汽车零部件损伤.ppt

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1、第二章 汽车零部件损伤第一节 摩擦学基础理论一、固体表面性质及接触面积表面形貌-根据粗糙表面轮廓上的峰谷和间距的大小不同，将零件加工表面的几何特性分为宏观形状误差、表面波纹度和表面粗糙度3类；一、固体表面性质及接触面积金属表面的物质汅染膜汅染膜:包括油污和灰尘等；吸附膜吸附膜:是来自大气中和液体和气体分子的吸附层；氧化膜氧化膜:是金属表面被氧化而成的；加工变形层加工变形层:机械加形成的挤压变形层。一、固体表面性质及接触面积3.表面接触面积名义接触面积An-是由接触表面的宏观界面的边界确定的面积，即An=ab轮廓接触面积Ap-是物体触表面被压皱部分所形成的面积，大小与所受载荷有关。实际接触面积A

2、r-是在轮廓接触面积内，各真实接触部分微小面积。Ap/An510 Ar/An0.011 对于一般材料，呈弹性接触时Ar与载荷的2/3次方成正比；呈塑性接触时Ar与载荷的1次方成正比。二、磨擦的定义和分类 磨擦的定义磨擦的定义-两个相互接触的物体在外力作用下发生相对运动或具有相对运动趋势时，在接触面之间产生切向运动阻力，这个阻力叫磨擦阻力，而这种现象称为磨擦。磨擦分类：分类依据内容磨擦副运动状态静磨擦、动磨擦磨擦副运动形式滑动磨擦、滚动磨擦磨擦副表面润滑情况干磨擦、边界磨擦、液体磨擦、混合磨擦摩擦分类分类依据内 容举 例摩擦副运动形式滑动摩擦活塞、活塞环在气缸孔的往复运动；凸轮轴凸轮与气门挺杆表

3、面的运动滚动摩擦滚珠轴承、滚柱轴承与内、外圈滚道表面间的摩擦复合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摩擦副表面润滑状况干（固体）摩擦汽车离合器、制动器流体摩擦桶面活塞环与气缸壁、轴颈与轴瓦边界摩擦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 1.干磨擦干磨擦-是指物体纯净表面直接接触时的磨擦。通常所说的干磨擦是指无润滑条件下，两物体表面之间可能存在着自然污染膜时的磨擦。古典磨擦定律：F/W F W式中：F-滑动磨擦力；-磨擦系数；W-法向载荷；古典磨擦定律古典磨擦定律：磨擦力与法向载荷成正比；磨擦力与磨擦面积大小无关；磨擦力与滑动速度大小无关；静磨擦

4、系数大于动磨擦系数。对于表面超净、粗糙度很小、接触面较大的磨擦表面会产生很大的分子吸引力磨擦力将于面积成正比。干摩擦理论（包括以下几点）干摩擦理论（包括以下几点）名称主要内容机械理论（简单粘着理论）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面相对运动的阻力。（适用于固体粗糙表面）分子吸附理论对于表面超净、粗糙度很小、接触面积大的磨擦表面会产生很大的分子吸引力。此种状态磨擦力与面积成正比。粘着理论微观接触点上压力超过材料的屈服极限,零件滑移时接触点产生瞬时高温,出现微观焊合粘着,摩擦力主要取决于剪断金属粘着和冷焊点所需的剪切力。分子机 械理论发生在接触点处分子吸附和机械啮

5、合作用所构成的磨擦阻力。与材料的表面粗糙度、载荷大小、材料种类等因素有关。2.流体摩擦（流体润滑）流体摩擦流体摩擦-是指两个固体摩擦表面被连续的润滑油完全隔开的摩擦,摩擦产生于油分子之间；流体动压润滑流体动压润滑。利用磨擦表面的相对运动，把润滑油带到磨擦表面之间，在摩擦副楔形表面之间产生一层有一定厚度和压力的油膜，外载荷由润滑油的压力来平衡，磨擦表面完全被润滑油膜隔开，而不直接接触，这种状况称为。流体摩擦建立条件流体摩擦建立条件：一是两磨擦表面之间的间隙由大到小，以便形成油楔；二是两磨擦表面之间有一定的相对运动会；三是有充足的润滑油。特点：摩擦系数很小通常为0.0010.008。轴颈与轴瓦间楔

6、形润滑油膜建立过程建立流体摩擦条件建立流体摩擦条件：一是两磨擦表面之间的间隙由大到小，以便形成油楔；二是两磨擦表面之间有一定的相对运动会；三是有充足的润滑油。压力油膜的产生及其速度分布 润滑油在流动时，由于本身润滑油在流动时，由于本身分子之间的内聚力及与固体表面分子之间的内聚力及与固体表面之间的附着力，使各流层之间存之间的附着力，使各流层之间存在速度梯度，流动时必然产生内在速度梯度，流动时必然产生内摩擦力。由于由于润滑油是不可摩擦力。由于由于润滑油是不可压缩的，油楔形状和体积不发生压缩的，油楔形状和体积不发生变化，而单位时间内流过每一断变化，而单位时间内流过每一断面的流量相等，则内必然产生压面

7、的流量相等，则内必然产生压力梯度，其压力梯度将使入口处力梯度，其压力梯度将使入口处压力梯度内凹，以限止流入量，压力梯度内凹，以限止流入量，使出口处的梯度外凸，以增加流使出口处的梯度外凸，以增加流出量。作用在平板上的油膜压力出量。作用在平板上的油膜压力的合力等于平板上所承受的载荷，的合力等于平板上所承受的载荷，这样就开成了液体压润滑。这样就开成了液体压润滑。弹性液体动压润滑流体动压润滑适用于低磨擦副机构，而对于点、线接触的高磨擦副机构就不适用了。原因是高磨擦副的接触比压比低磨擦副比压高1000倍。若是轻载时仍可用流体动压润滑原理进行计算。而重载情况分两种。a.由于接触应力大（齿廓表面接触应力可达

8、70MPa，凸轮与挺杆之间的接触应力可达689MPa），接触处产生很大的弹性变形和塑性变形而变平、变大有利于油楔的形成。b.在很高的压应力下润滑油的黏度增大。当压力在689MPa时，油的黏度可提高1000倍。黏度提高有利于形成油膜。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。3.边界摩擦边界摩擦（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

9、，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，吸附膜和吸附膜和反应膜；反应膜；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，可分为和化学反应膜(物理吸附膜)。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34层分子构成的边界吸附膜。由于长长的链式

10、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。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。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0.030.05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，

11、将使边界膜破坏，出现固体摩擦。“备注”4.混合摩擦在实际工作中零件的摩擦是在混合磨擦状态中工作的，混合摩擦包括固体摩擦、流体摩擦和边界摩擦这三种,或其中两种摩擦。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）出现混合磨擦。斯特里贝克曲线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、液体润滑油的粘度、摩擦副相对运动速摩擦副相对运动速度和摩擦副载荷度和摩擦副载荷三参数的综合作用。第二章 汽车零部件的损伤及其分析重点：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

12、件的腐蚀；第二章汽车零部件的损伤及其分析难点：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；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。二、

13、失效的基本形式 按失效模式失效模式和失效机理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失效模式分类可分为磨损磨损、疲劳断裂疲劳断裂、变形变形、腐蚀腐蚀及老化老化等五类；一个零件可能同时存在几种失效模式或失效机理。第二节 零件的磨损磨损-物体表面相互接触并做相对运动时,材料从表面逐渐损失,以致使表面发生尺寸和表面形状变化的现象.汽车零件磨损效分类 失效类型失效模式举例磨损粘着磨损、磨料磨损、表面疲劳、腐蚀磨损、微动磨损汽缸工作表面“拉缸”、曲轴“抱轴”、齿轮表面和滚动轴承表面的麻点、凹坑等疲劳磨损是指在纯滚动或流动兼滑动的磨擦条件下，材料表层发生疲劳破坏的现象齿轮、滚动轴承

14、等的破坏形式主要是剥皮、麻斑等，是由于零件表面产生疲劳所引起 的麻斑、和麻斑肃落。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、穴蚀湿式汽缸套外壁麻点、孔穴变形过量弹性变形、过量塑性变形曲轴弯曲、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2.磨料磨损磨磨料料-混混杂杂在在空空气气和和润润滑滑济济中中的的尘尘埃埃和和机机械械杂杂质质（粒度为20m30m。其硬度大于零件表面的硬度）。磨磨料料磨磨损损-物物体体表表面面与与磨磨料料相相互互摩摩擦擦（刮刮消消）而使表面材料损失的现象称为。而使表面材料损失的现

15、象称为。磨料磨损占各类磨损损失的50。是危害最大的一种磨损形式。在实际生产中只能减小不能消除。以微量切削为主的假说。以微量切削为主的假说。认为当塑性材料与固定的磨料进行磨擦时，在金属表面发生两个过程。一是塑性挤压，形成压痕；二是刮削金属形成磨削。以疲劳破坏为主的假说。以疲劳破坏为主的假说。金属表面显微物体经过多次塑性变形，小颗粒从金属表面一脱落下来。针对滚动接触疲劳。磨料磨损的失效机理磨料磨损的失效机理（假说）以压痕为主的假说。以压痕为主的假说。对于塑性较大的材料，磨料在压力作用下压入材料表面，刮削金属表面，形成沟槽，使金属表面受到严重的塑性变形压痕。以断裂为主的假说。以断裂为主的假说。针对脆

16、性材料，磨料在压入和刮擦金属表面时，产生脆性断裂。即磨料压入深度达到临界深度时，随压力产生的拉伸应力足以使裂纹产生。裂纹有两种形式，垂直表面的纵向裂纹和从压痕底部向表成扩展的横向裂纹。磨料磨损的失效机理（假说）主要使用技术指标：将砂纸贴在圆盘上，圆盘转速60r/min；试件：直径为2mm,长度为20mm的20号钢；圆盘每转一圈，试件径向移动1mm;试件上的载荷（压力）用配重盘加在承载卡子上。磨料磨损的影响因素X-4B磨损试验机试验结果用相对耐磨性表示，即在同一试验条件下，相同的磨损轨迹长度时，标准试件的线磨损与试件的线磨损之比。即=Lb/Lt Lb标准试件的线磨损 Lt试件的线磨损实验的结论是

17、：实验的结论是：磨擦条件不变时磨损量与试件所经过的磨损路线成正比；磨擦条件不变时磨损量与试件所受的单位压力成正比；其它条件不变时（路程、压力），滑动速度从1.410.3m/min增加到22.6164.3m/min，速度增加16倍，末淬火的号钢磨损增加，淬火的45号钢只增加约。即磨损量与硬度成反比。金属的硬度与耐磨性之间的关系取决于金属状态；退火状态不同的金属（纯金属与退火钢）硬度与耐磨性成正比；一般合金钢或号钢经表面冷作硬化后其硬度大大增加，但相对耐磨性却保持不变。磨粒硬度对金属的影响磨粒硬度对金属的影响磨粒硬度/金属硬度,硬度比0.8时，耐磨性将迅速增加，这种状况称为“软磨料磨损”或低应力磨

18、损。当硬度比0.8时，耐磨性将迅速减小，这种状况称为“硬磨料磨损”或高应力摩。或当材料表面硬度是磨粒硬度的1.3倍时，磨损量是最小的；如果继续增加金属硬度效果则不明显。磨粒粒度对金属磨损磨粒粒度对金属磨损的影响：的影响：当磨粒粒度小于um时，颗粒尺寸与磨损量成正比，当颗粒大到一定程度（直径um）后，磨损不再增加。不同的材料磨粒的临界尺寸是不完全相同地的温度的影响应注意区分摩擦面的平均温度与摩擦面实际接触的温度摩擦面实际接触的温度；（接触接触点的瞬时温度称为热点温度或闪点的瞬时温度称为热点温度或闪点温度点温度）；滑动速度和接触压力对磨损量的影响主要是热点温度改变而引起的。当摩擦表面温度升高到一定

19、程度时，轻者破坏油膜，重者使材料处于回火状态，从而降低了强度，甚至使材料局部区域温度升高至熔化状态，将促使粘着磨损产生。大约温度在300左右时，比磨损量有极大值。总的来说，随着热点温度的变化，磨损类型和磨损量也发生较复杂的变化。热点温度在250以下为氧化磨损，磨损量很小；由250开始转变为粘着磨损，在300附近粘着磨损出现极大值。而高于300400时，随着温度上升而磨损量减小，这又是氧化磨损，故磨损量为最小；当热点温度进一步升高，摩擦面局部接点形成的粘着现象就从热源向摩擦副每一元件传入而形成体积热场，使摩擦面平均温度显著升高，此时粘着现象不只是发生在个别点上，而是在较大面积上形成“烧结”，这就

20、是前面所说的高温磨损。例如曲轴与轴承之间的烧瓦现象。热点温度300零件磨损量最大，粘着磨损转变为氧化磨损；热点温度400零件磨损有极小值，氧化磨损转变为粘着磨损 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。三、黏着磨损1.黏着磨损黏着磨损-磨擦副相对运动时，由于固相焊合接触磨擦副相对运动时，由于固相焊合接触表面的材料从一个表面转移到另一个表面的现象，表面的材料从一个表面转移到另一个表面的现象，称为。称为。2.黏着磨损规律-黏着的与滑动距离和法向载荷成反比。其规律如下：WvKNL/3P0 KNL

21、/HB 式中：Wv-材料体积量；L-滑动距离；N-磨擦副上法向载荷；P0-软材料的屈服极限；HB-软材料料的布氏硬度；K K-磨擦系数，与黏着产生的概率、材料有关；黏着磨损试验（X-4B磨损试验机曲线）用钢试件与钢标准园盘磨擦时得到的相对速度与磨损强度的关系曲线可说明这一问题。试验材料及规格：配对试件，D=5mm标准圆盘40 x,D=75mm;比压：kg/cm;可把曲线分为三个区段加以分析。第一区段：也称为粘着磨损段。第一区段：也称为粘着磨损段。此时相对移动速度低，磨损量达到最大值。当滑移速度为0.41.5m/s(00.4为原始氧化磨损)时表层原始氧化层被磨去露出新生晶体，给抓粘创造了条件，从

22、底部撕去微屑，所以磨损极大。第二区段第二区段：也称为氧化磨损区段也称为氧化磨损区段，当滑移速度为v=1.54.0m/s,磨损急剧下降（为第一区段的，同时磨擦面出现比较光滑的磨损。磨擦系数随之降低。原因：滑移速度增加温度增加，表面氧化速度快，产生氧化膜；经过第一区段磨损磨擦面产生硬化层；滑动速度增加动磨擦系数减小；第三区段第三区段：滑移速度4.0m/s磨擦表面温度进一步增高，使磨擦面金属达到热塑性状态（接触点瞬时温度达1000C以上）微区金属熔化呈粘联状态，移动中表面抓取软化了的金属微粒，这是另一种形式的抓粘磨损（也称为热磨损）。3.黏着磨损的影响因素黏着磨损的影响因素P35材料特性（材料配对）

23、：材料特性（材料配对）：脆性材料比塑性材料抗粘着能力强调互熔性小的材料配对形成的磨擦副，粘着倾向小；反之，粘着倾向大；多相金属比单向金属粘着倾向小，金属化合物、非金属、石黒与金属的粘着倾向小；同种材料硬度越高其粘着极限值越低。例如，铸铁：含碳2.8,硅1.6，硬度240,极限为20kg/cm；而与巴氏合金配对极限可达100kg/cm以上。比压（压力）比压（压力）-粘着摩损量一般随比压增加到某一临界值后急剧增加。巴氏合金、铜合金、铝合金与曲轴轴颈磨擦系数与比压的关系。滑移速度滑移速度：在比压一定的情况下粘着磨损量随着滑移速度的增加而增加，达到某一极大值后又随速度的增加而减小。温度：温度：对于内燃

24、机而言正常温度为8595，太高太低都会使零件的磨损增加。因为温度影响着金属材料的热膨系数和润滑油的特性，直接影响着零部件的配合关系和磨擦性质。黏着磨损的影响因素P35表面粗糙度：表面粗糙度：一般而言，摩擦表面粗糙度趆低，抗粘着能力趆强；但是过低又会促进粘着的发生。润滑：润滑：润滑状况对粘着有着较大的影响，边界润滑时粘着磨损大于流体动压润滑；而流体动压润滑又大于流体静压润滑。防止粘着磨损应遵循的原则防止粘着磨损应遵循的原则设法减小摩擦区热的形成，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。引起粘着磨损的根本原因是摩擦区形成的热在材料选择上应选用热稳定性高的合金钢并进行正确

25、的热处理，或采用热稳定性高的硬质合金堆焊。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。接触压力的变化并不会改善磨损量随滑动速度而变化的规律，但随着接触压力增加其磨损量也增加，而且粘着磨损发生的区域移向滑动速度较低的区域。也就是说重载低速运行容易产生粘着重载低速运行容易产生粘着磨损的条件磨损的条件。四、疲劳磨损1.疲劳磨损疲劳磨损-是指两接触表面在交变接触压应力是指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（即表的作用下，材料表面因疲劳而产生物质损失（即表面产生剥皮、麻坑、麻点）的现象称为表面

26、。面产生剥皮、麻坑、麻点）的现象称为表面。表面疲劳磨损一般多出现在相对滚动相对滚动或带有滑动带有滑动的滚动摩擦条件下的滚动摩擦条件下；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。2.疲劳磨损的类型：疲劳磨损的类型：非扩展性疲劳磨损。非扩展性疲劳磨损。新零件使用初期表面产生的微粒脱落，随着接触面积的增大，表面压强减小微粒脱落结束；对于塑性好的材料，随着表面压应力的循环，使表面产生冷作硬化微粒脱落结束；扩展性疲劳磨损。扩展性疲劳磨损。由于表面材料塑性差或润滑方式选择不当，在磨合初期就产生麻斑剥落3.疲劳磨损的机理疲劳磨损的机

27、理（疲劳破坏的三个因素最大剪应力理论最大剪应力理论 裂纹起源于次表层；裂纹起源于次表层；研究表明纯滚动时，最大剪切研究表明纯滚动时，最大剪切应力发生在表层下应力发生在表层下0.786b（b为为接触宽度之半）处，即次表层接触宽度之半）处，即次表层内，在载荷反复作用下，裂纹内，在载荷反复作用下，裂纹在此附近发生，并沿着最大剪在此附近发生，并沿着最大剪切应力方向扩展到表面，形成切应力方向扩展到表面，形成磨损微粒脱落，磨屑形状多为磨损微粒脱落，磨屑形状多为扇形，在扇形，在“痘斑痘斑”状坑点状坑点。实验表明，凡是润滑条件优良、摩擦力小的滚动接触表面若出现疲劳磨损，裂纹形成多发生在次表层。特点是裂纹形成缓

28、慢而扩展较快。除纯滚动接触外，还带有滑动接触式，最大剪切应力的位置随着滑动分量的增加向表层移动，破坏位置随之向表层移动。油楔理论裂纹起源于摩擦表面油楔理论裂纹起源于摩擦表面（滚动带滑动接触）（滚动带滑动接触）在滚动兼滑动的接触磨擦表面在滚动兼滑动的接触磨擦表面（齿轮啮合面），由于外载荷、（齿轮啮合面），由于外载荷、表层的应力和摩擦力的作用，引表层的应力和摩擦力的作用，引起表层或接近表层的塑性变形，起表层或接近表层的塑性变形，使表层硬化形成初始裂纹，并沿使表层硬化形成初始裂纹，并沿着与表面呈小于着与表面呈小于45的夹角方向扩的夹角方向扩展。展。形成油楔，裂纹内壁承受很大压力，迫使裂纹向纵深发展。

29、裂纹与表面层之间的小块金属犹如一承受弯曲的悬臂梁，在载荷的继续作用下被折断，在接触面留下深浅不同的麻点剥落坑，深度0.10.2mm。裂纹起源于硬化层与芯部过度区；裂纹起源于硬化层与芯部过度区；表层经过硬化处理的零件（渗碳、淬火等），其接触疲劳裂纹往往出现在硬化层与芯部过渡区。这是因为该处所承受的剪切应力较大，而材料的剪切强度较低。试验表明，只要该处承受的剪切应力与材料的剪试验表明，只要该处承受的剪切应力与材料的剪切强度之比大于切强度之比大于0.55时，就有可能在过渡区形成初始时，就有可能在过渡区形成初始裂纹。裂纹。裂纹平行于表面，扩展后再垂直向表面发展而出裂纹平行于表面，扩展后再垂直向表面发展

30、而出现表层大块状剥落。现表层大块状剥落。硬化层深度不合理、芯部强度过低、过渡区存在不利的残余应力时，容易在硬化层与芯部过渡区产生裂纹。（4）表面压馈：表面因塑性变形面产生材料损失。表面疲劳磨损影响因素 材料与表面硬度；材料材料的强度和硬度的提高，接触疲劳强度相应提高，但并不是一直保持正比关系。如轴承钢硬度为HRC62时抗疲劳能力最大，随硬度增加或降低抗疲劳能力下降。润滑油黏度；黏度大抗疲劳能力大表面粗糙度；装配精度（质量）：特别是滚柱轴承的装配紧程度。三、零件失效的基本原因工作条件 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；使用维修三、零件失效的基本原因工作

31、条件工作条件工作条件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。工作环境；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。三、零件失效的基本原因设计制造；设计制造；设计制造；设计制造；使用维修；使用维修；使用维修；使用维修；基本原因主要内容应用举例设计制造设计不合理；轴的台阶处直角过渡、过小的圆角半径

32、、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；制造工艺过程中操作不合理；制动蹄片材料热稳定系数不好；产生裂纹、高残余内应力、表面质量不良；使用维修使用；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；第二节汽车零部件磨损失效模式与失效机理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

33、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。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。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

34、时，可能出现两种情况：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；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；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；五、腐蚀失效及其机理P37零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。按腐蚀机理可分为化学腐蚀和电化学

35、腐蚀。汽车上约20%的零件因腐蚀而失效。一、化学腐蚀失效机理：一、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，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。二、电化学腐蚀失效机理：二、电化学腐蚀失效机理：-电化学腐蚀是两个不同的金属在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

36、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；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

37、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；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。滑动速度和接触载荷对氧化磨损的影响氧化磨损量随滑动速度的变化而变化。当滑动速度变化时，磨损类型将在氧化磨损和粘着磨损之间相互转化。当载荷超过某一临界值时，磨损量随载荷的增加而急剧增加，其磨损类型也由氧化磨损转化为粘着磨损。介质含

38、氧量对氧化磨损的影响介质含氧量直接影响磨损率，金属在还原气体、纯氧介质中，其磨损率都比空气中大，这是因为空气中形成的氧化膜强度高，与基体金属结合牢固的关系。润滑条件对氧化磨损的影响润滑油膜能起到减磨和保护作用，减缓氧化膜生成的速度。但油脂与氧化反应生成酸性氧化物时则会腐蚀摩擦表面生产中有时利用危害性小的氧化磨损来防止危害性大的粘着磨损。如汽车后桥采用双曲线齿轮传动，因双曲线齿轮副接触应力较大，极易产生早期粘着磨损。在润滑油中加入中性极压添加剂，使油膜强度提高；3特殊介质腐蚀磨损：定义：摩擦副与酸、碱、盐等特殊介质作用生成各种产物，在摩擦过程中不断被磨去的现象；其磨损机理与氧化磨损相似，但磨损速

39、度较快，磨损率随介质的腐蚀性增大而变大。结构致密，与基体金属结合牢固的钝化膜或保护膜的生成速度大于腐蚀速度，则磨损率不随介质的腐蚀性而变化。发动机气缸内的燃烧产物中含有碳、硫和氮的氧化物、水蒸气和有机酸如蚁酸（CH2O）、醋酸（C2H4O2）等腐蚀性物质，可直接与缸壁起化学作用是化学腐蚀，也可溶于水形成酸性物质腐蚀缸壁前者称为化学腐蚀，后者称为电化学腐蚀，其腐蚀强度与温度有关。气缸（内）壁温度与腐蚀强度关系在TkTn范围内磨损很轻微，高于这个温度润滑油沾度会降低，油膜会被破坏，使燃烧产生的酸性物质与汽缸壁直接接触，产生化学腐蚀磨损。低于这个温度使燃烧产生的酸性物质较多同样会对汽缸壁产生较强的化

40、学腐蚀磨损。润滑油氧化时将产生有机酸，对轴承材料中的铅、镉有很大腐蚀作用，开始时在轴承表面形成黑点，并逐渐扩展成海面状空洞，在摩擦过程中呈小块剥落，应严格控制润滑油中的酸值。4汽蚀（穴蚀或空蚀）汽蚀定义：-当零件与液体接触并有相对运动时，零件表面出现的损伤现象。实例：水泵叶轮叶片背面上半生的针剌蜂窝、缸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；穴蚀产生的机理穴蚀产生的机理-是是由由于于冷冷却却系系的的工工作作部部件件在在液液体体中中运运动动时时局局布布产产生生负负压压，负负压压使使得得液液体体汽汽化化产产生生汽汽泡泡，汽汽泡泡在在溃

41、溃灭灭的的瞬瞬时时产产生生极极大大的的冲冲击击力力造造成成的的表表面面疲疲劳劳破破坏。坏。-冷冷却却系系温温度度又又是是促促进进汽汽化化的的主主要要原原因因。90加加上上局局部部负负压压，极极易易产产生生汽汽化化现现象象。由由此此冷冷却却系系的的穴穴蚀蚀较较严严重重。同时有化学和电化学作用产生。同时有化学和电化学作用产生。-汽汽泡泡在在溃溃灭灭的的瞬瞬时时冲冲击击力力（几几千千甚甚至至一一万万个个大大气气压压）的的速速度度可可达达250m/s。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。缸套的外壁承受这种冲击应力的反复作用，使表

42、面材料产生疲劳而逐渐脱落，形成麻点状，随后扩展、加深，严重时呈聚集的蜂窝状孔穴群，甚至穿透缸壁 （柴油机的强化）缸套穴蚀破坏的一般特征是孔穴群集中出现在连杆摆动平面的两侧，尤其是在活塞承受侧压力大的一侧所对应的缸套外壁最为严重。另外在进水口和水流转向处，缸套支撑面和密封处也可能出现穴蚀破坏。防止缸套穴蚀的措施，一是防止或减少气泡的形成，二一是防止或减少气泡的形成，二是如气泡不可避免的发生，就应设法使气泡远离机件的地是如气泡不可避免的发生，就应设法使气泡远离机件的地方溃灭或提高零件材料抗穴蚀能力。方溃灭或提高零件材料抗穴蚀能力。增加气缸套固定刚度（如增加承孔高度，减少配合间隙等），以减少缸套的振

43、动；加宽水套使冷却均匀，减少气泡爆破时的影响；消除冷却水路中局部涡流区及死水区，可采用切向进水；应在使用中保持冷却水的清洁或冷却水中加乳化剂；提高缸体与活塞修理质量和装配质量等对防止穴蚀都有一定作用。预防方法，就材料来说，以选用硬而富于延性（容易加工硬化、结晶颗粒小、弹性大）的材料为宜；作为环境条件，采用缓和冲击作用的方法和电防蚀法等效果较好。一般柴油机最易产生穴蚀的冷却水温度为4060左右，减少穴蚀的角度，应保持发动机的正常工作温度8090。5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性层中，使变性层内出现大量的裂纹源，裂纹的产生和发展，使表面材料

44、脱落称为氢致磨损。氢可能来自材料本身或是环境介质，如润滑油和水中等。七、微动磨损及其失效机理微动磨损(定义)：-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；同时产生微动腐蚀磨损和微动疲劳磨损。微动磨损通常发生在静配合的轴和孔表面、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

45、的连接件（如花键、销、螺钉）的结合面上。微动磨损造成摩擦表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。过程：接触压力使结合面上实际承载峰顶发生塑性变形和粘着。外界小振幅的振动将粘着点剪切脱落，脱落的磨屑和剪切面与大气中的氧反应，发生氧化磨损，产生红褐色的Fe2O3的磨屑堆积在表面之间起着磨料作用，使接触表面产生磨料磨损。如果接触应力足够大，微动磨损点形成应力源，使疲劳裂纹产生并发展，导致接触表面破坏。复合磨损，粘着磨损、氧化磨损、磨粒磨损形复合磨损，粘着磨损、氧化磨损、磨粒磨损形式的组合。式的组合。微小振动和氧化作用是促进微动磨损的主要因素。3影响

46、因素：材料的性能；滑动距离、载荷；相对湿度；振动频率和振幅；温度；材料的性能；一般来说，抗粘着磨损性能力大的材料也具有良好的抗微动磨损性能。滑动距离、载荷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；（可通过控制预应力及过盈配合的过盈量来减缓微动磨损。）相对湿度微动磨损量随相对湿度的增加而下降。相对湿度大于50%以后，金属表面形成Fe2O3.H2O薄膜，它比通常Fe2O3软，因此随着相对湿度的增加，则微动磨损量减小。振动频率和振幅在大气中振幅很小（0.012mm）时，钢的微动磨损不受振动频率的影响；振幅较

47、大时，随着振动频率的增加，微动磨损量有减小的倾向。当振幅超过50150m时，磨损率均显著上升。温度实验测得汽车零件的微动磨损与温度的关系证实，载重汽车轮毂轴承在冬天的微动磨损比夏天严重；实验测得中碳钢的微动磨损在临界温度130时发生转折，超过此临界温度后，微动磨损大幅度降低。对于低碳钢，在温度低于0时，温度越低，磨损量越大。在0以上，磨损率随温度上升而逐渐降低，在150200之间突然降低。继续升温，磨损率上升。温度从135升高到400时，其磨损量增加15倍。由于微动磨损的起因是微振及氧化腐蚀，所以防止措施首先是加强检查配合件紧固情况，使之不出现微动或采取在配合副之间加弹性垫片，充填聚四氟乙烯（

48、套或膜）或用固体润滑剂。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。采用极压添加剂或涂抹二硫化钼都可以减少微动磨损。第三节 零件变形失效的分类P42 一、分类：弹性变形失效、塑性变形失效和蠕变失效。弹性变形失效：弹性变形失效：零件在外力作用下发生弹性挠曲，其挠度超过许用值而破坏零件间相对位置精度的现象；此时零件所受应力未超过弹性极限，零件与应变的关系仍遵循虎克定律；零件的截面积越大，材料弹性模量越高，则越不容易发生弹性变形失效；塑性变形失效：塑性变形失效：零件的工作压力超过材料的屈服极限因塑性变形而导致的失效；经典的强度设计都是按照防止塑性变形失效来设计的，即不允许零件

49、的任何部位进入塑性变形状态。随着应力分析技术的发展，目前已逐渐采用塑性设计的方法，即允许局部区域发生塑性变形。（分析应力应精确）如花键扭曲、螺栓受载后被拉长（塑性变形）等；在给定外载荷条件下，塑性变形失效取决于零件截面的大小、安全系数值及材料的屈服极限。材料的屈服极限越高，则发生塑性变形失效的可能性越小；蠕变是指材料在一定应力（或载荷）作用下，随时间延长，变形不断增加的现象。蠕变变形失效是由于蠕变过程不断发生，产生的蠕变变形量或蠕变速度超过金属材料蠕变极限而导致的失效。二、影响因素：零件变形失效除与金属材料、设计刚度和制造工艺有关；载荷载荷：安装紧固不当或工作有明显的超载现象；温度温度：随着工

50、作温度的升高，材料的强度也会下降，因此在较高温度下工作的零件易产生变形离合器片的翘曲变形、制动鼓、排气歧管的变形等。对于基础件由于铸造时时效处理的不完善，存在着内应力内应力，在应用中因应力重新分配而引起变形；修理工艺或方法不正确，如焊接的热应力。三、基础件变形失效的影响基础件：既保证本组合件或总成中的所有组成部分（零件）均能处于规定位置的零件；发动机气缸体、变速器壳体、驱动桥壳体；由于使用中不同程度的变形，破坏了总成中各零件间正确的位置关系；发动机气缸体变形气缸轴线对曲轴轴承承孔公共轴线的垂直度误差；气缸体上曲轴轴承承孔轴线与凸轮轴轴承承孔轴线的平行度误差；气缸体各曲轴轴承承孔轴线同轴度误差；