第二章汽车零部件的失效模式及其分析

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
化学腐蚀、电化学腐蚀、 穴蚀 过量弹性变形、过量塑性 变形
腐蚀
变形
湿式汽缸套外壁麻点、孔穴
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
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；
⒉氧化磨损：
氧化磨损是最常见的一种磨损形式，曲轴轴 颈、气缸、活塞销、齿轮啮合表面、滚珠或滚 柱轴承等零件都会产生氧化磨损。与其它磨损 类型相比，氧化磨损具有最小的磨损速度，有 时氧化膜还能起到保护作用； 影响因素：影响氧化磨损的因素有滑动速度、 接触载荷、氧化膜的硬度、介质中的含氧量、 润滑条件以及材料性能等。
三、疲劳断裂失效机理： 金属零件疲劳断裂实质上是 一个累计损伤过程。大体可划分 为滑移、裂纹成核、微观裂纹扩 展、宏观裂纹扩展、最终断裂几 个过程。
第四节 汽车零部件腐蚀失效及其机理
•
零件受周围介质作用而引起 的损坏称为零件的腐蚀。按腐蚀 机理可分为化学腐蚀和电化学腐 蚀，汽车上约20%的零件因腐蚀 而失效。
使用维修
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
• 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。
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。
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。
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”
⒉摩擦分类
分类方式 按摩擦副 的相对运 动形式 内容 滑动摩擦 滚动摩擦 复合摩擦 举例 活塞与活塞环在气缸孔的往复运动 滚动轴承滚柱、滚珠与内、外圈滚 道表面间的摩擦
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 汽车离合器、制动器
桶面活塞环与气缸壁、轴颈与轴瓦 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
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 • 磨料的来源； 粒或硬质凸出物（包括硬金属） 粒 度 为 20μm ～ 相互摩擦引起表面材料损失的 30μm的尘埃将引起 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；

工作环境；
三、零件失效的基本原因
⒉设计制造；⒊使用维修；
基本原因
设计制造
主要内容
设计不合理；
应用举例
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； 制动蹄片材料热稳定系数不好； 制造工艺过程中 产生裂纹、高残余内应力、表面质量不 操作不合理； 良； 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；
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 ⒈机械理论 主要内容 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）
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。
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。
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 磨损 失效模式 粘着磨损、磨料磨损、表 面疲劳磨损、腐蚀磨损、 微动磨损 举例 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 曲轴断裂、齿轮轮齿折断等
六、腐蚀磨损及其失效机理
• 1· 定义：零件表面在摩擦过程中，表面金属与 周围介质发生化学或电化学反应，因而出现物 质损失的现象成为腐蚀磨损。 • 腐蚀磨损是腐蚀和摩擦共同作用的结果。其表 现的状态与介质的性质、介质作用在摩擦表面 上的状态以及摩擦材料的性能有关。 • 腐蚀磨损通常分为：氧化磨损、特殊介质的腐 蚀磨损、穴蚀及氢致磨损。
⒉分子吸附 理论
⒊粘着理论 ⒋分子－机 械理论
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。
摩擦力主要取决于剪断金属粘着和冷焊点所需的剪切力。 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。
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。
四、粘着磨损及其失效机理
• 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；
⒉失效原理：表面疲劳磨损是疲劳和摩 擦共同作用的结果，其失效过程可分为两个 阶段：⑴疲劳核心裂纹的形成； ⑵疲劳裂纹 的发展直至材料微粒的脱落。
对表面疲劳磨损初始裂纹的形成，有下述几种理论：
• 最大剪应力理论 － 裂纹起源于次表层； • 油楔理论 － 裂纹起源于摩擦表面；（滚动带 滑动的接触） • 裂纹起源于硬化层与芯部过度区；
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。
粘着磨损影响因素
⒉工作条件的影响
• ⑴载荷的影响； • 加载不要超过材料硬度值的1/3，减 小载荷，并尽量提高材料的硬度；
五、表面疲劳磨损及其失效机理
⒈定义：两接触表面在交变接触压应力的作
用下，材料表面因疲劳而产生物质损失的现象 称为表面疲劳磨损。 表面疲劳磨损一般多出现在相对滚动或带 有滑动的滚动摩擦条件下；如齿轮副的轮齿表 面、滚动轴承的滚珠和滚道以及凸轮副等；滑 动摩擦时，也会出现疲劳破坏，如巴氏合金轴 承表面材料的疲劳剥落。
第三节 汽车零部件疲劳断裂失效及其机理 • 一、定义：零件在交变应力作用下，经 过较长时间工作而发生的断裂现象称为 疲劳断裂。是汽车零件常见及危害性最 大的一种失效方式。 • 在汽车上，大约有90%以上的断裂可归 结为零件的疲劳失效。