汽车零部件的失效模式及分析.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流汽车零部件的失效模式及分析.精品文档.汽车零部件的失效模式及分析专 业：班级学号：姓 名：指导教师： 年 月摘要汽车零件失效分析，是研究汽车零件丧失其规定功能的原因、特征和规律；研究其失效分析技术和预防技术，其目的在与分析零部件失效的原因，找出导致失效的责任，并提出改进和预防措施，从而提高汽车可靠性和使用寿命。目录第一章 汽车零部件失效的概念及分类4一、失效的概念4二、失效的基本分类型4三、零件失效的基本原因5第二章 汽车零部件磨损失效模式与失效机理6一、磨料磨损及其失效机理6二、粘着磨损及其失效机理7三、表面疲劳磨损及其失效机理8四、腐蚀磨

2、损及其失效机理8五、微动磨损及其失效机理9第三章 汽车零部件疲劳断裂失效及其机理10第四章 汽车零部件腐蚀失效及其机理11第五章 汽车零部件变形失效机理12参考文献13第一章 汽车零部件失效的概念及分类一、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，而且功能降低和严重损伤或隐患、继续使用会失去可靠性及安全性的零部件。机械设备发生失效事故，往往会造成不同程度的经济损失，而且还会危及人们的生命安全。汽车作为重要的交通运输工具，其可靠性和安全性越来越受到重视。因此，在汽车维修工程中开展失效分析工作，不仅可以提高汽车维修质量，而且可为汽车制造部门提供反馈信息，以便

3、改进汽车设计和制造工艺。二、失效的基本分类型按失效模式和失效机理对是小进行分类是研究失效的重要内容之一。失效模式是失效件的宏观特征，而失效机理则是导致零部件失效的物理、化学或机械的变化原因，并依零件的种类、使用环境而异。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。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、微动磨损气缸工作表面“拉缸”、曲轴“抱轴”等疲劳断裂高应变低周疲劳、低应力高周疲劳、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、穴蚀湿式气缸套外壁麻点孔穴变形过量弹性变形、过量塑性变形曲轴的弯曲、

4、扭曲，基础件（汽缸体、变速器壳）变形老化龟裂、变硬橡胶轮胎、塑料器件一个零件可能同时存在几种失效模式或失效机理。研究失效原因，找出主要失效模式，提出改进和预防措施，从而提高汽车零部件的可靠性和使用寿命。三、零件失效的基本原因引起零件是小的原因很多，主要可分为工作条件（包括零件的受力状况和工作环境）、设计制造（设计不合理、选材不当、制造工艺不当等）以及使用与维修等三个方面。零件的受力状况包括载荷的类型、载荷的性质以及载荷在零件中的应力状态。零件承受的载荷若超过其允许承受的能力时，则导致零件失效。在实际工作中，汽车零件往往不是只受一种载荷的作用，而是同时承受几种类型载荷的复合作用，如曲柄连杆机构在

5、承受气体压力的过程中，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以及工作表面承受的接触载荷等。绝对多数的汽车零件是在动态应力作用下工作的。由于汽车的起步、停车以及速度的变化等，使动态应力的波形，应力幅的大小、方向、周期等都随时间而变化，使零件承受动载荷，从而加速零件的早期磨损。汽车零件在不同的环境介质（气体、液体、酸、碱、盐介质、固体磨料、润滑剂等）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，造成高分子材料老化等。设计不合理和设计考虑不周到是零件时效的重要原因之一。例如轴的台阶处直角过渡、过

6、小的圆角半径、尖锐的棱边等会造成应力集中。在这些应力集中处，有可能成为零件破坏的起源。花键、键槽、油孔、销钉孔等处，设计时如果没有充分考虑到这些形状对界面的削弱和应力集中问题，或者位置安排不妥当，都将造成零件的早期破坏。材料选择不当以及制造工艺过程中操作不当而产生裂纹、高残余内应力、表面质量不良、达不到机械性能的要求等，都可能成为零件失效的原因。紧配合零件的装配精度不够，导致相配合零件的滑移和变形，将产生微动磨损，从而也加速零件的失效过程。汽车在使用中超载、润滑不良、滤清效果不好，违反操作规程，出现偶然事故以及维修不当等，也都会造成零件的早期破坏。第二章 汽车零部件磨损失效模式与失效机理汽车或

7、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。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

8、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。一、磨料磨损及其失效机理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20m30m的尘埃将引起曲轴轴颈、气缸表面的严重磨损，而1m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（1）塑性挤压、形成擦痕；（2）切削金属，形成

9、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。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

10、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。二、粘着磨损及其失效机理摩擦副相对运动时，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。干摩擦和在润滑不良条件下工作的滑动摩擦副容易产生粘着磨损，严重时会使摩擦副咬死。在汽车零件中，如气缸套与活塞、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在装配、使用不当时，都可能产生粘着磨损。防止粘着磨损应遵循的原则：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

11、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（1）材料特性的影响。脆性材料的抗粘着性能好于塑性材料。塑性材料发生粘着磨损的部位多在金属表层下一定深度，常会发生内部撕裂，磨损下来的颗粒较大。脆性材料发生粘着磨损时，破坏则较浅，金属屑也较细微。（2）零件表面粗糙度的影响。某种材料在一定的工作条件下，均可以找到一个对应于最小磨损量的粗糙度。一般情况是磨损量随零件表面光滑程度的提高而减小。（3）润滑油的影响。如果供给摩擦表面足够的润滑油，并保证润滑油的粘度和工作温度，使配合零件不发生干

12、摩擦，零件表面的氧化模式不已破坏的，这样就减少了粘着磨损形成的条件。如汽车后桥主减速器采用准上曲面齿轮，其齿面间有很高的接触压力。为避免出现粘着磨损而使用专用的双面齿轮油，可以保证在很高的压力条件下形成良好的油膜，使齿面间不发生直接接触，可以避免粘着磨损。若使用一般的齿轮油，则齿面间很快就会形成粘着磨损而导致零件损坏。（4）运动速度和单位面积上压力的影响。如运动零件表面间有充足的润滑油，则零件的运动速度提高后容易形成油膜，可以减少磨损。在运动速度一定的情况下，零件载荷越大，摩擦力就越大，也就越容易发生粘着磨损。三、表面疲劳磨损及其失效机理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

13、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：疲劳核心裂纹的形成； 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。 四、腐蚀磨损及其失效机理 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

14、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。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。气蚀（穴蚀或空蚀）：穴蚀是当零件与液体接触并有相对运动时，零件表面出现的一种损伤现象。柴油机湿式缸

15、套的外壁与冷却液接触的表面、滑动轴承在最小油膜间隙之后的油膜扩散部分（由于负压的存在），都可能产生穴蚀。穴蚀产生的机理 ：是由于冲击力而造成的表面疲劳破坏，但液体的化学和电化学作用、液体中含有杂质磨料等均可能加速穴蚀的破坏过程。气缸套穴蚀为例，由于气缸内燃烧压力随曲轴转角而变化，缸套在活塞侧向推力的作用下，使缸套产生弹性变形和高频振动。气泡在溃灭的瞬时产生极大的冲击力（几千甚至一万个大气压）和高温（数百度），溃灭的速度可达250m/s。氢致磨损：含氢的材料在摩擦过程中，由于力学及化学作用导致氢的析出。氢扩散到金属表面的变形层中，使变形层内出现大量的裂纹源，裂纹的产生和发展，使表面材料脱落称为氢

16、致磨损。氢可能来自材料本身或是环境介质，如润滑油和水中等。 五、微动磨损及其失效机理两接触表面间没有宏观相对运动，但在外界变动负荷影响下，有小振幅的相对振动（一般小于100m），此时接触表面间产生大量的微小氧化物磨损粉末，因此造成的磨损称为微动磨损。微动以三种方式对构件造成破坏；如在微动磨损过程中，两个表面之间的化学反应起主要作用时，则称微动腐蚀磨损。如果微动表面或次表面层中产生微裂纹，在反复应力作用下发展成疲劳裂纹，称为微动疲劳磨损。通常在静配合的轴与孔表面，某些片式摩擦离合器内外摩擦片的结合面上，以及一些受振动影响的联接件（如花键、销、螺钉）的接合面上都可能出现微动磨损。微动磨损造成摩擦表

17、面有较集中的小凹坑，使配合精度降低。更严重的是在微动磨损处引起应力集中，导致零件疲劳断裂。微动磨损是一种复合形式的磨损。是粘着磨损、氧化磨损、磨料磨损三种磨损形式的组合。微小振动和氧化作用是促进微动磨损的主要原因。影响微动磨损的因素有材料的性能、滑动距离、载荷、振动频率和振幅等。一般来说，抗粘着磨损性能好的材料也具有良好的抗微动磨损性能。紧配合接触面间相对滑动距离大，微动磨损就大。滑动距离一定则微动磨损量随载荷的增加而增加，但超过一定载荷后，磨损量将随着载荷的增加而减少，通过控制预应力及过盈配合的过盈量来减缓微动磨损。微小振幅的振动频率对钢的微动磨损没有影响，而在大振幅震动的条件下，微动磨损量

18、随振动频率的增加而降低。适当的润滑可有效地改善抗微动磨损的能力，因为润滑膜保护表面防止氧化。采用挤压添加剂或抹二硫化钼都可以减少微动磨损。第三章 汽车零部件疲劳断裂失效及其机理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。疲劳断裂失效的分类：根据零件的特点及破坏时总的应力循环次数，可分为无裂纹零件和裂纹零件的疲劳断裂失效。高周疲劳发生时，应力在屈服强度以下，零件的寿命主要由裂纹的形核寿命控制。低周疲劳发生时的应力可高于屈服极限，其寿命受裂纹扩展寿命的影响较大。汽车零件一般多为

19、低应力高周疲劳断裂。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。第四章 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。1、化学腐蚀失效机理：金属零件与介质直接发生化学作用而引起的损伤称为化学腐蚀。金属在干燥空气中的氧化以及金属在不导电介质中的腐蚀等均属于化学腐蚀；化学腐蚀过程中没有电流产生，通常在金属表面形成一层腐蚀产物膜，如铁在干燥的空气中与氧作用生成Fe3O4;这层膜的性质决定化学腐蚀速度，如果膜是完整的

20、，强度、塑性都很好，膨胀系数和金属相近，膜与金属的粘着力强等，就具有保护金属、减缓腐蚀的作用。（发动机活塞环镀铬）2、电化学腐蚀失效机理：电化学腐蚀是两个不同的金属在一个导电溶液中形成一对电极，产生电化学反应而发生腐蚀的作用，使充当阳极的金属被腐蚀。 电化学腐蚀的基本特点：在金属不断遭到腐蚀的同时还有电流产生。如金属在酸、碱、盐溶液及潮湿空气中的腐蚀等。引起电化学腐蚀的原因是金属与电解质相接触，由于离子交换，产生电流形成原电池，由于电流无法利用，使阳极金属受到腐蚀，称为腐蚀电池。异类电极电池；浓差腐蚀电池（湿式缸套下部的橡胶密封处）；局部腐蚀电池（金属表面有氧化膜或电池时），也称其为微电池。

21、与燃气接触的零件所受的腐蚀为燃气腐蚀。可分为低温腐蚀和高温腐蚀，低温腐蚀主要为电化学腐蚀，高温腐蚀主要为化学腐蚀。 防止电化学腐蚀的方法，在汽车上主要用覆盖层保护。覆盖层有金属性的（镀铬、镀锡）和非金属性的（油漆、塑料）有些零件利用电化学和化学方法在表面生成一层致密的保护膜，如发蓝是生成一层氧化膜，磷化是生成一层磷化膜；3、汽车零件的老化：橡胶、塑料制品和电子元件等汽车用零件，随着时间的增长，原有的性能会逐渐衰退称为老化现象；这类元件、制品不论工作与否，老化现象都会发生，如橡胶轮胎、塑料器件等。（龟裂、变硬）第五章 汽车零部件变形失效机理零件在使用过程中，由于承载或内部应力的作用，使零件的尺寸和形状改变的现象称为变形。变形是零件失效的一个重要原因，如曲轴、离合器摩擦片、变速器中间轴与主轴。变形失效的分类：弹性变形失效、塑性变形失效和蠕变失效。分析汽车零件变形的原因：1）残余应力；2）过载或受力不均匀；3）高温造成零件变形；4）汽车超载运行；5）维修质量的影响。参考文献1 汽车维修工程/戴冠军.北京：人民交通出版社，1999.82 汽车维修技术/张金柱.北京：机械工业出版社，2005.7