汽車零部件斷裂失效分析簡述岑舉課件

汽車零部件斷裂失效分析簡述

2009·101、基本概念失效：國家標準GB3187-82中定義：“失效（故障）----產品喪失規(guī)定的功能。對可修復產品，通常也稱為故障。”

規(guī)定的功能：是指國家有關法規(guī)、質量標準、技術文件以及合同規(guī)定的對產品適用、安全和其它特性的要求。它既是產品質量的核心，又是產品是否失效的判據。失效分析：是判斷產品的失效模式，查找產品失效機理和原因，提出預防再失效對策的技術活動和管理活動。因此，失效分析的主要內容包括：明確分析對象，確定失效模式，研究失效機理，判定失效原因，提出預防措施(包括設計改進)。失效模式：是指失效的外在宏觀表現(xiàn)形式和過程規(guī)律，一般可理解為失效的性質和類型。失效原因：失效原因通常是指釀成失效甚至事故的直接關鍵性因素。

失效機理：失效機理是指失效的物理、化學變化本質和微觀過程，可以追溯到原子、分子尺度和結構的變化，但與此相對的是它遲早也要表現(xiàn)出一系列宏觀（外在的）的性能、性質變化和聯(lián)系。失效機理是對失效的內在本質、必然性和規(guī)律性的研究，它是人們對失效內在本質認識的理論提高和升華。關于灰色系統(tǒng)是對內部結構可以部分了解或可以綜合運用邏輯推理的方法進行分析的系統(tǒng)。從人類實踐的絕對性來看，人類可以窮盡對機電失效規(guī)律及其預防的認識，但從對失效分析的個別實踐和認識來看，又總是在有限的空間內進行的。因此，對失效特點和規(guī)律的認識又往往是有限的和相對的，這就決定了失效分析的研究和發(fā)展總是處于一個灰色系統(tǒng)內。（失效分析的持續(xù)性、階段性、可認知性和無止境性）（失效分析的病理學研究方法和流行病學研究方法）2、汽車零部件及斷裂失效特性總成——發(fā)動機、離合器、變速器、傳動系統(tǒng)、前橋、驅動橋、前后懸架系統(tǒng)、車身車架、轉向系統(tǒng)、壓力及容器系統(tǒng)等，又可以分為若干子系統(tǒng)和零部件。2.1總成、零件、結構、載荷零件——齒輪類、軸桿類、彈簧類、軸承類、殼體類、支架類、緊固件類、油氣管路、墊片類、輪帶類、其它等；結構——彎曲梁（懸臂、簡支梁）、扭轉桿、拉壓桿、組合狀態(tài)等；配合——間隙或過盈配合、鎖緊及摩擦配合、定位性配合、嚙合性配合、支撐和約束等；結構特性——剛性件、彈性件、柔性件、吸能件、平衡性件等；載荷特性——脈動載荷、沖擊或多沖載荷、振動、約束、動平衡載荷、熱應力件、耐腐蝕件等。2.3失效分析要點鑒于“灰色系統(tǒng)”的原理，對于各種失效和問題的認知是一個持續(xù)、不斷變換和深入的過程。對于實際的問題認知具有階段性。是一個不斷地積累、歸納和理性認識地過程。掌握理論，尊重實際，符合邏輯，失效是一個思維過程。要能夠自我否定，不要盲目追求“結果”，承認總會有一些說不清的問題。認識需要實踐驗證，宗旨在于解決問題。要熟知和掌握標準和技術條件及其意圖，熟悉零部件功能和工作條件，同時關注各種技術條件與具體失效形式的關系。2.4可靠性原理及評價結構功能設計、產品質量、使用工況的關系設計的使用應力（各種指標）和強度（各種指標）技術條件；關注實際的使用應力（工況）及制造質量分布的偏移和變化；

兩者分布曲線相交則產生失效。目前的失效分析和認知程度、評價主要還是在定性的水平上。使用應力、工況設計應力技術條件制造質量

2.5斷裂分析要素從可靠性理論中斷裂的應力模型得知，應力和強度是斷裂分析的兩大要素，兩個要素中哪一個貢獻較大？最為活躍？如何地感知和評價是斷裂分析中的一個焦點；其中力學要素是斷裂失效分析的第一要點。因為力學因素的變換、波動、屬性遠比強度屬性要活躍得多。例如占開裂問題絕大部分的疲勞斷裂（含脆性斷裂）基本上是一個力學屬性的表征；結構和配合的特性、載荷的性質和幅值、大多的內在質量缺陷、工作和運行的狀態(tài)、應力狀態(tài)等等，都屬于力學分析的范疇。他們不僅決定了是否開裂，還總體上決定了以什么形式或在什么部位開裂。材料內在質量要素，要在技術條件和標準的基礎上和對壽命影響的能力上的角度評價，其余延遲開裂和形變開裂等關系更密切。疲勞斷裂的強度、應力、壽命要素分析疲勞壽命是有限的，但零部件早期的疲勞斷裂的實際壽命一般表現(xiàn)為成倍或是數量級的變化和降低，這是通?？紤]疲勞斷裂分析的一個基點；對于疲勞強度和疲勞應力均可以產生不同原因和幅度上的波動；兩者相交時產生疲勞斷裂，各自的貢獻度如何及如何評價是我們斷裂分析的關注點；這些看法具有階段性，適應于目前機械工業(yè)的國情，包括設計、制造和使用等各方面的狀態(tài)。汽車零件類型、強度的基本狀況及波動幅度汽車零件強度和疲勞強度（0.5）的實際波動狀況（經驗）是：跨過一個強度級別，強度的波動應該<10%左右。某滲碳鋼多階疲勞強度比值

3斷裂分析開裂和斷裂失效占汽車零部件失效的絕大部分；主要的類型包括有:疲勞斷裂、延遲斷裂、脆性斷裂、工藝裂紋等；3.1疲勞斷裂斷口分析是疲勞分析的重要環(huán)節(jié)，包括結構、應力分布場、載荷形式、異常工況、應力的大小等因素特征都會有所體現(xiàn)；也要關注斷口或失效性質性質的轉化及相關的條件。疲勞斷口形態(tài)3.1疲勞斷裂案例1、車輪的腐蝕疲勞開裂過程：充氣凝結水、腐蝕坑、應力集中、疲勞開裂；結構：工作中車輪失圓，槽型結構在橢圓的短軸方向張口，包括輪胎的外張力。在槽根部結構處有應變集中趨勢，產生彎曲疲勞開裂。關注防腐的工藝質量，這是原因。疲勞斷裂案例2、變速器輸入軸套管旋轉彎曲疲勞斷裂離合器分離軸承與輸入軸套管的同心定位有問題，使其承受了旋轉彎曲應力，也稱作附加彎矩；要重點觀察分析套管表面的接觸摩擦痕跡；同時產生的失圓現(xiàn)象還引發(fā)了管口的失圓疲勞裂紋。疲勞斷裂案例3、半軸圓角旋轉彎曲疲勞開裂法蘭盤承受的旋轉彎曲應力應該與輪轂軸承間隙過大有關，也有考慮變形等因素影響了橋殼和輪轂的垂直度的；關注約束的喪失對相關件的受力形式的影響。疲勞斷裂案例5、后橋殼疲勞開裂焊接橋殼的三角區(qū)拉應力疲勞開裂；原因是內部焊接未焊透，強度不足和應力集中引起該部位疲勞開裂；關注減殼口處的彈性變形和三角區(qū)的變形及應力場；過渡圓R處承受著彎曲和拉直的兩種載荷的正應力，拉直應力受到了三角板的約束。關注疲勞開裂部位和形式以及開裂性質的轉化。疲勞斷裂案例6、后橋殼后蓋疲勞開裂橋殼后蓋疲勞開裂，后轉為橋殼彎曲疲勞開裂；橋殼的后蓋有三種，螺栓連接的、焊接的和鑄造一體的，具有一定的剛性，均需要有效連接，以支撐和協(xié)調橋殼的剛性。均可以在連接部位發(fā)生各種開裂問題；本案是該部位較為薄弱，加上后蓋的彎曲結構而局部彎曲疲勞開裂，裂紋擴展后轉為橋殼的彎曲疲勞。疲勞斷裂案例10、鋼板彈簧中心孔疲勞開裂關注約束的有效性；斷裂力學要素：簡支梁彎矩最大部位、應力集中、應變集中。同時也應考慮少片簧平直段的剛性。疲勞斷裂案例11、鋼板彈簧壓板邊緣處疲勞斷裂關注局部異常的表面異常硬化會增加疲勞裂紋萌生的敏感性?？紤]異常的擦傷、表面擠壓磕碰傷與表面強力噴丸有什么差別或作用。疲勞斷裂案例12、板簧前卷耳疲勞開裂關注沖擊載荷的作用，關注車輛的動力和制動性能，道路情況；關注對失效認識的不斷深化和階段性。疲勞斷裂案例13、鋼板彈簧蓋板疲勞開裂少片簧的中間段剛性不足，如果與板簧中心孔斷裂有關則應該有異常接觸印記；彎曲在前，實際的失效形式應該是彎曲，要點是彎曲的連續(xù)性，交通肇事的彎曲脆斷中會有斷裂件彎曲的一類問題。疲勞斷裂案例14、減震器支架疲勞斷裂關注減震器的作用和沖擊載荷性質；。鑄鐵支架作為一個類型，大多承受沖擊載荷的作用。鑄鐵的疲勞斷口比較難分析。疲勞斷裂案例15、傳動軸支架疲勞斷裂關注傳動軸不平衡造成的振動應力。疲勞斷裂案例16、斜齒輪輪齒彎曲疲勞關注接觸區(qū)的偏移，齒向問題，會使得局部工作應力大幅度提高；影響因素包括熱處理變形、軸的剛度和變形、軸承間隙的調整等。疲勞斷裂案例17、中間軸齒輪疲勞開裂變速箱缺油或同步器燒蝕，引起齒輪灼燒并疲勞打齒；關注短懸臂梁的裂紋擴展方向問題。疲勞斷裂案例18、制動盤、制動鼓熱疲勞開裂關注熱應力的產生條件、大小。全約束條件下加熱到500℃時熱膨脹壓應力可以達到700兆帕以上。關注結構的約束，關注材料的性質（灰鐵、球鐵、蠕鐵、合金鑄鐵）。熱疲勞的典型零件還有離合器壓盤、汽缸蓋和排氣歧管、渦輪增壓器殼等。疲勞斷裂案例19、微動磨損引起的疲勞開裂由于載荷過大、剛性不足、裝卡方式等原因引發(fā)局部產生微動磨損現(xiàn)象，導致疲勞開裂。這類問題在軸孔配合結構中最多體現(xiàn)。疲勞斷裂案例20、某連桿銷孔疲勞開裂在擠壓載荷作用下的疲勞開裂；表現(xiàn)出了對油孔邊緣處應力集中的敏感性。疲勞斷裂案例22、剪切應力疲勞開裂半軸、鋼板彈簧等零件，產生在高強韌性的零件中；屬于應變疲勞的性質，也稱為高應力低周疲勞；扭轉的應力狀態(tài)更有利于這種失效形式的產生。3.2延遲開裂5.1延遲開裂（第二類氫脆）三大因素：氫、組織（硬度）、應力。延遲開裂定義，也稱靜疲勞?！版溄印?.2氫制開裂是成型的機理，有廣泛和成功的應用。5.3組織的敏感性問題應引起高度的重視。首先是GB\T3098.1標準的理解問題，“鏈接”

關注的要素：最低回火溫度；最低含碳量；最低合金量；淬火馬氏體的含量；再回火試驗。

核心問題：充分回火的問題，組織敏感性的問題，第一要素。5.4關于低溫蠕變機理，關于氫的因素。5.5關于結構件的的延遲開裂的范疇：高強度螺栓、彈簧及彈性件、齒輪及感應淬火件、淬火裂紋、磨削裂紋等。5.5確認的方法：正應力的存在、延遲性的表現(xiàn)、沿晶或沿晶傾向的微觀斷口、硬度和金相檢驗、再回火試驗。5.6關于應力問題：恒定（持續(xù)）性正應力的存在，包括內在和外在的兩種。應力場的屬性分析，包括來源和分布。5.7問題的解決方案充分淬火和回火方案、技術條件的合理化；降低和改變應力分布和幅度方案；控“氫”方案。5.8以380~400℃再回火溫度的充分回火狀態(tài)，作為劃定回火馬氏體和回火屈氏體的界限，回火屈氏體原則上沒有延遲開裂的組織敏感性。3.3脆性斷裂零件的脆性斷裂也較為常見，材料的性質是重要的條件之一，但實際情況中硬性應力狀態(tài)更重要，即指雙向拉應力狀態(tài)。該應力狀態(tài)限制了材料的塑性變形條件而產生脆性斷裂。脆性斷裂不等于材料脆性，應力狀態(tài)（平面應變）的影響更大。脆性斷裂斷口脆性斷裂案例1、差速器十字軸和半軸行星輪的脆性斷裂與巨大的沖擊作用有關，多傾向于產生在重載倒車的過程中。關注脆斷斷口終斷區(qū)的轉彎形態(tài)，關注動態(tài)應力場的變化。脆性斷裂案例2、半軸脆性開裂在靜扭和疲勞斷裂中均有發(fā)生，表現(xiàn)出各種形態(tài)的斷口。是一個系統(tǒng)內能量蓄積、轉換和釋放的過程；脆性斷口（碎裂）可以理解裂紋擴展速度，與彈性變形的速度相當。脆性斷裂案例3、橫拉桿接頭彎曲脆性斷裂密封失效導致潤滑失效，工作中回轉阻力過大，引起彎曲并脆性斷裂。脆性斷裂案例4、軸承蓋板裝配開裂結構問題，螺栓孔長而薄；裝配問題，注意裝配順序；密封墊的的問題，剛性小。脆性斷裂案例5剪切下料中的彎曲脆斷下料模具間隙調整的不合理，壓料不穩(wěn)定，局部承受了過大的彎矩，首先產生彎曲變形（含端頭失圓的變形），然后是開裂。開裂紋方向的應力場分析，斷口與應力場拉壓、彎曲、扭轉、剪切是結構的幾種基本力學狀態(tài)；彎矩、扭矩、剪矩是材料力學中的三個結構應力分布基本模型；σ、τ是兩種基本應力，三個應力分布的應力矢量疊加決定了主應力的分布情況；疊加后應力矢量和裂紋擴展過程中應力場的動態(tài)變化影響著裂紋的走向。σ、τστ脆性斷裂案例6、轉向螺桿和主銷脆性斷裂車輛及相關的部位受到了嚴重的沖擊，通過機械動作傳遞載荷，在適當的條件下和部位產生斷裂；是一個能量釋放和轉換過程，不同的機械狀態(tài)，開裂的零件和部位不一樣。要求我們系統(tǒng)地考慮問題。扭矩為主彎、剪結合彎矩為主脆性斷裂案例7、軸桿類零件矯直斷裂關注矯直工藝過程，矯直形變過大。脆性斷裂案例8、飛輪齒圈脆性斷裂起車試驗5、6個循環(huán)發(fā)生脆斷，發(fā)生在在焊口處；裂紋源在心部，菊花狀斷口，表達對焊接變形組織的敏感性；裝配張應力、工作沖擊載荷；淬火層過深的問題，焊接后回火的問題；延遲開裂的可能性，沖擊載荷的作用，性能有問題。脆性斷裂案例9、半軸桿部螺旋裂紋從斷裂韌性的理論解釋，圖中給出了40CrNiMo鋼的斷裂韌性（K1c）和經淬火、回火熱處理成不同屈服強度后的相互關系。從圖得知隨硬度的升高，材料的斷裂韌性大幅度下降，即硬化層內的組織斷裂韌性極低，裂紋會優(yōu)先擴展。實際上可以理解為裂紋擴展所需要的能量的差異問題和彈性變性能的多少，能量的分布，裂紋擴展速率等問題。均發(fā)生在層深較大的半軸上。韌性斷裂案例10弧形剪切開裂發(fā)生在高能量沖擊的情況下，結構是短懸臂梁，韌性良好的基體組織。彎矩和剪矩兩個剪應力矢量和構成的弧形最大剪應力場，產生弧形韌性剪切開裂。yyx4、小結（幾個考慮問題的基點）汽車失效技術的基本技術狀況汽車是數量最大的行走機械，涉及的面最廣，具有社會性，汽車零部件的失效分析技術也是失效行業(yè)中最具有社會化的技術之一。國內汽車制造產的技術水平，包括產品開發(fā)、工藝技術、管理、供應商等，在過去20年里以及目前的水平，處在從無到有的改進和上升階段，是暴露問題和對問題認識和提高階段；汽車零部件的失效分析技術也處在發(fā)展過程中，總體講是處在認識的積累和定性分析的階段；目前的失效問題最大的對產品技術的認識不足、制造質量及一致性不良、不滿足使用工況等方面，這包括零件和總成及整車。定量的失效分析需要材料、零件、