汽车零部件失效模式及其分析

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。
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。
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。
疲劳断裂 腐蚀 变形 老化
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 工作条件 主要内容 零件的受力状况 应用举例 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。
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。
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；
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；
损、粘着磨损、表面疲劳磨损、腐蚀磨损和微动 粘着磨损、表面疲劳磨损、 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 • 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；
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；
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
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。
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） 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。
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
• 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；
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；
• 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ห้องสมุดไป่ตู้
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
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；
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；
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。
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。
⒉分子吸附 理论 ⒊粘着理论 ⒋分子－机 械理论
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 固体摩擦 按摩擦副 表面的润 滑状况 流体摩擦 边界摩擦 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
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 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 龟裂、变硬 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 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 橡胶轮胎、塑料器件
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”
工作环境；
三、零件失效的基本原因
⒉设计制造；⒊使用维修； 设计制造； 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；
• 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。
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；
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；