第二章汽車零件的失效機理第1頁，共21頁。優(yōu)選第二章汽車零件的失效機理第2頁，共21頁。

3.零件失效的原因

1）內(nèi)因：導(dǎo)致失效的物理、化學或機械過程，即失效的機理

2）外因：a.時間b.應(yīng)力－物理退化的誘因。（驅(qū)動應(yīng)力和環(huán)境應(yīng)力）

4.異常失效的原因

1）結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理

2）早期間隙放大0.01mm，汽車壽命減少1萬公里

3）加工、熱處理、材料質(zhì)量等問題

4）裝配問題

5）使用維護不當造成的問題二.幾種失效形式的基本概念

1.變形失效

1）彈性變形：由于發(fā)生過大的彈性變形而造成零件的失效彈性變形的因素：

a.材料的承載面積（幾何尺寸）；

b.材料的彈性模量

第3頁，共21頁。

2）塑性變形：受力、外力撤去后，變形不能恢復(fù)，是零件的承受工作能力超過材料屈服強度的結(jié)果。因素：零件截面大小、安全系數(shù)、材料的屈服強度

3）蠕變：工作溫度達到材料熔點溫度的30％～40％，在受力下出現(xiàn)的塑性變形。

2.斷裂失效（占零件總失效數(shù)的15％～20％）

1）塑性斷裂：a.纖維狀斷裂－拉應(yīng)力

b.剪切斷裂－扭應(yīng)力特征：斷裂前有明顯的塑性變形，其纖維狀斷裂的特征是斷口呈杯錐狀，剪切斷裂斷口的特征呈斜45°。[見圖]

2）脆性斷裂：斷裂前變形量很小特征：拉斷、剪斷時斷口較平整，壓斷、扭斷時斷口呈斜45°。[見圖]

易在低溫時斷裂第4頁，共21頁。

3）疲勞斷裂承受交變載荷的零件，在應(yīng)力低于屈服強度情況下出現(xiàn)的瞬斷。

a.高周疲勞斷裂：受應(yīng)力小于屈服極限，循環(huán)次數(shù)大于104次。

b.低周疲勞斷裂：受應(yīng)力大于屈服極限，循環(huán)次數(shù)小于104次。特征：斷口呈一個源兩個區(qū)裂紋源：材料、加工等缺陷引起應(yīng)力集中，在應(yīng)力集中處首先產(chǎn)生裂紋。兩個區(qū)：

a.平滑擴展區(qū)：裂紋不斷向深處擴展，由于反復(fù)擠壓而呈平滑光潔，像瓷器一樣光亮，且有明顯的前沿線；

b.最后斷區(qū)：實際應(yīng)力大于強度時發(fā)生瞬斷，粗糙且灰暗斷口分析：前沿線發(fā)展不均勻，可能有偶然超載；瞬斷區(qū)面積大小可以反映斷裂時承受的應(yīng)力；是否有裂紋源，查看材料的使用正誤。3.表面損傷失效（占70％～75％）

1）磨損：磨料磨損粘著磨損微動磨損

2）表面疲勞磨損

3）腐蝕失效第5頁，共21頁?！?－2汽車零件磨損失效的形式及機理一.摩擦理論

1.經(jīng)典的摩擦理論對于兩個物體直接接觸的摩擦

a.摩擦力與正壓力成正比

b.摩擦系數(shù)是一個常數(shù)

c.摩擦力的大小與接觸面積無關(guān)

d.摩擦系數(shù)與速度無關(guān)

缺陷：實際上，速度提高時，摩擦系數(shù)會降低；對雙彈性材料不適用；正壓力增大時，產(chǎn)生塑性變形而摩擦；汽車高速行駛時，車輪與路面的附著系數(shù)會降低，因此高速剎車、制動距離會增大。

2.現(xiàn)代摩擦理論

1）摩擦的分子理論：分子的引力和親合力作用而引起摩擦。由分子理論可得：材料塑性越大，變形越大，摩擦力越大材料硬度越大，變形越小，摩擦力越小第6頁，共21頁。2）分子機械理論：由于摩擦表面的微觀不平，只有凸起點間接觸，所以實際接觸面積很小。接觸點由于單位壓力產(chǎn)生塑性變形，從而發(fā)生粘著。接觸點的實際正壓力：其中：為接觸承載應(yīng)力；A為接觸點面積拉開粘著點所需要的力為：那么：提高接觸應(yīng)力，即增大材料硬度H，可以減小摩擦系數(shù)；降低剪切強度可以降低摩擦系數(shù)。機械分子說作用特點是：材料彈性擠壓－塑性擠壓－微觀切削－氧化膜破損，以及由分子相互作用的粘著結(jié)果而發(fā)生的基本材料破損而失效。（純凈表面接觸面積大，故摩擦系數(shù)就大；污染表面，污染膜可防止金屬直接接觸，摩擦系數(shù)就?。┑?頁，共21頁。3）摩擦的能量理論摩擦的表面能量理論認為，各種類型的摩擦和磨損現(xiàn)象都與表面能量之間有一定的關(guān)系，表面能對摩擦面實際接觸區(qū)大小有影響，當兩表面接觸時，兩表面粘著時，其粘著力可用粘著表面及系統(tǒng)能量G表示。由于粘著作用，總的表面能為：其中：－物體a的表面能；－物體b的表面能‘－a

與b接觸的表面能

假設(shè)把物體b

摩擦面上微凸體端部理想化為錐體壓頭，并壓入軟材料物體

a表面。那么：1）物體b

錐體壓入時所作的功為：

2）擠壓面擠壓變形消耗的能量：

3）粘著時的接觸表面能：第8頁，共21頁。

能量平衡方程式為：而：則：由于物體處于平衡狀態(tài)，所以：

整理得：所以摩擦系數(shù)：

從上式可看出：粘著表面能與材料硬度H比值越大，摩擦系數(shù)越大。第9頁，共21頁。二.摩擦與潤滑磨損是摩擦的結(jié)果，而潤滑是減少摩擦和磨損得關(guān)鍵途徑，因為潤滑能降低磨損，減少摩擦功率損失。

圖知：摩擦系數(shù)與潤滑油黏度，速度，載荷有關(guān)。流體動壓潤滑是摩擦表面間完全被潤化油膜隔開的摩擦，實現(xiàn)流體動壓潤滑必須具備三個條件：運動付之間必須供給充足的、有一定黏度潤滑油；潤滑付之間必有一定相對滑動速度，速度增大，油膜變厚；運動付間隙設(shè)計必須能產(chǎn)生足夠大的油楔，借助于油楔而產(chǎn)生液體動壓，使主軸浮起來，但是當速度降低，潤滑油黏度下降，載荷增大時，油膜變薄，而凸點部位形成邊界膜潤滑，其它區(qū)域則是薄膜潤滑，更進一步完全成邊界潤滑狀態(tài)。邊界膜破壞就形成了干摩擦。邊界膜強度取決于潤滑油的油性，即油在工作表面的保持能力，與黏度無關(guān)。

第10頁，共21頁。三.磨損形式與機理

定義：磨損是摩擦的結(jié)果，是相互接觸的物體在相對運動時表層不斷發(fā)生耗損的過程。

磨損失效的原因：

1）表面作用力

①機械作用力：粗糙表面在軟金屬上滑過時，產(chǎn)生軟金屬變形，犁溝引起雙方表面破壞

②分子作用力：分子間吸引力促使金屬顆粒由一個表面轉(zhuǎn)移到另一個表面上，即粘附損壞。

③高溫：瞬時高溫，使金屬熔融產(chǎn)生粘結(jié)——撕脫而破壞

④大氣介質(zhì)：生成松軟氧化膜，破損后使表層剝落而破壞

2）表面變化由于上述表面作用，由開始磨合，逐漸在表面上呈現(xiàn)點蝕、裂紋、劃傷、膠合、疲勞剝落、改變表面幾何形狀、尺寸，破壞零件表面。第11頁，共21頁。

磨損過程：在正常狀態(tài)下，磨損量與使用時間之間，服從勞倫斯曲線；磨損率與時間之間，服從浴盆曲線。（圖）

早期磨損期：磨損量急劇增大，但磨損速率遞減應(yīng)限速、限載、合理的時間、科學的潤滑可以減少早期的磨損量穩(wěn)定磨損期：磨損量穩(wěn)定，與時間之間呈線性關(guān)系，磨損速率穩(wěn)定此期合理的維護，認真駕駛可以延長汽車使用壽命急劇磨損期：磨損量又急劇增大；且磨損速率遞增由于間隙增大，油膜不連續(xù)，潤滑不良，此時導(dǎo)致零件失效磨損的類型：粘附磨損磨料磨損疲勞磨損腐蝕磨損第12頁，共21頁。一）粘著磨損1.現(xiàn)象機理摩擦面相互滑動時，發(fā)生金屬間的粘附轉(zhuǎn)移，引起的磨損。當兩表面接觸時，只有微凸點接觸，接觸應(yīng)力很高，在空氣中，相互摩擦的表面通常覆蓋一層氧化膜，在滑動開始時，由于摩擦表面微凸體間的相互擠壓產(chǎn)生塑性變形，使薄膜發(fā)生局部破壞，金屬直接接觸，粘著力便明顯表現(xiàn)出來，當擠壓較大時，便產(chǎn)生粘附與冷焊合。

粘附磨損的機理：由于粘附作用磨損可能從磨損付一方表面轉(zhuǎn)移到另一方表面上，產(chǎn)生磨損轉(zhuǎn)移其特征是：轉(zhuǎn)移大團狀和冷焊形式粘附在配偶面上。其體積磨損量：－磨損系數(shù)（與配對付材料有關(guān)）

L－滑動距離

w－法向載荷

H

－軟材料的硬度第13頁，共21頁。

那么單位距離的磨損量：

即體積磨損量與法向載荷、滑動距離成正比；與軟質(zhì)材料的硬度或屈服強度成反比。

2.分類

1）根據(jù)分離時可能出現(xiàn)的情況可分為：外部粘附：粘著點結(jié)合強度比摩擦付雙方材料的強度低，其脫離發(fā)生在粘著點分界面處；粘著時基本內(nèi)部變形很小，呈現(xiàn)出輕微磨損，摩擦增大。內(nèi)部粘附：粘著點結(jié)合強度比一方金屬強度高，脫離發(fā)生在軟金屬一方的表層內(nèi)部，大塊磨粒從基體上撕裂下來。

2）根據(jù)粘著狀態(tài)分：冷粘著：只與正壓力有關(guān)，材料凸點塑變引起，如差速器齒輪；熱粘著：高應(yīng)力、高速度時引起的摩擦焊，如拉缸，抱瓦等。第14頁，共21頁。3.粘附磨損的影響因素

1）材料的影響脆性材料，抗粘能力大，破壞發(fā)生在淺層，碎屑顆粒小，磨損量小。塑性材料，抗粘能力小，破壞發(fā)生在深層，碎屑顆粒大，磨損量大。互熔性好的兩個純金屬間抗粘能力差，所以應(yīng)盡量避免使用相同材料或相互共熔材料組成滑動付。從金相來看，多相金屬比單相金屬抗粘能力強。合金元素C、S對粘附由阻滯作用，抗粘能力強。

2）工作條件的影響載荷↑，磨損量↑，所以應(yīng)按材料選擇載荷?；瑒铀俣龋狠d荷一定時，與的變化接觸應(yīng)力↑，磨損量↑

3）溫度的影響摩擦面溫度低于熱點溫度時，隨溫度的上升，磨損量增大250℃以下為氧化磨損，磨損很小；250℃以上出現(xiàn)粘著；達到300℃左右時，達到最大值，高于300～400℃時，溫度上升又變?yōu)檠趸p，磨損量變小。第15頁，共21頁。

二）磨粒磨損

定義：硬的顆?；蚰Σ粮兑环酱植诙鴪杂?，夾在摩擦付之間，在滑動摩擦負荷作用下而引起材料的轉(zhuǎn)移而引起磨損。（兩體磨料磨損和三體磨料磨損，兩體大于三體）

1.磨粒磨損機理的三種假說

1）微切屑作用：磨粒對金屬表面進行微切屑作用而引起的

2）表面疲勞：表面層承受循環(huán)接觸應(yīng)力，產(chǎn)生材料表面疲勞破壞

3）犁溝作用：顆粒壓入材料表面，沿表面作切線移動，犁出條條溝槽

磨料磨損的簡單計算模型：假定磨料是半角為的理想圓錐體，其水平滑過表面的距離是L。設(shè)單個磨料承擔載荷為，則，磨料壓入材料后，壓入的圓錐體在垂直面上的投影面積為，在滑動距離為L

時，磨損的體積：

式中－材料的屈服極限；－磨料壓入的圓錐體半徑；－磨料壓入的深度第16頁，共21頁。

對于所有的磨料，磨料體積磨損量

wv

為：由于各個磨料錐角不同，并且在一定的接觸區(qū)域，只有少數(shù)的磨料會產(chǎn)生磨損，故用統(tǒng)計平均值代表，可用表示，可得：

式中：－摩擦副較軟一方的硬度；－磨料磨損系數(shù)2.規(guī)律

1）強金屬及未經(jīng)熱處理硬化的鋼，其抗磨能力與自然硬度成正比

2）熱處理硬化的鋼其耐磨性隨硬度增大而增強

3）含C量大，耐磨性好

4）脆性材料硬度不能用來衡量耐磨性，斷裂韌性才是重要指標3.影響因素

1）硬度：磨粒硬度小于表面硬度時，↓↓磨粒硬度等于表面硬度時，有磨損磨粒硬度大于表面硬度時，↑因此，為防止磨料磨損，磨粒的硬度小于表面硬度的30％

2）磨粒尺寸：開始隨尺寸增大，↑，達到某一臨界值時，幾乎不變，不同配合副臨界尺寸是不一樣的，軸承與軸瓦20~30微米；凸輪與挺桿在1微米以下。第17頁，共21頁。三）微動磨損機理及影響

1.定義：緊配合副在壓緊表面間，發(fā)生低振幅往復(fù)切向振動時引起磨損，（結(jié)果：緊配合副松動）。

2.特點：

1）相對運動速度很低

2）磨屑不易排出

3）局部的磨損強度較大，造成局部表面剝落，則對零件疲勞強度下降很大，易產(chǎn)生疲勞，易造成緊配合松動

4）磨屑氧化呈紅棕色粉末（氧化鐵）

3.機理微動磨損是粘附磨損、氧化磨損、表面疲勞、磨粒磨損綜合作用的結(jié)果。大致分為三個階段：第一階段：

另外，微切向振動，摩擦、氧化膜被除去后即形成磨屑為：表面金屬疲勞剝落相互粘附時撕脫第18頁，共21頁。第二階段：磨粒被氧化第三階段：產(chǎn)生磨粒磨損

4.磨損量

其中：－載荷；－振動循環(huán)次數(shù)；－振動頻率；－滑動振幅；為常數(shù)上式是由化學作用和機械作用推導(dǎo)出來的，但它把化學作用當作有害因素，忽略了氧化膜的保護作用，不能解釋溫度上升，磨損量