汽車維修工程-第二章修改

第二章汽車零部件的失效模式及其分析汽車零部件失效的概念及分類汽車零部件磨損失效模式與失效機(jī)理典型汽車零部件失效分析及其對策

§2—1汽車零部件失效的概念及分類一、失效的概念失效：是指汽車零部件失去原設(shè)計所規(guī)定的功能。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。二、失效的基本類型研究失效的類型，找出失效的原因，提出改進(jìn)和預(yù)防措施，可提高汽車零部件的可靠性和使用壽命。一個零件可能同時存在幾種失效模式或失效機(jī)理。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，如下表所示。汽車零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、微動磨損氣缸工作表面“拉缸”、曲軸“抱軸”、齒輪表面和滾動軸承表面的麻點(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、穴蝕濕式氣缸套外壁麻點(diǎn)、孔穴變形過量彈性變形、過量塑性變形曲軸彎曲、扭曲，基礎(chǔ)件（氣缸體、變速器殼、驅(qū)動橋殼）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零件失效原因工作條件使用維修零件受力過大工作環(huán)境惡劣設(shè)計不合理制造工藝不當(dāng)違反操作規(guī)程超載維護(hù)不良設(shè)計制造選材不當(dāng)§2—2汽車零部件磨損失效模式與失效機(jī)理零件相互運(yùn)動摩擦磨損磨損是構(gòu)件由于其表面相對運(yùn)動而在承載表面上不斷出現(xiàn)材料損失的過程。磨損是摩擦效應(yīng)的一種表現(xiàn)和結(jié)果據(jù)統(tǒng)計有75%的汽車零件由于磨損而報廢一、摩擦學(xué)基礎(chǔ)理論1.摩擦理論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，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運(yùn)動的作用。（只適用于固體的粗糙表面）分子吸附理論摩擦力產(chǎn)生的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)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)⒉摩擦分類按摩擦副的相對運(yùn)動形式分滑動摩擦復(fù)合摩擦滾動摩擦活塞與活塞環(huán)在氣缸孔的往復(fù)運(yùn)動滾動軸承滾柱、滾珠與內(nèi)、外圈滾道表面間的摩擦凸輪與氣門挺桿表面間、齒輪齒表面所發(fā)生的摩擦按摩擦副表面潤滑狀況分固體摩擦邊界摩擦流體摩擦汽車離合器、制動器桶面活塞環(huán)與氣缸壁、軸頸與軸瓦發(fā)動機(jī)活塞環(huán)與缸套上部、配氣機(jī)構(gòu)凸輪與挺桿3.幾種典型的摩擦（1）固體摩擦固體摩擦：是指固體摩擦副表面間完全沒有潤滑油或其他潤滑介質(zhì)時的摩擦。固體摩擦也稱干摩擦。在固體摩擦條件下，摩擦表面直接接觸，產(chǎn)生強(qiáng)烈地阻礙摩擦副表面相對運(yùn)動的分子吸引和機(jī)械嚙合作用，消耗較多的動力，并將其轉(zhuǎn)化為有害的摩擦熱。同時，固體摩擦往往伴隨著強(qiáng)烈的摩擦副表面磨損。除離合器、制動器外，汽車上不希望出現(xiàn)固體摩擦。（2）流體摩擦1）流體摩擦定義流體摩擦是指相對運(yùn)動的摩擦副表面不直接接觸，而被一層厚1.5～2.5μm以上的潤滑油膜完全隔開的摩擦。即由流體粘性引起的摩擦。這種流體摩擦也稱動壓潤滑。流體摩擦?xí)r，其摩擦系數(shù)很小，通常為0.001～0.008。采用動壓潤滑時，幾乎不發(fā)生磨損（但不能消除表面疲勞磨損）。這種潤滑改善了摩擦副的工作性能，在汽車上應(yīng)得到廣泛的應(yīng)用，但是其動壓潤滑必須具備一定的條件才可實現(xiàn)。2）流體摩擦原理摩擦副相對運(yùn)動時，借助其表面間收斂的楔形間隙的油楔作用而產(chǎn)生液體動壓，從而實現(xiàn)流體摩擦，如圖所示。3）流體摩擦建立條件流體摩擦建立條件收斂的楔形間隙合適的載荷適當(dāng)粘度的潤滑油適當(dāng)?shù)南鄬瑒铀俣冉Y(jié)論楔形間隙收縮率越大，潤滑油的粘度越大，相對滑動速度越高，載荷越小，越容易形成流體潤滑，越容易形成并保持完好的油膜。4）汽車流體摩擦實例曲軸主軸頸與軸承的流體摩擦（a）靜止；（b）起動；（c）正常運(yùn)轉(zhuǎn)活塞桶面環(huán)與氣缸的流體摩擦1－氣缸壁；2－油膜；3－桶面環(huán)；4－活塞（3）邊界摩擦1）邊界摩擦定義邊界摩擦是指相對運(yùn)動表面間被極薄的一層（通常只有幾個分子直徑厚）具有特殊性質(zhì)的潤滑膜所隔開的摩擦。此潤滑膜稱為邊界膜。邊界摩擦又稱為邊界潤滑。這種邊界潤滑，其摩擦副兩表面之間的摩擦和磨損不是取決于潤滑劑的粘度，而是由兩表面的特性和潤滑劑的特性共同決定。

邊界摩擦?xí)r，其摩擦系數(shù)比流體摩擦較大，通常為0.03～0.05。2）邊界膜的形式

依膜的結(jié)構(gòu)形式分吸附膜反應(yīng)膜吸附膜是在邊界摩擦狀態(tài)中，潤滑劑中的極性分子吸附在摩擦副表面上所形成的邊界膜對于含硫、磷、氯等元素添加劑的潤滑油而言，由于它能與摩擦副表面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)而生成邊界膜3）邊界膜的形成潤滑油中總含有一些極性物質(zhì)，如脂肪酸等。脂肪酸是一種長鏈型的極性化合物。它的一端有能牢固吸附在金屬表面上的極性團(tuán)COOH，可以在金屬上形成一層致密的按一定方向排列的、通常由3~4層分子構(gòu)成的邊界吸附膜。由于長長的鏈?zhǔn)椒肿颖倔w排列緊密，且鏈與鏈之間具有內(nèi)聚力，因而使邊界膜具有一定的承載能力。4）邊界膜減摩原理

在邊界摩擦情況下，當(dāng)摩擦副表面相對運(yùn)動時，由于兩表面上各自的吸附膜象兩把毛刷相互滑動，從而避免了金屬摩擦副表面直接接觸，降低了摩擦系數(shù)，起到了潤滑作用。當(dāng)邊界膜是反應(yīng)膜時，由于摩擦主要發(fā)生在此熔點(diǎn)低、剪切強(qiáng)度低的反應(yīng)膜內(nèi)，從而有效的防止了金屬摩擦副表面直接接觸，也能使摩擦系數(shù)降低。4）潤滑油的生膜能力潤滑油的生膜能力用潤滑油的油性來描述。油性好，表示潤滑油在摩擦工作表面上形成邊界膜的能力強(qiáng)。通常，用加入一些添加劑的方法來提高潤滑油的油性。在潤滑油中加入極壓添加劑，可以在生膜條件差的情況下，在極高壓力和速度下生成邊界膜。極壓添加劑使用要謹(jǐn)慎。一般不用強(qiáng)極壓劑，一是這些強(qiáng)極壓劑未達(dá)到其反應(yīng)溫度時，是不會生成反應(yīng)膜的，因而加它無用；二是這些強(qiáng)極壓劑往往具有不同程度的腐蝕性，尤其對有色金屬；在使用弱極壓劑時，也要注意其用量，切勿過量使用。5）邊界摩擦特性邊界摩擦的摩擦系數(shù)不取決于潤滑劑的粘度，而是取決于兩表面和潤滑劑的特性，一般在0.03~0.05之間，且通常與載荷和相對滑動速度無關(guān)，如圖所示。無論是吸附膜還是反應(yīng)膜，都有一定的臨界溫度。不同的潤滑油，其臨界溫度可能不同，其工作溫度對邊界摩擦的影響也可能不同，如圖所示。溫度對邊界摩擦系數(shù)的影響1－一般潤滑油（含脂肪酸）；2－加入極壓添加劑的潤滑油；3－加入脂肪酸和極壓添加劑的潤滑油6）汽車邊界摩擦實例發(fā)動機(jī)起動和趨向停車時，不少零件出現(xiàn)邊界摩擦，如軸承、活塞環(huán)、氣缸、分電器軸等。主減速器、變速器齒輪等。（4）混合摩擦混合摩擦定義混合摩擦：是指固體摩擦、流體摩擦和邊界摩擦這三種或其中兩種摩擦混合存在的摩擦。混合摩擦種類混合摩擦半固體摩擦半流體摩擦

固體摩擦＋邊界摩擦例：起動初始的氣缸（上部）與活塞環(huán)的摩擦邊界摩擦＋流體摩擦例：活塞運(yùn)動到上止點(diǎn)附近時的摩擦二、磨損分類按表面破壞機(jī)理和特征分磨料磨損腐蝕磨損粘著磨損表面疲勞磨損微動磨損三、磨料磨損及其失效機(jī)理1.磨料磨損定義磨料磨損：是指物體表面與硬質(zhì)顆?；蛴操|(zhì)凸出物（包括硬金屬）相互摩擦引起表面材料損失的現(xiàn)象。磨料磨損是最常見的，同時也是危害最為嚴(yán)重的磨損形式。統(tǒng)計表明，在汽車各類磨損中，它大約占磨損總消耗的50％。活塞環(huán)與氣缸在上部摩擦?xí)r，存在磨料磨損。2.磨料磨損失效機(jī)理有四種假說微量切削假說斷裂假說疲勞破壞假說壓痕假說磨損是由于磨粒對金屬表面進(jìn)行顯微切削的過程所引起

由于磨粒作用,表層顯微組織經(jīng)多次塑性變形，使金屬產(chǎn)生疲勞破壞,小顆粒從表層上脫落下來，導(dǎo)致磨損對塑性較大的材料，磨粒在壓力作用下壓入材料表面，在摩擦過程中，磨料使金屬表面形成溝槽，并受到嚴(yán)重的塑性變形，壓痕兩側(cè)金屬受到破壞，其它磨料易使其脫落，導(dǎo)致磨損。對脆性材料，磨料擦傷金屬表面時，壓痕處金屬產(chǎn)生變形，當(dāng)變形達(dá)一定程度，則有裂紋產(chǎn)生。在磨粒的摩擦和壓力作用下，使材料微粒斷裂脫落，導(dǎo)致磨損3.磨料磨損特點(diǎn)磨損體積與載荷、相對運(yùn)動速度成正比。摩擦副材料硬度越高，越耐磨；而磨料硬度越高，則磨損就越大。磨料尺寸與配合副間隙相近時，磨損率最高。4.減磨措施設(shè)計方面：材料、硬度、結(jié)構(gòu)使用方面：防止外界磨料進(jìn)入總成內(nèi)部，適時清洗“三濾”。三、粘著磨損及其失效機(jī)理1.粘著磨損定義粘著磨損：是指摩擦副相對運(yùn)動時，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。干摩擦和在潤滑不良條件下工作的滑動摩擦副容易產(chǎn)生粘著磨損，嚴(yán)重時會使摩擦副咬死。在汽車零件中，如氣缸套與活塞、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在裝配、使用不當(dāng)時，都可能產(chǎn)生帖著磨損。2.粘著磨損失效機(jī)理摩擦副在一定載荷作用下，接觸點(diǎn)處發(fā)生塑性變形，使其表面膜被破壞，溫度升高時，接觸點(diǎn)粘著，在隨后的相對滑動中，粘著點(diǎn)又被撕裂，這樣反復(fù)進(jìn)行就形成了粘著磨損。粘著磨損是潤滑條件破壞后發(fā)生干摩擦的結(jié)果。3.粘著磨損失效形式根據(jù)粘著磨損焊合點(diǎn)撕裂的結(jié)果，可分為兩種失效形式。外部粘著：粘著點(diǎn)結(jié)合強(qiáng)度低于兩邊金屬強(qiáng)度，分離僅發(fā)生在粘著點(diǎn)的界面上，其基體內(nèi)部變形小，無明顯的粘著現(xiàn)象。例：活塞環(huán)與氣缸，在油膜破壞時，屬于這類磨損。內(nèi)部粘著：粘著點(diǎn)結(jié)合強(qiáng)度高于兩邊金屬中某一方的強(qiáng)度時，剪切分離將發(fā)生在較弱金屬的內(nèi)部，大塊磨粒從基體被撕裂后導(dǎo)致粘著磨損，金屬從一個表面轉(zhuǎn)移至另一個表面。例：發(fā)動機(jī)拉瓦現(xiàn)象。4.粘著磨損特點(diǎn)磨損體積與載荷、相對運(yùn)動速度成正比；與較軟材料的屈服極限（或硬度）成反比。互溶性大的材料組成的摩擦副，其粘著磨損較為嚴(yán)重。脆性材料粘著磨損的傾向小。四、疲勞磨損及其失效機(jī)理1.疲勞磨損定義疲勞磨損：是指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。表面疲勞磨損一般多出現(xiàn)在相對滾動或滾動—滑動復(fù)合運(yùn)動的點(diǎn)接觸或線接觸摩擦副，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?xí)r，也會出現(xiàn)疲勞破壞，如巴氏臺金軸承表面材料的疲勞剝落。2.疲勞磨損失效機(jī)理表面疲勞磨損是疲勞和摩擦共同作用的結(jié)果，其失效過程可分為兩個階段：

（1）疲勞核心裂紋的形成

（2）疲勞裂紋的發(fā)展，導(dǎo)致材料微粒脫落。裂紋形成的三種理論

最大剪應(yīng)力理論：裂紋起源于次表層裂紋起源于硬化層與芯部過渡區(qū)

油楔理論：裂紋起源于摩擦表面五、腐蝕磨損及其失效機(jī)理1.腐蝕磨損定義腐蝕磨損：是指零件表面在摩擦過程中，表面金屬與周圍介質(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。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)作用在摩撩表面上的狀態(tài)以及摩擦材料的性能有關(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。2.氧化磨損氧化磨損：是指氧對零件表面的腐蝕磨損。氧化磨損是一種緩慢的磨損過程，它由運(yùn)動著的摩擦表面與空氣中的氧相互作用的結(jié)果。氧化磨損實質(zhì)上是一種氧化膜不斷被除去，又反復(fù)不斷形成的過程。氧化磨損是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(chǎn)生氧化磨損。3.特殊介質(zhì)腐蝕磨損特殊介質(zhì)腐蝕磨損：是指摩擦副與酸、堿、鹽等特殊介質(zhì)作用生成各種產(chǎn)物，在摩擦過程中不斷被磨去的現(xiàn)象。特殊介質(zhì)腐蝕磨損的機(jī)理與氧化磨損相似，但磨損速度較快，磨損率隨介質(zhì)的腐蝕性增大而變大。若鋼表面能形成一層結(jié)構(gòu)致