注約束的有效性；斷裂力學(xué)要素：簡支梁彎矩最大部位、應(yīng)力集中、應(yīng)變集中。同時(shí)也應(yīng)考慮少片簧平直段的剛性。疲勞斷裂案例11、鋼板彈簧壓板邊緣處疲勞斷裂關(guān)注局部異常的表面異常硬化會增加疲勞裂紋萌生的敏感性?？紤]異常的擦傷、表面擠壓磕碰傷與表面強(qiáng)力噴丸有什么差別或作用。疲勞斷裂案例12、板簧前卷耳疲勞開裂關(guān)注沖擊載荷的作用，關(guān)注車輛的動力和制動性能，道路情況；關(guān)注對失效認(rèn)識的不斷深化和階段性。疲勞斷裂案例13、鋼板彈簧蓋板疲勞開裂少片簧的中間段剛性不足，如果與板簧中心孔斷裂有關(guān)則應(yīng)該有異常接觸印記；彎曲在前，實(shí)際的失效形式應(yīng)該是彎曲，要點(diǎn)是彎曲的連續(xù)性，交通肇事的彎曲脆斷中會有斷裂件彎曲的一類問題。疲勞斷裂案例14、減震器支架疲勞斷裂關(guān)注減震器的作用和沖擊載荷性質(zhì)；。鑄鐵支架作為一個(gè)類型，大多承受沖擊載荷的作用。鑄鐵的疲勞斷口比較難分析。疲勞斷裂案例15、傳動軸支架疲勞斷裂關(guān)注傳動軸不平衡造成的振動應(yīng)力。疲勞斷裂案例16、斜齒輪輪齒彎曲疲勞關(guān)注接觸區(qū)的偏移，齒向問題，會使得局部工作應(yīng)力大幅度提高；影響因素包括熱處理變形、軸的剛度和變形、軸承間隙的調(diào)整等。疲勞斷裂案例17、中間軸齒輪疲勞開裂變速箱缺油或同步器燒蝕，引起齒輪灼燒并疲勞打齒；關(guān)注短懸臂梁的裂紋擴(kuò)展方向問題。疲勞斷裂案例18、制動盤、制動鼓熱疲勞開裂關(guān)注熱應(yīng)力的產(chǎn)生條件、大小。全約束條件下加熱到500℃時(shí)熱膨脹壓應(yīng)力可以達(dá)到700兆帕以上。關(guān)注結(jié)構(gòu)的約束，關(guān)注材料的性質(zhì)（灰鐵、球鐵、蠕鐵、合金鑄鐵）。熱疲勞的典型零件還有離合器壓盤、汽缸蓋和排氣歧管、渦輪增壓器殼等。疲勞斷裂案例19、微動磨損引起的疲勞開裂由于載荷過大、剛性不足、裝卡方式等原因引發(fā)局部產(chǎn)生微動磨損現(xiàn)象，導(dǎo)致疲勞開裂。這類問題在軸孔配合結(jié)構(gòu)中最多體現(xiàn)。疲勞斷裂案例20、某連桿銷孔疲勞開裂在擠壓載荷作用下的疲勞開裂；表現(xiàn)出了對油孔邊緣處應(yīng)力集中的敏感性。疲勞斷裂案例22、剪切應(yīng)力疲勞開裂半軸、鋼板彈簧等零件，產(chǎn)生在高強(qiáng)韌性的零件中；屬于應(yīng)變疲勞的性質(zhì)，也稱為高應(yīng)力低周疲勞；扭轉(zhuǎn)的應(yīng)力狀態(tài)更有利于這種失效形式的產(chǎn)生。3.2延遲開裂5.1延遲開裂（第二類氫脆）三大因素：氫、組織（硬度）、應(yīng)力。延遲開裂定義，也稱靜疲勞。“鏈接”5.2氫制開裂是成型的機(jī)理，有廣泛和成功的應(yīng)用。5.3組織的敏感性問題應(yīng)引起高度的重視。首先是GB\T3098.1標(biāo)準(zhǔn)的理解問題，“鏈接”

關(guān)注的要素：最低回火溫度；最低含碳量；最低合金量；淬火馬氏體的含量；再回火試驗(yàn)。

核心問題：充分回火的問題，組織敏感性的問題，第一要素。5.4關(guān)于低溫蠕變機(jī)理，關(guān)于氫的因素。5.5關(guān)于結(jié)構(gòu)件的的延遲開裂的范疇：高強(qiáng)度螺栓、彈簧及彈性件、齒輪及感應(yīng)淬火件、淬火裂紋、磨削裂紋等。5.5確認(rèn)的方法：正應(yīng)力的存在、延遲性的表現(xiàn)、沿晶或沿晶傾向的微觀斷口、硬度和金相檢驗(yàn)、再回火試驗(yàn)。5.6關(guān)于應(yīng)力問題：恒定（持續(xù)）性正應(yīng)力的存在，包括內(nèi)在和外在的兩種。應(yīng)力場的屬性分析，包括來源和分布。5.7問題的解決方案充分淬火和回火方案、技術(shù)條件的合理化；降低和改變應(yīng)力分布和幅度方案；控“氫”方案。5.8以380~400℃再回火溫度的充分回火狀態(tài)，作為劃定回火馬氏體和回火屈氏體的界限，回火屈氏體原則上沒有延遲開裂的組織敏感性。3.3脆性斷裂零件的脆性斷裂也較為常見，材料的性質(zhì)是重要的條件之一，但實(shí)際情況中硬性應(yīng)力狀態(tài)更重要，即指雙向拉應(yīng)力狀態(tài)。該應(yīng)力狀態(tài)限制了材料的塑性變形條件而產(chǎn)生脆性斷裂。脆性斷裂不等于材料脆性，應(yīng)力狀態(tài)（平面應(yīng)變）的影響更大。脆性斷裂斷口脆性斷裂案例1、差速器十字軸和半軸行星輪的脆性斷裂與巨大的沖擊作用有關(guān)，多傾向于產(chǎn)生在重載倒車的過程中。關(guān)注脆斷斷口終斷區(qū)的轉(zhuǎn)彎形態(tài)，關(guān)注動態(tài)應(yīng)力場的變化。脆性斷裂案例2、半軸脆性開裂在靜扭和疲勞斷裂中均有發(fā)生，表現(xiàn)出各種形態(tài)的斷口。是一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)能量蓄積、轉(zhuǎn)換和釋放的過程；脆性斷口（碎裂）可以理解裂紋擴(kuò)展速度，與彈性變形的速度相當(dāng)。脆性斷裂案例3、橫拉桿接頭彎曲脆性斷裂密封失效導(dǎo)致潤滑失效，工作中回轉(zhuǎn)阻力過大，引起彎曲并脆性斷裂。脆性斷裂案例4、軸承蓋板裝配開裂結(jié)構(gòu)問題，螺栓孔長而薄；裝配問題，注意裝配順序；密封墊的的問題，剛性小。脆性斷裂案例5剪切下料中的彎曲脆斷下料模具間隙調(diào)整的不合理，壓料不穩(wěn)定，局部承受了過大的彎矩，首先產(chǎn)生彎曲變形（含端頭失圓的變形），然后是開裂。開裂紋方向的應(yīng)力場分析，斷口與應(yīng)力場拉壓、彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切是結(jié)構(gòu)的幾種基本力學(xué)狀態(tài)；彎矩、扭矩、剪矩是材料力學(xué)中的三個(gè)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布基本模型；σ、τ是兩種基本應(yīng)力，三個(gè)應(yīng)力分布的應(yīng)力矢量疊加決定了主應(yīng)力的分布情況；疊加后應(yīng)力矢量和裂紋擴(kuò)展過程中應(yīng)力場的動態(tài)變化影響著裂紋的走向。σ、τστ脆性斷裂案例6、轉(zhuǎn)向螺桿和主銷脆性斷裂車輛及相關(guān)的部位受到了嚴(yán)重的沖擊，通過機(jī)械動作傳遞載荷，在適當(dāng)?shù)臈l件下和部位產(chǎn)生斷裂；是一個(gè)能量釋放和轉(zhuǎn)換過程，不同的機(jī)械狀態(tài)，開裂的零件和部位不一樣。要求我們系統(tǒng)地考慮問題。扭矩為主彎、剪結(jié)合彎矩為主脆性斷裂案例7、軸桿類零件矯直斷裂關(guān)注矯直工藝過程，矯直形變過大。脆性斷裂案例8、飛輪齒圈脆性斷裂起車試驗(yàn)5、6個(gè)循環(huán)發(fā)生脆斷，發(fā)生在在焊口處；裂紋源在心部，菊花狀斷口，表達(dá)對焊接變形組織的敏感性；裝配張應(yīng)力、工作沖擊載荷；淬火層過深的問題，焊接后回火的問題；延遲開裂的可能性，沖擊載荷的作用，性能有問題。脆性斷裂案例9、半軸桿部螺旋裂紋從斷裂韌性的理論解釋，圖中給出了40CrNiMo鋼的斷裂韌性（K1c）和經(jīng)淬火、回火熱處理成不同屈服強(qiáng)度后的相互關(guān)系。從圖得知隨硬度的升高，材料的斷裂韌性大幅度下降，即硬化層內(nèi)的組織斷裂韌性極低，裂紋會優(yōu)先擴(kuò)展。實(shí)際上可以理解為裂紋擴(kuò)展所需要的能量的差異問題和彈性變性能的多少，能量的分布，裂紋擴(kuò)展速率等問題。均發(fā)生在層深較大的半軸上。韌性斷裂案例10弧形剪切開裂發(fā)生在高能量沖擊的情況下，結(jié)構(gòu)是短懸臂梁，韌性良好的基體組織。彎矩和剪矩兩個(gè)剪應(yīng)力矢量和構(gòu)成的弧形最大剪應(yīng)力場，產(chǎn)生弧形韌性剪切開裂。yyx4、小結(jié)（幾個(gè)考慮問題的基點(diǎn)）汽車失效技術(shù)的基本技術(shù)狀況汽車是數(shù)量最大的行走機(jī)械，涉及的面最廣，具有社會性，汽車零部件的失效分析技術(shù)也是失效行業(yè)中最具有社會化的技術(shù)之一。國內(nèi)汽車制造產(chǎn)的技術(shù)水平，包括產(chǎn)品開發(fā)、工藝技術(shù)、管理、供應(yīng)商等，在過去20年里以及目前的水平，處在從無到有的改進(jìn)和上升階段，是暴露問題和對問題認(rèn)識和提高階段；汽車零部件的失效分析技術(shù)也處在發(fā)展過程中，總體講是處在認(rèn)識的積累和定性分析的階段；目前的失效問題最大的對產(chǎn)品技術(shù)的認(rèn)識不足、制造質(zhì)量及一致性不良、不滿足使用工況等方面，這包括零件和總成及整車。定量的失效分析需要材料、零件、