汽车零部件失效模式及其分析

第二章汽车零部件的失效模式及其分析重点：1.汽车零件失效的基本原因；2.汽车摩擦学理论；3.磨损的分类与失效；4.汽车零件疲劳；5.汽车零件的变形；6.汽车零件的腐蚀；第二章汽车零部件的失效模式及其分析•难点：•1.汽车摩擦学-混合摩擦；•2.粘着磨损；微动磨损；•3.腐蚀磨损；•4.提高汽车零件抗疲劳断裂的方法；•5.基础件的变形；第二章汽车零部件的失效模式及其分析汽车零部件失效分析，是研究汽车零部件丧失其功能的原因、特征和规律；目的在于：分析原因，找出责任，提出改进和预防措施，提高汽车可靠性和使用寿命。第一节汽车零部件失效的概念及分类一、失效的概念；二、失效的基本类型；三、零件失效的基本原因；一、失效的概念汽车零部件失去原设计所规定的功能称为失效。失效不仅是指完全丧失原定功能，而且还包含功能降低和有严重损伤或隐患、继续使用会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机理对失效进行分类是研究失效的重要内容。汽车零部件按失效模式分类可分为磨损、疲劳断裂、变形、腐蚀及老化等五类；一个零件可能同时存在几种失效模式或失效机理。汽车零件失效分类失效类型失效模式举例磨损粘着磨损、磨料磨损、表面疲劳磨损、腐蚀磨损、微动磨损汽缸工作表面“拉缸”、曲轴“抱轴”、齿轮表面和滚动轴承表面的麻点、凹坑等疲劳断裂低应力高周疲劳、高应力低周疲劳、腐蚀疲劳、热疲劳曲轴断裂、齿轮轮齿折断等腐蚀化学腐蚀、电化学腐蚀、穴蚀湿式汽缸套外壁麻点、孔穴变形过量弹性变形、过量塑性变形曲轴弯曲、扭曲，基础件（汽缸体、变速器壳、驱动桥壳）变形老化龟裂、变硬橡胶轮胎、塑料器件三、零件失效的基本原因⒈工作条件包括零件的受力状况和工作环境；⒉设计制造设计不合理、选材不当、制造工艺不当等；⒊使用维修三、零件失效的基本原因⒈工作条件基本原因主要内容应用举例工作条件零件的受力状况曲柄连杆机构在承受气体压力过程中，各零件承受扭转、压缩、弯曲载荷及其应力作用；齿轮轮齿根部所承受的弯曲载荷及表面承受的接触载荷等；绝大多数汽车零件是在动态应力作用下工作的。工作环境；汽车零件在不同的环境介质和不同的工作温度作用下，可能引起腐蚀磨损、磨料磨损以及热应力引起的热变形、热膨胀、热疲劳等失效，还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⒉设计制造；⒊使用维修；基本原因主要内容应用举例设计制造设计不合理；轴的台阶处直角过渡、过小的圆角半径、尖锐的棱边等造成应力集中；花键、键槽、油孔、销钉孔等处，设计时没有考虑到这些形状对截面的削弱和应力集中问题，或位置安排不妥当；选材不合理；制造工艺过程中操作不合理；制动蹄片材料热稳定系数不好；产生裂纹、高残余内应力、表面质量不良；使用维修使用；维修；汽车超载、润滑不良，频繁低温冷启动；破坏装配位置，改变装配精度；第二节汽车零部件磨损失效模式与失效机理汽车或机械运动在其运动中都是一个物体与另一物体相接触、或与其周围的液体或气体介质相接触，与此同时在运动过程中，产生阻碍运动的效应，这就是摩擦。由于摩擦，系统的运动面和动力面性质受到影响和干扰，使系统的一部分能量以热量形式发散和以噪音形式消失。同时，摩擦效应还伴随着表面材料的逐渐消耗，这就是磨损。磨损是摩擦效应的一种表现和结果。“磨损是构件由于其表面相对运动而在承载表面上不断出现材料损失的过程。”据统计有75%的汽车零件由于磨损而报废。因此磨损是引起汽车零件失效的主要原因之一。一、摩擦学基础理论•⒈摩擦理论；•⒉摩擦分类；⒈几种主要的摩擦理论名称主要内容⒈机械理论当两固体表面接触时，由于表面凹凸不平，相互啮合，产生了阻碍两固体接触表面相对运动的作用。（只适用于固体的粗糙表面）⒉分子吸附理论摩擦力产生得主要原因在于两摩擦表面分子之间的相互吸引力。⒊粘着理论摩擦力主要取决于剪断金属粘着和冷焊点所需的剪切力。⒋分子－机械理论发生在接触点处分子吸引和机械啮合所构成的合成阻力就是所谓的摩擦力。在载荷作用下的接触表面的相互作用可分为机械作用（取决于表面变形）和分子作用（取决于原子相互吸引），在摩擦过程中所占比例与材料的表面粗糙度、载荷大小、材料种类等因素有关。⒉摩擦分类分类方式内容举例按摩擦副的相对运动形式滑动摩擦活塞与活塞环在气缸孔的往复运动滚动摩擦滚动轴承滚柱、滚珠与内、外圈滚道表面间的摩擦复合摩擦凸轮轴凸轮与气门挺杆表面间、齿轮传动机构轮齿表面所发生的摩擦按摩擦副表面的润滑状况固体摩擦汽车离合器、制动器流体摩擦桶面活塞环与气缸壁、轴颈与轴瓦边界摩擦发动机活塞环与缸套上部、配汽机构凸轮与挺杆、齿轮传动副的齿面⑴固体摩擦在汽车上，一般将摩擦副表面间完全没有润滑油或其他润滑介质时的摩擦。在固体摩擦条件下，摩擦表面直接接触，产生强烈地阻碍摩擦副表面相对运动的分子吸引和机械啮合作用，消耗较多的动力，并将其转化为有害的摩擦热。同时，固体摩擦往往伴随着强烈的摩擦副表面磨损。⑵流体摩擦（流体润滑）相对运动的摩擦副表面间不直接接触，而被一层厚2.5微米以上的润滑油膜完全隔开的摩擦；摩擦系数很小通常为0.001~0.008。建立条件：在零件摩擦副处形成逐渐收敛的楔形间隙。才可能出现并维持具有一定承载能力的楔形润滑油膜；桶面环与气缸壁间的楔形间隙与油膜•由于活塞环表面加工的缘故使活塞在运动中活塞环与气缸壁运动表面间都存在楔形间隙；•在发动机磨合过程中，矩形断面活塞环演变成类似桶面环的形状。轴颈与轴瓦间楔形润滑油膜建立过程收敛油楔形成动压油膜•在其它外界因素一定的情况下，两表面间形成油膜的条件与摩擦副表面相对运动速度、润滑油粘度、外载荷有关。⑶边界摩擦（边界润滑）是指相对运动表面间被极薄的一层（通常只有几个分子直径厚）具有特殊性质的润滑膜所隔开的摩擦。这时，润滑膜不遵从流体动力学定律，且两表面之间的摩擦不是取决于润滑剂的粘度，而是取决于两表面和润滑剂的特性。边界摩擦中，存在于相对运动表面间的极薄的且具有特殊性质的油膜，称为边界膜。依膜的结构形式不同可将其分为，吸附膜和反应膜；边界润滑膜•吸附膜是在边界摩擦状态中，润滑剂中的极性分子吸附在摩擦副表面上所形成的边界膜，可分为物理吸附膜和化学反应膜。•对于含硫、磷、氯等元素添加剂的润滑油而言，由于它能与摩擦副表面产生化学反应而生成边界膜，所以称为化学反应膜。边界润滑膜的形成•脂肪酸是一种长链型的极性化合物。它的一端有能牢固吸附在金属表面上的极性团COOH，可以在金属上形成一层致密的按一定方向排列的、通常由3~4层分子构成的边界吸附膜。由于长长的链式分子本体排列紧密，且链与链之间具有内聚力，因而使边界膜具有一定的承载能力。单分子层吸附膜的润滑作用模型•在边界摩擦情况下，当摩擦副表面相对运动时，由于两表面上各自的吸附膜象两把毛刷相互滑动，从而避免了金属摩擦副表面直接接触，降低了摩擦系数。起到了润滑作用。当边界膜是反应膜时，由于摩擦主要发生在此熔点低、剪切强度低的反应膜内，从而有效的防止了金属摩擦副表面直接接触，也能使摩擦系数降低。边界摩擦特性•边界摩擦的摩擦系数不取决于润滑剂的粘度，而是取决于两表面和润滑剂的特性，一般在0.03~0.05之间，且通常与载荷和相对滑动速度无关。边界摩擦特性•无论是吸附膜还是反应膜，都有一定的临界温度，若工作温度过高，将使边界膜破坏，出现固体摩擦。•“备注”使用极压添加剂应注意的问题•使用要谨慎。一般不用强极压剂，一是这些强极压剂未达到其反应温度时，是不会生成反应膜的，因而加它无用；二是这些强极压剂往往具有不同程度的腐蚀性，尤其对有色金属；在使用弱极压剂时，也要注意其用量，切勿过量使用。⑷混合摩擦•在汽车零件摩擦副的工作中，固体摩擦、流体摩擦和边界摩擦这三种或其中两种摩擦是混合存在的称为混合摩擦。•半固体摩擦•半流体摩擦•长时间停车后重新启动的汽车发动机气缸壁与活塞环在开始启动的最初时刻（尤其是气缸上部）、发动机运转正常；研究表明对摩擦特性影响最大的因素是液体润滑油的粘度、摩擦副相对运动速度和摩擦副载荷三参数的综合作用。斯特里贝克曲线二、磨损的分类磨损与零件所受的应力状态、工作与润滑条件、加工表面形貌、材料的组织结构与性能以及环境介质的化学作用等一系列因素有关；按表面破坏机理和特征，磨损可分为磨料磨损、粘着磨损、表面疲劳磨损、腐蚀磨损和微动磨损等；前两种是磨损的基本类型，后两种磨损形式只在某些特定条件下才会发生。三、磨料磨损及其失效机理定义：物体表面与硬质颗粒或硬质凸出物（包括硬金属）相互摩擦引起表面材料损失的现象称为磨料磨损；在各类磨损形式中大约占磨损总消耗的50%；危害最为严重的磨损形式；•磨料的来源；粒度为20μm～30μm的尘埃将引起曲轴轴颈、气缸表面的严重磨损，而1μm以下的尘埃同样会使凸轮挺杆副磨损加剧；磨料磨损的失效机理（假说）以微量切削为主的假说；塑性金属同固定的磨料摩擦时：磨屑呈螺旋形、弯曲形等；在金属表面内发生⑴塑性挤压、形成擦痕；⑵切削金属，形成磨屑；以压痕为主的假说：对塑性较大的材料；磨料在压力作用下压入材料表面，梨耕另一金属表面，形成沟槽，使金属表面受到严重的塑性变形压痕两侧金属已经破坏，磨料极易使其脱落。以疲劳破坏为主的假说：金属的同一显微体积经多次塑性变形，小颗粒从表层上脱落下来。不排除同时存在磨料直接切下金属的过程。滚动接触疲劳破坏产生的微粒多呈球形。“备注”以断裂为主的假说针对脆性材料，以脆性断裂为主；磨料压入和擦划金属表面，压痕处的金属产生变形，磨料压入的深度达到临界深度时，随压力而产生的拉伸应力足以使裂纹产生。裂纹主要有两种形式，垂直表面的中间裂纹和从压痕底部向表面扩展的横向裂纹。总之，磨料磨损机理是属于磨料的机械作用，这种机械作用在很大程度上与磨料的性质、形状及尺寸大小、固定的程度及载荷作用下磨料与被磨表面的机械性能有关。影响因素：•摩擦表面抵抗磨料磨损的强度主要取决于材料和磨粒的机械性能以及摩擦副的工作条件。材料的硬度：为减少磨损当材料表面硬度是磨粒硬度的1.3倍时，磨损量是最小的；磨料机械性能：磨粒尺寸设计相应的滤清器（30～60μm）；磨料硬度的影响：•材料的硬度：为减少磨损当材料表面硬度是磨粒硬度的1.3倍时，磨损量是最小的；磨料尺寸的影响•磨料尺寸增大，磨损量增加，但当尺寸增加到一定值后，磨损量不再增加，过大的磨粒可以凸出于表面，起到阻止其它磨料对表面进行显微切削的作用。四、粘着磨损及其失效机理•定义：摩擦副相对运动时，由于固相焊合作用的结果，造成接触面金属损耗的现象称为粘着磨损。•是缺油或油膜破坏后发生干摩擦的结果；是指一个零件表面上的金属转移到另一个零件表面上，而产生的磨损。•气缸套与活塞、活塞环，曲轴轴颈与轴承、凸轮与挺杆、差速器十字轴和齿轮等；形成机理：由于表面存在微观不平，表面的接触发生在微凸体处，在一定载荷作用下，接触点处发生塑性变形，使其表面膜被破坏，两摩擦表面金属直接接触形成粘结点（固相焊合）；摩擦热产生使接触点处熔化和熔合（热磨损）；由于粘着点与摩擦副双方材料机械性能的差别，当粘着部分脱离时，可能出现两种情况：⑴外部粘着；粘着点的结合强度比摩擦副双方材料的强度低时，从粘着点分界面脱离，机体内部变形小，没有明显粘着现象。气缸壁与活塞环润滑不良时，将或多或少产生此种磨损；⑵内部粘着；粘着点的结合强度比摩擦副的一方强度高，此时脱离面发生在原子结合力较弱的金属内部，大块磨粒从基体被撕裂后而导致粘着磨损。发动机的拉缸、抱瓦等；防止粘着磨损应遵循的原则引起粘着磨损的根本原因是摩擦区形成的热•一是设法减小摩擦区的形成热，使摩擦区的温度低于金属热稳定性的临界温度和润滑油热稳定性的临界温度。•改善摩擦区结构；改变摩擦区的形状尺寸；配合副的配合间隙，采用合适的润滑剂及表面膜。•二是设法提高金属热稳定性和润滑油的热稳定性。在材料选择上应选用热稳定性高的合金钢并进行正确的热处理，或采用热稳定性高的硬质合金堆焊。粘着磨损影响因素⒈材料性质的影响•选用不同种金属或互溶性小的金属以及与非金属材料组成摩擦副；•脆性材料比塑性材料的抗粘着能力强；微量合金元素C、S对金属及合金的粘着有阻滞作