第二章汽车零件的失效机理精选PPT.ppt

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1、第二章汽车零件的失效机理第1页，本讲稿共26页21 概述概述一一.失效的定义及其失效的类型失效的定义及其失效的类型 1.定义：定义：失效是零件的几何尺寸、几何形状、金相组织、性能发生变化而致 使零件不能完成规定的功能。失效：损坏，丧失工作能力 性能衰退，虽能工作，但不能圆满完成工作 呈现出失效的可能性，继续工作会招致严重后果 2.失效的分类失效的分类失效类型失效形式变形a.弯、扭变形 b.拉长 c.胀粗 d.弹性永久变形 e.蠕变断裂a.冲击断裂 b.腐蚀断裂 c.疲劳断裂表面损伤a.磨损 b.表面疲劳 c.表面腐蚀第2页，本讲稿共26页 3.零件失效的原因零件失效的原因 1）内因：导致失效的

2、物理、化学或机械过程，即失效的机理 2）外因：a.时间 b.应力物理退化的诱因。（驱动应力和环境应力）4.异常失效的原因异常失效的原因 1）结构设计不合理 2）早期间隙放大0.01mm，汽车寿命减少1万公里 3）加工、热处理、材料质量等问题 4）装配问题 5）使用维护不当造成的问题二二.几种失效形式的基本概念几种失效形式的基本概念 1.变形失效变形失效 1）弹性变形弹性变形：由于发生过大的弹性变形而造成零件的失效 弹性变形的因素：a.材料的承载面积（几何尺寸）；b.材料的弹性模量 第3页，本讲稿共26页 2 2）塑性变形：塑性变形：受力、外力撤去后，变形不能恢复，是零件的承受工作能力超过材料屈

3、服强度的结果。因素：零件截面大小、安全系数、材料的屈服强度 3 3）蠕变：蠕变：工作温度达到材料熔点温度的3040，在受力下出现的塑性变形。2.2.断裂失效断裂失效（占零件总失效数的1520）1 1）塑性断裂：塑性断裂：a.纤维状断裂拉应力 b.剪切断裂扭应力 特征：断裂前有明显的塑性变形，其纤维状断裂的特征是断口呈杯锥状，剪切断裂断口的特征呈斜45。见图 2 2）脆性断裂：脆性断裂：断裂前变形量很小 特征：拉断、剪断时断口较平整，压断、扭断时断口呈斜45。见图 易在低温时断裂第4页，本讲稿共26页 3 3）疲劳断裂疲劳断裂 承受交变载荷的零件，在应力低于屈服强度情况下出现的瞬断。a.高周疲劳

4、断裂：受应力小于屈服极限，循环次数大于104次。b.低周疲劳断裂：受应力大于屈服极限，循环次数小于104次。特征：断口呈一个源两个区 裂纹源：材料、加工等缺陷引起应力集中，在应力集中处首先产生裂纹。两个区：a.平滑扩展区：裂纹不断向深处扩展，由于反复挤压而呈平滑光洁，像瓷器一样光亮，且有明显的前沿线；b.最后断区：实际应力大于强度时发生瞬断，粗糙且灰暗 断口分析：前沿线发展不均匀，可能有偶然超载；瞬断区面积大小可以反映断裂时承受的应力；是否有裂纹源，查看材料的使用正误。3.表面损伤失效（占7075）1）磨损：磨料磨损 粘着磨损 微动磨损 2）表面疲劳磨损 3）腐蚀失效第5页，本讲稿共26页22

5、汽车零件磨损失效的形式及机理汽车零件磨损失效的形式及机理一一.摩擦理论摩擦理论 1.经典的摩擦理论经典的摩擦理论 对于两个物体直接接触的摩擦 a.摩擦力与正压力成正比 b.摩擦系数是一个常数 c.摩擦力的大小与接触面积无关 d.摩擦系数与速度无关 缺陷：缺陷：实际上，速度提高时，摩擦系数会降低；对双弹性材料不适用；正压力增大时，产生塑性变形而摩擦；汽车高速行驶时，车轮与路面的附着系数会降低，因此高速刹车、制动距离会增大。2.现代摩擦理论现代摩擦理论 1）摩擦的分子理论：分子的引力和亲合力作用而引起摩擦。由分子理论可得：材料塑性越大，变形越大，摩擦力越大 材料硬度越大，变形越小，摩擦力越小第6页

6、，本讲稿共26页 2）分子机械理论：由于摩擦表面的微观不平，只有凸起点间接触，所以实际接触面积很小。接触点由于单位压力产生塑性变形，从而发生粘着。接触点的实际正压力：其中：为接触承载应力；A 为接触点面积 拉开粘着点所需要的力为：那么：提高接触应力 ，即增大材料硬度H，可以减小摩擦系数 ；降低剪切强度可以降低摩擦系数 。机械分子说作用特点是：材料弹性挤压塑性挤压微观切削氧化膜破损，以及由分子相互作用的粘着结果而发生的基本材料破损而失效。（纯净表面接触面积大，故摩擦系数就大；污染表面，污染膜可防止金属直接接触，摩擦系数就小）第7页，本讲稿共26页3）摩擦的能量理论 摩擦的表面能量理论认为，各种类

7、型的摩擦和磨损现象都与表面能量之间有一定的关系，表面能对摩擦面实际接触区大小有影响，当两表面接触时，两表面粘着时，其粘着力可用粘着表面及系统能量 G 表示。由于粘着作用，总的表面能为：其中：物体a的表面能；物体b的表面能 a 与b接触的表面能 假设把物体 b 摩擦面上微凸体端部理想化为锥体压头，并压入软材料物体 a 表面。那么：1）物体 b 锥体压入时所作的功为：2）挤压面挤压变形消耗的能量：3）粘着时的接触表面能：第8页，本讲稿共26页 能量平衡方程式为：而：则：由于物体处于平衡状态，所以：整理得：所以摩擦系数：从上式可看出：粘着表面能与材料硬度H比值越大，摩擦系数越大。第9页，本讲稿共26

8、页二二.摩擦与润滑摩擦与润滑 磨损是摩擦的结果，而润滑是减少摩擦和磨损得关键途径，因为润滑能降低磨损，减少摩擦功率损失。图知：摩擦系数 与润滑油黏度 ，速度 ，载荷 有关。流体动压润滑是摩擦表面间完全被润化油膜隔开的摩擦，实现流体动压润滑必须具备三个条件：v 运动付之间必须供给充足的、有一定黏度润滑油；v 润滑付之间必有一定相对滑动速度，速度增大，油膜变厚；v 运动付间隙设计必须能产生足够大的油楔，借助于油楔而产生液体动压，使主轴浮起来，但是当速度降低，润滑油黏度下降，载荷增大时，油膜变薄，而凸点部位形成边界膜润滑，其它区域则是薄膜润滑，更进一步完全成边界润滑状态。边界膜破坏就形成了干摩擦。边

9、界膜强度取决于润滑油的油性，即油在工作表面的保持能力，与黏度无关。第10页，本讲稿共26页三三.磨损形式与机理磨损形式与机理 定义：定义：磨损是摩擦的结果，是相互接触的物体在相对运动时表层不断发生耗损的过程。磨损失效的原因：磨损失效的原因：1）表面作用力 机械作用力：粗糙表面在软金属上滑过时，产生软金属变形，犁沟引起双方表面破坏 分子作用力：分子间吸引力促使金属颗粒由一个表面转移到另一个表面上，即粘附损坏。高温：瞬时高温，使金属熔融产生粘结撕脱而破坏 大气介质：生成松软氧化膜，破损后使表层剥落而破坏 2）表面变化 由于上述表面作用，由开始磨合，逐渐在表面上呈现点蚀、裂纹、划伤、胶合、疲劳剥 落

10、、改变表面几何形状、尺寸，破坏零件表面。第11页，本讲稿共26页 磨损过程：磨损过程：在正常状态下，磨损量与使用时间之间，服从劳伦斯曲线；磨损率与时间之间，服从浴盆曲线。（图）v早期磨损期：磨损量急剧增大，但磨损速率递减 应限速、限载、合理的时间、科学的润滑可以减少早期的磨损量v 稳定磨损期：磨损量稳定，与时间之间呈线性关系，磨损速率稳定 此期合理的维护，认真驾驶可以延长汽车使用寿命v 急剧磨损期：磨损量又急剧增大；且磨损速率递增 由于间隙增大，油膜不连续，润滑不良，此时导致零件失效磨损的类型：粘附磨损 磨料磨损 疲劳磨损 腐蚀磨损第12页，本讲稿共26页一）粘着磨损一）粘着磨损1.现象机理现

11、象机理 摩擦面相互滑动时，发生金属间的粘附转移，引起的磨损。当两表面接触时，只有微凸点接触，接触应力很高，在空气中，相互摩擦的表面通常覆盖一层氧化膜，在滑动开始时，由于摩擦表面微凸体间的相互挤压产生塑性变形，使薄膜发生局部破坏，金属直接接触，粘着力便明显表现出来，当挤压较大时，便产生粘附与冷焊合。粘附磨损的机理：粘附磨损的机理：由于粘附作用磨损可能从磨损付一方表面转移到另一方表面上，产生磨损转移 其特征是：转移大团状和冷焊形式粘附在配偶面上。其体积磨损量：磨损系数（与配对付材料有关）L 滑动距离 w 法向载荷 H 软材料的硬度第13页，本讲稿共26页 那么单位距离的磨损量：即体积磨损量与法向载

12、荷、滑动距离成正比；与软质材料的硬度或屈服强度成反比。2.分类分类 1）根据分离时可能出现的情况可分为：根据分离时可能出现的情况可分为：v外部粘附：粘着点结合强度比摩擦付双方材料的强度低，其脱离发生在粘着点分界面处；粘着时基本内部变形很小，呈现出轻微磨损，摩擦增大。v 内部粘附：粘着点结合强度比一方金属强度高，脱离发生在软金属一方的表层内部，大块磨粒从基体上撕裂下来。2）根据粘着状态分：根据粘着状态分：v 冷粘着：只与正压力有关，材料凸点塑变引起，如差速器齿轮；v 热粘着：高应力、高速度时引起的摩擦焊，如拉缸，抱瓦等。第14页，本讲稿共26页3.粘附磨损的影响因素粘附磨损的影响因素 1）材料的

13、影响材料的影响v 脆性材料，抗粘能力大，破坏发生在浅层，碎屑颗粒小，磨损量小。塑性材料，抗粘能力小，破坏发生在深层，碎屑颗粒大，磨损量大。v互熔性好的两个纯金属间抗粘能力差，所以应尽量避免使用相同材料或相互共熔材料组成滑动付。v从金相来看，多相金属比单相金属抗粘能力强。v合金元素C、S对粘附由阻滞作用，抗粘能力强。2）工作条件的影响）工作条件的影响v 载荷，磨损量，所以应按材料 选择载荷。v 滑动速度：载荷一定时，与 的变化v 接触应力，磨损量 3）温度的影响温度的影响 摩擦面温度低于热点温度时，随温度的上升，磨损量增大250以下为氧化磨损，磨损很小；250 以上出现粘着；达 到300 左右时

14、，达到最大值，高于300400 时，温度上升又变为氧化磨损，磨损量变小。第15页，本讲稿共26页 二）磨粒磨损二）磨粒磨损 定义：定义：硬的颗粒或摩擦付一方粗糙而坚硬，夹在摩擦付之间，在滑动摩擦负荷作用下而引起材料的转移而引起磨损。（两体磨料磨损和三体磨料磨损，两体大于三体）1.磨粒磨损机理的三种假说磨粒磨损机理的三种假说 1）微切屑作用：磨粒对金属表面进行微切屑作用而引起的 2）表面疲劳：表面层承受循环接触应力，产生材料表面疲劳破坏 3）犁沟作用：颗粒压入材料表面，沿表面作切线移动，犁出条条沟槽 磨料磨损的简单计算模型：磨料磨损的简单计算模型：假定磨料是半角为 的理想圆锥体，其水平滑过表面的

15、距离是L。设单个磨料承担载荷为 ，则 ，磨料压入材料后，压入的圆锥体在垂直面上的投影面积为 ，在滑动距离为 L 时，磨损的体积：式中 材料的屈服极限；磨料压入的圆锥体半径；磨料压入的深度第16页，本讲稿共26页 对于所有的磨料，磨料体积磨损量 wv 为：由于各个磨料锥角不同，并且在一定的接触区域，只有少数的磨料会产生磨损，故用统计平均值 代表 ，可用 表示，可得：式中：摩擦副较软一方的硬度；磨料磨损系数2.规律规律 1）强金属及未经热处理硬化的钢，其抗磨能力与自然硬度成正比 2）热处理硬化的钢其耐磨性随硬度增大而增强 3）含C量大，耐磨性好 4）脆性材料硬度不能用来衡量耐磨性，断裂韧性才是重要

16、指标3.影响因素影响因素 1）硬度：磨粒硬度小于表面硬度时，磨粒硬度等于表面硬度时，有磨损 磨粒硬度大于表面硬度时，因此，为防止磨料磨损，磨粒的硬度小于表面硬度的30 2）磨粒尺寸：开始随尺寸增大，达到某一临界值时，几乎不变，不同配合副临界尺寸是不一样的，轴承与轴瓦2030微米；凸轮与挺杆在1微米以下。第17页，本讲稿共26页三）微动磨损机理及影响三）微动磨损机理及影响 1.定义：紧定义：紧配合副在压紧表面间，发生低振幅往复切向振动时引起磨损，（结果：紧配合副松动）。2.特点特点：1）相对运动速度很低 2）磨屑不易排出 3）局部的磨损强度较大，造成局部表面剥落，则对零件疲劳强度下降很大，易产生

17、疲劳，易造成紧配合松动 4）磨屑氧化呈红棕色粉末（氧化铁）3.机理机理 微动磨损是粘附磨损、氧化磨损、表面疲劳、磨粒磨损综合作用的结果。大致分为三个阶段：v 第一阶段：另外，微切向振动，摩擦、氧化膜被除去后 即形成磨屑为：表面金属疲劳剥落 相互粘附时撕脱 第18页，本讲稿共26页u第二阶段：磨粒被氧化u 第三阶段：产生磨粒磨损 4.磨损量磨损量 其中：载荷；振动循环次数；振动频率；滑动振幅；为常数 上式是由化学作用和机械作用推导出来的，但它把化学作用当作有害因素，忽略了氧化膜的保护作用，不能解释温度上升，磨损量下降的现象，没有考虑微动引起的表面疲劳作用。5.影响因素影响因素 1）材料的影响：抗

18、粘附的材料抗微动磨损的能力也强。2）载荷的影响：载荷，磨损量，达到一定值后，由于载荷增加，使产生滑移的界面面积和滑移的振幅减小，则磨损量减少。3）相对温度：相对温度增加，磨损量减小。（湿度增加，磨屑易排出）4）振动频率与振幅：振幅小于0.012mm时，磨损量不受频率影响；振幅较大时，磨损量随频率增加有减少的趋势。5）温度：中碳钢，临界温度130发生转折，温度，磨损量 低碳钢，0 以下，温度，磨损量；0 以上，温度，磨损量。第19页，本讲稿共26页四四.零件的允许磨损量零件的允许磨损量 零件的磨损量可以认为与里程呈线性关系。对于可维修的零件，其允许磨损量 ，应为 这样：其中：磨损率，；两次计划维

19、修的时间间隔 于是：令：故允许磨损量：【举例】第20页，本讲稿共26页23疲劳失效机理及疲劳寿命疲劳失效机理及疲劳寿命一一.基本概念基本概念 1.疲劳应力：疲劳应力：构件经受的动载荷称为疲劳载荷，相应的应力称为疲劳应力。交变载荷的变化过程称为载荷谱。平均应力：应力幅值：最大应力：最小应力：应力变化范围：应力的循环特性：当 时，是对称循环应力；当 时，是脉动应力。在一个单向循环中，应力大小变化，但符号不变，这种循环也叫脉动循环。第21页，本讲稿共26页 2.疲劳曲线疲劳曲线 疲劳强度是指在周期极限数值 内元件不致于失效的最大应力 。因此疲劳曲线是疲劳极限与循环次数对应的曲线。（如图所示）从图中可

20、以看出：应力 低周疲劳，寿命小于 应力 高周疲劳，寿命无限长 低循环应力区疲劳极限，高于屈服强度。对称循环疲劳极限：疲劳强度 循环次数 直线斜率的倒数。3.疲劳失效的类型：表面疲劳损伤 疲劳断裂失效 第22页，本讲稿共26页二二.表面疲劳失效表面疲劳失效 1.定义：定义：在滚动和滚动加滑动的摩擦副中，在接触应力的反复作用下，表面出现的剥落和点蚀损伤。2.分类：分类：1）非扩展性 条件：条件：接触应力小，材料塑变后硬化。（冷作硬化）2）扩展性 条件：条件：接触应力较大，硬度大，塑性的材料塑变后裂纹剥落。3.机理：机理：裂纹形成 裂纹扩展剥落 1）裂纹源：位错理论解释为在接触应力作用下亚表层塑性变

21、形而造成晶格滑移，造成不均匀而产生局部应力集中裂纹源，当有大的滑动时，最大剪切应力向表层移动，内部缺陷也是产生裂纹的源泉。2）裂纹扩展：在应力的反复作用下，裂纹向表层内部扩展，开始扩展较慢，与主应力方向成45夹角。当应力扩展到客观尺寸后，裂纹扩展与主应力垂直，扩展速度加快。3）剥落：多裂纹相互连接到一起，即形成剥落。第23页，本讲稿共26页4.影响因素影响因素 1）材料的质量：材料有脆性夹杂物和空穴是产生裂纹的根源 2）表面粗糙度：降低粗糙度，可以使疲劳寿命提高 3）表面硬度：硬度，开始时 ，到HRC62时，硬度，4）润滑油粘度：粘度高时，能形成稳定内膜，压力平均分布，不易疲劳；粘度低时，油容

22、易挤入裂纹从而加速裂纹扩展。三三.疲劳寿命的估计疲劳寿命的估计 由 或 ，材料常数；钢材 一般钢件的临界接触疲劳应力可用下式估算：若两个接触体应力不同时，用较软材料硬度。那么：则：第24页，本讲稿共26页24 零件腐蚀失效机理零件腐蚀失效机理 腐蚀失效：腐蚀失效：化学腐蚀、电化学腐蚀、应力腐蚀、氢脆和穴蚀。一一.穴蚀失效机理穴蚀失效机理 1.定义：定义：与流体相接触的零件表面，在外界扰动和液流扰动的情况下，产生零件表面的小凹坑状和海棉状损坏。条件：液流扰动和外界有振动 2.机理：机理：气泡溃灭理论气泡溃灭理论 气缸吸气时，缸壁向内振动，水体产生负压P0真空度而产生气泡；爆发行程时，缸壁向外振动

23、，水体压力增大，在高压下，水泡溃灭，向零件表面产生冲击力造成疲劳。由压力差：溃灭时，冲击疲劳破坏第25页，本讲稿共26页 3.影响因素影响因素v 控制活塞与气缸间间隙，间隙小，振动冲击小，保证装配下，尽量减小间隙；v 提高缸套的支承刚度；v 保持冷却水的纯净，可少产生气泡；v 设计缸套水道断面，使水流产生的扰动小；v 减小水面张力，可以使气泡排出，可加乳化剂；v 控制冷却水温（不在4060之间）v 维修中保证垂直度 二二.化学腐蚀和电化学腐蚀化学腐蚀和电化学腐蚀 1.化学腐蚀（氧化）；2.电化学腐蚀（闭塞电池腐蚀）由于设备上的特殊几何形状和沉积物，使电解液的流动受限制，由于扩散受限制，使它被阻塞在空腔内，结果使空腔外表面成阴极，腔内形成阳极，即产生电位差：阳极反应：阴极反应：第26页，本讲稿共26页