第二章汽車(chē)零部件的失效理論第一節(jié)汽車(chē)零部件失效的概述

汽車(chē)零部件的失效是造成汽車(chē)故障的主要原因，同時(shí)也造成很多方面的損失。主要表現(xiàn)一是用戶(hù)方面二是社會(huì)方面三是汽車(chē)制造廠商方面一、汽車(chē)零件失效的基本類(lèi)型基本類(lèi)型1.磨損2.疲勞斷裂3.腐蝕4.變形5.老化二、汽車(chē)零件失效原因（一）汽車(chē)零件的耗損

在汽車(chē)技術(shù)狀況的變化過(guò)程中，影響因素是十分復(fù)雜的，但汽車(chē)零件失效的主要原因仍然是汽車(chē)各機(jī)構(gòu)的組成元件(包括零件)之間在工作過(guò)程中相互作用，使機(jī)構(gòu)、總成、汽車(chē)的技術(shù)狀況發(fā)生變化的結(jié)果。（二）使用條件對(duì)汽車(chē)零件技術(shù)狀況的影響

汽車(chē)行駛的道路條件、運(yùn)行條件、運(yùn)輸條件、氣候條件和使用水平等汽車(chē)外部條件，都會(huì)直接地或由駕駛員通過(guò)操縱控制系統(tǒng)傳送給汽車(chē)零件，使汽車(chē)零件產(chǎn)生“響應(yīng)”而改變了狀況；然后由汽車(chē)運(yùn)行速度、燃料消耗、發(fā)動(dòng)機(jī)排放、異響與振動(dòng)、故障率以及配件消耗等可變參數(shù)輸出，表現(xiàn)出汽車(chē)零件失效的狀況。1.運(yùn)行條件的影響

主要指交通流量對(duì)汽車(chē)零件運(yùn)行工況的影響，如載貨汽車(chē)在城市街道上的速度較郊區(qū)要降低50％以上，發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速反而升高35％左右；換擋次數(shù)增加2～2.5倍。顯然，這種工況必然加速汽車(chē)零件技術(shù)狀況的變化進(jìn)程。2.運(yùn)輸條件的影響

城市公共汽車(chē)經(jīng)常處于頻繁起步、加速、減速、制動(dòng)和停車(chē)為主的典型的非穩(wěn)定工況下工作，若曲軸轉(zhuǎn)速和潤(rùn)滑系油壓不能與載荷協(xié)調(diào)一致地變化，惡化了配合副的潤(rùn)滑條件，則零件的磨損較穩(wěn)定工況大大加劇。3.道路條件的影響

道路狀況和斷面形狀等決定了汽車(chē)及總成的工況(載荷和速度、傳遞的轉(zhuǎn)矩、曲軸轉(zhuǎn)速、換擋次數(shù)以及道路不平所引起的動(dòng)載荷)，從而決定汽車(chē)零部件和機(jī)構(gòu)的磨損情況，影響汽車(chē)的工作能力。4.氣候條件的影響

影響因素（1）環(huán)境濕度和風(fēng)速的影響

（2）環(huán)境溫度的影響

（3）維修水平的影響

環(huán)境溫度的影響圖2-1汽車(chē)故障率與環(huán)境溫度

圖2-2氣缸磨損與冷卻液溫度

第二節(jié)汽車(chē)零部件的失效模式一、汽車(chē)零件的磨損失效(一)汽車(chē)零部件的摩擦

概念：兩物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)使其接觸表面間產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)阻力的現(xiàn)象稱(chēng)為摩擦，該阻力稱(chēng)為摩擦力。按表面潤(rùn)滑狀態(tài)1.干摩擦2.液體摩擦3.邊界摩擦4.混合摩擦分類(lèi)：(二)汽車(chē)零件的磨損概念：零件摩擦表面的金屬在相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不斷損失的現(xiàn)象，稱(chēng)為零件的磨損。磨損的發(fā)生將造成零件形狀尺寸及表面性質(zhì)的變化，使零件的工作性能逐漸降低；但磨損有時(shí)候也是有益的，如磨合。1.粘著磨損

定義

摩擦副相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)金屬表面的油膜被破壞，摩擦表面間直接接觸而發(fā)生粘著作用，使一個(gè)零件表面的金屬轉(zhuǎn)移到另一個(gè)零件表面引起的磨損產(chǎn)生原因

主要是由于金屬表面負(fù)荷大、溫度高而引起的作用機(jī)理

零件間的微觀不平一實(shí)際接觸面積小一接觸處承受很大的靜壓力，即凸起點(diǎn)的切向沖擊力一接觸點(diǎn)的油膜、氧化膜被破壞，純金屬直接接觸一產(chǎn)生一定的彈性變形和塑性變形一零件間吸引力增強(qiáng)減小磨損措施

選用不同的金屬或互溶性小的金屬以及金屬與非金屬材料組成摩擦副；合適的表面粗糙度；用潤(rùn)滑劑隔離接觸表面或表面有化合物的保護(hù)膜磨損表面特征

擦傷、錐形坑、魚(yú)鱗片狀、麻點(diǎn)、溝槽分類(lèi)：2.磨料磨損

定義

摩擦表面間存在的硬質(zhì)顆粒引起的磨損，稱(chēng)為磨料磨損。這種硬質(zhì)顆粒稱(chēng)為磨料，它主要來(lái)自空氣中的灰塵、潤(rùn)滑油中的雜質(zhì)及運(yùn)動(dòng)過(guò)程中從零件表面脫落下來(lái)的金屬顆粒形式①疲勞剝落或塑性擠壓：磨料夾在兩摩擦表面之間，將對(duì)金屬表面產(chǎn)生集中的高應(yīng)力，使零件表面產(chǎn)生疲勞和剝落(如磨料進(jìn)入齒面間，常會(huì)發(fā)生疲勞和剝落)。對(duì)于塑性材料，將使表面產(chǎn)生塑性擠壓現(xiàn)象(如磨料進(jìn)入軸承問(wèn)易發(fā)生塑性擠壓)②擦痕：混合在氣體和液體中的磨料，隨流體以一定的速度沖刷零件的工作表面，并產(chǎn)生擦痕(如柴油機(jī)噴油器的針閥偶件)影響因素

磨料在摩擦表面問(wèn)經(jīng)過(guò)的距離和速度；磨料與金屬表面間的相互作用力；零件硬度；磨料硬度；料顆粒的大小減輕磨損措施

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)采用濾清效果好的空氣濾清器；經(jīng)常清洗機(jī)油濾清器；增加零件的抗磨性能；提高零件表面的硬度表面特征

刮傷、溝槽擦傷3.疲勞磨損

定義

在交變載荷作用下，零件表層產(chǎn)生疲勞剝落的現(xiàn)象發(fā)生條件主要發(fā)生在純滾動(dòng)及滾動(dòng)與滑動(dòng)并存的摩擦狀態(tài)下，如齒輪齒面等分類(lèi)

非擴(kuò)展性疲勞磨損：周期性的接觸壓應(yīng)力作用，摩擦表面上出現(xiàn)小麻點(diǎn)，隨著接觸面積的擴(kuò)大，單位接觸面積降低，小麻點(diǎn)停止擴(kuò)大；擴(kuò)展性疲勞磨損：材料塑性較差時(shí)，在接觸表面作用有較大的壓應(yīng)力，使表面產(chǎn)生小裂紋，并擴(kuò)展而使金屬脫落，形成小麻點(diǎn)和擴(kuò)展成凹坑，使零件不能繼續(xù)工作產(chǎn)生機(jī)理

交變載荷的反復(fù)作用，使零件表層變形而疲勞，致表層的薄弱部位先產(chǎn)生微裂紋；同時(shí)當(dāng)潤(rùn)滑油浸入裂紋內(nèi)部時(shí)，當(dāng)滾動(dòng)體封閉裂紋口時(shí)，堵在裂紋里的潤(rùn)滑油在滾動(dòng)擠壓力的作用下劈開(kāi)裂紋，使裂紋擴(kuò)展速度加快，裂紋擴(kuò)展到一定程度后，金屬便從零件表層剝落下來(lái)，形成點(diǎn)狀或片狀凹坑，成為疲勞磨損減小磨損措施

減小材料的非金屬夾雜物含量；提高材料的抗斷裂強(qiáng)度；合理的金屬?gòu)?qiáng)化層；用粘度較高的潤(rùn)滑油；形狀正確，降低表面粗糙度表面特征

裂紋、麻點(diǎn)、剝落4.腐蝕磨損

定義

零件摩擦表面由于外部介質(zhì)的作用，產(chǎn)生化學(xué)或電化學(xué)的反應(yīng)而引起的磨損分類(lèi)

化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕磨損、微動(dòng)磨損和穴蝕各類(lèi)定義

金屬直接與外部介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而引起的磨損，稱(chēng)為化學(xué)腐蝕磨損由于金屬在外部介質(zhì)中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而引起的磨損，稱(chēng)為電化學(xué)腐蝕磨損件的過(guò)盈配合表面部位在交變載荷或振動(dòng)的作用下所產(chǎn)生的磨損，稱(chēng)為微動(dòng)磨損與液體相對(duì)運(yùn)動(dòng)的固體表面，因氣泡破裂產(chǎn)生的局部高溫及沖擊高壓所引起的疲勞剝落現(xiàn)象，稱(chēng)為穴蝕（例如柴油機(jī)濕式缸套的外壁與冷卻液接觸的表面）減小磨損措施

改善介質(zhì)條件，用合金化法增加材料的耐腐蝕性；去除殘留拉應(yīng)力；減小振動(dòng)次數(shù)和振幅；提高硬度和選擇合適的配合副；適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑；表面硫化、磷化處理或鍍層表面特征

有反應(yīng)物生成（形成膜、顆粒）5.微動(dòng)磨損定義

零件過(guò)盈配合表面相對(duì)低振幅的振動(dòng)而引起表面復(fù)合磨損出現(xiàn)材料損失的現(xiàn)象產(chǎn)生機(jī)理

雖然零件的過(guò)盈配合表面沒(méi)有宏觀的相對(duì)位移，但在工作過(guò)程中，在交變載荷或振動(dòng)的作用下，會(huì)使其產(chǎn)生微小的相對(duì)滑動(dòng)，時(shí)零件表面接觸點(diǎn)的氧化膜因受剪切而脫落，造成零件的氧化腐蝕磨損；從零件表面剝落的氧化物粉末在配合表面間存在，將引起零件的磨料磨損；同時(shí)氧化膜的脫落還會(huì)造成純金屬的直接接觸，引起粘著磨損，使零件的配合逐漸變松。可見(jiàn)零件過(guò)盈配合表面的微動(dòng)磨損是由氧化、粘著及磨料磨損的共同作用而造成。減小磨損措施

適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑可有效的改善抗微動(dòng)磨損的能力，因?yàn)闈?rùn)滑膜保護(hù)表面防止氧化。采用極壓添加劑或涂抹二硫化鉬都可以減少微動(dòng)磨損。表面特征

有反應(yīng)物生成（形成膜、顆粒）(三)影響汽車(chē)零件磨損的因素及磨損規(guī)律1.影響汽車(chē)零件磨損的因素磨損因素（1）材料性質(zhì)的影響（2）加工質(zhì)量的影響（3）工作條件的影響2.汽車(chē)零件磨損規(guī)律圖2-3汽車(chē)零件磨損特性曲線第一階段：磨合期(oa段)第二階段：正常工作期(0b段)第三階段：極限磨損期(曲線b點(diǎn)以后)

二、汽車(chē)零部件疲勞斷裂失效（一）疲勞斷裂失效的分類(lèi)按斷裂性質(zhì)塑性、脆性、塑一脆性，塑性又分為纖維狀斷口與剪切斷口按斷裂路徑沿晶、穿晶、混晶按斷裂機(jī)理解理、韌窩、準(zhǔn)解理、滑移分離、疲勞、環(huán)境、蠕變、沿晶按應(yīng)力狀態(tài)靜載、動(dòng)載，靜載分為拉伸、剪切和扭轉(zhuǎn)斷裂；動(dòng)載分為沖擊和疲勞斷裂按斷裂環(huán)境低溫、室溫、高溫、腐蝕、氫脆（二）疲勞斷裂失效機(jī)理1.疲勞裂紋的萌生

在交變載荷下，金屬零件表面產(chǎn)生的不均勻滑移、金屬內(nèi)的非金屬夾雜物和應(yīng)力集中等均可能是產(chǎn)生疲勞裂紋核心的策源地。圖2-5

延性金屬中由外載荷作用造成的滑移

2.疲勞裂紋的擴(kuò)展在沒(méi)有應(yīng)力集中的情況下，疲勞裂紋的擴(kuò)展可分為兩個(gè)階段，即沿晶階段和穿晶階段。圖2-6疲勞裂紋擴(kuò)展的兩個(gè)階段

Ⅰ-第一階段擴(kuò)展Ⅱ-第二階段擴(kuò)展Ⅲ-最終斷裂（三）疲勞斷口宏觀形貌特征三個(gè)區(qū)域1.疲勞源區(qū)2.疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)3.瞬時(shí)斷裂區(qū)1-前沿線2-裂紋策源地3-裂紋寬展區(qū)4-最后斷裂區(qū)圖2-7疲勞裂紋的宏觀斷口示意圖（四）提高汽車(chē)零件抗疲勞斷裂的方法1.延緩疲勞裂紋萌生時(shí)間

采用方法：強(qiáng)化金屬合金表面，控制表面的不均勻滑移，如表面滾壓、噴丸、表面熱處理等。2.降低疲勞裂紋擴(kuò)展的速度

主要方法（1）止裂孔法

（2）擴(kuò)孔清除法

（3）刮磨修理法

（4）提高疲勞裂紋的門(mén)檻值△K長(zhǎng)度三、汽車(chē)零部件腐蝕失效

零件受周?chē)橘|(zhì)作用而引起的損壞稱(chēng)為零件的腐蝕。按腐蝕機(jī)理可分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕，汽車(chē)上約20％的零件因腐蝕而失效。略四、汽車(chē)零部件變形失效（一）汽車(chē)零件變形失效的概念、分類(lèi)

零件在使用過(guò)程中，由于承載或內(nèi)部應(yīng)力的作用，使零件的尺寸和形狀改變的現(xiàn)象稱(chēng)為零件的變形。類(lèi)型彈性變形失效塑性變形失效

蠕變失效

概念：（二）零件變形的原因原因殘余內(nèi)應(yīng)力外載荷工作溫度修理、裝配精度失準(zhǔn)第三節(jié)汽車(chē)零部件失效分析方法

失效分析也稱(chēng)故障分析，是研究零部件的磨損、斷裂、腐蝕、變形等失效現(xiàn)象的特征或規(guī)律，并從中找出損壞原因的一門(mén)新的綜合性學(xué)科。

失效分析的思路，就是對(duì)已發(fā)生的失效事件，沿著一定的思路去分析研究失效現(xiàn)象的因果關(guān)系，進(jìn)而尋找失效原因，提出改進(jìn)措施。圖2-9失效分析思路分類(lèi)一、失效模式分析法

失效模式是一種或幾種物理或化學(xué)過(guò)程所產(chǎn)生的效應(yīng)，導(dǎo)致零件在尺寸、形狀、狀態(tài)或性能上發(fā)生明顯變化，造成整臺(tái)機(jī)器喪失原設(shè)計(jì)能力。不同的物理或化學(xué)過(guò)程對(duì)應(yīng)著不同的失效模式。根據(jù)零件的殘骸(斷口、磨屑等)的特征和殘留的有關(guān)失效過(guò)程信息，可首先判斷失效模式，進(jìn)而推斷失效的根本原因。二、系統(tǒng)工程分析方法

此方法是把產(chǎn)品看成一個(gè)系統(tǒng)，采用數(shù)學(xué)方法或計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代化工具，研究系統(tǒng)故障率的原因與結(jié)果之間的邏輯關(guān)系，對(duì)系統(tǒng)構(gòu)成要素、組織結(jié)構(gòu)、信息交換等功能進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)、制造、維護(hù)等，從而達(dá)到最優(yōu)設(shè)計(jì)、最優(yōu)控制和最優(yōu)管理的目的。(一)失效模式影響及危害性分析(FMEACA)

FMEA是指在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)各組成單元潛在的各種故障模式及其對(duì)系統(tǒng)功能的影響與產(chǎn)生后果的嚴(yán)重程度進(jìn)行分析，提出可能采取的預(yù)防改進(jìn)措旅，以提高產(chǎn)品可靠性的一種設(shè)計(jì)分析方法。其目的在于建議，如重新考慮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，改換材料，采取有儲(chǔ)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法等。(二)故障樹(shù)分析(FTA)故障樹(shù)分析法一般可按下列步驟進(jìn)行：(1)建立故障樹(shù)；(2)建立故障樹(shù)的數(shù)學(xué)模型；(3)進(jìn)行系統(tǒng)可靠性的定性分析；(4)進(jìn)行系統(tǒng)可靠性的定量分析。步驟故障樹(shù)常用的轉(zhuǎn)移符號(hào)及釋義

序號(hào)符號(hào)名稱(chēng)含義1結(jié)果事件分為頂事件和中間事件，是由其他事件和事件組合導(dǎo)致的事件。在框內(nèi)注明故障定義，其下與邏輯門(mén)連接，再分解為中間事件和底事