第二章汽車零件的失效機(jī)理

第二章汽車零件的失效機(jī)理第一頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期四§2－1概述一.失效的定義及其失效的類型

1.定義：失效是零件的幾何尺寸、幾何形狀、金相組織、性能發(fā)生變化而致使零件不能完成規(guī)定的功能。失效：損壞，喪失工作能力性能衰退，雖能工作，但不能圓滿完成工作呈現(xiàn)出失效的可能性，繼續(xù)工作會(huì)招致嚴(yán)重后果

2.失效的分類失效類型失效形式變形a.彎、扭變形b.拉長(zhǎng)c.脹粗d.彈性永久變形e.蠕變斷裂a(bǔ).沖擊斷裂b.腐蝕斷裂c.疲勞斷裂表面損傷a.磨損b.表面疲勞c.表面腐蝕第二頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期四

3.零件失效的原因1）內(nèi)因：導(dǎo)致失效的物理、化學(xué)或機(jī)械過程，即失效的機(jī)理2）外因：a.時(shí)間b.應(yīng)力－物理退化的誘因。（驅(qū)動(dòng)應(yīng)力和環(huán)境應(yīng)力）

4.異常失效的原因1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理2）早期間隙放大0.01mm，汽車壽命減少1萬公里3）加工、熱處理、材料質(zhì)量等問題4）裝配問題5）使用維護(hù)不當(dāng)造成的問題二.幾種失效形式的基本概念

1.變形失效

1）彈性變形：由于發(fā)生過大的彈性變形而造成零件的失效彈性變形的因素：a.材料的承載面積（幾何尺寸）；b.材料的彈性模量

第三頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期四

2）塑性變形：受力、外力撤去后，變形不能恢復(fù)，是零件的承受工作能力超過材料屈服強(qiáng)度的結(jié)果。因素：零件截面大小、安全系數(shù)、材料的屈服強(qiáng)度

3）蠕變：工作溫度達(dá)到材料熔點(diǎn)溫度的30％～40％，在受力下出現(xiàn)的塑性變形。

2.斷裂失效（占零件總失效數(shù)的15％～20％）

1）塑性斷裂：a.纖維狀斷裂－拉應(yīng)力b.剪切斷裂－扭應(yīng)力特征：斷裂前有明顯的塑性變形，其纖維狀斷裂的特征是斷口呈杯錐狀，剪切斷裂斷口的特征呈斜45°。

[見圖]

2）脆性斷裂：斷裂前變形量很小特征：拉斷、剪斷時(shí)斷口較平整，壓斷、扭斷時(shí)斷口呈斜45°。

[見圖]易在低溫時(shí)斷裂第四頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期四

3）疲勞斷裂承受交變載荷的零件，在應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度情況下出現(xiàn)的瞬斷。a.高周疲勞斷裂：受應(yīng)力小于屈服極限，循環(huán)次數(shù)大于104次。b.低周疲勞斷裂：受應(yīng)力大于屈服極限，循環(huán)次數(shù)小于104次。特征：斷口呈一個(gè)源兩個(gè)區(qū)裂紋源：材料、加工等缺陷引起應(yīng)力集中，在應(yīng)力集中處首先產(chǎn)生裂紋。兩個(gè)區(qū)：a.平滑擴(kuò)展區(qū)：裂紋不斷向深處擴(kuò)展，由于反復(fù)擠壓而呈平滑光潔，像瓷器一樣光亮，且有明顯的前沿線；b.最后斷區(qū)：實(shí)際應(yīng)力大于強(qiáng)度時(shí)發(fā)生瞬斷，粗糙且灰暗斷口分析：前沿線發(fā)展不均勻，可能有偶然超載；瞬斷區(qū)面積大小可以反映斷裂時(shí)承受的應(yīng)力；是否有裂紋源，查看材料的使用正誤。3.表面損傷失效（占70％～75％）1）磨損：磨料磨損粘著磨損微動(dòng)磨損2）表面疲勞磨損3）腐蝕失效第五頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期四§2－2汽車零件磨損失效的形式及機(jī)理一.摩擦理論

1.經(jīng)典的摩擦理論對(duì)于兩個(gè)物體直接接觸的摩擦a.摩擦力與正壓力成正比b.摩擦系數(shù)是一個(gè)常數(shù)c.摩擦力的大小與接觸面積無關(guān)d.摩擦系數(shù)與速度無關(guān)

缺陷：實(shí)際上，速度提高時(shí)，摩擦系數(shù)會(huì)降低；對(duì)雙彈性材料不適用；正壓力增大時(shí)，產(chǎn)生塑性變形而摩擦；汽車高速行駛時(shí)，車輪與路面的附著系數(shù)會(huì)降低，因此高速剎車、制動(dòng)距離會(huì)增大。

2.現(xiàn)代摩擦理論1）摩擦的分子理論：分子的引力和親合力作用而引起摩擦。由分子理論可得：材料塑性越大，變形越大，摩擦力越大材料硬度越大，變形越小，摩擦力越小第六頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期四

2）分子機(jī)械理論：由于摩擦表面的微觀不平，只有凸起點(diǎn)間接觸，所以實(shí)際接觸面積很小。接觸點(diǎn)由于單位壓力產(chǎn)生塑性變形，從而發(fā)生粘著。

接觸點(diǎn)的實(shí)際正壓力：其中：為接觸承載應(yīng)力；A為接觸點(diǎn)面積拉開粘著點(diǎn)所需要的力為：那么：提高接觸應(yīng)力，即增大材料硬度H，可以減小摩擦系數(shù)；降低剪切強(qiáng)度可以降低摩擦系數(shù)。機(jī)械分子說作用特點(diǎn)是：材料彈性擠壓－塑性擠壓－微觀切削－氧化膜破損，以及由分子相互作用的粘著結(jié)果而發(fā)生的基本材料破損而失效。（純凈表面接觸面積大，故摩擦系數(shù)就大；污染表面，污染膜可防止金屬直接接觸，摩擦系數(shù)就?。?/p>

第七頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期四3）摩擦的能量理論摩擦的表面能量理論認(rèn)為，各種類型的摩擦和磨損現(xiàn)象都與表面能量之間有一定的關(guān)系，表面能對(duì)摩擦面實(shí)際接觸區(qū)大小有影響，當(dāng)兩表面接觸時(shí)，兩表面粘著時(shí)，其粘著力可用粘著表面及系統(tǒng)能量G表示。由于粘著作用，總的表面能為：其中：－物體a的表面能；－物體b的表面能‘－a與b接觸的表面能

假設(shè)把物體b摩擦面上微凸體端部理想化為錐體壓頭，并壓入軟材料物體a表面。那么：1）物體b錐體壓入時(shí)所作的功為：2）擠壓面擠壓變形消耗的能量：3）粘著時(shí)的接觸表面能：第八頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期四

能量平衡方程式為：而：則：由于物體處于平衡狀態(tài)，所以：

整理得：所以摩擦系數(shù)：

從上式可看出：粘著表面能與材料硬度H比值越大，摩擦系數(shù)越大。第九頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期四二.摩擦與潤(rùn)滑磨損是摩擦的結(jié)果，而潤(rùn)滑是減少摩擦和磨損得關(guān)鍵途徑，因?yàn)闈?rùn)滑能降低磨損，減少摩擦功率損失。

圖知：摩擦系數(shù)與潤(rùn)滑油黏度，速度，載荷有關(guān)。

流體動(dòng)壓潤(rùn)滑是摩擦表面間完全被潤(rùn)化油膜隔開的摩擦，實(shí)現(xiàn)流體動(dòng)壓潤(rùn)滑必須具備三個(gè)條件：

運(yùn)動(dòng)付之間必須供給充足的、有一定黏度潤(rùn)滑油；潤(rùn)滑付之間必有一定相對(duì)滑動(dòng)速度，速度增大，油膜變厚；運(yùn)動(dòng)付間隙設(shè)計(jì)必須能產(chǎn)生足夠大的油楔，借助于油楔而產(chǎn)生液體動(dòng)壓，使主軸浮起來，但是當(dāng)速度降低，潤(rùn)滑油黏度下降，載荷增大時(shí)，油膜變薄，而凸點(diǎn)部位形成邊界膜潤(rùn)滑，其它區(qū)域則是薄膜潤(rùn)滑，更進(jìn)一步完全成邊界潤(rùn)滑狀態(tài)。邊界膜破壞就形成了干摩擦。

邊界膜強(qiáng)度取決于潤(rùn)滑油的油性，即油在工作表面的保持能力，與黏度無關(guān)。

第十頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期四三.磨損形式與機(jī)理

定義：磨損是摩擦的結(jié)果，是相互接觸的物體在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)表層不斷發(fā)生耗損的過程。

磨損失效的原因：1）表面作用力

①機(jī)械作用力：粗糙表面在軟金屬上滑過時(shí)，產(chǎn)生軟金屬變形，犁溝引起雙方表面破壞

②分子作用力：分子間吸引力促使金屬顆粒由一個(gè)表面轉(zhuǎn)移到另一個(gè)表面上，即粘附損壞。

③高溫：瞬時(shí)高溫，使金屬熔融產(chǎn)生粘結(jié)——撕脫而破壞

④大氣介質(zhì)：生成松軟氧化膜，破損后使表層剝落而破壞2）表面變化由于上述表面作用，由開始磨合，逐漸在表面上呈現(xiàn)點(diǎn)蝕、裂紋、劃傷、膠合、疲勞剝落、改變表面幾何形狀、尺寸，破壞零件表面。第十一頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期四

磨損過程：在正常狀態(tài)下，磨損量與使用時(shí)間之間，服從勞倫斯曲線；磨損率與時(shí)間之間，服從浴盆曲線。（圖）

早期磨損期：磨損量急劇增大，但磨損速率遞減應(yīng)限速、限載、合理的時(shí)間、科學(xué)的潤(rùn)滑可以減少早期的磨損量穩(wěn)定磨損期：磨損量穩(wěn)定，與時(shí)間之間呈線性關(guān)系，磨損速率穩(wěn)定此期合理的維護(hù)，認(rèn)真駕駛可以延長(zhǎng)汽車使用壽命急劇磨損期：磨損量又急劇增大；且磨損速率遞增由于間隙增大，油膜不連續(xù)，潤(rùn)滑不良，此時(shí)導(dǎo)致零件失效磨損的類型：粘附磨損磨料磨損疲勞磨損腐蝕磨損第十二頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期四一）粘著磨損1.現(xiàn)象機(jī)理

摩擦面相互滑動(dòng)時(shí)，發(fā)生金屬間的粘附轉(zhuǎn)移，引起的磨損。當(dāng)兩表面接觸時(shí)，只有微凸點(diǎn)接觸，接觸應(yīng)力很高，在空氣中，相互摩擦的表面通常覆蓋一層氧化膜，在滑動(dòng)開始時(shí)，由于摩擦表面微凸體間的相互擠壓產(chǎn)生塑性變形，使薄膜發(fā)生局部破壞，金屬直接接觸，粘著力便明顯表現(xiàn)出來，當(dāng)擠壓較大時(shí)，便產(chǎn)生粘附與冷焊合。

粘附磨損的機(jī)理：由于粘附作用磨損可能從磨損付一方表面轉(zhuǎn)移到另一方表面上，產(chǎn)生磨損轉(zhuǎn)移其特征是：轉(zhuǎn)移大團(tuán)狀和冷焊形式粘附在配偶面上。其體積磨損量：－磨損系數(shù)（與配對(duì)付材料有關(guān)）L－滑動(dòng)距離

w－法向載荷H－軟材料的硬度第十三頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期四那么單位距離的磨損量：

即體積磨損量與法向載荷、滑動(dòng)距離成正比；與軟質(zhì)材料的硬度或屈服強(qiáng)度成反比。

2.分類

1）根據(jù)分離時(shí)可能出現(xiàn)的情況可分為：外部粘附：粘著點(diǎn)結(jié)合強(qiáng)度比摩擦付雙方材料的強(qiáng)度低，其脫離發(fā)生在粘著點(diǎn)分界面處；粘著時(shí)基本內(nèi)部變形很小，呈現(xiàn)出輕微磨損，摩擦增大。

內(nèi)部粘附：粘著點(diǎn)結(jié)合強(qiáng)度比一方金屬強(qiáng)度高，脫離發(fā)生在軟金屬一方的表層內(nèi)部，大塊磨粒從基體上撕裂下來。

2）根據(jù)粘著狀態(tài)分：

冷粘著：只與正壓力有關(guān)，材料凸點(diǎn)塑變引起，如差速器齒輪；

熱粘著：高應(yīng)力、高速度時(shí)引起的摩擦焊，如拉缸，抱瓦等。第十四頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期四3.粘附磨損的影響因素

1）材料的影響脆性材料，抗粘能力大，破壞發(fā)生在淺層，碎屑顆粒小，磨損量小。塑性材料，抗粘能力小，破壞發(fā)生在深層，碎屑顆粒大，磨損量大。互熔性好的兩個(gè)純金屬間抗粘能力差，所以應(yīng)盡量避免使用相同材料或相互共熔材料組成滑動(dòng)付。從金相來看，多相金屬比單相金屬抗粘能力強(qiáng)。合金元素C、S對(duì)粘附由阻滯作用，抗粘能力強(qiáng)。

2）工作條件的影響載荷↑，磨損量↑，所以應(yīng)按材料選擇載荷?；瑒?dòng)速度：載荷一定時(shí)，與的變化接觸應(yīng)力↑，磨損量↑

3）溫度的影響摩擦面溫度低于熱點(diǎn)溫度時(shí)，隨溫度的上升，磨損量增大250℃以下為氧化磨損，磨損很?。?50℃以上出現(xiàn)粘著；達(dá)到300℃左右時(shí)，達(dá)到最大值，高于300～400℃時(shí)，溫度上升又變?yōu)檠趸p，磨損量變小。第十五頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期四

二）磨粒磨損

定義：硬的顆?；蚰Σ粮兑环酱植诙鴪?jiān)硬，夾在摩擦付之間，在滑動(dòng)摩擦負(fù)荷作用下而引起材料的轉(zhuǎn)移而引起磨損。（兩體磨料磨損和三體磨料磨損，兩體大于三體）

1.磨粒磨損機(jī)理的三種假說1）微切屑作用：磨粒對(duì)金屬表面進(jìn)行微切屑作用而引起的2）表面疲勞：表面層承受循環(huán)接觸應(yīng)力，產(chǎn)生材料表面疲勞破壞3）犁溝作用：顆粒壓入材料表面，沿表面作切線移動(dòng)，犁出條條溝槽

磨料磨損的簡(jiǎn)單計(jì)算模型：假定磨料是半角為的理想圓錐體，其水平滑過表面的距離是L。設(shè)單個(gè)磨料承擔(dān)載荷為，則，磨料壓入材料后，壓入的圓錐體在垂直面上的投影面積為，在滑動(dòng)距離為L(zhǎng)時(shí)，磨損的體積：

式中－材料的屈服極限；－磨料壓入的圓錐體半徑；－磨料壓入的深度第十六頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期四

對(duì)于所有的磨料，磨料體積磨損量

wv

為：由于各個(gè)磨料錐角不同，并且在一定的接觸區(qū)域，只有少數(shù)的磨料會(huì)產(chǎn)生磨損，故用統(tǒng)計(jì)平均值代表，可用表示，可得：

式中：－摩擦副較軟一方的硬度；－磨料磨損系數(shù)2.規(guī)律1）強(qiáng)金屬及未經(jīng)熱處理硬化的鋼，其抗磨能力與自然硬度成正比2）熱處理硬化的鋼其耐磨性隨硬度增大而增強(qiáng)3）含C量大，耐磨性好4）脆性材料硬度不能用來衡量耐磨性，斷裂韌性才是重要指標(biāo)3.影響因素1）硬度：磨粒硬度小于表面硬度時(shí)，↓↓磨粒硬度等于表面硬度時(shí)，有磨損磨粒硬度大于表面硬度時(shí)，↑因此，為防止磨料磨損，磨粒的硬度小于表面硬度的30％2）磨粒尺寸：開始隨尺寸增大，↑，達(dá)到某一臨界值時(shí)，幾乎不變，不同配合副臨界尺寸是不一樣的，軸承與軸瓦20~30微米；凸輪與挺桿在1微米以下。第十七頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期四三）微動(dòng)磨損機(jī)理及影響

1.定義：緊配合副在壓緊表面間，發(fā)生低振幅往復(fù)切向振動(dòng)時(shí)引起磨損，（結(jié)果：緊配合副松動(dòng)）。

2.特點(diǎn)：1）相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度很低2）磨屑不易排出3）局部的磨損強(qiáng)度較大，造成局部表面剝落，則對(duì)零件疲勞強(qiáng)度下降很大，易產(chǎn)生疲勞，易造成緊配合松動(dòng)4）磨屑氧化呈紅棕色粉末（氧化鐵）

3.機(jī)理微動(dòng)磨損是粘附磨損、氧化磨損、表面疲勞、磨粒磨損綜合作用的結(jié)果。大致分為三個(gè)階段：第一階段：

另外，微切向振動(dòng)，摩擦、氧化膜被除去后即形成磨屑為：表面金屬疲勞剝落相互粘附時(shí)撕脫第十八頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期四第二階段：磨粒被氧化第三階段：產(chǎn)生磨粒磨損

4.磨損量

其中：－載荷；－振動(dòng)循環(huán)次數(shù)；－振動(dòng)頻率；－滑動(dòng)振幅；為常數(shù)上式是由化學(xué)作用和機(jī)械作用推導(dǎo)出來的，但它把化學(xué)作用當(dāng)作有害因素，忽略了氧化膜的保護(hù)作用，不能解釋溫度上升，磨損量下降的現(xiàn)象，沒有考慮微動(dòng)引起的表面疲勞作用。

5.影響因素1）材料的影響：抗粘附的材料抗微動(dòng)磨損的能力也強(qiáng)。2）載荷的影響：載荷↑，磨損量↑，達(dá)到一定值后，由于載荷增加，使產(chǎn)生滑移的界面面積和滑移的振幅減小，則磨損量減少。3）相對(duì)溫度：相對(duì)溫度增加，磨損量減小。（濕度增加，磨屑易排出）4）振動(dòng)頻率與振幅：振幅小于0.012mm時(shí)，磨損量不受頻率影響；振幅較大時(shí)，磨損量隨頻率增加有減少的趨勢(shì)。5）溫度：中碳鋼，臨界溫度130℃發(fā)生轉(zhuǎn)折，溫度↑，磨損量↓低碳鋼，0℃以下，溫度↑，磨損量↑；0℃以上，溫度↑，磨損量↓。第十九頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期四四.零件的允許磨損量零件的磨損量可以認(rèn)為與里程呈線性關(guān)系。對(duì)于可維修的零件，其允許磨損量，應(yīng)為這樣：其中：－磨損率，；－兩次計(jì)劃維修的時(shí)間間隔

于是：

令：

故允許磨損量：

【舉例】

第二十頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期四§2－3疲勞失效機(jī)理及疲勞壽命一.基本概念

1.疲勞應(yīng)力：構(gòu)件經(jīng)受的動(dòng)載荷稱為疲勞載荷，相應(yīng)的應(yīng)力稱為疲勞應(yīng)力。交變載荷的變化過程稱為載荷譜。平均應(yīng)力：

應(yīng)力幅值：

最大應(yīng)力：

最小應(yīng)力：

應(yīng)力變化范圍：

應(yīng)力的循環(huán)特性：

當(dāng)時(shí)，是對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力；

當(dāng)時(shí)，是脈動(dòng)應(yīng)力。

在一個(gè)單向循環(huán)中，應(yīng)力大小變化，但符號(hào)不變，這種循環(huán)也叫脈動(dòng)循環(huán)。第二十一頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期四

2.疲勞曲線疲勞強(qiáng)度是指在周期極限數(shù)值內(nèi)元件不致于失效的最大應(yīng)力。因此疲勞曲線是疲勞極限與循環(huán)次數(shù)對(duì)應(yīng)的曲線。（如圖所示）從圖中可以看出：應(yīng)力低周疲勞，壽命小于應(yīng)力高周疲勞，壽命無限長(zhǎng)

－低循環(huán)應(yīng)力區(qū)疲勞極限，高于屈服強(qiáng)度。－對(duì)稱循環(huán)疲勞極限：疲勞強(qiáng)度－循環(huán)次數(shù)－直線斜率的倒數(shù)。3.疲勞失效的類型：表面疲勞損傷疲勞斷裂失效第二十二頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期四二.表面疲勞失效

1.定義：在滾動(dòng)和滾動(dòng)加滑動(dòng)的摩擦副中，在接觸應(yīng)力的反復(fù)作用下，表面出現(xiàn)的剝落和點(diǎn)蝕損傷。

2.分類：1）非擴(kuò)展性條件：接觸應(yīng)力小，材料塑變后硬化。（冷作硬化）2）擴(kuò)展性條件：接觸應(yīng)力較大，硬度大，塑性的材料塑變后裂紋－剝落。

3.機(jī)理：裂紋形成→裂紋擴(kuò)展→剝落1）裂紋源：位錯(cuò)理論解釋為在接觸應(yīng)力作用下－亞表層塑性變形而造成晶格滑移，造成不均勻而產(chǎn)生局部應(yīng)力集中——裂紋源，當(dāng)有大的滑動(dòng)時(shí)，最大剪切應(yīng)力向表層移動(dòng)，內(nèi)部缺陷也是產(chǎn)生裂紋的源泉。2）裂紋擴(kuò)展：在應(yīng)力的反復(fù)作用下，裂紋向表層內(nèi)部擴(kuò)展，開始擴(kuò)展較慢，與主應(yīng)力方向成45°夾角。當(dāng)應(yīng)力擴(kuò)展到客觀尺寸后，裂紋擴(kuò)展與主應(yīng)力垂直，擴(kuò)展速度加快。3）剝落：多裂紋相互連接到一起，即形成剝落。第二十三頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期四4.影響因素1）材料的質(zhì)量：材料有脆性夾雜物和空穴是產(chǎn)生裂紋的根源2）表面粗糙度：降低粗糙度，可以使疲勞壽命提高3）表面硬度：硬度↑，開始時(shí)↑，到HRC62時(shí)，硬度↑，↓4）潤(rùn)滑油粘度：粘度高時(shí)，能形成穩(wěn)定內(nèi)膜，壓力平均分布，不易疲勞；粘度低時(shí)，油容易擠入裂紋從而加速裂紋擴(kuò)展。三.疲勞壽命的估計(jì)由