汽车零部件断裂失效分析简述

性因素。

失效机理：失效机理是指失效的物理、化学变化本质和微观
过程，可以追溯到原子、分子尺度和结构的变化，但与此相对 的是它迟早也要表现出一系列宏观（外在的）的性能、性质变 化和联系。失效机理是对失效的内在本质、必然性和规律性的 研究，它是人们对失效内在本质认识的理论提高和升华。
失效分析在工程中的地位和作用
轴杆类、螺栓类
弹性件 抗扭件 摩擦磨损、接触 疲劳件
淬火加中温回火
感应淬火\渗碳淬火\ 淬火加低温回火
汽车零件强度和疲劳强度（0.5）的实际波动状况（经验）是：跨 过一个强度级别，强度的波动应该<10%左右。
弯曲疲劳曲线
2000 1900 1800 1700 1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300
应力-强度干涉模型原理


可靠性设计； 诸因素的为服从一定分布规律的随机变量； (设计应力和设计的强度; 使用的应力和相应部位的强度).
应力-强度干涉模型原理

参数分布的离散程度，中值的偏移； 干涉的部分表示失效概率或不可靠度。
应力-强度干涉模型应用
（广义）应力参数 失 效 1、危险部位、 失效的寿命和形 式的预期； 2、失效形式有 断裂、变形、磨 损、腐蚀等； 广义强度参数
系统以及 结构件应 力计算及 设计
1、功能及工况的预期 2、系统的配合、啮合 、支撑、约束； 3、结构件尺寸及精度 4、应力和条件的设计
图纸、设 计书及各 种技术条 件。
1、材料和零件的强度 2、结构强度； 3、工作的条件变化。
工作应力
载荷工况：载荷的形式 、大小及其他工作条件。 1、确定具体的 失效形式； 1、结构件的加工质量 2、查找特定的 2、系统的装配调整质 失效与相关因素 量； 的关系。 3、工作介质及环境。 失效偏离
结构——弯曲梁（悬臂、简支梁）、扭转杆、拉压杆、组合状态
等；
配合——间隙或过盈配合、锁紧及摩擦配合、定位性配合、啮合
性配合、支撑和约束等；
结构特性——刚性件、弹性件、柔性件、吸能件、平衡性件等； 载荷特性——脉动载荷、冲击或多冲载荷、振动、约束、动平
衡载荷、热应力件、耐腐蚀件等。
2.2 汽车零部件失效特性
关于灰色系统

从人类实践的绝对性来看，人类可以穷尽对机电 失效规律及其预防的认识，但从对失效分析的个 别实践和认识来看，又总是在有限的空间内进行 的。因此，对失效特点和规律的认识又往往是有 限的和相对的，这就决定了失效分析的研究和发 展总是处于一个灰色系统内。 包含着失效分析的持续性、阶段性、可认知性和 无止境性等含义。
结构件材料和工艺强度。 设计和制 造的质量 零件和系统的结构强度。
设计、制造、使用偏离
设计、制造偏离
3.4 断裂分析要素的评价




“应力-强度干涉模型”的应力和强度是断裂分析的两大要素，其中哪 个要素贡献较大？最为活跃？如何地感知和评价是断裂分析中的一个 焦点； “力学要素”是断裂失效分析的第一要素。因为力学因素的变换、波 动、属性远比强度属性要活跃得多，复杂得多。例如占开裂问题绝大 部分的疲劳断裂（含脆性断裂）基本上是一个力学属性的表征； “力学分析的范畴”包括：结构和配合的特性、载荷的性质和幅值、 大多的内在质量缺陷、工作和运行的状态、应力状态等等。他们不仅 决定了是否开裂，还总体上决定了以什么形式或在什么部位开裂。 “材料的强度要素” 是在技术条件和标准的基础上和对寿命影响的能 力的角度上评价，其与延迟开裂和形变开裂等关系更密切。

鉴于“灰色系统”的原理，对于各种失效和问题的认知是一个持 续、不断变换和深入的过程。对于实际的问题认知具有阶段性。 是一个不断地积累、归纳和理性认识地过程。

掌握理论，尊重实际，符合逻辑，失效是一个实践和思维过程。 要能够自我否定，不盲目追求 “结果”，承认总会有一些说不清 的问题。 认识需要实践验证，宗旨在于解决问题。要熟知和掌握标准和技 术条件及其意图，熟悉零部件功能和工作条件，同时关注各种技 术条件与具体失效形式的关系。
4 汽车零部件疲劳断裂分析
4.1疲劳断裂形式

断口分析是疲劳分析的重要环节，包括结构、应力分布场、载荷 形式、异常工况、应力的大小等因素特征都会有所体现； 也要关注断口或失效性质的转化及相关的条件。
疲劳断口形态
疲劳断口形态
贝壳纹形成机理
关注那些随机 性冲击载荷、 台架试验的连 续不变的载荷 和铸铁的疲劳 断口，有时并 不十分典型。
注：失效模式的分析、确认是整个分析工作的第一步。
3 断裂失效分析
3.1 断裂失效分类

按断裂变形程度分类：韧性断裂、脆性断裂； 按应力类型分类：正断、切断； 按裂纹扩展途径分类：沿晶断裂、穿晶断裂、混晶断裂； 按载荷性质分类：疲劳断裂、延迟断裂、冲击(过载)断裂； 按微观断裂机制分类：解理断裂、韧窝断裂、疲劳断裂、蠕 变断裂等。

注：有些为失效形式，有些为失效的影响因素，有些为失效的结果。
汽车零部件的失效类型

失效类型：断裂、磨损、变形、腐蚀等； 常见类型：各种断裂和摩擦磨损失效； 断 裂：疲劳断裂（70~80%）、延迟开裂（较多见）、 脆断、韧断等； 磨 损：磨粒磨损、粘着磨损、解除疲劳、拉伤、微动 磨损等。
汽车零部件断裂失效分析
1、基本概念

失效：国家标准GB3187-82中定义：“失效（故障）----产品丧失规定的功
能。对可修复产品，通常也称为故障。”
规定的功能：是指国家有关法规、质量标准、技术文件以及合同规定的对
产品适用、安全和其它特性的要求。它既是产品质量的核心，又是产品是否 失效的判据。
案例4、后桥壳弯曲疲劳开裂

局部焊接支架垫块，堆焊过于靠近底平面而引起应力集中，引发疲劳裂纹。 危险的部位的焊接要谨慎，考虑离开危险截面，减小应力集中因素。
Leabharlann Baidu
失效分析：是判断产品的失效模式，查找产品失效机理和原因，提出预防再失效
对策的技术活动和管理活动。因此，失效分析的主要内容包括：明确分析对象，确定 失效模式，研究失效机理，判定失效原因，提出预防措施(包括设计改进)。

失效模式：是指失效的外在宏观表现形式和过程规律，一般
可理解为失效的性质和类型。

失效原因：失效原因通常是指酿成失效甚至事故的直接关键

失效的批量性
与汽车的大规模生产方式有关，也与材料工艺的不稳定和异 常的使用工况有关；

失效形式的多样性
汽车是一个结构和功能相对复杂的行走机械，零件零部件的 结构和工艺种类繁多、工况和载荷形式不尽相同，带来的多 样性；

失效的阶段性
这与设计、材料、工艺制造 水平等因素有关。
2.3 失效分析技术要点
4.2 汽车零部件疲劳断裂分析案例
案例1、车轮的腐蚀疲劳开裂



过程：充气凝结水、腐蚀坑、应力 集中、结构变形、疲劳开裂； 结构1：工作中轮辋失圆，槽型结 构在椭圆的短轴方向收口，长轴开 口；包括轮胎的外张力。 结构2：在槽根部弯曲结构处有附 加弯矩、应变集中，疲劳开裂。 结构3：腐蚀坑的应力集中。 关注防腐的工艺质量，这是原因。
材料或零部件疲劳寿命每降低一个数量级，需要工作应力提 高1.36 倍，或者材料强度降低25%倍。 以降低一个疲劳寿命“阶”为条件，材料强度降低25%，零 部件的疲劳强度可能需要降低2—3个强度级别这在实际上是很少 见到的，但应力的成倍提高是很容易达到的。
注：本数据仅是应力-强度干涉模型理论下，对于结构件疲劳断裂分析中 那些致裂因素的活跃性的定性的评价，即指应力的因素更为活跃。也是 考虑问题的一种思路或是基点，并不排除强度因素。

2.3 汽车零部件的失效类型
QC/T34-92《汽车的故障模式及分类》中将常见故障分为6类： (a)损坏型故障模式。如：断裂、碎裂、开裂、点蚀、烧蚀、击穿、变形、 拉伤、龟裂、压痕等。 (b)退化型故障模式。如：老化、变质、剥落、异常磨损等。 (c)松脱型故障模式。如：松动、脱落等。 (d)失调型故障模式。如：压力过高或过低、形成十条、间隙过大或过小、干 涉。 (e)堵塞与渗漏型故障模式。如：堵塞、气阻、漏油、漏水、漏气、渗油等。 (f)性能衰退或功能失效型故障模式。如：功能失效、性能衰退、异响、过热等。
案例3、半轴圆角旋转弯曲疲劳开裂

法兰盘承受的旋转弯曲应力应该与轮毂轴承间隙过大有关， 也有考虑变形等因素影响了桥壳和轮毂的垂直度的； 关注约束的丧失对相关件的受力形式的影响。
半轴的结构特性
有数据表明半轴疲劳试验中有三条疲劳曲线并存，其中：
A曲线：低应力高寿命阶段为花键正应力疲劳开裂，表现出了对花键部位某种应 力集中的敏感性；（花键弯曲正应力） C曲线：中应力中寿命阶段，为法兰圆角部位的正应力疲劳断裂，表现出了对圆 角处应力集中的敏感性； （扭曲正应力） B曲线：高应力低寿命阶段为纵向剪切疲劳开裂，表现出对高应变性质的敏感性， 而对应力集中条件不敏感。
疲劳断裂的强度、应力、寿命要素分析




疲劳寿命是有限的，但零部件早期的疲劳断裂的实际寿命一 般表现为成倍或是数量级的变化和降低，这是通常考虑疲劳 断裂分析的一个基点； 对于疲劳强度和疲劳应力均可以产生不同原因和幅度上的波 动；两者相交时产生疲劳断裂，各自的贡献度如何及如何评 价是我们断裂分析的关注点； 目前的断裂失效分析主要还是处在定性的分析阶段，要关注 那些首要的因素或是主要矛盾； 这些看法具有阶段性，适应于目前机械工业的国情，包括设 计、制造和使用等各方面的状态。

2、 汽车零部件及断裂失效特性

总成——发动机、离合器、变速器、传动系统、前桥、 驱动桥、前后悬架系统、车身车架、转向系统、压力及 容器系统等，又可以分为若干子系统和零部件。
2.1 总成、零件、结构、载荷

零件——齿轮类、轴杆类、弹簧类、轴承类、壳体类、支架类、
紧固件类、油气管路、垫片类、轮带类、其它等；
汽车零件类型、强度的基本状况及波动幅度
硬度 HB 100-140 150-200 210-255 255-285 285-321 321-385 38-42 42-48 48-52 50-55 58-63 HRC 强度 MPA 240-300 750 830 930 1060 1200 1300 1450 1700 1900 2300 疲劳强度 MPA 140 375 415 465 530 600 650 700 850 950 1100 零件 板材 机械加工 工艺 热轧态 正火、退火 1、 调质（淬火加高 温回火） 2、 锻后控冷
案例2、变速器输入轴套管旋转弯曲疲劳断裂

轴管旋转弯曲疲劳开裂，失圆开裂； 离合器分离轴承与输入轴套管的同心定位有问题，使 其承受了旋转弯曲应力，也称作附加弯矩； 轴静止，弯曲应力旋转，轴承轴心在旋转； 要重点观察分析套管表面的接触、摩擦痕迹； 同时产生的失圆现象还引发了管口的失圆疲劳裂纹。
3.2断裂失效形式

应力开裂的形式
拉 伸
不 同 类 型 负 荷 下 断 裂 形 式
3.3 应力-强度干涉模型


可靠性设计的基础原理； 模型的狭义概念：应力-安全系数-强度之间的关系； 模型的广义概念：设计-制造-使用失效之间的关系； 可靠性：性能和结构设计、制造工艺、使用工况； 是各种失效模式、影响因素及评价的基本思路。
1.0E+04
1.0E+05
1.0E+06
1.0E+07
1.0E+08
某渗碳钢多阶疲 劳强度比值
N 比值 1
某渗碳钢多阶疲劳强度比值
2 1.844 3 2.504 4 3.401 5 4.618 6 6.272 1.358
疲劳寿命的应力“阶比”系数为：30~40%
零部件的强度“级比”系数： < 10%

失效分析是可靠性工程的技术基础之一，可靠性是产品的关键
质量指标，可靠性技术是质量保证技术的核心。可靠性技术从宏观 统计入手，可以得到产品可靠性的各种特征参数和宏观规律，但不 能回答产品怎样失效或为什么失效。

失效分析是安全工程的重要技术保证之一,安全工程以事故为
研究对象，很多事故是由产品失效所致。失效分析可以找出薄弱环 节，查明不安全因素，发现事故隐患，预测由失效引起的危险，提 出优化的安全措施。是安全工程强有力的技术保证。