第二章 汽车零件的失效机理

2）工作条件的影响 ）
载荷↑，磨损量↑，所以应按材料 滑动速度： 载荷一定时，w 与
v
σ 选择载荷。
s
v 的变化
接触应力↑，磨损量↑
3） 温度的影响 ）
摩擦面温度低于热点温度时，随温度的上升，磨损量增大250℃以下为氧化磨损，磨 损很小；250 ℃以上出现粘着；达 到300 ℃左右时，达到最大值，高于300～400 ℃时， 温度上升又变为氧化磨损，磨损量变小。
3） 摩擦的能量理论 摩擦的表面能量理论认为，各种类型的摩擦和磨损现象都与表面能量之间 有一定的关系，表面能对摩擦面实际接触区大小有影响，当两表面接触时， 两表面粘着时，其粘着力可用粘着表面及系统能量 G 表示。 由于粘着作用，总的表面能为：
G = Eab = Ga + Gb − Gab
其中：G － 物体a的表面能；
− πr E ab = w ⋅ h − ∫0 πr 2 Hdh
2 h
= h ⋅ ctgθ
G = E abπh 2 ctg 2θ + wh −
π
3
Hh 3 ctg 2θ
由于物体处于平衡状态，所以：
dG = 2π E ab hctg 2θ + w − π Hh 2 ctg 2θ = 0 dh w = π Hh 2 ctg 2θ − 2π E ab hctg 2θ
3） 疲劳断裂 承受交变载荷的零件，在应力低于屈服强度情况下出现的瞬断。 a. 高周疲劳断裂：受应力小于屈服极限，循环次数大于104次。 b. 低周疲劳断裂：受应力大于屈服极限，循环次数小于104次。 特征： 断口呈一个源两个区 裂纹源： 材料、加工等缺陷引起应力集中，在应力集中处首先产生裂纹。 两个区： a. 平滑扩展区：裂纹不断向深处扩展，由于反复挤压而呈平滑光洁， 像瓷器一样光亮，且有明显的前沿线； b. 最后断区：实际应力大于强度时发生瞬断，粗糙且灰暗 断口分析：前沿线发展不均匀，可能有偶然超载；瞬断区面积大小可以 反映断裂时承受的应力；是否有裂纹源，查看材料的使用正误。 3. 表面损伤失效（占70％～75％） 1） 磨损：磨料磨损 粘着磨损 2） 表面疲劳磨损 3） 腐蚀失效 微动磨损
二）磨粒磨损
定义： 定义：硬的颗粒或摩擦付一方粗糙而坚硬，夹在摩擦付之间，在滑动摩擦负荷作用 下而引起材料的转移而引起磨损。（两体磨料磨损和三体磨料磨损，两体大于三体） 1. 磨粒磨损机理的三种假说 1） 微切屑作用：磨粒对金属表面进行微切屑作用而引起的 2） 表面疲劳：表面层承受循环接触应力，产生材料表面疲劳破坏 3） 犁沟作用：颗粒压入材料表面，沿表面作切线移动，犁出条条沟槽 磨料磨损的简单计算模型： 磨料磨损的简单计算模型： 假定磨料是半角为 θ 的理想圆锥体，其水平滑过表面的距离是L。 设单个磨料承担载荷为 ∆w ，则 ∆ w = σ y ⋅ π r 2 ，磨料压入材料后，压入的圆锥体在 垂直面上的投影面积为 rb = r 2 cot θ ，在滑动距离为 L 时，磨损的体积：
wv = α wL 3 H
L－ 滑动距离 H － 软材料的硬度
α
－ 磨损系数（与配对付材料有关）
w － 法向载荷
那么单位距离的磨损量：
w wv L = α 3H
即体积磨损量与法向载荷、滑动距离成正比；与软质材料的硬度或屈服强 度成反比。
2. 分类
1） 根据分离时可能出现的情况可分为： ） 根据分离时可能出现的情况可分为： 外部粘附：粘着点结合强度比摩擦付双方材料的强度低，其脱离发生在粘着点 分界面处；粘着时基本内部变形很小，呈现出轻微磨损，摩擦增大。 内部粘附：粘着点结合强度比一方金属强度高，脱离发生在软金属一方的表 层内部，大块磨粒从基体上撕裂下来。 2） 根据粘着状态分： ） 根据粘着状态分： 冷粘着：只与正压力有关，材料凸点塑变引起，如差速器齿轮； 热粘着： 高应力、高速度时引起的摩擦焊，如拉缸，抱瓦等。
2. 断裂失效（占零件总失效数的15％～20％）
1） 塑性断裂：a. 纤维状断裂－拉应力 塑性断裂： b. 剪切断裂－扭应力 特征：断裂前有明显的塑性变形，其纤维状断裂的特征是断口 呈杯锥状，剪切断裂断口的特征呈斜45°。 [见图] 脆性断裂： 2） 脆性断裂： 断裂前变形量很小 特征：拉断、剪断时断口较平整， 压断、扭断时断口呈斜45°。 [见图] 易在低温时断裂
即粘附损坏。
③高温：瞬时高温，使金属熔融产生粘结——撕脱而破坏 ④大气介质：生成松软氧化膜，破损后使表层剥落而破坏
2）表面变化 由于上述表面作用，由开始磨合，逐渐在表面上呈现点蚀、裂纹、划伤、 胶合、疲劳剥 落、改变表面几何形状、尺寸，破坏零件表面。
磨损过程： 磨损过程：在正常状态下，磨损量与使用时间之间，服从劳伦斯曲线；磨损率与 时间之间，服从浴盆曲线。 （图）
三. 磨损形式与机理
定义： 定义：磨损是摩擦的结果，是相互接触的物体在相对运动时表层不断发生 耗损的过程。 磨损失效的原因： 磨损失效的原因： 1）表面作用力
①机械作用力：粗糙表面在软金属上滑过时，产生软金属变形，犁沟引起双
方表面破坏
②分子作用力：分子间吸引力促使金属颗粒由一个表面转移到另一个表面上，
整理得：
w π r 2τ w =H − = 2 2 2 π h ctg θ h πr
1 F πr τ τ µ= = = w w H 1 − ctgθ Eab r H
2
所以摩擦系数：
从上式可看出：粘着表面能与材料硬度H比值越大，摩擦系数越大。
二. 摩擦与润滑
磨损是摩擦的结果，而润滑是减少摩擦和磨损得关键途径，因为润滑能降低磨损， 减少摩擦功率损失。
πσ
计平均值
cot θ 代表 cot θ
cot ， θ
π
可用 3K 表示，可得：
KWL KWL wv = = 3σ y 3H
式中：
H
－ 摩擦副较软一方的硬度； － 磨料磨损系数 K
2. 规律 1） 强金属及未经热处理硬化的钢，其抗磨能力与自然硬度成正比 2） 热处理硬化的钢其耐磨性随硬度增大而增强 3）含C量大，耐磨性好 4） 脆性材料硬度不能用来衡量耐磨性，断裂韧性才是重要指标 3. 影响因素 1）硬度：磨粒硬度小于表面硬度时， v↓↓ w 磨粒硬度等于表面硬度时，有磨损 磨粒硬度大于表面硬度时，w ↑ v 因此，为防止磨料磨损，磨粒的硬度小于表面硬度的30％ 2）磨粒尺寸：开始随尺寸增大， v↑，达到某一临界值时， wv几乎不变 ，不同配合副 w 临界尺寸是不一样的，轴承与轴瓦20~30微米；凸轮与挺杆在1微米以下。
3. 粘附磨损的影响因素
1） 材料的影响 ）
脆性材料，抗粘能力大，破坏发生在浅层，碎屑颗粒小，磨损量小。 塑性材料，抗粘能力小，破坏发生在深层，碎屑颗粒大，磨损量大。 互熔性好的两个纯金属间抗粘能力差，所以应尽量避免使用相同材料或相互共熔材料组 成滑动付。 从金相来看，多相金属比单相金属抗粘能力强。 合金元素C、S对粘附由阻滞作用，抗粘能力强。 C S
§2－2汽车零件磨损失效的形式及机理 － 汽车零件磨损失效的形式及机理
一. 摩擦理论
1. 经典的摩擦理论
对于两个物体直接接触的摩擦 a. 摩擦力与正压力成正比 b. 摩擦系数是一个常数 c. 摩擦力的大小与接触面积无关 d. 摩擦系数与速度无关 缺陷： 缺陷：实际上，速度提高时，摩擦系数会降低；对双弹性材料不适用； 正压力增大时，产生塑性变形而摩擦；汽车高速行驶时，车轮与路面 的附着系数会降低，因此高速刹车、制动距离会增大。
第二章 汽车零件的失效机理
§2－1 概述 －
一. 失效的定义及其失效的类型
1. 定义：失效是零件的几何尺寸、几何形状、金相组织、性能发生变化而致 定义： 使零件不能完成规定的功能。 失效： 损坏，丧失工作能力 性能衰退，虽能工作，但不能圆满完成工作 呈现出失效的可能性，继续工作会招致严重后果 2. 失效的分类
a
Gb － 物体b的表面能‘
Gab－ a 与b接触的表面能
假设把物体 b 摩擦面上微凸体端部理想化为锥体压头，并压入软材料物 体 a 表面。 那么：1）物体 b 锥体压入时所作的功为：w⋅ h 2）挤压面挤压变形消耗的能量： 3）粘着时的接触表面能： r 2 E π
∫
h
0
π r 2 Hdh
ab
能量平衡方程式为：G 而： r 则：

失效类型 变形 断裂 表面损伤
失效形式 a.弯、扭变形 b.拉长 c.胀粗 d.弹性永久变形 e.蠕变 c.疲劳断裂 c.表面腐蚀
a.冲击断裂 b.腐蚀断裂 a.磨损 b.表面疲劳
3. 零件失效的原因 1）内因： 导致失效的物理、化学或机械过程，即失效的机理 2）外因： a. 时间 4. 异常失效的原因 1） 结构设计不合理 2） 早期间隙放大0.01mm，汽车寿命减少1万公里 3） 加工、热处理、材料质量等问题 4 4） 装配问题 5） 使用维护不当造成的问题 b. 应力－物理退化的诱因。（驱动应力和环境应力）
二. 几种失效形式的基本概念
1. 变形失效
1） 弹性变形 ） 弹性变形：由于发生过大的弹性变形而造成零件的失效 弹性变形的因素： a. 材料的承载面积（几何尺寸）； b. 材料的弹性模量
塑性变形： 2） 塑性变形：受力、外力撤去后，变形不能恢复，是零件的承受 工作能力超过材料屈服强度的结果。 因素：零件截面大小、安全系数、材料的屈服强度 蠕变： 3） 蠕变： 工作温度达到材料熔点温度的30％～40％，在受力下出 现的塑性变形。
Aσ
拉开粘着点所需要的力为： F = τA
w
Aσ
σ
H
提高接触应力 σ ，即增大材料硬度H，可以减小摩擦系数 µ ； 降低剪切强度可以降低摩擦系数
µ
。
机械分子说作用特点是：材料弹性挤压－塑性挤压－微观切削－ 氧化膜破损，以及由分子相互作用的粘着结果而发生的基本材料破 损而失效。（纯净表面接触面积大，故摩擦系数就大；污染表面， 污染膜可防止金属直接接触，摩擦系数就小）
∆ V = rbL = Lr cot θ =
2
∆ WL cot θ
πσ
y
式中 σ
r － 磨料压入的圆锥体半径 ；
b
－ 磨料压入的深度
y
－ 材料的屈服极限；
对于所有的磨料，磨料体积磨损量 wv 为：
wv =
WL cot θ
y 由于各个磨料锥角不同，并且在一定的接触区域，只有少数的磨料会产生磨损，故用统
2. 现代摩擦理论
1） 摩擦的分子理论：分子的引力和亲合力作用而引起摩擦。 由分子理论可得： 材料塑性越大，变形越大，摩擦力越大 材料硬度越大，变形越小，摩擦力越小
2） 分子机械理论： 由于摩擦表面的微观不平，只有凸起点间接触， 所以实际接触面积很小。接触点由于单位压力产生塑性变形，从而 发生粘着。 接触点的实际正压力： = w 其中：σ 为接触承载应力；A 为接触点面积 那么：µ = F = Aτ = τ = τ
一）粘着磨损
1. 现象机理
摩擦面相互滑动时，发生金属间的粘附转移，引起的磨损。当两表面接触 时，只有微凸点接触，接触应力很高，在空气中，相互摩擦的表面通常覆盖 一层氧化膜，在滑动开始时，由于摩擦表面微凸体间的相互挤压产生塑性变 形，使薄膜发生局部破坏，金属直接接触，粘着力便明显表现出来，当挤压 较大时，便产生粘附与冷焊合。 粘附磨损的机理：由于粘附作用磨损可能从磨损付一方表面转移到另一 粘附磨损的机理： 方表面上，产生磨损转移 其特征是：转移大团状和冷焊形式粘附在配偶面上。 其体积磨损量：
流体动压润滑 润滑可分为薄膜润滑 边界润滑
图知：摩擦系数 µ ( f ) 与润滑油黏度 η ，速度 v ， 载荷w 有关。 流体动压润滑是摩擦表面间完全被润化油膜隔开的摩擦，实现流体动压润滑必须具 备三个条件： 运动付之间必须供给充足的、有一定黏度润滑油； 润滑付之间必有一定相对滑动速度，速度增大，油膜变厚； 运动付间隙设计必须能产生足够大的油楔， 借助于油楔而产生液体动压，使主轴浮起来，但是当速度降低，润滑油黏度下降， 载荷增大时，油膜变薄，而凸点部位形成边界膜润滑，其它区域则是薄膜润滑，更进一 步完全成边界润滑状态。边界膜破坏就形成了干摩擦。 边界膜强度取决于润滑油的油性，即油在工作表面的保持能力，与黏度无关。
早期磨损期：磨损量急剧增大，但磨损速率递减 应限速、限载、合理的时间、科学的润滑可以减少早期的磨损量 稳定磨损期：磨损量稳定，与时间之间呈线性关系，磨损速率稳定 此期合理的维护，认真驾驶可以延长汽车使用寿命 急剧磨损期： 磨损量又急剧增大；且磨损速率递增 由于间隙增大，油膜不连续，润滑不良，此时导致零件失效 磨损的类型：粘附磨损 磨料磨损 疲劳磨损 腐蚀磨损